計算機虛擬現實技術用于體育訓練的研究分析

許世文

(河南工業和信息化職業學院 河南焦作 454000)

隨著科學技術發展，計算機虛擬現實技術也在不斷完善，逐步應用到不同的領域中。將計算機虛擬現實技術與體育訓練結合起來，增加體育運動活力，提升體育訓練的效果，促進訓練者身心發育。同時，通過計算機虛擬現實技術模擬體育學習與訓練，也能最大程度地調動身心感官，促使學習與訓練效果最優。

1 虛擬現實技術分析

1.1 虛擬現實技術及其關鍵技術

計算機虛擬現實技術（Virtual Reality Technology，VR），即綜合應用各種交互接口技術形式、多媒體技術形式、計算機圖形學、仿真技術、人工智能、計算機網絡技術、多功能傳感技術等，借助應用軟件、硬件設備、傳感器設備等實現具體的運作形式[1]。

當前，計算機虛擬現實技術中的關鍵技術包含5個方面。一是構建虛擬空間建模。計算機技術可以為應用者構建一個虛擬的環境空間，且與現實世界的物理空間對應[2]。二是聲音定位。應用者在虛擬環境中也需要聲音，對此可以依照不同聲音源、個體左右耳差異以及相位差等進行防衛精準確認。三是視覺與空間的追尋，即應用者在虛擬空間中也能獲得與現實世界一樣的感官體驗，而且可以用視頻影像設備，追蹤到具體位置。四是感覺反饋。應用者可以運用手套等VR反饋設備，感受具體的作用力、阻力，進而讓應用者有感官上的體驗，能通過力覺、觸覺知道力量的大小、來自的方位等。五是聲音交換。在虛擬環境中依舊可以聽到其他人的聲音、語言等，實現人機交互的效果。

結合以上分析，在虛擬現實技術的支持下，應用者在一個虛擬的環境中依舊可以得到與現實世界一樣的聲音、觸感等體驗，甚至因為影像作用可以更為直觀地發現內外的運動情況。簡而言之，VR技術生成一個三維立體環境，置于環境中可以獲得實時動態信息，進而獲得聽覺、視覺、觸覺、力覺等感知，對應用者的動作也能實時反應，及時將這些反饋傳遞到聽覺、觸覺等感官。

1.2 虛擬現實技術的特征

1.2.1 多感知性

虛擬現實技術不僅有其他計算機技術的視覺感知之外，也能讓使用者感受到聽覺、味覺、觸覺、力覺、運動等感知。這一技術具有的采集、分析技術以及圖像判斷處理等功能，可以通過圖譜和信號等形式讓最終的分析結果顯示出來。

1.2.2 沉浸性

虛擬現實技術可以結合用戶的需要設置不同的場景，最大程度地滿足應用者對場景的需要，激發應用者在虛擬空間中交流的意愿和欲望，在逼真的環境與場景中達到更好的體驗。而且虛擬現實技術打造的場景能夠提升用戶的臨場感受，讓用戶沉浸在其中，達到一種身臨其境的效果。

1.2.3 交互性

傳統三維技術應用中用戶是相對被動的形式，而在虛擬現實技術支持下，可以讓應用者實現虛擬環境的自由操作、交流。這樣的形式將理性與感性的作用最大，應用者可以對虛擬環境進行評價、改進，實現了與現實環境無限接近的一種交互體驗。

1.2.4 構想性

虛擬現實技術在應用中不僅可以客觀地反映現實環境，也能通過構思構建起客觀不存在的環境，給人們無限遐想的空間，激發人們的思維想象力。另外，在虛擬現實技術應用中用戶也可以結合自身情況，設想出動態和靜態的模型，滿足體育運動訓練的需要。

2 虛擬現實技術應用于體育訓練的必要性

2.1 能夠有效減少體育活動意外的概率

體育運動多是帶有對抗性質的，練習者在運動訓練中發生意外的風險較高，以至于很多學校都會減少對抗性的體育訓練項目。而虛擬現實技術的應用可以讓練習者在虛擬的環境中達到訓練的目的，不會傷害到自己或者其他人，降低在體育訓練中可能發生意外的概率，提升了體育訓練中新動作、復雜動作形式的安全性。

