郭曉民 莊學(xué)偉

（泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362000）

體育運(yùn)動(dòng)一直以來都扮演著重要的社會(huì)和文化角色，同時(shí)也是人們互動(dòng)、鍛煉和娛樂的方式。其中，龍舟運(yùn)動(dòng)作為一項(xiàng)歷史悠久的傳統(tǒng)體育活動(dòng)，具有豐富的內(nèi)涵[1]。由于現(xiàn)代生活節(jié)奏加快，許多人無法親身參與精彩的體育賽事。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和體感交互技術(shù)飛速進(jìn)步，為大眾提供了親身模擬體驗(yàn)龍舟運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)。該文設(shè)計(jì)了一種基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的龍舟運(yùn)動(dòng)帶入數(shù)字時(shí)代，使更多人可以享受其樂趣。該系統(tǒng)使不同地區(qū)的龍舟愛好者使用虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和手柄模擬劃槳?jiǎng)幼?，通過虛擬龍舟賽事體驗(yàn)龍舟競(jìng)技精神。

1 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)總框架如圖1所示。

圖1 基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)總框架圖

由圖1可知，基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分。其中，硬件設(shè)計(jì)中采用Oculus Rift S系列的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔讓參與者進(jìn)入虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)環(huán)境，為其提供視覺沉浸感；采用HTC Vive Controller系列的體感控制器模擬槳的劃動(dòng)動(dòng)作，使參與者與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)；采用Oculus Rift內(nèi)置傳感器實(shí)時(shí)跟蹤參與者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)包括虛擬環(huán)境建模模塊、用戶界面和交互模塊、多人在線模塊以及訓(xùn)練模塊4個(gè)部分。虛擬環(huán)境建模模塊通過實(shí)時(shí)三維建模技術(shù)將真實(shí)的龍舟賽道、自然景觀、龍舟以及其他物體精確地還原到虛擬環(huán)境中；用戶界面和交互模塊根據(jù)虛擬建模模塊建設(shè)的賽道分成不同的模式供參賽者選擇，同時(shí)參賽者通過控制體感控制器進(jìn)行虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)；多人在線模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接為不同地點(diǎn)的多名參與者提供互動(dòng)和競(jìng)技的機(jī)會(huì)；訓(xùn)練模塊為新手提供教程，解釋龍舟賽事的規(guī)則和技巧。以上硬件、軟件的相互配合，可以為參與者提供全面的虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

2 虛擬環(huán)境建模模塊

在基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)中，虛擬環(huán)境建模模塊起到關(guān)鍵作用，其通過實(shí)時(shí)三維建模技術(shù)和物理引擎來還原龍舟運(yùn)動(dòng)的真實(shí)場(chǎng)景，增強(qiáng)參與者的沉浸感[2]。具體虛擬環(huán)境建模模塊流程如圖2所示。

圖2 虛擬環(huán)境建模模塊流程

由圖2可知，采集現(xiàn)實(shí)世界中龍舟賽道、自然景觀、龍舟以及其他物體的數(shù)據(jù)后，建模師將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維模型，并用三維建模軟件創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的物體和場(chǎng)景，根據(jù)物理引擎原理使用其中的數(shù)學(xué)模型來模擬自然元素，用納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程模擬流體動(dòng)力學(xué)，如公式（1）所示。

式中：ρ為密度；t為時(shí)間變量；u為速度向量；為壓力梯度；η為動(dòng)力黏性系數(shù)；為速度的拉普拉斯算子；為速度的梯度；g為重力加速度。

通過碰撞檢測(cè)模塊檢測(cè)物體之間的交點(diǎn)或重疊，從而確定是否發(fā)生碰撞；根據(jù)碰撞檢測(cè)模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)反饋模塊計(jì)算物體之間的力或振動(dòng)，用牛頓定律進(jìn)行計(jì)算，如公式（2）所示。

式中：F為力；m為物體的質(zhì)量；a為加速度。

數(shù)據(jù)反饋接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行驗(yàn)證并確認(rèn)數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性，采用圖像處理技術(shù)對(duì)紋理進(jìn)行過濾、著色以及增強(qiáng)濾鏡，再采用WebSocket通信對(duì)競(jìng)賽實(shí)況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，根據(jù)所發(fā)生的狀態(tài)變化來調(diào)整模型狀態(tài)。

