基于Unity 3D的足球課程虛擬教學系統(tǒng)設計

王銳

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學院體育部，陜西 咸陽 712000)

1 引言

足球是世界公認的第一運動，在許多體育項目中，沒有一項運動能像足球那樣對世界產(chǎn)生深遠的影響。與比利時、法國、巴西和德國等其他國家相比，中國在足球項目上遠遠落后。因此，為了縮短中國與世界足球強國的距離，國內(nèi)外非常重視青少年足球技能的培養(yǎng)，激發(fā)學生對足球的興趣。更重要的是，足球訓練還可以幫助學生培養(yǎng)良好的足球意識和體育精神，為國家提供高素質(zhì)的足球后備人才。然而，目前高校足球教師水平參差不齊，一些技術(shù)水平不達標，教授的技術(shù)水平也存在誤區(qū)。另外，在足球運動中，還有很多技術(shù)動作比較復雜，學生很難一次性準確再現(xiàn)，老師只能反復示范和降級，嚴重減緩了教學進度。在這種背景下，如何提高足球教學質(zhì)量成為足球運動發(fā)展的關鍵[1]。

國內(nèi)研究者為體育課程教學提供了新的思路。杜冬玲[2]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到太極拳教學領域當中，設計出了一款具有交互訓練功能的“太極拳教學仿真系統(tǒng)”，有效幫助學生實現(xiàn)了太極拳的自主學習，提高了太極拳教學質(zhì)量。郭榮華結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機技術(shù)，建立了一種基于虛擬現(xiàn)實的籃球運動技術(shù)仿真系統(tǒng)，幫助學習者快速掌握相關知識和技能，使得訓練質(zhì)量和效率都得到了很大的提高[3]。李巖，董菲基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設計和開發(fā)了一套具有交互式訓練功能的“武術(shù)教學仿真系統(tǒng)”，通過3D 人體模型展示武術(shù)動作，使得示范更加規(guī)范，且圖文的同時呈現(xiàn)，幫助學習者更加清晰的掌握動作要領，使得學習事半功倍[4]。國外研究者利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬三維模型中實現(xiàn)復雜理論，開發(fā)獨特的排隊論虛擬現(xiàn)實教學模塊用于制造系統(tǒng)設計課程，研究結(jié)果證實了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的系統(tǒng)設計在教學中的有效性，在知識獲取和學習動機方面優(yōu)于傳統(tǒng)教學模塊。本文在前人研究的基礎上，結(jié)合Unity 3D平臺設計一套足球課程虛擬教學系統(tǒng)。Unity 3D是一個綜合型游戲開發(fā)工具，可以用來開發(fā)游戲，做虛擬場景漫游，實時動畫等。本文借助該平臺進行本系統(tǒng)開發(fā)，極大節(jié)省了系統(tǒng)設計和研發(fā)成本，提高了系統(tǒng)兼容性，讓用戶能夠互動、社交起來，增強了學習的體驗感。

2 基于Unity 3D平臺的足球課程虛擬教學系統(tǒng)研究

在球場上使用各種討人喜歡的動作，能吸引大家的眼球，但這些動作都需要運動員超高的技術(shù)技能才能實現(xiàn)。動作越華麗，動作結(jié)構(gòu)就越復雜，這往往需要玩家花費大量的時間和精力來充分學習。為此，本文設計了一個基于Unity 3D的足球課程虛擬教學系統(tǒng)，使運動員既能得到良好的教練指導，又能快速掌握動作要領[5-6]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，簡稱VR，是一種以計算機技術(shù)作為基礎，以現(xiàn)實世界為根據(jù)，建立三維空間的虛擬環(huán)境的技術(shù)。在這種環(huán)境中，由于視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等都與之建立了關聯(lián)，使體驗者能夠充分融入虛擬世界，從而給體驗者一種“體驗環(huán)境”的感覺。技術(shù)與足球課程教學相結(jié)合。通過沉浸、互動和想象，讓學生真正感受到課堂教學。而且，通過自我控制，可以實現(xiàn)重復多角度觀看、演示動作減速/快進/分解、動作模仿和糾正等，使足球教學更加直觀，提高教學效率和質(zhì)量。

