数字化视角下短跑动作训练虚拟仿真系统设计

摘要：文章从数字化视角下短跑动作训练系统的基础需求入手，构建了一种短跑动作训练虚拟仿真系统。该系统由输入层、功能层和可视化层等结构组成，主要功能包括短跑动作捕捉、训练方案生成、回放与评价等。对该系统的应用情况进行测试，结果表明：该系统可以在较低的时间延迟下为运动员提供完善的动作捕捉和虚拟训练功能，具有一定的实用性。

关键词：数字化视角；短跑运动；动作训练；虚拟仿真系统

中图分类号：TP391.9中图分类号 文献标志码：A文献标志码

0 引言

数字化与信息化时代的到来给我国的体育事业带来了巨大的影响。数字化视角下的体育训练与传统体育训练系统相比发生了根本性变化，体育训练正在逐渐向数字化、虚拟化与实际训练相融合的方向发展。短跑运动是典型田径竞赛中的一类，主要包括50 m、60 m、100 m、200 m等项目，是一种最大程度发挥人体速度极限本能的运动形式［1-3］。近年来我国在短跑项目上取得了一定成绩，优秀短跑运动员越来越多，短跑这一运动本身为人体带来的诸多好处也越来越深入人心。在此背景下，本文构建了一种基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术的短跑动作训练虚拟仿真系统。该系统除可以帮助短跑运动员进行日常虚拟训练外，还可以对运动员的训练情况进行评价，从而帮助短跑运动员提升自身竞技水平。

1 系统功能需求分析

1.1 丰富的训练内容

随着我国专业短跑项目的整体进步，越来越多的新型训练理念和内容开始融入现代运动员的训练。对于现代短跑项目而言，传统的短跑训练内容已经不能满足短跑运动员的实际需求［4］。因此，本文尝试构建的短跑动作训练虚拟仿真系统须要具备丰富的训练内容或者可以提供较大的虚拟存储空间，以便后期将更为先进的训练内容录入系统。

1.2 较低的系统延迟

对于虚拟仿真系统而言，较低的系统延迟是反映系统响应性能的关键因素。对于面向短跑运动员的动作训练仿真系统而言，较低的系统延迟还是保证运动员获取精准动作捕捉、良好训练效果的决定性因素。因此，本文构建的短跑动作训练虚拟仿真系统还须要具备较低的系统延迟。

1.3 完善的动作捕捉

动作捕捉是短跑运动员使用虚拟训练仿真系统的主要功能之一。完善的动作捕捉功能可以帮助运动员精准获取自身进行短跑时的某些动作姿态，借助系统内的评价体系或教练员的指导，运动员可以较快地对自身的短跑动作进行纠正。因此，本文构建的短跑动作训练虚拟仿真系统须要尽可能具备完善的动作捕捉功能。

1.4 良好的回放与评价

动作捕捉系统与专业体育训练的融合价值不仅体现在运动员的虚拟训练等方面。更为重要的是，教练员和运动员可以通过动作捕捉系统对运动员的训练动作进行捕捉并将运动员的动作与标准动作进行对比，从而实现运动员训练动作的智能化评价。因此，本文在构建短跑动作训练仿真系统时，会尽可能融入标准动作捕捉和录入功能，在其基础上形成短跑运动员训练动作的回放与智能化评价，从而更好地帮助短跑运动员开展虚拟训练。

2 系统构建分析

2.1 系统框架

以传统B/S架构为基础，结合短跑动作训练系统的功能需求，本文构建了图1所示的数字化视角下的短跑动作训练虚拟仿真系统框架。

该框架主要包括输入层、功能层和可视化层3部分。其中，输入层主要包含了大量人体动作捕捉硬件设备及其配套软件等，比如典型的红外人体动作捕捉设备、体感器及其他智能穿戴设备等。这些软硬件设备主要负责录入短跑运动员的短跑训练动作，将运动员的短跑训练动作以数据形式传输至功能层。功能层则主要包含了短跑动作训练系统所需的各类型基本功能，包括动作捕捉功能、训练方案生成功能、训练资料调阅功能、回放与评价功能等。该层主要负责为运动员提供基本的动作训练分析、评价和持续性学习功能。可视化层负责为系统和运动员提供虚拟化的动作训练场景和科学的动作指导，还可以通过智能大屏呈现运动员的训练情况，便于教练员进行指导［5-7］。

