基于虚拟现实技术的竞技体育仿真应用开发研究

郝庆威，郝婉全

(1.沈阳体育学院 体育教育学院，辽宁 沈阳 110102；2.南加州大学 安娜伯格传媒学院，美国 洛杉矶 CA90089)

1 引言

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)作为互联网时代下高科技产物代表，计算机系统通过编程的方式对人类的感觉进行模拟的，并将其实时呈现出来的虚拟世界就是虚拟环境[1]。VR是典型的计算机系统，借助计算机技术创建虚拟世界并让人们进行体验。该技术集成了软件技术和硬件技术，让虚拟世界与体验者能够充分的融合在一起，大大提升虚拟世界的真实性，体验者更是能从其中感受到真实世界当中无法感受到的体验，打破时间和空间的限制[2]。VR技术的不断更新，很多行业纷纷开始涉足该领域，并将其作为现代化进程的跳板[3]。虚拟系统在实际应用中的输出形式多种多样，且能够对很多输入设备进行处理，实现碰撞检测、实时交互的目的[4-6]。目前社会多个领域都开始使用VR技术，包括教育医学、军事网络以及智能机器人等[7-9]。虚拟现实技术是一种综合性学科，涉及到包括传感器技术、计算机网络技术以及图像图形处理技术等各种现代化手段[10]。近年来商业化进程的不断加深，虚拟现实技术的应用范围进一步扩大。本文基于虚拟现实技术，对竞技体育仿真应用开发进行了研究。

2 虚拟现实技术及需求分析

2.1 虚拟现实技术

“科技改变生活”——VR是一种现代化的计算机虚拟现实技术，为虚拟计算机系统环境的创建有极大帮助，体验者也能够感受到突破时间、空间限制的虚拟体验，且逼真效果非常强烈，不论是动作、声音还是作用力等都与真实世界一般无二。VR技术的应用，除了可以将真实的现实世界再现出来，同时还能让真实世界与人们所构想出来的世界进行交互，提高虚拟环境的逼真性。实际方针模拟VR是借助列传感器集成设备处理传感器数据，基于融合信息的基础上构建VR虚拟环境，最终实现真实世界和虚拟空间的相互交互，发挥其最大的价值。图1为多感知的VR交互模型。

图1 VR交互模型

2.2 需求分析

在VR技术竞技体育仿真系统当中，能够对竞技体育训练展开科学化和准确性的管理，尽可能保障训练过程中我国运动员的健康安全，避免发生不必要的受伤损害，在这个过程中VR虚拟现实技术发挥了巨大的功效，通过仿真训练的方式增强体育运动员的竞技水平，同时结合实体训练增强其综合实力。体育仿真系统充分发挥了VR技术的优势，对体育项目进行模仿，体育教练在这个过程中可以获得充足的仿真数据，从而针对每一个运动员制定最佳的训练模式和方案，得到最好的训练效果。同时通过该系统运动员能够更加清楚自身的错误动作以及有待加强的地方，不断优化他们的动作使其符合标准。

3 虚拟现实技术的系统构成

虚拟现实当中所涉及的学科包括传感技术、图像处理与模式识别、智能技术以及计算机图形学等，将其进行综合可以让体验者感受到非常强烈的视觉效果，逼真性大大增强，营造出与环境交互体验的虚拟世界。虚拟现实技术与传统仿真技术的不同之处在于，前者可以让体验者感知到外界环境的变化，即实现计算机帮助外界世界刺激体验者的功能。虚拟现实系统的基本构成结构为图2所示。从图1我们可以看出，虚拟现实的构成模块包括建模模块、传感器模块、控制模块、检测模块以及反馈模块等。

(1)建模模块：对现实世界当中的三维表示进行获取，并通过建模技术构建与三维图形相匹配的虚拟环境；(2)传感器模块：在虚拟环境中接受用户操作命令，并对其进行反馈传达给用户；(3)控制模块：主要承担控制传感器的责任；(4)检测模块：检测用户发出的操作命令，并在虚拟环境中将其应用起来；(5)反馈模块：及时将信息反馈给用户。

