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admin 2007-10-31 00:02

数字奥运中的虚拟现实技术

[font=楷体_GB2312]距离北京2008奥运会还有整整一年时间，如今除了现实中的各个赛事场馆在紧张而有序的准备 [/font][table][tr][td][font=楷体_GB2312][/font] HlE(Y7s5^y
[/td][/tr][/table]着，虚拟场馆也在栩栩如生的准备中。“数字奥运”是2008年奥运会的亮点，借助于虚拟现实，可以让成千上万的人足不出户，不只是充当被动的观众，更可以主动加入到支持奥运的活动中来，甚至可以参与到虚拟的奥运活动，通过零距离的接触，亲身体验“数字体育”、“虚拟奥运”的赛事活动所带来的新鲜、刺激和乐趣。@"WI:{DP]L
科技奥运为VR提供了一个大试验场。应用VR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会各项工程进行动态规划、建设、运行和管理。利用VR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。
应用篇
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。下面介绍一下这方面应用的成功案例：OS"E l!C2A pt!n
团体操虚拟编排和演练原型系统
团体操是一种体育和艺术高度结合、以体操动作为主的群众性体育表演项目。它是由几十人、几百人以至成千上万人，在大的场(馆)中通过以体操为主体的各色各样的体育、文艺形式和队形变化、图案造型，配以音乐、道具、服装，以至背景、场景(舞台)和灯光等艺术装饰所构成的体育艺术性的集体表演项目（图5）。团体操设计和排练是一件非常烦琐、耗时的工作。虚拟现实技术在体育仿真中具有很好的应用前景，将虚拟人群仿真技术应用于团体操设计和演练，可以提高设计和排练质量，提高设计人员和排练人员的工作效率。团体操编排和演练仿真涉及到大量的虚拟人群运动、动作及队列编排，其关键技术为大规模场景的实时绘制技术、运动建模、路径规划和避免碰撞等。B5?8VzIKC`NN
[font=Verdana][img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708044791186218066457.jpg[/img][img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708046451186218086284.jpg[/img][/font]
[font=Verdana]图1 将一个方队变成了五个圆环[/font]!M!{eV&i+p
[font=Verdana][/font]
三维蹦床运动模拟与仿真系统/rqmP?4VW/|Ch9h
蹦床运动项目是一种技巧类体育运动项目，并于２０００年悉尼奥运会首次被接纳为奥运比赛项目，该项目中在训练中存在很高的难度和风险。中科院计算所开发的数字化三维蹦床运动模拟 [table][tr][td]:ZT?Y^ U;{4K,I
[/td][/tr][/table]与仿真系统，可以很好的帮助蹦床运动员进行科学训练。"N(}1?;Q Xkv
该系统以数字化三维人体运动的计算机仿真技术、人体运动生物力学数据和真实人体运动数据为基础，以三维方式逼真模拟、设计蹦床技术动作，模拟生成成套技术动作编排，并辅之以人体运动的动力学原理验证、分析技术动作，最后将模拟动作与实际训练动作同屏、同步对比，从而具有更强的指导意义。0I*Im[ pF*]u z
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[img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708045291186218111987.jpg[/img]
图2 蹦床模拟系统生成的动作序列@1QI;I7O0r0gpH T
虚拟网络马拉松
该系统中，个人可以通过计算机网络和屏幕内的虚拟场景，借助于跑步机或踏步机进行健身、娱乐和竞技。这样该系统就不仅仅用于辅助训练，更重要的是可以成为一种娱乐的方式。VN)?$FNW7A
系统有三个模式：单机训练，网络漫游和网络竞技。单机训练模式可以通过跑步机等硬件设备与系统交互，而系统可以对训练时的速度心率等信息予以实时显示，同时可以存储用户历史训练信息。漫游模式中，多个用户可以在场景中同时漫游，用户可以从一个场景切换到另一个，走到一些特定的物体前面可以选择察看物体的详细信息。竞技模式中，借助于网络，运动员间可以进行马拉松比赛，跑到终点后，系统将会根据用户所用的时间，给出一个排名。
[font=Verdana][img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708040901186218128784.jpg[/img][/font]-mo"[!@!E
