基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體育教學(xué)模式探究

劉桂文

（寶雞文理學(xué)院,陜西寶雞,721016）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新型的科技領(lǐng)域是多門學(xué)科的交叉和滲透，集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、傳感學(xué)等諸多學(xué)科為一體，同時虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正以其強(qiáng)大的能力影響著高校的教育模式，可以說它已成為最具有應(yīng)用價(jià)值和前途的“明星”技術(shù)。在高校體育教學(xué)中，體育教學(xué)模式占據(jù)著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了高校體育事業(yè)的發(fā)展，當(dāng)務(wù)之急是探索出新型的體育教學(xué)模式彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，著力解決教學(xué)訓(xùn)練中的重點(diǎn)及難點(diǎn)問題。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)中應(yīng)用的必要性

1.1 規(guī)避高難動作的運(yùn)動傷害

近年來，各種對抗性的體育項(xiàng)目中的技術(shù)難度越來越大，運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中容易因?yàn)殡y度過高而受傷，為了避免這一點(diǎn)，可以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校的體育教學(xué)中，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬動作實(shí)驗(yàn)，并向各位學(xué)生展示，這樣學(xué)生不僅能夠?qū)﹄y度較高或是復(fù)雜的技術(shù)動作全面掌握，同時能夠避免自身在運(yùn)動中受傷害。

1.2 規(guī)避體育訓(xùn)練中的意外

對于拳擊、跆拳道等對抗性很強(qiáng)的運(yùn)動項(xiàng)目，運(yùn)動員在進(jìn)行訓(xùn)練時難免會受到一些意外傷害。但是，如果將計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校的體育課堂上，便可以使學(xué)生能很好地規(guī)避體育訓(xùn)練中的意外傷害事故。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供一個虛擬的模擬場景，這樣學(xué)生在進(jìn)行訓(xùn)練時便可放開手腳，全面展示動作技術(shù)，不必?fù)?dān)憂受到意外傷害。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更為強(qiáng)大的功能是它能夠?qū)W(xué)生的動作進(jìn)行測評，比實(shí)際的體育教師更容易發(fā)現(xiàn)學(xué)生動作技巧中的不足，并為其糾正，從而提高運(yùn)動員訓(xùn)練的質(zhì)量和效率。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能技術(shù)、圖像處理與模式識別、傳感技術(shù)等多門學(xué)科，利用它能夠創(chuàng)建一種令人感到身臨其境，可以獲得與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界。傳統(tǒng)的仿真技術(shù)無法模擬人對外界環(huán)境感知，而新型的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的新概念和新方法，這就意味著外界環(huán)境對人的感官刺激已經(jīng)能夠通過計(jì)算機(jī)成為可能。圖1所示即虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖

由圖1可知虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由五個模塊組成，分別是：檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊以及建模模塊。

（1）檢測模塊：主要負(fù)責(zé)對用戶的操作命令進(jìn)行檢測，再通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境中。

（2）反饋模塊：為用戶提供實(shí)時反饋，反饋信息主要來自于傳感器模塊。

（3）傳感器模塊：接收檢測模塊的用戶操作命令，作用于虛擬環(huán)境中，再以各種反饋的形式將產(chǎn)生的結(jié)果傳遞給用戶。

（4）控制模塊：負(fù)責(zé)控制傳感器，使其對用戶、現(xiàn)實(shí)世界、虛擬環(huán)境產(chǎn)生作用。

（5）建模模塊：獲取現(xiàn)實(shí)世界組成部分的三維表示，利用三維圖形建模技術(shù)構(gòu)成對應(yīng)的虛擬環(huán)境。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育教學(xué)中的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，公式化、單一化的的傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足高校學(xué)生的個性化需求，必將面臨著被交互性、可視性更強(qiáng)的新型教學(xué)模式所替代。而計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新型的科學(xué)技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的行為活動進(jìn)行仿真，為使用者創(chuàng)造一個虛擬的逼真世界，并借助一些交互設(shè)備使其與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，從而使他們之間建立起實(shí)時的交互關(guān)系，更為神奇的是使用者在虛擬環(huán)境中所感、所觸與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所體驗(yàn)的感覺相似，效果極為逼真。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高校體育教學(xué)中，可以通過科學(xué)的模擬虛擬教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生提供直觀的運(yùn)動效果，便于學(xué)生全面把握各種運(yùn)動的技術(shù)、技巧。模擬虛擬的體育教學(xué)環(huán)境需要多種相關(guān)技術(shù)作為支撐，這些技術(shù)中多數(shù)是將現(xiàn)實(shí)世界中的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間中，進(jìn)而作用于虛擬環(huán)境中。對于使用者而言，這些技術(shù)能夠使其在模擬的虛擬環(huán)境中展開手腳，任意操作環(huán)境中的物體，突破物理意義上的時間、空間的限制，實(shí)現(xiàn)“超現(xiàn)實(shí)”的虛擬性。具體應(yīng)用技術(shù)如下：

