虚拟现实技术在体育中的运用研究

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www.showdoc.cn虚拟现实技术在体育中的运用研究摘要：本文采用文献资料法和综合分析法,对虚拟现实技术在体育中运用的现状进行了研究,初步分析了虚拟现实技术在体育中的作用,以及其在体育中应用的必要性。认为虚拟现实技术作为一个新型的实验技术,将最终会在体育领域广泛应用并发挥其重要作用。关键词：虚拟现实技术体育运用现状VirtualRealityResearchontheuseinsportAbstract:Thisarticleusesdocumentsandcomprehensiveanalysismethod,onthecurrentsituationoftheapplicationofvirtualrealitytechnologyinsportsconductedastudyandpreliminaryanalysisoftheroleofvirtualrealitytechnologyinsports,andthenecessityofitsapplicationinsports.Thinkofvirtualrealitytechnologyasanewexperimentaltechniques,willultimatelybewidelyusedandplayasignificantroleinthefieldofsports.Keywords:virtualrealitysportsApplicationstatus1虚拟现实技术1.1虚拟现实技术虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术是一门综合技术，它以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术、伺服技术等，来生成一个逼真的三维视觉、触觉以及嗅觉等感觉世界【1】，这里的“世界”是指具有真实感的立体图形,它既可以是某种特定现实世界的真实再现,也可以是构想的世界【2】。虚拟现实是在计算机中构造出一个形象逼真的模型。练习者可以通过视觉、听觉、触觉、力觉等与之产生交互,从而能使练习者产生“身临其境”效果,所以虚拟现实技术为人机交互提供了新的交互媒体。虚拟现实系统具有多种输出形式,能够处理多种输入设备,并能够进行碰撞检测、实时交互、视点控制和复杂行为建模等【1、2】。1.2虚拟现实技术的特点1.2.1虚拟现实技术与传统的一般交互式仿真的比较8 www.showdoc.cn首先，信息多维性。VR系统基于多种信息，包括图像、图形、声音、位置、姿势、力反馈、触觉等，而不仅仅是数字信息。其次，人机交互的自然性。传统人机交互系统借助于键盘、鼠标或专用的控制设备（如各类训练仿真系统），练习者发出口令，设备执行口令，属于人去适应计算机。VR系统强调的是计算机适应人，计算机可以识别人的位置、姿势、手势，甚至人机可以“对话”，头盔、数据手套、数据衣等成为人机自然交互的基本手段。最后，理想的VR系统应达到人在虚拟环境中如同在真实环境中“一样”或“接近一样”的感觉，即除了三维视景感觉外，还具有自动定位的感觉、触觉、运动感知等，甚至具有味觉、嗅觉等。1.2.2虚拟现实技术的3“I”特性沉浸性交互性想象性虚拟现实的3“I”特性即沉浸性、交互性、想象性，这三种特性如右图所示。沉浸性指的是人在虚拟环境中，具有和在真实环境中一样的感觉；交互性是在虚拟环境中，人不是被动地感受，而是通过自己的动作改变感受的内容；想象性是在虚拟的环境中，人想象出来的，因而可以用以实现一定目标的用途【1】。1.3虚拟现实技术的种类虚拟现实系统按其功能高低大体可分为四类：一是桌面虚拟现实系统，也称窗口中的VR。它主要用于CAD、CAM、建筑设计、桌面游戏等领域；二是沉浸虚拟现实系统，如各种用途的体验器，使人有身临其境的感觉，可用于各种培训、演示以及高级游戏等；三是分布式虚拟现实系统，它在因特网环境下，充分利用因特网的资源，协同开发各种虚拟现实的利用。它通常是浸沉虚拟现实系统的开发与发展，也就是把分布于不同地方的沉浸虚拟现实系统，通过因特网连接起来，共同实现某种用途；四是增强现实，又称混合现实系统。它是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统。