VR技術(shù)與足球教學(xué)的綜合應(yīng)用分析①

劉秋月（中國礦業(yè)大學(xué)體育學(xué)院　江蘇徐州　221116）

VR技術(shù)與足球教學(xué)的綜合應(yīng)用分析①

劉秋月（中國礦業(yè)大學(xué)體育學(xué)院江蘇徐州221116）

摘 要：為了提高足球教學(xué)質(zhì)量，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的多元化發(fā)展，采用文獻(xiàn)資料法和邏輯法，對(duì)VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)在足球教學(xué)過程中的作用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與足球教學(xué)相結(jié)合，有利于改變我國傳統(tǒng)的以講解示范為主的足球教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，降低運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生機(jī)率，同時(shí)，還有助于減少外界環(huán)境對(duì)教學(xué)的影響，彌補(bǔ)教學(xué)經(jīng)費(fèi)、器材、師資等對(duì)足球教學(xué)的限制。

關(guān)鍵詞：足球教學(xué)VR技術(shù)足球教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是由高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人感到身臨其境并可以獲得與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過各種傳感設(shè)備使用戶“進(jìn)入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與環(huán)境的自然交互，目前已在游戲、醫(yī)學(xué)、旅游、建筑設(shè)計(jì)、軍事仿真、虛擬制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，并還給社會(huì)帶來了豐厚的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

該文是在研究VR技術(shù)的發(fā)展及在體育領(lǐng)域和足球運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，做出的創(chuàng)新嘗試，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入足球教學(xué)，借助跨學(xué)科的前沿科技，改進(jìn)足球教學(xué)的模式和方法。

1　研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

VR技術(shù)在足球教學(xué)中的應(yīng)用

1.2研究方法

1.2.1文獻(xiàn)資料法

通過中國礦業(yè)大學(xué)圖書館、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、維普中文科技期刊及其他相關(guān)數(shù)據(jù)庫查閱查閱大量的文獻(xiàn)資料。

1.2.2邏輯法

運(yùn)用邏輯學(xué)知識(shí)，對(duì)收集和整理的資料進(jìn)行分類，掌握虛擬足球系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯順序及研究步驟。

2　結(jié)果與分析

2.1VR技術(shù)在足球中的應(yīng)用前景

足球作為世界第一大運(yùn)動(dòng)，吸引著數(shù)以萬計(jì)的觀眾。足球訓(xùn)練中的無法提前預(yù)測(cè)的突發(fā)事件對(duì)運(yùn)動(dòng)員的傷害，訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)投入與產(chǎn)出的比例失調(diào)，投資結(jié)構(gòu)的不合理也影響著競技水平的提高。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界完美的結(jié)合起來。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與體育的結(jié)合，不僅能提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員競技水平的提升，而且其投入成本低、占地面積少、易于操作等特點(diǎn)也更有利于開展全民健身運(yùn)動(dòng)?；赩R技術(shù)的虛擬系統(tǒng)，在允許出錯(cuò)情況下的訓(xùn)練不會(huì)給練習(xí)者帶來任何身體傷害和危險(xiǎn)，還能夠提高運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練成績[2]。

2.2足球仿真系統(tǒng)的概念

足球系統(tǒng)仿真即體育系統(tǒng)仿真，是通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教練員的訓(xùn)練意圖和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對(duì)體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)[3]。足球系統(tǒng)仿真是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來的，合理的進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用不僅能輔助于足球的訓(xùn)練，還能夠促進(jìn)學(xué)科知識(shí)體系的互融，開拓體育發(fā)展的新領(lǐng)域。

