虛擬現(xiàn)實(shí)在體育仿真中的應(yīng)用綜述

鮑曉迪

【摘 要】所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要以互聯(lián)網(wǎng)為依托，利用軟件的形式實(shí)現(xiàn)集成技術(shù)，對現(xiàn)實(shí)的世界進(jìn)行模擬，通過動態(tài)的方式完成模擬，在用戶與模擬的環(huán)境之間形成實(shí)時的交互關(guān)系?，F(xiàn)階段，受信息技術(shù)發(fā)展的影響，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于競技體育中，例如體操、跳水等，然而在實(shí)際的應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育仿真的應(yīng)用中，仍然存在一定的缺陷，比如在交互性方面仍然存在不足等，為此，文章圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與體育仿真，針對其應(yīng)用技術(shù)，提出了幾點(diǎn)建議。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；體育仿真；應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展于從上世紀(jì)的80年代，主要通過計算機(jī)軟、硬件與傳感設(shè)備構(gòu)成的三維信息虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是利用交互技術(shù)、傳感技術(shù)、以及顯示技術(shù)等高科技實(shí)現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)核心一般是計算機(jī)、位置跟蹤裝置、圖像采集裝置、以及顯示裝置等相關(guān)的設(shè)備組成。在具體應(yīng)用中能夠?qū)F(xiàn)實(shí)世界的具體環(huán)境進(jìn)行模擬，給用戶以真實(shí)的體驗(yàn)，體驗(yàn)具體的環(huán)境交互。因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性以及沉浸性、構(gòu)想性的特點(diǎn)，為此，在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是高校的體育教學(xué)訓(xùn)練中，為了實(shí)現(xiàn)體育的快速發(fā)展，將其與計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合是當(dāng)前階段發(fā)展高校體育的重要形式。參與人員通過對外界環(huán)境認(rèn)知的能力，和計算機(jī)虛擬環(huán)境信息進(jìn)行交流，以此實(shí)現(xiàn)對參與者思維能力的啟發(fā)。為此，將高校體育與虛擬技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，是提高學(xué)生體育訓(xùn)練水平的重要方法，將學(xué)生的體育學(xué)習(xí)、訓(xùn)練效果實(shí)現(xiàn)最佳。但是現(xiàn)階段高校中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育仿真的應(yīng)用中，仍然存在一定的缺陷，為此，文章中針對虛擬現(xiàn)實(shí)在體育仿真中的應(yīng)用，對其應(yīng)用方法進(jìn)行了分析。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)與體育仿真

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是依托于計算機(jī)技術(shù)而來，對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬的一種實(shí)時技術(shù)，也可被成為虛擬環(huán)境?，F(xiàn)實(shí)世界一般指代為有真實(shí)感的三維立體圖案，不僅可以利用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)，同時也可以通過構(gòu)想形成世界。操作人員可以利用不同的感官以及觸覺進(jìn)行交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)身臨其境的感覺，以此也為虛擬現(xiàn)實(shí)貢獻(xiàn)了全新的交互渠道。一般情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有比較多的輸出形式，以此對不同設(shè)備的進(jìn)行輸出，同時可以實(shí)施碰撞檢查、視點(diǎn)掌控、實(shí)時交互等。

