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为提升运动训练的科学性与训练质量，作为纳斯达克上市企业“微美全息US.WIMI”旗下研究机构“微美全息科学院”的科学家们研究基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统。通过运动捕获方式采集初始运动数据构成动作数据库，采用偏移映射技术修正并设计动作数据库中的动作，依据运动员人体参数，结合人体运动方程，检验修正设计后动作的合理性，获取标准技术动作，通过运动拼接方式编排模拟各个标准技术动作，得到全新的成套标准技术模拟动作后，以同屏同步方式将其与运动员训练动作视频作对比分析，提升运动训练动作的质量与训练水平，实现运动训练的仿真模拟。

一、引言：

以标准技术动作为基础的竞技体育要求参与运动员具有娴熟的技术动作。为实现此目标不仅需要运动员持续刻苦地训练，更重要的是应向教练员提供科学有效的训练方式，提升运动训练水平。我国竞技体育运动训练的科技水平一直以来均处于相对较低的状态，大多数教练通过经验与主观意识进行运动训练教导，仅依靠经验与肉眼判断引导运动员的技术动作，导致运动员需数次重复练习方可掌握技术要领，因此造成我国竞技体育运动训练质量低且技术动作水平提升缓慢。为此，国内外研究者通过研究及实际验证得出，将数字图形图像技术加入运动训练当中，能够提升运动员运动训练时掌握技术要领的效率，有效降低运动员运动训练过程中受伤的几率，提升整体运动训练效果。

虚拟现实技术也可简称为VR 技术，具有交互性、构想性及沉浸性等特点，通过综合运用人工智能技术、多媒体技术、数字图形图像技术、计算机网络技术及多媒体传感技术等对人的感官功能进行仿真模拟，令用户沉浸于其呈现的虚拟环境内，通过可以手势及语言等方式实现实时交互，构建出一种适人化的多维信息空间，应用前景极为广阔。如今，虚拟现实技术已进入建筑设计、文化娱乐、工业级教育培训等多个领域内，其中，体育领域的虚拟现实技术多用于运动训练与教学中，基于此技术实现对训练科学水平、训练过程及技术动作的优化与完善。为此，文中研究基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统，为有效提升教练员的科学训练与运动员的技术动作提供了帮助。

二、运动训练仿真模拟系统

2.1 系统整体概述

通过人体实际运动和运动生物力学两种数据及数字化三维人体运动的虚拟现实技术，实现以虚拟现实技术仿真模拟、修正设计运动训练动作的目的，同时采用人体运动的动力学理论分析与检验所设计的技术动作，并将检验后的标准技术动作编排模拟为成套的动作序列，通过同步、同屏的方式对比该仿真模拟动作序列和运动员训练动作视频，提升仿真模拟的现实指导意义与应用价值。基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统整体架构见图1。

图1系统整体架构

构成系统的两个关键部分为仿真模拟动作和运动训练动作对比、标准技术动作仿真模拟。其中，运动训练标准技术动作指的是在裁判员或教练头脑中被认准的理想技术动作，此类技术动作能够提升运动训练水平与运动比赛时的得分。为了更好的辅助运动训练，可通过图形化与量化裁判员和教练的先验知识。

基于此，需向裁判员或教练提供一种仿真模拟运动训练标准技术动作的方式。以偏移映射方式修正、设计运动训练捕获动作数据库中的动作，以运动员的人体参数为出发点，依据体态参数特点对我国人体惯性参数完成预估，同时，将该参数通过人体运动方程对仿真模拟结果进行检验，实现降低仿真模拟误差的目的，对检验后的标准技术动作进行编辑模拟，得出成套标准技术模拟动作，构成三维标准模拟动作库。

仿真模拟运动训练标准技术动作的过程见图2。在现实运动训练时，为提升运动训练水平，可对比分析标准技术动作仿真模拟结果和运动员现实运动训练动作，提升运动员对自身运动训练时技术动作不足之处的认知[9]。通过摄影机正交投影模型，由运动训练视频内运算得出摄影机参数，以此确准运动训练视频视点相等的三维虚拟场景的控制参数，对比仿真模拟标准技术动作和现实运动训练动作，为教练引导运动训练提供有效帮助。

图2标准技术动作仿真模拟过程

三、仿真测试

将文中系统应用于某地区跳水队与排球队的运动训练中，对两队运动训练过程中的运动员动作进行仿真模拟，通过仿真模拟效果文中系统呈现该体操队的训练效果，检验文中系统的应用性能。仿真模拟效果分析通过PC/Windows/VC5.9软件环境实现文中系统的开发，应用中系统仿真模拟某跳水运动员的起跳技术动作与某男子排球运动员的发球技术动作，并用y方向的欧拉角分别表示两个动作，对比技术动作的仿真模拟效果与y方向欧拉角表示的相似度，检验文中系统的仿真模拟效果。