2.2 能夠有效降低高難度體育訓練的傷害

體育訓練是一項提升個體身體素質的活動，但是體育訓練是較為辛苦的過程不僅時間長，也較為枯燥，而且現在學生的體質有下降的趨勢，在進行高難度體育訓練或者突然接受訓練時很容易受到傷害，發生危險[3]。而將虛擬現實技術應用到體育訓練中，可以模擬出與現實無限接近的一個環境，讓練習者在這樣的環境中訓練，不僅可以了解自身練習的實際情況，減少了受訓中對自身造成的傷害。同時，對較為危險的訓練項目也能通過虛擬運動員的示范動作，參與學習，知曉動作要領，規避鍛煉中的風險。

2.3 能夠有效彌補體育設施的缺陷和不足

體育項目多樣、體育訓練需要的設備自然也是多樣的，若是訓練中因為經費不足，或者空間局限性無法購買對應的訓練設備，以至于不得不放棄部分訓練。將虛擬現實技術應用于訓練中不僅可以降低購買訓練器械的成本和對訓練場地的要求，也達到提升練習者訓練效果的目的。

2.4 能夠保證體育訓練的準確性和針對性

通過對動作形式、體態等捕捉，虛擬現實技術可以為練習者建立一個專屬運動軌跡，進而形成一個大數據系統，將練習者的動作與系統中的標準動作做出對比，讓練習者可以對自己的動作有一個清晰認知，進而可以選擇出更為專業的訓練方式，提升體育訓練的效果。同時，在進行足球、籃球等體育訓練時，采用虛擬現實技術可以模擬一個隊伍與練習者一同鍛煉，實現一個人沉浸式訓練節省訓練時間與成本。

3 虛擬現實技術在體育訓練中的應用手段

3.1 構建仿真運動數字人體模型

在虛擬現實技術應用于體育訓練時可以實現三層結構的人體模型構建，包含肌肉層、皮膚色、骨架層。這一人體模型的構建不同的部位也有一定的活動空間，可以讓各個人體關節能夠自由靈活地運動。借助圖形學、人體運動學等，計算機會模擬出不同運動方向、軌跡、位置，以此不斷規范體育訓練中的不同姿勢和動作，通過這種極為逼真、精準的動作和形象模擬，可以讓體育項目中各項訓練動作更加精準，得到事半功倍的訓練效果[4]。

3.2 能夠獲取練習者的三維信息

虛擬現實技術的三維立體特征，讓練習者的動作可被360°準確地捕捉到，通過專業軟件的視頻對比分析，整理技術缺點、力度的變化等，形成練習者參與體育訓練的各個節點數據，為人體運動三維仿真提供參考。

3.3 實現體育技術動作虛實對比

通過體育訓練，可以讓練習者的動作更為標準、技術得到提升，所以訓練的準確性十分重要。虛擬現實技術可以為練習者形成一個動作仿真系統，以此可以顯示出練習者訓練動作中存在的不足，讓教師或者教練選擇有針對性的訓練方式，提升訓練的針對性。同時，虛擬現實技術應用到體育訓練中指導教練添加練習者的動作，進行具體技術分解，組織練習者觀看學習，提升訓練動作的認知。借助虛擬練習生成的影像資料教練也可以直觀地看到不同練習者、不同動作的對比，從而因材施教，制訂不同的體育訓練方案，極大地提升訓練效率。