图2 虚拟现实系统的基本构成图

4 基于VR体育仿真系统

VR体育仿真系统是通过虚拟现实技术，仿真训练竞技体育项目。教练和运动员通过该高科技含量的训练模式，能够不断创新训练手段，得到最好的训练效果，并确保运动员的身体健康。此外，系统仿真的应用范围可以不断扩大，提高虚拟现实技术的不断加快。所以，在体育竞技训练过程中使用虚拟现实技术的市场潜力巨大，且应用前景非常乐观。虚拟现实技术的特点包括：输出形式多元化、可以处理多种输入设备、实现复杂行为建模、实时交互以及碰撞检测等功能。在竞技体育的训练当中，教练员和远动员通过虚拟现实技能能够开展有效的仿真训练，并展开各项交互过程。运动员在VR体育仿真系统的帮助下将不断增强其科学训练水平和综合实力。运动仿真系统与VR技术的充分结合，可以划分为3个小的子系统。系统结构如图3所示。

图3 系统结构

此次对VR竞技体育仿真系统的设计，实际上包括各个环节当中所有竞技体育的系列动作。除了队形设计、图案设计以外，还涉及到行为动作生成系统，能够迅速掌识别体操相关数据并对其进行收集整理，从而对竞技体育的动作进行创新编排。最后，就是仿真竞技体育动作以及图案变化的系统，该部分主要就是能够定位运动员所处的虚拟仿真环境具体位置，并按照一定的路径开展动作控制过程。

5 系统功能设计

5.1 VR感知交互模型

本次设计的竞技体育仿真系统，可以对竞技体育比赛当中的场景进行模拟，并对其中涉及到的竞技体育动作和数据进行记录，从而判断体育运动员的动作是否标准，并对其缺陷进行针对性的提升和完善。所以，竞技体育仿真系统和VR技术的相互融合，需要满足数据的输出和输入功能，并要确保在VR技术的基础上尽可能对体育运动员的竞技体育动作进行仿真模拟，随时体验最真实、最可靠的竞技体育仿真环境。系统功能交互结构如图4所示。

图4 VR感知交互模型

5.2 基于VR在竞技体育系统仿真的功能

虚拟环境产生器、输入系统和输出系统是构成VR体育仿真系统的三个结构，具体内容如图5所示。其中用户系统、高性能计算机、仿真管理器以及三维模型数据库等共同构成虚拟环境产生器；效果产生器和信号转换器共同构成输出系统；转换器、手套输入转换、位置方向跟踪器以及数据手套等则共同构成输入系统。以此为背景，用户对环境的感受则更加逼真，实现自身感受与虚拟环境之间的自然交互过程，有身临其境之感。

图5 基于VR的竞技体育仿真系统结构图

5.2.1 构建训练场景和器材

严格按照运动项目的特征性设计虚拟的训练场景，例如风速、天气、浪高等因素对帆船帆板项目的影响较大，因此需要在虚拟场景当中进行合理的设定。该系统当中包含多个传感器，能够对现场数据进行收集整理，并在数学模型的基础上形成三维视景，完成虚拟环境的构建，从而在任何训练条件下均可以实现训练的目的。同时运动员还可以通过学习观看虚拟体育竞技当中的数据和动作，对自身不标准的动作进行调整，在满足日常训练的同时，还可以作为赛前调整期，将其最高水平充分展现在竞技项目中。

5.2.2 捕获运动数据

运动员的实时数据可以通过传感器跟踪设备得到准确的记录，同时在计算机动画当中将其展现出来。能够准确抓取运动员的实时数据是该方法的最大优势，且运动员的动作可以被模拟环境极尽逼真的复制出来，在此基础上对动作或数据进行重新修改和设计，将理想中的动作转化到现实当中，确保训练过程的科学性和真实性。

5.2.3 采集生理生化和心理数据

运动员竞技状态可以通过三个指标来表现：生理指标、生化指标以及生理指标。不同运动项目需要设置不同的传感器或智能化仪器，从而及时采集相应的指标和理化数据。生理指标主要包括各器官和系统技能的指标、以及人体新陈代谢指标等。教练员将这些数据进行分析整理，最终编排出创新性、科学性的动作，并将其与自身理想中的动作相结合，实现最优的编排和训练方案。

