王宏宇

(吉林體育學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

談在體育訓(xùn)練仿真中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

王宏宇

(吉林體育學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育訓(xùn)練仿真中的應(yīng)用可以提高運(yùn)動(dòng)員的科學(xué)訓(xùn)練水平和運(yùn)動(dòng)競(jìng)技水平。對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的體育(訓(xùn)練)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，討論了體育仿真的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育訓(xùn)練仿真中的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)；體育仿真；體育輔助訓(xùn)練

1 概述

1．1虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)是由計(jì)算機(jī)生成的、模擬人類(lèi)感覺(jué)的世界的實(shí)時(shí)表示，有時(shí)也被稱(chēng)之為虛擬環(huán)境。這里的“世界”是指具有真實(shí)感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)，也可以是構(gòu)想的世界。操作者可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場(chǎng)景，所以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人機(jī)交互提供了新的交互媒體。通常，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有多種輸出形式，可以處理多種輸入設(shè)備的能力，并且能夠進(jìn)行碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)交互、視點(diǎn)控制和復(fù)雜行為建模等。

1．2體育系統(tǒng)仿真

現(xiàn)代競(jìng)技體育正在向高、難、精、尖迅速發(fā)展，這就使得體育訓(xùn)練更多地借助于現(xiàn)代科技手段。為了最大限度地挖掘人的潛能，現(xiàn)代體育需要科學(xué)技術(shù)不斷地介入。這就需要綜合地運(yùn)用與體育科學(xué)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，并采用系統(tǒng)科學(xué)的方法對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行研究。體育系統(tǒng)仿真是一門(mén)實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過(guò)程，從而達(dá)到對(duì)體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測(cè)、組織、評(píng)價(jià)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)。近些年來(lái)，系統(tǒng)仿真的研究熱點(diǎn)有面向?qū)ο蟮姆抡娣椒ā⒍ㄐ苑抡?、分布交互仿真、可視化仿真、多媒體仿真、基于VR的仿真和智能化的仿真等。與面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?、定性仿真、分布交互仿真、可視化仿真和多媒體仿真方法不同，基于VR的仿真強(qiáng)調(diào)多種感知能力、交互性和沉浸感等，而許多體育訓(xùn)練恰恰需要運(yùn)動(dòng)員的多種感覺(jué)(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)等)的共同參與，因此，隨著VR技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，基于VR的仿真必將在體育領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 基于VR的體育系統(tǒng)仿真

2．1功能要求

基于VR的體育仿真系統(tǒng)具有如下功能要求：

1)構(gòu)建虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景。根據(jù)具體運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)景有具體要求。2)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕獲。通過(guò)傳感器跟蹤設(shè)備直接記錄運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并將其用于生成計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠捕捉到人類(lèi)(包括訓(xùn)練器械)真實(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，因而效果非常逼真，且能保證訓(xùn)練的科學(xué)性。3)生理生化和心理數(shù)據(jù)采集。生理生化和心理指標(biāo)是運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技狀態(tài)重要反映，根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同，可以通過(guò)各種傳感器和智能化儀器對(duì)運(yùn)動(dòng)員的生理生化數(shù)據(jù)，心理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。4)動(dòng)作重演和展現(xiàn)。動(dòng)作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要的要求，傳統(tǒng)的攝像手段在有些條件下并不能順利實(shí)現(xiàn)，比如：帆船帆板訓(xùn)練中訓(xùn)練技術(shù)錄像往往不是很理想。5)圖示化訓(xùn)練效果分析。圖示化訓(xùn)練效果分析方法，就是通過(guò)圖示來(lái)表示誤差分析結(jié)果的誤差評(píng)估方法，通常又分為在線式和離線式評(píng)估方法。

2．2系統(tǒng)組成

基于VR的體育仿真系統(tǒng)可以分為沉浸式和非沉浸式體育仿真系統(tǒng)，前者需要頭盔式三維立體顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機(jī)、圖形工作站和高性能計(jì)算機(jī)等設(shè)備，使得用戶(hù)能夠感受到比較真實(shí)的立體視覺(jué)、立體聽(tīng)覺(jué)，與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交互操作，使用戶(hù)能夠完全沉浸在虛擬環(huán)境中，這類(lèi)系統(tǒng)特點(diǎn)是設(shè)備昂貴、沉浸感強(qiáng)；而后者主要依靠軟件技術(shù)來(lái)建立具有豐富視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信息的虛擬世界，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、便利。

