基于虚拟现实的篮球技术仿真应用探究

（陕西国际商贸学院,陕西咸阳,712046）

基于虚拟现实的篮球技术仿真应用探究

何 伟

（陕西国际商贸学院,陕西咸阳,712046）

本课题利用计算机信息、虚拟现实等技术构建了一种篮球技术仿真系统，该仿真系统包括篮球运动员的虚拟仿真模型、篮球运动捕捉虚拟仿真模型以及蓝球运动技术三维仿真和相应的三维仿真数据库几部分。这种基于虚拟现实的篮球技术仿真系统为运动员的训练提供了良好的学习、训练环境。

篮球技术；三维仿真；虚拟现实

1 虚拟现实的概要

1.1虚拟现实技术的定义

虚拟现实(VR)是将计算机仿真技术、多媒体、人机交互技术、传感器、智能人机接口、图形学、心理学、高性能计算技术、人类行为学、人工智能等多领域的技术综合在一起的集成技术。虚拟现实可以在计算机上生成逼真的三维视、听等感觉,在某种装备的协助下使人与计算机的虚拟环境进行互动。虚拟现实实际上是指将现实世界的某种事物或是环境模拟仿真到计算机上，再在某种装置的协助下将自己置身于该虚拟环境中。计算机生成的三维仿真环境可以通过某些接口与仿真中的物理对象进行通讯交互。

1.2篮球技术虚拟仿真系统设计的必要性

采用科学的训练方法及手段可以提高运动员的训练效率、提高运动成绩。我国篮球运动的训练水平相对来说还比较落后，我国篮球训练秉持以经验为主的训练思想、方法。教练员凭经验指导运动员的技术动作，而运动员在教练员的指导下只能通过重复性练习掌握技术要领，这种训练方法严重影响篮球的训练效率。篮球技术三维虚拟仿真系统可以很好的辅助传统教学，通过该系统运动员可以很好地掌握并领会顶尖选手技术动作的关键点与细节，强化了运动员的视觉训练。利用篮球技术三维虚拟仿真系统可以很好的激

2 篮球运动员的虚拟仿真模型

2.1运动员几何建模

几何建模时将运动员的机械机构用计算机图形学的方法描绘在计算机。为了达到逼真的渲染效果，该系统建立的运动员模型有精确的尺寸和结构，以便于观察。运动员模型的建立采用OpenGL与Visual C++面向对象将两者的编程软件相结合，并利用MFC基本类库和API应用向导进行程序开发。以上设计中的OpenGL只提供了基本几何元素的造型函数，有一定的局限性。复杂模型的建模可以采用3DMAX，它是一款强大的建模工具。3DMAX可以将复杂三维几何实体的提供精确建模，但是3DMAX程序可移植和物体的渲染都存在不足。

图1 篮球运动员系统结构框图

针对以上问题，运动员模型及其工作环境的三维建模采用3DMAX，将3DMAX建立的模型提供给OpenGL进行图形渲染，将两者相结合降低建模难度的同时可以增加系统的通用性。

篮球运动员系统结构框图如图1所示。

2.2运动员运动学建模

运动员的骨架模型包括53块骨骼段和54个关节，运动员的表面模型包括53块部位，运动员的部位体可以绕着相应的关节在不同自由度的方向上作扭动、旋转等动作，使运动员产生产生不同运动姿态，使运动员的虚拟仿模型做出的动作具有较高的逼真效果。

2.3运动员模型的运动轨迹规划

运动员模型的运动轨迹规划就是根据模型要完成的动作、任务设计模型的各个关节的运动规律。它属于模型的控制问题，设计人员输入机械手末端的方位和目标位置。系统的轨迹规划主要负责确定达到目标的关节轨迹的运动、形状、速度、时间等工作。该系统说的轨迹指的是时间变化时随之变化的位置、加速度、速度情况。根据运动员模型所完成的运动轨迹不同，

系统给定运动员的初始位置、目标位置及其之间路径所经过的几个关键点，在这种情况下设计相应适当的轨迹来完善运动员轨迹中没有给定的部分。

3 篮球运动技术信息的运动捕捉

运动捕捉系统采用运动捕捉技术可以实时捕捉运动员模型的三维运动轨迹并对运动员的战术配合、技术动作作出进一步分析。将运动捕捉技术应用于运动捕捉系统中，该系统就可以准确测量运动物体在三维空间运动状况。在空间中排布数个视频捕捉设备，通过这些设备捕捉运动物体的运动状况，并将捕捉到的信息用图像形式记录下来并在计算机上作进一步处理，以此来得出不同运动员模型的空间坐标（X，Y，Z），该系统的运动捕捉基于计算机图像学的原理。