3 用戶界面和交互模塊

用戶界面和交互模塊是確保參與者可以輕松掌握系統(tǒng)并享受虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵組成部分，同時(shí)為參與者提供直觀的選擇界面和實(shí)時(shí)響應(yīng)的交互體驗(yàn)。主要包括以下2個(gè)部分：1） 用戶界面設(shè)計(jì)。用戶界面是參與者與系統(tǒng)互動(dòng)的窗口，因此非常重要，用戶界面為參與者提供清晰簡(jiǎn)潔的選項(xiàng)，讓參與者選擇不同的龍舟運(yùn)動(dòng)模式。如圖3所示，用戶界面有競(jìng)技、多人競(jìng)賽以及訓(xùn)練模式3種選項(xiàng)供參與者選擇。此外，還有設(shè)置選項(xiàng)，使參與者通過自身的喜好調(diào)整音頻、圖形以及靈敏度等設(shè)置來獲得最佳虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。界面還包括參與者游戲進(jìn)度和成就的顯示模塊，可以記錄參與者的游戲數(shù)據(jù)。2） 交互控制。參與者通過使用體感控制器來模擬劃槳?jiǎng)幼?，這些控制器與虛擬龍舟的運(yùn)動(dòng)緊密連接[3]。同時(shí)，交互控制需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，采用低延遲的通信協(xié)議和技術(shù)保證參與者的動(dòng)作能夠立即反映在虛擬環(huán)境中，縮短響應(yīng)延遲時(shí)間差，響應(yīng)延遲時(shí)間差是參與者執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作的時(shí)間與虛擬環(huán)境中相應(yīng)變化的差異，具體計(jì)算方法如公式（3）所示。

圖3 虛擬龍舟用戶界面設(shè)計(jì)

式中：Ta為延遲時(shí)間；Tc為虛擬環(huán)境響應(yīng)時(shí)間；Td為參與者執(zhí)行動(dòng)作時(shí)間。

此外，在控制器中嵌入振動(dòng)裝置馬達(dá)，設(shè)置震動(dòng)強(qiáng)度為2.5 m/s2，參與者也可以根據(jù)自身所處的虛擬環(huán)境設(shè)置對(duì)應(yīng)的震動(dòng)強(qiáng)度和頻率。綜上所述，用戶界面和交互控制模塊的設(shè)計(jì)需要注重面向參與者的友好性和可訪問性，保證不同地區(qū)的參與者都能輕松參與虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)。

4 多人在線模塊

多人在線模塊使不同地點(diǎn)的參與者可以互相連接，共享虛擬龍舟運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)目的是增強(qiáng)參與者之間的社交互動(dòng)性，使參與者可以在虛擬環(huán)境中競(jìng)技或協(xié)作，與其他龍舟運(yùn)動(dòng)愛好者共享樂趣。具體設(shè)計(jì)步驟如下：1） 選擇虛擬專用服務(wù)器（VPS）承載多人在線模式，采用負(fù)載均衡和自動(dòng)擴(kuò)展技術(shù)處理大量參與者連接，通過TCP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)參與者的網(wǎng)絡(luò)的連接，采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）提供更穩(wěn)定的內(nèi)容傳輸和減少網(wǎng)絡(luò)延遲。2）采用TLS協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密，保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，建立參與者身份驗(yàn)證和授權(quán)機(jī)制，防止未經(jīng)授權(quán)參與者的訪問，遵循GDPR隱私法規(guī)，確保參與者的隱私信息受到保護(hù)保護(hù)。3） 采用網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)（WebSocket）來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，用音視頻編解碼器支持參與者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻和視頻通信。4） 采用Apache JMeter性能測(cè)試工具模擬多人在線場(chǎng)景，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬需求和服務(wù)器負(fù)載的情況，同步對(duì)HTTP性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，解決性能瓶頸，再邀請(qǐng)參與者參與測(cè)試，采用Survey Monkey在線反饋工具收集參與者的意見和建議。5） 定期更新系統(tǒng)組件、操作系統(tǒng)和安全補(bǔ)丁，修復(fù)已知漏洞，部署防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)（intrusion detection system，IDS）和反病毒軟件來防范網(wǎng)絡(luò)攻擊。

通過上述步驟，多人在線模塊可以實(shí)現(xiàn)多地點(diǎn)參與者的全球互聯(lián)，也可以為參與者提供實(shí)時(shí)互動(dòng)和高度安全的龍舟在線運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

