基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计

胡华

摘 要： 为了解决传统系统缺少编排算法和约束条件，容易受到信号干扰，导致编排记录结果不准确的问题，提出基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计。利用VR技术构建虚拟环境，使原始数据经过传感器处理，形成具有融合属性的信息，将该信息通过接口电路传递到解释器中转化为行为信息并记录，保证信息传输不被信号干扰。根据软件设计流程，利用齐次变换矩阵法描述运动员在运动过程中的肢体动作，设立约束条件，保证系统动作编排与记录的合理性。由实验结果可知，该系统编排记录准确度最高可达83%，具有较强的应用性能。

关键词： VR技术； 竞技健美操； 编排记录； 融合信息； 行为信息； 齐次变换矩阵

中图分类号： TN02?34； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0166?05

Design of VR technology based editing and recording system of competitive aerobics

HU Hua

（Chengdu College of Arts and Sciences， Chengdu 610000， China）

Abstract： The traditional system lacks the design of editing algorithm and constraints， and is easily affected by signal disturbance， which may result in inaccurate editing and recording results. Therefore， a design of competitive aerobics editing and recording system based on VR technology is put forward. The VR technology is used to construct the virtual environment， in which the original data is processed by means of the sensor to form the information with fusion attribute. The information is transmitted to the interpreter through the interface circuit， and transferred into the behavior information for recording， which can ensure the information transmission against signal interference. According to the software design process， the homogeneous transformation matrix method is used to describe the body movement in the movement process of athletes. The constrains are set to ensure the rationality of system action editing and recording. The experimental results show that the accuracy of the system editing and recording can reach up to 83%， and the system has high application performance.

Keywords： VR technology； competitive aerobics； editing and recording； fusion information； behavior information； homogeneous transformation matrix

0 引 言

健美操是二十世纪八九十年代从国外引进的健身运动，虽然该项健身项目在我国发展的时间较短，但是受到了人们的喜爱，现在已经成为百姓们一项重要的健身项目。国家体育委员会也对这项运动高度重视，为了向大众普及基础知识，相关部门组织了专家组对该项运动编排记录系统展开了深入研究[1]。针对传统编排记录系统存在的问题，提出基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计。VR技术即虚拟现实技术，使用该技术不但能创建虚拟的运动环境，还可为运动员带来与实际运动相同感觉的虚拟体验，凭借虚拟现实具备的立体图像、真实感声音和动作构建虚拟世界[2]。利用VR技术编排竞技健美操是运动员参加比赛的必要条件，其编排质量会对运动员的比赛成绩产生直接影响，理想编排能够突出运动员的优势，使其达到完美的表演效果。

1 竞技健美操编排记录系统设计

运用VR技术，运动员能够依据视觉、听觉和触觉产生直观的体验，其优势如图1所示。

通过图1中的VR技术特征设计竞技健美操编排记录系统，其中包括健美操队形设计和行为动作生成，根据捕捉到的相关健美操数据编排出竞技健美操的高难度动作[3]。利用虚拟现实技术确定运动员具体位置，以此为基础规划具体动作，实现竞技健美操的完美编排。根据该原理设计竞技健美操编排记录系统。

1.1 硬件设计

运动员在交互空间上通过传感器设备和VR引擎构建虚拟环境，通过传感器的处理，竞技原始数据能够产生具有融合属性的信息，通过解释器转化为行为信息，将此信息记录输入到虚拟环境中，运动员通過主机完成交互行为，硬件部分总体结构设计如图2所示。

1.1.1 传感器处理模块

传感器处理模块主要由在传感器中添加的数据处理装置构成，具体设计如图3所示。

由图3可知，P1为经过处理后获取的融合数据信息1，2，3，4；左侧部分为数据在传感器上被处理的过程，原始数据1，2，3，4，5，6经过处理器进行处理与转换，形成具有融合属性的信息。当通过指示灯时，如果指示灯亮起，说明该信息为融合信息；如果指示灯不亮，则该信息被淘汰，不具有融合属性。

