1问题的提出
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR技术)是一种全新的应用技术，涵盖计算机技术、电子信息技术、仿真技术三大技术。虚拟现实技术的出现可以不断的提升通过多种物理属性的运用、刚柔碰撞检测、人工智能行为、多种实时交互形式与视点控制等，为人机交互提供了新的交互媒体。目前，虚拟现实技术在军事仿真、游戏、医学、遥控机器人以及教育等诸多领域得到了广泛地运用。体育系统仿真属于实验技术类科学，主要是通过计算机的模拟技术对体育教师的相关教学经验、教练员训练意图、管理者组织方案以及运动员训练的过程加以再现，从而为系统性地解释、分析、预测、组织及评价提供重要参考。在体育教学与竞技体育训练中运用系统仿真技术可以充分再现体育教师或教练的经验及意图，可以实现系统地解释、分析、预测以及评价。随着运动过程中人们对更高、更快、更强的不懈追求，为了最大限度地挖掘人的潜能，科学技术的全方位介入已势在必行。科技能够发现我们肉眼看不到的技术细节，通过一个系统的全方位的分析实现竞技水平的跨越。体育运动仿真和虚拟现实技术为体育教学与训练提供了新的的平台，打破了传统意义上的时空限制，实现了任意角度对运动项目的技术动作进行观察与评判，有效避免了教学与训练中无法示范空间与连贯技术动作时要点的缺陷，利于学生或运动员建立清晰而形象的思维和规范合理的技术动作概念。本文基于相关仿真技术软件和虚拟现实技术平台，以游泳项目为例，对相关的模型建立和程序设计等加以探究，旨在交流与共勉。
2. 运动员与场景建模
2.1 运动员模型建立
图1仿真模型
仿真是由系统、模型、计算机三个组成要素构成。其过程包括建立系统的数学模型，建立系统仿真模型（主要是设计算法，并转换为计算机程序）和仿真模型的运行实验及修正。目前我们应用的建模软件为MAYA软件，根据体育运动项目构建运动训练场地、器材和运动员模型，建模时先建单一复杂模型，然后通过对复杂模型的纹理、材质渲染，输出纹理和透视纹理贴图。再建简单面数模型，通过UV编辑合并纹理和材质，以减小文件尺寸，有利于虚拟程序运行的流畅性。
在游泳运动中我采用的建模方式又会有不同，以游泳运动员的图片为模板，运用三维绘制、放样、挤压、雕塑等方法来制作基本符合游泳运动员的体型，实现优化建模。Maya是目前最为流行的三维图形和动画软件，它们有很强的建模和动画功能，本文通过Maya软件进行人物模型的建立,如图3所示。人物角色表情的变化是多种多样的，在制作中要避免千篇一律，但也要根据一些动画的特点来制作。可以利用Blend Shape制作表情动画。在制作表情动画时，如果动画角色模型是具有牙、舌等动画的精细角色模型，在制作变形模型时要同时进行创建，以保证各部分的变形协调。但在进行Blend Shape连接时，要把脸型和其它进行分组，先连接脸型，再连接牙、舌，然后用脸部表情动画控制滑竿驱动牙齿混合变形动画滑竿。如图2所示。
图2角色的创建
在游泳运动项目的人体模型动画创建中，主要是利用骨骼与关节的相互之间功能发挥实现的。其中，建立能够符合人体功能的骨架与关节，是实现运动项目仿真动画的关键之处。因此，我们可以通过软件先以人体模型为蓝本，分别创建下肢、上肢以及躯干部分的骨骼。在完成上述步骤后，接下去是如何将下肢骨与躯干根骨加以连接，将上肢骨与躯干胸颈骨加以连接，进而最终完成完整人体骨架的模型建立。在具体操作软件进行模型建立过程中，我们要分别建立膝关节、肘关节等关键的动力学IK关节联动手柄，并且对手指、手腕以及前脚掌等部分关节进行屈伸约束，创建膝和肘关节的定位器以及主要关节的操作器，如图3所示。
图3
完成上述内容之后，我们还要通过软件的优化功能对模型加以优化，在这一环节特别要注意的是对文件尺寸和虚拟交互环境运动的流畅性两个问题。通常的做法是通过减少模型面数和组织合并模型以及UV纹理贴图等途径及方法加以完成，具体如图4-5所示。
图4-5游泳运动员的模型UV
