基于VR 技术的篮球裁判员培训及考核模拟系统

刘永峰，许瀚杨，姬鹏杰

（成都体育学院，四川 成都 610041）

虚拟现实（Virtual Reality， 简称VR），是一种计算机仿真系统，或可称作是一种人工环境，它可利用计算机生成一种仿生模拟环境，利用电脑和外部模拟设备让用户在交互式的三维动态视景人工环境中进行多源信息融合和实体行为的体验。随着大数据和人工智能的快速发展，VR 技术的应用已在不同领域相继绽放出其独特的魅力，VR 发展的日趋成熟，多领域、多功能逐渐成为VR 的代名词，诸多学者分别在自身的研究领域结合VR 技术运用研究达到了新的高度。整理文献资料中发现，VR 系统在“三大球”领域的运用迄今还未涉猎，仍属于崭新的研究领域。鉴于此，如何结合虚拟现实技术（VR）对篮球裁判的临场培训和实践考核体系，构建一套篮球裁判员培训及考核模拟系统，对当下篮球裁判员教学改革有着重要的实用价值。

1 VR 虚拟现实技术应用篮球裁判考核中的板块和设计

一个完整的虚拟现实系统构建是由4部分组成，即计算机设备、软件系统、硬件设备和数据库，4 个系统之间相互协调和构建。计算机设备是计算机构建与用户交互的虚拟世界；软件系统为虚拟世界合成并生成环境氛围以及管理并通过外部设备与用户建立联系；硬件设备为用户佩戴，是用户与进入虚拟现实世界的桥梁负责输出及输入数据；数据库主要存储用户数据以及构建虚拟环境的素材内容。四大设备的协调运用促成了整套VR 系统的运作。计算机含括控制器、传感器与生成器。外部数据库对计算机进行现世界及储存视频的输入，通过计算机及软件系统的处理，生成虚拟仿真世界。参考人员通过穿戴硬件设备（VR 眼镜及模拟仿真器）进入虚拟仿真世界，对3D 画面进行评定与交互，且用户在虚拟世界中的表现数据通过计算机输出并储存于数据库中，其系统的完整运作离不开先进的计算机设备。

2 篮球裁判员培训及考核模拟系统的设计

2.1 篮球裁判员考核模拟系统设计的依据、理念及目的

该系统能够紧密结合虚拟现实技术的要求的原理，满足不同篮球裁判培训、考核和提升需求，构建系统所需的软、硬件环境。通过此技术可提供虚拟现实场景，利用现代信息技术，构建虚拟或现实的篮球比赛环境，对不同级别的篮球裁判员（3级、2 级、1 级和国家级）培训和晋级考核。该系统的原理和方法，可移植到其他体育项目裁判员的培养和考核。该系统不仅能够节约大量的人力、物力和财力资源，提供更为便捷的空间和临场环境，而且又能够利用即时反馈系统和纠错系统的功能，不断强化参考人员的临场记忆和实践操作技能。该系统主要应用于高等体育学院校（系）、军队、企业、政府体育部门等篮球裁判自学、培训、筛选和考核等工作。

2.2 技术原理

通过虚拟现实技术，裁判穿戴VR 设备后利用虚拟现实技术让裁判通过3D 的VR 影像观看比赛参与执判，VR 影像可一次拍摄制作反复使用，无须每次训练或考核都准备真实的比赛。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使参考人员沉浸到该环境中，相比于观看传统的常规形式的录像，VR 影像更能让裁判身临其境的观看比赛，裁判更易给出准确的判决，且VR 设备的空间定位功能，能通过裁判自身的朝向、移动模拟裁判在比赛场内的位置，让裁判员考评时在虚拟的比赛环境中。裁判员可在室内利用该系统直接执判，可大大减少对比赛的干扰；也可在场内执裁遇到争议性判决时，使用该系统辅助判决。根据比赛的激烈程度、裁判的判决难度等因素对比赛的VR 影像进行分级，可分为三级裁判员、二级裁判员、一级裁判员、国家级裁判员。篮球裁判训练或考核模拟方法，包括如下步骤：（1）生成不同级别的篮球比赛VR 影像数据；（2）对不同级别的比赛中的犯规、违例等事件进行标注，便于正误对比；（3）将VR 影像数据传输至裁判的VR 穿戴设备；（4）接收裁判观看VR 影像过程中的判决；（5）对比裁判的判决结果与预设的正确判决，并输出对比结果，以供裁判参考学习。通过虚拟现实技术，裁判穿戴VR 设备后利用虚拟现实技术让裁判通过3D 的VR 影像观看比赛参与执判，VR 影像可一次拍摄制作反复使用，无须每次训练或考核都准备真实的比赛，相比于传统方式的训练或考核，该方法更简便，更智能化。