3.1 三維圖形建模技術(shù)

三維圖形建模工序是構(gòu)建虛擬環(huán)境過程中的基礎(chǔ)，三維圖形建模技術(shù)主要是將現(xiàn)實(shí)世界的對象物體在相應(yīng)的三維數(shù)字空間中重構(gòu)，而且不同的虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)有不同的建模要求。舉例說明，虛擬體育比賽場地中，不同的比賽項(xiàng)目對場地的要求也會有所不同，此時的建模數(shù)據(jù)就是有區(qū)別的。虛擬環(huán)境中的各種天氣情況，要采用不同的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

本文虛擬運(yùn)動員的建模采用層次表示的方法，主要由皮膚層、骨骼層以及肌肉層組成。其中VRML和MPEG-4是人體骨骼結(jié)構(gòu)的兩個重要標(biāo)準(zhǔn)，二者皆支持虛擬人體的表示。VRML中有一個子標(biāo)準(zhǔn)——H-Anim，用來描述虛擬人體模型。虛擬人表示形式為樹形，樹形的構(gòu)成要以人體重心為根節(jié)點(diǎn)、以關(guān)節(jié)為子節(jié)點(diǎn)、以骨骼為連線，若想組成一個完整的虛擬人體模型，需要將各肢體的幾何模型依附于相應(yīng)的骨骼。此外，MPEG-4對于虛擬人體對象也有所幫助，定義了臉部運(yùn)動參數(shù)FAP和臉部模型定義參數(shù)FDP。圖2展示的是人體樹的層次結(jié)構(gòu)模型。圖3展示的是虛擬人體的骨骼結(jié)構(gòu)圖，它主要用簡單三維剛體對虛擬人體的骨骼進(jìn)行表示，相互之間的連接用關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，值得注意的是在骨骼層中父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間不發(fā)生相對移動，只發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖4所示即將骨骼皮膚綁定后的虛擬人體模型，該模型是利用建模軟件3dmax中將骨骼層和皮膚層綁定后形成的。如果想讓虛擬人體模型更為逼真，可借用Maya軟件，利用其強(qiáng)大的仿真技術(shù)將虛擬人體的毛發(fā)和衣著布料設(shè)計(jì)完整，服裝的花邊色彩也可通過服裝的UV坐標(biāo)輕松地實(shí)現(xiàn)。詳見圖5。

圖2 人體樹的層次結(jié)構(gòu)模型

圖3 虛擬人體的骨骼結(jié)構(gòu)

圖4 骨骼皮膚綁定后的虛擬人體模型

圖5 虛擬人體彩色模型

3.2 模型驅(qū)動技術(shù)

模型驅(qū)動軟件主要為訪問三維模型提供接口，并通過接口的調(diào)用實(shí)現(xiàn)對三維模型的各種控制，完成各項(xiàng)功能，包括虛擬人體力量的檢測、地形的匹配、調(diào)整是角度以及顯示特效等。如此，在各類輸入數(shù)據(jù)的控制下虛擬的體育場景可真正的運(yùn)作起來，并向使用者傳遞各類實(shí)時信息。

3.3 視覺跟蹤與視點(diǎn)感應(yīng)技術(shù)

使用從視頻攝像機(jī)到X-Y平面陣列，利用在圖像平面不同時刻和不同位置上的光的投影，對被跟蹤對象的方向、位置做出計(jì)算。其中，視點(diǎn)感應(yīng)與顯示技術(shù)必須相結(jié)合，進(jìn)而采用多種定位方法對使用者在某一時刻的視線做出確定。定位方法較為常見的有遙視技術(shù)、頭盔顯示及眼罩定位等。

3.4 立體聲合成技術(shù)

立體聲合成技術(shù)主要是讓使用者體驗(yàn)逼真的聽覺感受，使用者所處位置發(fā)生變化時，該技術(shù)所產(chǎn)生的效果也是不一樣的，這樣使用者才能體會到真實(shí)比賽中的氣氛。

4 結(jié)語

在高校體育教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是利用該技術(shù)構(gòu)建一種具備交互性、可視化的虛擬學(xué)習(xí)情境，體育運(yùn)動員可以在這虛擬環(huán)境中獲得近乎真實(shí)的體驗(yàn)，更快、更直觀地學(xué)習(xí)體育運(yùn)動知識和技巧，從而提高訓(xùn)練質(zhì)量和運(yùn)動技能。

[1]安維華.虛擬現(xiàn)實(shí)課程在數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)中的教學(xué)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育.2011(10)

[2]黃金棟,吳學(xué)會,李小紅,常振云.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用思考[J].職業(yè)教育研究.2011(03)

[3]陳浩磊,鄒湘軍,陳燕,陳燕,劉天湖.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展與展望[J].中國科技論文在線.2011(01)

[4]蔡輝,伍勝.三維建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法對比研究[J].科技與企業(yè).2013(20)