一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的制作方法

本发明一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统，属于虚拟现实技术应用领域。

背景技术：

随着计算机和信息处理技术的快速发展，促使人们不断改进和完善传统足球训练理论，为足球运动员的训练提供技术上的参考和比赛建议。一些新科技设备的出现和应用在提高运动员们的训练水平方面起到有益的促进作用，比如我们熟知的polar心率表、garmin运动表、足球世界杯球员用于检测运动状态的智能胸围设备等。这些设备能够通过传感器和监控器收集运动员或使用者的实时身体数据，通过传感器网络传输到指定的计算机，为运动生物学分析提供了数据基础，使用者或分析师能够通过电脑软件对使用者或运动员的心率、身体机能等进行比较详细的分析，从而推测出使用者的身体状况和运动状态，进而设计出有针对性的训练方案、康复计划或比赛策略，提高运动员的训练、比赛成绩。

但是目前的足球训练系统的缺点也是很明显的。首先，在现代足球训练和比赛中，往往因为天气、场地、器材、经费等方面的原因，无法让足球训练或比赛随时进行，也容易使一些训练和比赛推迟、甚至取消、无法进行。其次，足球训练、比赛中充满了无法预测的突发事件，现代足球运动中高强度的身体对抗、高难度动作的完成、抢截球中铲球、争抢等危险动作都会给运动员身体造成不同程度的损伤、甚至是永久性的伤害，而现有的足球训练系统无法在真实体现力学行为下保护运动员不受伤害。再次，足球比赛中的很多经典动作，只能通过录像、照片等方式记录，没有其他方式能够再现，不利于足球运动员和研究人员深入研究其内部机理和场景再现；最后，足球是团队的交互活动，也是个体的协调活动的结果，但是每个队员的身体条件和背景经历千差万别，现有的足球训练技术难发掘不同队员的特点，也影响了队员的运动积极性和自信心。因此，开发出一种不受外界环境干扰、避免运动伤害、针对每个球员的新型训练系统是很有必要的。

在国内，随着互联网技术的发展和进步，为开发一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统提供了条件，但是，目前中国足球的发展长期滞足不前，广大球迷的足球兴趣日趋下降，市场上也很少有一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统，运用计算机进行三维动画的制作生成，建立与现实足球训练场地、比赛场地类似的模拟场景，并借助传感装置使用户在视觉、触觉、听觉等感官上与虚拟环境形成交互形成真实的训练感受，适合足球从业人员和研究人员深入研究足球运动的内在规律，在提高用户足球水平的前提能够大幅减少剧烈对抗对用户造成的身体伤害。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统，包括用户终端、局域网数据传输网络、客户端计算机、广域网数据传输网络、中央服务器、力学可视化数据库。通过用户终端中输入设备的传感器采集用户的实时状态信息，将采集的数据通过局域网数据传输网络传送到客户端计算机，客户端计算机计算出每个用户的运动状态、位置、生理特征信息，并通过广域网数据传输网络将计算结果实时传输到中央服务器，中央服务器通过用户的输入信息模拟出虚拟世界的场景、球场环境和天气条件，协调运动员之间的配合攻防、球队队形、以及分析是否有运动员犯规、计算足球的飞行轨迹和运动特征，并将这些表述虚拟物体的数据存储到力学可视化数据库中，通过3D可视化建模，从而生成可交互的虚拟足球世界。

所述用户终端包括输入设备、输出设备，所述输入设备是虚拟现实系统的输入接口，用于检测用户的状态、位置、生理参数，为构建力学可视化环境采集必要的数据；所述输入设备包括数据手套、数据衣、三维定位跟踪设备、摄像头，用来采集并传输用户与中央服务器104交互的输入信息。

所述输出设备是虚拟现实系统的输出接口,用于将中央服务器（104）输出信息展现给用户；所述输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，输出设备用于将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号。

进一步地，多个用户终端能够通过计算机网络将多个用户连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟足球经历。

所述局域网数据传输网络，采用ZigBee和WIFI无线网络传输技术，用于将用户终端输入设备采集的数据传输到客户端计算机进行分析与计算；

客户端计算机接收来自用户终端的输入设备采集的数据，通过这些数据对每个用户的运动信息进行数据处理，计算用户的位置、生理、运动状态信息，并将这些数据通过广域网数据传输网络传输到中央服务器。