2.3 处理模块设计

图1 系统结构框架图

一种篮球裁判训练或考核模拟系统包括： VR 影像生成模块，用于将真实比赛的3D 视频信息转化成VR 影像数据或将制作的3D 篮球比赛动画视频信息转化成VR 影像，其中根据真实比赛的3D 视频信息转化可实时转化或比赛全部拍摄完成后统一转化；控制器，用于处理VR 影像数据并将其发送至VR 设备； VR 设备，用于通过虚拟现实技术将VR 影像显示给训练或考核的裁判；裁判判决模块，用于接收裁判的判决；裁判判决对比模块，用于将裁判的判决与预设的正确判决对比，生成训练或考核成绩；训练或考核结果显示模块，用于将训练或考核成绩显示，以供训练或考核的裁判查验。优选地，所述VR 影像生成模块包括：3D 视频拍摄子模块，用于对真实比赛进行直接拍摄，并生成3D 视频信息；VR 影像生成子模块，用于将真实比赛的3D 视频信息转化成VR 影像数据或将制作的3D 篮球比赛动画视频信息转化成VR 影像。优选地，所述控制器包括存储器和驱动模块。其中，所述存储器用于存储VR 影像数据的；所述VR 驱动模块用于驱动VR 设备显示VR 影像。优选地，所述控制器还包括分级模块，根据三级裁判员、二级裁判员、一级裁判员、国家级裁判员的标准对VR影像数据进行分级，并在训练和考核时根据选择的级别调用对应的VR 影像数据。

具体裁判考核系统运作模块如图1 所示。（1）VR 影像生成模块，用于将真实比赛的3D 视频信息转化成VR 影像数据或将制作的3D 篮球比赛动画视频信息转化成VR 影像，其中根据真实比赛的3D视频信息转化可实时转化或比赛全部拍摄完成后统一转化；（2）控制器，用于处理VR 影像数据并将其发送至VR 设备；（3）VR 设备，用于通过虚拟现实技术将VR影像显示给训练或考核的裁判；（4）裁判判决模块，用于接收裁判的判决；（5）裁判判决对比模块，用于将裁判的判决与预设的正确判决对比，生成训练或考核成绩；（6）训练或考核结果显示模块，用于将训练或考核成绩显示，以供训练或考核的裁判查验。具体地，所述VR 影像生成模块包括： 3D 视频拍摄子模块，用于对真实比赛进行直接拍摄，并生成3D 视频信息；VR 影像生成子模块，用于将真实比赛的3D 视频信息转化成VR 影像数据或将制作的3D 篮球比赛动画视频信息转化成VR 影像。具体地，所述控制器包括存储器和驱动模块；其中，所述存储器用于存储VR 影像数据；所述VR 驱动模块用于驱动VR 设备显示VR 影像。具体地，所述控制器还包括分级模块。所述分级模块，用于根据三级裁判员、二级裁判员、一级裁判员、国家级裁判员的标准对VR影像数据分级，并在训练和考核时根据选择的级别调用对应的VR 影像数据 。

图2 裁判判决参数对比流程图

图3 硬件框架结构

2.4 软件设计

VR 技术环境开发平台使用无线开发工具包，该工具包面向的对象是具有工业强度开发和具有Open GL 和3ds MAX 开发系统的数据采集与调试模块以及使用VC++6.0 现实模块构建的虚拟现实专业应用程序 。

篮球裁判考核过程较为烦琐，考核过程对临场执裁要求较高，而通过VR 虚拟现实技术模拟考核现场，可提高考核效率，规避作弊风险。图2 所呈现出的篮球裁判判决参数流程所示。首先以篮球比赛视频为模拟环境基础参数，裁判员判罚时机、

犯规和违例参数、手势及裁判员选位等路径为运动参数，进行虚拟环境的模拟，并通过模拟测试得出结果参数，运用结果参数与对比参数进行对比得出最终结果，通过系统界面得出最终考核结果。

2.5 硬件设计

本系统硬件框架结构体系如图3 所示，考核人员穿戴VR 传感设备通过交互引擎进入VR 系统构建的虚拟现实世界之中，并通过传感设备对设计人员进行标准裁判姿势的捕捉采集，在通过转换器输入到系统外接数据库中进行存储，以此构建合理的考核数据对照组模型数据；参考人员通过穿戴VR 传感器进行到交互的虚拟空间内进行临场执裁，并由所穿戴的VR传感设备对其动作姿态进行捕捉，并通过解释器进行对比分析，最终通过输出设备输出考核结果。

3 结 语

创新、科技是未来体育领域发展的新方向。在篮球裁判员培训及考核模拟中引入VR 虚拟现实技术的设计理念和方法，不仅为篮球裁判培训及考核开辟了新的道路，还为我国篮球裁判人才的培养提供了便捷的技术指导。基于VR 技术的篮球裁判培训及考核模拟系统，打破了传统的篮球裁判员的考核评定方法，不仅有助于考试资源的合理管控和量化考评，更重要的是提升篮球裁判考核质量，开辟了VR 技术运用裁判员培训领域的先河。