基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统

张冰

（商洛职业技术学院体育部，陕西商洛 726000）

以标准技术动作为基础的竞技体育要求参与运动员具有娴熟的技术动作。为实现此目标不仅需要运动员持续刻苦地训练，更重要的是应向教练员提供科学有效的训练方式，提升运动训练水平[1]。我国竞技体育运动训练的科技水平一直以来均处于相对较低的状态，大多数教练通过经验与主观意识进行运动训练教导，仅依靠经验与肉眼判断引导运动员的技术动作，导致运动员需数次重复练习方可掌握技术要领，因此造成我国竞技体育运动训练质量低且技术动作水平提升缓慢。为此，国内外研究者通过研究及实际验证得出，将数字图形图像技术加入运动训练当中，能够提升运动员运动训练时掌握技术要领的效率，有效降低运动员运动训练过程中受伤的几率，提升整体运动训练效果[2-3]。

虚拟现实技术也可简称为VR 技术，具有交互性、构想性及沉浸性等特点，通过综合运用人工智能技术、多媒体技术、数字图形图像技术、计算机网络技术及多媒体传感技术等对人的感官功能进行仿真模拟，令用户沉浸于其呈现的虚拟环境内，通过可以手势及语言等方式实现实时交互，构建出一种适人化的多维信息空间，应用前景极为广阔[4]。如今，虚拟现实技术已进入建筑设计、文化娱乐、工业级教育培训等多个领域内，其中，体育领域的虚拟现实技术多用于运动训练与教学中，基于此技术实现对训练科学水平、训练过程及技术动作的优化与完善[5]。

为此，文中研究基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统，为有效提升教练员的科学训练与运动员的技术动作提供了帮助。

1 运动训练仿真模拟系统

1.1 系统整体概述

通过人体实际运动和运动生物力学两种数据及数字化三维人体运动的虚拟现实技术，实现以虚拟现实技术仿真模拟、修正设计运动训练动作的目的[6]，同时采用人体运动的动力学理论分析与检验所设计的技术动作，并将检验后的标准技术动作编排模拟为成套的动作序列，通过同步、同屏的方式对比该仿真模拟动作序列和运动员训练动作视频，提升仿真模拟的现实指导意义与应用价值。基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统整体架构见图1。

图1 系统整体架构

构成系统的两个关键部分为仿真模拟动作和运动训练动作对比、标准技术动作仿真模拟。其中，运动训练标准技术动作指的是在裁判员或教练头脑中被认准的理想技术动作，此类技术动作能够提升运动训练水平与运动比赛时的得分[7-8]。为了更好的辅助运动训练，可通过图形化与量化裁判员和教练的先验知识。基于此，需向裁判员或教练提供一种仿真模拟运动训练标准技术动作的方式。以偏移映射方式修正、设计运动训练捕获动作数据库中的动作，以运动员的人体参数为出发点，依据体态参数特点对我国人体惯性参数完成预估，同时，将该参数通过人体运动方程对仿真模拟结果进行检验，实现降低仿真模拟误差的目的，对检验后的标准技术动作进行编辑模拟，得出成套标准技术模拟动作，构成三维标准模拟动作库。仿真模拟运动训练标准技术动作的过程见图2。在现实运动训练时，为提升运动训练水平，可对比分析标准技术动作仿真模拟结果和运动员现实运动训练动作，提升运动员对自身运动训练时技术动作不足之处的认知[9]。通过摄影机正交投影模型，由运动训练视频内运算得出摄影机参数，以此确准运动训练视频视点相等的三维虚拟场景的控制参数，对比仿真模拟标准技术动作和现实运动训练动作，为教练引导运动训练提供有效帮助。

图2 标准技术动作仿真模拟过程

1.2 虚拟现实技术的人体运动训练仿真模拟

针对运动训练的有关特征，运用虚拟现实技术中的各种图形图像技术进行仿真模拟，实现系统的仿真模拟功能，由于人体具备数个自由度，且整体结构较为繁琐，需对运动中的整体骨骼肌肉进行综合考量方可实现逼真的运动仿真模拟效果，所以，文中以三维人体运动仿真模拟技术进行运动训练的仿真模拟[10]。先通过运动捕获方式创建运动训练动作数据库，再以偏移映射技术对数据库内的运动训练动作予以修正和设计，并通过动作和动力学分析检验修正与设计后动作的合理性，采用运动拼接方法编排模拟检验后的单个标准技术动作，获取全新的标准动作序列，在此基础上，通过同屏的方式对比分析获取的仿真模拟标准动作序列和运动员训练动作视频，提升运动训练质量和运动员技术动作水平。

1.2.1 运动训练动作修正及设计

运动捕获为创建运动训练动作三维数据库的理想方式。其基本原理是完成采用传感器追踪设备对运动训练目标运动数据的记录[11]。其特点是可实现对人体实际运动数据的成功捕获，同时所采集到的运动信息具备时间信息，能够提升人体运动状态改变的模拟逼真度。通过光学原理对人体表面标识点运动数据进行记录，并将该记录作为初始三维运动数据。为了将三维人体运动骨架从此类数据中成功提取出，需对此类数据实行过滤与降噪等处理[12]。

