Virtual Reality Portal
公司新闻:虚拟现实在体育仿真中的应用 日期：2008-7-15 查看：8
1)浙江大学CAD&CG国家重点实验室， 杭州，310027
2)国家体育总局体育科学研究所体育仿真实验室，北京，100061
关键词：虚拟现实，体育仿真，体育辅助训练
Overview of the Application of Virtual Reality in Sports Simulation
1)Ji Qingge 1)Pan Zhigeng 2)Li Xiangchen
1) State Key Lab. of CAD & CG, Zhejiang University, Hangzhou 310027
2) Sport Simulation Lab, Institute of Sport Science in National Sport Center, Beijing, 100061
Abstract Applying Virtual Reality technology in Sports Simulation can promote motion training level, and be beneficial to the development of commonalty exercise of physical fitness. This paper gives a state of the art report of the application of Virtual Reality to sports simulation based on the R&D work we have done in this area. We present the key techniques of VR-based sports simulation, introduce several typical systems, and discuss the future development of the VR-based sports simulation.
Key Words: Virtual Reality, Sports Simulation, Sport Training System
1. 概述
1．1虚拟现实
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)[1]是由计算机生成的、模拟人类感觉的世界的实时表示，有时也被称之为虚拟环境。这里的“世界”是指具有真实感的立体图形，它既可以是某种特定现实世界的真实再现，也可以是纯粹构想的世界。操作者可以通过视觉、听觉、触觉、力觉等与之交互，从而能产生“身临其境”场景，所以虚拟现实技术为人机交互提供了新的交互媒体。通常，虚拟现实系统具有多种输出形式（图形、声音、文字等），可以处理多种输入设备的能力，并且能够进行碰撞检测、实时交互、视点控制和复杂行为建模等[2]。目前，虚拟现实技术在军事仿真、娱乐、游戏、教育、医学、遥控机器人、虚拟设计、虚拟制造等领域都得到了广泛的应用。虚拟现实技术研究体现了多学科交叉的特点，他是伴随计算机技术、计算机图形学、计算机网络技术、图像处理和模式识别、智能接口技术、生理学、多传感器技术、语音处理和音响技术等技术的飞速发展而出现的一门多学科的综合技术。该技术的商业化步伐正在加快，这将会使越来越多的研究者加盟, 随着相关技术的不断进步，虚拟现实技术将会得到普及，并且将改变人类的生存方式。
1．2. 体育系统仿真