[font=Verdana]图3 两人在赛跑[/font]
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虚拟自行车Y-}sF-T0k
[font=Verdana]自行车运动作为奥运项目在奥运会中占有一定的地位，面对2008奥运会，我国的奥运军团，包括自行车队都要取得骄人的成就，就要不断提高运动训练的水平、改善训练的条件。但是，作为室 [table][tr][td]T@)rv;H;[
[/td][/tr][/table]外的场地赛和公路自行车项目的训练往往受制于天气等外界条件，此外，由于白行车运动特点对运动做功测试以及监控往往受到一定的限制，此外，还有诸如调时差训练等的特殊要求。因此，研制具有模拟实际场地信息，又能模拟运动员运动状况，还可以实时监测运动做功情况的综合虚拟训练系统是很重要的。而虚拟自行车系统就可以满足这方面需求。J+b,r:@S
系统的硬件部分是一辆自行车，它包含传感器或采集卡，能够实时地采集一些数据，如包括角度、角速度以及心率等。然后将这些数据通过串口（或其他接口）送往PC机。软件模块根据接受到的这些数据，模拟出车行车在特定场景中的实时模拟。
为了更好地模拟训练和比赛，系统还可以提供分布式仿真的支持，使得多个运动员通过局域网或广域网可以在同一个场地参加训练和比赛，同时把运动员训练和比赛的数据保存下来，以备统计分析，有利于指导员更好的指导运动员训练和分析对手。|'LE?'dVq;Y&EC
数字奥运博物馆L0L,K:E'n9jQ
我国首次承办的奥运会2008年将在北京举行。当初在申办奥运会时曾提出建立一个“虚拟奥运博物馆”的创意，引起了国际奥委会的极大兴趣和关注，从而为中国获得承办权提供了很大的帮助。该计划得到了国家科技部、教育部、北京市科委的大力支持。虚拟奥运博物馆将是世界上第一个全面介绍多元化背景下奥运历史和发展的系统。通过它将充分表现多元文化对奥运、生活等各方面的影响。2005年，国家自然科学基金将“虚拟奥运博物馆关键技术研究”和“远程沉浸式虚拟奥运博物馆关键技术研究”列为重点项目予以大力支持，这两个项目的依托单位分别为北京航空航天大学和浙江大学。
虚拟奥运博物馆的参观者既可以通过一个智能导游的引导来访问，也可以通过控制一个[url=http://wiki.ccw.com.cn/index.php/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%8C%96][color=#0000cc][b][url=http://wiki.ccw.com.cn/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%8C%96+][color=#0000cc][b]虚拟化[/b][/color][/url][/b][/color][/url]身(avatar)在虚拟场景中随意漫游来实现对虚拟奥运博物馆的参观。虚拟奥运博物馆要实现包括奥运三维信息远程服务、奥运比赛项目的仿真模拟、虚拟奥运艺术作品展示、历届奥运历史再现、奥运比赛精彩回放、历届奥运场馆虚拟漫游等(见图4, 图5)。
[img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708048971186218208408.jpg[/img][img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708048121186218223876.jpg[/img]2N3`zg+{ STfR3LZ
图 4借助于虚拟技术，人们足不出户就可以游览瑞士洛桑的奥林匹克博物馆，还可以观看一些奥运展品ylx_f
虚拟奥运博物馆是一个大规模的分布式虚拟环境，支持奥运知识的介绍、用户对体育项目的体验、奥运场馆的虚拟漫游等。它也是一个可以通过远程来访问的系统，支持多种接入设备，可以是PC机，也可以是像PDA或手机那样的移动设备。而对于不同的设备，需要考虑支持不同的交互模式和绘制精度。
一般的博物馆通常是静态的展示，奥运博物馆则有所不同。奥运作为大型的体育运动会，其动态的元素居多，适合使用计算机技术进行动态的“活”的展示。

[font=Verdana][img]http://imgs.ccw.com.cn/resources/2007_08/2007_08_04/200708049091186218252876.jpg[/img]5k,it!bJGvF
图 5可以在虚拟奥运博物馆中展示中国古代的体育运动，如射箭*F]8nB2k2}0cH
奥运场馆的规划"V"z~7H#n
与一般的城市建筑规划类似，奥运场馆的规划的关联性和前瞻性比较 [table][tr][td]
