基于虚拟现实技术的羽毛球仿真系统的设计与研究

摘  要：该系统利用3D Max建模、Unity3D引擎、VR和计算机仿真等现代信息技术，建构逼真的视、听、触觉一体化的羽毛球运动三维虚拟场景，用户以自然交互方式实现羽毛球运动，将体育教学内容虚拟化、模块化、标准化，使各种技术、战术等融入课程设计中，通过体感互动数据的记录，实现羽毛球正手击高远球技术的训练和考核。为广东东软学院体育实践教学提供辅助手段，深受学生们喜爱。

关键词：Unity3D;虚拟现实;羽毛球;仿真系统

中图分类号：TP391.9        文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）09-0094-03

Design and Research of Badminton Simulation System

Based on Virtual Reality Technology

LI Jing

（School of Computer Science，Neusoft Institute Guangdong，Foshan  528225，China）

Abstract：The system uses modern information technology such as 3D Max modeling，Unity3D engine，VR and computer simulation to construct a realistic 3D virtual scene of badminton sport which integrates visual，auditory and tactile skills. The user realizes badminton sport in a natural interactive way，virtualizes，modularizes and standardizes the sports teaching content，integrates various technologies and tactics into the course design，and integrates them into the physical interaction record the data to realize the training and examination of the forehand hitting technique of badminton. It provides the auxiliary means for the physical education practice teaching of Neusoft Institute Guangdong，which is deeply loved by the students.

Keywords：Unity3D;virtual reality;badminton;simulation system

0  引  言

随着虚拟现实技术的迅速发展，虚拟现实技术也逐渐应用到教育行业，其中体育运动仿真系统及技术已取得很大的发展。体育仿真系统是以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术[1]。羽毛球则是我国传统的优势项目，深受很大众喜爱。在现实生活中，由于时间、空间的限制，很多人不能去室内或者室外去打球。采用虚拟现实逼真的展示手段与羽毛球运动结合，用户借助设备便可以不受时间、空间的制约，体验羽毛球运动。既可以满足运动的需求，又可以放松身心起到娱乐作用。

“体育Ⅱ”课程是广东东软学院的一门公共必修课，2学分，共32学时，主要学习羽毛球比赛规则、正手发后场高远球技术、单双打的技战术等，是一项简单易学、较为普及的运动项目，在学生运动中也占据着重要地位，并深受部分学生的欢迎。大学羽毛球教学不仅能够提升学生的羽毛球运动水平，而且还有助于提升学生的身体素质、智力水平、心理素质等。随着社会对高校人才培养质量的要求不断提升，针对大学羽毛球课程存在的室内羽毛球场地不足、室外场地由于天气等因素、大多数学生上体育课积极性不高等问题。为了解决上述问题，本文基于虚拟现实技术为羽毛球课程设计了一种羽毛球仿真系统，通过学生实际体验的方法验证了系统的可行性。

1  方案设计

1.1  总体研究思路

羽毛球仿真系统根据“羽毛球”课程教学大纲、教学现状进行分析，将体育教学内容按技能点和模式进行划分，确定系统各个功能模块，将虚拟仿真技术与羽毛球的各种技术、战术相结合，通过体感互动数据的记录，实现羽毛球正手击高远球技术的训练和考核。

系统设计的功能主要包含训练和考核，羽毛球对战模式：单打模式、双打模式、AI模式，训练的主要技能点：发球、引拍、挥拍、接球、高远球。系统的功能图如图1所示。

1.2  羽毛球考核要求

学生选择不同羽毛球技术（接发球、高远球、扣球、定点球等）与系统进行单人训练考核，可选择不同分值（11分、21分）进行训练，成绩分为不及格、及格、良好、优秀四個等级，以11分为例，考核要求如表1所示。

1.3  开发平台与工具

由于羽毛球运动技能训练的特殊性，项目重在构建羽毛球虚拟场地，训练体验接近真实情况，本项目的实施需要多种软件技术融合构建。本项目所需的装置和软件主要包括以下3项：（1）HTC Vive设备：头戴式设备、操控手柄、定位器及支架;（2）联网的台式计算机;（3）虚拟软件：羽毛球虚拟仿真系统。