现代竞技体育正在向高、难、精、尖迅速发展，这就使得体育训练更多地借助于现代科技手段。为了最大限度地挖掘人的潜能，现代体育需要科学技术不断地介入。这就需要综合地运用与体育科学相关的学科知识，并采用系统科学（如系统仿真学）的方法对体育运动的内在规律进行研究。体育系统仿真是一门实验技术科学[3]。它是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学。近些年来，系统仿真的研究热点有面向对象的仿真方法、定性仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、基于VR的仿真和智能化的仿真等[4]。与面向对象的仿真方法、定性仿真、分布交互仿真、可视化仿真和多媒体仿真方法不同，基于VR的仿真强调多种感知能力、交互性和沉浸感等，而许多体育训练恰恰需要运动员的多种感觉（视觉、听觉、触觉和嗅觉等）的共同参与，因此，随着VR技术进一步发展，基于VR的仿真必将在体育领域得到广泛的应用。
2. 基于VR的体育系统仿真
虚拟现实技术在体育仿真中具有很好的应用前景，这是由虚拟现实技术特点所决定的。虚拟现实技术能够为体育工作者和运动员提供有效的、崭新的训练手段，扩大系统仿真的应用范围，也能够促进虚拟现实技术的发展。所谓基于VR的体育仿真，就是应用虚拟现实技术对体育系统进行仿真。
现有的许多虚拟环境的目标是培训学员在特定环境下的决策策略，如人质谈判，地震，跳伞和救火等情形[5,6]。研究开发人员对虚拟游戏、各种训练驾驶仿真器研究较多，例如，Walls等人(1998)使用虚拟游艇航行仿真器对逆风游艇航行的性能进行评价[7]。Yeadon(2000)[8]考虑实际使用极小的精确模型，以便使教练能够帮助受训者在表演航空机动飞行时“知道看哪里”。教练能够使用仿真模型测试他们的最新的理论，并且受训者能够在虚拟环境中首先体验新的机动飞行，当然这种体验允许出错，不会带来受伤的风险。虚拟环境在健身和竞技体育训练方面的应用研究较少，这主要是因为竞技体育训练和健身运动对VR系统各项性能指标的要求比虚拟游戏高，如要求对用户友好的交互性、实时性、高精度和较强的沉浸感等，目前，受虚拟现实软硬件技术条件限制，如虚拟现实专用交互设备比较昂贵，现有交互方式还不够方便灵活，系统实时性和精度都有待提高，这些制约因素限制了VR技术在体育仿真技术领域的推广应用。随着VR技术进步，可以确信，在不远的将来会有更多的、更具创新的应用出现。
2．1 功能要求
基于VR的体育仿真系统具有如下功能要求：
l 构建虚拟训练场景
根据具体运动项目对训练场景有具体要求，比如：虚拟训练场地、虚拟训练器材和虚拟人等的建模。
l 运动数据捕获
通过传感器跟踪设备直接记录运动实体的运动数据并将其用于生成计算机动画。这种方法的最大优点是能够捕捉到人类（包括训练器械）真实运动的数据，由于生成的运动基本上是主体人（或器械）运动的“复制品”，因而效果非常逼真，且能保证训练的科学性。
生理生化和心理数据采集
生理生化和心理指标是运动员竞技状态重要反映，根据运动项目的不同，可以通过各种传感器和智能化仪器对运动员的生理生化数据，心理数据进行采集。比如：生理数据的捕获主要包括对脉搏、血压等人体的新陈代谢指标和各器官、各系统的机能指标的获取[9]。
动作重演和展现
动作重现是体育系统仿真的重要的要求，传统的摄像手段在有些条件下并不能顺利实现，比如：帆船帆板训练中训练技术录像往往不是很理想；此外，有些甚至更不无法实现，比如：在尚在进行新动作创新研究时，比如：在体操项目中，教练员可以通过对真实体操运动员的运动进行建模，之后再重新编排，使其产生新的技术动作，在利用虚拟体操运动员精确地重现体操运动员的体操动作，帮助体操运动员改进和创新技术动作，提高技术水平。
图示化训练效果分析
图示化训练效果分析方法，就是通过图示来表示误差分析结果的误差评估方法，通常又分为在线式和离线式评估方法。
2．2 系统组成
基于VR的体育仿真系统可以分为沉浸式和非沉浸式体育仿真系统，前者需要头盔式三维立体显示器、立体眼镜、数据手套、立体声耳机、图形工作站和高性能计算机等设备，使得用户能够感受到比较真实的立体视觉、立体听觉，与虚拟环境进行自然的交互操作，使用户能够完全沉浸在虚拟环境中，犹如身临其境，这类系统特点是设备昂贵、沉浸感强；而后者主要依靠软件技术来建立具有丰富视觉和听觉信息的虚拟世界，其特点是经济、便利。
