艺术体操训练中虚拟现实技术的应用探讨

姜小峰

（延安大学,延安,716000）

艺术体操训练中虚拟现实技术的应用探讨

姜小峰

（延安大学,延安,716000）

本课题构建了一种基于虚拟现实技术的艺术体操仿真系统，该仿真系统包括艺术体操人体运动跟踪模块、模型变形模块、虚拟现实场景仿真模块几部分构成。

艺术体操训练；VR；三维仿真

1 虚拟现实的简述

1.1 虚拟现实技术的定义

虚拟现实(VR)是将计算机仿真技术、多媒体、人机交互技术、传感器、智能人机接口、图形学、心理学、高性能计算技术、人类行为学、人工智能等多领域的技术综合在一起的集成技术。虚拟现实可以在计算机上生成逼真的三维视、听等感觉,在某种装备的协助下使人与计算机的虚拟环境进行互动。

1.2 艺术体操虚拟仿真系统设计的必要性

艺术体操是集体操、音乐、舞蹈于一体的运动项目，它是一项追求人体健与美的高难度的艺术性体操。该项运动讲究灵活性、协调性，采用科学的训练方法及手段可以提高运动员的训练效率、提高运动成绩。为了使艺术体操的训练更为科学化、合理化，以此来减少运动员的受伤几率并能有效地提高训练效率，该课题采用虚拟现实技术设计新颖丰富的体操动作。艺术体操虚拟仿真系统为体操教学和训练提供一个较为理想的学习与训练环境。

2 艺术体操运动员的运动数据采集

使用虚拟场景来开展艺术体操的训练工作，首先要捕捉训练者的运动数据，本文对这一环节进行了详细的论述。

2.1 构建人体骨架

人体的运动是通过骨豁上的肌肉牵引关节点旋转配合完成的，由以上运动机理可以得出使用关节点构成的骨架系统即可表示人体运动。将大量关节点以一定的级联方式组合在一起最终构成人体骨架，关节点之间的连接是通过子节点连接到父节点的方式连接在一起的，最终会构成一个树状结构，。该系统的人体骨架系统由23个关节点互相连接构成，整个骨架全身的旋转动作和在空间位置中的移动都由髓关节点控制，它是人体的根关节点也是唯一的根节点,髓关节点没有父节点，其余22个关节点均只有一个父节点、零到多个子节点。

关节点有旋转量和偏移量两个基本的属性。旋转量指的是当前节点在运动过程中的旋转情况，旋转量是不断发生改变的。偏移量是不可变量，它指的是当前节点到其父节点的偏移量。

其中关节点的旋转量可以用四元数、欧拉角两种方式表达，欧拉角表示法具有容易造成“万象锁”的缺陷，所以该系统采用四元数表示方式来计算关节点的旋转量。

2.2 实时运动跟踪

运动跟踪技术主要包括视频跟踪、非视频跟踪、机器人辅助跟踪三种。这三种跟踪技术中，基于视频的无标记点运动跟踪技术与另外两种相比具有显著优势。视频运动跟踪技术具有使用方便、系统结构简单、成本造价低廉等优点。该系统采用的运动跟踪设备是微软的kinect摄像头，kinect摄像头对使用的背景环境没有特别要求而且能实时捕获人体关节的三维空间位置。

采用kinect摄像头获取场景的深度图像，然后用OpenNI开发包从kinect摄像头采集的深度图像中提取出人体的关节点数

据。OpenNI是由primesense公司提供的骨架跟踪模块NITE和开源框架OpenNI组合而成。OpenNI的整个框架被分成硬件层、中间层、应用层三层。硬件层为传感器设备可以与OpenNI进行数据交互，中间层为各种接口，应用层则为使用OpenNI进行幵发的应用程序。