技术动作效果呈现及欧拉角表示如3所示。通过图3可看出，该系统对两个技术动作的仿真模拟效果与y方向欧拉角表示极为相符，说明文中系统仿真模拟效果好，模拟结果可用于实际运动训练中，且更便于在该系统模拟结果的基础上实现对动作的修改，以及便于将模拟结果用于之后与训练视频的对比分析中。

(a) 跳水动作呈现

(b) 跳水动作欧拉角表示

(c) 发球动作效果呈现

(d) 发球动作欧拉角表示

图3仿真模拟效果呈现

四、结论

文中针对基于虚拟现实技术的运动训练仿真模拟系统展开研究，虚拟现实技术包括计算机网络、多媒体、多媒体传感及数字图形图像等技术，具备沉浸性与交互性等功能特征，能够实现对人体特性的仿真模拟，并令使用者沉浸于其虚拟环境内与其实现交互，文中构建了包含对比仿真模拟动作和运动训练动作及标准技术动作仿真模拟两部分的整体系统，并运用虚拟现实技术中的各种图形图像技术仿真模拟运动训练动作的相关特点，实现系统的仿真模拟功能，通过实际应用验证了文中系统可提升运动训练效果及效率，具有较高的实际应用价值。

微美全息科学院成立于2020年8月，致力于全息AI视觉探索科技未知，以人类愿景为驱动力，开展基础科学和创新性技术研究。全息科学创新中心致力于全息AI视觉探索科技未知, 吸引、集聚、整合全球相关资源和优势力量，推进以科技创新为核心的全面创新，开展基础科学和创新性技术研究。微美全息科学院计划在以下范畴拓展对未来世界的科学研究：

一、全息计算科学：脑机全息计算、量子全息计算、光电全息计算、中微子全息计算、生物全息计算、磁浮全息计算

二、全息通信科学：脑机全息通信、量子全息通信、暗物质全息通信、真空全息通信、光电全息通信、磁浮全息通信

三、微集成科学：脑机微集成、中微子微集成、生物微集成、光电微集成、量子微集成、磁浮微集成

四、全息云科学：脑机全息云、量子全息云、光电全息云

以下是微美全息科学院的部分科学家成员：

郭松睿，湖南大学计算机科学技术工学博士，曾在中科院科学计算国家重点实验室 合现实技术研修班 学习混合现实，增强现实技术，参与研发多个重点项目。

江涛，中国科学院沈阳自动化研究所博士，机器人学国家重点实验室，研究方向为微型仿生飞行器的气动/结构设计、控制与系统开发，在2018年获得 ICRCA-2018 机器人 EI 国际会议"最佳论文奖"。

杨军超，重庆邮电大学通信与信息工程学院信息与通信工程专业博士研究生，华盛顿大学电子工程学院联合培养博士，长期研究虚拟现实、5G多媒体传输优化、基于MEC的智能转码优化，以第一作者发表SCI/EI 论文 6 篇，中文核心 1 篇，申请专利 4 项。

李维娜 ，2017 年博士毕业于韩国忠北国立大学的信息和通信工程学院。2017 年 8 月去了新加坡的 Singapore-MIT Alliance for research and technology centre(SMART)从事压缩全息（compressive digital holography）的博士后工作，2018 年 11 月进入清华大学深圳国际研究生院的先进制造学部，在以前工作的基础上把数字全息（digital holography）拓展到机器学习（machinelearning）领域，特别是对 U 型网络（U-net）的改进和应用。在上述研究领域以第一作者发表高水平论文 5 篇，以第二作者发表的高水平论文2 篇。

曲晓峰，香港理工大学博士，现任清华大学深圳研究生院博士后，主要研究生物特征识别、机器视觉、模式识别，与绿米联创合作进行嵌入式产品算法、深度学习应用、图像与视频相关算法以及生物特征识别相关产品的开发。

危昔均，香港理工大学康复治疗科学系博士，南方医科大学深圳医院虚拟现实康复实验室负责人，主要研究基于虚拟现实技术的康复系统搭建及相关临床和基础研究。

单羽，昆士兰科技大学数字媒体研究中心（澳大利亚）博士，研究方向为虚拟现实娱乐产业与亚洲创意经济，曾参加多场虚拟现实产业的国际学术会议并发表主题演讲，发表多篇以“虚拟现实艺术”相关的学术论文，并参与国内多个虚拟现实娱乐产业领域的项目研究。

