谈在体育训练仿真中虚拟现实技术的应用

王宏宇

(吉林体育学院，吉林 长春 130022)

谈在体育训练仿真中虚拟现实技术的应用

王宏宇

(吉林体育学院，吉林 长春 130022)

虚拟现实技术在体育训练仿真中的应用可以提高运动员的科学训练水平和运动竞技水平。对基于虚拟现实的体育(训练)仿真技术的发展现状进行综述，讨论了体育仿真的关键技术，并对虚拟现实技术在体育训练仿真中的应用前景进行了研究。

虚拟现实；体育仿真；体育辅助训练

1 概述

1．1虚拟现实

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是由计算机生成的、模拟人类感觉的世界的实时表示，有时也被称之为虚拟环境。这里的“世界”是指具有真实感的立体图形，它既可以是某种特定现实世界的真实再现，也可以是构想的世界。操作者可以通过视觉、听觉、触觉、力觉等与之交互，从而能产生“身临其境”场景，所以虚拟现实技术为人机交互提供了新的交互媒体。通常，虚拟现实系统具有多种输出形式，可以处理多种输入设备的能力，并且能够进行碰撞检测、实时交互、视点控制和复杂行为建模等。

1．2体育系统仿真

现代竞技体育正在向高、难、精、尖迅速发展，这就使得体育训练更多地借助于现代科技手段。为了最大限度地挖掘人的潜能，现代体育需要科学技术不断地介入。这就需要综合地运用与体育科学相关的学科知识，并采用系统科学的方法对体育运动的内在规律进行研究。体育系统仿真是一门实验技术科学，它是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学。近些年来，系统仿真的研究热点有面向对象的仿真方法、定性仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、基于VR的仿真和智能化的仿真等。与面向对象的仿真方法、定性仿真、分布交互仿真、可视化仿真和多媒体仿真方法不同，基于VR的仿真强调多种感知能力、交互性和沉浸感等，而许多体育训练恰恰需要运动员的多种感觉(视觉、听觉、触觉和嗅觉等)的共同参与，因此，随着VR技术进一步发展，基于VR的仿真必将在体育领域得到广泛的应用。

2 基于VR的体育系统仿真

2．1功能要求

基于VR的体育仿真系统具有如下功能要求：

1)构建虚拟训练场景。根据具体运动项目对训练场景有具体要求。2)运动数据捕获。通过传感器跟踪设备直接记录运动实体的运动数据并将其用于生成计算机动画。这种方法的最大优点是能够捕捉到人类(包括训练器械)真实运动的数据，因而效果非常逼真，且能保证训练的科学性。3)生理生化和心理数据采集。生理生化和心理指标是运动员竞技状态重要反映，根据运动项目的不同，可以通过各种传感器和智能化仪器对运动员的生理生化数据，心理数据进行采集。4)动作重演和展现。动作重现是体育系统仿真的重要的要求，传统的摄像手段在有些条件下并不能顺利实现，比如：帆船帆板训练中训练技术录像往往不是很理想。5)图示化训练效果分析。图示化训练效果分析方法，就是通过图示来表示误差分析结果的误差评估方法，通常又分为在线式和离线式评估方法。

2．2系统组成

基于VR的体育仿真系统可以分为沉浸式和非沉浸式体育仿真系统，前者需要头盔式三维立体显示器、立体眼镜、数据手套、立体声耳机、图形工作站和高性能计算机等设备，使得用户能够感受到比较真实的立体视觉、立体听觉，与虚拟环境进行自然的交互操作，使用户能够完全沉浸在虚拟环境中，这类系统特点是设备昂贵、沉浸感强；而后者主要依靠软件技术来建立具有丰富视觉和听觉信息的虚拟世界，其特点是经济、便利。

2．3 关键技术基于VR的体育仿真系统关键技术如下：

1)基于物理和生理的建模。目前VR的体育仿真系统中的人体建模通常是指基于人体物理特性和生理特性的建模。这里人体物理特性是指人体形态、结构、素质、运动能力和适应能力等；生理特性主要包括脉搏、血压、肺活量等人体的新陈代谢指标和各器官、各系统的机能指标。2)虚拟人动画。由上个世纪八十年代发展至今，人体动画经历了四个发展阶段：运动学控制、动力学控制、基于控制器的运动控制和运动捕获。其中运动捕获技术具有高效、真实感强等特点，得到人体动画研究人员的高度重视。3)运动数据捕获。运动捕获技术是利用传感器以三维的形式记录真实人体的动作，然后计算机根据所记录的数据驱动屏幕上的虚拟人。这种方法的最大优点是能够捕捉到人类真实运动的数据，由于生成的运动基本上是主体人运动的复制品，因而效果非常逼真，且能生成许多复杂的运动。4)实时绘制和交互。由于虚拟体育仿真涉及到虚拟场景和虚拟人(运动员)，在具有虚拟人参与的虚拟体育仿真环境中，实时绘制和交互就显得格外重要。实时绘制技术分为可见性判断、层次细节、基于图像的绘制技术。这里交互概念主要指用户通过虚拟现实交互设备与系统发生相互作用。

3 典型系统介绍

1)虚拟体操训练系统

通过对真实体操运动员的运动进行建模，使虚拟体操运动员精确地重现体操运动员的体操动作，帮助体操运动员改进技术动作，提高技术水平。体操运动员也可以被邀请接近虚拟体育馆中的虚拟器械，看到虚拟人体接触体操器械时是如何改变形状的。

2)大型团体操演练仿真系统

团体操演练仿真系统分为三个子系统：队形或图案设计系统、行为动作生成系统和团体操队形或图案变化仿真系统。队形或图案设计系统负责设计团体操各个章节的队形或图案。行为动作生成系统能够根据人体捕捉数据编辑团体操需要的动作。团体操队形或图案变化仿真系统的目标就是将虚拟人群的初始队形连续变换到目标队形。首先，团体操队形或图案变化仿真系统定义虚拟人的初始位置和目标位置；其次，对路径进行规划。最后，实现基于事件驱动的团体操队形或图案的变化仿真。

4 结论

本文对基于VR的体育仿真的研究开发现状、关键技术和典型系统进行了介绍。可以预见，随着2008年奥运会在北京召开，必将促进我国对基于虚拟现实的体育仿真技术的深入研究。在奥运各项筹备工作中应用虚拟现实技术，可以实现虚拟奥运，提高奥运各项工作中的高科技含量。

[1] 汪成为,高文,王行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M].清华大学、广西科学技术出版社,1996:1-10.

[2] 潘志庚,姜小红,张明敏,石教英.分布式虚拟环境综述.软件学报[J]．2000,11(4):461-467.

TalkingabouttheVirtualRealityTechnologyintheSportsTrainingintheSimulationApplication

Wang Hongyu

(Jinlin Institute of Physical Education,Changchun，130022，Jinlin,China)

The virtual reality technology may raise athlete's scientific training level and the movement athletics level in the sports training in the simulation application.This article to (training) the simulation technology development present situation carries on the summary based on the virtual reality sports,discussed the essential sports simulation and technology,and has conducted the research to the virtual reality technology in the sports training simulation and the application prospect.

virtual reality;sports simulation;sports supplemental training

2007-01-05

王宏宇(1954-)，女，副教授，研究方向：体育多媒体教学。