运动捕捉系统是由信号捕捉设备、数据处理设备、传感器、数据传输设备这四种设备组合而成，运动捕捉系统的结构如图2所示。将传感器安装在运动员的仿真模型上，传感器属于跟踪装置，它可以跟踪运动员确定其位置以此来控制运动轨迹，可以从传感器的数目来衡量运动捕捉的细致程度。信号捕捉设备是该系统的硬件设备，它主要负责采集并识别由传感器传输过来的有关运动轨迹的模拟信号。通过数据传输设备可以将信号捕捉设备捕捉到的模拟信号转化成数字信号，并将转化后的数字信号准确快速的送到计算机内部做进一步处理。数据处理设备包括数据处理软件和计算机硬件两部分组成，该设备可以修正数据传输设备传送过来的数据，从而构建三维模型并进行动画制作。

采用运动捕捉技术，以此来捕捉篮球运动员的动作。对捕捉的图像进行量化分析，并结合物理学原理、人体生理学，以此来探究篮球技术的改进方法，是篮球训练更为科学化、数字化。运动捕捉系统的捕捉对象是具有针对性的，它可以将成绩差的队员的图像捕捉下来，并与成绩优秀的队员进行比较并进行科学分析，以此来进行具有针对性的训练。将计算机图像处理技术和运动技术捕捉技术相结合，以此来提高篮球技术训练的可视性。

图2 运动技术捕捉系统

4 篮球运动技术的三维仿真

采用运动捕捉技术采集大量篮球运动动作实例，将其存储在相应的数据库中，通过VHSDK5.0虚拟人合成软件包将采集的实例以三维方式显示出来，该系统是可视化的，可视化的交互设计便于运动员模型动作的修改工作，设计的新动作可以通过牛顿欧拉运动模型验证其合理性。

为了便于完成可视化的交互动作设计，该系统设定对于人体运动motion（t），想要获得新的运动员姿态posture（ti）需要修改运动员姿态posture（ti）。在X×Y大小的用户视窗中，选取刚体并将其拖动，该工作通过鼠标完成，在拖动过程中x的变化量为Δx、y方向的变化量为Δy，根据欧拉定理推理可得：用z y x方向的欧拉角〈α，β，γ〉来表示这一旋转，则有如下关系

sinα＝aΔx/X＝（1－a）Δy/Y，

sinβ＝bΔx/X＝（1－b）Δy/Y，

sinγ＝cΔx/X＝（1－c）Δy/Y。

图3 运动技术的三维仿真设计

在这里：a、b、c表示影响因子，a、b、c分别表示Δx、Δy对欧拉角〈α，β，γ〉在x，y，z三方向的影响程度。经过一系列计算来获取运动员模型新的姿态posture（ti），最终完成对篮球运球技术的三维仿真设计。运动技术的三维仿真设计如图3所示：

5 篮球运动技术三维仿真数据库

建立相应的数据库，对海量的篮球技术数据进行规划统一的管理。该数据库可以提供目标搜索引擎，可以对某球队或者某运动员的信息进行实时查询。该系统还可以提供视频片断，便于对相关技术分析的。篮球技术数据库系统由以下几部分构成：数据库、硬件、软件、数据库管理员。该系统的硬件包括CPU（中央处理器）、内外部存储器、I/O（输入输出设备）几部分。软件包括OC（操作系统）、DBMS（数据库管理系统）、开发语言（C++/、Java）、应用开发支撑软件等。

6 总结

基于虚拟现实的篮球技术仿真应用研究在现代篮球技术教学和训练中的具有很好的应用价值，它的应用可以帮助运动员在训练过程中尽快掌握动作技术要领，大大提高了篮球运动员的训练效率。

[1] 朱亚明.对篮球技术能力教学中对抗练习方法的实验研究[J].沈阳工程学院学报(社会科学版),2010,02:271-273.

[2] 谌曦,吕鹏.篮球技术教学存在的问题及策略设计[J].六盘水师范高等专科学校学报,2011,03:72-75.

[3] 段意梅,冯亚梅,陆国田.大学生运用篮球技术统计方法的现状与对策研究——以大理学院为例[J].体育科技文献通报,2013,04:37-39.

何伟，男，1982年3月16日， 陕西省咸阳市人，助教，研究方向：体育教学与训练。

Application of basketball simulation technology based on virtual reality

He Wei
(Shaanxi Institute of international trade,Shaanxi Xianyang,712046)

A basketball technology to construct the simulation system Abstract] the use of computer information,virtual reality technology,the simulation system includes basketball simulation model, basketball players and basketball motion capture virtual model technology of 3D simulation and the corresponding 3D simulation database part.This provides a good learning environment,the training of basketball simulation system based on virtual reality for athlete's training.

basketball technology;3D simulation;virtual reality