刘超，新加坡南洋理工大学博士，是深圳市南山区领航人才，深圳市海外高层次人才孔雀计划C类, Molecular Physics 2011年度最佳年轻作者提名，主要研究方向为人工智能预测过渡金属氢化物金属氢键键长与解离能和环式加成反应中量子力学/分子力学反应机理研究，曾参与过流程模拟软件的开发与研究。

张婷，美国西北大学博士后，香港大学博士，海外高层次人才孔雀计划C类，主要从事VR/MR关键技术研发应用和复杂服务系统优化等研究，发表全息专利5项。获全国＂挑战杯＂创业计划大赛 湖北省一等奖，华中科技大学一等奖。

姚卫，湖南大学计算机科学与技术工学博士，主要研究方向：忆阻神经网络及其动力学行为，应用于：图像处理、安全通信。基于VDCCTA具有长时记忆特性的忆阻器电路及其构成的神经网络。参与设计基于忆阻器的神经网络系统模型。基于忆阻器的仿生物神经元和突触连接的微电子电路设计，参与基于忆阻器的神经网络系统模型的设计与动力学行为的分析。

彭华军，博士，毕业于香港科技大学显示技术研究中心（CDR），从事硅基液晶器件、AMOLED材料与器件、TFT器件、显示光学等研发工作。彭博士一直从事信息显示领域前沿工作，涵盖电视图像色彩管理、AMOLED生产制造、微显示芯片设计与制造、投影与近眼显示光学等。彭博士在国际刊物上发表20篇文章。已申请近50项中国发明和美国发明专利，其中10项美国专利和20项中国发明专利获得授权。

陈能军，中国人民大学经济学博士、上海交通大学应用经济学博士后，广东省金融创新研究会副秘书长、广东省国际服务贸易学会理事。主要从事文化科技和产业经济的研究，近年来在版权产业领域研究方面有较好的建树。近年来先后主持、主研“5G时代的数字创意产业：全球价值链重构和中国路径”“深圳加快人工智能产业发展研究”“贸易强国视角下中国版权贸易发展战略研究”，“文化科技融合研究：基于版权交易与金融支持的双重视角”等省部级课题多项，并在《商业研究》《中国流通经济》《中国文化产业评论》等核心期刊发表论文多篇。

潘剑飞，香港理工大学博士学位，现为广东省高校“千百十工程”人才，深圳市海外高层次人才，深圳市高层次人才、深圳大学优秀学者。研究领域主要为自动化+VR 应用、先进数字化制造、 数字制造全息孪生工厂、机器人等。主持多项国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目和广东省自然科学基金项目。

杜玙璠，北京交通大学光学工程博士，取得与显示产品相关专利20余项，发表期刊文章3篇，曾打造全球最高分辨率的8K*4K 的VR产品，并提出了采用光场显示技术，解决VR辐辏冲突问题；推出首款国产化率100%的单目AR眼镜，第一次联合提出基于未来空间信息的非接触式交互的操作系统概念（System On Display），在运营商体系进行虚拟现实数字产业合作。

伍朝志，深圳大学光机电工程与应用专业博士，研究方向主要为精密/微细电解加工，发表过多篇期刊论文和会议论文，获得三项相关专利，曾参与国家重点研发计划 、国家自然科学基金重大研究计划重点项目等。

微美全息科学院旨在促进计算机科学和全息、量子计算等相关领域面向实际行业场景和未来世界的前沿研究。建立产研合作平台，促进重大科技创新应用，打造产业、研究中心深度融合的生态圈。微美全息科学院秉承“让有人的地方就有科技”为使命，专注未来世界的全息科学研究，为全球人类科技进步添砖加瓦。

微美全息成立于2015年，纳斯达克股票代码：WiMi。$纳斯达克(.IXIC)$ $微美全息(WIMI)$

微美全息专注于全息云服务，主要聚集在车载AR全息HUD、3D全息脉冲LiDAR、头戴光场全息设备、全息半导体、全息云软件、全息汽车导航、元宇宙全息AR/VR设备、元宇宙全息云软件等专业领域,覆盖从全息车载AR技术、3D全息脉冲LiDAR技术、全息视觉半导体技术、全息软件开发、全息AR虚拟广告技术、全息AR虚拟娱乐技术、全息ARSDK支付、互动全息虚拟通讯、元宇宙全息AR技术，元宇宙虚拟云服务等全息AR技术的多个环节，是一家全息云综合技术方案提供商。