上海大学大学生联合大作业项目计划书2.doc

上海大学大学生联合大作业项目计 划 书 项目名称： 多平台三维篮球运动仿真系统的设计与实现 项目类型： 跨专业 跨学科 跨校（跨企业） 策 划 人： 张典华 联 系 人： 张典华 单位名称： 上海大学数码艺术学院 申请日期： 2015.4.9上 海 大 学2015年制一、项目简介目项目名称多平台三维篮球运动仿真系统的设计与实现项项目类别跨学科项项目实施时间起始时间：2015年4月 完成时间：2015年12月项目教学教师团队简介项目策划人、总负责人姓名张典华职务职称讲师联系电属院系数码艺术学院电子邮箱B主要职责：负责项目的总体协调、调度，并监督项目进度，对项目的总体质量进行把控。项目教学教师团队成员（详细职责在研究方案部分叙述）姓名所属院系职称职务联系电话电子邮箱柴秋霞数码艺术学院副教孙修恩数码艺术学院副教授1324801136耿明松数码艺术学院副教ms_黄东晋影视艺术与技术学院讲景明美术学院讲、立项依据（研究意义、项目背景、子项目情况等）研究现状及选题意义：投篮是篮球运动中的核心技术。影响投篮命中率的主要因素有：投篮距离、空气阻力、投篮速度、投篮高度、篮球旋转、运动员的身体运动参数（如肩髋角、肩链角、足髋角、膝角、躯干角、身体重心的位移等）、运动员的心理素质和技战术水平等。目前主要的文献是将篮球做为一个质点，讨论在无空气阻力的情况下篮球的轨迹。篮球在实际飞行过程中，会受到空气阻力和重力影响，飞行速度越快，空气阻力越大，而且飞行轨迹是非标准斜抛运动，即抛出点与落地点不在同一水平线上.篮球在飞行过程中会有前旋、后旋、侧旋。前旋球会受到向下的压力，这会减小篮球的运行高度和飞行距离。后旋球上下部通过的气流量不同，由Bernoulli(伯努利)原理知,这会产生篮球上下部的压力差，正是这个力使球偏离原运动方向,产生篮球的运动弧度，而这种弧度可使篮球稳定的飞行，减少篮球出手后的前冲力，并使篮球碰到篮筐后沿后向下反弹，比不带旋转的球更容易落入篮筐，从而增加命中率。文献1讨论了在有空气阻力下的篮球最佳出手角，但未给出公式推导过程。文献2使用图像处理的方式来获取篮球的位置，但没有清楚的公式推导和数值解。文献3讨论了空气阻力系数与雷诺数的关系。投篮命中率的高低决定了一个运动员水平的高低，许多人都从篮球训练的角度进行了论证，但这些训练都很难进行量化，主要还是基于经验的。如果能对篮球运动中的数据运用运动力学和数学进行量化分析，求出精确解，则可以进行针对性训练，可快速提高篮球运动员的水平。所有的量化分析中求取运动员的最佳出手角一直是个研究的热点问题。因为在最佳出手角投篮最省力，篮球飞得最远，准确度最高。找到每个运动员的最佳出手角并进行针对性训练，将发力和角度固化下来，可有效提高运动员的训练水平。参考文献： 1 LIAO Xu, REN Xuezao, ZHOU Zigang. The Best Projecting Angle of Non-ideal ProjectileJ.Beijing: College Physics,2007,26(8):20-22.廖旭,任学藻,周自刚.非理想抛体的最佳抛射角J.北京：大学物理，2007，26（8）：20-22.2 CHAI Ye-hong. Application of Digital Image Processing Technology to Analysis of Factors influencing The Basketball Shot RateJ.Hefei: Journal of Hefei University of Technology, 2007,30(12):1607-1609.柴业宏.数字图像处理技术对影响投篮命中相关因素的分析J.