虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用

□古福明（成都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)系 四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用

□古福明（成都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)系 四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中有其獨(dú)特的優(yōu)勢。它能有效地監(jiān)控、預(yù)測和評價(jià)運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作，能讓虛擬運(yùn)動(dòng)員事先嘗試新動(dòng)作，降低運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效率，它已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，并已取得了一些的成效。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 人體運(yùn)動(dòng)仿真 運(yùn)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology/VRT)是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、多傳感器技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一門多學(xué)科的綜合技術(shù)。它是運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件、硬件及傳感裝置生成與現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場景類似的人工虛擬環(huán)境，使運(yùn)動(dòng)員在視覺、觸覺、聽覺等感官上與虛擬場景形成交互，產(chǎn)生真實(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練感受。它是滿足了運(yùn)動(dòng)員多種感覺共同參與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的要求，并且通過人體運(yùn)動(dòng)仿真還可以再現(xiàn)教練員的訓(xùn)練意圖和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用，降低了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的風(fēng)險(xiǎn)，提高了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效率。近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于競技體育，并逐步應(yīng)用于體育教育領(lǐng)域。為此，本文論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的作用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方法從傳統(tǒng)的人眼觀察轉(zhuǎn)變到用科學(xué)儀器捕捉和分析運(yùn)動(dòng)，從有感情色彩的經(jīng)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變到用程序化的人體運(yùn)動(dòng)模擬與仿真方法，它在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的作用巨大。

1.1、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析、監(jiān)控與評價(jià)

通過對運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行模擬仿真的量化分析，并用三維動(dòng)畫展示分析結(jié)果，將“標(biāo)準(zhǔn)”結(jié)果與運(yùn)動(dòng)員真實(shí)訓(xùn)練視頻進(jìn)行同屏對比，從而達(dá)到對技術(shù)動(dòng)作的分析、監(jiān)控、預(yù)測和評價(jià)，幫助運(yùn)動(dòng)員分析動(dòng)作差異，找出技術(shù)不足，改進(jìn)動(dòng)作技術(shù)，從而提高運(yùn)動(dòng)成績。

1.2、降低高難動(dòng)作的訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)

近年來，許多運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的新動(dòng)作不斷涌現(xiàn)，動(dòng)作技術(shù)難度也越來越大，運(yùn)動(dòng)員在練習(xí)這些新動(dòng)作或技術(shù)難度大的動(dòng)作時(shí)往往容易受傷，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以很好得規(guī)避這一點(diǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能讓虛擬運(yùn)動(dòng)員事先嘗試新動(dòng)作，避免高難度和復(fù)雜的技術(shù)動(dòng)作所帶來的運(yùn)動(dòng)傷害，從而降低運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效率。

1.3、彌補(bǔ)訓(xùn)練條件不足的缺陷

在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，由于天氣、場地等訓(xùn)練環(huán)境，或者器材、經(jīng)費(fèi)等方面的原因，或者運(yùn)動(dòng)員受傷的原因會(huì)導(dǎo)致正常訓(xùn)練無法開展，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬訓(xùn)練和比賽場景就能很好得改變這一狀況，運(yùn)動(dòng)員完全可以在虛擬的訓(xùn)練和比賽場景中進(jìn)行訓(xùn)練，從而保證訓(xùn)練條件，完成訓(xùn)練任務(wù)。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要設(shè)備有計(jì)算機(jī)及其顯示設(shè)備、圖像采集設(shè)備、位置跟蹤設(shè)備、交互設(shè)備等。它在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的捕獲、基于人體物理和生理特性的人體模型的建立、虛實(shí)人體動(dòng)畫和交互等。

（1）人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的捕獲：人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的捕獲主要是采用三維錄像系統(tǒng)記錄真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，通過基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)，獲得運(yùn)動(dòng)人體的姿態(tài)參數(shù)及各種運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)所獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)屏幕上的虛擬人運(yùn)動(dòng)。由于捕獲到的是人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，因此虛擬人的運(yùn)動(dòng)基本上是人體運(yùn)動(dòng)的復(fù)制品，模擬效果非常逼真，且依據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的分析結(jié)果計(jì)算機(jī)還能生成新的動(dòng)作模式或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，進(jìn)行技術(shù)動(dòng)作創(chuàng)新或預(yù)測技術(shù)動(dòng)作的發(fā)展趨勢。

（2）運(yùn)動(dòng)人體模型的建立：人體建模是運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵。目前，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中人體模型的建立已有多種建模軟件可用，應(yīng)用較多的人體三維建模軟件有Doser8.0、Make human、MAX、3DS等。三維運(yùn)動(dòng)人體模型一般將人體分成骨骼、肌肉及皮膚三個(gè)層次進(jìn)行建模，通過建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型來驅(qū)動(dòng)模擬人的運(yùn)動(dòng)，更好地控制模擬人的運(yùn)動(dòng)姿勢。在人體模型的建立過程中，需要給計(jì)算機(jī)提供人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、素質(zhì)、運(yùn)動(dòng)能力和適應(yīng)能力等人體物理特性參數(shù)，以及脈搏、血壓、肺活量等人體的生理特性參數(shù)和各器官、各系統(tǒng)的機(jī)能指標(biāo)參數(shù)。