1.1.2 解释器接口电路模块

根据上述传感器处理模块可获取融合信息，利用解释器将融合信息转化为行为信息[4]。该模块的设计既包含加速度计，又包含信息解释器，其中加速度计主要负责模拟融合信息，解释器主要负责将融合信息转化为行为信息。在该模块中，通常使用力平衡式加速度计记录竞技健美操运动行为信息[5]。由于传统系统模拟的融合信息是将信息信号转化为行为信号，无法将信号直接传输到主机中，为此在硬件结构中设计解释器进行转换。解释器应用的通道接口电路设计如图4所示。

由图4可知解释器接口电路连接的方式，将该电路作为整个硬件结构的中心电路，方便数据传输。

系统硬件结构设计利用VR技术构建虚拟环境，在传感器处理模块中添加数据处理装置，并判断信息是否具有融合属性，将具有融合属性的信息传递给解释器。通过接口电路设计，将解释器中的融合信息转化为行为信息，并使用力平衡式加速度计进行记录，由此完成系统硬件部分的设计。

1.2 系统软件设计

VR技术环境开发平台使用无线开发工具包，该工具包面向的对象是具有工业强度开发和C++构建的虚拟现实专业应用程序[6]。

1.2.1 编排记录流程设计

针对系统软件部分的编排记录流程设计如图5所示。

竞技健美操动作较为复杂，需通过VR技术实现高难度动作的编排。由图5可知，根据运动参数设计健美操排列队形，以该队形为基础对运动进行控制，利用虛拟现实技术模拟实际环境，完成健美操动作的编排，将编排结果记录到系统中，通过系统界面展示编排结果[7]。

1.2.2 基于VR竞技健美操编排算法

根据上述编排记录流程构建出健美操运动员在编排过程中的数学模型，根据数学模型仿真出运动员动作[8]。使用齐次变换矩阵法描述运动员在运动过程中的肢体动作，通过VR技术确定不同坐标系中运动员的位置，具体步骤如下：

1） 设空间坐标系为[（X，Y，Z）]，先构建运动员肢体A受到关节B的支撑坐标系，构建结果为[（XA，YA，ZA）。]

2） 设在空间坐标中关节B的旋转角度分别为[a，b，c]。

3） 旋转矩阵，获取运动员肢体A在受到关节B支撑的齐次变换矩阵，设运动角速度为[V1，]线速度为[V2，]具体计算过程如下：

[BAZ=BAV1BAV201Z11Z12Z130Z21Z22Z230Z31Z32Z3300001] （1）

通过式（1）可获得运动员肢体运动轨迹。

利用VR虚拟现实技术设计编排记录系统软件部分，使用该技术可确保系统界面质量，并保证运动员通过图像仿真分析确定标准的健美操动作。在系统软件部分设计中，应用VR技术能够实时反映竞技健美操的视觉效果与动作难度，提升系统展示界面的真实度[9]。

1.2.3 编排动作关联约束

衔接两个高难度竞技健美操动作需要编排者自己创造出各个关节组合的新舞蹈单元，确定前一个动作单元终止动作是否给下一个动作单元造成影响，两者之间良好的关联性是决定竞技健美操动作完美完成的重要环节[10]。

通常在竞技健美操中不可能出现在挺胸的同时完成跳跃的动作，每个关节之间的动作都具有关联约束属性。具体约束条件如表1所示。

如果前一个舞蹈动作是俯身+伸手叉腰+双脚固定，那么根据关联约束，下一个舞蹈动作需继续保持俯身动作的话，就不能出现抬头+伸手叉腰+双脚固定的动作[11]。

系统软件部分的设计是根据编排记录流程构建出健美操运动员在编排过程中的数学模型，使用齐次变换矩阵法描述运动员在运动过程中的肢体动作，并利用VR技术确定具体位置。设立约束条件，保证系统动作编排与记录的合理性，由此完成软件部分的设计。

