虚拟仿真技术在游泳救生训练中的应用

焦均伟

摘  要：随着我国科技的不断进步，为更好地提高游泳救生工作效率，对虚拟仿真技术在游泳救生训练中的应用进行研究。将虚拟仿真技术应用到游泳救生训练中，开发游泳救生训练虚拟仿真系统。在系统中，通过对设计原理分析得到系统结构图，对系统中软件与硬件进行设计，并对仿真结果进行分析，确保得到更好的实际效果。

关键词：虚拟仿真  游泳  救生  训练

中图分类号：G861.1                                文献标识码：A                        文章编号：2095-2813（2019）03（b）-0021-02

在我国运动训练深入发展过程中，游泳已经成一种常见的运动项目。随着游泳教学的发展与训练水平的提高，对教练员的水平的要求也不断提升。在游泳训练中，教练员大多仍采用传统训练方式，训练结果强差人意。其中救生作为教练员需要掌握的一项重要技能，这也是游泳训练中重要的安全保障[1]。虚拟技术作为20世纪40年代随着计算机技术发展出来的一种新型技术，能够按照自然发展的客观规律对事物进行模拟。虚拟仿真技术逐渐成为人们认知客观规律的第三类方法，将虚拟仿真技术与游泳救生训练相结合，能够在有效提高游泳救生训练的救生效率[2]。为实现这一目标，以虚拟仿真技术为基础，设计一套切实可行的游泳救生训练系统并对其进行应用，为游泳救生训练提供更多的发展空间。

1  游泳救生训练虚拟仿真系统设计

1.1 系统设计原理

虚拟仿真（Virtual simulation technology）技术，主要利用网络、多媒体、电子学、计算机图形学以及多种传感器等技术手段构造出一个虚拟环境，让人们可以通过多种传感系统与虚拟环境进行交互，从而获得现实感官体验[3]。虚拟仿真技术能够为使用者提供一个实时反映对象变化的三维环境，使用者通过视觉、听觉、嗅觉、触觉等多种感知进行真实体验，让参与者能够对虚拟环境中的变化进行感觉。这种体验主要针对虚拟仿真技术基本特征进行，如图1所示。

虚拟仿真技术基本特征中沉浸部分要求通过计算机所创造出来的虚拟仿真环境能够让使用者产生一种身临其境的感受;而交互部分能够让使用者通过熟悉的方式对虚拟仿真环境中的事物进行观察与操纵;想象部分则让使用者能够在虚拟仿真环境中实现模拟、预测等功能。

1.2 系统框架

游泳救生训练虚拟仿真系统中主要包括人机交互训练、3D可视化模型结构、动画演示等部分，根据系统要求对任务进行实现。系统主要利用Solid Works三维建模软件对设备模型进行构建的同时，将模型载入到EON中进行虚拟场景构建。系统设计在开发过程中，考虑到系统需求、开发成本以及系统实际应用价值等问题，让系统在设计过程中形成一个多层次过程。根据系统开发特点，系统框架结构，如图2所示。

1.3 硬件设计

在游泳救生训练虚拟仿真系统中，为保证系统运行过程中良好的图形显示以及数字运算性，因此选择图形工作站。为保证系统的仿真效果，系统硬件主要选择Windoes XP Pro-Sp2版本以及HPxw4400 Workstion工作站作为基础操作系统，建立桌面式虚拟现实系统。系统的硬件系统中，具有Intel双核Pentium4处理器、2GRAM，保证系统整体运行速度与数据处理能力。同时采用ATI FireGL.V3350图形加速卡，支持立体显示模式与cg几何引擎。考虑到系统兼容性，立体显示部分采用EON公司投影系统，而其他设备，如头盔显示器（Head Mounted Display）、位置追踪器（Tracking System）、数据手套（Data Glove）、力量回馈器（Force Feedback Device）等可根据实际情况进行选择。

1.4 软件设计

游泳救生训练虚拟仿真系统中作为一个较为复杂的系统，不仅需要包括救生训练过程，更集合了多种突发情况及游泳技巧。游泳救生训练虚拟仿真系统想要真正得到应用，从实现角度来说，需要对游泳环境、设备实体建模以及事件突发模拟等进行实现。系统中软件主要具备以下功能模块：多目标模块、多视角模块、声音模块。其中，多目标模块主要针对游泳救生训练虚拟仿真系统中观察的多个目标，或者多个物体。在模拟训练过程中，需要保证使用者能够实时对周围多個目标物体运行状况进行观察，同时实现不同物体间的切换。为实现这一目标，主要采用通过改变目标函数来进行实现，使用者可通过MFC工具栏中不同按钮进行选择;多视角模块则针对场景中某一目标，对其进行不同角度的运动情况观察，从而更好地表达其与整体场景中其他物体的关系。在虚拟场景中，使用者可以将场景中各目标设置成静态、动态以及限定等多种模式;而为保证游泳救生训练虚拟仿真系统的真实性，除提供给使用者视觉体验外，同样需要提供一个真实的听觉体验。因此，在训练仿真系统中，声音模块能够模拟水声、人声等，让使用者能够得到身临其境的体验。

2  实验分析

为验证游泳救生训练虚拟仿真系统的有效性，设计如下对比实验。在控制单一变量的情况下，将游泳救生训练虚拟仿真系统为实验组，而将传统训练方法作为对照组。对两组实验后的游泳救生效率进行记录。为了保证实验结果的准确性，实验组与对照组设定参数一致，且实验条件相同。为了验证游泳救生训练的差异，实验组将按照需求使用游泳救生训练虚拟仿真系统进行操作，而传统方法采用人工处理的方式。

实验组与对照组同时对游泳救生工作效率进行实验，分别记录1、1.5、2、2.5、3h内游泳救生工作效率。为避免突发性事件对实验结果造成的干扰，实验组与对照组处理参数相同，具体结果如图3、图4。

分析图3、图4可知，游泳救生工作效率对比试验中，随着时间的增加，实验组的效率一直呈较为稳定的状态，训练后游泳救生工作效率约为96%。对照组整体效率不稳定约为84%。所以，游泳救生训练虚拟仿真系统与传统训练方法相比，训练后游泳救生效率能够得到12%的提升。

3  结语

虚拟仿真技术作为目前来说最有发展的技术，在各个领域得到广泛应用。在游泳救生训练中，为提高训练后救生工作效率，开发游泳救生训练虚拟仿真系统，对软硬件与仿真结果进行研究，确保得到更好的实际效果。

参考文献

[1] 朱斌，陈学龄，张业廷.糖有氧供能下不同周期游泳训练后大鼠肾脏功能恢复规律的研究[J].成都体育学院学报，2017（3）：109-114.

[2] 齐红梅，刘晓辉，姚亚娟，等.2～6年室内游泳训练对儿童骨量影响的研究[J].广州体育学院学报，2017（6）：97-99.

[3] 王少兵，刘一平，林清强，等.游泳训练对糖尿病前期大鼠血管损伤和氧化应激的影响[J].福建师范大学学报：自然科学版，2017（6）：90-94.