焦均偉

摘? 要：隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，為更好地提高游泳救生工作效率，對(duì)虛擬仿真技術(shù)在游泳救生訓(xùn)練中的應(yīng)用進(jìn)行研究。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到游泳救生訓(xùn)練中，開發(fā)游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，通過對(duì)設(shè)計(jì)原理分析得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)系統(tǒng)中軟件與硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，確保得到更好的實(shí)際效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真? 游泳? 救生? 訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G861.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2813（2019）03（b）-0021-02

在我國(guó)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練深入發(fā)展過程中，游泳已經(jīng)成一種常見的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。隨著游泳教學(xué)的發(fā)展與訓(xùn)練水平的提高，對(duì)教練員的水平的要求也不斷提升。在游泳訓(xùn)練中，教練員大多仍采用傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，訓(xùn)練結(jié)果強(qiáng)差人意。其中救生作為教練員需要掌握的一項(xiàng)重要技能，這也是游泳訓(xùn)練中重要的安全保障[1]。虛擬技術(shù)作為20世紀(jì)40年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展出來的一種新型技術(shù)，能夠按照自然發(fā)展的客觀規(guī)律對(duì)事物進(jìn)行模擬。虛擬仿真技術(shù)逐漸成為人們認(rèn)知客觀規(guī)律的第三類方法，將虛擬仿真技術(shù)與游泳救生訓(xùn)練相結(jié)合，能夠在有效提高游泳救生訓(xùn)練的救生效率[2]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的游泳救生訓(xùn)練系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，為游泳救生訓(xùn)練提供更多的發(fā)展空間。

1? 游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

虛擬仿真（Virtual simulation technology）技術(shù)，主要利用網(wǎng)絡(luò)、多媒體、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及多種傳感器等技術(shù)手段構(gòu)造出一個(gè)虛擬環(huán)境，讓人們可以通過多種傳感系統(tǒng)與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，從而獲得現(xiàn)實(shí)感官體驗(yàn)[3]。虛擬仿真技術(shù)能夠?yàn)槭褂谜咛峁┮粋€(gè)實(shí)時(shí)反映對(duì)象變化的三維環(huán)境，使用者通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等多種感知進(jìn)行真實(shí)體驗(yàn)，讓參與者能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的變化進(jìn)行感覺。這種體驗(yàn)主要針對(duì)虛擬仿真技術(shù)基本特征進(jìn)行，如圖1所示。

虛擬仿真技術(shù)基本特征中沉浸部分要求通過計(jì)算機(jī)所創(chuàng)造出來的虛擬仿真環(huán)境能夠讓使用者產(chǎn)生一種身臨其境的感受;而交互部分能夠讓使用者通過熟悉的方式對(duì)虛擬仿真環(huán)境中的事物進(jìn)行觀察與操縱;想象部分則讓使用者能夠在虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)模擬、預(yù)測(cè)等功能。

1.2 系統(tǒng)框架

游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)中主要包括人機(jī)交互訓(xùn)練、3D可視化模型結(jié)構(gòu)、動(dòng)畫演示等部分，根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)任務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要利用Solid Works三維建模軟件對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行構(gòu)建的同時(shí)，將模型載入到EON中進(jìn)行虛擬場(chǎng)景構(gòu)建。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在開發(fā)過程中，考慮到系統(tǒng)需求、開發(fā)成本以及系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值等問題，讓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中形成一個(gè)多層次過程。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)特點(diǎn)，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

在游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中良好的圖形顯示以及數(shù)字運(yùn)算性，因此選擇圖形工作站。為保證系統(tǒng)的仿真效果，系統(tǒng)硬件主要選擇Windoes XP Pro-Sp2版本以及HPxw4400 Workstion工作站作為基礎(chǔ)操作系統(tǒng)，建立桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)中，具有Intel雙核Pentium4處理器、2GRAM，保證系統(tǒng)整體運(yùn)行速度與數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)采用ATI FireGL.V3350圖形加速卡，支持立體顯示模式與cg幾何引擎?？紤]到系統(tǒng)兼容性，立體顯示部分采用EON公司投影系統(tǒng)，而其他設(shè)備，如頭盔顯示器（Head Mounted Display）、位置追蹤器（Tracking System）、數(shù)據(jù)手套（Data Glove）、力量回饋器（Force Feedback Device）等可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)中作為一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅需要包括救生訓(xùn)練過程，更集合了多種突發(fā)情況及游泳技巧。游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)想要真正得到應(yīng)用，從實(shí)現(xiàn)角度來說，需要對(duì)游泳環(huán)境、設(shè)備實(shí)體建模以及事件突發(fā)模擬等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中軟件主要具備以下功能模塊：多目標(biāo)模塊、多視角模塊、聲音模塊。其中，多目標(biāo)模塊主要針對(duì)游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)中觀察的多個(gè)目標(biāo)，或者多個(gè)物體。在模擬訓(xùn)練過程中，需要保證使用者能夠?qū)崟r(shí)對(duì)周圍多個(gè)目標(biāo)物體運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察，同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同物體間的切換。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要采用通過改變目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用者可通過MFC工具欄中不同按鈕進(jìn)行選擇;多視角模塊則針對(duì)場(chǎng)景中某一目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行不同角度的運(yùn)動(dòng)情況觀察，從而更好地表達(dá)其與整體場(chǎng)景中其他物體的關(guān)系。在虛擬場(chǎng)景中，使用者可以將場(chǎng)景中各目標(biāo)設(shè)置成靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及限定等多種模式;而為保證游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)的真實(shí)性，除提供給使用者視覺體驗(yàn)外，同樣需要提供一個(gè)真實(shí)的聽覺體驗(yàn)。因此，在訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中，聲音模塊能夠模擬水聲、人聲等，讓使用者能夠得到身臨其境的體驗(yàn)。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在控制單一變量的情況下，將游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，而將傳統(tǒng)訓(xùn)練方法作為對(duì)照組。對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)后的游泳救生效率進(jìn)行記錄。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組設(shè)定參數(shù)一致，且實(shí)驗(yàn)條件相同。為了驗(yàn)證游泳救生訓(xùn)練的差異，實(shí)驗(yàn)組將按照需求使用游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行操作，而傳統(tǒng)方法采用人工處理的方式。

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組同時(shí)對(duì)游泳救生工作效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別記錄1、1.5、2、2.5、3h內(nèi)游泳救生工作效率。為避免突發(fā)性事件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的干擾，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組處理參數(shù)相同，具體結(jié)果如圖3、圖4。

分析圖3、圖4可知，游泳救生工作效率對(duì)比試驗(yàn)中，隨著時(shí)間的增加，實(shí)驗(yàn)組的效率一直呈較為穩(wěn)定的狀態(tài)，訓(xùn)練后游泳救生工作效率約為96%。對(duì)照組整體效率不穩(wěn)定約為84%。所以，游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)與傳統(tǒng)訓(xùn)練方法相比，訓(xùn)練后游泳救生效率能夠得到12%的提升。

3? 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)作為目前來說最有發(fā)展的技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在游泳救生訓(xùn)練中，為提高訓(xùn)練后救生工作效率，開發(fā)游泳救生訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)，對(duì)軟硬件與仿真結(jié)果進(jìn)行研究，確保得到更好的實(shí)際效果。

參考文獻(xiàn)

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