蘇奕 張瑤

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)存在體能訓(xùn)練動(dòng)作還原度較低的問題，設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件中的主控制器，主要對(duì)體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集，并設(shè)計(jì)處理器，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)等工作;然后，設(shè)計(jì)USB接口和以太網(wǎng)，滿足體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的通信需求;最后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬體能訓(xùn)練動(dòng)作以及訓(xùn)練場景，并建立數(shù)據(jù)庫。以此，完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動(dòng)作還原度較好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞： 體能訓(xùn)練; 動(dòng)作模擬; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 場景模擬; 還原度對(duì)比

Abstract： A physical training motion simulation system based on virtual reality technology is designed to improve the low reduction degree of physical training action existing in the traditional physical training motion simulation system. The main controller in the system hardware is mainly used to output and collect the training data in the physical training motion simulation system， and a processor is designed to coordinate the work of each node in the system. The USB interface and Ethernet are designed to meet the communication requirements of the physical training motion simulation system. The virtual reality technology is used to simulate the physical training motion and training scene， and the database is established， so as to complete the physical training motion simulation system based on virtual reality technology. The experimental results show that the designed physical training motion simulation system has preferable physical training motion reduction degree. It has a certain practical application significance.

Keywords： physical training; motion simulation; system design; virtual reality technology; scene simulation; reduction degree comparison

0? 引? 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們更加注重體能的訓(xùn)練，軍事、體育和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都相應(yīng)地建立起體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)[1]。然而當(dāng)前的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)缺乏真實(shí)場景的體驗(yàn)，模擬的動(dòng)作還原度較差，學(xué)生在使用傳統(tǒng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)后學(xué)習(xí)效果較差?；谏鲜鰡栴}的存在，本文設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)。

在體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)橛?xùn)練者提供與現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)的虛擬環(huán)境，同時(shí)在訓(xùn)練過程中接收視覺和聽覺等信息反饋，以提高人們的體能訓(xùn)練效果。

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件部分主要包括主控制器、處理器、USB和以太網(wǎng)接口。為系統(tǒng)提供體能訓(xùn)練動(dòng)作，模擬系統(tǒng)中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和通信功能。系統(tǒng)軟件部分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬體能訓(xùn)練動(dòng)作以及訓(xùn)練場景，并建立體能訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動(dòng)作還原度好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

1? 體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1? 主控制器設(shè)計(jì)

采用STM32控制器[2]，該控制器具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)。STM32控制器中STM32F103系列產(chǎn)品外設(shè)豐富，最高頻率可達(dá)72 MHz，片上集成32～512 KB的FLASH處理器，6～64 KB的SRAM存儲(chǔ)器，內(nèi)嵌2個(gè)12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器多達(dá)16個(gè)外部通道，能夠滿足體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)中訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集需求[3]。

調(diào)試模式為串行調(diào)試和JTAG接口，高達(dá)112個(gè)快速I/O端口。所有端口都能夠映射到16個(gè)外部中斷向量。同時(shí)具有11個(gè)定時(shí)器、4個(gè)定位器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)IC/IO/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器，兩個(gè)看門狗定時(shí)器，采用ECOPACK封裝形式。

1.2? 處理器設(shè)計(jì)

該處理器為體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的核心模塊，主要協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作。采用三星公司基于ARM9內(nèi)核處理器SC2410作為系統(tǒng)的核心處理器，該處理器內(nèi)的指令是獨(dú)立的，其大小為16 KB，支持TFI的LCD控制器，包含3路UART接口、4路DMA通道、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC，8路10位ADC通道[4]。

1.3? USB接口和以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

SC2410片內(nèi)集成USB主機(jī)接口和USB主從復(fù)用接口，主從復(fù)用接口通過跳帽進(jìn)行選擇，其中一個(gè)接口作為主機(jī)接口，另一個(gè)用來連接U盤等存儲(chǔ)設(shè)備，以提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量。USB接口電路如圖1所示。

以太網(wǎng)采用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由于SC2410內(nèi)部不具有以太網(wǎng)控制模塊，因此選擇控制芯片，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能。本文選擇CC2420芯片，該芯片采用IEEE 802.15.4協(xié)議，包括MAC層和物理層的相關(guān)協(xié)議，該芯片具有4線SPI接口，滿足系統(tǒng)的通信需求[5]。

2? 體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟件。體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬流程如圖2所示。

