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摘要：探索以北京冬奥会为契机推动冬季运动在国内的发展、提升冬季运动的群众基础的新方法。冬季运动在我国的发展相对于落后且不平衡，群众基础薄弱。虚拟现实技术作为近些年大力发展的应用技术，因为现代社会的发展需要，越来越多的领域对虚拟现实技术的需求日益提升。本文通过分析我国冬季运动发展所遇到的问题，研究通过Unity引擎使用虚拟现实技术解决的可行性，并为未来的研究提供思路和方法。本文在实现冬季运动仿真所运用的关键技术有：三维模型的制作、运动动作的制作、虚拟现实交互等。
关键词：虚拟现实；三维交互；北京冬奥会；冬季运动；Unity引擎
The Exploration and Attempt of Virtual Reality Technology in Improving the Mass Base in Winter Sports
WANG Youjiang,LUO Caixi
(Binhai College,Nankai University,Tianjin 300270)
【Abstract】：Explore the new way to take the Beijing Olympic Winter Games as an opportunity to promote the development of winter sports in China and improve the mass base of winter sports.The development of winter sports in China is relatively backward and unbalanced,and the mass base is weak.Virtual reality technology as an application technology developed vigorously in recent years,because of the development needs of modern society,more and morefields increasing demand for virtual reality technology.This paper analyzes the problems encountered by the development of winter sports in China,studies the feasibility of using virtual reality technology through Unity engine,and provides ideas and methods for future research.In this paper,the key technologies used in the realizing the winter sports simulation are:the production of three-dimensional model,the production of sports motion,virtual reality interaction and so on.
【Key words】：VR(Virtual Reality);three dimensional interaction;Beijing Olympic Winter Game;winter sports;Unity engine
0引言
2017年7月31日，国际奥委会主席巴赫宣布北京获得第24届冬季奥林匹克运动会的举办权，这对我国冬季运动及相关产业的发展有着十分重要的意义。相对于夏季运动，冬季运动无论是群众基础、运动场馆设施建设、国家队建设及成绩都相对落后。由于北京冬奥会成功申办，全民冬季运动热情提升，为更好的备战本届冬奥会，借助冬奥会推过冬季运动，国务院办公厅印发了《关于以2022年北京冬奥会为契机大力发展冰雪运动的意见》[1]，其中更是提出要大力普及群众性冰雪运动和广泛开展青少年冰雪运动。随着政策出台，加之北京冬奥会日益临近，群众的冬季运动愈发上升，但是由于冬季运动自身的特点，仍然只有一部分人能参与冬季运动。本文通过研究冰雪运动发展的问题，尝试通过虚拟现实技术推广我国冬季运动在群众（尤其是青少年）间的发展[2]，为我国冰雪事业提出新的发展方法。
1冬季运动发展问题分析与解决尝试