2.3VR技術(shù)在足球運(yùn)動(dòng)中的作用分析

2.3.1改變教學(xué)模式

傳統(tǒng)的足球教學(xué)主要以老師講解示范、學(xué)生模仿練習(xí)為主，注重教師的言傳身教及其主導(dǎo)性，忽略了學(xué)生的主體性。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下構(gòu)建的教學(xué)系統(tǒng)主要以逼真的形象教學(xué)為主，配以動(dòng)態(tài)的跑位戰(zhàn)術(shù)，營造了一種“動(dòng)態(tài)”的教學(xué)環(huán)境，這樣不僅彌補(bǔ)了用語言表述技、戰(zhàn)術(shù)的局限性也避免了教學(xué)與訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)員跑位錯(cuò)誤現(xiàn)象的出現(xiàn)[4]。這種通過生動(dòng)逼真的視頻和圖像進(jìn)行技術(shù)動(dòng)作教學(xué)的方式，有利于學(xué)生建立清晰的形象思維概念，提高學(xué)生的認(rèn)知能力，讓學(xué)生能夠準(zhǔn)確快速地掌握動(dòng)作技術(shù)。

2.3.2減少外界環(huán)境對(duì)教學(xué)的干擾

虛擬環(huán)境中的各種體育設(shè)備也是虛擬的，可以根據(jù)教學(xué)和訓(xùn)練的需要隨時(shí)生成新的設(shè)備及環(huán)境，訓(xùn)練內(nèi)容也可以通過系統(tǒng)不斷地進(jìn)行更新，使運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練跟上國際足球訓(xùn)練技術(shù)發(fā)展的步伐。并且，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以彌補(bǔ)訓(xùn)練場地器材不足、天氣變化等外界環(huán)境對(duì)足球教學(xué)造成的干擾。

2.3.3降低運(yùn)動(dòng)損傷的機(jī)率

足球運(yùn)動(dòng)中多對(duì)抗性，激烈的身體對(duì)抗會(huì)造成運(yùn)動(dòng)損傷，且損傷的發(fā)生率可達(dá)到90％，主要以下肢損傷為主[5]。運(yùn)動(dòng)員在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，不會(huì)使真實(shí)的身體受到傷害，可以放心地去做各種高難度的動(dòng)作，促使學(xué)生更加大膽自信地進(jìn)行各種動(dòng)作的嘗試和練習(xí)。

2.3.4促進(jìn)足球運(yùn)動(dòng)的傳播

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以更加人性化地設(shè)計(jì)出不同的人物角色，豐富人物形象，讓參與者體驗(yàn)與世界優(yōu)秀足球運(yùn)動(dòng)員對(duì)抗的強(qiáng)烈刺激感。在游戲中你可以自由選擇你喜歡的球隊(duì)和運(yùn)動(dòng)員，與不同的虛擬人物進(jìn)行同場競技。虛擬足球游戲的娛樂性和多樣性有助于促進(jìn)足球運(yùn)動(dòng)在大眾間的廣泛傳播。

2.4虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

VR的根本目的是達(dá)到參與者的真實(shí)體驗(yàn)與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交互，根據(jù)交互性和沉浸感程度的不同，VR系統(tǒng)可分為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[6]。虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架本文主要針對(duì)沉浸式和桌面式進(jìn)行系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的區(qū)分及功能介紹。

沉浸式VR系統(tǒng)的用戶可以完全沉浸于計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境中，電腦通過用戶佩戴的數(shù)據(jù)手套和跟蹤器等硬件設(shè)備就可以測(cè)試到用戶的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)，并將其測(cè)得的數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)生成的視景中，讓人產(chǎn)生身臨其境的效果[6]。但沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需要的硬件設(shè)備要求較高且價(jià)格昂貴。

桌面式VR系統(tǒng)又稱非沉浸式VR系統(tǒng)和非配戴式VR系統(tǒng)，是將計(jì)算機(jī)屏幕或者投影屏幕作為虛擬環(huán)境的觀察窗口，用戶需要使用手持式輸入設(shè)備或位置跟蹤器來操縱虛擬環(huán)境中的對(duì)象[7]。桌面式VR系統(tǒng)相對(duì)簡單，用戶無需數(shù)據(jù)衣等輔助設(shè)備即可與系統(tǒng)交互，并且可以允許多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，更加方便。但是桌面式VR系統(tǒng)虛擬效果偏低，無法讓用戶有身臨其境的感覺。隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，桌面式VR系統(tǒng)在真實(shí)感上會(huì)進(jìn)一步提高。

