田亞平 周曉珊 馬春龍

摘 要：為了解決當(dāng)前市面上虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)在觸/力覺方面顯示能力不足的問題，以一站式、全方位、多維度優(yōu)化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了融合力（觸覺）反饋的技能仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該方案結(jié)合力反饋方法、眩暈緩解措施、效果評(píng)價(jià)體系，最大程度上實(shí)現(xiàn)了用戶和產(chǎn)品之間的交互性。通過與相關(guān)企業(yè)和院校合作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款籃球投籃仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)投籃發(fā)力進(jìn)行數(shù)字化反饋式訓(xùn)練，表明效果較佳，具有一定推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;觸覺反饋;籃球仿真訓(xùn)練;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

DOI：10. 11907/rjdk. 192699 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0134-05

Abstract： In order to solve the problem of insufficient display ability of touch/force perception in the current virtual simulation training system on the market， a skill simulation training system integrating force （touch） feedback is designed and realized with the design goal of one-stop， all-round and multi-dimensional optimization. This scheme combines the force feedback method to alleviate vertigo， and the effect evaluation system maximizes the interaction between the user and the product. Through the cooperation with related enterprises and universities， a system for basketball shooting simulation training was designed and implemented， and the system conducted digital feedback training on shooting force training and the effectiveness and extensibility of the scheme are proved.

Key Words： virtual simulation; tactile feedback; basketball simulation training;virtual reality technology

0 引言

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，需求遍布醫(yī)療[1-3]、教育[4-5]、軍事[6-8]等各領(lǐng)域?！丁笆濉眹?guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，要加快虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、全息成像等核心技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展;教育部辦公廳《關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》明確提出，建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，能有效推動(dòng)高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。

在市場(chǎng)上推廣使用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括以下兩種類型：①桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可在電腦屏幕中呈現(xiàn)三維虛擬環(huán)境，通過鼠標(biāo)、手柄等進(jìn)行交互， 雖然這讓使用者嚴(yán)重缺乏體驗(yàn)感，但由于成本相對(duì)較低而得到廣泛應(yīng)用[9];②完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用者需要佩戴沉浸式輸出設(shè)備（比如頭盔、定位手柄等），以及頭部、身體追蹤裝置，從而確保其身體運(yùn)動(dòng)和環(huán)境反饋之間的精確匹配。其可以將使用者的視覺、聽覺與外界隔離，排除外界干擾，全身心投入虛擬世界中[10]。但是上述虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在交互上存在一定不足，尤其是技能訓(xùn)練產(chǎn)品缺少觸感的直接交互，無法通過產(chǎn)品體驗(yàn)得出運(yùn)動(dòng)效果的評(píng)價(jià)反饋，也無法實(shí)現(xiàn)所見即所感，及人與虛擬環(huán)境的雙向交流[11]。鑒于此，本文以一站式、全方位、多方面為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了融合力（觸覺）反饋的技能仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該方案結(jié)合力反饋方法、眩暈緩解措施、效果評(píng)價(jià)體系，最大程度上實(shí)現(xiàn)了用戶和產(chǎn)品之間的交互性。使用Kinect與傳感器對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)和生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用科學(xué)有效的分析方法準(zhǔn)確捕捉、描述用戶動(dòng)作細(xì)節(jié)，為訓(xùn)練結(jié)果提供相應(yīng)的原因分析，用戶通過可視化顯示界面實(shí)時(shí)查看自己的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文方案是對(duì)于仿真訓(xùn)練的一體化設(shè)計(jì)，包含內(nèi)容制作與觸覺、視覺、聽覺的一體化處理方法，以及科學(xué)、全面的效果評(píng)價(jià)體系。該方案共有5層結(jié)構(gòu)，分別是：數(shù)據(jù)處理層、存儲(chǔ)層、人機(jī)交互層、效果評(píng)價(jià)層以及評(píng)價(jià)反饋層。數(shù)據(jù)處理層在內(nèi)容制作上采用Unity3D技術(shù)以及緩解眩暈感的措施對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行軟件搭建;存儲(chǔ)層對(duì)內(nèi)容、各項(xiàng)設(shè)備記錄和分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);人機(jī)交互層主要通過力反饋設(shè)備將聽覺、視覺、觸覺有效輸出并反饋到人體，讓人在技能訓(xùn)練的同時(shí)，切實(shí)感受到力度感、沉浸感;在效果評(píng)價(jià)層和效果評(píng)價(jià)反饋層提供基于受訓(xùn)者本身的科學(xué)全面的效果評(píng)價(jià)，及時(shí)有效地為用戶反饋訓(xùn)練健身數(shù)據(jù)，得出訓(xùn)練矯正方案，讓用戶掌握最正確的技能訓(xùn)練方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化安全訓(xùn)練。