2虚拟现实技术在体育中运用的现状分析2.1虚拟现实技术在体育教学中的应用2.1.1在篮球教学中的应用传统的篮球教学主要是通过教师的讲解和示范来进行，随着科技的进步虚拟现实技术也运用到蓝球教学中的课件制作和课堂教学中。这样不仅可以完成知识的教授，而且可以完成动作和技能的教授。只要有适当的模型库和相应的仪器，学生就可以借助虚拟现实多媒体技术看到动作的完整过程,而且由于这种过程是用计算机控制的，所以学生可以通过调整速度、不断地、反复地、有选择地从不同角度观看甚至亲临现场参与动作过程。8 www.showdoc.cn在教学中，学生还可以根据自己的意愿选择技术动作进行模拟练习，也可以根据模型库里面的虚拟人的技术要求进行身体语言交流。必要时还可以与世界顶尖超级球星进行面对面实战练习。从而增加学习的兴趣，提高学习的质量和教学的效果。2.1.2在背向滑步推铅球教学中的应用传统的多媒体田径教学不能应用计算机的输入设备(键盘、鼠标等)对媒体画面内“世界”进行控制,这里的“世界”包括：画面内灯光、运动员等能从媒体画面上所看到的一切，即无法实现当时的三维交互；另外，一般的技术动作影片在关键的技术动作时相暂停时出现模糊的现象，不利于参与者对关键技术动作的掌握，如投标枪时的鞭打动作。虚拟现实技术在滑步推铅球教学中，能够逼真地示范出技术动作，又可以用三维交互的3D演示媒体代替传统的技术动作影片，分别呈现出完整的背向滑步推铅球技术和各种技术环节以及教学中的辅助手段在技术动作的过程中应用，除了实现技术影片的常用交互功能(如播放、停止、暂停、快放、慢放、快进、快退)之外，还能对摄影机和运动员模型进行控制等类似于三维游戏的交互功能。这样，学生可以按照自己的意愿，通过对键盘和鼠标的操作，从不同的角度和距离对技术动作进行观看和分析，最后达到技术动作所要求的目标。2.1.3在排球教学中的应用传统的排球教学过程主要是通过教师的讲解示范来进行，学生对技术的掌握受到多种因素的影响。教师对学生掌握技术的情况是通过肉眼观察，这就使教学效果受到了很大的影响。而虚拟现实技术可以为整个教学过程提供一个新的环境，如在讲解正面上手发球技术动作时，学生可以利用虚拟现实技术可以边观察虚拟情形下的技术动作，边与虚拟人体进行肢体语言的交流，感受身体各部位的发力的力度、顺序以及动作的幅度，产生运动共感。这样不仅可以使学生学习到正确的动作方法，而且可以了解发球时肌肉的发力情况，学生在与虚拟人体进行肢体语言交流的过程中如果学生的肢体偏离了虚拟人体的技术要求，此时整个交流过程就停滞了。经过如此反复地身临其境的体验，学生对技术动作的掌握就会更快更准确。在排球教学过程中运用虚拟现实技术不但可以帮助教师构建全新、多变的教学环境，而且为学生提供了一种直观、自主探索的学习环境和方法，从而提高了学生的学习兴趣和教学的质量和效果。2.1.4在健美操教学中的应用8 www.showdoc.cn健美操是融体操、舞蹈、音乐于一体的追求人体健与美的运动项目，具有高度的艺术性。健美操教学中，不仅使学生获得动作的协调性和灵活性的训练，还要让学生的思维能力也得到培养和开拓。在传统的教学中，有些内容是老师难以用语言描述、学生难以理解而又必须掌握的内容。而虚拟现实多媒体技术的应用可以把基本动作转化为视频的信息，配以注释，根据教学的需要对所授的动作重复播放、讲解，加上教师的正确的示范，学生的大脑中会立即形成清晰完整的技术动作，对动作要领便能直观理解，掌握动作也就更快，练习起来会更有劲、更主动。并能够及时的发现错误，讨论产生错误动作的原因，对症下药，进行纠正。由此可见，不管是在篮球、背向滑步推铅球、排球还是在健美操的教学中，虚拟现实技术都可以而且很好的被运用，虚拟现实技术不仅能充分的提高学生学习的积极性、老师教学的积极性，而且还可以收到其他教学不能得到的成效。比起传统的教学模式具有一定飞创新性，实践性和可发展性；虚拟现实技术还可以充分的运用在其他教学中，比如说：羽毛球的步法训练与教学、乒乓球的教学、网球以及游泳等多种体育项目。我们可以预测虚拟现实技术以后的发展趋势，还可以与传统的教学模式相结合，共同我为我国的教育事业服务，促进国民素质的发展。2.2虚拟现实技术在社会体育中的应用2.2.1在户外拓展中的应用户外拓展运动作为一项集健身、智慧、运动竞技和军事意义为一体的体育项目，是集智力与体力双重的运动。要想成为优秀的户外拓展运动员，只有体力是不够的，良好的运筹能力、计划性、空间感、方向感等智力因素都是非常重要的。