張枝 白利

摘要：為了彌補傳統(tǒng)體育課程教學(xué)的不足，提高學(xué)生的興趣，制作了可用于課堂教學(xué)和課后自主學(xué)習(xí)的虛擬體育系統(tǒng)。從體育動畫、AR動作解析和VR游戲三個方面，分析了虛擬體育系統(tǒng)的構(gòu)建方法和關(guān)鍵技術(shù)。提出了利用Vuforia平臺和Unity3D軟件開發(fā)AR動作解析，利用Unity3D制作籃球、足球的VR游戲，利用Flash軟件制作體育課程的動作要領(lǐng)動畫，最終使用Unity3D軟件整合各個模塊，輸出易于推廣和應(yīng)用的手機端應(yīng)用軟件。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;虛擬體育系統(tǒng);Unity3D;AR技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0164-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

隨著2016年虛擬技術(shù)元年的開啟，虛擬現(xiàn)實技術(shù)普及到了人類生活中的每個角落。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用也逐步興起，許多學(xué)校引入了虛擬教室系統(tǒng)、虛擬實訓(xùn)平臺、虛擬仿真系統(tǒng)等。引用網(wǎng)龍網(wǎng)絡(luò)公司副總裁林偉在2017年6月召開的“虛擬現(xiàn)實教育聯(lián)盟大會”上的發(fā)言：虛擬現(xiàn)實教育最大的難點在于內(nèi)容的組織，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)內(nèi)容的門檻太高。2020年在新冠肺炎疫情的影響下，網(wǎng)絡(luò)教育又被推到了前端，制作既能適合教育內(nèi)容又能適應(yīng)學(xué)生特點的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的成功起到了很重要的作用。本文結(jié)合“虛擬體育系統(tǒng)”的設(shè)計與開發(fā)，圍繞體育項目展開，引入體育動作動畫分解和虛擬游戲技術(shù)，對虛擬系統(tǒng)在體育教學(xué)中的應(yīng)用展開設(shè)計，為以后更多的體育項目交互化展示提供基礎(chǔ)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育教學(xué)中的作用

虛擬現(xiàn)實與教育的結(jié)合越來越緊密，傳統(tǒng)的體育項目教學(xué)都是在教室學(xué)理論，在操場做運動，學(xué)生對體育項目的關(guān)鍵動作要領(lǐng)和運動之美不能好好生動的體會，更不能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。特別是中高職學(xué)生，他們很多沉迷于手機電腦游戲，對體育項目不感興趣，將動畫技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到體育教學(xué)中可以優(yōu)化校園體育項目的教學(xué)，讓學(xué)生從虛擬體育項目的技藝展示和互動體驗中了解運動原理和運動之美。

通過調(diào)研中高職校園的體育項目進行分析，發(fā)現(xiàn)專業(yè)技能類模塊是職校學(xué)生要掌握的主要教學(xué)模塊，專業(yè)技能類模塊是指在體育教學(xué)中涉及專業(yè)知識及技能的各種體育項目的教學(xué)模塊，常見的項目有籃球、足球、乒乓球、健美操等[1]，而籃球和足球也是專業(yè)技能較多且受各類學(xué)生歡迎的體育項目。根據(jù)上述分析，本文遴選出籃球和足球兩個校園體育項目作為開發(fā)對象。中高職學(xué)校的學(xué)生正處于青春期，籃球、足球是他們鍛煉和釋放壓力的理想項目，但目前的教學(xué)與訓(xùn)練存在如下問題：教學(xué)形式單一;教學(xué)場地不足;教學(xué)內(nèi)容不連貫，課后無法自學(xué);學(xué)生專業(yè)技能掌握不好時，學(xué)習(xí)興趣不夠。因此，根據(jù)職業(yè)學(xué)校體育教學(xué)存在的問題和籃球、足球的教學(xué)與訓(xùn)練特點，虛擬體育系統(tǒng)需要解決籃球、足球的分解動作學(xué)習(xí)，引人體育虛擬游戲提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以及補充課后學(xué)習(xí)。

2 虛擬體育系統(tǒng)的架構(gòu)