Unity 3D是當下一款最為流行的，專門為游戲開發(fā)與制作的虛擬現(xiàn)實軟件平臺。該平臺具有很強的兼容性，支持多種格式導入；具有逼真的粒子系統(tǒng)；具有多構(gòu)架支持的編輯器；能提供高級的渲染效果；具有可視化腳本語言等優(yōu)勢。本文基于該平臺進行系統(tǒng)開發(fā)，其流程如下：基于Unity 3D的系統(tǒng)開發(fā)流程大致分為兩個階段任務。第一階段進行素材制作，在本系統(tǒng)當中是指制作人體運動建模，運用到的主要軟件包括Solidworks、3D Max和Photoshop 等。第二階段模型導入Unity 3D，完成虛擬場景的搭建、各模塊功能的實現(xiàn)以及教學系統(tǒng)的發(fā)布。

2.1 系統(tǒng)框架設計

本文基于Unity 3D 的足球課程虛擬教學系統(tǒng)整體框架設計以B/S 模式為基礎進行設計。B/S 模式，即瀏覽器/服務器模式。這種模式最大的特點在于開發(fā)簡單，共享性強，且業(yè)務擴展方便，完全可以滿足本文系統(tǒng)的需要[7-9]。本文系統(tǒng)借鑒B/S模式，將系統(tǒng)分為三個層次：

第一層為動作合成層，包括兩個方面的工作，即建立虛擬人模型和捕捉足球技能動作信息，然后將二者進行結(jié)合，生成標準足球運動的姿態(tài)虛擬動畫[9]。

第二層為中間層，主要負責連接上層和下層，是通信交互的載體。

第三層為交互層，主要負責足球課程的教授、學習以及評定，其中包含了各種功能模塊程序，是本系統(tǒng)的關鍵。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

(1) 動作捕捉設備

本系統(tǒng)設計和研發(fā)的關鍵是利用虛擬技術(shù)將標準的足球技能動作教授給學生，因此前提基礎是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當中有標準動作的儲備，這就需要先進行動作捕捉。動作捕捉是指利用外部設備對人體結(jié)構(gòu)的運動進行數(shù)據(jù)記錄和姿態(tài)還原的技術(shù)[10]。動作捕捉需要用到兩種硬件設備，即Maker設備、動作捕捉相機。

Maker設備是一種能發(fā)出強光的設備，一般為LED，貼于人體關節(jié)各處。本系統(tǒng)在被捕捉者關節(jié)處貼26 個Marker，具體如表1所示。

表1 Marker分布情況表

動作捕捉相機作用是從不同角度實時收集Marker光點信息，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工作站，進行后期的動作合成。本系統(tǒng)當中的動作捕捉相機為RTS1000W，其技術(shù)指標如表2所示。

表2 RTS1000W技術(shù)指標

(2) 網(wǎng)絡交換機

網(wǎng)絡交換機是一種網(wǎng)絡硬件，通過報文交換接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到目標設備。本系統(tǒng)當中的網(wǎng)絡交換機技術(shù)指標參數(shù)如表3所示。

表3 網(wǎng)絡交換機技術(shù)指標

(3) 微處理器

微處理器是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運算器和控制器功能的中央處理機部件，是本系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)當中的微處理器，硬件功能特征如下：

◆使用Cotex-Cotex-M3核芯片，STM32F103ZET

◆144P引腳；

◆外部晶振8M，時鐘晶振32768H

◆所有I/O口引出插針，方便擴展實驗；

◆自動下載適配電路，無需頻繁切換；

◆MAX232轉(zhuǎn)換電路，適用于外接串口線；

◆帶時鐘后備電池，保持時鐘及重要信息安全；

◆EEPROM芯片24C02，存儲常用用戶信息；

◆FLASH 芯片W25Q64，8M 存儲器，可以存儲圖片、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等多種信息，相當于小SD卡；

