基于VR技术的体育健美操仿真系统设计与研究

王琳

（西安工业大学 体育学院，陕西 西安 710032）

基于VR技术的体育健美操仿真系统设计与研究

王琳

（西安工业大学 体育学院，陕西 西安 710032）

本篇目的在于研究基于VR技术的体育健美操仿真系统设计与研究问题。对于当前体育教育中，设计应用体育健美操仿真系统，能够通过信息化技术对健美操运动员运动动作的采集与捕捉、健美操动作视频数据的存储，满足教学需求，基于VR技术，设计体育健美操仿真系统，从需求分析、系统结构、系统软件及硬件部分出发，优化设计基于VR的体育健美操仿真系统。结果证实，设计VR支持下的体育健美操仿真系统，能够提高用户在视觉、听觉等方面的感知，提升系统可用性，提升20%，发挥积极设计应用效益。结论证实，基于VR技术，设计体育健美操仿真系统，能够提升系统应用性能，发挥积极影响。

健美操仿真系统；体育；VR技术；设计

在当前体育训练中，针对健美操运动员存在的问题，提出一种采用虚拟现实技术的仿真训练系统。对体育健美操仿真系统的整体架构和实现的关键技术进行了深入的分析，以此提高健美操运动员训练水平，发挥积极设计意义。以下对此做具体分析。

1 VR技术分析

科技改变生活，VR（Virtual Reality）作为一种虚拟现实技术[1]，不仅能够大大创建虚拟的计算机系统环境，也可以给用户带来与现实世界相同感官的虚拟体验，以独具真实感的立体图形，以及独具真实感的声音、动作、作用力等，构建仿真出虚拟的世界[2-6]。在VR技术中，不仅可以再现真实的现实世界，也可以将人们纯粹构想出的世界真实化，从视觉、听觉以及触觉方面，使人与仿真的环境进行交互，让人们产生身临其境的感觉[7-12]。在实际仿真模拟VR中，主要是通过应用一些列传感器集成设备，将传感器的数据经进行处理，使其变成融合信息[13]，并联合VR虚拟环境，实现人在物理环境中与虚拟空间的交互，发挥积极应用价值。如图1就是多感知的VR交互模型。

图1 虚拟三维建模

2 需求分析

基于VR技术的体育健美操仿真系统，可以准确性和科学化管理竞技体育健美操训练，能够有效减少我国体育健美操运动员在训练过程中受伤的概率[14]，主要就是通过应用VR的虚拟现实技术，先对体育健美操运动员进行相关的仿真训练，然后再开展实体训练，这对于提升我国体育健美操训练水平，发挥积极影响[15]。建立基于VR技术支持的体育健美操仿真系统，可以利用VR技术，模拟仿真体育中的健美操项目，通过仿真模拟健美操开展对运动员的仿真训练，确保体育教练根据仿真数据，为运动员制定更加优化的健美操训练方案，提升健美操运动员的训练效果。基于VR设计体育健美操仿真系统，应用这个系统可以指导提升健美操运动员的成绩，使运动员在看到虚拟的人体动作后，以此来改变或是纠正自己的错误动作，帮助运动员做的动作都可以符合实际的健美操标准，确保系统设备满足实际用户需求。

3 设计实现基于VR技术的体育健美操仿真系统

3.1 系统总体结构设计

基于VR技术，设计健美操演练仿真系统。运用VR技术，具体能够将该系统分为3个小的子系统。系统结构如图2所示。

图2 系统的结构

在本次设计的VR体育健美操仿真系统中，其中包含队形或图案设计系统，该结构主要就是设计出在体育健美操设计各个环节中，所需一系列的队形和健美操图案 。同时，也包含行为动作生成系统，该系统主要就是能够根据捕捉到的体操相关数据，从而编排出体育健美操的具体动作。最后，就是仿真健美操队形以及图案变化的系统，该部分主要就是能够定位出在虚拟仿真环境中健美操运动员的具体位置，然后可以规划出具体的路径，最后实现健美操队形图案的变形控制。

3.2 系统功能设计

本次设计的体育健美操仿真系统，主要确保能够模拟体育健美操比赛相关的场景，同时也能够清晰记录出健美操动作组合的画面，还可以得到准确的数据，精确研究体育运动员的动作标准度。因此，基于VR技术，设计的体育健美操仿真系统，不仅要包含输入功能，还需包含数据输出功能，同时可以基于VR虚拟环境，模拟仿真体育运动员的健美操动作。在本次设计的系统中，不仅可以通过跟踪设备、数据手套等设备将仿真动作信息输入到系统中，也可以通过仿真模拟、三维数据分析、力学视角反馈处理，将数据输出到系统的用户界面，确保用户能够基于VR体育健美操仿真系统，随时体验、感知到最真实的健美操仿真环境。系统功能交互结构如图3所示。

图3 VR感知交互模型

3.3 优化设计基于VR的体育人体运动学算法

在本次设计的体育健美操仿真系统中，需要根据人体的几何模型，从而可以优化构建出体育健美操运动员在运动过程中的数学模型，这样才可以使得仿真出的健美操运动员动作，可以符合现实中体育相关的力学要求。在人体模型中，多应用矢量法、齐次变换以及四元素法来描述肢体在运动过程中的变化。而对于本文的研究中，主要是采取齐次变换矩阵的方法，描述运动中人体的肢态，这样就可以灵活的确保在不同坐标系中能够随时变换运动员肢体的运动。具体的步骤如下：

