盧麗

（西安歐亞學(xué)院 陜西 西安 710065）

基于信息技術(shù)的健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

盧麗

（西安歐亞學(xué)院 陜西 西安 710065）

對(duì)于當(dāng)前的健美操教學(xué)之中，亟待優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬的健美操教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于健美操的現(xiàn)代信息化教學(xué)，因而基于信息技術(shù)，從系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，基于信息技術(shù)，設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以提升系統(tǒng)的可視化水平，提升32.0%，也可以提升健美操虛擬教學(xué)質(zhì)量，提升45.0%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值。結(jié)論表明，基于信息技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，發(fā)揮積極影響，可以在實(shí)際健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用信息技術(shù)。

設(shè)計(jì)；健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)；信息技術(shù)；技術(shù)分析

在當(dāng)健美操教學(xué)中，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種輔助教學(xué)的技術(shù)手段不斷涌現(xiàn)[1]。在現(xiàn)代細(xì)膩系技術(shù)中，能夠?qū)⑻摂M角色技術(shù)應(yīng)用于健美操的動(dòng)作技能教學(xué)中，虛擬角色技術(shù)就是通過(guò)基于角色的建模技術(shù)，同時(shí)聯(lián)合骨骼動(dòng)畫方面的技術(shù)，再應(yīng)用關(guān)于虛擬角色之間的交互溝通技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)[2-7]。同時(shí)，在信息技術(shù)中，也有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的采集與捕捉、健美操動(dòng)作視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等[8]，并對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，以此提高健美操運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練水平，發(fā)揮積極應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)需求分析

基于信息技術(shù)下，設(shè)計(jì)的健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，能夠積極的采用信息技術(shù)中的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，以此優(yōu)化組織系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，并未系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)健美操知識(shí)庫(kù)，提升系統(tǒng)可用性。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用.NET程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)外部程序接口設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的用戶交互操作可以顯得更加簡(jiǎn)便[9]。同樣，在健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)水中，可以采用信息技術(shù)，能夠基于產(chǎn)生式的規(guī)則進(jìn)行健美操行為推理；并同時(shí)結(jié)合基于框架推理方法，優(yōu)化控制健美操虛擬教學(xué)中的行為控制策略，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)的自學(xué)習(xí)能力，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率[10]?；谛畔⒓夹g(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，確保實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，能夠用類去分離健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的行為推理機(jī)制，以此確保可以提高設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)更具通用性，有效減少系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)中代碼冗余度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該采用可視化和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，確保可以加快開(kāi)發(fā)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)的周期，積極提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的人機(jī)交互能力，確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以滿足用戶的實(shí)際使用需求。

2 基于信息技術(shù)設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于信息技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)采取C/S架構(gòu)，由多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由應(yīng)用層、信息處理層、信息傳輸層、信息感知層、數(shù)字化處理層組成。通過(guò)信息技術(shù)，將健美操虛擬教學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，并且可以在最后，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及光柵顯示器等設(shè)備，對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，從而可以達(dá)到理想的健美操虛擬教學(xué)效果。本次系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于信息技術(shù)，設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)之中，通過(guò)系統(tǒng)需求分析部分，可以知道該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目的就是教學(xué)，因此系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)用性功能。對(duì)此，可以將該系統(tǒng)的工具結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)部分，以確保系統(tǒng)滿足實(shí)用價(jià)值。具體功能如圖2中所示。

圖2 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)信息交互

人在物理交互空間通過(guò)傳感器集成等設(shè)備與虛擬環(huán)境交互，可以將系統(tǒng)中傳感器獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)中的相關(guān)傳感器處理程序，將獲得人體行為數(shù)據(jù)融合為數(shù)字化的信息，然后可以經(jīng)過(guò)行為解釋器的作用，將會(huì)產(chǎn)生人體的行為數(shù)據(jù)，將其輸入到系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)用戶的交互操作，確保設(shè)計(jì)的健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，保障其虛擬環(huán)境配置的合理性，能夠帶給系統(tǒng)用戶更加真實(shí)的虛擬教學(xué)體驗(yàn)。如圖3所示，就是本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬多感知的交互操作模型。

圖3 虛擬三維建模

文中采取齊次變換矩陣的方式來(lái)對(duì)人體肢態(tài)進(jìn)行先關(guān)描述，這樣就可以更加靈活地，將人體的肢體根據(jù)不同坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變換與映射處理。具體就是可以通過(guò)對(duì)構(gòu)建人體幾何模型，同時(shí)可以對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型建模，集合矢量法與四元素法，描述運(yùn)動(dòng)員的肢體運(yùn)動(dòng)變化，確保系統(tǒng)中給出的健美操虛擬教學(xué)環(huán)境中，其虛擬的健美操運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作均可以符合實(shí)際的力學(xué)要求。其具體步驟為：