我们可以利用Maya软件的毛发仿真和布料仿真两大功能，为已经建立好的人体模型进行发型和服装的设计。就服装花边的色彩而言，我们可以通过软件轻松地完成服装UV坐标的设计。在蒙皮与绑定环节中的作用就是将人体模型与骨骼加以相连接。这里面的设定过程中会受到相关骨骼的影响，也直接关系到骨骼运动时对人体表面所产生的变形影响。为了更好地呈现蒙皮与绑定后的效果，我们要在具体设计中对蒙皮点的权重加以完善和编辑。在角色设定上，为了促进人体运动时相关功能的发挥，我们可以通过剔出缩放和部分骨关节的移动以及旋转功能。这样做的益处就是可以大大地让动画记录变得更加节省，同时在动画编辑时也会变得更简洁与清晰。另外格外要注意的一个问题是在角色设定上，为了最大化的记录与保存动画片段，我们可以通过非线性编辑的功能加以组合化地开发出更加复杂的动画。
2.2运动场模型建立
通过仿真系统所构建出的虚拟场地空间和环境，其主要目的是为了给人物仿真动画呈现需求时提供一个虚拟化的真实场景。其实现的途径与方法就是通过建模，以及对材质和灯光的连接及运用。通过仿真系统完成游泳场的环境空间建模之后，接下去就是将游泳运动员的角色引入。为了提高效果，我们还要注意关闭一些干扰要素，如阴影、反射等，从而减少计算机对其产生的不必要运算。本文所进行的运动场模型建立是针对户外场景而言的，主要运用的软件功能是Polygons的多边形建模工具（Plane）。
图6
如图6所示，基于3D软件所构建的游泳场地要以场景建筑设计图按相应的比例加以还原，要注意各处的比例与建筑设计的规范性。在具体操作过程中，我们可以通减少模型的面数，删除立体模型的不可见的面，以减小场馆模型的文件尺寸，进而增加运行的速度。
对于场地上空的建模，我们的目标是构造一个Polygons半球，该Polygons半球须足够大，可以把整个运动场景都包括在该Polygons半球下面，最后选择合适的天空纹理映射到Polygons半球上。除此种方法外，还有二种方法可以对天空进行建模，一类是制作一个立体材质（Cube Material），通过Building Blocks中的Sky Aroud（CubeMap）模块对天空进行建模。第二类是通过平面材质进行创建，对前（Front）、后（Back）、左（Left）、右（Right）、上（Up）、下（Down）进行纹理（Texture）设置，从而形成一个密封的立方体，完成天空的建模。在Maya的工具箱选项中，有光源的快捷键，在对光源的类型设置上，二者几乎相同。二者均将灯光设置平行光源（Directional Light）、聚光源（Spot Light）、点光源（Point Light）等类型，通过恰当设置光源的坐标（Position）、照射范围（Range）、衰减方式（Attenuation）和光源的类型（Type），可以准确地表达出各种光影效果。同时还可以设置光源的颜色，灯光的照射范围。需要注意的一点是，Maya和Virtools中的平行光源设置上有一定的区别，Maya可以对平行光源范围进行限定，而在Virtools中虽然也有平行光源，但是无法对平行光源的照射范围进行设置，只要在运动环境中出现了平行光源，它将照射这个场景。在Maya的动力学功能中选择粒子功能属性填充到游泳池中，通过在在该工具栏中的更改其粒子的数目及其相关的属性并进行不断的渲染达到真实水的效果，如图7所示。
图7粒子水
3.动作数据相关编辑
3.1技术动作数据的获取
运动数据捕捉系统主要有光学运动捕捉系统Motion Capture系统和Moven惯性运动捕捉系统。光学运动捕捉系统受场地空间的限制，许多运动技术动作无法连贯的完整捕捉下来。惯性运动捕捉系统虽不受场地空间的限制，使用者必须穿系统提供的套装。目前，竞技运动的数据捕捉与研究，通常所采用的是SIMI运动学分析系统。这套软件主要是通过摄像及对各帧图像的关节加以标志，从而得到所需要的运动轨迹以及线条式的动画。但是，这种方法的工作量非常大，运动数据也不能通用。我们知道，每个运动的技术动作都有几个关键的要点，在比对摄像图时首先根据摄像图的时间帧数完成关键要点的比对与关键帧的设置，再修改各关键帧过渡动作的不足，即可较好地获取技术动作效果，也能节省工作量。
