基于VR技术的体育健美操仿真系统设计

江艳平

（西安医学院体育部，西安，710021）

基于VR技术的体育健美操仿真系统设计

江艳平

（西安医学院体育部，西安，710021）

文章主要从VR技术原理出发，分析了VR技术中使用的软硬件系统，讨论了健美操仿真的关键技术,最后对其在健美操运动中应用可行性做了分析研究。

VR技术；健美操；仿真系统

0 引言

目前在国内的体育健美操训练中开始逐渐引进新的技术，传统的健美操教练方式逐渐被取代。VR技术是一种虚拟现实技术，基于VR技术的仿真技术是系统仿真中的一种，可以通过这一技术寻找健美操运动的内在规律和训练方式，不管是在健美操整体队形的建设还是对健美操人员动作标准化等方面，都具有十分重要的现实意义。

1 VR技术概述

VR，即 Virtual Reality，我们将其翻译为虚拟现实技术，它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，其中虚拟世界指的是具有真实感的立体图形, 它包含现实世界的真实再现, 也包含纯粹构想的世界。通过VR技术操作者能够根据视觉、听觉和触觉等与之交互, 从而能产生身临其境场景。其特点是想象、交互和沉浸(即3I，Imagination Interaction Immersion)（如图1），而健美操恰恰需要运动员视觉、听觉、触觉等多种感知的共同配合。

图1 VR技术的3I特征

人在物理交互空间通过传感器集成等设备与由计算机硬件和VR引擎产生的虚拟环境交互就是VR技术原理，来自多传感器的原始数据经过传感器处理成为融合信息，经过行为解释器产生行为数据，输入虚拟环境并与用户进行交互，来自虚拟环境的配置和应用状态再反馈给传感器，图2为多感知交互模型。

图2 多感知交互模型图

2 VR技术硬件系统

VR技术中硬件设备对其系统功能的实现具有重要意义。本研究中采用的是沉浸式的分布方式，它可以通过头盔式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备，让操作者产生身临其境的感觉。那么，主要硬件设备包含以下几种:

①跟踪系统：用来确定操作者头手和身体位置。当操作者移动头的位置时，眼睛也在随之发生变化，那么虚拟环境中我们也要是实现这一规律，对操作者头手和身体位置进行实时检测,并获取相关数据, 再将其反馈给控制系统。

②触觉系统：提供力与压力的反馈。是否可以通过VR技术让操作者产生“沉浸”的效果，核心技术就是让操作者的手等身体部分能够操作虚拟事物，并且能够让他们感受到虚拟场景中回应他们的反作用力，这样才能给参与者带来真实感。本研究中使用的是力学反馈手套，共需要两个，其中一个安装20个压敏元件，戴上手套后，操作者就会感到随着手的用力而产生的阻力，压敏元件将获取的相关数据传给主机，第二个手套有20个空气室，分别由相应的空气泵用计算机控制其收缩或者膨胀，使操作者感受到反作用力。

③音频系统：提供立体声源和判定空间位置。本研究中为了保障更真实的环境音，采用的是四声道系统，主要包含语音合成器、三维音频定位器、语音识别器、

④图象生成和显示系统：产生视觉图象和立体显示。CIG（计算机图像生成）系统实现了VR技术的图像生成和显示功能，它能够以24~30幅/秒的速度连续产生十分逼真的彩色画面，以便实时生成特定的三维画面，用于操作者的视觉系统。另外，HMD（头盔式显示器）也是VR系统中常用的显示设备，它可以CIG系统生成的图像（左右两边）分别送到头盔显示器的两个屏幕，通过人眼生理感知特点产生一幅立体图像。

⑤高性能计算处理系统：可以快速处理相关信息，并具有大存储容量，通过逼真的画面让操作者“沉浸”在虚拟环境中。

3 VR技术软件系统

VR技术的发展与成熟是建立在VR硬件与软件的共同发展的基础上的，VR技术软件系统主要包含以下几种：

OpenGL是通用共享的开放式三维图形标准，它是一种通过主用图形处理硬件的软件接口，能够对高质量图像和图形进行操作。OpenGL系统一般要求图形硬件中不少于一个帧存，它是一个功能强大，调用方便的底层图形库。

三维虚拟环境开发平台使用的是WorldToolKit(WTK)，实时视觉模拟采用的是Vega，而Open Inventor是面向对象和交互式的专业3D图形开发工具包，其面向的对象包括工业强度的开发、交互和通过C++、.NET或Java构建的专业3D图形化应用程序等。EON是实时视觉效果与物理机制以及真实的人体动作有机结合体；VRAX和NavMode具有较好的沉浸感等。

4 VR技术在健美操仿真系统中的应用

通过系统科学( 如系统仿真学) 的方法来研究健美操运动的内在规律是符合体育事业发展需要的，可以通过这一技术再现健美操教练员的教学经验、教练员的训练意图、运动员的训练过程,从而更好的解释、分析、预测、评价健美操运动中的各种优势与不足。近些年来,随着VR技术进一步发展,基于VR的仿真必将在健美操运动中的应用越来越广泛。

我校使用了一种虚拟体操运动员系统,该系统能够指导真实的体操运动员提高成绩，帮助他们每一个动作都符合健美操标准，具体实现中是先对具体某健美操运动员的运动进建模（建模过程如图3）,健美操运动员通过虚拟体育馆中的虚拟环境,看到虚拟人体的动作改变来纠正自己的动作。

图3 三维建模过程

此外，VR 技术还可以应用于健美操演练仿真系统，具体可以将其分成三个子系统:其一，队形或图案设计系统，主要是设计健美操各个环节的队形和图案；其二，行为动作生成系统，它能够依据捕捉到的相关数据编排健美操的动作；其三，健美操队形或图案变化仿真系统，它的主要用途就是将虚拟环境中的原始队形连续的变换成最终结束时的目标队形，首先定位虚拟环境中人员位置，接下来规划路径，最后实现变形。

5 结论

本文从VR技术的概念、硬件、软件和应用等方面阐述了VR技术在体育健美操中应用的可行性及其重要意义，提出了通过这一技术进行健美操训练的方式，以便提高学习效率，为我国健美操事业注入新的血液，实现健美操训练的智能化发展。

Baek Seongmin,Lee Seungyong,Kim Gerard Jounghyun Motion evaluat ion for VR-based mot ion t raining[C] Computer Graphics Forum,2001,20(3):1~10

江艳平，女，1982年5月，河北唐山人，硕士研究生，讲师，研究方向：体育教育与运动训练

Sports aerobics simulation system based on VR technology is designed

Jiang Yanping
(Xi'an Medical College Sports，Xi'an，710021)

The main principle from VR technology,analyzes the hardware and software systems used in VR technology,discusses the key technologies aerobics simulation, and finally its application in sports aerobics done feasibility analysis.

VR technology;aerobics;Simulation System