2.5虛擬足球仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)

2.5.1軟件配置環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)3D建模軟件：Poser8.0、3ds MAX、CAD

交互實(shí)現(xiàn)工具：EON Studio

運(yùn)行環(huán)境：Windows7或Windows XP

2.5.2建模軟件的應(yīng)用

常用的人體建模工具有很多，例如Maya，3ds MAX，Make Human等，與這些軟件相比，Poser8.0具有操作簡單、界面簡潔、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。其主要的3個(gè)操作步驟：選取人體模型、確定虛擬人

的體態(tài)、虛擬人姿態(tài)設(shè)計(jì)，大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。骨骼作為人體運(yùn)動(dòng)的核心，對(duì)骨骼的控制關(guān)系到人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的靈活性。在Poser8.0中有一套專門制作骨骼的系統(tǒng)，可以方便直觀地對(duì)人體模型進(jìn)行骨骼建造，同時(shí)該軟件提供相關(guān)接口，可以使得在Poser8.0中設(shè)計(jì)的模型應(yīng)用到3ds MAX中，進(jìn)行更加生動(dòng)和復(fù)雜的操作。

2.5.3關(guān)鍵技術(shù)

虛擬足球場景的建立主要技術(shù)是三維場景與模型的建立和人機(jī)交互技術(shù)，主要包括：運(yùn)動(dòng)人體建模、虛擬場景建模、碰撞檢測(cè)、人機(jī)交互。

人體建模主要是三維人體模型的建立，它是虛擬人體運(yùn)動(dòng)仿真的核心。通常最實(shí)用的是虛擬人體模型分層法即將人體分為肌肉、骨架、皮膚三個(gè)不同的層次結(jié)構(gòu)[8]，該方法建立的模型是最接近人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，并且分層法構(gòu)建的模型也更容易進(jìn)行對(duì)虛擬人的運(yùn)動(dòng)控制。

虛擬場景建模主要包括足球、球門、球場等實(shí)物設(shè)計(jì)和虛擬人動(dòng)作的變化，燈光及場景角度轉(zhuǎn)換等動(dòng)態(tài)模型的建立。

碰撞檢測(cè)技術(shù)主要是為了使用戶在與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)，不僅能在視覺上產(chǎn)生身臨其境的效果，而且能夠與虛擬實(shí)物進(jìn)行各種交互。因此，在保證效果的前提下，就要求“實(shí)物”在虛擬環(huán)境中要與現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)物具有一樣的特性即不可穿透性，當(dāng)用戶對(duì)物體進(jìn)行各種抓、拉、推等動(dòng)作時(shí)，能真實(shí)感覺到與物體的碰撞并做出相應(yīng)的反應(yīng)。碰撞檢測(cè)技術(shù)的主要目的是為了解決虛擬環(huán)境中“穿墻而過”問題，從而增強(qiáng)虛擬環(huán)境的真實(shí)感。

人機(jī)交互的目的是為了使人在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種動(dòng)作時(shí)甚至可以用頭盔、手套等設(shè)備取代鍵盤、鼠標(biāo)、菜單等計(jì)算機(jī)設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然地交互。

3　結(jié)語

VR技術(shù)與足球教學(xué)的綜合應(yīng)用，能夠在一定程度上改善教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的多元化，減少足球運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)損傷。虛擬足球仿真系統(tǒng)的建立還有利于減少教學(xué)經(jīng)費(fèi)，彌補(bǔ)場地、器材、師資等條件的不足，降低外界自然環(huán)境因素對(duì)教學(xué)的限制。虛擬技術(shù)在足球中的應(yīng)用還有很廣闊的研究前景。

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作者簡介：①劉秋月（1990—），女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

中圖分類號(hào)：G843

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-2813（2015）04（b）-0077-02