基于虛擬現實技術的體育教學模式探究

2014-11-15 02:51:22劉桂文

電子測試 2014年18期

劉桂文

（寶雞文理學院,陜西寶雞,721016）

0 引言

虛擬現實技術作為新型的科技領域是多門學科的交叉和滲透，集計算機圖形學、機械力學、材料學、傳感學等諸多學科為一體，同時虛擬現實技術正以其強大的能力影響著高校的教育模式，可以說它已成為最具有應用價值和前途的“明星”技術。在高校體育教學中，體育教學模式占據著至關重要的作用。傳統的教學模式已經嚴重阻礙了高校體育事業(yè)的發(fā)展，當務之急是探索出新型的體育教學模式彌補傳統教學模式的不足，著力解決教學訓練中的重點及難點問題。

1 虛擬現實技術在體育教學中應用的必要性

1.1 規(guī)避高難動作的運動傷害

近年來，各種對抗性的體育項目中的技術難度越來越大，運動員在訓練過程中容易因為難度過高而受傷，為了避免這一點，可以將虛擬現實技術應用于高校的體育教學中，改變傳統的教學模式，利用虛擬現實技術進行虛擬動作實驗，并向各位學生展示，這樣學生不僅能夠對難度較高或是復雜的技術動作全面掌握，同時能夠避免自身在運動中受傷害。

1.2 規(guī)避體育訓練中的意外

對于拳擊、跆拳道等對抗性很強的運動項目，運動員在進行訓練時難免會受到一些意外傷害。但是，如果將計算機虛擬現實技術應用于高校的體育課堂上，便可以使學生能很好地規(guī)避體育訓練中的意外傷害事故。計算機虛擬現實技術能夠提供一個虛擬的模擬場景，這樣學生在進行訓練時便可放開手腳，全面展示動作技術，不必擔憂受到意外傷害。此外，虛擬現實技術更為強大的功能是它能夠對學生的動作進行測評，比實際的體育教師更容易發(fā)現學生動作技巧中的不足，并為其糾正，從而提高運動員訓練的質量和效率。

2 虛擬現實技術的系統構成

虛擬現實綜合了計算機圖形學、智能技術、圖像處理與模式識別、傳感技術等多門學科，利用它能夠創(chuàng)建一種令人感到身臨其境，可以獲得與環(huán)境交互體驗的虛擬世界。傳統的仿真技術無法模擬人對外界環(huán)境感知，而新型的虛擬現實實現了人機交互的新概念和新方法，這就意味著外界環(huán)境對人的感官刺激已經能夠通過計算機成為可能。圖1所示即虛擬現實系統的基本構成圖。

圖1 虛擬現實系統的基本構成圖

由圖1可知虛擬現實系統主要由五個模塊組成，分別是：檢測模塊、反饋模塊、傳感器模塊、控制模塊以及建模模塊。

（1）檢測模塊：主要負責對用戶的操作命令進行檢測，再通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境中。

（2）反饋模塊：為用戶提供實時反饋，反饋信息主要來自于傳感器模塊。

（3）傳感器模塊：接收檢測模塊的用戶操作命令，作用于虛擬環(huán)境中，再以各種反饋的形式將產生的結果傳遞給用戶。

（4）控制模塊：負責控制傳感器，使其對用戶、現實世界、虛擬環(huán)境產生作用。

（5）建模模塊：獲取現實世界組成部分的三維表示，利用三維圖形建模技術構成對應的虛擬環(huán)境。

3 虛擬現實技術在體育教學中的具體應用設計

隨著現代教育技術的高速發(fā)展和應用，公式化、單一化的的傳統教學模式已經無法滿足高校學生的個性化需求，必將面臨著被交互性、可視性更強的新型教學模式所替代。而計算機虛擬現實技術作為新型的科學技術，它能夠實現對現實世界的行為活動進行仿真，為使用者創(chuàng)造一個虛擬的逼真世界，并借助一些交互設備使其與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而使他們之間建立起實時的交互關系，更為神奇的是使用者在虛擬環(huán)境中所感、所觸與現實環(huán)境中所體驗的感覺相似，效果極為逼真。

將虛擬現實技術應用于高校體育教學中，可以通過科學的模擬虛擬教學環(huán)境，為學生提供直觀的運動效果，便于學生全面把握各種運動的技術、技巧。模擬虛擬的體育教學環(huán)境需要多種相關技術作為支撐，這些技術中多數是將現實世界中的多維信息映射到計算機的數字空間中，進而作用于虛擬環(huán)境中。對于使用者而言，這些技術能夠使其在模擬的虛擬環(huán)境中展開手腳，任意操作環(huán)境中的物體，突破物理意義上的時間、空間的限制，實現“超現實”的虛擬性。具體應用技術如下：

3.1 三維圖形建模技術

三維圖形建模工序是構建虛擬環(huán)境過程中的基礎，三維圖形建模技術主要是將現實世界的對象物體在相應的三維數字空間中重構，而且不同的虛擬現實和虛擬現實系統應有不同的建模要求。舉例說明，虛擬體育比賽場地中，不同的比賽項目對場地的要求也會有所不同，此時的建模數據就是有區(qū)別的。虛擬環(huán)境中的各種天氣情況，要采用不同的氣象數據進行建模。

本文虛擬運動員的建模采用層次表示的方法，主要由皮膚層、骨骼層以及肌肉層組成。其中VRML和MPEG-4是人體骨骼結構的兩個重要標準，二者皆支持虛擬人體的表示。VRML中有一個子標準——H-Anim，用來描述虛擬人體模型。虛擬人表示形式為樹形，樹形的構成要以人體重心為根節(jié)點、以關節(jié)為子節(jié)點、以骨骼為連線，若想組成一個完整的虛擬人體模型，需要將各肢體的幾何模型依附于相應的骨骼。此外，MPEG-4對于虛擬人體對象也有所幫助，定義了臉部運動參數FAP和臉部模型定義參數FDP。圖2展示的是人體樹的層次結構模型。圖3展示的是虛擬人體的骨骼結構圖，它主要用簡單三維剛體對虛擬人體的骨骼進行表示，相互之間的連接用關節(jié)實現，值得注意的是在骨骼層中父節(jié)點和子節(jié)點之間不發(fā)生相對移動，只發(fā)生旋轉。圖4所示即將骨骼皮膚綁定后的虛擬人體模型，該模型是利用建模軟件3dmax中將骨骼層和皮膚層綁定后形成的。如果想讓虛擬人體模型更為逼真，可借用Maya軟件，利用其強大的仿真技術將虛擬人體的毛發(fā)和衣著布料設計完整，服裝的花邊色彩也可通過服裝的UV坐標輕松地實現。詳見圖5。