基于VR的竞技体育仿真系统的设计与实现

周忠岐

（宝鸡职业技术学院,宝鸡,721013）

基于VR的竞技体育仿真系统的设计与实现

周忠岐

（宝鸡职业技术学院,宝鸡,721013）

虚拟现实技术是集计算机图形学、仿真技术等多门综合性学科。本文以国际比赛中的高尔夫为例，对高尔夫的运动轨迹进行计算，同时利用三维图形引擎Open Scene Graph和物理引擎Bullet以及海洋场景库Osg Ocean技术，对高尔夫场景进行计算，最后将两者进行集成，从而得到基于VR的高尔夫仿真系统。

虚拟现实技术；仿真系统；三维图形引擎

0 引言

随着竞技体育的发展，越来越多的国家开始将技术的研究倾向于视频分析系统和仿真系统。而近几年计算机图形技术、计算机仿真技术的大力发展，从而使得虚拟现实技术的发展更加受到欢迎。所谓的虚拟现实是通过计算机系统模拟出来的与现实环境相似的虚拟环境，其最典型的特点是沉浸性、多感知能力以及交互性。因此，根据以上特点，基于虚拟技术的仿真系统主要的功能的设计首先体现对虚拟场景的构建；其次是对相关运动数据的捕捉；再次是对生理生化数据的采集；第四是动作的重演；最后为图形的展现。也和正式基于上述的功能，使得近几年在体育领域对仿真系统的开发也越来也多。本文以高尔夫运动为例，对其进行设计和实现。

1 系统功能分析

与常规的仿真系统一样，首先要对其进行相关的数据进行采集，在对其进行建模修改。因此，结合高尔夫比赛，我们将该系统分为数据采集系统和渲染仿真系统两个部分。其中数据采集系统主要对高尔夫球体的飞行轨迹进行采集，而在此研究中我们提出风力给高尔夫带来的影响。而一般的数据采集方法包括红外线、超声波、光学传感器等进行。在此研究中我们主要采用CCD光学传感器对数据进行采集。实时渲染系统主要对采集的参数进行数学模型或者物理模型进行描述，从而得出高尔夫球飞行的轨迹，并通过相关技术软件将高尔夫的飞行在实时场景中体现出来。

2 系统整体架构设计

2.1 系统软件架构

根据高尔夫运动的特点，我们将其软件系统整体架构设计如图1所示。

其中，图像的采集主要是对高尔夫运动的相关数据的采集；目标的检测识别和跟踪模块主要为通过高速的摄像机摄像机采集系统，对目标进行快速的检测。同时跟踪的目的是为提高整个系统性能，以便对高尔夫球下一步的位置进行预测，并减少系统中ROI采集区域，大大提高采集倾的速率；立体的标定模块主要是对相机的相关参数进行设置，包括内参数、外参数、畸变参数等；运动轨迹参数计算模块主要是根据采集系统得到的相关参数对高尔夫的运动轨迹进行计算。图像仿真模块主要三维立体场景的导入和设计，从而使得高尔夫飞行能够在实际的场景中；物理仿真模块是指根据按照高尔夫自然飞行规律而设计的模块，通

过该模块，可计算出基于自然规律下的飞行轨迹。

2.2 硬件系统架构

仿真系统对计算机等硬件设施的要求比较高，因此，在进行硬件系统选择的时候，对各方面性能的考虑必须充分。而该系统主要采用Bumblebee双目高速相机、图像采集卡、高配置计算机以及相机数据线。其具体架构如图2所示。

图2 硬件采集系统

其中Bumblebee双目高速相机可实现全视场深度测量；实时3D数据转换，每秒钟可产生出100万个3D点；高质量的CCD光学传感器以及无需投影仪等特点。

3 系统的实现

3.1 数据采集系统实现

对数据采集系统的开发我们采用OpenCV平台。OpenCV平台是一款开源的跨平台计算机视觉库，其可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。其典型的特点是轻量级但高效，着主要是因为其采用了大量的C函数以及一些少量的C++编程语言。同时该平台可同时提供Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，从而很好的实现对图像处理方面的通用算法。同时，采集系统的实现流程如图3所示。通过高速相机的采集，将数据传输到同步采集控制线程中，该模块则主要负责对采集卡和相机的控制，同时对其相关的参数进行设置，并将相关参数进行封装后存储到Ring Buffer当中；图像多线程处理模块可同时对多个数据进行处理，并通过任务队列，对数据进行检测，如完成则Sleep.如有则读取Ring Buffer当中的数据，并继续进行处理；三维计算线程主要是对高尔夫的三维坐标进行计算，从而得到系统捕获的高尔夫球的三维坐标。

图3 数据采集系统实现流程

3.2 实时渲染仿真系统实现

在该系统模块中，对图形仿真的实现采用OSG引擎，该引擎为一种高性能的、开发速度快的三维图像植染引擎。该平台具有跨平台使用的特性，可以在多个操作系统上进行使用。同时其使用的抽象层的函数使得其函数接口可独立使用。

对物理仿真系统模块的实现则通常采用Bullet物理引擎，该引擎为开源的，专业的碰撞检测以及物理引擎，被称为世界三大物理引擎之一，而被广泛的应用于网络游戏的开发、动画制作等。由于其开源性，因此，其支持多个草组系统，并可用于IOS、Android等移动设备中。通过该引擎可实现对刚体、动力学仿真以及软体物理方面。

4 系统的验证测试

对仿真系统的验证可分为实时性、精确性等验证。本案例只对精确性进行检测。而在实际中对矢量的检测比较难，因此，我们采用飞行时间和飞行距离作为检验测试的根据，其具体的检测结果如下：

表1 系统误差分析

图1 系统整体架构

5 系统实现的关键技术及未来展望

基于VR的体育仿真系统是一个非常复杂的系统，对该系统的实现包含很多的关键技术，如目标的检测和识别技术、目标参数计算、碰撞检测和过滤技术、图形引擎渲染技术等。同时，随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术将具有更加广阔的应用空间。

[1] 张璐.基于虚拟现实技术的用户界面设计与研究[D].东华大学,2013.

[2] 程菊明,李梅莲,刘连芳.虚拟场景的管理及其在OSG中的应用[J].微计算机信息,2008,06:280-281+294.

周忠岐，（1970—）讲师，宝鸡职业技术学院艺术体育系，研究方向：高校体育教学

Design and implementation of competitive sports simulation system based on VR

Zhou Zhongqi
(Baoji Vocational Technology College,Baoji,721013)

The virtual reality technology is a set of multi computer graphics,simulation technology and comprehensive discipline.In this paper,the international game of golf as an example,the trajectory of the golf was calculated,and the use of 3D graphics engine OpenScene Graph and Bullet physics engine and ocean scene databaseOsg Ocean technology,the golf scene is calculated,finally theintegration,resulting in golf simulation system based on VR.

virtual reality technology;simulation system;3D graphics engine