（二）體育仿真

當(dāng)前階段競技體育的發(fā)展速度逐漸加快，我國也作為一個體育強(qiáng)國培養(yǎng)了越來越多的體育健兒，為了實(shí)現(xiàn)體育更加快速的發(fā)展，將體育訓(xùn)練與信息技術(shù)相結(jié)合，是現(xiàn)階段的必然趨勢，以此更快的實(shí)現(xiàn)體育仿真。為了實(shí)現(xiàn)體育技術(shù)的信息科學(xué)化，首先需要對體育的相關(guān)知識進(jìn)行研究，其次相關(guān)人員要深入的研究體育內(nèi)在知識。因?yàn)轶w育仿真具有一定的科學(xué)性，在具體運(yùn)用時需要利用計算機(jī)的模擬技術(shù)，將教師教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)、體育訓(xùn)練方向、學(xué)生訓(xùn)練的過程進(jìn)行模擬再現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)體育評價的科學(xué)性?，F(xiàn)階段，對體育的仿真系統(tǒng)進(jìn)行探究，主要可以通過仿真方式、交互仿真的分布以及多媒體仿真等方面進(jìn)行研究，這一點(diǎn)和對仿真方式以及交互仿真等進(jìn)行研究的方式存在一定的差異性，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以增強(qiáng)體育仿真的交互感與感知性，受虛擬技術(shù)發(fā)展的影響，體育仿真也會在體育范圍內(nèi)得到十分廣泛的運(yùn)用。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的影響與特征

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的影響

1.避免體育訓(xùn)練時的事故

在體育訓(xùn)練中難免會存在具有很強(qiáng)對抗性的項(xiàng)目，學(xué)生在進(jìn)行訓(xùn)練時很容易會受傷，例如拳擊等一些比較激烈的運(yùn)動項(xiàng)目，學(xué)生在訓(xùn)練時會出現(xiàn)事故，為此一些學(xué)校也為此減少了該類型項(xiàng)目的設(shè)置。為了避免學(xué)生在接受對抗性較強(qiáng)體育練習(xí)時出現(xiàn)事故，可以在訓(xùn)練時結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將訓(xùn)練過程中容易出現(xiàn)的事故避免，在現(xiàn)實(shí)世界的模擬下，學(xué)生便可以全力進(jìn)行練習(xí)，不必?fù)?dān)心在訓(xùn)練過程中會出現(xiàn)事故。除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以對學(xué)生的體育訓(xùn)練情況進(jìn)行檢測，對學(xué)生出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行及時的糾正，以此提升體育訓(xùn)練的效率。

2.減少來自高難度動作的傷害

現(xiàn)階段我國的體育技術(shù)在飛速的發(fā)展，一些對抗性的體育運(yùn)動其難度指數(shù)也在不斷增加，學(xué)生在訓(xùn)練時便會因?yàn)榧夹g(shù)難度高而造成傷害。為了減少學(xué)生在訓(xùn)練中造成的傷害，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，體育動作進(jìn)行模擬，以此便可以將一些高難度的動作進(jìn)行很好的規(guī)避，減少來自高難度工作的傷害。

3.改善體育訓(xùn)練物質(zhì)條件

高校在進(jìn)行體育訓(xùn)練時，因?yàn)槲镔|(zhì)條件的限制，導(dǎo)致學(xué)生的運(yùn)用訓(xùn)練需求不能得到滿足，為此，學(xué)校在選購其次體育訓(xùn)練器材的同時要考慮資金的問題。所以，一些運(yùn)動訓(xùn)練項(xiàng)目便會因?yàn)橘Y金的問題而被取消，為了解決這一問題，相關(guān)人員便可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上利用虛擬技術(shù)進(jìn)行體育訓(xùn)練，以此獲得多樣化的感官體驗(yàn)，從根本上解決資金的問題，無需較為龐大的訓(xùn)練場地作為支持。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)核心是對計算機(jī)裝備、位置跟蹤裝備、以及顯示、交互裝備等的運(yùn)用，使用戶獲得豐富的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中不僅涵蓋了視覺系統(tǒng)，同時也包括了聽覺系統(tǒng)以及定位系統(tǒng)等，在多功能的系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身具有較為豐富的特點(diǎn)，然而其中最具代表性的特征主要包含了以下幾點(diǎn)：即多感知性、交互性、構(gòu)想性以及沉浸性四點(diǎn)。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多感知性特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅具有計算機(jī)技術(shù)的視覺感知性，也具備聽覺、運(yùn)動、力覺等眾多感知性，盡管計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有很強(qiáng)大的功能性，然而因?yàn)槠渲写嬖谝恍┲萍s因素，特別是來自電子傳感方面的限制，決定了當(dāng)前階段的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具備了聽覺、力覺、運(yùn)動等多感知性的特點(diǎn)。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性感知性特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的沉浸性，也可以被稱作臨場感知，參與人員可以作為主角以真實(shí)的狀態(tài)存在于虛擬的環(huán)境下，讓參與人員能夠體會到身臨其境的真實(shí)感覺，并且更加深入的投入到虛擬現(xiàn)實(shí)世界中。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互性特征

