《虚拟健身系统设计与实现》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

虚拟健身系统设计与实现

范文

卢思敏武瑛王唯

摘要：虚拟健身系统是一个通过虚拟现实进行健身指导的系统。人们可以通过键盘鼠标或语音手势进行视角切换，从不同角度查看健身动作的正确动作，并且可根据自身需求选择自己喜欢的健身动作，根据人物模型的动作对用户的动作进行自我指导。不同于线下健身受到的健身指导较少，且成本较高的情況，虚拟健身可以在时间、空间和资源等因素的限制下进行健身指导。本系统有相应的健身场景、人物模型，用户只需点击与拖动就可以完成所有操作，使用户能够得到良好的健身体验。

关键词：虚拟健身;Unity3D;动作捕捉;VR

中图分类号：TP391? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0210-03

1 引言

近年来，随着我国人工智能技术、传感器技术、传输技术等技术的不断发展，虚拟现实技术的水平也有较大提升，通过构建一个数字化的虚拟空间，呈现出了另一种不同的方式来更好的生活。现如今，健身作为一种健康积极的生活方式，成为了我们生活重要的一部分。

健康的身体是每个人追求的基础，但目前成本普遍偏高，所以人们会选择采取自学的方式进行体育锻炼达到健身的效果。在进行健身的过程中，因为没有健身指导，动作不准确，最后达到的效果会事倍功半，并且在健身过程中缺少健身指导可能会因动作不准确造成肌肉和骨骼的受伤。因此，正确的姿态与健身习惯可以让人们在健身上事半功倍。

随着计算机技术的发展，虚拟现实已经广泛使用于游戏、影视等多个行业，并且虚拟现实具有交互性、沉浸性和创意性的特点[1]。虚拟现实结合传统健身还可以与游戏、影视等场景结合起来[2]，同时具备了娱乐性和实用性。将健身和虚拟现实相结合的虚拟健身系统，通过穿戴传感器采集相关运动数据，实时传输到系统并进行分析，可以提供正确的健身指导，解决健身指导成本偏高和受伤的问题。

2 虚拟健身系统的设计

虚拟健身系统的设计目的是为了给用户提供一个真实的模拟健身场景，让用户能够在健身的过程中能够知晓自己肢体形态动作是否正确，按照系统中提供的人物模型和场景进行沉浸式体验。

2.1 虚拟健身系统的功能设计

虚拟健身系统的设计与规划如下：

（1）基本功能。

用户通过菜单选择不同的场景、人物模型进行健身。

（2）虚拟健身系统人物模型展示功能。

建立的人物模型尽可能接近真实人体，达到高仿真度，使用户在进行查看和自我姿态调整时更容易。

（3）场景与人物动作的高匹配度。

系统支持外部设备的匹配，当用户以第一视角使用虚拟健身外设，如机械平台时，场景会根据用户运动的变化而变化，如用户进行滑雪运动时，周围的场景会进行动态变化。

（4）运动建议功能。

通过穿戴更多外部设备，系统可通过外设上传的数据进行实时监测，根据用户数据，发出建议或警告，告知用户在锻炼某些部位时应该加强、减弱或不宜做的动作。

（5）动作纠正功能。

因为系统支持外部设备的连接，用户可通过穿戴传感设备，激活系统查看动作纠正的功能。用户在进行健身时通常很难发现自己的动作哪里做得不好，使用动作捕捉设备[3]可以实时捕捉用户的运动数据并实时上传，经过系统计算分析，纠正用户动作姿态[4]，从而达到健身指导的目的。

系统设计流程图如图1所示。

2.2 关键技术

2.2.1 人物模型建模技术

3D Studio Max通常被称为3d Max，是由Discreet公司所开发，可用于建立三维模型以及制作三维动画。使用3D Max进行人物模型建立，建立不同数据的人物模型，在用户输入个人数据后根据最匹配的人物模型进行动作指导，在动作上做到最匹配。

用户也可自行选择使用，系统允许用户对人物模型进行360°的旋转和查看，并提供不同的交互手段让用户能够在健身过程得到尽量良好的体验感。

2.2.2 虚拟场景建模技术

Unity3D是一个让用户能够建立三维模型、三维游戏、三维动画等类型的专业游戏引擎。Unity3D可以设计出不同的健身场景。需要有不同的场景让用户可进行选择使用，使用户在健身时保持良好的心情，所以本系统集成了多种场景的选择供用户自行切换。场景中的光线等参数用户都可进行简单调整，让用户在使用上能够有最舒畅的心情。

2.2.3 动作列表技术

人体肌肉大约有639块，锻炼不同的部位有不同的动作，所以本系统提供一个动作列表，并对锻炼不同的部位的动作进行分类，让用户进行动作预览。当用户进行不同的运动时，通过鼠标、触屏或语音等操作对相应部位的对应动作进行选择并锻炼。

