基于Unity 3D的足球课程虚拟教学系统设计

王锐

(陕西能源职业技术学院体育部，陕西 咸阳 712000)

1 引言

足球是世界公认的第一运动，在许多体育项目中，没有一项运动能像足球那样对世界产生深远的影响。与比利时、法国、巴西和德国等其他国家相比，中国在足球项目上远远落后。因此，为了缩短中国与世界足球强国的距离，国内外非常重视青少年足球技能的培养，激发学生对足球的兴趣。更重要的是，足球训练还可以帮助学生培养良好的足球意识和体育精神，为国家提供高素质的足球后备人才。然而，目前高校足球教师水平参差不齐，一些技术水平不达标，教授的技术水平也存在误区。另外，在足球运动中，还有很多技术动作比较复杂，学生很难一次性准确再现，老师只能反复示范和降级，严重减缓了教学进度。在这种背景下，如何提高足球教学质量成为足球运动发展的关键[1]。

国内研究者为体育课程教学提供了新的思路。杜冬玲[2]将虚拟现实技术应用到太极拳教学领域当中，设计出了一款具有交互训练功能的“太极拳教学仿真系统”，有效帮助学生实现了太极拳的自主学习，提高了太极拳教学质量。郭荣华结合虚拟现实技术和计算机技术，建立了一种基于虚拟现实的篮球运动技术仿真系统，帮助学习者快速掌握相关知识和技能，使得训练质量和效率都得到了很大的提高[3]。李岩，董菲基于虚拟现实技术设计和开发了一套具有交互式训练功能的“武术教学仿真系统”，通过3D 人体模型展示武术动作，使得示范更加规范，且图文的同时呈现，帮助学习者更加清晰的掌握动作要领，使得学习事半功倍[4]。国外研究者利用虚拟现实技术在虚拟三维模型中实现复杂理论，开发独特的排队论虚拟现实教学模块用于制造系统设计课程，研究结果证实了虚拟现实技术的系统设计在教学中的有效性，在知识获取和学习动机方面优于传统教学模块。本文在前人研究的基础上，结合Unity 3D平台设计一套足球课程虚拟教学系统。Unity 3D是一个综合型游戏开发工具，可以用来开发游戏，做虚拟场景漫游，实时动画等。本文借助该平台进行本系统开发，极大节省了系统设计和研发成本，提高了系统兼容性，让用户能够互动、社交起来，增强了学习的体验感。

2 基于Unity 3D平台的足球课程虚拟教学系统研究

在球场上使用各种讨人喜欢的动作，能吸引大家的眼球，但这些动作都需要运动员超高的技术技能才能实现。动作越华丽，动作结构就越复杂，这往往需要玩家花费大量的时间和精力来充分学习。为此，本文设计了一个基于Unity 3D的足球课程虚拟教学系统，使运动员既能得到良好的教练指导，又能快速掌握动作要领[5-6]。

虚拟现实技术，简称VR，是一种以计算机技术作为基础，以现实世界为根据，建立三维空间的虚拟环境的技术。在这种环境中，由于视觉、听觉、触觉、嗅觉等都与之建立了关联，使体验者能够充分融入虚拟世界，从而给体验者一种“体验环境”的感觉。技术与足球课程教学相结合。通过沉浸、互动和想象，让学生真正感受到课堂教学。而且，通过自我控制，可以实现重复多角度观看、演示动作减速/快进/分解、动作模仿和纠正等，使足球教学更加直观，提高教学效率和质量。

Unity 3D是当下一款最为流行的，专门为游戏开发与制作的虚拟现实软件平台。该平台具有很强的兼容性，支持多种格式导入；具有逼真的粒子系统；具有多构架支持的编辑器；能提供高级的渲染效果；具有可视化脚本语言等优势。本文基于该平台进行系统开发，其流程如下：基于Unity 3D的系统开发流程大致分为两个阶段任务。第一阶段进行素材制作，在本系统当中是指制作人体运动建模，运用到的主要软件包括Solidworks、3D Max和Photoshop 等。第二阶段模型导入Unity 3D，完成虚拟场景的搭建、各模块功能的实现以及教学系统的发布。

2.1 系统框架设计

本文基于Unity 3D 的足球课程虚拟教学系统整体框架设计以B/S 模式为基础进行设计。B/S 模式，即浏览器/服务器模式。这种模式最大的特点在于开发简单，共享性强，且业务扩展方便，完全可以满足本文系统的需要[7-9]。本文系统借鉴B/S模式，将系统分为三个层次：

第一层为动作合成层，包括两个方面的工作，即建立虚拟人模型和捕捉足球技能动作信息，然后将二者进行结合，生成标准足球运动的姿态虚拟动画[9]。

第二层为中间层，主要负责连接上层和下层，是通信交互的载体。

第三层为交互层，主要负责足球课程的教授、学习以及评定，其中包含了各种功能模块程序，是本系统的关键。

2.2 系统硬件设计

(1) 动作捕捉设备

本系统设计和研发的关键是利用虚拟技术将标准的足球技能动作教授给学生，因此前提基础是系统数据库当中有标准动作的储备，这就需要先进行动作捕捉。动作捕捉是指利用外部设备对人体结构的运动进行数据记录和姿态还原的技术[10]。动作捕捉需要用到两种硬件设备，即Maker设备、动作捕捉相机。