对游泳运动画的编辑主要是运用Motionbuilder、Maya、Realflow软件进行。通过运动员基本动作的图片和世界优秀运动员的比赛资料，来进行角色模拟。游泳运动员骨架的自由泳动作。将游泳运动员的自由泳技术动作每一个动作的节点都要打一个关键帧，我们采用六次大水两次两次划水为一个周期，并且通过不同的角度来仔细的分解调整自由泳的动作使其更加的逼真。如图8所示，虚拟环境下游泳运动员技术的捕捉。
图8游泳运动员技术的捕捉
3.2运动技术动作的组合
在游泳技术中我们采用的技术动作及动画的设计更加复杂，流体实验之前要解决的核心问题，也是以往动画制作方面一直无法解决的问题，将Maya动画综合性开发平台中的带有坐标数据的骨骼动画即关键帧动画，去掉关键帧动画中原始数据的影响，因为在Maya流体中如果该动画带有原始的数据，则其在水中是不受外力的影响的，则不会展示出前进的效果，而唯一的效果就是自由泳动画周围水流的变化，这里面相互作用力的变化是不会直接显示出来的，需要经过复杂的计算，本来动作的变化就是微小的，则最终计算结果会不明显，而且误差相对较大。如果无法解决则实验则无法进行，如图9关键帧动画。
图9关键帧动画
3.3关键帧动画网格处理
现在我们攻克了这一关键的问题，我们在讲Maya综合性开发平台中的关键帧动画，放到Realflow流体的最为专业的开发平台中，经过一系列的程序的设计，原来的关键帧动画的原始数据去掉，但是不会影响其原有的动画效果，在Realflow展示给我们的是一个网格的模型，但是经过这个关键的处理，当将该自由泳运动员的网格动画放到水中时，当我们设置虚拟环境中重力，水的阻力，和我们加给网格模型的外力时，该动画为我们展示出前进的效果。这也是我们该实验的创新点，如图10网格动画。
图10网格动画
3.4粒子水的创建与运算
解决粒子水的创建是最为基础、最关键的一个环节，粒子水的创建过程中需要不断的调节粒子的大小，粒子的密度，沾湿性，还有粒子之间的相互碰撞的指数等。当运动员模型向前移动的时候，也就是计算机不断的运算的过程。如图11所示粒子水的创建与计算机中的运算。
图11粒子水的创建与计算机计算
3.5技术动作与球的同步
由于体育技术动作数据不同于游戏简单周期重复的动作，完成技术动作需要一定时间的过程，在虚拟程序编辑时，即使设定同时触发虚拟角色和球的动画，但在不同配置的电脑中运行时常会出现不同步的问题。将球设为虚拟角色的子关系可较好解决两者同步问题，也简化了虚拟程序的编辑。但是，球设为虚拟角色的子关系会受到角色动作的影响，通过设定规划路径，将球沿路径设定关键帧控制，能基本解决角色动作对球的影响。
4.虚拟交互程序设计
4.1主界面与程序设计
主程序主要起分类导向作用，本程序根据人们使用Windows习惯和体育教学训练内容，设计了技术动作、战术配合、裁判方法、使用帮助四个分支导航开始菜单程序。程序设计经logo进入主截面，等待开始按钮指令→获得菜单位置数据激活开始菜单→显示分支导向菜单→等待选择→激活任务栏分类程序按钮→还原。程序设计流程如图21所示。
图12程序设计流程
4.2任务栏与技术内容程序设计
技术动作分支导航模块按项目分类设定任务栏按钮，各任务栏分类按钮可激活相应的技术动作内容组控制按钮。以排球技术动作分支激活的任务栏与扣球分类按钮激活的技术动作内容菜单。激活任务栏按钮后，等待技术分类按钮指令→获得菜单位置数据激活技术内容菜单→等待选择→激活虚拟运动员技术动作→还原。激活任务栏、激活技术分类和激活虚拟运动员技术动作都同时激活相应文字，点击文本按钮即可显示/隐藏文字。程序设计流程如图13所示。
图13任务栏与技术内容程序设计
4.3慢动作与逐帧进、退交互程序设计
当激活技术内容菜单后，慢动作按钮无法判断使用者想要什么慢动作，只有使用者选择了菜单某一技术动作，慢动作和逐帧进、退按钮才被激活。点击逐帧进→发送信息→帧数进→侦测动画当前帧数→循环。点击逐帧退→发送信息→帧数退→侦测动画当前帧数→循环。点击慢动作→侦测动画当前帧数模块→动画速度控制模块→循环。程序设计流程如图14所示。