所以，户外拓展运动的教学和训练显的特别尤为重要。借助于以计算机为核心的现代高科技虚拟现实技术，非常有助于户外拓展运动的教学和训练，能够让参加学习者有一种身临其境的现实感，提高参加学习者的学习兴趣，使参加学习者更加深人地理解户外拓展运动【4】。虚拟现实技术在户外拓展运动，使练习者通过手中的输入设备（鼠标、键盘）进行人机交互，控制虚拟的角色，练习者在原地踏步走，显示器中的虚拟角色就跟着练习者做原地踏步走，参加学习者停，虚拟角色也停，参加学习者转方向，虚拟角色也转方向，使练习者感受到一种真实感，沉浸在户外拓展运动之中，进而促进参加练习者对户外拓展运动的了解和学习。2.2.2在体育赛事直播中的运用【5】VR系统中的虚拟广告系统在体育比赛的转播中可运用于任何体育比赛。不论摄像机的数量镜头参数如何变化，也不论场上的人或物体位置的变动，还是天气状况如何，都能显示出完美的效果，具有很强的实用性。8 www.showdoc.cn虚拟体育分析系统就是将虚拟现实技术与体育比赛的内容相结合，生成与内容相关的图形、图像、文字、数据等参数，并紧密的结合在一起。它可以将体育分析图形紧贴现场，自动的结合添加的覆盖层，真实的存在于体育场上。其中的虚拟重放系统、虚拟慢放系统、虚拟跟踪系统、虚拟量化系统的相互结合，使电视观众能够更清楚地观看体育比赛，大大提高了解说评论的权威性和准确性。使用虚拟现实技术，可以建立一套数字化的图文分析系统，采用三维图形分析系统和计算机数学分析软件系统，结合广播电视领域的尖端技术，在体育赛事直播发挥更大的作用。2.3虚拟现实技术在竞技体育中的应用2.3.1在科技奥运中的应用【6】为使观众在奥运会期间能够更直观、形象、逼真地观看奥运赛事，虚拟现实技术通过WebGIS技术将借助internet，以基于图像的虚拟现实技术向世界全方位、多角度、可操作的展示场馆及其设施的途径与利用基于intranet的局域网，以基于矢量建模图像纹理贴图技术相融合的虚拟现实技术，向受众在同一地点以身临其境的、逼真的现场三维大场景方式集中的、连续的、全方位的、多角度的、可操作的展示奥运场馆及其设施，有效的结合在一起,使之成为一个在internet上，可以利用WebGIS方便地操作基于图像的虚拟现实系统和在internet局域网内部，利用WebGIS快速定位基于矢量建模与图像纹理贴图技术相融合的虚拟现实系统的视点，使观众在通过一个视点能够看到一个球的空间的三维效果。2008奥运不但是体育界的盛事，更是我国展现科技发展成果的国际舞台。虚拟现实技术在奥运中的应用，不仅让观众可以通过internet或通过展览、新闻发布会等形式集中的、逼真的、立体的、可操作的、随心所欲的与奥运场馆亲密接触，也拉近了世界与中国的距离，增加了科技奥运的科技含量，丰富了数字奥运的内容，提高了我国在计算机仿真领域的国际地位，同时也为数字北京作出了有力的探索。2.3.2在高水平运动队的应用随着运动技术的飞速发展，体育比赛中的对抗性和竞争性越来越激烈，技术难度也越来越大。利用虚拟现实技术、遵循人体运动的生理解剖学规律、结合各种运动实际情况等进行的虚拟动作实验可以提高运动员的运动成绩，有效减少运动员在做高难度和复杂技术动作时导致的运动损伤，使运动员在虚拟实验环境中，可以放松而专心的去做各种练习，更好的掌握技术动作。实况足球就是典型的例子。在游戏中，我们可以选择自己喜欢的球队和运动员，我们还可以同虚拟的齐达内、小罗、鲁尼等全世界著名的运动员同场竞技。同样在虚拟的运动训练气氛中，我们可以与虚拟的教练员、运动员等一起交流、讨论，共同探讨训练中的各种技战术的问题，进行合作化学习。依靠虚拟模型精确的技术动作和战术演示能力，有助于运动员动作的改进和技术动作的创新，提高运动竞技水平。2.4虚拟现实技术在民族传统体育中的应用8 www.showdoc.cn少数民族传统体育虚拟博物馆主要是利用网络信息技术、多媒体技术等处理制作音频、视频、动画以及多媒体课件等民族传统体育信息资源，使其成为一个集文字、声音、图片、动画、视频等为一体的虚拟博物馆。它使民族传统体育的研究领域拓宽了，有利于少数民族传统体育的保护和传承，有利于促进民族传统体育的发展。少数民族传统体育虚拟博物馆的构建不仅有利于保护民族非物质文化遗产，更有利于中国民族传统体育的发展，创造出中国社会主义民族特色文化形态的时代潮流，同时促进青少年对民族文化的认识，增强民族团结和凝聚民族力,提高民族忧患意识,表现出伟大的爱国主义精神等诸方面都发挥重要的作用。