Maker设备是一种能发出强光的设备，一般为LED，贴于人体关节各处。本系统在被捕捉者关节处贴26 个Marker，具体如表1所示。

表1 Marker分布情况表

动作捕捉相机作用是从不同角度实时收集Marker光点信息，并将其传输到数据处理工作站，进行后期的动作合成。本系统当中的动作捕捉相机为RTS1000W，其技术指标如表2所示。

表2 RTS1000W技术指标

(2) 网络交换机

网络交换机是一种网络硬件，通过报文交换接收和转发数据到目标设备。本系统当中的网络交换机技术指标参数如表3所示。

表3 网络交换机技术指标

(3) 微处理器

微处理器是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理机部件，是本系统的核心。本系统当中的微处理器，硬件功能特征如下：

◆使用Cotex-Cotex-M3核芯片，STM32F103ZET

◆144P引脚；

◆外部晶振8M，时钟晶振32768H

◆所有I/O口引出插针，方便扩展实验；

◆自动下载适配电路，无需频繁切换；

◆MAX232转换电路，适用于外接串口线；

◆带时钟后备电池，保持时钟及重要信息安全；

◆EEPROM芯片24C02，存储常用用户信息；

◆FLASH 芯片W25Q64，8M 存储器，可以存储图片、系统数据等多种信息，相当于小SD卡；

◆3路普通按键输入功能，人机接口；

◆1路唤醒按键，用于从低功耗或待机模式唤醒；

◆2路用户LED灯，做基本的状态、运行指示；

◆1 路USB 设备接口，用于调试USB 设备功能，如读卡器、usb转串口功能；

◆TFT 彩屏液晶接口，包含触摸屏接口，直接插入配套屏幕可使用；

◆摄像头预留接口，实现虚拟演示功能；

2.3 系统软件设计

系统软件程序是系统硬件功能的运行流程，起到对硬件逻辑控制的作用。本系统软件运行主程序如图1所示。

图1 系统软件运行主程序

在上述运行主程序中，由多个子程序组成，其中关键的有三个：三维动画制作子程序、在线教学子程序、UI显示子程序。

(1) 三维动画制作子程序

三维动画制作子程序是指将得到的运动数据与虚拟场景相结合，利用数据驱动人体三维模型，使得人体模型能够动作起来，形成姿态动画。制作流程以及相应的实现软件如表4所示。

表4 三维动画制作子程序

(2) 在线教学子程序

在线教学子程序是指运动者在线观看足球技能动作的姿态动画，然后运动者自身在现实世界作出同样的动作，然后同样进行动作捕捉，并生成三维立体动画，最后比较运动者的姿态与标准姿态的差异，并生成图文解释报告，据此进行动作纠正。具体程序流程如图2所示。

图2 在线教学子程序

(3) UI显示子程序

UI 显示模块是Unity 3D 平台当中的一个重要软件程序，其主要作用的实现人机之间的交互作用。本系统中的UI设计，主要包括三种主要元素，即文字、图片和按钮，通过这三个要素可以实现UI的显示功能。首先用鼠标点击系UI 界面中的Button 组件，当检测到Button 按钮被点击时，系统会做出相应的回应，显示下一步操作提示，从而达到交互的目的。

3 系统实现与测试

为进一步发现所构建的系统中存在的问题，进行系统实现与测试。

3.1 测试平台

本系统测试平台的软硬件环境如表5所示。

表5 系统测试环境

3.2 足球标准动作采集

运动员的动作教学是以标准动作作为参考的，因此首先要采集运动员的标准动作，采集场景如图4所示。

图3 测试平台

图4 采集场景

采集的动作包括交叉踢、旋转钟摆以及防守拦截等三种。

3.3 虚拟建模

利用Unity 3D平台进行虚拟场景和人物模型建模，然后将人物置于场景中，并进行三维动画制作，结果如图5所示。

图5 虚拟建模

3.4 虚拟教学测试

目的：测试系统教学功能是否满足预期结果？

测试步骤：运动员分别作出不同的足球动作，并与标准动作进行对比。

测试结果：如表6所示。

由表6可知，本系统给出的教学启示均符合预期结果，说明本系统具有很好的应用性。

表6 虚拟教学测试结果

4 结束语

为给国家输入更多的足球储备人才，对青少年的足球技能培养是必不可少的，但是当前由于各大学校的教练人员水平参差不齐，因此在运动员训练培养上存在很大困难，为此，本文设计一个基于Unity 3D 的足球课程虚拟教学系统。该系统经测试，其教学功能完全满足需求，教学启示均符合预期结果，具有一定的实用性，但是本系统还需要进一步优化，如在内存、功能模块上等。