2.3 运动跟踪的实现

运动跟踪系统采用OpenNI开发包、C++开发语言实时的采集被跟踪者的运动数据。该系统中的OpenNI可以同时跟踪多个用户却无法识别标识这些用户的身份。该系统为了解决身份鉴定问题要求被跟踪者作出相应的挥手动作以此来配合系统完成身份鉴别工作。系统采集到挥手信号后，确认训练者身份后采集该跟踪者的骨架、颜色直方图等信息，以此鉴定身份。该系统的运动数据采集流程图如图1所示。整个流程主要包括初始化,跟踪循环,训练者身份鉴别以及运动数据采集几个环节。

图1 运动数据采集的流程图

（1）初始化

将OpenNI设备的对象进行初始化处理，并创建一个用户产品节点,该节点用于分析场景状况并且检测到有用户进入该场景后自动跟踪此名用户。在这个产品节点上设计相应的回调函数,此种设计便于我们取得各个阶段相应的数据。

（2）跟踪循环

初始化后系统自动进入跟踪循环模块，该系统采用while循环设计实现。在这个while循环中，程序监测场景中的变化当发现新用户时，就自动标定该用户，确认被跟踪的用户是训练者后，跟踪该用户的运动并采集该名训练者的运动数据。

（3）釆集运动数据

获取所有关节点的旋转量及其根关节点的空间位置，采集人体运动数据。

2.4 运动数据滤波

Kinect摄像头采集图像的环境比较复杂，可能受到环境的影响，使捕捉到的运动数据存在一定程度的噪声。在环境的影响下，即使用户在场景中静止不动可能图像捕捉到的数据也是处于变化的状态。噪声包括以下两种：①根关节位置跳动，根关节的位置至关重要，整个骨架在空间中的位置都由它来控制，所以说根关节的跳动会造成整个骨架的跳动②关节点旋转量跳动，如果捕获到某关节点的旋转量存在变化，该节点的下端节点也会受其影响产生跳动现象。

针对以上两种骨架跳动噪声，该系统对其进行了滤波处理。第一种噪声处理采用帧比较的方法，将当前帧的根节点位置与上一帧的根节点的位置进行比较，计算两者的差值，,假如这个差值小于设定的阈值，认为根节点的位置没有发生变化。对于关节点的噪声，先将关节点的旋转量转换为旋转轴和旋转角的表现形式，在比较计算与上一帧的差值，并累加所有关节点的差值，如果该差值小于设定的阈值，认为该关节点的位置没有发生变化。如果确认当前帧的数据为噪声数据，系统程序会自动跳过该数据不对其进行采集处理，并继续使用上一次正确的运动数据。

3 三维模型的变形仿真

该课题采用三维场景构建了一个虚拟的训练场地，使用运动员的运动数据驱动该虚拟系统。

将真实场景中的训练者用虚拟的三维模型来替代，虚拟三维模型能够仿真训练过程中运动员的动作状况。该三维模型的变形系统是通过运动数据实时驱动的。按照模型变形的流程进行详细设计。将艺术体操现实场景进行虚拟设计，使训练者在虚拟场景中的训练学习。

4 总结

基于虚拟现实的艺术体操仿真系统的应用研究在现代艺术体操教学和训练中的具有很好的应用价值，它的应用可以帮助运动员在训练过程中尽快掌握动作技术要领，大大提高了篮球运动员的训练效率。

[1] 白海军,高云丽.计算机虚拟现实技术在高校体育训练中的应用研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2013,03:105-107+112.

[2] 周柳,王英华,刘强,孙弘进.虚拟现实技术在运动康复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,05:957-960.

姜小峰，男，1980—，陕西渭南人，讲师，研究方向：体育教学与训练、陕北体育文化研究

To explore the artistic gymnastics training in virtual reality technology

Jiang Xiaofeng
(Yan'an University,Yan'an,716000)

This paper constructs a virtual reality based simulation systems artistic gymnastics,rhythmic gymnastics,including the simulation system of human motion tracking module,model deformation module, virtual reality scene simulation modules of several parts.

artistic gymnastics training;VR;three-dimensional simulation