VR在體育教學(xué)與活動中的應(yīng)用分析

楊耿 蕭裕紅 黃惠怡 盧映旬 李欽

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省深圳市 518000）

2019年國務(wù)院印發(fā)的《體育強國建設(shè)綱要》中提出要加快推動高新科技與體育實體經(jīng)濟深度融合；支持可穿戴運動設(shè)備和智能運動裝備的研發(fā)與制造；促進體育制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。為建設(shè)體育強國，首先需要完善體育配套設(shè)施的建設(shè)，大力推動體育產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級。VR設(shè)備是可用于體育運動的新型穿戴運動設(shè)備，VR的內(nèi)容可以融合體育運動與體育訓(xùn)練內(nèi)容，是體育強國建設(shè)中新型的體育產(chǎn)品發(fā)展方向。2020年《關(guān)于全面加強和改進新時代學(xué)校體育教育工作的意見》強調(diào)學(xué)校加強體育課程和教材體系建設(shè)，配齊配強體育教師，改善場地器材建設(shè)配備，需要大量的師資和設(shè)備資金投入。但未來隨著VR體育教學(xué)共享平臺[1]建設(shè)逐漸完善，可虛擬出的運動教練可以在VR中指導(dǎo)與規(guī)范運動人員的動作，并應(yīng)用于師資匱乏、設(shè)施匱乏的西部地區(qū)，彌補全國體育師資與設(shè)施不平衡的現(xiàn)象，解決師資和設(shè)備資金投入問題。

1 VR技術(shù)原理

VR是一種由計算機生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。VR當(dāng)前熱門技術(shù)方向分為本地VR與云端（Cloud）VR。本地VR與Cloud VR的主要區(qū)別在于是否將計算、圖像渲染放在云端。如圖 1所示，本地VR在用戶終端進行圖像渲染，對GPU等硬件設(shè)備資源要求高，導(dǎo)致用戶購置設(shè)備成本高，而Cloud VR將計算與圖像渲染放在云端進行，降低了對終端設(shè)備性能與成本的要求；本地VR因硬件設(shè)備繁多導(dǎo)致佩戴時沉重、透氣性不夠、舒適度欠缺，而Cloud VR是在云端渲染，終端只需要顯示與傳輸硬件，從而頭顯設(shè)備可以變得更輕更舒適；本地VR內(nèi)容缺乏統(tǒng)一管理平臺，內(nèi)容版權(quán)缺乏有效保護，而Cloud VR通過云平臺可使內(nèi)容集中化，便于內(nèi)容的統(tǒng)一分發(fā)、共享與版權(quán)管理。通過對比，Cloud VR在成本、體驗感、內(nèi)容方面更有優(yōu)勢，并且Cloud VR以成本低、終端無繩化、自由度高、內(nèi)容云化等優(yōu)勢有效地解決制約了VR發(fā)展的痛點。因此，Cloud VR是VR發(fā)展的最佳選擇之一。

圖1：本地VR與Cloud VR對比分析

如圖2所示，Cloud VR由內(nèi)容層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層及終端層四部分組成。其中內(nèi)容層由“內(nèi)容提供”和“內(nèi)容聚合”組成，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)向平臺層提供VR內(nèi)容，包括視頻業(yè)務(wù)與強交互業(yè)務(wù)；平臺層負(fù)責(zé)云渲染、流化、轉(zhuǎn)碼、編碼及存儲，可以實現(xiàn)直播、點播與投屏功能；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)為Cloud VR提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸；終端層主要負(fù)責(zé)控制信令采集、視頻解碼、屏幕呈現(xiàn)、接入網(wǎng)絡(luò)。Cloud VR利用云平臺強大的計算能力將VR內(nèi)容上云、渲染上云甚至制作上云，再通過優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)將沉浸式的VR體驗傳遞至終端用戶。

圖2：Cloud VR架構(gòu)

