基于虚拟现实技术的体育教学仿真系统的研究

杜冬玲

（宝鸡职业技术学院,宝鸡,721013）

基于虚拟现实技术的体育教学仿真系统的研究

杜冬玲

（宝鸡职业技术学院,宝鸡,721013）

文章基于虚拟现实技术，设计出一款具有交互训练功能的“太极拳教学仿真系统”。从而实现对太极拳的自主化学习，因此更好地提高太极拳学习者的水平。

动作捕捉；虚拟现实技术；仿真建模

0 引言

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称为VR）是利用计算机技术，从而可创建和体验虚拟世界的计算机系统。该技术充分利用计算机的硬件和软件的集成技术，从而使得体验者能够完全融入到虚拟的世界中，从而让人感受到虚拟世界的“逼真性”，以致让人突破时间、空间的限制，感受到无法感受到的体验。在实际的应用中，虚拟系统其输出的形式有很多种，并具备处理多种输入设备的能力，同时可进行实时的交互、碰撞检测等。随着VR技术的不断向前发展，现在已经被广泛的应用到了军事、网络游戏、教育、医学、智能机器人等各种各样的领域。虚拟现实技术体现了图像图形处理、计算机网络技术、传感器技术等为一体的综合性学科。同时随着近几年商业的发展，虚拟现实技术已经开始被大量的推广和使用。

而在国外，虚拟现实技术已经被应用到大学课堂的教学中，其代表为edx的在线虚拟现实教学课堂。而在国内，该项技术被应用与教学才刚起步发展阶段，近几年随着国家的投入有一定的发展，但在技术上还存在一定的差距。而虚拟现实技术在教学中的应用，将掀起新的教育教学理念，从而吸引学生的注意力，并提高教育教学的效率，最终提高教学质量。

1 太极拳仿真系统

太极拳仿真系统就是通过计算机技术、虚拟现实技术再现体育老师的教学经验、教学意图、运动员在学习中的过程以及训练组织方案等，从而达到对训练者太极拳动作训练的分析、比对等。对着近几年的发展，主要包含面向对象的多媒体仿真、定性仿真等，而基于VR的仿真系统以其独特的视觉、听觉等效果，受到体育训练者和体育部门的青睐。基于虚拟现实技术的仿真系统最典型的特点是其具有的多感知能力、沉浸感和交互性。而传统的训练往往通过二维设计进行分析，并只能从单一的视觉角度进行分析，因此，使得基于虚拟现实技术的的太极拳仿真系统软件受到欢迎。

同时教学系统的目的就是构建虚拟的教学环境，在虚拟中可实现人与人、人与计算机的交互，同时借助虚拟现实技术的沉浸性多感知性，使得学生能够更好通过该仿真软件系统进行学习。

2 运动数据的采集

随着科技的发展，对运动员运动数据的采集手段也越来越多。如通过光学的原理对运动员的三维动作进行捕捉。其原理是利用安装多个不同的 光学摄像机，并在运动员身上安装光学放射的动作服装，动作捕捉系统将拍摄到的镜头用数学的方式将其绘制成三维坐标的形式，再将这些标记连接到计算机生成的人体模型所对应的解剖点上，或者是用于通过计算机算出可进行动画的连接或旋转的部分。这些三维坐标通过MAYA等动画软件的材质、贴图等，从而使得其捕捉到的动作与实际的动作非常逼真。

图1 太极动作捕捉采集系统

3 太极拳教学软件3D引擎的开发

3D引擎作为游戏开发中最重要的平台，其可以设计出非常逼真的虚拟环境，其主要是因为其具有光影效果的功能；再者，3D引擎为系统提供强大的物理环境，使得虚拟动作更加逼真和贴近自然运动的规律；最后该系统作为教学仿真软件常用的开发平台，可提供为人机交互功能，从而使得运动员更能好的学习。而交互功能的实现最关键的技术是鼠标的拾取和拖动对象。其基本的原理是通过控制2D屏幕中鼠标的移动来对3D中的场景进行控制。

4 虚拟教学系统仿真建模

4.1 人体模型构建

太极拳项目作为我国新型的体育运动项目，受到人们的喜爱和追捧。而对于人体模型，吴永栋则提出数字人骨架的模型。将人体模型的构建进行分层，即人体的主要的骨架分为关节、骨骼以及人体的重心构成。而虚拟人模型包括虚拟的骨架和表面人表面模型（肌肤、细纹等）。因此，其又将虚拟人模型分为两层，即骨架和不同的部位；表面模型则为大大小小的53块，并在没对连接的部位之间形成公共区域。每个部位围绕着各自的关节进行旋转，从而产生出不同姿态，使得数字虚拟的人体动作变得更加的逼真和完美。中科院的唐毅甚至提出的数字运动员，以神经网络以及遗传算法等对运动员的人体仿真模型。并通过神经网络等完成对运动员相关关键动作的仿真。

图2 三维人体模型构建

5 基于虚拟现实技术的太极拳辅助教学软件的建模

辅助软件的建模，最关键的是利用计算机仿真技术，将复杂的运动规律的通过数学模型或者是物理模型的方式进行描述，然后通过设定数值、设定边界条件对其进行相应的计算，从而得出系统的状态变化。而一般的计算机仿真系统实现包括系统建模、程序的编写、程序运行、实验结果分析以及模型的修改和完善。而对太极拳数学建模则通过中科院的拟人合成软件包VHSDK5.0进行，通过三维方式显示每一个动作的实例，并通过可视化的交互设计对其进行修改和设计，再通过牛顿欧拉定力对所见的模型进行验证，以此得到标准化的系统设计。

首先对人体的运动，对其姿态的修改可通过XY的视窗中选取刚体并进行拖动，通过拖动，查看其在XY两轴的变化量。从而可以根据欧拉定理得出其在zyx方向的欧拉角〈α,β,γ〉旋转角度，从而得出以下关系：

通过角度变化，在得到其新姿态之后，通过偏移映射技术获取其新的运动方向。其构造过程如图3所示。

图3 偏移量的构造过程

最后则是根据人体的相关参数指标，确定个性化的方程，并对其模型进行验证。

6 基于VR的仿真系统发展展望

随着体育竞争的加剧，对运动员的要求也越来越高。因此，基于VR技术的仿真系统通过数据采集、3D实时的渲染、交互式功能，使得软件具备对练习者的引导和指导教学的功能，从而使得该软件更具有实用性。同时，随着计算机硬件系统和软件系统的不断提升，基于VR技术的仿真系统的开发也越来越广和个性化发展，使得其具有更大的商业价值。

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杜冬玲，女，陕西宝鸡人，1965年生，讲师，研究方向：体育教学与训练

Research on sports teaching simulation system based on Virtual Reality Technology

Du Dongling
(Baoji Vocational Technology College,Baoji,721013)

In this paper,based on the virtual reality technology,design a Taijiquan teaching simulation system has the function of interactive training "".In order to realize the independent study of Taijiquan, therefore improve the learner's level of taijiquan.

motion capture;virtual reality;simulation modeling