通过选取原始帧创建可匹配运动捕获目标虚拟标识点与骨骼的系统，以实际标识点和虚拟标识点的最小间距准则为依据，对运动捕获数据的骨骼运动实行优化运算。采用平滑处理方式对优化运算所得的运动数据实行降噪，并通过四元数线性时不变滤波系统过滤后获取平滑的骨骼运动。通过对数运算将欧拉角数据转化成相应的四元数，并将其向切空间内映射，采用滤波器对切空间进行滤波处理，向四元数空间内以指数运算方式映射滤波后结果，转化为欧拉角度数据。完成运动训练现实动作数据库的创建后，将各个现实动作以虚拟人合成软件包VHSDK5.0，并通过三维形式呈现，同时采用可视化方法对现实动作予以修正和交互设计，通过牛顿欧拉运动模型完成对修正及设计后所获取新动作的合理程度的检验，获取具有个性化的运动训练标准技术动作。

假设相对于人体运动movement（t）来说，对运动姿态attitude（ti）进行修正获取新的运动姿态attitude′（ti），可通过鼠标在X×Y大小的用户视窗内选择，并拉动对应的刚体实现修正过程，提升可视化交互动作设计的便利性。设Δx、Δy为鼠标拉动时x、y方向的变化量，以欧拉定理为依据设某动作b能够通过zyx方向的欧拉角用表示为：

式中，影响因子用c、d、a表示，通过影响因子可表示Δx、Δy在x、y、z各坐标方向对欧拉角的影响状况，对式（1）求解后可得到：

基于此，实现对新的运动姿态attitude′（ti）的设定。通过偏移映射技术获取到新的运动movement′（t）。ti时刻偏移量的运算式为：

式中，b表示某动作，h和g分别表示当前帧、临近帧内同当前帧相对应的点。用同样的方式对其余时刻的偏移量进行运算，获取对应movement（t）的运动偏移通过向初始运动movement(t)叠加运动偏移b(t)，即可获取新的运动movement′(t)为：

以运动员体态参数特点为依据对人体惯性参数实现预估，并通过确立牛顿欧拉运动模型内所需的转动惯量等参数实现个性化，依据此方程对新运动movement′(t)的合理程度予以检验，实现了以可视化交互设计、运动检验及反馈的交互过程，达到修正及设计运动训练动作的目的。

1.2.2 运动训练动作编排模拟

通过对运动训练动作的修正与设计获取标准的数个单独技术动作，从中选出固定数量的动作并以特定次序相连，实现成套标准技术动作的编排模拟。为大幅降低运动训练风险和教练确准运动训练动作编排方法提供帮助，可通过三维图形预先呈现出成套标准技术动作的编排模拟结果[13-14]。因此，设计一个能够完成运动训练动作挑选、拉动及删除等操作的图形界面，编排模拟成套标准技术动作时仅需着重考虑两个动作间的连接。两个运动训练动作片段分别以n1(t)、n2(t) 表示，通过运动过渡（Motion Transition）与运动镜像（Motion Mirroring）技术将两个动作片段连接为一个全新的标准技术动作序列。运动片段n1(t)的最终一个姿态attitude1(t1)与运动片段n2(t)的首个姿态attitude2(t2)依次表示为：

2 仿真测试

将文中系统应用于某地区跳水队与排球队的运动训练中，对两队运动训练过程中的运动员动作进行仿真模拟，通过仿真模拟效果文中系统呈现该体操队的训练效果，检验文中系统的应用性能。

2.1 仿真模拟效果分析

通过PC/Windows/VC5.9 软件环境实现文中系统的开发[16]，应用文中系统仿真模拟某跳水运动员的起跳技术动作与某男子排球运动员的发球技术动作，并用y方向的欧拉角分别表示两个动作，对比技术动作的仿真模拟效果与y方向欧拉角表示的相似度，检验文中系统的仿真模拟效果。技术动作效果呈现及欧拉角表示如3 所示。通过图3 可看出，该系统对两个技术动作的仿真模拟效果与y方向欧拉角表示极为相符，说明文中系统仿真模拟效果好，模拟结果可用于实际运动训练中，且更便于在该系统模拟结果的基础上实现对动作的修改，以及便于将模拟结果用于之后与训练视频的对比分析中。

图3 仿真模拟效果呈现

2.2 实际应用效果分析

从两队中各自抽取10 个运动员，检验两队应用文中系统前后的运动训练效果，通过对比运动员对技术动作的掌握程度及掌握效率，实现运动训练效果的对比。运动训练效果对比情况见图4。由图4可看出，应用文中系统后，两队运动训练时对技术动作的掌握人数均高于应用文中系统前，且每个掌握技术动作的运动员，对于掌握动作所用时长均较应用文中系统前有所降低，由此说明，应用文中系统后两队的运动训练效果更好且效率更高。

图4 运动训练效果对比

两队在应用文中系统前后，掌握各技术动作的平均用时可更进一步验证该系统的实际应用效果，对比结果见表1。通过表1 可得知，两队在运动训练中应用文中系统后，运动员对技术动作的掌握程度更高，动作的平均掌握效率也明显提升，且应用该系统后两队技术动作的掌握人数比例分别为70%和80%，远高于应用该系统前40%和50%的人数比例，足以说明，文中系统具备非常高的实际应用价值，且应用效果显著。

表1 应用效果分析

3 结束语

文中针对基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统展开研究，虚拟现实技术包括计算机网络、多媒体、多媒体传感及数字图形图像等技术，具备沉浸

性与交互性等功能特征，能够实现对人体特性的仿真模拟，并令使用者沉浸于其虚拟环境内与其实现交互，文中构建了包含对比仿真模拟动作和运动训练动作及标准技术动作仿真模拟两部分的整体系统，并运用虚拟现实技术中的各种图形图像技术仿真模拟运动训练动作的相关特点，实现系统的仿真模拟功能，通过实际应用验证了文中系统可提升运动训练效果及效率，具有较高的实际应用价值。