图14慢动作与逐帧进、退交互程序设计
5.虚拟交互实验过程
实验前期是在Realflow流体开发平台中进行的，后期的渲染在Maya开发平台中进行的。在最专业的Realflow流体开发平台中，我们将两个模型完全的相同的自由泳运动的员的网格放到泳池的中的同一起跑线上，他们处在泳池的最中间，并且两个游泳运动员距离两边的游泳池壁的距离是相同的，说明波浪对运动员动画的影响是相同的。将左手边的运动员的网格模型所处的道次命名为1道，以此类推紧挨着其的为2道。将1道中的运动员的自由泳动作的网格动画的动作进行细微的改变，将两个手入水的动作由手掌侧面拇指和食指首先入水改成掌心向下，五指同时入水，而2道的自由泳运动员的网格动画不发生改变，保持手掌侧面拇指和食指首先入水的动作。将虚拟环境中的所需要的所有的数据，输入到计算机中，如重力指数，水的密度，水的沾纸性，由于连个运动员的网格动画在水中靠水的相互作用力前进的效果不够明显，在同时给两个运动员施加相同的推力，使其向前移动效果更加的明显。
点击动画开始按钮，使两个道次的自由泳运动员的网格动画由同一起跑线出发同时开始向前游进，经过数个小时的计算机的运算，通过将该画面用网格的形式的进行观察，但是这个阶段需要不断的在Realflow中进行将运动员的网格动画及其粒子水进行定位。经过的不断的改变运动员的模型的面数，还有就是不断的调整水粒子的大小，使其便于我们计算机的运算，减少运算的时间。直至出现最后的结果。在运动员模型前进的过程中，我们能够清楚的看到，模型周围的水的变化。如图15所示。
图15
将实验过程制作成录像的形式，经过在Maya中的再次的运算，并且根据计算机的所能够的接受的条件进行适当的渲染，并且制作成最后的录像。
6研究的结果与分析
目前，虚拟现实技术的应用越来越广泛，已经成功的应用到了很多的领域，特别是在体育领域中的应用也吸引了很多的学者的关注。本文基于虚拟环境仿真技术对自由泳的技术的可行性进行了研究，通过对游泳池、游泳运动员进行合理的建模，并且按照的相对较真实的数据下制作虚拟的粒子水，为将来虚拟技术在游泳及其其他水上项目进行相关的研究与发展打下了基础。通过把体育仿真技术与虚拟现实技术引入体育教学、训练中，在虚拟环境中对体育运动技术动作、战术配合、裁判方法进行模拟仿真，实现了任意角度地观看和展示科学、合理、规范的优秀运动员技术动作、动态战术配合及裁判动作与方法。研究成果克服了体育教学与训练中无法示范空间和连贯技术动作时要点的缺陷，克服了体育教学与训练中以静态形式表述动态的技术、战术内容上的不足，有利于建立清晰的形象思维和规范合理的技术动作概念，意识到技术、战术运用的时机、快慢节奏的把握，既可以获得言传式的知识更可以获得意会的知识。通过Realflow软件的虚拟环境的实验，观察到在相同的环境下条件下，泳道2的运动员比泳道1的运动员游进的速度要快。这一结果说明泳道1的运动员动作的改变对其游进的速度产生了影响，故此得出的结论是：在Maya和Realflow流体平台的的虚拟环境中，运用计算机3D流体力学进行模拟游泳的技术动作，能够验证同等条件下运动员游泳动作的变化能产生最后效果的不同。
7.研究的不足与展望
7.1研究不足
该实验中由于实验设备有限，在制作虚拟水的过程中以及实验的运算的过程中，计算的运算时间过于长，在运算的过程中还要不停的经历计算机崩溃，而且该实验是可行性的实验，需要去不断的尝试，导致花费了大量时间，导致最后的结果只是停留观察结果上，不能够深入到数据的层面。
7.2研究展望
在后续的实验中可以将通过更多的数据分析出得出准确的结果，在计算机设备配置上加以提高从而将模型制作的更加准确，在Maya中可以将画面渲染的更加逼真。后续研究中，通过准确捕捉运动员的运动技术并输入到电脑，在Maya和Realflow流体平台的的虚拟环境中，运用计算机3D流体力学进模拟该项目的技术动作，我们能够验证同等条件下运动员游泳动作的变化能产生最后的不同效果，进而可以进行动作的分析和改进。
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