2．3 关键技术
基于VR的体育仿真系统关键技术如下：
l 基于物理和生理的建模
目前基于VR的体育仿真系统中的人体建模通常是指基于人体物理特性和生理特性的建模，这里人体物理特性是指人体形态、结构、素质、运动能力和适应能力等。生理特性主要包括脉搏、血压、肺活量等人体的新陈代谢指标和各器官、各系统的机能指标。美国、韩国和中国都有各自国家的虚拟人计划，目前中国已建成中国女虚拟人1号。
虚拟人动画
由上个世纪八十年代发展至今，人体动画经历了四个发展阶段：运动学控制、动力学控制、基于控制器的运动控制和运动捕获。其中运动捕获技术具有高效、真实感强等特点，得到人体动画研究人员的高度重视。
运动数据捕获
运动捕获技术是利用传感器以三维的形式记录真实人体的动作，然后计算机根据所记录的数据驱动屏幕上的虚拟人。这种方法的最大优点是能够捕捉到人类真实运动的数据，由于生成的运动基本上是主体人运动的复制品，因而效果非常逼真，且能生成许多复杂的运动。比较典型的运动捕获设备有三大类：光学式设备、电磁式设备和机械式设备。运动捕获工作流程包括规划与原始数据获取、跟踪、辨识、骨架转换和对虚拟角色的映射等过程。运动捕获数据处理方法有运动信号处理、偏移映射、运动混合、运动纹理和运动图等。
实时绘制和交互
由于虚拟体育仿真涉及到虚拟场景和虚拟人（运动员），在具有虚拟人参与的虚拟体育仿真环境中，实时绘制和交互就显得格外重要。实时绘制技术分为可见性判断、层次细节、基于图像的绘制技术。这里交互概念主要指用户通过虚拟现实交互设备（电磁跟踪设备、摄像机、触觉设备、三维导航设备和口头或非口头通讯设备等）与系统发生相互作用，如可以通过交互的方式选择人体物理特性等参数。
3 研究开发现状和典型系统介绍
3．1 研究开发现状
（1） 基于VR的竞技体育仿真
在竞技体育训练仿真中，利用虚拟现实技术能够用多种感知方式向参与者（教练、组织者和运动员）演示教练的训练意图或运动员的训练过程，并且参与者能够自然地与仿真系统进行交互。这类基于VR的竞技体育仿真系统将能够提高运动员的科学训练水平。下面介绍这方面应用的成功案例。
Amusitronix的研究开发人员开发了VR Baseball，VR Golf，VR Kayaking，VR Tennis，和VR Snow/Skate/Surf等系统[10]。Becker and Pentland[11]在Alive系统的修改版本内建立了太极训练器（Tai Chi trainer），这种Alive系统的修改版本能够提供更好的深度信息。该系统使用隐式马尔可夫模型解释用户的姿态，能够获得对18个姿态集的超过90%的识别率。当姿态被识别，但没有获得高分值的时候，系统反馈那些学生运动大部分不同于教师的运动段。U.Y. Yang [12] 等人实现了一个基于虚拟现实技术的沉浸式运动训练系统，其核心思想是一种被比喻为“幽灵”的基于直觉的交互式方法，称之为“Just Follow Me (JFM)”。在训练过程中，通过幽灵隐喻，训练者的运动被实时可视化（初始的时候训练者与受训者的可视化图像是重合的），训练者的这种可视化图像相当于移出训练者身体的幽灵。从不同视点观察受训者的运动，受训者尽可能近地（或今可能快地）紧跟幽灵的主人（训练者）。Seongmin Baek等人为任意受训者调整给定的参考运动，并提供受训者跟随参考运动的效果分析并以击剑手训练为例验证了算法[13]。