[/td][/tr][/table]高，所以对可视化技术的需求也比较迫切。在场馆建设中，规划的决策者、设计者、管理者以及公众，分别扮演了不同的角色，他们的有效合作是场馆规划最终成功的前提。VR技术为这种合作提供了理想的桥梁，运用VR技术能够使政府规划部门、项目开发商、工程人员及公众可从任意角度，实时互动真实地看到规划效果，更好地掌握场馆的形态和理解规划师的设计意图，这样决策者的宏观决策将成为场馆规划更有机的组成部分，公众的参与也能真正得以实现。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的
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[font=Verdana]技术篇
从上面的介绍可以看到，将虚拟现实技术用到数字奥运中会使得数字奥运大放光彩。当然，这里面离不开相关技术的支持，如场景的建模与绘制、虚拟人技术、运动数据的捕获技术等等。W!Hu8f!FO-j
场景的建模与 [table][tr][td]
[/td][/tr][/table]绘制技术M:|h6s9X8z
在一个虚拟现实系统中，建模与实时绘制往往是最基本的技术。比如在数字奥运博物馆中，就需要根据从实际中获大量的多媒体数据，然后根据这些数据进行建模和实时绘制。 S4NEL$Xm6j
基于几何的建模和绘制技术已经有很多年的研究历史，有很多现成的技术可以直接使用。为了加速绘制，通常使用多层次细节模型（LOD）。给定一个物体的不同细节层次后，我们必须决定绘制或者混合其中的哪个层次，常用的度量方法有基于距离和基于投影面积的LOD选取，在不同细节层次间来回切换，需要保持连续过渡。通常我们还希望绘制系统具有一个固定的帧率，使用多细节层次和可见性裁剪等技术可以对场景进行固定帧率的绘制。7zcwv7Qk` Y$L VX
基于图像的建模和绘制技术（ IBMR）采用图像来替代几何建模，采用图像空间变换操作来代替传统的绘制过程，因此应用IBMR技术是实现实时图形生成的有效解决办法。
为了增强绘制效果，提高真实感，可以使用阴影技术。使用基于截锥体的方法可以把阴影作为一个纹理四边形来绘制，从而达到比较高的效率，但缺点是产生的阴影看上去像一系列点光源的叠加，而且在一些有限的灰度梯度之间阴影会被量化。研究人员引入分辨率不同的多个阴影图来解决透视走样，但算法无法映射到GPU上，并不适合于交互应用。
虚拟人技术
虚拟人运动与控制技术主要包括：虚拟人的建模、运动控制、行为动画及虚拟人群仿真。虚拟人体的建模方法，主要有基于交互式的人体造型方法、基于三维测量的人体重建方法、基于图像的人体重建方法和人体变形技术等。在人体变形研究方面，从人体产生形变的原理出发，主要分为三大类：由骨骼运动驱动而产生的变形、由人体肌肉收缩产生的变形、是由人体尺寸（如围度、长度等）参数改变而引起的变形。-q_ IfE#]+E
运动控制主要涉及到三个方面的内容：①赋予虚拟人运动。主要有关键帧动画、过程动画、运动捕捉等；②对虚拟人运动进行控制。主要内容包括运动修改、运动连接、运动合成、运动重定向、运动路径规划、运动风格等；③对运动数据进行保存。+E'Q6j+r XQ
在个体行为设计方面，可以使用行为集合选择的基本原则，即对每一个问题域，存在使智能主体能够完成其目标的行为最小集——基本行为集合，其余的行为可以从这个集合导出。行为动画的研究围绕行为设计、层次结构和行为选择决策机制三个方面的内容展开的。虚拟人群仿真的研究立足于人类的社会性。在虚拟环境中，群（Crowd）中可能包含多个组（Group），每个组可以有相同或者不同的行为模式；组中可能包含多个个体（Individual），而个体也可能有相同或者不同的行为模式。3Q5LM%xvo8HR
运动数据的捕获技术l3h'i&@6L-?G@
在对体育运动进行仿真时，往往离不开捕获一些相关的运动数据。对于人体的运动，可以由运动捕捉技术获得。运动捕捉技术(MotionCapture)是利用传感器以三维的形式记录真实人体的动作，然后由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(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。
在一些虚拟的球类运动中（如虚拟保龄球），需要检测球体运动速度。对于这类的运动分析，一般是从摄像头获取的一帧帧视频数据中，提取出目标物体，然后计算出球类的运动轨迹。
对于虚拟自行车或虚拟马拉松这类的系统，我们还需要提取作用于运动设备（自行车跑步机等）而产生的各种运动参数，输入到计算机，作用于虚拟环境，实现人与虚拟环境的交互。在虚拟自行车中，运动的数据通过传感器或采集卡实时地采集到计算机中，包括角度、角速度以及心率的采集等。角度通过角度传感器将车把的转动角度转换为电信号并传送到采集卡；角速度通过角速度传感器将后车轮的角速度转化为电信号传输到采集卡；通过心率表对运动员心率进行实时采集，可以采用现有的功率白行车上的心率采集系统N*v#F/d1A(L'v;G/~^
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