3.4 構建超現實的虛擬化訓練場景

借助不同的虛擬環境給練習者不同的沉浸體驗感，也能通過虛擬環境刺激練習者的神經系統，激發練習者對訓練的興趣，主動訓練突破訓練的瓶頸，進而提升體育訓練的效果[5]。例如：設置的三維立體圖像形式讓練習者沉浸其中，可以增強練習者視角的運動感受，立體深度均得到提升，讓練習者可以快速適應虛擬環境，精準定位虛擬事物與景物，感受到真實的環境空間和虛擬環境空間的差異，以便于讓練習者在訓練狀態下實現動態定位效果。這樣的形式可以在集訓或者比賽前期構建與比賽一致的虛擬場景，提前了解環境，降低客場的劣勢，提升參賽者的信心，可為運動員定制VR技術體育訓練方案。通過VR技術定制化訓練與個性化健康管理服務，利用虛擬技術將本戰隊的戰術安排、對手戰術風格等信息編入系統，之后再進行訓練需要的3D場景應用，還原真實的比賽環境輔助運動員體育訓練。從實際應用情況看VR 技術體育訓練的優勢是虛擬現實系統中開展多樣化的比賽訓練，實現以賽代練的目的，提升運動員的技術訓練效果，提升技術技巧。虛擬訓練環境如圖1 所示，讓運動員在虛擬環境感受比賽的環境，使各器官適應比賽環境，達到真實鍛煉的效果。

圖1 VR技術構建虛擬體育訓練情境

3.5 實現異地交互訓練

虛擬現實技術的交互性特點即實現多人異地互動，在應用中可以與系統中的體育訓練科目、訓練項目技巧等進行交叉對比。通過對比發現自身定制的體育訓練方案與其他專業院校或者成功案例的差異，找到自己的不足，取其精華去其糟粕，不斷優化、完善體育訓練方案。同時，借助虛擬現實技術可以與其他地方的參賽者或者同伴一起訓練切磋，突破時間、空間的限制，提升練習者的興趣，也保證異地學習的訓練效果。

3.6 VR技術的沉浸式學習

VR技術可以創建一個虛擬的實訓空間，通過虛擬空間實現人和物的交流活動，調動訓練者各項身體機能，進而讓訓練者聽覺、視覺、觸覺等機體功能共同發揮作用，學習各項內容。例如：在跆拳道訓練中構建一個虛擬沉浸式訓練空間，如圖2 所示，VR 技術訓練者提供一個虛擬的互動訓練場所，讓訓練者即使不在教師、教練的指導下，也能通過鍛煉，快速、精準地掌握技術技能，也能在虛擬的環境中學習到技能和知識，讓訓練者自主開始沉浸式學習。

圖2 VR技術沉浸式學習環境構建

4 虛擬現實技術在體育訓練中的具體應用

4.1 在健美操訓練中的應用

健美操是一種具有美感和觀賞性的體育運動項目，在訓練中不僅要重視技巧練習，也要重視動作協調性與藝術性的訓練。教練為練習者制訂健美操的體育訓練方案時，口頭動作和示范動作是常用方式，之后都是個體機械性地訓練和學習，無法確定自己的動作是否標準、肢體是否優美等，不僅無法提升訓練的效果，也會降低練習者的練習興趣[6]。部分訓練技巧、動作很難用語言描述，所以傳統的方式對健美操的訓練效果是有限的。在這一運動訓練中應用虛擬現實技術則是可以模擬出仿真運動數字人體模型，并且通過細節展示、對比了解到不足，讓練習者可以直觀地看到。有針對地改進動作要領，提升訓練效果。

4.2 在跳水訓練中的應用

在跳水訓練中應用虛擬現實技術可以更為準確地捕捉到練習者的動作，進行指導性訓練。運用虛擬現實技術構建起的三維數據處理系統，通過傳感器設備全方位地捕捉到跳水時的情形，并且用三維坐標對動作進行細節標注，對比標準可以讓練習者準確地看到自己的不足，實現針對性的練習和優化。同時，虛擬現實技術中的源追蹤法也能獲取練習者的三維運動信息，對比傳統的觀測部位貼反光貼形式有著明顯的優勢，也能防止貼粘貼影響練習者動作的弊端。而且跳水練習時場地中的攝像頭，也能對練習者的動作全程進行時采集，經過分割、解碼、疊加等技術形式，將這些信息準確歸類獲取練習者的三維運動數據信息。此外，練習者借助虛擬現實技術進行新的技術創新，降低因為新技術帶來的風險性。

