一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统和方法

本发明属于虚拟现实，具体涉及一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统和方法。背景技术：：：1、得益于虚拟现实(vr)技术的迅速发展，vr科技为体育训练带来了新方式、新情景，虚拟现实开始应用于体育训练领域。像all-in-one sports vr和eleven table tennis这样的虚拟现实体育产品，旨在通过vr游戏创造身临其境的体育运动体验。虚拟现实的一个主要优点是它能够超越地理上的空间限制。例如，hanifah等人发现vr体育游戏有助于保持对体育的参与度。2、在专业运动员训练上，wu等人开发了一个虚拟现实滑雪程序，在vr环境中模拟出滑雪赛道的场景，以帮助阿尔卑斯滑雪运动员在无法提早前往适应场地的情况下，对比赛的赛道进行提前模拟适应。这些例子表明，虚拟现实技术有能力克服现实世界的限制，使人们参与进体育活动中来。3、多项研究对于在各种专业体育训练领域中整合虚拟现实(vr)技术进行了深入探讨。例如，tsai等人开发了一个以策略为重点的vr篮球训练系统；bai等人在vr排球游戏中引入了能表现出情感的虚拟角色，使得vr环境中的虚拟人具有了能随比赛情况而变化的面部表情，以提升用户在虚拟现实中参与体育运动的沉浸感和真实感。像neurotrainer和beyond sports这样的产品帮助专业运动员提高决策能力和缩短反应时间。4、这些产品主要强调针对精英运动员的认知技能。有些vr产品侧重于关注技能开发，如strivr。strivr与nfl、nba和滑雪队合作，提供高质量的vr训练环境，使运动员能够根据需求进行反复训练，同时降低运动损伤的风险。5、除了为专业运动员提供基于虚拟现实的体育训练，身体条件的限制和配套资源的短缺，是阻碍残障人士参与体育运动的主要因素(stevenson,p.2009,depauw,k.p.,ands.j.gavron.2005)。fu和ji的近期研究提出了一条有望解决该问题的途径。他们通过系统性回顾发现，虚拟现实训练应用于发育性残疾的运动干预中，能获得显著的积极效益。6、此外，弗林德斯大学的研究人员进行的一项研究也展示了vr在鼓励智力残疾人士进行常规体育锻炼方面的潜力，实验参与者表示他们在体育运动中体验到了乐趣和参与感。byers等人开发了三个残疾人体育游戏，这些游戏重点是设计适合于残障人士的包容性游戏及其互动场景，帮助身体残疾的年轻人参与一些适应性体育活动。这些研究展现出虚拟现实技术帮助克服残障人士参与体育活动障碍的巨大潜力。7、但是，现有研究中仍存在以下不足：8、首先，能涵盖非专业运动员且专注于技能训练的虚拟现实方法较少。现有的方法及产品难以为所有技能水平的用户提供可定制的训练任务和表现评价。9、其次，虚拟现实在残疾人体育运动方面的应用较少。现有的技术和方法主要侧重于残疾人的虚拟现实运动参与，但将虚拟现实应用集成到专门化体育训练的方案，几乎还未得到开发。10、此外，现有的vr游戏及虚拟现实体育训练方案，多使用传统的控制器输入方法。而手持式的控制器，对于以排球为代表的，需要手部做出复杂动作的运动类型来说，具有巨大的局限性。少部分实现方案不使用手持式控制器，而是通过vr设备内置的摄像头采集信息，由计算机视觉算法精确地追踪用户整个手部的位置和方向。但现有的手部追踪方案中，几乎没有大部分体育运动所需的精确力反馈。例如在排球的虚拟现实场景中，如果不能准确反映球员的击球力度，就无法模拟关键的比赛情景，难以达到辅助训练的效果。11、以坐式排球为例，坐式排球是一个残奥项目，保留了排球的基本技战术，但比赛场地更小，球网高度更低。在全世界，坐式排球都是一项广受欢迎的残疾人运动。12、然而，坐式排球的专门场地极其稀缺。在美国，尽管男女坐式排球国家队都有世界顶尖水平，但只有4个俱乐部设有官方坐式排球项目，而这些俱乐部中只有一个为坐式排球队提供专用场地。在中国坐式排球场地同样极为匮乏。这种情况严重限制了坐式排球运动员的训练，同时也阻碍了残疾人运动的大众参与。