2 实 验

为了验证基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计的合理性，进行了如下实验。在VR仿真数据库中选取若干个竞技健美操的动作，根据运动员的运动能力和训练强度两个方面，编排者设想竞技动作，进而编排出具有专业水平的复杂健美操动作，通过VR技术模拟实际环境。通过实验验证系统，结合硬件与软件特征，判断其设计的有效性，实现竞技健美操的有效编排与记录。

2.1 系统硬件验证

系统硬件部分主要对传感器和解释器进行设计，在传感器处理模块中添加数据处理装置，判断信息是否具有融合属性，将具有融合属性的信息传递给解释器。将所有硬件安装完成之后，对该部分进行实验验证，检查硬件在信号干扰条件下，编排与记录结果的准确性是否受到了影响。为了提高实验的可靠性，将传统系统与基于VR技术的竞技健美操编排记录系统进行对比，结果如图6所示。

由图6可知，当两个系统没有受到信号干扰影响时，编排记录准确度可达到100%，但是随着干扰信号强度的增加，传统系统编排记录准确度下降，为80%，而采用VR技术的系统编排记录准确度也下降到了83%；当信号强度为400 Hz时，传统系统编排记录准确度达到了最低值为43%，采用VR技术的系统编排记录准确度虽有小幅度下降，但始终维持在80%左右。由此可知，采用VR技术的系统在信号干扰情况下仍然能够进行有效编排与记录。

2.2 系统软件验证

系统软件部分主要利用齐次变换矩阵法来描述运动员在运动过程中的肢体动作，设立约束条件，保证系统动作编排与记录的合理性。为了验证该部分的可靠性，分别对健美操编排算法和编排动作关联约束进行实验验证分析，具体内容如下。

2.2.1 编排算法验证

基于VR技术的系统设计编排算法是为了确定不同坐标系中运动员的位置，实时反映竞技健美操的视觉效果与动作难度，提升系统展示界面的真实度。而传统系统缺少这一步骤的设计，为了验证编排算法设计，使系统编排记录结果更加准确，将传统系统与基于VR技术的系统进行对比，结果如图7所示。

由图7可知，当程序编译时间为10 s时，传统系统的准确度高于基于VR技术的系统准确度。但是随着编译时间的增加，基于VR技术的系统呈折线形式上下波动，显示结果较为准确，而传统系统呈曲线形式上下波动，显示结果较为模糊。由此可知，有编排算法的VR系统编排记录结果较好。

2.2.2 编排动作关联约束验证

编排动作关联约束条件的设立是为了保证前一个动作单元终止动作与下一个动作单元之间的连贯性，也是决定竞技健美操动作完美完成的重要环节。而传统系统缺少约束条件，为了验证编排动作关联约束设计，使系统编排记录结果更加准确，将传统系统与基于VR技术的系统进行对比，结果如图8所示。

由图8可知，灰色部分为基本动作与难度系数较低动作的集合，白色部分是除了上述动作之外的高难度竞技动作。采用传统系统只能完成灰色区域的动作，而采用VR技术的系统可完成高难度竞技动作。由此可知，设立约束条件可使系统编排记录结果更加准确。

2.3 实验结论

根据上述实验结果，可得到如下结论：

1） 针对系统硬件部分的验证结果可知，传统系统编排记录准确度持续下降，当信号强度为400 Hz时，达到了最小值43%，而采用VR技术的系统编排记录准确度虽有小幅度下降，但始终维持在80%左右。因此，采用VR技术的系统在信号干扰情況下仍然能够进行有效编排与记录。

2） 针对系统软件部分的验证结果可知，有编排算法和设立约束条件的VR技术系统编排记录结果更加准确。

综上所述，基于VR技术的竞技健美操编排记录系统设计具有合理性。

3 结 语

在竞技健美操系统设计中，利用VR技术具有合理性，不但为我国健美操运动带来新的动力，还为实现我国健美操事业的发展提供了技术支持。通过实验结果可知，该系统编排记录准确度比传统系统高，有助于实现我国体育事业的智能化发展。

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