基于虛擬技術(shù)的高校體育訓(xùn)練研究

徐建平

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部,福州 350003)

基于虛擬技術(shù)的高校體育訓(xùn)練研究

徐建平

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部,福州 350003)

主要研究虛擬技術(shù)在高校體育訓(xùn)練中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)虛擬技術(shù)的主要功能分析和具體應(yīng)用研究，提出基于虛擬技術(shù)的體育訓(xùn)練創(chuàng)新措施，主要包括：虛擬與現(xiàn)實(shí)對(duì)比、構(gòu)建超現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境、技能學(xué)習(xí)與訓(xùn)練相結(jié)合和異地互動(dòng)訓(xùn)練等.

虛擬技術(shù)；體育訓(xùn)練；互動(dòng)訓(xùn)練

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛.“虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)是基于一系列高新技術(shù)如多功能傳感技術(shù)、三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、交互接口技術(shù)以及高清晰度顯示技術(shù)等建立的，技術(shù)核心包括相關(guān)軟件和硬件，包括計(jì)算機(jī)設(shè)備、圖像采集設(shè)備、位置跟蹤、交互以及顯示設(shè)備[1].主要是通過(guò)使用傳感器捕捉現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，并通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬和再現(xiàn)，該技術(shù)的特點(diǎn)包括感知性、構(gòu)想性、交互性以及沉浸性，利用計(jì)算機(jī)環(huán)境對(duì)很多工作重現(xiàn)，還可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)物理和功能上的環(huán)境和事物.

計(jì)算機(jī)技術(shù)自21世紀(jì)之后就開(kāi)始高速發(fā)展，而且也具備了逐步成熟的模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景技術(shù)，并且在各行各業(yè)都有所應(yīng)用.可以預(yù)見(jiàn)，必將能大量應(yīng)用在高校體育訓(xùn)練這一領(lǐng)域.參與者利用自身感知和認(rèn)知外界事物的能力，交流與計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的相關(guān)信息，能極大的促進(jìn)和啟發(fā)參與者的思維能力，有利于參與者獲取事物周?chē)娜轿恍畔2].所以，在這樣的虛擬條件下運(yùn)動(dòng)員能得到很好的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，不僅有利于運(yùn)動(dòng)員的全身心投入，而且能把運(yùn)動(dòng)員感官系統(tǒng)的功能最大限度地發(fā)揮出來(lái)，最優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員理想的訓(xùn)練效果和學(xué)習(xí)效果.

1 虛擬技術(shù)功能

1.1 構(gòu)建仿真運(yùn)動(dòng)數(shù)字人體模型

在研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的過(guò)程中，起到重要支撐作用的虛擬數(shù)字人.在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，虛擬人體模型利用了三類(lèi)節(jié)點(diǎn)方法，分別為人體關(guān)節(jié)、重心以及骨骼段.中科院研究員孫勇超等對(duì)三維數(shù)字人體模型進(jìn)行了分層構(gòu)建，把虛擬人體構(gòu)建為3個(gè)結(jié)構(gòu)層，分別為肌肉、皮膚和骨架，并在此基礎(chǔ)上對(duì)虛擬數(shù)字人進(jìn)行研究和構(gòu)建，人體骨架層又可分為3部分，分別為關(guān)節(jié)部分、人體重心以及骨骼部分.總的來(lái)說(shuō)，虛擬人模型是由表面模型和骨架模型共同構(gòu)成的[3].在虛擬數(shù)字人模型中，無(wú)論是哪一個(gè)部位，圍繞各自的關(guān)節(jié)都能按照一定的自由度實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，并利用人體運(yùn)動(dòng)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)方法，計(jì)算出模型部位進(jìn)行各類(lèi)運(yùn)動(dòng)的方向和位置，對(duì)模型的姿勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范和確定，能使模型動(dòng)作的逼真度和形象度得到極大的提升，與真實(shí)人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和動(dòng)作更加接近.

1.2 對(duì)比分析虛實(shí)技術(shù)動(dòng)作

在仿真領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)分析和仿真人體運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目一直備受關(guān)注，在分析和研究運(yùn)動(dòng)技術(shù)的過(guò)程中，仿真技術(shù)的作用相當(dāng)重要.不管是什么項(xiàng)目，虛擬仿真運(yùn)動(dòng)員都可以對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行精確的模仿，有利于運(yùn)動(dòng)員對(duì)理想動(dòng)作從不同方位和不同角度體會(huì)細(xì)節(jié)上的變化，有益于完善和提高運(yùn)動(dòng)員自身的技術(shù).我們依據(jù)采集到的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作數(shù)據(jù)，并把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)三維人體動(dòng)畫(huà)的形式顯示出來(lái)，這就是所謂的“虛”動(dòng)作.我們把對(duì)運(yùn)動(dòng)員現(xiàn)實(shí)動(dòng)作進(jìn)行記錄的視頻記為“實(shí)”動(dòng)作[4].通過(guò)將虛實(shí)技術(shù)的特殊處理，保持觀察仿真動(dòng)作以及視頻運(yùn)動(dòng)顯示視角和視點(diǎn)的一致，在同一塊屏幕上同時(shí)顯示兩者，可以更加準(zhǔn)確和直觀地顯示觀察效果.