此外，坐式排球运动的发展过程中还存在教练资源缺乏、训练过程中缺少数字化的表现评估及分析等问题。13、因此，在坐式排球领域，目前还没有专门针对坐式排球的虚拟现实应用。技术实现思路1、本发明的目的是提供一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统和方法，通过vr设备提供的沉浸式虚拟环境，为所有排球爱好者提供一个低门槛、易获得的坐式排球训练环境。2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：3、第一方面，本发明实施例提供的一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统，包括用户界面和任务模拟器：4、所述用户界面，包含用于提供所有可选的训练任务的菜单页面和参数设置页面，所述训练任务包含接发球、接扣球、拦网和网上球处理；5、所述任务模拟器，集成了一个基于虚拟现实的三维坐式排球标准比赛场地、发球机仿真模型、交互模块以及表现评估模块，根据用户选定的训练任务进行辅助训练；6、其中，发球机仿真模型，用于根据用户在参数设置页面设定的发球数据进行发球，所述发球数据包括发球机位置、发球力度、发球角度以及发出球的期望轨迹；7、交互模块，包含手部追踪单元和力度反馈单元，所述手部追踪单元用于识别用户手部真实的排球技术动作，完成击球，所述力度反馈单元通过集成碰撞检测系统，实现用户击球的力度反馈；8、表现评估模块，包含听觉反馈和场景内可视化模块，用于对用户的训练表现进行实时反馈。9、针对坐式排球在基于虚拟现实的体育训练领域的空缺，本发明提出一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统和方法，填补了这一空缺。具体地，设计了一个基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统，系统名称为volleynaut，在系统中集成了用户界面和任务模拟器，在任务模拟器中还集成了一个基于虚拟现实的三维坐式排球标准比赛场地、发球机仿真模型、交互模块以及表现评估模块。10、基于unity3d开发了坐式排球辅助训练系统的任务模拟器，通过设置接发球、接扣球、拦网和网上球处理四个基本的训练任务，涵盖了从初学者到专业运动员的训练需求；并设计了用户友好的用户界面，参与训练的用户根据自己的需求在用户界面选择训练任务并设置训练参数；训练时，发球机仿真模型模拟对方发球，用户与球互动，交互模块采用meta交互软件开发套件(interaction sdk)进行手部追踪和力度反馈，表现评估模块设置了听觉反馈和场景内可视化模块，对用户的训练表现进行实时反馈。在保证用户体验的前提下，通过交互模块和表现评估模块对用户的训练表现进行精准追踪和反馈，提升训练质量。11、进一步的，所述的菜单页面中还提供了训练任务的概述，用户在菜单页面中选定训练任务后，跳转到参数设置页面，所述参数设置页面用于设置训练参数。这个用户友好的界面确保系统能满足从初学者到顶级运动员的各种用户的需求，使其成为一个具有强包容性和适应性的训练平台。12、进一步的，所述训练参数包含发球数据、训练任务持续时间、当前任务类别、用户在场上的位置和高度、当前任务发球时间间隔。13、进一步的，所述的任务模拟器基于unity3d开发，支持通过输入训练参数对三维坐式排球标准比赛场地上的用户位置、发球机位置以及发球机发球类型进行识别。14、进一步的，所述的手部追踪单元，能够追踪用户整个手部的位置和方向，追踪到的排球技术动作包括前臂垫球、高位传球、封堵球和轻触球。这样设置避免了使用传统的手持控制器进行机械化的手部动作，而是对用户的手部动作进行追踪，更加灵活准确，在增强用户沉浸感的同时，使虚拟场景中的排球技术动作更贴近真实场景，提高训练有效性。15、作为本发明的进一步优选，手部追踪单元基于meta交互软件开发套件interaction sdk的动作追踪进行开发。16、进一步的，所述的力度反馈单元，通过在手部追踪单元上集成碰撞检测系统，进行手部追踪的同时，根据用户击球过程中手与球碰撞瞬间的状态，计算碰撞力度，进行力度反馈。