1.2 系統(tǒng)核心技術(shù)

1.2.1 多自由度力觸融合反饋方法

多自由度力觸融合反饋方法指在人機(jī)交互過程中，計(jì)算機(jī)對(duì)操作者的輸入作出響應(yīng)，并通過力觸覺設(shè)備作用于操作者的過程，即操作者通過交互設(shè)備向虛擬環(huán)境輸入力或運(yùn)動(dòng)信號(hào)，虛擬環(huán)境以視、聽、力或運(yùn)動(dòng)信號(hào)的形式反饋給操作者。力觸覺反饋交互系統(tǒng)主要由操作者、六自由度力觸交互設(shè)備、計(jì)算機(jī)、受控環(huán)境以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集、通信等配套部分組成。其中，受控環(huán)境既可以是真實(shí)環(huán)境也可以是計(jì)算機(jī)仿真模擬的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。力觸融合交互設(shè)備采用六自由度力覺生成，解決復(fù)雜形狀物體多點(diǎn)多區(qū)域不穿透接觸交互模擬和剛體交互的六維力與力矩聯(lián)合計(jì)算問題，通過傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)操作者動(dòng)作識(shí)別，受控環(huán)境根據(jù)操作者動(dòng)作作出相應(yīng)響應(yīng)，并向計(jì)算機(jī)提供被操作對(duì)象的運(yùn)動(dòng)及交互力信息;計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)相應(yīng)的控制算法，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、反饋力計(jì)算及界面顯示，最終通過力觸融合交互設(shè)備的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩合成空間反饋力并作用于操作者。

力觸融合反饋方法是從生物力學(xué)的角度，基于拓補(bǔ)學(xué)中正六邊形模型而建立的皮膚表面形變模型，可以近似仿真皮膚表面，并且在模型中，為每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都設(shè)計(jì)了一個(gè)彈簧模型，用于力反饋計(jì)算和系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。并且，通過建立虛擬皮膚表面實(shí)時(shí)力觸融合反饋交互系統(tǒng)（見圖2）[12-14]，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)和觸覺反饋功能，在力覺上所用的觸覺交互設(shè)備能夠準(zhǔn)確跟蹤人手三維運(yùn)動(dòng)，將由虛擬模型計(jì)算的虛擬力實(shí)時(shí)反饋給操作者，在力覺上提供逼真的沉浸感。其最大輸出反饋力為3.3N。

1.2.2 多環(huán)節(jié)多層面集成的眩暈現(xiàn)象緩解優(yōu)化策略

本文方案整合現(xiàn)有眩暈抑制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，采用多環(huán)節(jié)多層面的4種眩暈緩解集成優(yōu)化策略。在緩解眩暈后，采用基于自有的力觸覺融合反饋方案以更加真實(shí)具體地反饋現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的力，并在訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)時(shí)，減少眩暈感帶來的身體不適，避免非訓(xùn)練內(nèi)容導(dǎo)致的心率加快等干擾因素，使得效果評(píng)價(jià)更加精準(zhǔn)，可有效反饋訓(xùn)練結(jié)果。

如圖3所示，在本文設(shè)計(jì)的一站式方案中，采用多環(huán)節(jié)多層面的集成優(yōu)化策略以緩解眩暈現(xiàn)象。

（1）基于模擬暈動(dòng)癥本質(zhì)[15-16]的解決方案。在本文一站式解決方案的人機(jī)交互層，計(jì)劃預(yù)留出1㎡左右的現(xiàn)實(shí)空間，讓用戶在虛擬世界中360°自由移動(dòng)，包括下蹲、跳、坐下等豐富的肢體動(dòng)作，以便用戶用自己的真實(shí)行動(dòng)操控訓(xùn)練場(chǎng)景中的角色移動(dòng)，從而避開模擬暈動(dòng)癥產(chǎn)生的源頭。這種映射越是自然，暈動(dòng)癥狀就會(huì)越輕微。