1.3 獲取運(yùn)動(dòng)員三維信息

在人體三維運(yùn)動(dòng)的研究和分析過(guò)程中，其關(guān)鍵和基礎(chǔ)是三維立體信息，包括在人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程中，人體從不同角度通過(guò)骨骼關(guān)節(jié)展示的三維坐標(biāo)以及人體姿態(tài)等信息，如圖1所示.要想獲取人體運(yùn)動(dòng)三維信息，首先要?jiǎng)討B(tài)捕捉運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，然后再進(jìn)行科學(xué)的分析和整理.在視頻基礎(chǔ)上進(jìn)行的人體運(yùn)動(dòng)追蹤法是無(wú)接觸式的，由國(guó)家科學(xué)院研究員王兆奇首先提出，針對(duì)粘貼特殊標(biāo)識(shí)點(diǎn)存在的弊端和技術(shù)難題，提出了較好的解決方案.這種運(yùn)動(dòng)追蹤法是通過(guò)把多套視頻捕捉設(shè)備布置在運(yùn)動(dòng)員比賽現(xiàn)場(chǎng)或訓(xùn)練場(chǎng)所，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)全程進(jìn)行全方位和多角度的捕捉.然后利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)所有捕捉的運(yùn)動(dòng)視頻進(jìn)行各類(lèi)技術(shù)處理，把各類(lèi)參數(shù)數(shù)據(jù)提供到后續(xù)的三維仿真人體運(yùn)動(dòng)研究中[5].

圖1 人體手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程角度姿勢(shì)示意圖

圖2 虛擬技術(shù)在體育各領(lǐng)域中的應(yīng)用

2 虛擬技術(shù)在高校體育訓(xùn)練中的應(yīng)用

虛擬技術(shù)在體育訓(xùn)練中的應(yīng)用如圖2所示.

2.1 應(yīng)用到健美操訓(xùn)練中

作為一種運(yùn)動(dòng)，健美操集合了古典舞蹈、音樂(lè)以及現(xiàn)代體操的因素，不僅僅是一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，從藝術(shù)上來(lái)說(shuō)又是一種表演，所以健美操有比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)動(dòng)作要求，在運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅要對(duì)肢體動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)，同時(shí)還要保持舞蹈動(dòng)作的藝術(shù)感和優(yōu)美感.健美操在傳統(tǒng)的訓(xùn)練過(guò)程中，針對(duì)相關(guān)的技術(shù)動(dòng)作，教練進(jìn)行語(yǔ)言描述和展示，從運(yùn)動(dòng)者的角度來(lái)說(shuō)，技術(shù)動(dòng)作的具體做法和要領(lǐng)即便能完全掌握，但是自我感悟不深，學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過(guò)程都較為機(jī)械化.但是在訓(xùn)練中引入計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，從視頻上模擬出健美操基本和高難度的動(dòng)作，并通過(guò)具體的技術(shù)動(dòng)作形態(tài)指導(dǎo)，把訓(xùn)練方式展現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)者面前[6].針對(duì)同一技術(shù)動(dòng)作還可以進(jìn)行回放，教練還可以在回放的同時(shí)進(jìn)行示范，提供給運(yùn)動(dòng)者對(duì)技術(shù)動(dòng)作的進(jìn)一步掌握.運(yùn)動(dòng)者越多地掌握動(dòng)作細(xì)節(jié)，就越能取得更好的自我感悟效果，使運(yùn)動(dòng)者更好地了解健美操的藝術(shù)內(nèi)涵，使體育訓(xùn)練的效率得到顯著提高.

2.2 應(yīng)用到跳水訓(xùn)練中

在我國(guó)，跳水是優(yōu)勢(shì)型的體育項(xiàng)目，也深得游泳愛(ài)好者的喜歡.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的使用可以全方位的展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)者跳水動(dòng)作的各種細(xì)節(jié)，在標(biāo)注時(shí)使用了三維坐標(biāo)，有利于跳水三維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構(gòu)建.利用傳感器捕捉運(yùn)動(dòng)員的跳水動(dòng)作，并與三維運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)掌握情況進(jìn)行細(xì)節(jié)上的研究，易于運(yùn)動(dòng)員對(duì)自己不足的了解，并進(jìn)行進(jìn)一步的完善和糾正.