这样设置解决了现有手部追踪技术中心无法进行精确力度反馈的不足，通过在手部追踪单元上集成碰撞检测系统，能在手部追踪的同时，得到用户的击球力度，这使得用户在虚拟现实中进行坐式排球训练时，能获得真实细致的力度反馈。17、进一步的，所述的听觉反馈，具体为：当用户成功触击球，并且球的轨迹满足好球条件时，系统会向用户做出声音反馈，所述好球条件是指：在接发球和接扣球任务中，球的落点在我方界内位于距离球网线0到2米，距离右边线1到3米的范围内；在拦网和网上球处理任务中，同时满足以下两个条件：第一，手部击打到球；第二，球的落点位于对方界内或是我方界内距离球网线2米到5米的范围内。利用这种即时的音频强化作为反馈，来引导正确的技术和技能训练方向，并期望通过运动中的音频反馈来积极影响用户的主观认知，加入实时的音频提示，另一个目标是提高用户参与坐式排球训练的信心，增强动力，以鼓励并帮助用户掌握体育运动关键技能。18、进一步的，所述的场景内可视化模块，包含三维球路可视化、场景内大屏幕显示，旨在为用户提供运动表现的多维度分析，提高用户在坐式排球训练中评估并提高自己技术水平的能力，19、所述三维球路可视化包含球的轨迹、落点以及发球机仿真模型的击球点；通过为用户提供完整的排球轨迹的三维可视化，从发球机仿真模型发出球开始，到排球落地为止，这种视觉呈现的方法旨在加强用户对来球轨迹以及击球后轨迹的理解，能为用户提供自身表现的有效反馈，以达到辅助训练的效果；20、所述场景内大屏幕显示用于显示用户的训练数据，所述训练数据包含整体表现、球的二维轨迹与落点以及击球接触点，所述整体表现包括由发球机仿真模型发出的球的总数、用户成功击球的总数以及被判定满足好球条件的次数。在三维球路可视化的基础上，为解决虚拟现实的视野限制可能会影响用户观察球的三维路径的问题，本发明提出以球的二维轨迹与落点显示作为补充。这保证了用户即使在球场上视角受限的情况下，也能观察球的运动状态。同时球场平面图上的轨迹与落点，能更直观地给出球在场上的相对位置展现，便于用户理解。击球接触点可视化旨在帮助运动员获取完整的击球信息，以更好地调整技术动作，达到期望的击球效果。21、第二方面，为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练方法，包括以下步骤；22、(1)用户在不小于2米×2米的真实场景中佩戴任一虚拟现实设备，在所述虚拟现实设备中载入坐式排球辅助训练系统；23、(2)进入坐式排球辅助训练系统的用户界面，用户在菜单页面中根据个人需求选择训练任务，并在参数设置页面设定训练参数，所述训练参数包含发球数据、训练任务持续时间、当前任务类别、用户在场上的位置和高度、当前任务发球时间间隔；24、(3)任务模拟器根据用户选定的训练任务开始训练，任务模拟器中集成了一个基于虚拟现实的三维坐式排球标准比赛场地、发球机仿真模型、交互模块以及表现评估模块，其中，发球机仿真模型根据用户设定的发球数据发球，用户执行手部的排球技术动作，交互模块对用户进行手部跟踪和击球力度反馈，表现评估模块内置了听觉反馈和场景内可视化模块对用户的训练表现进行实时反馈。25、本发明的有益效果如下：26、(1)本发明针对虚拟现实技术在坐式排球体育训练领域的空白，设计了一种基于虚拟现实的坐式排球辅助训练系统，填补了领域空缺，为坐式排球爱好者以及专业运动员提供便捷、低成本的训练；27、(2)本发明设计的坐式排球辅助训练系统包括用户界面和任务模拟器，为满足从初学者到顶级运动员的各种用户的训练需求，坐式排球辅助训练系统中提供了四个关键训练任务，分别为接发球、接扣球、拦网和网上球处理，使得本发明系统成为一个具有强包容性和适应性的训练平台；28、(3)本发明为提升用户体验和训练效果，设置了交互模块以及表现评估模块，通过整合meta交互软件开发套件(interaction sdk)和碰撞检测系统，在对用户手部动作进行追踪的同时，估计用户击球的力度，实时反馈给用户，另外，结合表现评估模块中的听觉反馈和场景内可视化模块，对用户的训练表现进行实时反馈，在保证用户体验的前提下，能够明显提升用户的训练效果。当前第1页12当前第1页12