系统工作时，首先，输入层对运动员或教练员的短跑动作进行捕捉，借助动作捕捉设备、体感器及其他智能穿戴设备等获取人体在短跑训练时的各项信息，将捕捉后的人体信息以数字化形式传输至功能层；其次，功能层对捕捉的人体动作数据进行分析，将教练员等的标准短跑动作转化为标准化数据，将运动员每次参与虚拟训练时的动作与标准化数据进行比对，以便后续生成训练方案、回放与评价等；再次，功能层形成的各类型数据会通过可视化层进行虚拟场景展示和智能大屏展示等，为运动员、教练员提供直观的虚拟训练场景或动作指导场景等；最后，系统会按照一定的频率将教练员、训练员等的短跑训练人体动作捕捉信息等传输至数据库，按照标准动作、训练动作、训练方案等的分类情况对数据进行分类，从而便于教练员、运动员等对相关信息进行增、删、改、查等。

2.2 核心功能设计

2.2.1 动作捕捉功能

动作捕捉功能是短跑动作训练虚拟仿真系统的核心功能之一。本文设计系统中动作捕捉功能的基本工作逻辑如图2所示。

系统提供的动作捕捉功能分为标准动作捕捉和运动员动作捕捉2部分。在进行标准动作捕捉时，捕捉点须要粘贴在教练员或者优秀的展示运动员身上，采用动作捕捉技术对教练员和展示运动员的相关短跑动作进行捕捉，经过动作特征参数的提取后传输至计算机。这部分捕捉的动作主要用于标准动作指导、运动员动作评价等。在进行运动员动作捕捉时，捕捉点粘贴在运动员身上，采用相同的动作捕捉流程对运动员的短跑训练动作特征进行提取，传回计算机以后，教练员可以对运动员的短跑动作进行实时指导，运动员也可以通过动作回放及与标准动作的对比对自身的短跑动作进行纠正等。

2.2.2 训练方案生成功能

短跑运动员训练方案的生成须要以动作捕捉功能为基础。经由动作捕捉模块获取运动员的短跑动作数据后，系统首先会对该运动员的短跑动作进行识别和判断，从而获得该运动员的基本短跑水平评价结果；其次，系统会基于该运动员的实际训练水平生成符合该运动员需求的动作模型；再次，经过评价模块、教练员的综合评价和分析后，系统会对运动员的日常训练量进行估算，得到符合该运动员训练水平的训练量；最后，系统构建和生成训练方案，短跑运动员按照该方案执行日常训练计划即可。

2.2.3 训练资料调阅功能

训练资料的即时调阅可以帮助短跑运动员在进行某些动作学习前对这些动作进行提前了解。训练资料调阅功能包括一个基本的数据库。数据库内包含了大量的短跑相关的训练资料，包括视频资料、论文资料等，运动员在训练之余可以借助该功能模块对其他优秀运动员、教练员的研究成果进行调阅等［8］。此外，训练资料调阅功能还可以通过智能大屏进行展示，教练员可以借助智能大屏中显示的训练资料对运动员进行统一的教学或指导等。

2.2.4 其他功能

系统提供的其他主要功能包括回放与评价功能、网络通信功能、系统防火墙等。其中，回放与评价功能指系统可以为运动员和教练员提供训练时的视频回放和评价，帮助运动员和教练员更好地掌握训练情况，为下一步训练提供参考和借鉴；网络通信功能则主要负责将系统中的各类型参数以有线、无线的方式传输至系统数据库，以便开展后续用户数据的增删改查等；系统防火墙可以为系统用户提供较高的安全防护功能，避免运动员的人体动作捕捉参数、训练视频、训练方案等外泄。

3 系统功能实现与性能测试

3.1 系统功能实现

数字化视角下短跑动作训练虚拟仿真系统的核心功能包括动作捕捉、训练方案生成和训练资料调阅等，如图3所示。

图3（a）为采用动作捕捉设备捕捉运动员进行短跑时的某些动作并将这些动作进行虚拟化转化的基本功能。由该操作界面可知，系统可以非常完整、准确地对运动员在奔跑时的骨骼和肌肉情况进行获取，除得到运动员的运动姿态外，还可以得到运动员头、肩、手臂、躯干、腿、足等各个部分的旋转角度、运动距离等，基本实现了运动员短跑动作的捕捉和虚拟化转化。

图3（b）为系统根据运动员的基本训练情况提供的训练方案模拟竞技基本场景。运动员在使用该系统开展短跑动作训练一段时间后，可以根据系统指导和教练员的安排，在虚拟场景下进行竞技。图中的竞技对象为部分国际知名短跑运动员的虚拟化形象。运动员也可以根据实际的需求选择定制化的虚拟竞技对象。