首先，建立人體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要滿足運(yùn)動(dòng)符合相關(guān)的力學(xué)要求，采用齊次變換矩陣的方式對(duì)人體運(yùn)動(dòng)情況描述[6]。具體流程如下：構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人體動(dòng)作空間坐標(biāo)系，假設(shè)人體體能訓(xùn)練動(dòng)作中肢體[A]在空間坐標(biāo)系[x，y，z]中的坐標(biāo)為[xA，yA，zA]，若該關(guān)節(jié)圍繞中心點(diǎn)[A]在空間中的旋轉(zhuǎn)角度分別為[α]，[β]，[δ]，通過旋轉(zhuǎn)矩陣變化得到人體運(yùn)動(dòng)的肢體動(dòng)作[B]在坐標(biāo)系[A]中的齊次方陣。則關(guān)節(jié)[B]在世界坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣為：

式中：[F]代表體能訓(xùn)練動(dòng)作;[i=1sa]代表體能訓(xùn)練動(dòng)作的肢體信息;[f]代表關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中的線速度。

通過上述過程，描述基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)軌跡，在此基礎(chǔ)上，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的立體顯示技術(shù)，模擬體能訓(xùn)練場景。為使體能訓(xùn)練動(dòng)作更加真實(shí)，需要得到符合三維特征的虛擬立體圖像樹[7]，由于基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練場景中圖像相關(guān)性強(qiáng)，因此通過該特征完成立體片快速算法[8]。假設(shè)體能訓(xùn)練動(dòng)作場景左右片對(duì)中[Kx，y，z]成像是[Px1，y1，z1]，則視差為：

式中：[D]代表實(shí)際場景與虛擬場景的視差;[x1]，[y1]分別代表場景相對(duì)的坐標(biāo)點(diǎn);[N]，[F]分別代表場景變換向量;[Z]代表左右焦點(diǎn)間距。

在上述動(dòng)作模擬與虛擬訓(xùn)練場景建立的基礎(chǔ)上，建立體能訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)庫[9]，將體能訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)與場景數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。由于使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)的體能訓(xùn)練動(dòng)作，場景與系統(tǒng)格式存在一定的差異性，在使用該系統(tǒng)時(shí)，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此在不破壞數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)壓縮處理[10?11]，計(jì)算公式如下：

式中：[J]代表體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間;[Ax]代表系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)格式;[gt]為數(shù)據(jù)壓縮因子;[a]為體能訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)。

通過上述過程完成數(shù)據(jù)的壓縮。在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)不同的使用需求，對(duì)體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)進(jìn)行操作，以此完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3? 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

此次實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)的有效性。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說明性，將傳統(tǒng)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)與此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)做對(duì)比，對(duì)比兩種體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬的還原度。

3.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某高校為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)分別應(yīng)用于某班體育學(xué)生的基本體能訓(xùn)練動(dòng)作中，主要的模擬體能訓(xùn)練動(dòng)作如表1所示。

分別使用兩種系統(tǒng)模擬上述體能訓(xùn)練動(dòng)作，由于體能訓(xùn)練動(dòng)作較多，需要搭建測(cè)試平臺(tái)，以準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為降低節(jié)點(diǎn)能耗和節(jié)約成本，同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)需求，使用少量傳感器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由器，以完成傳感器數(shù)據(jù)采集和路由其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)中傳感器節(jié)點(diǎn)通過串口與測(cè)試主機(jī)相連接，目的是使上位機(jī)軟件監(jiān)視整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。共進(jìn)行7次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)在7次體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬的還原度，結(jié)果如圖4所示。

分析實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，傳統(tǒng)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬結(jié)果與期望的動(dòng)作還原度相差較大，在7次實(shí)驗(yàn)中，體能訓(xùn)練動(dòng)作的還原度均低于本文系統(tǒng)的動(dòng)作還原度。而本文系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動(dòng)作還原度與期望還原度相差小，證明本文系統(tǒng)能夠有效處理人體動(dòng)作信息，模擬體能訓(xùn)練動(dòng)作準(zhǔn)確度更高。

4? 結(jié)? 語

針對(duì)傳統(tǒng)體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)動(dòng)作還原度較差的問題，設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體能訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)動(dòng)作模擬的還原度好，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。希望此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?yàn)轶w能訓(xùn)練動(dòng)作模擬上提供一定的幫助，以提高體能訓(xùn)練效果。

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