2.3 應(yīng)用到籃球訓(xùn)練中

在籃球訓(xùn)練中，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式是教練進(jìn)行示范和講解，但是目前在課堂訓(xùn)練和課件制作中，也逐漸引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).不僅可以教授知識(shí)，同時(shí)還可以教授技能和動(dòng)作.首先進(jìn)行模擬庫(kù)的構(gòu)建，通過(guò)儀器把虛擬場(chǎng)景顯示給運(yùn)動(dòng)員.計(jì)算機(jī)可以全程監(jiān)控整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程，所以運(yùn)動(dòng)員可以依據(jù)個(gè)人狀況調(diào)整訓(xùn)練進(jìn)度和難度[7].在籃球訓(xùn)練中，通過(guò)虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)的利用，可以捕捉運(yùn)動(dòng)員的每個(gè)動(dòng)作，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)理解，教練員可以以舉例的方法把技術(shù)動(dòng)作錯(cuò)誤告知運(yùn)動(dòng)員，對(duì)其訓(xùn)練的失誤問(wèn)題進(jìn)行糾正.同時(shí)虛擬技術(shù)還可以演示戰(zhàn)術(shù)配合，通過(guò)展示以往經(jīng)典的配合戰(zhàn)術(shù)，把配合動(dòng)作中的突出技術(shù)在視頻中標(biāo)記出來(lái)，有助于運(yùn)動(dòng)者觀察各個(gè)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié).因材施教，把差異化培養(yǎng)和個(gè)性化訓(xùn)練真正體現(xiàn)出來(lái).

2.4 應(yīng)用到排球訓(xùn)練中

等同于健美操的訓(xùn)練，排球體育訓(xùn)練在傳統(tǒng)訓(xùn)練中也是通過(guò)教練示范技術(shù)動(dòng)作，并對(duì)技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行講解和演示.針對(duì)技術(shù)動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)者只能進(jìn)行肉眼的觀察，無(wú)法對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的手腳運(yùn)動(dòng)和身體協(xié)調(diào)細(xì)節(jié)進(jìn)行捕捉，從而降低訓(xùn)練的效果.而且與健美操相比，排球具有較大的運(yùn)動(dòng)量，教練在示范指導(dǎo)類(lèi)似的“大球”運(yùn)動(dòng)會(huì)損耗較多的體力，無(wú)法進(jìn)行重復(fù)的演示，對(duì)于一部分運(yùn)動(dòng)者來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)技巧無(wú)法短時(shí)間內(nèi)全面的掌握.在排球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，引用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，可以通過(guò)視頻演示，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行回放，尤其可以慢動(dòng)作，特寫(xiě)地展示排球擊打過(guò)程中的細(xì)節(jié)動(dòng)作，并且可以分解演示各個(gè)動(dòng)作.此外，還可以使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)編輯相關(guān)的技戰(zhàn)術(shù)演練，把狀況出現(xiàn)時(shí)的各種應(yīng)對(duì)措施提供給運(yùn)動(dòng)者，并捕捉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中運(yùn)動(dòng)員的肢體語(yǔ)言，使團(tuán)隊(duì)協(xié)作效果得到提高，訓(xùn)練效果得到提升.

3 基于虛擬技術(shù)的體育訓(xùn)練創(chuàng)新措施

3.1 虛擬與現(xiàn)實(shí)對(duì)比

在體育訓(xùn)練中，其中一項(xiàng)重要內(nèi)容就是經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，使運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作得到完善，實(shí)現(xiàn)實(shí)際化和標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)作.在運(yùn)動(dòng)員體育素養(yǎng)的提高中，這種方式也較為有效.伴隨逐漸提升的計(jì)算機(jī)技術(shù)，很多國(guó)家都構(gòu)建了虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行體育動(dòng)作的仿真和模擬.一方面來(lái)說(shuō)，這種系統(tǒng)可以具體的分析運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練動(dòng)作，把動(dòng)作中的瑕疵找出來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的改善和提升.

教練也可以把標(biāo)準(zhǔn)的體育動(dòng)作添加到系統(tǒng)中，在訓(xùn)練之前，運(yùn)動(dòng)員可以對(duì)規(guī)定動(dòng)作進(jìn)行了解和學(xué)習(xí).在實(shí)際訓(xùn)練中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用還可以把運(yùn)動(dòng)員的不足和缺點(diǎn)都查找出來(lái)，不僅有助于運(yùn)動(dòng)員深刻的認(rèn)知自身的動(dòng)作完成情況，還有助于提升師生間的信息交流，有助于高校體育訓(xùn)練的提升.