交互性的特征將傳統(tǒng)形式下用戶接收信息的基本模式進(jìn)行了改變，運(yùn)用交互性可以保證用戶結(jié)合自身的真實(shí)需求，利用專業(yè)的技術(shù)裝備，在虛擬的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)交流與溝通，也可以將該環(huán)境下的事物進(jìn)行改變，更加體現(xiàn)真實(shí)與自然的感覺。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的構(gòu)想性特征

構(gòu)想性主要是在擴(kuò)展功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上可以將用戶的想象力進(jìn)行開發(fā)，將人們的認(rèn)知范圍改變，不管是生活中還是在客觀想象中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)，以此也可以激發(fā)人們的想象力。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具體功能

（一）幫助獲取學(xué)生三維立體信息

獲取學(xué)生的三維立體信息是對運(yùn)動進(jìn)行分析的重要內(nèi)容，在分析信息的同時可以將人體在運(yùn)動時各個關(guān)節(jié)所呈現(xiàn)的角度以信息的形式體現(xiàn)。獲取人體運(yùn)動信息的需要捕捉學(xué)生的體育動作，隨后利用力學(xué)等對體育動作進(jìn)行分析。現(xiàn)階段，在采取運(yùn)動信息的方式上正在不斷的發(fā)展，已經(jīng)由傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶攀?，然而在三維信息收集上主要還是采用有緣追蹤的方法。

（二）仿真運(yùn)動模型的建立

因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)是依托于虛擬數(shù)字的基礎(chǔ)之上，在進(jìn)行體育虛擬模型建立時主要可以利用以下幾點(diǎn)進(jìn)行體現(xiàn)：即人體關(guān)節(jié)、骨骼、重心三點(diǎn)。建立仿真運(yùn)動模型，一般情況下是按照人體關(guān)節(jié)在運(yùn)動在所呈現(xiàn)的狀態(tài)，再利用計算機(jī)的虛擬技術(shù)，對人體運(yùn)動的科學(xué)方式進(jìn)行計算，明確各個動作，提升人體模型動作的逼真性，在此基礎(chǔ)上建立仿真運(yùn)動模型。

（三）體育動作虛擬與現(xiàn)實(shí)的比對

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心是對體育的虛擬，為此在其中仿真技術(shù)十分重要。近年來計算機(jī)技術(shù)在體育訓(xùn)練中得到了廣泛的應(yīng)用，仿真系統(tǒng)的研究也是相關(guān)人員工作的主要課題，由于體育虛擬仿真可以將不同的體育動作進(jìn)行虛擬模仿，為此，在體育運(yùn)動員技術(shù)方面便具有一定的作用。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對動作差異的比較，運(yùn)動員可以通過比對，對自身進(jìn)行評估。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)在體育仿真中的應(yīng)用

