基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统

基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟
系统
摘要：目前，竞技体育正朝着高、难、精方向快速发展，因此在训练过程中必须借助一些先进的科技手段，最大化地挖掘运动员潜能。

这一过程需要综合利用与人体运动有关的学科知识，对体育项目内在规律进行分析。

运动训练仿真系统属于实验技术科学，是采用计算机模拟技术重现运动员训练动作的过程，其有助于发现训练过程中的问题，达到及时纠正的目的。

虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)是互联网发展的产物，通过编程模拟真实的环境,因此，VR技术在一些运动项目训练中得以广泛应用。

关键词：虚拟现实技术；运动训练仿真；仿真模拟系统
前言：在运动员体能训练中，基于成熟的虚拟现实技术，构建具有更强风险应对能力的训练体系，重构运动员成长生态的关键举措。

运动员体能训练工作的有序展开，应基于虚拟场域的构建，借助智慧方案的帮助，凭借实时数据的及时反馈。

1.虚拟现实技术在运动员体能训练中应用的问题
1.1时空壁障
在现阶段采取的空间管制工作和时间管制工作虽已大大减少，但却会不定期爆发，这无疑对运动员持续尧高频尧稳定的体能训练，造成了直接的阻隔，形成了时空壁障，运动员很难凭借自身的能力，打破这一严格的限制。

虚拟现实技术的应用也相对初级，并不能够全面维持运动员的高效能锻炼要求，只能在相对初级的启蒙训练上发挥作用，面对时空壁障所造成的风险，运动员体能训练的持续开展仍面临较大的风险。

1.2不确定性
虚拟现实技术和线下实地训练相结合的混合训练方式，虽已满足了运动员的体能锻炼要求，却让整个体能锻炼过程更为复杂，与外部环境的交互更为密切。

在这种情况下，无论是空间影响能源影响或通讯影响，都会对运动员的正常锻炼造成直接的影响，甚至严重干扰其正常开展体能锻炼。

在这种不确定性因素大量增加的训练生态中，运动员的专业发展效能将受到一定的制约。

1.3交互滞后
运动员基于虚拟现实技术和线下实地训练相结合的方式开展体能训练，有效保障了自身训练活动的有序开展，但由于受到疫情冲击所造成的直接影响，在人员交互信息交互以及数据交互方面出现了显著的滞后。

特别是缺乏有效线上和线下数据整合机制的情况下，运动员基于虚拟现实技术进行锻炼的数据，无法与线下实地训练的数据紧密结合在一起，也不能够精准地反馈到相关的教练员手中，致使其在运动员体能训练指导方面的作用大幅下降。

1.4预判失灵
无论是运动员个体，还是教练员群体，对于运动员本身体能增长的实际情况产生了认知偏差，并没有能够基于复杂的混合训练场景，来形成清晰而准确的判断体系，这就使得运动员在体能训练时，长期处于一种相对盲目的状态之中，不能够根据外部环境变化赛事变化和需求变化，针对自身的体能锻炼情况、身体健康情况和心理承受情况进行灵活的调整。

在这种预判失灵不能进行灵活调整的体能训练过程中，运动员成长效能自然会大幅下滑。

需要注意的是，这种预判失灵所造成的影响，并不仅仅体现在运动员体能层面，在其心理层面也会造成非常不利的影响，这应当成为相关各方高度关注的核心问题之一。

2.基于人工智能技术的运动员训练仿真模拟系统
2.1系统结构
基于人工智能技术的运动员训练仿真模拟系统，采用虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)完成运动员仿真训练系统的构建。

系统可根据运动员的情况,设置不同的训练模式、创新训练手段,保证运动员达到最好的训练效果。

基于VR技术
的运动员训练仿真模拟系统，具备多形式化的输出、多种输入设备的处理、复杂
行为的建模、碰撞检测、运动员体能检测和实时交互等优势，可辅助运动员科学
地增强训练水平和提高运动员的整体实力。

基于人工智能技术的运动员训练仿真
模拟系统由两个子系统构成,分别为VR感知交互子系统和模型演算子系统，其结
构如图1所示。

①VR感知交互子系统：主要作用是构建随时体验最真实、最可靠
的竞技体育仿真环境，实现训练交互。

②模型演算子系统:为了保证运动员训练
仿真模拟的真实性，在保证训练环境、运动员人体等模拟逼真的同时，训练内容、比赛过程的模拟更加重要,要与现实情况接近,例如在实际训练中运动员的体能衰
减情况和碰撞情况。