2．3 關(guān)鍵技術(shù)基于VR的體育仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)基于物理和生理的建模。目前VR的體育仿真系統(tǒng)中的人體建模通常是指基于人體物理特性和生理特性的建模。這里人體物理特性是指人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、素質(zhì)、運(yùn)動(dòng)能力和適應(yīng)能力等；生理特性主要包括脈搏、血壓、肺活量等人體的新陳代謝指標(biāo)和各器官、各系統(tǒng)的機(jī)能指標(biāo)。2)虛擬人動(dòng)畫(huà)。由上個(gè)世紀(jì)八十年代發(fā)展至今，人體動(dòng)畫(huà)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、動(dòng)力學(xué)控制、基于控制器的運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)捕獲。其中運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)具有高效、真實(shí)感強(qiáng)等特點(diǎn)，得到人體動(dòng)畫(huà)研究人員的高度重視。3)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕獲。運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)是利用傳感器以三維的形式記錄真實(shí)人體的動(dòng)作，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)屏幕上的虛擬人。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠捕捉到人類(lèi)真實(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，由于生成的運(yùn)動(dòng)基本上是主體人運(yùn)動(dòng)的復(fù)制品，因而效果非常逼真，且能生成許多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。4)實(shí)時(shí)繪制和交互。由于虛擬體育仿真涉及到虛擬場(chǎng)景和虛擬人(運(yùn)動(dòng)員)，在具有虛擬人參與的虛擬體育仿真環(huán)境中，實(shí)時(shí)繪制和交互就顯得格外重要。實(shí)時(shí)繪制技術(shù)分為可見(jiàn)性判斷、層次細(xì)節(jié)、基于圖像的繪制技術(shù)。這里交互概念主要指用戶(hù)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備與系統(tǒng)發(fā)生相互作用。

3 典型系統(tǒng)介紹

1)虛擬體操訓(xùn)練系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)真實(shí)體操運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，使虛擬體操運(yùn)動(dòng)員精確地重現(xiàn)體操運(yùn)動(dòng)員的體操動(dòng)作，幫助體操運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作，提高技術(shù)水平。體操運(yùn)動(dòng)員也可以被邀請(qǐng)接近虛擬體育館中的虛擬器械，看到虛擬人體接觸體操器械時(shí)是如何改變形狀的。

2)大型團(tuán)體操演練仿真系統(tǒng)

團(tuán)體操演練仿真系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：隊(duì)形或圖案設(shè)計(jì)系統(tǒng)、行為動(dòng)作生成系統(tǒng)和團(tuán)體操隊(duì)形或圖案變化仿真系統(tǒng)。隊(duì)形或圖案設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)團(tuán)體操各個(gè)章節(jié)的隊(duì)形或圖案。行為動(dòng)作生成系統(tǒng)能夠根據(jù)人體捕捉數(shù)據(jù)編輯團(tuán)體操需要的動(dòng)作。團(tuán)體操隊(duì)形或圖案變化仿真系統(tǒng)的目標(biāo)就是將虛擬人群的初始隊(duì)形連續(xù)變換到目標(biāo)隊(duì)形。首先，團(tuán)體操隊(duì)形或圖案變化仿真系統(tǒng)定義虛擬人的初始位置和目標(biāo)位置；其次，對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。最后，實(shí)現(xiàn)基于事件驅(qū)動(dòng)的團(tuán)體操隊(duì)形或圖案的變化仿真。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于VR的體育仿真的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)和典型系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。可以預(yù)見(jiàn)，隨著2008年奧運(yùn)會(huì)在北京召開(kāi)，必將促進(jìn)我國(guó)對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的體育仿真技術(shù)的深入研究。在奧運(yùn)各項(xiàng)籌備工作中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬奧運(yùn)，提高奧運(yùn)各項(xiàng)工作中的高科技含量。

[1] 汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[M].清華大學(xué)、廣西科學(xué)技術(shù)出版社,1996:1-10.

[2] 潘志庚,姜小紅,張明敏,石教英.分布式虛擬環(huán)境綜述.軟件學(xué)報(bào)[J]．2000,11(4):461-467.

TalkingabouttheVirtualRealityTechnologyintheSportsTrainingintheSimulationApplication

Wang Hongyu

(Jinlin Institute of Physical Education,Changchun，130022，Jinlin,China)

The virtual reality technology may raise athlete's scientific training level and the movement athletics level in the sports training in the simulation application.This article to (training) the simulation technology development present situation carries on the summary based on the virtual reality sports,discussed the essential sports simulation and technology,and has conducted the research to the virtual reality technology in the sports training simulation and the application prospect.

virtual reality;sports simulation;sports supplemental training

2007-01-05

王宏宇(1954-)，女，副教授，研究方向：體育多媒體教學(xué)。