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于跳水運(yùn)動

1.獲取參與運(yùn)動員三維運(yùn)動信息

所謂人體三維運(yùn)動信息即在運(yùn)動狀態(tài)下，人體中的各個關(guān)節(jié)所呈現(xiàn)的坐標(biāo)角度等等信息，從人體的三維運(yùn)動開始，對跳水運(yùn)動員的基礎(chǔ)技術(shù)動作進(jìn)行捕捉，進(jìn)而采用一定的技術(shù)進(jìn)行分析，一般采取三維運(yùn)動信息的方式主要為有源跟蹤的方式，也就是在被跟蹤運(yùn)動員的人體上設(shè)置反光標(biāo)注點(diǎn)。雖然現(xiàn)階段在運(yùn)動技術(shù)的捕捉上我國在相關(guān)技術(shù)方面已經(jīng)取得了進(jìn)步，然而對于三維信息的獲取卻依然使用有源跟蹤的方法，因?yàn)楫?dāng)前階段跳水等競技體育需要一定的精確性，對于跳水運(yùn)動員身上所設(shè)置的反光貼在一定程度上會影響其發(fā)揮水平，為此，一般情況在運(yùn)動員在配合上會存在一定的問題，另外，該信息捕捉方式在體育競技比賽中也不會被廣泛的允許。為此，獲取精確的信息仍然存在一定的困難。為了解決這一問題，相關(guān)人員已經(jīng)提出了建議，可以在跳水比賽中在現(xiàn)場增設(shè)多個攝像設(shè)備，在運(yùn)動員比賽時對其進(jìn)行全方位的跟蹤拍攝，在使用相關(guān)的視頻解碼軟件對視頻進(jìn)行處理，進(jìn)而獲取運(yùn)動員三維仿真數(shù)據(jù)。

2.跳水運(yùn)動員動作三維仿真

對于跳水運(yùn)動的技術(shù)創(chuàng)新主要是對運(yùn)動生命線的體現(xiàn)，但是，對于跳水運(yùn)動技術(shù)的創(chuàng)新，若將人體作為實(shí)驗(yàn)對象，則會為其帶來一定的風(fēng)險。為此，對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用則十分重要。主要的思路可以分為幾個步驟：其一，通過相關(guān)的方程對人體的運(yùn)動仿真進(jìn)行計算，在仿真計算的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)先將該跳水動作進(jìn)行嘗試，將該動作中難度較高、可能會導(dǎo)致運(yùn)動員出現(xiàn)傷害之處避免；其二，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施平滑計算，使虛擬動作更加具備理論化以及程序化；其三，對跳水運(yùn)動員的比賽視頻進(jìn)行剪切，利用視頻處理軟件實(shí)現(xiàn)跳水運(yùn)動員的仿真、虛擬動作進(jìn)行比對，以此分析運(yùn)動員動作的不足之處。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于蹦床運(yùn)動

1.建立蹦床數(shù)字人體模型

所謂三維數(shù)字人體和數(shù)字人體的概念存在一定的差異性，在本質(zhì)上存在一定區(qū)別。數(shù)字人體進(jìn)行研究的主體是具有生命體征的人類，研究的環(huán)境也主要為多時空的環(huán)境，在此基礎(chǔ)上對人體進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行處理。相反，數(shù)字虛擬人體進(jìn)行研究的對象則是沒有生命體征的死人，在研究的過程中，將人體進(jìn)行切割為切片，以影像的形式進(jìn)行保存，并且運(yùn)用電子信息技術(shù)將其整合，建設(shè)三維立體結(jié)構(gòu)。運(yùn)用數(shù)字化的虛擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對蹦床虛擬動作的可視化，現(xiàn)階段在相關(guān)的工作上一般是對虛擬可視人的研究，在調(diào)研結(jié)論方面具有一定的局限性，同時這也是數(shù)字人體和數(shù)字化虛擬人的差異所在。二者之間也存在一定的聯(lián)系，對數(shù)字化虛擬人體進(jìn)行研究，主要是希望在運(yùn)動員在某個時刻動作尺寸的狀況，在此基礎(chǔ)上便需要數(shù)字化的虛擬研究技術(shù)。因?yàn)槿梭w的系統(tǒng)較為龐大，身體中涵蓋了各個細(xì)胞，各個細(xì)胞在人體中相互作用，而人體和外界的環(huán)境也存在一定的沖突，因?yàn)檫@些變化便為數(shù)字化的虛擬人體研究帶來了一定的限制。在此基礎(chǔ)上相關(guān)人員也對此提出了相關(guān)的建議，即人體模型法，也就是利用基本的骨架、皮膚層以及肌肉層幾個部分構(gòu)成的虛擬人體。

