基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统设计

郭晓民 庄学伟

（泉州经贸职业技术学院，福建 泉州 362000）

体育运动一直以来都扮演着重要的社会和文化角色，同时也是人们互动、锻炼和娱乐的方式。其中，龙舟运动作为一项历史悠久的传统体育活动，具有丰富的内涵[1]。由于现代生活节奏加快，许多人无法亲身参与精彩的体育赛事。虚拟现实（VR）和体感交互技术飞速进步，为大众提供了亲身模拟体验龙舟运动的机会。该文设计了一种基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统，该系统将传统的龙舟运动带入数字时代，使更多人可以享受其乐趣。该系统使不同地区的龙舟爱好者使用虚拟现实头盔和手柄模拟划桨动作，通过虚拟龙舟赛事体验龙舟竞技精神。

1 系统总框架设计

基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统总框架如图1所示。

图1 基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统总框架图

由图1可知，基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统包括硬件设计、软件设计2个部分。其中，硬件设计中采用Oculus Rift S系列的虚拟现实头盔让参与者进入虚拟龙舟运动环境，为其提供视觉沉浸感；采用HTC Vive Controller系列的体感控制器模拟桨的划动动作，使参与者与虚拟环境进行互动；采用Oculus Rift内置传感器实时跟踪参与者的运动状态。软件设计包括虚拟环境建模模块、用户界面和交互模块、多人在线模块以及训练模块4个部分。虚拟环境建模模块通过实时三维建模技术将真实的龙舟赛道、自然景观、龙舟以及其他物体精确地还原到虚拟环境中；用户界面和交互模块根据虚拟建模模块建设的赛道分成不同的模式供参赛者选择，同时参赛者通过控制体感控制器进行虚拟龙舟运动；多人在线模块通过网络连接为不同地点的多名参与者提供互动和竞技的机会；训练模块为新手提供教程，解释龙舟赛事的规则和技巧。以上硬件、软件的相互配合，可以为参与者提供全面的虚拟龙舟运动体验。

2 虚拟环境建模模块

在基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统中，虚拟环境建模模块起到关键作用，其通过实时三维建模技术和物理引擎来还原龙舟运动的真实场景，增强参与者的沉浸感[2]。具体虚拟环境建模模块流程如图2所示。

图2 虚拟环境建模模块流程

由图2可知，采集现实世界中龙舟赛道、自然景观、龙舟以及其他物体的数据后，建模师将采集到的数据转换为三维模型，并用三维建模软件创建虚拟环境中的物体和场景，根据物理引擎原理使用其中的数学模型来模拟自然元素，用纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程模拟流体动力学，如公式（1）所示。

式中：ρ为密度；t为时间变量；u为速度向量；为压力梯度；η为动力黏性系数；为速度的拉普拉斯算子；为速度的梯度；g为重力加速度。

通过碰撞检测模块检测物体之间的交点或重叠，从而确定是否发生碰撞；根据碰撞检测模块检测到的数据并通过数据反馈模块计算物体之间的力或振动，用牛顿定律进行计算，如公式（2）所示。

式中：F为力；m为物体的质量；a为加速度。

数据反馈接收数据后进行验证并确认数据的完整性、准确性，采用图像处理技术对纹理进行过滤、着色以及增强滤镜，再采用WebSocket通信对竞赛实况进行实时更新，根据所发生的状态变化来调整模型状态。

3 用户界面和交互模块

用户界面和交互模块是确保参与者可以轻松掌握系统并享受虚拟龙舟运动的关键组成部分，同时为参与者提供直观的选择界面和实时响应的交互体验。主要包括以下2个部分：1） 用户界面设计。用户界面是参与者与系统互动的窗口，因此非常重要，用户界面为参与者提供清晰简洁的选项，让参与者选择不同的龙舟运动模式。如图3所示，用户界面有竞技、多人竞赛以及训练模式3种选项供参与者选择。此外，还有设置选项，使参与者通过自身的喜好调整音频、图形以及灵敏度等设置来获得最佳虚拟龙舟运动体验。界面还包括参与者游戏进度和成就的显示模块，可以记录参与者的游戏数据。2） 交互控制。参与者通过使用体感控制器来模拟划桨动作，这些控制器与虚拟龙舟的运动紧密连接[3]。同时，交互控制需要实时响应，采用低延迟的通信协议和技术保证参与者的动作能够立即反映在虚拟环境中，缩短响应延迟时间差，响应延迟时间差是参与者执行某个动作的时间与虚拟环境中相应变化的差异，具体计算方法如公式（3）所示。

图3 虚拟龙舟用户界面设计

式中：Ta为延迟时间；Tc为虚拟环境响应时间；Td为参与者执行动作时间。

此外，在控制器中嵌入振动装置马达，设置震动强度为2.5 m/s2，参与者也可以根据自身所处的虚拟环境设置对应的震动强度和频率。综上所述，用户界面和交互控制模块的设计需要注重面向参与者的友好性和可访问性，保证不同地区的参与者都能轻松参与虚拟龙舟运动。