所述广域网数据传输网络通过Internet将客户端计算机的数据实时传输到中央服务器，同时将中央服务器的计算结果返回到客户端计算机。

所述中央服务器是虚拟现实系统的控制中心，主要完成界面绘制、场景渲染以及人物动画等工作，通过用户的输入信息模拟出虚拟世界的场景，协调运动员之间的配合攻防、球队队形、以及分析是否有运动员接触或犯规等，并把计算结果通过用户终端的输出设备反馈给用户，对运动员的训练情况进行可视化处理、分析和统计，对运动员训练全过程进行记录，并可随时调阅和分析。

所述力学可视化数据库用来存放整个虚拟世界中所有对象模型的相关信息，以及不同用户虚拟现实交互计算的中间结果，并结合数据可视化技术，以一种更形象、更直观的方式展现不同用户在球场上的交互活动、人体各关节的数据结构及相对运动关系、足球的飞行轨迹与运动特性、足球场地与天气条件的力学特性。

本发明一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统，主要具有以下优点：

首先，本发明能够弥补现代足球教学训练、比赛条件的不足。本发明利用虚拟现实系统，不需要占用任何足球训练、比赛场地，不受天气条件、场地、器材等因素的影响，能够确保训练、比赛的随时顺利进行。用户足不出户便可以训练足球技战术，甚至可以在任何时间、任何地点训练，或参加虚拟比赛对抗，还可以让几支球队在同一时间、同一虚拟场地进行比赛，而不会发生冲突，这都是传统的足球训练、比赛技术所无法实现的，也便于缺乏足球场地的学校、单位开展足球训练，提高全民足球水平。

其次，本发明能够避免剧烈的足球训练和对抗所带来的身体伤害。随着现代足球技术的发展，足球的对抗性和竞争性越来越强，技术难度和技术复杂度也越来越高，利用虚拟现实技术可以轻松进行虚拟动作实验，则可以免除用户受伤的顾虑。运动员在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种高难度的动作和激烈的争抢而不易受伤，也可以在本系统之外进一步增加保护措施，从而大大减少运动员伤病几率，有助于提高球队在比赛前的战备水平。

再次，本发明能够提供力学可视化体验。本发明能够详细记录和分析比赛现场的场地、天气、足球、球员等因素的交互影响，通过头盔式显示器、震动传感器等全方位地展示足球运动过程的生物力学行为，具有科学性、交互性、力学可视性等优点，便于足球运动员、教练员和研究人员深入研究各种足球现象的内部机理、生物力学行为和场景再现，并能够结合足球运动实际、生物力学特性和人体运动规律，减少技战术中的错误行为，提高足球训练和比赛的科学性和实效性。

最后，本发明能够提供有个性化的训练、比赛方案、和伤病球员康复训练方案。利用本发明的虚拟现实技术，可记录下每个队员的个性特征、生理条件、技术特长等，从而在训练内容、任务、方式方法上提出因材施教的培养方案，根据伤病球员的受伤情况和康复情况制订科学完整的伤病球员术后康复训练计划，充分提高足球运动队、教练员的积极性，培养有个性的球员，使每个队员有更好的发展空间。

附图说明

图1是本发明所述一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的系统结构示意图。

图2是本发明所述一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的多用户终端组网的设计实施例。

图3是本发明所述一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的系统工作流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明实例提供的一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的系统结构示意图，包括如下模块：

用户终端100、局域网数据传输网络101、客户端计算机102、广域网数据传输网络103、中央服务器104、力学可视化数据库105。

用户终端100中输入设备包括数据手套/脚套、数据衣、三维定位跟踪设备、摄像头，其功能是检测用户的状态、位置、生理等参数，为构建力学可视化环境采集必要的数据；并通过数据传输网络发送给中央服务器104进行实时计算，从而实时更新虚拟世界的状态。