2 VR應(yīng)用情況

2.1 VR應(yīng)用研究

隨著VR技術(shù)的發(fā)展，VR在傳統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用，包括醫(yī)療、游戲、輔助訓(xùn)練、制造、設(shè)計、藝術(shù)與教學(xué)領(lǐng)域。例如，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助自閉癥兒童并解決其運動情境中的生活困境問題[2]；或利用虛擬現(xiàn)實和三維游戲技術(shù)，構(gòu)建動態(tài)虛擬的相關(guān)場景，設(shè)計和開發(fā)基于游戲模式的行人橫穿道路技能輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，以便達到更好的教育效果[3]；或在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對機械手的作業(yè)情況進行了仿真模擬，以便提高采摘機器人機械手群體作業(yè)的效率和精度[4]；或以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù),搭建相應(yīng)的三維空間模型，在更大程度上保證室內(nèi)家居設(shè)計的高擬真性[5]；或根據(jù)技術(shù)與非遺相結(jié)合，將非遺的保護模式分為“玩具”、“鏡子”和“藝術(shù)”模式，從而對非遺進行數(shù)字化保護[6]；或基于虛擬現(xiàn)實的遠程教學(xué)空間中的不同學(xué)習(xí)情景解決遠程教學(xué)缺乏實時的沉浸性情境和協(xié)作互動[7]。“VR+”使得人類的學(xué)習(xí)、生活、工作變得更方便、更有趣、效率更高，未來VR將無所不在，在各個行業(yè)中應(yīng)用，未來人類的文明將向前邁進一大步。

2.2 VR+體育典型應(yīng)用

VR通過其構(gòu)想性與交互性，構(gòu)建虛擬教練代替真實體育老師，向?qū)W生講授課堂知識以及讓學(xué)生在虛擬場景中進行訓(xùn)練[8]。以籃球教學(xué)為例，如圖 3所示，學(xué)生可以根據(jù)自己的想法與接受程度選擇觀看或者參加不同水平的籃球虛擬訓(xùn)練，從立體多維虛擬空間觀看籃球技巧以及籃球知識，完成理論學(xué)習(xí)；若選擇技巧訓(xùn)練，還可以在VR中互動和交互，進行速度調(diào)整與動作檢驗，提升籃球的學(xué)習(xí)效果。

圖3：VR體育教學(xué)流程示例

VR通過其構(gòu)想性與沉浸性構(gòu)建虛擬賽事直播場景，讓體育愛好者能獲得到如臨賽事現(xiàn)場的體驗[9]。以馬拉松比賽為例，具有參賽選手多、競賽時間長、比賽范圍大的特點。使用VR技術(shù)，用戶可以自主選擇不同的 VR 直播視角來觀看賽事、可以自主選擇不同的比賽區(qū)域范圍觀看賽事、甚至可以在馬拉松比賽場地虛擬行走切換賽事地點、可以跟隨某一喜歡的運動員一起跑步，或者零距離體驗感為參賽人員加油助威。

VR+體育可以完成各類運動課堂知識的傳授，實現(xiàn)各種體育球類的知識傳授以及技巧展示；VR+體育可以直播各類體育比賽，實現(xiàn)足不出戶地觀看比賽，并實現(xiàn)親臨現(xiàn)場的體驗感。VR+體育能夠讓用戶體驗體育活動現(xiàn)場的人、物與事，打破了時空的限制。在應(yīng)急情況下，通過虛擬的教練、虛擬的運動空間，可以無接觸、安全地完成體育教學(xué)與體育活動。在體育教學(xué)過程中，受限于師資力量與師資水平，教學(xué)內(nèi)容與教材較為單一，學(xué)生較難獲得感興趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在高難度運動活動中，動作要領(lǐng)較難詮釋，運動人員容易因錯誤運動造成損傷。部分運動所需運動設(shè)備與設(shè)施場所造價昂貴無法普及。VR作為可用于體育領(lǐng)域的新一代信息技術(shù)，具有構(gòu)想性、交互性和沉浸性三大特點。構(gòu)想性可為體育活動人員虛擬構(gòu)造出各種想要學(xué)習(xí)的體育項目環(huán)境；交互性讓體育活動人員可以體驗使用虛構(gòu)的體育器材和體育空間，補充體育活動實踐所需設(shè)備條件；沉浸性讓體育活動人員觀看VR教學(xué)資源能夠感受身臨其境，從細(xì)節(jié)剖析每個動作、學(xué)習(xí)肢體正確的活動方式，以免因錯誤運動方法造成肢體損傷。采用VR技術(shù)可以解決傳統(tǒng)體育教學(xué)與體育活動現(xiàn)存問題，補充實體體育教學(xué)與體育活動的不足，降低體育設(shè)施完善成本。