籃球和足球也是競技體育的一種，對動作要求比較高，因此本文采用拍攝關(guān)鍵動作，利用動畫模擬動作等進行體育項目的動作難點和動作要領(lǐng)教學(xué)。引入AR掃描、體育動作分解動畫和虛擬交互游戲進行虛擬體育系統(tǒng)開發(fā)。

2.1 虛擬體育系統(tǒng)分析

虛擬體育系統(tǒng)是根據(jù)職業(yè)學(xué)校體育課的教學(xué)和訓(xùn)練進行設(shè)計和制作，主要利用動畫、三維建模技術(shù)、AR和VR技術(shù)圍繞籃球和足球動作和游戲兩方面進行開發(fā)，主要內(nèi)容包括：

（1）利用動畫制作籃球和足球的關(guān)鍵動作展示。

（2）利用AR技術(shù)，制作生動的體育動作分解展示，用戶掃描自編教材圖片或者掛圖即可顯示相應(yīng)動作動畫。

（3）利用VR技術(shù)和Unity3D軟件，制作定點投籃和足球射門游戲。同時，利用Unity3D整合資源和應(yīng)用，開發(fā)配合體育課上教學(xué)和課下學(xué)習(xí)的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 虛擬體育系統(tǒng)的功能架構(gòu)

虛擬系統(tǒng)系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示，遴選了籃球和足球項目進行開發(fā)，每個項目又包括了動作教學(xué)動畫模塊、AR動作解析模塊和虛擬游戲模塊，最終輸出移動端App應(yīng)用。

3交互式虛擬體育系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1開發(fā)技術(shù)分析

3.1.1動畫制作技術(shù)

本文利用Flash軟件制作籃球和足球的動作要領(lǐng)動畫，輸出成Gif格式動圖后與AR技術(shù)結(jié)合，制作虛擬體育系統(tǒng)的AR識別模塊。利用二維動畫的方式來表現(xiàn)動作要領(lǐng)，學(xué)生能更直觀簡潔地獲取到體育動作要點。

3.1.2 AR交互技術(shù)

AR交互技術(shù)（Augmented Reality）是指增強現(xiàn)實技術(shù)。目前流行的AR交互技術(shù)主要是利用攝像頭掃描某個物體（可以是一張圖片），利用設(shè)計好的匹配技術(shù)，將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時疊加在一起顯示。本文的AR識別模塊就是利用Uni-ty3D軟件結(jié)合Vuforia平臺來實現(xiàn)，制作出利用手機App掃描體育動作要領(lǐng)圖片，即可彈出相關(guān)的體育動作動畫。

3.1.3虛擬現(xiàn)實與三維建模技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（ Virtual Reality，VR）是以計算機技術(shù)為核心，模擬真實環(huán)境或利用計算機技術(shù)生成虛擬的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，產(chǎn)生親臨對應(yīng)真實環(huán)境的感受和體驗[2]。本文利用Unitv3D軟件進行虛擬項目的開發(fā)和制作。Unitv3D是一款能夠輕松創(chuàng)建三維游戲、建筑可視化、虛擬現(xiàn)實等互動內(nèi)容的綜合的游戲開發(fā)工具[3]，也適用于現(xiàn)在流行的App產(chǎn)品制作。利用Unity3D的UGUI系統(tǒng)制作虛擬體育的菜單、按鈕和場景UI界面，操作簡單、便捷，畫面美觀，用戶體驗效果好。

三維建模技術(shù)是開發(fā)虛擬現(xiàn)實項目的基礎(chǔ)，目前和虛擬現(xiàn)實開發(fā)能較好結(jié)合的三維建模軟件有3ds max，maya，Cinema4D等，本文結(jié)合了3ds max和Cinema4D兩種建模軟件制作籃球和足球的場景模型，輸出成FBX導(dǎo)人到Unity3D中制作虛擬體育系統(tǒng)。

3.1.4交互技術(shù)

本文的交互技術(shù)主要是人機交互技術(shù)，是指通過計算機的輸入、輸出設(shè)備實現(xiàn)人與計算機互動的技術(shù)。本文利用Flash制作動畫，利用Unity3D游戲引擎制作AR識別、虛擬游戲和交互式App產(chǎn)品。