4.3 在籃球訓練中的應用

在籃球運動訓練中通過虛擬現實技術可以模擬籃球比賽的場景、對抗情境等，通過自身的素質、技術技能調整訓練的進度和難度。教練則是可以通過計算機獲得對練習者的各個動作，發現錯誤及時指出。同時，虛擬現實技術也對籃球戰術訓練有著重要的幫助，通過戰術訓練開展與其他隊伍的對抗，了解自己隊伍的配合程度，了解戰術的不足等，提升戰術訓練的直觀性與實際效果。而且可以借助視頻慢動作回放形式，獲得所有參與訓練人員的信息，觀察是否有沒有理解戰術的練習者、是否真正掌握動作，保證訓練效果。

5 計算機虛擬現實技術用于體育訓練的前景

5.1 利用VR技術制作體育訓練的課件

任何體育項目都有自己的運動技巧、專業動作，需要長期練習才能精準掌控，并且發揮這些動作技巧的實際效果。對此，教練在虛擬現實技術支持下制作VR課件，可為練習者模擬更為逼真的環境，使其克服訓練、訓練環境的局限性，教練不在時也可以借助課件自己練習，形成一個新的訓練模式。實現體育訓練智能化、科學化，發揮虛擬現實技術與體育訓練的結合效果。

5.2 利用VR技術開展網絡遠程訓練

隨著移動通信技術與計算機技術的發展，遠程訓練已經是十分普遍的訓練形式，在網絡遠程訓練中開發體育訓練模式是一個討論熱點。采用虛擬現實技術讓體育訓練不再受到空間限制，而且可以實現交互學習、沉浸式學習，不僅可以打破區域差異，也能平衡教育資源，讓練習者學習更多的項目，得到更多練習的機會。同時，可以通過網絡與教練實時溝通，極大地調動練習者的積極性，在虛擬現實技術的推動下使體育訓練更加現代化。

5.3 利用VR技術進行體育訓練

在體育訓練中虛擬現實技術提供了虛擬的課上空間，也能提供課外訓練空間。教練可以應用不同訓練方法，為練習者模擬不同的比賽或者練習環境，使練習者能夠得到身臨其境的訓練感受，提升技術技能水平。在對部分較為危險的體育項目練習或者動作技術中，可以提前應用虛擬環境練習，掌握技術技巧，再逐步在實際環境中實踐。例如：自由拳擊練習對比其他的體育項目風險較高，可以在虛擬空間中模擬對手的戰術、對練，降低了風險，也能提升練習者的技術要領。

6 結語

虛擬現實技術因為具有多感知性、沉浸性、交互性等特征，在體育訓練中可以降低運動風險，也能降低因為高難度訓練給練習者帶來的傷害。同時，借助虛擬現實技術創設不同訓練環境，可有效彌補固有體育設施的缺陷和不足，確保練習者參與的體育訓練具有針對性，提升訓練效果。由此，將其與體育訓練結合是具有可操作性的，而為了提升體育訓練效果讓虛擬現實技術應用到訓練中也是必要的。將虛擬現實技術應用到體育訓練中，不僅提升練習者興趣、參與熱情，也會激發訓練學習的主動性，極大地提升了體育訓練的效果。雖然目前的虛擬現實技術在籃球、跳水、籃球等體育訓練中均得到良好的應用，但依舊面對不容忽視的問題，如虛擬現實技術投入高、普及率低，對軟件硬件的要求高等。然而虛擬現實技術這一新興技術形式，在體育訓練中的應用是具有積極意義的，所產生的效果是不容忽視的，隨著未來虛擬現實技術發展，各種穿戴設備普及，系統逐步優化成熟，未來有著巨大的發展潛力和應用空間。與此同時，體育也是一個具有強大發展潛力行業，通過虛擬現實技術與體育實踐碰撞，必然會產生新的火花，這對改善我國體育教育環境、改善運動訓練條件、豐富體育訓練方式等方面均有促進作用。