高血壓C級血清明顯超過A級、B級、對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；高血壓B級血清超過A級與對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。高血壓A級、B級相較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

3 問題與對策

VR技術(shù)在體育教學(xué)與體育活動應(yīng)用過程中存在著成本問題、安全問題、認(rèn)知問題、內(nèi)容問題、技術(shù)問題，具體問題描述如表1所示。針對成本問題，可采用Cloud VR技術(shù)，通過云端共享計算資源與數(shù)字資源方式，將硬件成本轉(zhuǎn)移到云端；通過軟件調(diào)度合理分配使用時間與資源占用，使用者只需要購買符合播放要求的低成本頭顯設(shè)備并通過有效的通信網(wǎng)絡(luò)連接Could VR服務(wù)器即可享受優(yōu)質(zhì)的VR服務(wù)。針對安全問題，除提供低延時網(wǎng)絡(luò)通信以降低不舒適感外，還應(yīng)建立VR設(shè)備準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)備的性能與參數(shù)應(yīng)符合青少年生理安全要求的視覺效果，保護青少年的生理與心理健康。同時在VR設(shè)備使用范圍內(nèi)，建立物理安全保障設(shè)施，防止使用者越過邊界造成自己或他人的人身傷害。針對內(nèi)容問題，應(yīng)針對體育教學(xué)與體育活動所需場景進行多元化設(shè)計，并結(jié)合體育教學(xué)與體育活動常見實體內(nèi)容，設(shè)計并實現(xiàn)立體多維度的虛擬空間、虛擬元素、虛擬活動過程，提供完備的虛擬體育器材與虛擬體育設(shè)施。針對認(rèn)知問題，可開展VR線下體驗館，設(shè)置VR體育體驗、VR觀賽等體驗項目，進行“VR+體育”在學(xué)校、社區(qū)中的普及活動，激發(fā)人民群眾在VR體育模式的興趣與習(xí)慣。針對技術(shù)問題，應(yīng)將人體生理學(xué)、心理學(xué)、體育學(xué)、VR技術(shù)、通信技術(shù)、硬件技術(shù)相結(jié)合，培養(yǎng)VR+體育綜合性人才，引入更先進的技術(shù)，并通過工程化手段提升符合體育教學(xué)與體育運動要求的VR技術(shù)水平。

表1：VR技術(shù)在體育教學(xué)與體育活動應(yīng)用問題

4 總結(jié)

本文從體育強國要求出發(fā)，介紹了VR的技術(shù)原理，并描述了VR在體育教學(xué)與體育活動的典型案例。針對現(xiàn)有VR技術(shù)模式與體育應(yīng)用情況，總結(jié)出VR+體育可能存在的問題并提供了初步的解決對策。目前，VR技術(shù)在體育教學(xué)與體育活動方面的應(yīng)用仍處于初級階段，未來發(fā)展需要引入Could VR與5G技術(shù)、提供大量VR體育虛擬資源、完善標(biāo)準(zhǔn)與安全要求、推廣VR體驗、培養(yǎng)VR+體育綜合性人才，最終為體育強國服務(wù)。