因此为了使系统更贴近真实情况,采用模型演算子系统完成
运动员训练过程中的体能衰减计算。

图1系统架构
2.2VR感知交互子系统
该子系统是由虚拟环境产生器、信号转换器、效果产生器组成，如图2所示。

虚拟环境产生器是由用户系统、计算机接口、仿真管理器、三维模型数据库、三
维模型处理器以及多功能端口组成,构建逼真的虚拟训练或合理比赛环境，通过
三维模型处理器收集现场数据并整理，形成三维视景,完成虚拟训练环境构建⑻。

信号转换器由转换器、输入控制等组成。

主要作用是完成虚拟训练环境中的信号
转换。

效果产生器由位置和方向跟踪器、显示器等部分组成,接收模型演算子系
统中逻辑模块的计算结果后,实现更加逼真的环境呈现，使运动员实现自身感受
和虚拟环境之间的身临其境的自然交互过程。

图2 VR感知交互子系统结构
2.3模型演算子系统
体能值是每位运动员的体能体现,并且体能值会随着训练或者比赛产生降低
变化，则会影响运动员的发挥，因此需对运动员的体能衰减实行计算。

模型演算
子系统通过体能衰减模型完成运动员体能衰减的计算［⑼。

该模型通过模拟运动
员在比赛时的体能消耗，设计体能衰减公式及总体能计算公式，并通过体能的变
化对运动员的加速、战术决策以及比赛结果的影响,使运动员的成绩更加符合现实。

2.3.1子系统结构
模型演算子系统包含视图模块、逻辑模块和控制模块，其结构如图3所示。

视图模块由图形引擎、传感器和图像界面构成,其主要作用是完成模型演算子系
统逻辑模块内容的图形显示。

图形引擎将图形信息渲染在屏幕上，结合子系统的
运行指令完成渲染的位置和方向的调整；图形界面则控制子系统中和用户交互的
图形控件以及为控件事件的处理提供编程接口。

逻辑模块是子系统的核心部分，
物理引擎子系统的功能实现是其主要作用。

该模块包括虚拟运动员、运动员管理、比赛环境、比赛信息显示、体能分析、训练或者比赛数据管理、碰撞计算等，并
可通过数据管理实现子系统运行所需数据的交互。

控制模块包含子系统框架和初
始化。

子系统状态管理和维护子系统的不同状态，并完成子系统的状态运转，保
证子系统中其它功能的运行。

建立子系统所需的渲染窗口、资源管理器和图形引
擎的根节点等是初始化主要功能。

图3模型演算子系统结构
2.3.2虚拟运动员三维重建及运动规范动作库构建
选用3DStudioMAX内置脚本语言Maxscript设计运动员模拟训练系统中的虚
拟运动员三维重建软件，以实时引导受训运动员并跟踪运动员训练部位姿态为目
的⑴］,在运动员模拟训练过程中,控制标准虚拟运动员实时展示训练动作，同时
在用户应用模块中,利用虚拟运动员展示参与训练的运动员受训动作的运动轨迹。

作为当前普遍使用的三维制作软件,3DStudioMAX软件内包含建模、渲染与动画漫
游等多种功能问。

在三维模型处理模块内，系统调用内部程序依照运动规范动作
构建标准虚拟人，同时对其设置某部位关节运动的时间与角度等，向参与训练的
运动员展示引导的规范动作。

3.结束语：
综上所述，运动员训练模拟系统的设计开发，是未来体育运动仿真应用领域
内的重要组成部分。

本文设计基于虚拟现实技术的运动员模拟训练系统，实现提
升运动员训练效果，降低运动训练成本的目的。

利用该方法构建运动训练仿真模拟系统，借助计算机技术对运动员训练提供帮助。

参考文献:
[1]茅洁.增强现实技术在游泳教学中的应用研究[J].武汉体育学院学
报,2018,52(5):67-72.
[2]胡华.基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计[J].现代电子技
术,2018,41(11):166-170.
[3]刘昊扬.基于人工智能的运动教练系统分析与展望[J].北京体育大学学报,2018,41(4):55-60.
[4]刘韵婷,郭辉,黄将诚.基于UG与ADAMS的人体下肢骨骼肌建模及仿真[J].中国组织工程研究,2018,22(11):1719-1724.。