图3（c）为系统提供的虚拟训练资料调阅功能界面。在该界面中，系统为运动员提供了从基础到高端的短跑训练方面知识。借助该功能，运动员可以掌握基础的短跑动作训练知识和技巧，还可以根据训练难度和自身的短跑水平逐渐掌握更为高端的短跑动作和技巧等。

整体而言，本次设计的针对短跑训练的虚拟仿真系统核心功能实现情况较为理想，核心功能如动作捕捉、训练方案生成等已经可以满足运动员的实际使用需求。

3.2 系统性能测试

3.2.1 测试环境

本文以某综合型的体育动作训练虚拟仿真系统为对比组，以搭建的系统为实验组进行系统性能测试［9-10］；以相同的NOKOV动作捕捉系统（北京度量科技有限公司）和体感器（深圳市探奇科技有限公司）作为本次测试的硬件设备，尽可能减少测试影响因素；以同一批短跑运动员为研究对象，测试其应用不同系统时的系统延迟，得到本次搭建虚拟仿真系统的性能测试结果。

3.2.2 测试结果

本文所述性能测试主要针对系统的延迟情况。随着系统内同时在线用户数量的提升，系统延迟的变化情况如表1所示。

从表中数据可知，一方面，实验组系统延迟始终远低于对比组的系统延迟，实验组系统的响应时间明显更短；另一方面，随着系统内同时在线用户数量由0个提升至250个，实验组系统延迟并没有始终处于上升状态，而是在22.0 ms至29.0 ms之间不断波动，在线用户数量为200个时系统延迟最低为22.7 ms，在线用户数量为50个时系统延迟最高为28.5 ms，而对比组的系统延迟明显随着系统同时在线用户数量的提升而增大，在线用户数量为250个时系统延迟最高为204.7 ms。鉴于系统延迟并未随在线用户数量提升而提升，最高延迟仅为28.5 ms，远低于目前主流的体育动作训练虚拟仿真系统，本文认为本次构建的数字化视角下的短跑动作训练虚拟仿真系统基本可以满足实际的用户需求。

4 结语

传统短跑动作训练模式已经逐渐无法满足数字化视角下的运动员训练需求。本文借助VR、人体动作捕捉设备等构建了一种针对短跑运动的虚拟化动作训练仿真系统。针对该系统的功能实现情况和运行性能等进行了部分测试，测试结果表明：本文搭建的短跑动作训练虚拟仿真系统功能较为完善、系统延迟较低，可以为短跑运动员提供完善的动作训练环境。

参考文献

［1］陈林会.新质生产力推动我国体育产业高质量发展的作用机制与推进路径［J］.体育与科学，2024（3）：7-15.

［2］武金涛，郑旗.教育数字化转型背景下高校体育教育的新形态、新领域与新动力［J］.体育科技文献通报，2024（5）：136-139.

［3］黄诚.数字化背景下高校体育教学创新路径探究［J］.吉林省教育学院学报，2024（5）：149-153.

［4］李森.人工智能在高校体育教学改革中的应用策略研究［J］.湖北开放职业学院学报，2024（9）：167-168，171.

［5］张维凯，崔华，孔振兴.反身性视域下电子竞技体育化过程中的价值冲突与消解路径［J］.武汉体育学院学报，2024（5）：43-50.

［6］徐超，张晔，罗佳，等.共生理论视角下5G通讯技术与体育产业融合发展研究［J］.湖北科技学院学报，2024（3）：96-101，114.

［7］史文清.职业院校中职体育教学中学生学习兴趣提升策略探讨［J］.冰雪体育创新研究，2024（9）：31-33.

［8］曲倩倩.新媒体时代高职师范体育教学模式创新研究［J］.新闻研究导刊，2024（9）：133-135.

［9］葛奕霖，邱琬婷.影视技术对我国体育纪录片纪实美学的影响探究［J］.新闻研究导刊，2024（9）：236-238.

［10］李宁，林朝晖.虚拟现实技术在妈祖民俗体育文化传承中的应用［J］.莆田学院学报，2024（2）：99-103.

（编辑 王雪芬）

Design of virtual simulation system for sprinting action training from digital perspective

FU Haifang

（+xpZR4qYMEBtayHN5PcI0Q==Shaanxi Police College， Xi’an 710042， China）

Abstract： This paper starts with the basic requirements of sprinting action training system from the digital perspective， and constructs a virtual simulation system for sprinting action training. The system is composed of input layer， function layer and visualization layer， and its main functions include sprint motion capture， training program generation， playback and evaluation. The application of the system is tested， and the results show that the system can provide perfect motion capture and virtual training functions for athletes with low time delay， and has certain practicability.

Key words： digital perspective; sprinting; movement training; virtual simulation system