構(gòu)建肢體 B圍繞關(guān)節(jié) A在空間坐標(biāo)系（x，y，z）中的坐標(biāo)為（xB，yB，zB）。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在空間坐標(biāo)當(dāng)中，若是該人體關(guān)節(jié)圍繞A中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度分別是α、β、γ。那么，據(jù)此旋轉(zhuǎn)矩陣變化，就可以得到在坐標(biāo)系 A當(dāng)中，人體的肢體B行為變換的齊次方陣，具體如下式所示。

從而可以得到B關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣：

通過(guò)結(jié)合以上兩個(gè)公式，就可以得到人體關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中高的角速度與線速度，從而計(jì)算得出人體肢體的運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)方向。通過(guò)在健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)化構(gòu)建高性能的數(shù)據(jù)虛擬計(jì)算處理的環(huán)境，以確?？梢钥焖俚奶幚硐嚓P(guān)的健美操教學(xué)信息，并能夠具備很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，這樣就可以確保在開(kāi)展虛擬教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)系統(tǒng)提供逼真的、虛擬的健美操教學(xué)畫面，讓運(yùn)動(dòng)員可以“沉浸”在這種虛擬的健美操教學(xué)環(huán)境之中。同時(shí)，能夠基于信息技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，可以通過(guò)整個(gè)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建，用戶體驗(yàn)時(shí)，能夠從而視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與虛擬環(huán)境方面感知最真實(shí)的健美操訓(xùn)練效果。系統(tǒng)交互模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)信息交互模型

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，以此來(lái)構(gòu)建本次健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，可以提高系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力。同樣，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)之中，還應(yīng)該確?？梢源罅看鎯?chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以滿足運(yùn)動(dòng)員使用需求，也可以存儲(chǔ)虛擬教學(xué)相關(guān)信息，擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式，降低數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)的冗余度，提升健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度。

2.5 系統(tǒng)軟件代碼實(shí)現(xiàn)

部分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益

文中優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，是為了滿足人們進(jìn)行虛擬健美操訓(xùn)練、虛擬管理健美操教學(xué)現(xiàn)狀，為學(xué)院提供虛擬化健美操教學(xué)體驗(yàn)的基礎(chǔ)。對(duì)于當(dāng)前的體育健美操訓(xùn)練過(guò)程中，基于一定程度中還在采取集中的二維虛擬場(chǎng)景教學(xué)，運(yùn)用這樣的教學(xué)中，不僅會(huì)致使學(xué)生缺乏對(duì)真實(shí)健美操教學(xué)場(chǎng)景的直觀體驗(yàn)，也會(huì)降低運(yùn)動(dòng)員在學(xué)習(xí)健美操、參與健美操訓(xùn)練過(guò)程中的積極性，大大降低健美操虛擬教學(xué)的效果[11-13]?；谛畔⒓夹g(shù)，設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，在健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)水中應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，可以提升系統(tǒng)的可視化水平，提升32.0%，也可以提升健美操虛擬教學(xué)質(zhì)量，提升45.0%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值。健美操是一種深受高校師生喜愛(ài)的體育運(yùn)動(dòng)，在其教學(xué)中，可以通過(guò)信息技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從而可以使得運(yùn)動(dòng)員在健美操虛擬教學(xué)過(guò)程中，可以完全的沉浸在虛擬的健美操教學(xué)環(huán)境之中，這樣就可以大大提高運(yùn)動(dòng)員在學(xué)習(xí)健美操過(guò)程中對(duì)視覺(jué)以及聽(tīng)覺(jué)方面的深入感知[14]，身臨其境，提升虛擬教學(xué)質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)基于信息技術(shù)的健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到高校健美操教育中[15]，可以有效提高當(dāng)前健美操虛擬教學(xué)的實(shí)際效果，也可以健美操教學(xué)質(zhì)量[16]，也可以實(shí)現(xiàn)健美操教學(xué)信息化，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

4 結(jié) 論

綜上所述，基于信息技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)，發(fā)揮積極影響，可以在實(shí)際健美操虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用信息技術(shù)。

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Design and research of the virtual teaching system based on information technology

LU Li
（Xi'an Eurasia University，Xi'an 710065，China）

For the aerobics teaching，urgent need to optimize the design to realize virtual aerobics teaching system，based on modern information technology teaching aerobics and based on information technology，many aspects from the system requirements analysis，the overall structure of the system design and functional design of the system，optimize design aerobics virtual teaching system.The results confirm that based on information technology，design bodybuilding exercises virtual teaching system can not only enhance the level of visualization system，enhance 32.0%，can be used to improve the quality of the virtual teaching aerobics，enhance 45.0%，play an active design to realize the value.The conclusion shows that，based on information technology，optimize the design of the virtual teaching system of aerobics，and play a positive impact，can be used in the design of virtual teaching system in the practical application of information technology.

design；aerobics virtual teaching system；information technology；technical analysis

TN99

A

1674－6236（2017）16-0146-04

2016-06-20稿件編號(hào)：201606140

盧 麗（1978—），女，陜西西安人，副教授。研究方向：體育教學(xué)。