所述数据手套/脚套，分别戴在用户手上、穿在用户脚上。优选地，使用CyberGlove 数据手套/脚套，该数据手套/脚套具有22个传感器，传感器分辨率<1度，传感器数据传输速率最高可达120条记录/秒；支持802.11 Wi-Fi无线网络连接；具有USB、micro SD卡,并设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向，当移动手指时，客户计算机便可以获取手指的动作的信息，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操控，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给用户。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。

所述数据衣，穿在用户身上，优选地，能够对人体大约50多个不同的关节进行测量，包括膝盖、手臂、躯干和脚，可以捕获到用户胸部停球、身体触球、腿触球、脚触球、碰撞等动作，并通过光电转换，使用户身体的运动信息被计算机识别。优选地，能够通过BOOM显示器和数据手套与虚拟现实系统交互。优选地，数据衣由两部分设备组成，数据设备和分析设备。数据设备包括GPS模块、心率带，以及多轴加速仪、陀螺仪等，可以测定运动员在场上的位置、速度、跑动距离、心率变化、冲击负荷、耐力以及疲劳负荷等。分析设备，对同步传输到客户端计算机101的球员数据进行对比和分析，及时了解运动员的身体状态，以便教练进行调整，防止伤病。优选地，分析设备还具有报警装置，运动员一旦超过负荷，软件将报警，同时，教练可以更准确地掌握相应数据，制定或者改进技战术训练。

所述三维定位跟踪设备安装在数据手套和头盔显示器上，设有低频磁场式传感器，低频磁场式传感器的低频磁场是由该中传感器的磁场发射器产生的，该发射器有三个正交的天线组成，在接受器内也安装一个正交天线，它被安装在远处的运动物体上，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接受器相对于发射器的位置和方向，并通过通信电缆把数据传送给客户端计算机101。因此，计算机能间接的跟踪运动物体相对于反射器的位置和方向，并将其数据报告给虚拟现实系统。在虚拟现实系统中通过跟踪用户的头部位置与方位来确定用户的视点与视线方向，从而根据视点位置与视线方向来确定虚拟世界场景的显示。

所述摄像头，安装于用户周围,用于获取用户在三维空间中的位置、身体姿态、速度、力度等信息, 优选地，使用品牌: A LINE OF DEFENSE/一号防线，型号: 带云台网络摄像机，可变焦，感光面积: 1/3英寸，有效距离大于30m，镜头大小规格2.8mm。进一步地,所述摄像头由两个以上不同角度摄像头组成阵列，以形成全方位的位置监控；进一步地,所述摄像头与三维定位跟踪设备共同完成用户的跟踪定位，进一步提高足球运行中不同用户的位置定位、争抢球分析、犯规的判断、碰撞计算和球轨迹分析和演化。

用户终端100中输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，其功能是将虚拟世界中各种感知信号转变为人能接受的多通道刺激信号。

所述视觉感知设备主要是向用户提供立体宽视野的场景显示，并且这种场景的变化会实时改变。视觉感知设备使用的是头盔显示器。头盔式显示器戴在用户头上，优选的，使用VR一体机头盔头戴式3D巨幕影院显示器，四核 A7at1.3GHz CPU；采用MALI400MP2显卡；运行内存1GB；显示屏分辨率为1280x720 ，自带USB接口、3.5MM耳机接口，具有OTG功能；内置传感器，360度头部跟踪无死角。将小型二维显示器所产生的影像藉由光学系统放大，具体而言小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉。它是一种立体显示设备，安装在头部，并采用机械的方法固定，头与头盔之间不能有相对运动，在头盔显示器上配有空间位置跟踪设备，能实时检测出头部的位置，虚拟现实系统能在头盔显示器的屏幕上显示出反映当前位置的场景图像。

所述听觉感知设备的主要功能是提供虚拟世界中的三维真实感声音的输入及播放。听觉感知设备使用的是VRH360耳机，能够帮助分辨声音是从哪个方向传来。VRH360耳机戴在用户耳部，优选地，使用了高磁性能动圈喇叭，能够确保虚拟世界的声音拥有更真实的表现。通过加入新一代DSP芯片，在虚拟现实环境下实现声效和声场定位，灵敏度：-38±3db；耳机阻抗: ≤2.2KΩ 频响范围: 15Hz-25000KHz。并且加入了VIBⅡ代振动芯片，芯片可根据数字声源智能模拟振动效果，让用户耳畔的声音更立体。