2.蹦床運(yùn)動員相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取與專業(yè)技術(shù)動作設(shè)計

為了保證蹦床運(yùn)動中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其一，需要建立全面、高精度的數(shù)據(jù)庫，為了保證蹦床運(yùn)動相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對運(yùn)動員的運(yùn)動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫，并且在運(yùn)動員的訓(xùn)練場所內(nèi)部的各個訓(xùn)練角度增設(shè)攝像頭，并且采用傳統(tǒng)的有源跟蹤法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時在蹦床運(yùn)動員身上各部位設(shè)置反光標(biāo)記位置，在蹦床運(yùn)動員完成動作的同時，場館內(nèi)的攝像頭便會對動作進(jìn)行記錄，詳細(xì)的記錄動作的速度以及位置信息，并且將其錄入計算機(jī)，在此基礎(chǔ)上建立蹦床數(shù)據(jù)庫，相關(guān)人員運(yùn)用具體的軟件對信息進(jìn)行處理，以此對蹦床運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。同時，利用所建立的數(shù)據(jù)庫也可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動員的評價，糾正運(yùn)動員的動作，將其不斷的優(yōu)化與完善。通過對蹦床動作的捕捉，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對其進(jìn)行比對，以此設(shè)計更加完善的蹦床動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對蹦床運(yùn)動的輔助目的。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于其他體育運(yùn)動

以曲棍球運(yùn)動為例，曲棍球的訓(xùn)練輔助系統(tǒng)主要是運(yùn)用攝像設(shè)備進(jìn)行動作的捕捉，在所捕捉的影像中實(shí)時加點(diǎn)處理，以此計算曲棍球的運(yùn)動員在完成動作時的角度、速度等，相關(guān)人員再將身高、曲棍球技術(shù)水平相當(dāng)?shù)倪\(yùn)動員參數(shù)進(jìn)行比對，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)曲棍球動作技術(shù)的模擬，隨后，對運(yùn)動員的動作進(jìn)行比較，訓(xùn)練人員及時對有錯誤的動作進(jìn)行糾正，以此加強(qiáng)運(yùn)動員的技能水平。除此之外，也可以利用基準(zhǔn)輔助線的形式，對運(yùn)動員在運(yùn)動狀態(tài)下的位置變化進(jìn)行觀察，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬仿真的曲棍球訓(xùn)練場景以及比賽的情景，這樣運(yùn)動員便可以實(shí)現(xiàn)在虛擬場地中進(jìn)行練習(xí)，對受傷運(yùn)動員的恢復(fù)比較有利，也可以避免因?yàn)樘鞖獾仍蛟斐傻膱龅卦斐傻木毩?xí)限制。另外，對于舉重運(yùn)動而言，運(yùn)動員的力量非常重要，然而因?yàn)榧夹g(shù)含量也十分重要，所以在進(jìn)行動作捕捉時則需要對運(yùn)動員的深蹲、抓舉以及挺舉等動作的發(fā)力節(jié)奏以及順序進(jìn)行捕捉，再結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)體育仿真。

五、結(jié)束語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，通過軟件集成的方式模擬現(xiàn)實(shí)世界，基于動態(tài)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)體育仿真的模擬，并且在虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)交互關(guān)系。因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育仿真中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)際的應(yīng)用中仍然存在不足，為此，文章中針對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育仿真中的應(yīng)用，從幾方面對其應(yīng)用方式進(jìn)行了闡述。通過文章中的分析，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用水平，以此推動體育領(lǐng)域的不斷發(fā)展。

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