美国图像公司和加利福尼亚戴维斯大学联合开发了一种雪橇比赛装置，这种装置可以把运动员带到一个仿真世界。计算机技术造成的立体图像，将一间黑暗的训练室变成了比赛现场，运动员在这套个装置上能真切体验到驾驶雪橇沿着跑道飞速下滑的感觉。实验室的设备随时检测运动员的身体状况，并进行技术分析、功能诊断，预测比赛中可能出现的各种问题，并制定最佳策略，涉及最佳路线，从而达到提高运动员成绩的目的。参加第16 届法国冬季奥运会的美国队利用这套装置训练运动员，比去法国实地训练节省了一半的费用，并且训练次数大大提高。这就是基于虚拟现实的体育仿真\训练的魅力。这套系统中的雪橇是一种能够进行三维交互的装置[3，14]。
虚拟现实技术在竞技体育仿真中的具体应用范围如下：运动训练的科学监控；体育训练信息采集、分析系统；先进训练技术综合应用示范；训练比赛及其器材、设备研制；各种体操的编排。
（2） 基于VR的健身器
目前，人们已经开发出种类繁多的健身器材来辅助人们做健身运动。基于VR的健身运动器既能健身，又能娱乐，使参与者有身临其境的感觉，因此，这类基于VR的健身器能够进一步促进我国的全民健身运动。
Thalmann领导的研究小组[15]实现了允许带有变形的身体、头部和手的实时动画的虚拟人仿真系统，并在此基础上开发了虚拟网球游戏CyberTennis [16]和跳舞游戏CyberDance，CyberTennis是一种实时的、网络化的、协作的、虚拟的、交互式的网球游戏仿真系统，涉及到计算机网络、运动捕获、虚拟现实、共享环境和受控制的虚拟人和自治的虚拟人等计算机软硬件技术，该系统主要考虑了虚拟网球的动画和合成的、自治的网球游戏裁判的行为。CyberDance提供真实的在舞台上的专业舞蹈者和计算机生成的世界中的虚拟舞蹈者之间的交互。MOTEK实现的CAREN系统的目的是训练患者来克服平衡疾病，最终使患者康复[17]。通过观察用户化身（表示患者），站在动力板上的患者改正保持平衡的方法，透明的盒子限制用户化身的表现正确姿势或运动的四肢。C. Smash[18]开发了一个基于PC的乒乓球游戏，Csmash游戏是基于OpenGL的一个窗口应用，使用者通过鼠标的点击模拟挥动球拍的效果，并用键盘的按键控制回球的落点，这种交互方式缺乏沉浸感，而且用户的视野范围会受到显示器屏幕的尺寸限制[19]。林柏伟等人将Csmash游戏移植到PC-CAVE系统上，开发了PCCAVESmash系统。通过CAVE的大视野立体显示以及自然的交互方式（跟踪器放在球拍上），用户就能在CAVE环境内进行逼真的乒乓球赛。Davis and Bobick 建立虚拟有氧运动训练器，用户的动作被捕捉和识别，他或她指示“移动”或给以反馈“做得好”[20]。用红外捕捉用户的轮廓，并且与先前记录的模板集合进行匹配。Davis and Bobick没有对作为训练者的系统的有效性进行评估。
北京仿真中心、浙江大学等国内科研院所开发了几个基于VR的健身器系统，如北京仿真中心开发研制的VR趣味健身车，是VR技术在健身器械上的成功应用。保龄球游艺健身机采用虚拟现实技术，有效地缩短了所需要的球道长度，是结合三维实时图型显示、动画、交互式碰撞检测和图像处理技术开发成功的一项新产品，是虚拟现实技术和健身行业的典型应用[21]。
3．2 典型系统
（1） 虚拟体操训练系统
Sheffield Hallam 大学的体育科研人员实现了一种虚拟体操运动员系统（如图1所示），该系统能够指导真实的体操运动员如何改进成绩和尽可能地避免受到伤害[22]。通过对真实体操运动员的运动进行建模，使虚拟体操运动员精确地重现体操运动员的体操动作，帮助体操运动员改进技术动作，提高技术水平。体操运动员也可以被邀请接近虚拟体育馆中的虚拟器械，看到虚拟人体接触体操器械时是如何改变形状的。
（2） 虚拟滑雪训练系统
1996年，耗资4百万美元，历时8年由发明家Jim Rodnunsky开发的滑雪撬和滑雪板仿真器（如图2所示）能够模拟科罗拉多州的著名滑雪场地，使体验者不用到山上的真实滑雪场地，就能够体验到震荡、摇摆、起伏、俯仰和偏航等真实的滑雪感受[23]。同年，美国雪撬队利用仿真虚拟环境体验了1998年在长野冬季奥运会将要面对的跑道[24]，这种体验显然有助于提高比赛成绩，将来完全有可能采用虚拟仿真环境进行真实的比赛。图3是一个具有虚拟滑雪场景的阿尔卑斯山滑雪训练器[23]。