3虚拟现实技术在体育中实施的必要性3.1虚拟现实技术在体育中的作用3.1.1弥补现代教学训练条件的不足在教学训练中，往往因为天气、场地、器材、经费等方面的原因，从而使一些教学和训练课无法进行。利用虚拟现实技术系统，可以弥补这些方面的不足，学生可以更深入的了解技战术，获得与真实感觉一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。3.1.2避免高难度和复杂的技术动作所带来的运动伤害随着现代技术的高度发展，运动的对抗性和技术难度也越来越高。利用虚拟现实技术进行虚拟动作实验则可以免除这种顾虑。参与者在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种高难度的动作。例如，高空的高难度的扣篮动作、空中翻滚动作、高技术含量的拉球动作等。3.1.3彻底打破空间、时间的限制利用虚拟现实技术，可以彻底打破时空的限制，足不出户就可以观看全世界优秀运动员的技战术和世界著名教练员的技术指导和体验现代体育理念。并与世界顶尖运动员一起训练，享受一流的教练员待遇。3.1.4可以虚拟人物形象虚拟现实系统可以虚拟世界上著名的运动员和教练员等各种人物形象，创设一个人性化的学习、运动环境。例如NBA2005游戏就是这样一个例子，在游戏中我们可以选择自己喜欢的运动员和球队，我们还可以同虚拟的乔丹、科比、姚明等全世界著名的运动员同场竞技，在虚拟的课堂学习气氛中，我们还可以与虚拟的教练员、教师、运动员等一起交流、讨论，共同探讨学习训练中的各种技战术的问题，进行合作化学习。3.1.5可以避免体育教学训练中的伤害事故8 www.showdoc.cn对于拳击、跆拳道等学生喜爱的对抗性很强的体育项目,在教学中很难避免伤害事故的发生,许多学校干脆就不开设类课程。利用虚拟现实技术进行虚拟练习,则可以免除这种顾虑。学生在虚拟现实环境中,可以放心大胆地去和虚拟对手进行搏斗,而不必担心有任何危险。同时还会对学生的动作做出评价,指出不足,提高训练效果【7】。3.2虚拟现实技术——体育科学的未来新技术虚拟现实技术在体育领域中的应用，将引起体育的一场大革命，它将使体育比赛从单一型走向综合型，使体育运动训练从经验型走向高科技综合训练，使竞技运动从单调型走向娱乐型、普及型，使单一体育锻炼走向运动治疗。虚拟现实技术的应用使新运动项目、运动娱乐项目、比赛制度的开辟虚拟现实技术的问世，将为人类开创出各式各样的体育境界，将派生出许多以虚拟技术为主体的奥林匹克运动项目、新赛制和运动娱乐项目；减小了运动训练、比赛的危险性（如高山滑雪、赛车、登车运动如果在室内做适应性强化训练或者比赛，就不会出现由于雪崩、翻车等情况造成的人员伤亡事故，使运动员在成长中和赛前、赛中训练时减少伤病）；创造客观因素无法达到的境界，为了使运动员针对比赛的对象做适应性针对训练，设计出战胜对手的战术来，把对手作为训练的对象经常进行，无疑将提高运动员的获胜率。由于地区、国别的因素不可做到这样训练，而本国队员又不具备对手的水平，虚拟现实技术就可以解决这一问题，它能塑造出与现实中著名的运动员完全一样的虚拟运动员，甚至一个队，他们的技术特点、外表、性格的仿真程度都让运动员确信无疑，这将达到较强的针对性训练的目的；模拟自然界，让住在现代都市的人们进人自然界，回归自然界，用虚拟现实技术模拟各种大自然场地。同时，还可以模仿驾车场地、模拟登山场地、模拟滑雪场地、科学选材，保护人才，实现超前训练，减小了运动员训练时的盲目性；开辟新的测试方法等【8】。综上，虚拟现实技术在体育中的重要作用，以及其在体育项目的各种应用，使体育领域发生了大的变革，这对以后体育项目以及体育运动的展开具有比较重要的意义，同时，也进一步表明虚拟现实技术在体育运用中是必不可少的。4结论尽管虚拟现实技术在教学训练具有重要的作用,但是在目前的条件下,仍有许多问题等待我们去解决：虚拟现实技术还不成熟，具有一定的局限性，交互的程度有待进一步开发；目前,虚拟现实设备多数是由国外生产，并且价格相当昂贵。因此,我们需要自主的开发虚拟现实的软硬件资源；增强教师对虚拟现实技术的理解、运用。虽然虚拟现实技术在应用上存在着很多问题和很高的难度,但虚拟现实技术进一步运用是社会发展的必然趋势。8 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