（3）虛實(shí)人體動(dòng)畫和交互：以運(yùn)動(dòng)捕獲裝置采集的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并用三維人體動(dòng)畫方式將三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動(dòng)作——虛動(dòng)作，而記錄運(yùn)動(dòng)員現(xiàn)實(shí)動(dòng)作過程的視頻——實(shí)動(dòng)作，二者通過特殊的技術(shù)處理進(jìn)行對比分析就稱為虛實(shí)對比技術(shù)。虛實(shí)對比技術(shù)使虛動(dòng)作和實(shí)動(dòng)作同時(shí)在同一塊屏幕上顯示，使視頻中的運(yùn)動(dòng)顯示和仿真標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的觀察視點(diǎn)、視角保持一致，從而使觀察效果更準(zhǔn)確、更真實(shí)直觀。

虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)模擬包括虛擬場景和虛擬人，所謂交互就是指運(yùn)動(dòng)員通過虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機(jī)、觸覺設(shè)備等）與虛擬場景發(fā)生相互作用，即運(yùn)動(dòng)員可以與虛擬場景中的各種事物之間進(jìn)行自由交流與接觸，甚至可以改變虛擬場景中的各種事物，從而給運(yùn)動(dòng)員“身在其中”的真實(shí)感、自然感。運(yùn)動(dòng)員在這樣的虛擬場景中進(jìn)行訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，不僅能全身心的投入，而且也能最大程度的發(fā)揮各種感官系統(tǒng)的功能作用，從而使運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果達(dá)到最大化。

3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已較廣泛應(yīng)用在表現(xiàn)難美性的技術(shù)類項(xiàng)目如跳水、體操、蹦床、滑雪及體能類項(xiàng)目如舉重、短跑等運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，并取得了較好的效果。目前，比較成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)有：

（1）跳水運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用在比賽和訓(xùn)練現(xiàn)場安裝多套攝像裝置，多角度全方位地獲取運(yùn)動(dòng)員在完成動(dòng)作技術(shù)過程中的運(yùn)動(dòng)視頻，通過視頻處理軟件精確地捕捉運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，然后完成三維人體運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算。利用此系統(tǒng)的仿真計(jì)算可以讓虛擬運(yùn)動(dòng)員嘗試完成某些新動(dòng)作，減小運(yùn)動(dòng)員在技術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練中意外受傷的概率；該系統(tǒng)可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的再學(xué)習(xí)功能，在最優(yōu)化的視角下完成動(dòng)作技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助編排與優(yōu)化；此外，該系統(tǒng)還可以通過截取運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練或比賽中的真實(shí)技術(shù)視頻片斷，與運(yùn)動(dòng)員的仿真動(dòng)作進(jìn)行同屏對比顯示，幫助運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)動(dòng)作技術(shù)，提高訓(xùn)練效率。

（2）虛擬體操訓(xùn)練系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過對真實(shí)體操運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值建模，使虛擬體操運(yùn)動(dòng)員精確地重現(xiàn)真實(shí)運(yùn)動(dòng)員的體操動(dòng)作，從而幫助體操運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作，提高技術(shù)水平。體操運(yùn)動(dòng)員也可以使用該系統(tǒng)在虛擬場館的虛擬器械進(jìn)行新技術(shù)的訓(xùn)練，從而深刻理解整套技術(shù)動(dòng)作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，迅速熟悉和掌握新技術(shù)動(dòng)作，并且能夠盡可能地避免運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生。

（3）蹦床運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)建立了蹦床運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)庫，教練員可以利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)新動(dòng)作。利用該系統(tǒng)的模擬仿真和輔助訓(xùn)練模塊，可將教練員的口述訓(xùn)練指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M演示指導(dǎo)，這就使運(yùn)動(dòng)員更容易掌握技術(shù)動(dòng)作要領(lǐng)。該系統(tǒng)還可以將運(yùn)動(dòng)員的成套訓(xùn)練動(dòng)作，與按照教練員意愿編排出來的標(biāo)準(zhǔn)模擬動(dòng)作，同步疊加對比顯示，直觀地展示出動(dòng)作差異，幫助運(yùn)動(dòng)員找出技術(shù)缺陷并制定改進(jìn)技術(shù)方案，從而提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平。此外，該系統(tǒng)還能根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的個(gè)體特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)能力，模擬出該運(yùn)動(dòng)員的最佳動(dòng)作技術(shù)，用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的平時(shí)訓(xùn)練，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的個(gè)性化、最優(yōu)化。

（4）帆船帆板仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用多種傳感元件采集帆船帆板運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算獲取各類參數(shù)，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)三維場景，從而構(gòu)造出逼真的虛擬訓(xùn)練場景。該系統(tǒng)既可以滿足無訓(xùn)練條件（如無風(fēng)、無浪）時(shí)完成訓(xùn)練任務(wù)的需求，也可以針對特定運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真評價(jià)分析。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)類同場對抗性項(xiàng)目如足球、籃球、武術(shù)等項(xiàng)目也開始利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。由于技能類同場對抗性項(xiàng)目的動(dòng)作技術(shù)多變，運(yùn)動(dòng)捕捉的信息量過多，模擬仿真分析的難度很大，因此，其應(yīng)用效果還不太理想。

4、小結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有自身強(qiáng)大的優(yōu)勢和潛力，它對運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的作用是巨大，并具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，必將在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中發(fā)揮更加重要作用。

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