5 訓(xùn)練模塊

訓(xùn)練模塊可以幫助新手參與者逐步熟悉龍舟賽事規(guī)則和技巧，同時(shí)為其提供實(shí)時(shí)練習(xí)反饋，幫助參與者不斷提升技能。主要包括以下2個(gè)部分：1） 教育性功能。訓(xùn)練模塊包括一系列新手教程，以引導(dǎo)初學(xué)者了解龍舟賽事的基本規(guī)則、龍舟的結(jié)構(gòu)以及槳的使用方法等。這些教程包括文字說明、圖像示范和視頻教程。同時(shí)，為參與者提供不同類型的龍舟賽事（例如競(jìng)速、協(xié)作賽事）的介紹和解釋，使參與者了解各種賽事的特點(diǎn)和規(guī)則，向參與者提供關(guān)于正確劃槳?jiǎng)幼?、團(tuán)隊(duì)協(xié)作技巧和龍舟控制的技術(shù)指導(dǎo)，評(píng)估參與者劃槳的節(jié)奏、平衡性等指標(biāo)，將這些指標(biāo)轉(zhuǎn)化為技能得分評(píng)估參與者的技能水平。參與者劃槳節(jié)奏的得分如公式（4）所示。根據(jù)參與者操縱龍舟的水平和垂直平衡性計(jì)算其平衡性的得分，如公式（5）所示（利用公式（5）可以評(píng)估參與者在龍舟運(yùn)動(dòng)中的準(zhǔn)確性）。2） 進(jìn)度追蹤。訓(xùn)練模塊學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS）跟蹤參與者游戲的進(jìn)度和成就，記錄其完成的教程、提高的技能水平等，以鼓勵(lì)參與者繼續(xù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。同時(shí)，采用游戲化元素（例如任務(wù)、獎(jiǎng)勵(lì)以及成就系統(tǒng)）來提高參與者的參與度和積極性，可以獎(jiǎng)勵(lì)參與者完成任務(wù)或挑戰(zhàn)成功后獲得虛擬貨幣，可購(gòu)買虛擬物品或升級(jí)。采用機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析參與者的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)，為其提供個(gè)性化的建議和反饋。此外，NLP技術(shù)可以更好地理解參與者提出的問題，快速為其提供精確合理的答案，通過建立參與者模型，系統(tǒng)可以根據(jù)每位參與者的需求和技能水平提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑和建議。

式中：S為節(jié)奏得分；C實(shí)際為參與者實(shí)際的節(jié)奏；S理想為系統(tǒng)設(shè)定的理想節(jié)奏值。

式中：H為參與者平衡性得分值；A實(shí)際為參與者實(shí)際操作的平衡值；I理想為系統(tǒng)設(shè)定的理想平衡值。

6 測(cè)試與試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了保證基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，通過模擬試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的性能。試驗(yàn)測(cè)試需要準(zhǔn)備Intel Xeon Gold 6254系列的雙插槽服務(wù)器，每個(gè)插槽支持多個(gè)核心和線程，具備1TBDDR4ECC的內(nèi)存容量；采用Microsoft SQL Server系列的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存與傳輸數(shù)據(jù)，采用Unity Test Runner系列的測(cè)試工具測(cè)試虛擬環(huán)境的性能以及遠(yuǎn)程桌面數(shù)據(jù)管理工具VCN等設(shè)備，確保其配置足夠支持試驗(yàn)順利進(jìn)行。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合采集的數(shù)據(jù)對(duì)基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)進(jìn)行分析，并生成詳細(xì)的試驗(yàn)報(bào)告，從而對(duì)該平臺(tái)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

由表1可知，系統(tǒng)最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為45 ms，最短響應(yīng)時(shí)間為78 ms，平均響應(yīng)時(shí)間為32 ms，平均響應(yīng)時(shí)間低于50 ms，表明該系統(tǒng)在響應(yīng)參與者操作方面表現(xiàn)出色；平均幀速率為90 f/s，最低幀速率為80 f/s，最高幀速率為100 f/s，最低幀速率>80 f/s，表明該系統(tǒng)在幀速率方面表現(xiàn)良好；系統(tǒng)平均延遲時(shí)間為20 ms，最長(zhǎng)延遲時(shí)間為35 ms，最短延遲時(shí)間為15 ms，測(cè)試的延遲時(shí)間<20 ms，最長(zhǎng)延遲時(shí)間相對(duì)較短，這表明當(dāng)參與者啟動(dòng)游戲時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)。綜上所述，基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)在性能測(cè)試方面表現(xiàn)出色，該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、幀速率和延遲時(shí)間都在可接受范圍內(nèi)，需要注意的是，要繼續(xù)優(yōu)化最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，保證系統(tǒng)在各種情況下的響應(yīng)性能一致，從而進(jìn)一步提升參與者的游戲體驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

基于體感交互技術(shù)的多人龍舟運(yùn)動(dòng)虛擬交互展示系統(tǒng)代表了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂和體育領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。通過該系統(tǒng)，參與者可以在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的龍舟運(yùn)動(dòng)，可以與全球的龍舟運(yùn)動(dòng)愛好者互動(dòng)，還可以提高技能并享受社交的樂趣。該文圍繞該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境建模、用戶界面設(shè)計(jì)以及多人在線互動(dòng)進(jìn)行研究，確保系統(tǒng)可以提供給參與者最佳的體驗(yàn)，并通過全面測(cè)試系統(tǒng)性能來進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，以期為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在娛樂和體育領(lǐng)域的發(fā)展提供有力的支持和啟示。