我国冬季运动发展相对于落后，在北京冬奥会成功申办之前有些项目我们国家甚至没有国家队。而在社会层面，群众对冬季运动的了解不是很多，冬季运动市场也十分狭小。在加之冬季运动本身的特点，若要提升冬季运动群众基础需要解决一下问题：
（1）场地限制。与夏季运动不同，冬季运动多数需要使用专业的比赛场地与赛道，如：跳台滑雪、雪橇雪车等。这些比赛场地不同于夏季运动的田径场、足球场篮球场等，冬季运动场地需要进行专业的设计、建造与维护，这使得建造使用一个冬季运动场馆的造价十分高昂，这对于冬季运动群众基础的发展是十分不利的。我国国内虽有很多滑雪场、滑冰场，但这与足球场、篮球场的数量相比少之又少，根本不能满足人们的需要。
（2）气候问题。我国幅员辽阔，纬度跨越大，注定我国南北方气候差异极大，这造成了我国冬季项目“北强南弱”，再加上我国大部季节分明，能够开展冬季运动的时间又大大缩短，很多运动员为了保障竞技状态需要长时间在国外进行训练。随着技术的发展，近年来兴建了许多恒温的室内滑冰场、滑雪场，这使得我们可以解决因气候变化而产生的场地问题，我们可以推广建设更多的室内冰场和雪场来支持冰雪运动在人们群众间的开展，我国南方冰上项目实力的提升，就是最好的证明。
（3）经济问题。冬季运动普遍需要专业的运动器材与护具，有些项目甚至需要特制运动器材，这些装备往往价格昂贵，还需要进行专业保养，普通群众往往无法接受。
（4）安全性问题。绝大多数冬季运动都已竞速为主，这会不可避免的带来安全性问题。而安全问题不仅仅局限于护具，还决定于运动场地的防护措施、应急处理能力和医疗条件，这是一个受多方面影响的因素。
（5）冰雪文化底蕴不足[3]。目前国内冰雪文化底蕴严重不足，很多群众根本不了解冬季运动（如：比赛规则等），这与冬季运动的特殊性和国内体育媒体对冬季运动的介绍严重不足有关。体育媒体对冬季运动介绍的不足还体现在“明星”运动员上。提起优秀的运动员，群众普遍会想到如刘翔、姚明、易建联、郎平、郭晶晶、李娜等，然而很少知道第一个获得冬奥会奖牌的叶乔波、第一个获得冬奥会金牌的杨扬，以及李妮娜、王冰玉、武大靖等优秀的冬季项目运动员。这说明冬季项目优秀的运动员在知名度上还需要提升，这也是冬季运动发展的一个问题。
综上所述，我国冬季运动的发展还需要面临很多问题，绝大多数是由冬季运动的特殊性和我国实际的地理位置决定的。
1.1解决问题的思路或办法
计算机仿真技术的发展突飞猛进，计算机可以提供真实的环境和视觉体验，不妨尝试一下利用虚拟现实技术对冬季运动进行仿真，大大降低冬季运动的入门门槛，并且对其增加一些游戏性和科普内容，使其能更好地吸引群众并且提升群众冬季运动基础。
1.2具体实现的流程
（1）市场调研：通过市场调研了解市场上相关产品的情况，对这些产品进行分析总结，取长补短。
（2）社会调查：面向社会进行群众调查，主要了解用户群体的需求、看法及建议。
（3）详细设计：根据市场调研和社会调查结果，对项目总体框架和具体内容进行设计。
（4）项目制作：根据详细设计文档进行制作。
（5）测试维护：对项目进行运行测试和漏洞维护。
2三维模型的建立
三维虚拟场景的搭建需要大量的三维模型，为了获得较为真实的视觉体验需要对模型进行精致的制作。具体的漫游场景与场景细节需要在Unity进行制作，这也便于实现效果的展示。主要需要制作一下模型：比赛赛道及场馆、运动器械和运动员。建模软件主要实用上手简单、功能强大的3ds Max。
具体的步骤如下：
（1）通过网络搜索引擎搜集相关比赛场馆和运动器材的CAD图、三视图、概念图等图纸。
（2）根据图纸等文件通过3ds Max软件对比赛场馆和运动器材进行建模。为了减轻人工作量，人物建模制作一个复用即可。
（3）为了后期优化性能，建议准备高模、中模和底模三个不同精细程度的同样的模型。主要方法有利用3ds Max的功能对高模进行减面处理或者从底模开始不断精细。
（4）将模型导出为fbx文件（注：obj文件不包含动画、贴图等媒体信息，fbx文件则包含），导入到Unity中查看效果。
（5）修改模型。
以上步骤所包含的难点在于：第一点，为了使视觉效果更好，我们需要对模型进行较为真实的还原，尤其是模型的大小与比例问题；第二点，我们需要对部分模型制作高模，中模和底模三种不同精度的模型，这无疑增加了很多工作量；第三点，在Unity中观察模型的现实效果需要添加一些漫游脚本，这也增加了一些工作量和难度。
针对这些问题，我设计了如下解决方案：第一点，搜集图纸和数据并进行核对，确定各个模型的数据，将3ds Max软件单位进行统一，另外还需要比较不同的模型的比例，确定最终效果。第二点，可以使用一些3ds Max自带的功能或一些插件来实现高模的减面操作。第三点，可以使用Unity自带的角色移动包或者之编写简单的移动脚本，不考虑如碰撞等因素，减少难度和工作量。
