微美全息科学院：基于虚拟现实技术的人体动作仿真模拟系统

为提升运动训练的科学性与训练质量，作为纳斯达克上市企业“微美全息US.WIMI”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们研究基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统。通过运动捕获方式采集初始运动数据构成动作数据库，采用偏移映射技术修正并设计动作数据库中的动作，依据运动员人体参数，结合人体运动方程，检验修正设计后动作的合理性，获取标准技术动作，通过运动拼接方式编排模拟各个标准技术动作，得到全新的成套标准技术模拟动作后，以同屏同步方式将其与运动员训练动作视频作对比分析，提升运动训练动作的质量与训练水平，实现运动训练的仿真模拟。

一、引言：

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。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。

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。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。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。

二、运动训练仿真模拟系统

2.1 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，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。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

三、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。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，应用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。

(a) 跳水动作呈现

(b) 跳水动作欧拉角表示

(c) 发球动作效果呈现

(d) 发球动作欧拉角表示

图3仿真模拟效果呈现

四、结论

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。

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