所述触觉感知设备包括接触反馈和力反馈所产生的感知信息，安装于数据手套/脚套及数据衣上。接触反馈力的大小代表了作用在人皮肤上的作用力，它反映用户触摸的感觉，或者是皮肤上受到压力的感觉；而力反馈是在人的肌肉、关节和筋腱上的力。例如，当手拿起一个玻璃杯子时，通过接触反馈可以感觉到杯子是光滑而坚硬的，而通过力反馈，才能感觉到杯子的重量。触觉感觉设备使用的是充气式接触反馈手套。充气式接触反馈手套是使用小气囊作为传感装置，在手套上有20－30个小气囊放在对应的位置，当发生虚拟接触时，这些小气囊能够通过空气压缩泵的充气和放气而被迅速的加压或减压。同时由计算机中存储的相关力学模式数据来决定各个气囊在不同状态下的气压值，并结合虚拟场景的力学可视化技术，以再现碰触物体时手的触觉感受及其各部位的受力情况。

局域网数据传输网络101分别安装于头部跟踪接收器、手套/脚套、数据衣、头盔式显示器，以及客户端计算机（102）中。优选地，使用ZigBee无线模块和WIFI模块，ZigBee无线模块节点采用TI公司的CC2530作为主控制器芯片。该芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案。它结合了领先的RF收发器的优良性能，基于51内核，系统内可编程闪存，8KB RAM和许多其它强大的功能。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、超视距的特点。WIFI是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，优选地，使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段；传输速度非常快，可以达到54Mbps，符合所述系统大批量音视频信号处理的需求；由于发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率，所以WIFI用于头盔式显示器相对也是最安全健康的。

客户端计算机102安装于用户家中，优选的，使用芯片Inter(R) Core(TM) i3-2120 CPU @ 3.30GHz CPU、4GB Memory、2x18.2GB Internal Disk，其主要功能包括汇集所有输入输出用户终端设备，对个人运动状态信息的处理，通过采集到的信息进行加工计算，分析用户此时的运动状态，身体机能等各项数据的分析计算，在计算机中模拟生成用户的动作、位置等虚拟踢球信息即作为实时运动分析，也可为使用后对使用者的生理分析作为基础数据。

所述客户端计算机102的主要功能包括输入、输出计算，客户端计算机将采集到的信息加工计算后传输，用以模拟生成虚拟现实环境，将实时数据转化为虚拟的可视化的图像环境，转化为虚拟可视化的听觉环境，转化为虚拟可视化的触碰觉环境。

广域网数据传输网络103安装于用户家中和足球训练中心，优选地，采用基于Internet网络远程数据传输，传输速率大、频率利用率高、支持多种网络协议；广域网数据传输网络103作为客户端计算机和中央服务器间服务的纽带，采用基于Internet网络远程数据传输具有较高的可靠性、可扩展性、业务的完整性以及较低的系统运行成本。

中央服务器104安装在运动员训练中心，优选地，采用的是塔式ThinkServer TS140 S1225v3 服务器，其标配CPU数量为1颗，采用的是四核、四线程Intel 至强E3-1200 v3 CPU，CPU频率为3.2GHz；Non-ECC UDIMM四通道内存，内存容量4GB；1块1TB 3.5英寸7200转SATA硬盘，硬盘容量1TB；网络控制器为双千兆网卡；8个USB 2.0标准接口，配备有USB键盘、USB鼠标。

中央服务器104是虚拟世界的主要生成设备，它能够同时实时响应多个用户的输入和请求，并将用户输入的信息实时进行分析计算，计算出运动员的精准踢球位置，和协调多用户踢球，生成虚拟的踢球场景，并通过用户终端100中的输出设备将各种踢球信息反馈给用户。中央服务器104主要功能包括三维视觉通道信号生成与显示，在虚拟现实系统中生成显示所需三维立体、高真实感复杂场景，并能根据视点的变化进行实时绘制。优选地，中央服务器104主要功能包括听觉通道信号生成与显示，该功能支持三维真实感声音生成与播放，所谓三维真实感声音是具有动态方位感、距离感和三维空间效应的声音。