系统采用3D Max软件进行建模和动画制作并导出.fbx格式文件。在Unity3D软件中将羽毛球场景、球拍、羽毛球等.fbx文件导入到Assets（资源）中，构建了实验所需的三维虚拟仿真场景，通过编写C#脚本实现UI事件设计、角色移动、球拍交互等功能，通过Steam VR插件，建构逼真的羽毛球运动三维虚拟场景。

2  系统实现的核心技术

2.1  系统UI

Unity3D引擎具有強大功能的UI系统，提供了许多UI组件，事件处理可由开发者编写C#脚本进行控制处理。在Hierarchy Window（游戏对象层级面板）的Canvas上右键然后选择UI，完成系统UI如图2所示。

添加按钮监听事件代码：

private void InitEvent（） {

btn_Standalone.onClick.AddListener（TurnGameSence）;

btn_Multiplayer.onClick.AddListener（Connecting）;

btn_Pattern.onClick.AddListener（ClickPattern）;

btn_PersonCtrl.onClick.AddListener（ChoosePersonPattern）;

btn_ComputerCtrl.onClick.AddListener（ChooseComputerPattern）;

}

2.2  有限状态机的设计

有限状态机（Finite-state machine）简称FSM，表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型，它反映从系统开始到现在时刻的输入变化的状态，它存储的是关于过去的信息，指示状态变更的是相对应的动作，并且用满足确定使转移发生的条件来描述它[2]。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件[3]。使用有限状态机后，切换羽毛球AI的运动状态，就只需要考虑转化状态的正确与否，而不需要考虑切换后的脚本逻辑。用户在切换状态时操作比较灵活、交互性较好，还能有效地避免游戏程序的冗余。

2.3  角色移动控制

系统中的角色的移动由Player Movement管理，在其中Move方法管理角色位置的更新，监听来自Horizontal及Vertical的事件更新角色的位置信息。为了使得系统的体验更加的完美，借助Unity状态机中的Blend Tree功能实现角色在不同情况移动下的体态。

2.4  羽毛球规则程序实现

使用者需要有枚举值属性，分别为发球权，击球权，和对方的击球权。其发球权是用于判断玩家是否拥有发球权，击球权用于判断玩家是否拥有击球权，图3为学生击球效果，从而判断玩家是否需要移动，对方的击球权是玩家在击打羽毛球回去后，将规则管理器的击球权修改为对方的击球权。

羽毛球规则程序实现代码：

[Serializable]

public struct Right {

public RightToServe ownServeRight;

public RightToAttack ownAttackRight;

public RightToAttack nextAttackRight;

}

3  实施效果

本系统于2018年9月，在广东东软学院部分专业进行体育教学改革中进行实际应用，现已服务过的本校学生人数为162人。通过使用VR虚拟羽毛球系统，训练者将置身于虚拟羽毛球球馆场景中，身临其境，体会各种技能如挥拍、引拍、高远击球等技术的训练;所有学生均可独立参与实验训练，完成所有实验步骤，避免了羽毛球运动中必须满足2人以上的局限性，同时有效解决了由于时间、空间和场地不足等问题。学生可自主选择时间、地点、场地进行虚拟实验，提高了学生参与运动的积极性;羽毛球虚拟仿真系统通过体感互动数据的记录，完成量化的考核，将学生成绩分成不及格、及格、良好、优秀四个等级。学生实际训练与VR训练对比图如图4所示。

VR体育虚拟教学，是一种全新的体育教学手段，以学生为中心，重视学生的心理感受，改变传统教学方式、转变教学思路、解决现存问题。有效地提高体育教学质量的同时，又能使受训者获得身临其境的感受和体会。

4  结  论

借助羽毛球仿真系统进行的体育教学改革，为体育实践教学提供辅助手段，创造性地解决了运动项目传统教学模式问题，开创了羽毛球运动训练的新途径，实现对传统教学的有效延伸和拓展训练内容，深受学生们的好评和喜爱。

参考文献：

[1] 关志明.基于ODE的乒乓球虚拟现实场景的建立与研究 [D].沈阳：沈阳航空航天大学，2011.

[2] 张锐.图的Ramsey数及相关极图问题的研究 [D].北京：北京交通大学，2014.

[3] 盖娜，王君，王智，等.基于有限状态机的类人足球机器人决策系统设计 [J].工具技术，2019，53（8）：101-104.

作者简介：李晶（1987—），女，汉族，陕西商洛人，讲师，硕士，研究方向：软件开发、游戏开发、虚拟现实。