4 多人在线模块

多人在线模块使不同地点的参与者可以互相连接，共享虚拟龙舟运动，其设计目的是增强参与者之间的社交互动性，使参与者可以在虚拟环境中竞技或协作，与其他龙舟运动爱好者共享乐趣。具体设计步骤如下：1） 选择虚拟专用服务器（VPS）承载多人在线模式，采用负载均衡和自动扩展技术处理大量参与者连接，通过TCP通信协议实现多地点参与者的网络的连接，采用内容分发网络（CDN）提供更稳定的内容传输和减少网络延迟。2）采用TLS协议进行系统数据加密，保障数据在传输过程中的安全性，建立参与者身份验证和授权机制，防止未经授权参与者的访问，遵循GDPR隐私法规，确保参与者的隐私信息受到保护保护。3） 采用网络通信库（WebSocket）来实现实时数据传输，用音视频编解码器支持参与者之间进行实时音频和视频通信。4） 采用Apache JMeter性能测试工具模拟多人在线场景，测量网络延迟、带宽需求和服务器负载的情况，同步对HTTP性能测试结果进行分析，解决性能瓶颈，再邀请参与者参与测试，采用Survey Monkey在线反馈工具收集参与者的意见和建议。5） 定期更新系统组件、操作系统和安全补丁，修复已知漏洞，部署防火墙、入侵检测系统（intrusion detection system，IDS）和反病毒软件来防范网络攻击。

通过上述步骤，多人在线模块可以实现多地点参与者的全球互联，也可以为参与者提供实时互动和高度安全的龙舟在线运动体验。

5 训练模块

训练模块可以帮助新手参与者逐步熟悉龙舟赛事规则和技巧，同时为其提供实时练习反馈，帮助参与者不断提升技能。主要包括以下2个部分：1） 教育性功能。训练模块包括一系列新手教程，以引导初学者了解龙舟赛事的基本规则、龙舟的结构以及桨的使用方法等。这些教程包括文字说明、图像示范和视频教程。同时，为参与者提供不同类型的龙舟赛事（例如竞速、协作赛事）的介绍和解释，使参与者了解各种赛事的特点和规则，向参与者提供关于正确划桨动作、团队协作技巧和龙舟控制的技术指导，评估参与者划桨的节奏、平衡性等指标，将这些指标转化为技能得分评估参与者的技能水平。参与者划桨节奏的得分如公式（4）所示。根据参与者操纵龙舟的水平和垂直平衡性计算其平衡性的得分，如公式（5）所示（利用公式（5）可以评估参与者在龙舟运动中的准确性）。2） 进度追踪。训练模块学习管理系统（LMS）跟踪参与者游戏的进度和成就，记录其完成的教程、提高的技能水平等，以鼓励参与者继续学习和训练。同时，采用游戏化元素（例如任务、奖励以及成就系统）来提高参与者的参与度和积极性，可以奖励参与者完成任务或挑战成功后获得虚拟货币，可购买虚拟物品或升级。采用机器学习模型分析参与者的学习和训练数据，为其提供个性化的建议和反馈。此外，NLP技术可以更好地理解参与者提出的问题，快速为其提供精确合理的答案，通过建立参与者模型，系统可以根据每位参与者的需求和技能水平提供个性化的学习路径和建议。

式中：S为节奏得分；C实际为参与者实际的节奏；S理想为系统设定的理想节奏值。

式中：H为参与者平衡性得分值；A实际为参与者实际操作的平衡值；I理想为系统设定的理想平衡值。

6 测试与试验

6.1 试验准备

为了保证基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统运行的稳定性、可靠性，通过模拟试验测试系统的性能。试验测试需要准备Intel Xeon Gold 6254系列的双插槽服务器，每个插槽支持多个核心和线程，具备1TBDDR4ECC的内存容量；采用Microsoft SQL Server系列的数据库储存与传输数据，采用Unity Test Runner系列的测试工具测试虚拟环境的性能以及远程桌面数据管理工具VCN等设备，确保其配置足够支持试验顺利进行。

6.2 试验结果

结合采集的数据对基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统进行分析，并生成详细的试验报告，从而对该平台的运行效率和稳定性进行评估。试验数据见表1。

表1 试验数据结果

由表1可知，系统最长响应时间为45 ms，最短响应时间为78 ms，平均响应时间为32 ms，平均响应时间低于50 ms，表明该系统在响应参与者操作方面表现出色；平均帧速率为90 f/s，最低帧速率为80 f/s，最高帧速率为100 f/s，最低帧速率>80 f/s，表明该系统在帧速率方面表现良好；系统平均延迟时间为20 ms，最长延迟时间为35 ms，最短延迟时间为15 ms，测试的延迟时间<20 ms，最长延迟时间相对较短，这表明当参与者启动游戏时，系统能够迅速响应。综上所述，基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统在性能测试方面表现出色，该系统的响应时间、帧速率和延迟时间都在可接受范围内，需要注意的是，要继续优化最长响应时间，保证系统在各种情况下的响应性能一致，从而进一步提升参与者的游戏体验。

7 结语

基于体感交互技术的多人龙舟运动虚拟交互展示系统代表了虚拟现实技术在娱乐和体育领域的创新应用。通过该系统，参与者可以在虚拟环境中体验真实的龙舟运动，可以与全球的龙舟运动爱好者互动，还可以提高技能并享受社交的乐趣。该文围绕该系统的虚拟环境建模、用户界面设计以及多人在线互动进行研究，确保系统可以提供给参与者最佳的体验，并通过全面测试系统性能来进一步优化系统，以期为虚拟现实技术在娱乐和体育领域的发展提供有力的支持和启示。