力学可视化数据库105安装在运动员训练中心，与所述的中央服务器104联结在一起，优选地，采用1台Sun E4500服务器作为数据库服务器，数据库建设采用目前主流的数据库技术Oracle 11g，服务器的配置分别为：4x750MHz UltraSPARC CPU、2GB Memory、18.2GB Internal Disk。Sun E4500服务器具有良好的计算性能、稳定性和扩展性，而且它对Oracle 等目前主流的数据库运行支持性很好。优选地，具有场景重现和数据备份功能，使用Legato QUalixHA+多机互为备份运行软件使两台服务器以HA的方式运行。

力学可视化数据库105主要存放的是整个虚拟世界中所有物体各方面信息。在虚拟世界中含有大量的物体，在数据库中就需要有相应的3D模型。如在显示图像计算时，需要有描述虚拟环境的三维数据库支持。优选地，选用IBM Storwize V3500(2071CU3)磁盘柜，兼容硬盘146GB/300GB 15Krpm、300GB/600GB/900GB 10Krpm、500GB/1TB 7.2Krpm，标配8GB缓存，外接主机通道1Gb iSCSI（可选8Gbps光纤通道），RAID支持RAID 0，1，5，6和10，单机磁盘数量24个，内置硬盘接口SAS，风扇全冗余，热插拔，产品电源全冗余，热插拔，405W，工作温度10-35℃。

如图2所示，为本发明所述一种基于力学可视化的虚拟足球运动控制系统的多用户终端组网的设计实施例，多个用户终端能够通过数据传输网络联系在一起，用户终端中的输入模块，即头部跟踪接收器，手套/脚套跟踪接收器，身体跟踪接收器等，获取用户的实时状态信息，传入每名用户的客户端计算机，客户端计算机通过三维跟踪系统，三维声音处理系统，三维触觉处理系统，三维足球处理系统等，分别为每个用户计算来自用户终端获取的信息，分别计算出每个用户此时所处的状态，分析出每个用户的运动状态，位置，生理特征等信息，将计算结果实时存储并通过数据传输网络传输到中央服务器。中央服务器首先模拟出虚拟世界的场景，并根据客户端计算机传输过来的各个用户的数据，在场景出虚拟出每个运动员、足球，及必要的声音、图像等。通过协调分析多个运动员之间的配合攻防，球队队形，及是否有运动员犯规等，并查询力学可视化数据库对用户、场景、足球进行三维建模，形成运动员和足球的运行轨迹和力学可视化场景，最后再实时反馈到不同的用户终端，实现多用户的协同训练，甚至虚拟比赛对抗。

如图3所示，为本发明实例提供的系统工作流程示意图，用户打开用户终端后，系统开始进行虚拟环境初始化并等待用户信息输入，初始化完成后，用户需选择是否开始训练；若用户选择否，则可以对球员模型、足球模型、场地模型、比赛模型、力学可视化模型等一系列模型进行维护；若用户选择开始训练，则系统开始为用户建立虚拟现实模型，并等待用户选择球队模式；在训练模式，多名用户需要确定是否为球队模式，若用户选择否，则用户将开始单人训练模式，在单人训练模式，每名用户可以查阅、学习和模仿各种足球动作，也可以根据历史数据和个人特性选择符合自己特点的有个性化的训练、比赛方案、和伤病球员康复训练方案，并对每种方案的优缺点给出量化评估和参考建议；若用户选择球队训练模式，则系统开始球队训练模式；然后系统等待进一步选择，是否为比赛模式，若用户选择否，则系统开始球队训练模式，并开始场地虚拟现实建模和足球虚拟现实建模，可以为球队推荐多种训练方案供选择，并对每种方案的优缺点给出量化评估和参考建议；若用户选择比赛模式，则系统开始球队比赛与协同计算，并开始场地虚拟现实建模和足球虚拟现实建模；最终系统将计算结果实时传递到虚拟现实终端，为每个用户提供全方位的力学可视化体验，并能在比赛结束时将每次训练或比赛的数据输出形成报表，供进一步研究和探讨。

以上实施方式仅适用于说明本发明公开，而并非对本发明公开的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明公开的精度和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明公开的范畴，本发明公开的专利保护范畴应自权利要求限定。