◆3路普通按鍵輸入功能，人機接口；

◆1路喚醒按鍵，用于從低功耗或待機模式喚醒；

◆2路用戶LED燈，做基本的狀態(tài)、運行指示；

◆1 路USB 設備接口，用于調(diào)試USB 設備功能，如讀卡器、usb轉(zhuǎn)串口功能；

◆TFT 彩屏液晶接口，包含觸摸屏接口，直接插入配套屏幕可使用；

◆攝像頭預留接口，實現(xiàn)虛擬演示功能；

2.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序是系統(tǒng)硬件功能的運行流程，起到對硬件邏輯控制的作用。本系統(tǒng)軟件運行主程序如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件運行主程序

在上述運行主程序中，由多個子程序組成，其中關鍵的有三個：三維動畫制作子程序、在線教學子程序、UI顯示子程序。

(1) 三維動畫制作子程序

三維動畫制作子程序是指將得到的運動數(shù)據(jù)與虛擬場景相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動人體三維模型，使得人體模型能夠動作起來，形成姿態(tài)動畫。制作流程以及相應的實現(xiàn)軟件如表4所示。

表4 三維動畫制作子程序

(2) 在線教學子程序

在線教學子程序是指運動者在線觀看足球技能動作的姿態(tài)動畫，然后運動者自身在現(xiàn)實世界作出同樣的動作，然后同樣進行動作捕捉，并生成三維立體動畫，最后比較運動者的姿態(tài)與標準姿態(tài)的差異，并生成圖文解釋報告，據(jù)此進行動作糾正。具體程序流程如圖2所示。

圖2 在線教學子程序

(3) UI顯示子程序

UI 顯示模塊是Unity 3D 平臺當中的一個重要軟件程序，其主要作用的實現(xiàn)人機之間的交互作用。本系統(tǒng)中的UI設計，主要包括三種主要元素，即文字、圖片和按鈕，通過這三個要素可以實現(xiàn)UI的顯示功能。首先用鼠標點擊系UI 界面中的Button 組件，當檢測到Button 按鈕被點擊時，系統(tǒng)會做出相應的回應，顯示下一步操作提示，從而達到交互的目的。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

為進一步發(fā)現(xiàn)所構(gòu)建的系統(tǒng)中存在的問題，進行系統(tǒng)實現(xiàn)與測試。

3.1 測試平臺

本系統(tǒng)測試平臺的軟硬件環(huán)境如表5所示。

表5 系統(tǒng)測試環(huán)境

3.2 足球標準動作采集

運動員的動作教學是以標準動作作為參考的，因此首先要采集運動員的標準動作，采集場景如圖4所示。

圖3 測試平臺

圖4 采集場景

采集的動作包括交叉踢、旋轉(zhuǎn)鐘擺以及防守攔截等三種。

3.3 虛擬建模

利用Unity 3D平臺進行虛擬場景和人物模型建模，然后將人物置于場景中，并進行三維動畫制作，結(jié)果如圖5所示。

圖5 虛擬建模

3.4 虛擬教學測試

目的：測試系統(tǒng)教學功能是否滿足預期結(jié)果？

測試步驟：運動員分別作出不同的足球動作，并與標準動作進行對比。

測試結(jié)果：如表6所示。

由表6可知，本系統(tǒng)給出的教學啟示均符合預期結(jié)果，說明本系統(tǒng)具有很好的應用性。

表6 虛擬教學測試結(jié)果

4 結(jié)束語

為給國家輸入更多的足球儲備人才，對青少年的足球技能培養(yǎng)是必不可少的，但是當前由于各大學校的教練人員水平參差不齊，因此在運動員訓練培養(yǎng)上存在很大困難，為此，本文設計一個基于Unity 3D 的足球課程虛擬教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)測試，其教學功能完全滿足需求，教學啟示均符合預期結(jié)果，具有一定的實用性，但是本系統(tǒng)還需要進一步優(yōu)化，如在內(nèi)存、功能模塊上等。