合肥：合肥工业大学学报，2007，30（12）：1607-1609.3JU Yan-qing. Numerical Analysis for Motion of Vertically Falling BodyJ.Beijing: College Physics,2008,27(11):11-17. 鞠衍清.垂直下落球体运动的数值分析J.北京：大学物理，2008，27（11）：11-17.三、研究方案（子课题研究目标、要求、学科分工及团队指导教师）子课题研究目标：建立篮球运动仿真系统，并对以下问题进行研究：1、为提高篮球运动员的投篮精度，利用微软的Kinect获取不同的出手速度，求解非线性方程组，得到在罚球点处有空气阻力情况下不同出手高度、出手速度和出手角的精确解。指导老师：张典华。2、从无空气阻力的常规物理运动方程出发，求出篮球与出手角和出手速度相关的运动轨迹方程，然后利用导数求出极值，得到最佳出手角和最小出手速度方程，并针对特例求出数值解。指导老师：张云华、沈俊。3、本项目通过设计良好的人机界面，证明界面是两种或多种信息源面对面交汇之处，从器物到自然界面，人类正打开通向虚拟沉浸空间的门户。指导老师：孙修恩、何晶晶。4、证明在虚拟校园中人们遵从了最强大的图像暗示的潜能和感官的享受，这些潜能和感受在虚拟校园中中表现为全息的、交互的以及流动的沉浸感受。对虚拟校园中色彩与人的情感心理、光影对设计效果的心理影响、设计符号的心理感觉进行研究。指导老师：柴秋霞。主要要求：篮球运动仿真系统模块主要功能描述：运动员走到篮球场，提示是否进行训练。若开始训练，则出现投篮场景。利用微软的Kinect获取真实场景中运动员的出手速度及出手姿态，屏幕上显示虚拟运动员的投篮情况。若篮球进筐，会播放投中的声音。未投中，会播放打板或碰墙的声音。显示当前得分、目前最高分纪录、剩余时间（总时间为60秒，一共六个关卡）。篮球有物理材质，落地后会不断弹跳。训练完后，可在网上注册，然后将分数发到远程服务器中，记录自己当前分数，也可更新自己得分，查看历次得分情况。打篮球运动仿真系统主要包括出手角和出手速度计算模块、关卡设计、动画模块、声音模块、网络模块等。出手角和出手速度计算模块：计算篮球飞行过程中向上和向前均受到空气阻力时的出手角和出手速度。关卡设计模块：设计六个关卡，每个关卡中篮板运动速度不同。动画模块：用三次样条曲线的插值方法实现运动员的动画。声音模块：使用FMOD声音引擎，侦听篮球碰到不同物体后的声音。物理模块：利用基于坐标轴的包围盒AABB (立方体包围盒)来实现了碰撞检测，主要实现了篮球对篮板、篮筐、墙体的碰撞检测。建立了三个物理材质分别表示篮球、地面、篮框，物理材质具有动态和静态摩擦力、表面弹力、各向异性摩擦力等属性。网络模块：主要实现注册用户、发布和更新分数、验证EMAIL、修改密码、创建计分系统、查询最高计分。四、项目管理办法（项目组织形式、阶段安排、成绩评定、教师激励机制等）项目组织形式：项目将采用跨学科合作的形式，带动学生实现真正的项目制作，发挥好数码艺术学院和美术学院学生的建模和艺术设计能力和影视学院学生的开发能力，并使学生能积累第一线的开发经验，学以致用。阶段安排：2015.4-2015.8 完成最佳出手角计算模块、关卡设计、物理模块。2015.9-2015.12 完成网络模块、声音模块。成绩评定：数码艺术学院和美术学院学生以建模的设计能力进行打分；影视学院学生以开发的质量和算法的设计能力打分。教师激励机制：按照项目的完成情况和艺术性对教师进行打分，并安排相应的科研经费。五、经费预算及时间安排2015.4-2015.8调研费：2万。主要用于项目的前期调研中的差旅费、住宿费等。购买设备费:2万。主要用于购买工作站2台。2015.8-2015.12劳务费：1万。主要用于支付合作单位的指导人员的费用和学生的补助。其它支出：1万。主要用于材料费、交