3.2 構(gòu)建超現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境

通過(guò)計(jì)算機(jī)把想象的環(huán)境構(gòu)建出來(lái)，使使用者身臨其境是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)所在.在高校體育訓(xùn)練中，通過(guò)這種技術(shù)的使用，根據(jù)環(huán)境的不同可以相應(yīng)的對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練，使運(yùn)動(dòng)員的適應(yīng)能力得到提升[8].同時(shí)，訓(xùn)練環(huán)境的新鮮感也能使運(yùn)動(dòng)員的興趣得到激發(fā)，通過(guò)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的刺激，使運(yùn)動(dòng)員的體育水平得到提升.從另一方面來(lái)說(shuō)，在高校舉辦體育賽事之前，訓(xùn)練環(huán)境的構(gòu)建在集中訓(xùn)練中也具有重要的作用.經(jīng)常會(huì)有體育交流賽等賽事在高校間舉辦，從一定程度上來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)員的主場(chǎng)優(yōu)勢(shì)能使雙方體育水平差距拉大.在一定意義上能輔助提升運(yùn)動(dòng)員的士氣.

3.3 技能學(xué)習(xí)與訓(xùn)練相結(jié)合

對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)環(huán)境和空間，有助于訓(xùn)練與技能學(xué)習(xí)的直接交互.運(yùn)動(dòng)員通過(guò)計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以擔(dān)當(dāng)虛擬環(huán)境中的角色，有助于對(duì)技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，系統(tǒng)提供的反饋信息有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的持久性和積極性進(jìn)行激發(fā)，進(jìn)而提升運(yùn)動(dòng)員掌握和提高技術(shù)動(dòng)作的能力.目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性的使用還可以對(duì)自身功能進(jìn)行完善，在同一個(gè)虛擬環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)異地多人的交流、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，能有效地幫助高校體育技術(shù)的訓(xùn)練互長(zhǎng)以及團(tuán)體體育項(xiàng)目的訓(xùn)練.

3.4 異地互動(dòng)訓(xùn)練

異地交互訓(xùn)練由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性而得到了保障.從目前來(lái)說(shuō)，一些高?；旧线€是維持了傳統(tǒng)的競(jìng)技科目，暫時(shí)還沒(méi)有接觸到較為先進(jìn)的項(xiàng)目.通過(guò)這種異地交互的推廣可以使高校的整體體育訓(xùn)練水平得到提升，同時(shí)還可以使訓(xùn)練的項(xiàng)目得到增加.相比于其他學(xué)校的體育訓(xùn)練，可以取其精華去其糟粕，與運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練實(shí)際相結(jié)合，找尋最佳的訓(xùn)練方式.高校間的運(yùn)動(dòng)員也可以進(jìn)行切磋訓(xùn)練，通過(guò)比較使訓(xùn)練熱情得到激發(fā)，訓(xùn)練質(zhì)量得到提升.

4 結(jié)論

在體育項(xiàng)目的開(kāi)展過(guò)程中，體育訓(xùn)練是其中一項(xiàng)重要方式，從運(yùn)動(dòng)者的角度來(lái)說(shuō)，能有效提升技術(shù)動(dòng)作，更好地掌握技戰(zhàn)術(shù)配合.通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以化動(dòng)作講解為視頻信息，還可以進(jìn)行回放和細(xì)節(jié)講解.這樣不僅可以教授知識(shí)，還可以同時(shí)教授動(dòng)作和技能.所以，計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的使用，不僅有助于運(yùn)動(dòng)者掌握運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，還能使體育訓(xùn)練效率得到有效提升.

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[2] 王忠孝，王忠祥.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在繼續(xù)教育中的運(yùn)用研究——以體育課程為例[J].繼續(xù)教育研究,2010(11):69-70.

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[責(zé)任編輯 王新奇]

Research on College Physical Training Based on Virtual Technology

XU Jian-ping

(Department of Basic Teaching, Fujian Polytechnic of Information Technology，F(xiàn)uzhou 350003, China)

In this paper, application of virtual technology in college physical training is mainly studied. Through the main function analysis of virtual technology and its application research, the sports training innovative measures based on virtual technology are finally put forward, which mainly including contrast between virtual and reality, constructing the super realistic training environment, combination of skills learning and training, and interactive training in different places and so on.

virtual technology; physical training; Interactive training

1008-5564(2016)05-0093-04

2016-02-22

徐建平(1970—)，男，湖南攸縣人，福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部副教授，碩士，主要從事高校體育教育、社會(huì)體育研究.

G807.4

A