（2）利用低余暉效應(yīng)[17]降低暈眩感。余暉效應(yīng)是視覺暫留現(xiàn)象，指人眼在觀察事物時(shí)，光信號(hào)傳入大腦神經(jīng)需要一段短暫時(shí)間，光信號(hào)消失后，視覺形象并沒有立刻消失。在準(zhǔn)備足夠的現(xiàn)實(shí)空間后，在人機(jī)交互層的視頻輸出設(shè)備中同時(shí)使用兩種方法降低余暉效應(yīng)：①頭顯采用有機(jī)電激光顯示器，確保色彩分量同時(shí)點(diǎn)亮，從而降低余暉效應(yīng);②方案中所采用的頭顯設(shè)備會(huì)具有很高的刷新率，達(dá)到90Hz以上，使得虛擬物體運(yùn)動(dòng)更加接近真實(shí)世界，從而有利于緩解眩暈感。

（3）內(nèi)容開發(fā)使用Unity3D的VRPanoramaCamera 渲染[18]降低眩暈感。在對(duì)硬件進(jìn)行處理后，在一站式方案數(shù)據(jù)處理層的內(nèi)容制作上使用Unity3D的VRPanoramaCamera 和Vistual Studio 2015對(duì)內(nèi)容采取一系列眩暈渲染降低措施，最終使得內(nèi)容以人眼最能接受的燈光和環(huán)境風(fēng)格呈現(xiàn)出來。

（4）通過渲染與矯正頭顯分辨率緩解眩暈感。針對(duì)數(shù)據(jù)處理層的實(shí)時(shí)渲染部分，分兩步對(duì)頭顯分辨率進(jìn)行處理，一是對(duì)中間直線式圖像進(jìn)行渲染，二是進(jìn)行透鏡失真和色差非線性校正，使得頭顯分辨率更加適應(yīng)虛擬環(huán)境中的使用者。

1.2.3 時(shí)空多維度評(píng)價(jià)與效果監(jiān)控體系

在本文一站式方案中，技能仿真訓(xùn)練和科學(xué)健身效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)（見圖4），即運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集層、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析層、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)層。每一層在物理上做到互相獨(dú)立，卻在邏輯上緊密相連，上層以下層為基礎(chǔ)。這樣極大地提高了本方案的兼容性和可擴(kuò)展性，為后續(xù)方案升級(jí)提供了便利。

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集層上，利用Kinect與傳感器對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)與生理數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[19]。其中，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括力、速度、加速度、角度、頻率;生理信息包括心率、呼吸頻率、體溫、心電圖。根據(jù)用戶訓(xùn)練情況，建立基于時(shí)間序列的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，時(shí)刻記錄著用戶運(yùn)動(dòng)成長(zhǎng)數(shù)據(jù)，為成長(zhǎng)曲線搭建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析層上，本文方案訓(xùn)練效果分析方法有運(yùn)動(dòng)動(dòng)作識(shí)別、訓(xùn)練匹配度識(shí)別、基于曲率的運(yùn)動(dòng)平滑度度量、訓(xùn)練過程中的原因分析法。這些科學(xué)有效的分析方法能夠準(zhǔn)確捕捉描述用戶動(dòng)作細(xì)節(jié)，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練結(jié)果提供相應(yīng)的原因分析，涉及原因歸類為訓(xùn)練動(dòng)作（力、速度、加速度、角度、頻率）、生理狀態(tài)（心率、呼吸頻率、體溫）與自身?xiàng)l件（性別、年齡、身高、體重、肺活量、血壓），為學(xué)員（客戶）調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供理論依據(jù)。

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)層上，本文方案使用3方面的效果評(píng)價(jià)。一是對(duì)用戶訓(xùn)練過程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的周期性數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與生理信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化安全訓(xùn)練;二是對(duì)用戶與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，構(gòu)建用戶成長(zhǎng)曲線，包括動(dòng)作匹配度曲線、周運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)圖、評(píng)價(jià)等級(jí)曲線，便于用戶找到更加有效的訓(xùn)練方法;三是對(duì)運(yùn)動(dòng)完成過后的加權(quán)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)，采用層次分析法兼顧不同用戶之間的信息差異，包括性別、年齡、身高、體重、肺活量、血壓，針對(duì)不同用戶實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的效果評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)核心設(shè)備硬件配置

根據(jù)市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化需求，在第三方虛擬現(xiàn)實(shí)交互硬件上，本文一站式方案采用HTC Vive公司的頭戴式設(shè)備、操控手柄以及空間定位追蹤設(shè)置，如圖5所示。HTC Vive[20] 是由HTC與Valve聯(lián)合開發(fā)的一款VR頭顯（虛擬現(xiàn)實(shí)防眩暈頭戴式顯示器）產(chǎn)品，于2015年3月在MWC2015上發(fā)布。 由于有Valve的SteamVR提供技術(shù)支持，因此在Steam平臺(tái)上可以體驗(yàn)利用Vive功能的虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練。目前，Vive在虛擬仿真上已經(jīng)全面支持高精度仿真操作及體驗(yàn)交互，成為仿真領(lǐng)域的硬件首選。