3.2 虛擬體育系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1 虛擬體育系統(tǒng)背景和功能

在中高職學(xué)生中，籃球和足球運動是一項具備青春活力的體育活動，定點投籃和足球射門也是體育課?？嫉捻椖?，將手機游戲和虛擬體育系統(tǒng)結(jié)合，可以增加學(xué)生對體育課的好感。虛擬體育系統(tǒng)是一款面向職校學(xué)生的體育教學(xué)游戲App，包括虛擬籃球系統(tǒng)和虛擬足球系統(tǒng)，每個體育項目都制作了動作教學(xué)動畫、AR動作解析和虛擬游戲三個模塊。該系統(tǒng)使用了Unity3D引擎，結(jié)合Vuforia平臺、Flash軟件、3ds max共同開發(fā)，最后輸出成移動端App形式，可以廣泛適用于中高職學(xué)生。

3.2.2 虛擬體育系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

1）動作教學(xué)動畫制作

教學(xué)動畫根據(jù)籃球、足球課程的動作要點，利用Flash軟件制作各動作要領(lǐng)動畫?；@球主要制作了定點投籃、打球運球姿勢、三步上籃、扣籃等動畫，足球主要制作了顛球、左右踢球、踢球等動畫。所有動畫都用簡潔的線條制作場景元素和動畫效果，以突出動作特點。

2）AR動作解析

AR動作解析模塊利用Vuforia平臺、動作要領(lǐng)動畫和Uni-ty3D共同開發(fā)，步驟如下：

（1）將籃球和足球的動作動畫輸出成Gif動圖后，導(dǎo)入到UnitV中。

（2）注冊登錄Vuforia平臺，生成license key和包含圖像目標的數(shù)據(jù)庫，后續(xù)將這2個數(shù)據(jù)導(dǎo)人到Unity3D進行開發(fā)。

（3）因為unity3D不支持Gif動畫的直接展示，因此引入Gi-flmporter插件，將其導(dǎo)人到unitv3D中，制作每張Gif動圖的動畫還原。

（4）Unitv3D中新建AR場景scene，設(shè)置“playersetting”里的“XRSetting”選項為“Vuforia Augmented Reality”。創(chuàng)建ARCam-era和ImageTarget對象，在ARCamera里設(shè)置license key，在Im-ageTarget對象里設(shè)置剛創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包和相應(yīng)的識別圖片。為ImageTarget對象創(chuàng)建一個2D Sprite子節(jié)點，把還原好的要領(lǐng)動畫賦予其屬性“sprite”值，即可在輸出的App中識別動作要領(lǐng)圖片彈出相應(yīng)的動作要領(lǐng)動畫展示。

3）虛擬投籃和足球射門游戲

虛擬投籃游戲需要學(xué)生點擊籃球投籃，限時60秒，統(tǒng)計投中次數(shù)，每次投中得分加1。點擊籃球時有技巧，學(xué)生必須使用一定力度滑動合適的方向才能投中籃框，通常是直線方向投中概率更大。投中籃框會有特效顯示，加強投中的提示，詳細流程如圖2所示。

實現(xiàn)虛擬投籃游戲的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個：

（1）投籃力度和投籃方向的獲取與設(shè)置：獲取用戶投籃時使用的力度和拖動的方向，為投籃力度設(shè)置一個加速度，關(guān)鍵代碼如下：

public class Shooting： MonoBehaviour{public int forceX;pub-lic int forceY;public int forceZ;

void OnMouseDownO{start= Input.mousePosition;）

void OnMouseExitO{if（Input.GetMouseButton（0）&&shooting）{end= Input.mousePosition;

GetComponentO.isKinematic= false;

GetComponent0. AddForce（new Vector3《（end.x- start.x）*forceX）， forceY， forceZ》;}]）

