VR技術與足球教學的綜合應用分析①

劉秋月（中國礦業大學體育學院　江蘇徐州　221116）

VR技術與足球教學的綜合應用分析①

劉秋月（中國礦業大學體育學院江蘇徐州221116）

摘 要：為了提高足球教學質量，轉變教學模式，促進教學內容的多元化發展，采用文獻資料法和邏輯法，對VR（虛擬現實）技術在足球教學過程中的作用及系統設計中的關鍵技術進行分析。將虛擬現實技術與足球教學相結合，有利于改變我國傳統的以講解示范為主的足球教學模式，促進學生學習興趣的培養，降低運動損傷的發生機率，同時，還有助于減少外界環境對教學的影響，彌補教學經費、器材、師資等對足球教學的限制。

關鍵詞：足球教學VR技術足球教學

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是由高速計算機系統創建的一種令人感到身臨其境并可以獲得與環境交互體驗的虛擬世界。虛擬現實技術利用計算機生成一種模擬環境（如飛機駕駛艙、操作現場等），通過各種傳感設備使用戶“進入”到該環境中，實現用戶與環境的自然交互，目前已在游戲、醫學、旅游、建筑設計、軍事仿真、虛擬制造等領域得到了廣泛應用[1]，并還給社會帶來了豐厚的經濟價值。

該文是在研究VR技術的發展及在體育領域和足球運動中的應用的基礎上，做出的創新嘗試，將虛擬現實技術引入足球教學，借助跨學科的前沿科技，改進足球教學的模式和方法。

1　研究對象與方法

1.1研究對象

VR技術在足球教學中的應用

1.2研究方法

1.2.1文獻資料法

通過中國礦業大學圖書館、中國期刊全文數據庫、維普中文科技期刊及其他相關數據庫查閱查閱大量的文獻資料。

1.2.2邏輯法

運用邏輯學知識，對收集和整理的資料進行分類，掌握虛擬足球系統設計的邏輯順序及研究步驟。

2　結果與分析

2.1VR技術在足球中的應用前景

足球作為世界第一大運動，吸引著數以萬計的觀眾。足球訓練中的無法提前預測的突發事件對運動員的傷害，訓練經費投入與產出的比例失調，投資結構的不合理也影響著競技水平的提高。

隨著信息技術的快速發展，現有技術已經能將現實世界和虛擬世界完美的結合起來。虛擬現實技術與體育的結合，不僅能提高運動員的訓練水平，促進運動員競技水平的提升，而且其投入成本低、占地面積少、易于操作等特點也更有利于開展全民健身運動。基于VR技術的虛擬系統，在允許出錯情況下的訓練不會給練習者帶來任何身體傷害和危險，還能夠提高運動員運動訓練成績[2]。

2.2足球仿真系統的概念

足球系統仿真即體育系統仿真，是通過計算機模擬技術再現體育教師的教學經驗、教練員的訓練意圖和運動員的訓練過程，從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、評價的實驗技術科學[3]。足球系統仿真是基于虛擬現實技術發展而來的，合理的進行開發和應用不僅能輔助于足球的訓練，還能夠促進學科知識體系的互融，開拓體育發展的新領域。

2.3VR技術在足球運動中的作用分析

2.3.1改變教學模式

傳統的足球教學主要以老師講解示范、學生模仿練習為主，注重教師的言傳身教及其主導性，忽略了學生的主體性。而虛擬現實技術下構建的教學系統主要以逼真的形象教學為主，配以動態的跑位戰術，營造了一種“動態”的教學環境，這樣不僅彌補了用語言表述技、戰術的局限性也避免了教學與訓練中運動員跑位錯誤現象的出現[4]。這種通過生動逼真的視頻和圖像進行技術動作教學的方式，有利于學生建立清晰的形象思維概念，提高學生的認知能力，讓學生能夠準確快速地掌握動作技術。

2.3.2減少外界環境對教學的干擾

虛擬環境中的各種體育設備也是虛擬的，可以根據教學和訓練的需要隨時生成新的設備及環境，訓練內容也可以通過系統不斷地進行更新，使運動訓練跟上國際足球訓練技術發展的步伐。并且，虛擬訓練系統可以彌補訓練場地器材不足、天氣變化等外界環境對足球教學造成的干擾。

2.3.3降低運動損傷的機率

足球運動中多對抗性，激烈的身體對抗會造成運動損傷，且損傷的發生率可達到90％，主要以下肢損傷為主[5]。運動員在虛擬實驗環境中，不會使真實的身體受到傷害，可以放心地去做各種高難度的動作，促使學生更加大膽自信地進行各種動作的嘗試和練習。

2.3.4促進足球運動的傳播

運用虛擬現實技術可以更加人性化地設計出不同的人物角色，豐富人物形象，讓參與者體驗與世界優秀足球運動員對抗的強烈刺激感。在游戲中你可以自由選擇你喜歡的球隊和運動員，與不同的虛擬人物進行同場競技。虛擬足球游戲的娛樂性和多樣性有助于促進足球運動在大眾間的廣泛傳播。