2.2.4 动作效果技术

除了丰富的骨骼动画应用于人物模型上，本系统的动作主要通过动作捕捉设备对真人动作进行捕捉并记录数据，建立标准模型。用户的数据导入到系统中，系统对用户的数据与建模的标准数据进行比对，在健身锻炼的过程中用户可进行特定的动作矫正和动作优化。从而达到虚拟健身系统对用户进行健身指导的最终目的。

3 虚拟健身系统的实现

本系统中我们主要用到的技术主要有场景模型的建立、人物动作捕捉、三维动画、骨骼绑定、Unity3D支持使用的JavaScript与C#对脚本的编写。具体实现细节如下：

3.1 人物模型设计

本系统的用户覆盖面广，用户拥有不同的高矮胖瘦，针对不同的群体我们分为不同体型的模型，比如普通模型、梨型身材模型、瘦小型身材模型等，其中又含有男女两种性别的模型。用户根据自己的身材体型进行模型选择，对应模型系统提供不同的健身建议。

使用3D Max完成了模型后，进行骨骼绑定，骨骼创建完成后通过local Rotation Axes观察骨骼的轴向[5]，如果不统一需要及时调整，检查完后再对关节处进行锁定，防止人物模型关节处异常移动。

3.2 人物动画设计

人物的模型在用户进行健身的时候需要不停做出相应运动动作让用户观察并模仿做出对应动作，这就需要在模型上添加对应动作的骨骼动画了。我们使用动作捕捉设备对健身教练的标准健身动作进行捕捉，获取数据并绑定到对应人物模型上，保证人物模型动作在真实人体上符合科学性与准确性，在人物模型进行动作时就会有较高的灵活与真实性，也能让用户更好地模仿。

3.3 场景设计

健身系统中，为了能让用户能够持久坚持健身这种生活习惯，良好的健身环境是必不可少的一部分。美观并使人放松的环境能够很大程度上提高用户的体验，让用户能够沉浸其中，使其能够在感官上获得更舒适的体验。音乐也是场景不可或缺的一项，我们设计几种不同的场景与音乐提供给用户不同的健身环境，除此之外，我们提供用户对场景的环境光灯光、颜色与音乐的自定义调整，用户可通过点击和滑动等交互动作，对unity3D的自带属性进行调整。

3.4 交互设计

简单的交互可以在Unity3D中使用JavaScript或C#脚本实现[6]，并通过读取数据通过网络通信将其处理结果发送发到Unity3D对应参数，实现交互。清晰明了的GUI交互界面，能够为用户带来良好的体验，对于GUI交互界面的设计需要让用户能够简单易懂的使用系统。

（1）视角切换。

当用户以第一视角进行健身时，用户可身临其境的在环境中走动，并选择、查看运动动作。当切换到用户第三视角时，人物模型为VR环物模型，用户此时可对通过拖拽对模型进行旋转等动作实现360°查看。本系统默认为第一视角。

（2）动作匹配模式。

用户可通过穿戴设备使系统对相应数据进行实时计算分析并与标准模型数据进行匹配，对用户错误的姿势进行实时纠正。实现没有健身教练却又有健身指导效果的目的。

（3）场景切换功能。

用户通过鼠标、触屏或手势[7]对GUI按钮进行点击，切换不同的场景和音乐。用户可以选择并调整至其最喜欢的环境下进行健身训练。可缓解在局限空间中健身的心情压抑感。

在这些功能设计好后，在系统中通过鼠标、触屏对GUI界面中的按钮进行点击，无缝切换系统中的场景与动作，展示动作姿态与人物动作动画，主要通过切换健身的人物模型与场景模型来实现。

4 结束语

将虚拟现实技术应用到生活中，采用虚拟现实与健身结合的形式，利用3D Max构建人物模型，借助Unity3D游戏引擎实现对场景的仿真设计。用户可以选择喜欢的动作进行第一人称或第三人称视角进行锻炼，并选取喜欢的环境，很好地提高了用户的体验感。该系统为在时间、空间与资源等有局限人们提供了一个好的健身环境，以迎合全民健身时代的到来。

参考文献：

[1] 赖昌.虚拟现实技术与实验教学的结合[J].今日科苑，2009（18）：210.

[2] 杨红兰.移动平台的健身交互虚拟体验系统的研究[J].合肥学院学报（综合版），2017，34（2）：64-68，78.

[3] 王梦囡，陈康桂.基于惯性动作捕捉技术在体育训练上的应用——以羽毛球教学为例[J].当代体育科技，2020，10（11）：37-40.

[4] 陈伟江.动作捕捉技术在舞蹈姿态分析和教学中的实践研究[J].微型电脑应用，2020，36（3）：102-105.

[5] 李刚.三维动画《巨人与小丑》骨骼綁定制作[J].艺术时尚（下旬刊），2014（10）：69.

[6] 徐志刚，胡常英.基于Unity3D的虚拟汽车试验场漫游系统[J].计算机技术与发展，2019，29（5）：112-115.

[7] 杨绍清，刘伯艳.基于Unity 3D的Web 3D全景交互技术实现[J].科学技术创新，2020（31）：75-76.

【通联编辑：唐一东】

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。