（2）60秒時間倒計時設(shè)置：設(shè)置時間time變量初值為60f，浮點型。投籃開始后，60秒倒計時顯示，按1秒/幀的速度遞減秒數(shù)，直到為0游戲結(jié)束，關(guān)鍵代碼如下：

void StartO{time= 60f;}

void Update0 {if（！ gameOver&&！startMenu）（ time一=Time.deltaTime;}）

（3）投中加分與特效顯示設(shè)置：當籃球投中籃框時，籃框獲得觸發(fā)，投籃分數(shù)自加1，并在指定位置顯示特效，關(guān)鍵代碼如下：

void OnTriggerEnter0 {Basketball.score++;

Vector3 position=new Vector3（

transform. position.x， transform. position.y， transform. position.z+0.85n：

Instantiate（effect， position， Quaternion.identity）;）

（4）最好成績的判斷與統(tǒng)計：當60秒倒計時結(jié)束，游戲結(jié)束，這時要統(tǒng)計投籃總得分是否超過歷史得分，超過了則將此次分數(shù)保存到籃球最好成績里存到本地文件，供下次讀取，關(guān)鍵代碼如下：

void UpdateO{if（time<=0）{ if（score > PlayerPrefs. Getlnt（”Best（basketball）”））{

PlayerPt efs.Setlnt（”Best（basketball）”，score）;】）】

虛擬足球射門游戲需要學(xué)生點擊足球進行點射，限時60秒。為增加射門游戲的趣味性，球門設(shè)置了4個不同的得分區(qū)域，分別為射進靠近球門上方兩個角的區(qū)域得40分，射進球門上方的區(qū)域得30分，射進球門左右兩側(cè)區(qū)域得20分，其他區(qū)域得10分，即當學(xué)生射擊到不同區(qū)域得到不同的分數(shù)。得分區(qū)域的劃分是依據(jù)射門的難易位置進行區(qū)分，靠近球框部位的射門得分高，中間的射門得分低。投中球門得分高的區(qū)域會有特效顯示，加強投中高分區(qū)的提示，詳細流程如圖2所示。

實現(xiàn)虛擬足球游戲的關(guān)鍵技術(shù)除了射門力度和方向設(shè)置、60秒倒計時統(tǒng)計、最好成績的判斷與統(tǒng)計以及特效顯示與虛擬籃球相似外，還包含以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）按射中不同區(qū)域統(tǒng)計不同得分值：場景中球門處先設(shè)置幾個不同的得分區(qū)域，再設(shè)置不同區(qū)域?qū)?yīng)的不同分值，足球射中球門不同得分區(qū)域時獲得相應(yīng)分值，關(guān)鍵代碼如下：

public class Target：MonoBehaviour {public OptionsListaddScore;

public enum OptionsList{fourtyPoints，thirtyPoints，twentv-Points，tenPoints 】

void OnTriggerEnter（C ollider other）{

if（other. GetComponent（）.hasTriggered==false）{

if（addScore==OptionsList. fourtyPoints）{Soccer. score+=40;）

if（addScore==OptionsList. thirtyPoints） {Soccer. score+=30;1

if（addScore==OptionsList. twentyPoints） {Soccer. score+=20;）

if（addScore==OptionsList. tenPoints） {Soccer. score十=10;））】）

4 結(jié)語

本文介紹的虛擬體育系統(tǒng)可以配合中高職學(xué)校體育課程的教學(xué)，提高學(xué)生體育課程學(xué)習(xí)的積極性。同時本系統(tǒng)也可以用于體育課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，解決當前大多數(shù)體育課程無網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的弊病。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和虛擬設(shè)備的普及，未來的虛擬教學(xué)系統(tǒng)可以模擬真正的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，讓學(xué)生的沉浸感和體驗感更好。

參考文獻：

[1]張翼.職業(yè)需求視域下高職體育課程模塊教學(xué)研究[Jl.湖北函授大學(xué)學(xué)報，2017（18）：147-149.

[2]李軍.探討在線虛擬現(xiàn)實技術(shù)在下一代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展[Jl.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）：113-114.

[3]吳亞峰，于復(fù)興.Unity3D游戲開發(fā)技術(shù)詳解與典型案例[Ml.北京：人民郵電出版社，2012：1-6.

【通聯(lián)編輯：代影】

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目（項目編號：JAT170938）

作者簡介：張枝（1982-），女，副教授，碩士，主要研究方向為數(shù)字媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實。