2.4虛擬仿真系統的設計理論基礎

VR的根本目的是達到參與者的真實體驗與虛擬環境進行自然的交互，根據交互性和沉浸感程度的不同，VR系統可分為沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統[6]。虛擬系統的結構框架本文主要針對沉浸式和桌面式進行系統框架結構的區分及功能介紹。

沉浸式VR系統的用戶可以完全沉浸于計算機生成的環境中，電腦通過用戶佩戴的數據手套和跟蹤器等硬件設備就可以測試到用戶的運動和姿態，并將其測得的數據反饋到計算機生成的視景中，讓人產生身臨其境的效果[6]。但沉浸式虛擬現實系統所需要的硬件設備要求較高且價格昂貴。

桌面式VR系統又稱非沉浸式VR系統和非配戴式VR系統，是將計算機屏幕或者投影屏幕作為虛擬環境的觀察窗口，用戶需要使用手持式輸入設備或位置跟蹤器來操縱虛擬環境中的對象[7]。桌面式VR系統相對簡單，用戶無需數據衣等輔助設備即可與系統交互，并且可以允許多個用戶同時進入系統，更加方便。但是桌面式VR系統虛擬效果偏低，無法讓用戶有身臨其境的感覺。隨著技術的發展和成本的降低，桌面式VR系統在真實感上會進一步提高。

2.5虛擬足球仿真系統設計的技術基礎

2.5.1軟件配置環境

虛擬現實3D建模軟件：Poser8.0、3ds MAX、CAD

交互實現工具：EON Studio

運行環境：Windows7或Windows XP

2.5.2建模軟件的應用

常用的人體建模工具有很多，例如Maya，3ds MAX，Make Human等，與這些軟件相比，Poser8.0具有操作簡單、界面簡潔、使用靈活等優點。其主要的3個操作步驟：選取人體模型、確定虛擬人

的體態、虛擬人姿態設計，大大縮短設計時間，提高了設計效率。骨骼作為人體運動的核心，對骨骼的控制關系到人體運動姿態的靈活性。在Poser8.0中有一套專門制作骨骼的系統，可以方便直觀地對人體模型進行骨骼建造，同時該軟件提供相關接口，可以使得在Poser8.0中設計的模型應用到3ds MAX中，進行更加生動和復雜的操作。

2.5.3關鍵技術

虛擬足球場景的建立主要技術是三維場景與模型的建立和人機交互技術，主要包括：運動人體建模、虛擬場景建模、碰撞檢測、人機交互。

人體建模主要是三維人體模型的建立，它是虛擬人體運動仿真的核心。通常最實用的是虛擬人體模型分層法即將人體分為肌肉、骨架、皮膚三個不同的層次結構[8]，該方法建立的模型是最接近人體內部結構的，并且分層法構建的模型也更容易進行對虛擬人的運動控制。

虛擬場景建模主要包括足球、球門、球場等實物設計和虛擬人動作的變化，燈光及場景角度轉換等動態模型的建立。

碰撞檢測技術主要是為了使用戶在與虛擬環境進行交互時，不僅能在視覺上產生身臨其境的效果，而且能夠與虛擬實物進行各種交互。因此，在保證效果的前提下，就要求“實物”在虛擬環境中要與現實生活中的實物具有一樣的特性即不可穿透性，當用戶對物體進行各種抓、拉、推等動作時，能真實感覺到與物體的碰撞并做出相應的反應。碰撞檢測技術的主要目的是為了解決虛擬環境中“穿墻而過”問題，從而增強虛擬環境的真實感。

人機交互的目的是為了使人在虛擬環境中進行各種動作時甚至可以用頭盔、手套等設備取代鍵盤、鼠標、菜單等計算機設備與虛擬環境進行自然地交互。

3　結語

VR技術與足球教學的綜合應用，能夠在一定程度上改善教學模式，優化教學方式，提高教學質量，促進教學內容的多元化，減少足球運動中的運動損傷。虛擬足球仿真系統的建立還有利于減少教學經費，彌補場地、器材、師資等條件的不足，降低外界自然環境因素對教學的限制。虛擬技術在足球中的應用還有很廣闊的研究前景。

參考文獻

[1]申蔚，曾文琪.虛擬現實技術[M].北京：清華大學出版社，2009：4- 5.

[2]王建輝，楊俊，孫立新.計算機“虛擬現實”技術在高校體育訓練中的應用研究[J].北華航天工業學院學報，2012，22（2）：56-58.

[3]李祥晨，孫晉海.體育系統仿真[M].北京：人民體育出版社，2001.

[4]王爽.虛擬現實技術在體育教學和訓練中的應用[J].陜西教育?高教，2012（3）.

[5]景哲，張才成.足球運動中虛擬現實技術的應用[J].民營科技，2011（3）：168-169.

[6]陳定方，羅亞波.虛擬設計[M].2版.北京：機械工業出版社，2007.

[7]張箐，張天馳，陳懷有.虛擬現實技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2011.

[8]李春霞，楊克儉，李波.人體骨架模型的建立及IK問題的一種解決方式[J].武漢理工大學學報，2003（6）：815-818.

作者簡介：①劉秋月（1990—），女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：體育教育訓練學。

中圖分類號：G843

文獻標識碼：A

文章編號：2095-2813（2015）04（b）-0077-02