5.2.4 重演和展现动作

在体育仿真系统当中，动作重现是非常关键的一个环节，然而传统摄像手段很难将其全部落实，例如在帆船帆板项目的训练过程中，想要将动作完全重现几乎难以实现，而体育仿真系统在该方面的优势性较强。在竞技体育项目当中，需要不断的创新动作，而体育仿真系统则能够将运动员的动员进行完美重现，精确度极高，教练员和运动员在VR体育竞技仿真技术的帮助下，可以不断进行动作的创新，增强其整体水平，直观的感受到动作技术要领，并保障运动员的健康安全。

5.2.5 分析训练效果

基于体育仿真系统在同一个屏幕当中同时呈现标准模拟动作和运动员训练动作，教练员和运动员共同对其进行差异性分析，找出运动员的不足和缺陷，不断提升其技术水平。量化分析运动员的技术动作，并将分析结果以图形的形式呈现出来。与此同时，要更深层次的对运动员的技术动作和理想动作展开分析，为其提供科学性、指导性的改进意见。

5.2.6 进行科学选材

我国具有天赋的运动员有很多，但往往并不能将其全部选拔出来，这是由于经验选拨机制的滞后性所决定的，因此后备人才储备急需增强。如果将虚拟现实技术应用在某些项目的运动员选拔测试当中，并结合多元化数据构建理想的运动员模型，并将其作为项目选材当中的运动学指标数据和选拔依据。全面从而是所有参加选拔的少年、儿童，并在计算机当中对测试资料进行汇总，将其与虚拟模型运动员的指标展开比对分析，从而筛选出最具有可塑性和运动员以及最合适的运动项目，将有潜力的运动员充分的挖掘出来。

6 设计实现系统代码及测试

6.1 设计实现系统代码

将VR技术应用在竞技体育方针系统当中对软件部分进行优化。Open GL与VR技术的充分融合，所构建出的三维图形标准具有通用共享开放式的特征，为系统界面质量的优化奠定基础，并将硬件与软件图形数据之间的接口进行优化，提高系统图像图形的质量，尽可能发挥图像仿真体育动作的分析功能。在设计系统软件的过程中，要在VR技术EON的基础上，结合真实人体动作和竞技体育视觉效果，不断增强画面的逼真性。下面是具体的代码流程操作：

Class CAboutDlg ： public CDialog

{

Public ：

CAboutDlg(CWnd* pParent=NULL)；

{{AFX_DATA(CAboutDlg)

enum {IDD=IDD_ABOUT_DIALOG}；

}}AFX_DATA

Protected ：

Virtual void DoDataExchange

(Cdata Exchange* pDX)；

}

} AFX_VIRTUAL

Protected ：

virtual BOOL OnInitDialog()；

DECLARE_MESSAGE_MAP()

}.

6.2 系统的验证测试

将竞技体育仿真系统与VR技术充分融合，构建包含丰富竞技体育动作的竞技体育动作VR仿真数据库，教练员能够根据自身的设想结合运动员的实际情况，从该数据库当中筛选并编排复杂的竞技体育运动，基于VR技术展开对运动员的模拟仿真训练，实现最佳的训练效果。

7 应用效益分析

现阶段在训练体育健美操项目时，所使用的虚拟场景依旧是二维的，运动员很难感受到真实的训练效果，因此其训练积极性也将大打折扣。对基于VR技术开发的竞技体育虚拟仿真系统进行优化和广泛的应用，将其价值充分展现在项目训练过程中，增强运动员的真实感受，得到最佳的训练效果。在人体几何建模手段的基础上，构建运动员的基本骨骼框架，并在运动捕捉技术的主导下采集健美操运动员的运动数据，不断深入分析，在现在计算机技术的帮助下开展仿真模拟操作，确保运动员在模拟场景中有良好的适应性，进一步提升用户体验和应用效益。

8 结语

竞技体育仿真与虚拟现实技术的充分融合，将大大促进我国运动员的整体运动竞技水平，并在不断优化训练效果的同时确保运动员的健康安全。综合上述分析内容，在未来的竞技体育发展过程中，基于VR的竞技体育仿真技术具有非常大应用市场和发展前景。所以，要对虚拟现实技术的发展动态进行及时跟踪，并对其展开深入的分析从而促进我国竞技体育的现代化发展水平。