在空间坐标系（x，y，z）中，可以先构建出肢体 B够围绕关节A的坐标的，如：（xB，yB，zB）。若是说，在空间坐标当中对于这个关节围绕中心点 A旋转角度分别达到α、β、γ。 对此，能够通过旋转矩阵变化，从而得出在坐标系A当中肢体B变换的齐次方阵。

从而可以得到B关节在世界坐标系中的齐次变换矩阵：

通过结合以上两个公式，就可以得到人体关节在世界坐标系中高的角速度与线速度，从而计算得出人体肢体的运动轨迹和运动的方向。

3.4 设计实现系统代码

在设计体育健美操仿真系统中，应用VR技术，优化设计系统软件部分。其中，应用VR技术中的OpenGL，其作为一种通用共享开放式的三维图形标准，可以确保优化提升系统界面设计质量，优化处理软件图形数据与硬件的接口，确保系统能够提供高质量的图像图形，确保用户通过图像仿真分析体育健美操动作。在系统软件设计中，还应用基于VR技术的EON，能够将实时体育健美操视觉效果与物理机制下的真实人体动作进行结合，提升系统画面的真实感。部分代码如下所示：

3.5 系统的验证测试

基于VR技术，设计体育健美操仿真系统，在为系统构建动作VR仿真数据库中，能够选取若干关于体育健美操的动作，之后可以根据具体的体育健美操运动员情况，从其运动能力、训练强度水平以及个人特征等方面，可以由教练员依照设想的动作，从而可以模拟编排出一些具备技术性组合的复杂健美操动作，并同时能够通过VR技术实现对健美操人员的模拟仿真训练，为体育健美操运动员依照出最优的健美动作。

4 应用效益分析

当前体育健美操的训练中，还是基于二维的虚拟场景，缺乏对真实场景的体验，从而使得运动员在训练的积极性和训练的效果方面都大大降低。 优化设计基于VR技术开发的体育健美操虚拟仿真系统，发挥积极应用价值。设计VR支持下的体育健美操仿真系统，能够提高用户在视觉、听觉等方面的感知，提升系统可用性，提升20%。设计基于VR技术的体育健美操仿真系统，采用人体几何建模，实现对健美操运动员的基本骨骼的构建，同时采用运动捕捉技术，实现了对健美操运动员运动数据的采集，加强了对数据的分析，可更好的借助现代计算机技术实现对健美操运动员进行仿真模拟，提高了虚拟场景的沉浸性，从而提高了用户体验，发挥积极设计应用效益。

5 结 论

综上所述，在体育健美操仿真系统设计中，应用VR技术，具有可行性，能够为我国健美操事业注入新的血液，实现我国体育健美操训练的智能化发展，发挥积极影响。

[1]江艳平.基于VR技术的体育健美操仿真系统设计[J].电子测试，2014（21）:126-127.

[2]张伟.基于VR的健美操仿真系统设计关键技术[J].电子设计工程，2015（19）:83-84，88.

[3]杜勤，倪俊，樊卓，等.基于VR技术的文体场馆管理系统设计及仿真[J].计算机仿真，2013，30（3）: 356-359.

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[5]陈坤城，张林.基于VR的排球运动仿真辅助教材的研发[J].数字技术与应用，2010（9）:104-105.

[6]李涛，朱海莲.基于VR的篮球运动仿真辅助教材的研发[J].甘肃科技纵横，2009，38（1）:37.

[7]孙毅里，解毅飞，杨婷，等.以虚拟现实为基础的体育云平台理论及应用 [J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2014（2）:117-120.

[8]王继康.基于虚拟现实技术的体育教学创新探讨[J].自动化与仪器仪表，2015（5）:118-120.

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[10]张巍.刍议计算机“虚拟现实”技术在高校体育训练中的应用[J].文体用品与科技，2016（2）:133，135. [11]刘秋月，杨洋，张宇，等.我国高校体育场馆虚拟现实网络平台建设研究[J].运动，2014（19）:99-100，103.

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[13]李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学，2014，17（3）:98-100，103.

[14]孙萌.刍议计算机“虚拟现实”技术在高校体育训练中的应用[J].电子测试，2013（22）:61-62.

[15]周继和，王帅，刘艺，等.基于三维虚拟现实技术对周施雄双杠后上转体450°成倒立动作的分析[J].成都体育学院学报，2015（6）:96-99.

The design and research of sports aerobics simulation system based on VR technology

WANG Lin
（College of physical education，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，China）

The purpose of this paper is to study the design and research of the simulation system of sports aerobics based on VR technology.For the current physical education，design and application of sports bodybuilding operation simulation system，through the information technology of Aerobics athletes movement of acquisition and capture，aerobics action video data storage meet teaching demand，based on VR technology，the design of sports bodybuilding exercises simulation system，from the needs analysis，system structure，system software and hardware of and optimization design based on VR Sports Aerobics simulation system.The results confirmed that the design of the simulation system of VR support，can enhance the user's perception of visual，auditory and other aspects，enhance the system usability，enhance 20%，play an active design and application benefits.The conclusion is proved， based on the VR technology，the design of Sports Aerobics simulation system，can enhance the system application performance，play a positive impact.

aerobics simulation system；sports；VR technology；design

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0155-03

2016-05-26稿件编号：201605258

陕西省哲学社会科学规划课题（2014N06）

王 琳（1977—），女，宁夏石嘴山人，硕士，讲师。研究方向：体育教学训练与体育管理。