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（3） 帆板帆船仿真系统
帆船帆板项目担负着胜利完成2008奥运会金牌任务的重任，而传统的训练存在着如下问题：用常规方式采集的训练的图像无法满足技术分析和评价的要求；训练的时间受制于特定的条件，比如合适的风速、浪高和天气。针对这些问题，国家体育总局体育科学研究所体育系统仿真实验室正在研发一种VR帆船帆板训练系统（如图4）。该系统通过各种传感器采集的现场数据，经过数学模型的运算实时驱动三维视景，构造出逼真的训练虚拟环境，在这种环境中既可以满足无训练条件（诸如无风无浪的条件）下完成训练任务，也可以针对特定运动员进行评价分析。
帆板帆船仿真 虚拟保龄球游戏机的外形
(4).定型产品“轻松保龄球游艺健身器Easy Bowling”
虚拟保龄球游戏采用真实的游戏模式：游戏者通过扔真实的保龄球来参与游戏。系统使用摄像头检测保龄球的运动，并通过实时的物理仿真和绘制技展示游戏结果。虚拟保龄球游戏机的外形如图5所示，它基本上由两部分组成：球道及游戏机体。 球道选用与真实保龄球道相似的特殊材料制作，保证了游戏的真实感。由于系统仅需要大约两米的球道计算保龄球的运动参数，因此球道可以缩短到两米，这大大减少了保龄球游戏所需的占地面积 (真实保龄球道长度在19.1米左右)，成本也随之大大降低.与真实的保龄球游戏相比，虚拟保龄球游戏机具有以下优点：灵活性高、成本低并且易于安装。
(5). 大型团体操演练仿真系统
目前，我们正在研究与开发大型团体操演练仿真系统。团体操演练仿真系统分为三个子系统：队形或图案设计系统、行为动作生成系统和团体操队形或图案变化仿真系统。队形或图案设计系统负责设计团体操各个章节的队形或图案。行为动作生成系统能够根据人体捕捉数据编辑团体操需要的动作。团体操队形或图案变化仿真系统的目标就是将虚拟人群的初始队形连续变换到目标队形，首先，团体操队形或图案变化仿真系统定义虚拟人的初始位置和目标位置。其次，对路径进行规划。最后，实现基于事件驱动的团体操队形或图案的变化仿真。图6是我们实现的一个由方队变换为五个圆环的例子，图6a是初始的队形（位置），图6b是目标队形（位置）。
4. 结论
本文前面对基于VR的体育仿真的研究开发现状，关键技术和典型系统进行了介绍。可以预见，随着2008年奥运会在北京召开，必将促进国内对基于虚拟现实的体育仿真技术的深入研究。在奥运各项筹备工作中应用虚拟现实技术，可以实现虚拟奥运，提高奥运各项工作中的高科技含量。科技奥运为虚拟现实技术提出了一些富有挑战性的课题。
首先，科技奥运为VR提供了一个大试验场。应用虚拟现实技术对奥运会各种场馆建设工程项目进行仿真，建立虚拟奥运村三维动画模型，在因特网上展示并广泛征询修改意见，从而真正做到对奥运各项工程进行动态规划、建设、运行和管理。其次，利用虚拟现实技术将中华文明、奥运百年历史、精彩赛事等设计成三维动画，建立因特网上的奥林匹克虚拟博物馆，用户可以在虚拟博物馆各个展厅中漫游[25]。
与其它仿真技术相比，基于虚拟现实的体育仿真具有多种感知能力，因此能够增强受训者与体育仿真系统进行交互的能力，能够提高体育仿真训练的效果。虚拟现实技术在体育训练仿真中的应用能够提高我国运动员的科学训练水平和运动竞技水平，并且有利于广泛开展全民健身运动。应用虚拟现实技术还可以实现虚拟奥运，提高奥运各项准备工作中的高科技含量，高效地完成2008年北京奥运的各项准备工作。通过上述分析可以确信，虚拟现实技术必将在体育仿真技术中发挥越来越重要的作用。
致谢：感谢许威威博士、林伯伟和梅林同学，他们为本文提供了部分素材。
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