为了完成冬季运动的仿真，除了建模还需要对模型进行贴图绘制，对人物模型进行蒙皮、骨骼绑定、动作制作。而这也是决定仿真是否真实合理的重要因素。
模型的贴图制作是一个非常重要的过程，因为用户对画面的美观度的要求越来越高。这里我们使用Substance Painter软件制作模型的贴图。该软件提供了大量预制好的智能材质，极大减少了贴图制作的难度和时间成本，还可以对模型贴图进行透明度、金属度等物理效果参数设置，但对于一些细节还需要使用Photoshop软件进行制作。另外还可以制作一些特殊贴图实现对模型真实度的提升，比如：制作法线贴图模拟模型表面的凹凸纹理；制作高光贴图实现对模型表面光泽度的模拟；制作金属度贴图模拟金属材质表面的光泽感。还可以使用高模的贴图烘焙到底模，这既不损失模型的真实度，又优化了很多性能。
人物模型的蒙皮、骨骼绑定、动画制作是一个十分繁琐的过程。蒙皮需要很多实战经验才能制作出权重合理效果好的模型。而骨骼绑定和动画制作可以使用3ds Max提供的biped骨骼功能来简化骨骼绑定和动画制作的难度。而具体的人物动作如何制作，还需要根据观看比赛视频进行观察分析。
3基于Unity的仿真实现
为了实现对各项运动的模拟，我们需要制作多个不同的场景。每个场景需要根据所作的运动项目进行独立的搭建制作，但很多美术素材（如：贴图、人物模型、UI界面等）是可以复用的。
为了体现真实的物理感，Unity提供了刚体、碰撞盒等物理引擎组件，我们仅需要对需要的模型添加这些组件并设置参数，即可获得简单的物理效果。如果物体于物体之间的物理效果欠佳，还可以添加物理材质进行重新模拟。
Unity提供了XRTK(XR InteractionToolkit)和VRTK+SteamVR等多做虚拟现实解决方案，建议使用XRTK进行虚拟现实交互制作，因为XRTK是Unity官方提供的解决方案，并且学习难度低，采用技术较为新颖对设备的兼容性好。
具体的步骤如下：
（1）在Unity中利用地形系统搭建运动场地，并增加纹理贴图和法线贴图使获得更好更真实地视觉效果。
（2）将场馆、运动器材、运动员等模型导入场景中，按照实际的场馆规划布置场景。
（3）将VRTK预制的虚拟现实组件导入场景，编写游戏逻辑相关代码。
（4）进行测试。
我们可以增加一些音效来模拟真实的效果。为了吸引青年人，可以对运动过程增加一些游戏性，增强青年人的兴趣。我们还需要制作一些UI对用户进行提示和引导，通过引入一些冬季运动科普视频，实现对用户的科普。还可以制作基于数据库（我们主要采用Json实现对题目的存储）的答题系统，对用户学习成果进行检验。
4研究价值与展望
本项目在解决我国冬季运动发展问题时还具有以下研究价值：向群众普及冬季运动知识，为我国冬季运动的发展提供了全新的思路与方法，值得借助全民健身推广，尤其时面向学校和青少年。用户可以通过本项目了解冬季运动项目的比赛规则，体验冬季运动项目的感受，为我国冬季运动群众基础和人才储备提升做出贡献；降低冬季运动的门槛，本文提供的新方法，解决了冬季运动开展所面临的问题，适用于学校、体育馆、运动队等多个场景的使用[4]。随着虚拟现实技术的发展和普及，未来虚拟现实会走进更多家庭，大大降低了普通群众参加冬季运动的门槛；运动健身，VR需要身体的运动提供交互信息，这也为运动健身提供了新的途径；关爱残疾人，我们设想根据冬残奥会的项目与规则，设置一些残疾人运动项目供群众体验，使得群众更加切身实地的了解残疾人的世界，为关爱残疾人提供新的尝试。
当下，虚拟现实技术在社会各个领域都得到了应用，在教学、游戏领域，虚拟现实的应用已经成为现实。随着虚拟现实技术的发展日新月异，虚拟现实技术仍然在产生新的应用和价值。面对我们现在遇到的一些社会问题，我们可以尝试用虚拟现实技术进行探索与尝试解决方法[5]。
参考文献
[1]中共中央办公厅国务院办公厅印发《关于以2022年北京冬奥会为契机大力发展冰雪运动的意见》.
[2]陈宇.欧美越野滑雪文化发展历程、经验及启示[J].安徽体育科技,2021,42(2):25-29+47.
[3]林楠楠,冯洪恩.我国冬季运动项目发展现状及策略研究[J].哈尔滨体育学院学报,2021,39(2):43-48.
[4]程宇飞,我国冰雪运动进校园经验及发展策略[J].体育文化导刊,2020,06(06):33-39.
[5]徐颖.虚拟现实技术在动漫游戏教学设计中的应用研究[J].佳木斯大学社会科学学报,2021,39(3):222-224+228.
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