在訓(xùn)練動(dòng)作捕捉上，采用Kinect光學(xué)捕捉裝置[21]，如圖6所示，相比于傳統(tǒng)穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備，其具有布置方便、操作簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在場(chǎng)地選擇上具有極大自由性，能夠滿足絕大部分用戶要求。在訓(xùn)練方面，本文在采用光學(xué)動(dòng)作捕捉的同時(shí)，增加穿戴設(shè)備，例如關(guān)節(jié)定位器、數(shù)據(jù)手套等，提高運(yùn)動(dòng)精確采集，滿足用戶對(duì)訓(xùn)練的高要求，使得訓(xùn)練具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

Kinect、HTC Vive與主機(jī)之間通過共享數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，Kinect通過光學(xué)定位將采集到的信息輸入數(shù)據(jù)庫，主機(jī)再從數(shù)據(jù)庫中取出相關(guān)數(shù)據(jù)用于環(huán)境渲染以及相關(guān)力反饋、碰撞體積計(jì)算，并將計(jì)算或者渲染結(jié)果傳輸?shù)紿TC Vive，給予用戶真實(shí)的實(shí)時(shí)體驗(yàn)。

3 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用案例

為了檢測(cè)所設(shè)計(jì)方案的有效性和可推廣性，項(xiàng)目組與相關(guān)企業(yè)和院校合作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款籃球投籃仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

籃球訓(xùn)練往往基于教練對(duì)于年輕運(yùn)動(dòng)員的經(jīng)驗(yàn)教授，然而大多數(shù)教練因?yàn)槟挲g或身體原因，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)教授過程中的精準(zhǔn)化示范，并且其中不排除有教練的習(xí)慣性動(dòng)作，使得運(yùn)動(dòng)員不能第一時(shí)間抓住訓(xùn)練重點(diǎn)。此外，籃球運(yùn)動(dòng)具有瞬時(shí)性，運(yùn)動(dòng)員很難看清籃球在手部、空中、籃框上面的運(yùn)動(dòng)與彈跳。為了解決精準(zhǔn)化示范與動(dòng)作細(xì)節(jié)分析難題，本文一站式解決方案中實(shí)現(xiàn)了投籃高手虛擬仿真系統(tǒng)。

如圖7所示，該系統(tǒng)解決了運(yùn)動(dòng)員投籃時(shí)的動(dòng)作捕捉、分析、糾正問題。傳統(tǒng)投籃訓(xùn)練僅僅是基于經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練，因而具有較強(qiáng)的偶然性，缺少科學(xué)有效的分析與反饋。而本文設(shè)計(jì)的虛擬仿真系統(tǒng)使用攝像頭和身上、手部設(shè)備精準(zhǔn)捕捉運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作，將這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，最后得出詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析報(bào)告。并且，系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)作放慢到常人能夠反應(yīng)的速度，對(duì)投籃動(dòng)作中的細(xì)節(jié)進(jìn)行放大并加以分析，運(yùn)動(dòng)員能夠基于細(xì)節(jié)分析有針對(duì)性地調(diào)整自己的動(dòng)作。同時(shí)，系統(tǒng)將許多標(biāo)準(zhǔn)投籃動(dòng)作融入數(shù)據(jù)庫，便于運(yùn)動(dòng)員比較、學(xué)習(xí)。該虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)投籃訓(xùn)練的嘗試性與偶然性，更加具有科學(xué)性、針對(duì)性，訓(xùn)練效率更高、效果更好。

4 結(jié)語

沉浸式VR技能仿真訓(xùn)練作為一種新型學(xué)習(xí)形式，已被日漸推廣商用。為了有效實(shí)現(xiàn)技能虛擬仿真訓(xùn)練中“所見即所觸”，將人體中觸覺感官有效融入虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景中，本文方案結(jié)合力反饋，采取一系列眩暈緩解措施，并采用效果評(píng)價(jià)體系，很大程度上實(shí)現(xiàn)了用戶和設(shè)備之間的交互，大大加強(qiáng)了用戶沉浸感。作為一站式解決方案，其綜合各類方法步驟，可為今后相關(guān)設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。未來，將通過加強(qiáng)與相關(guān)企業(yè)和院校合作，在開發(fā)籃球仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)幾款用于諸如軍事、醫(yī)療的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，讓力觸覺沉浸式VR訓(xùn)練系統(tǒng)得到進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）