虛擬仿真技術在體育領域中的研究綜述

邵瑞芳，張 輝，金偉斌

(杭州師范大學 體育與健康學院，浙江 杭州 310036)

1965年，被譽為“虛擬現實之父”的美國學者蘇澤蘭提出由計算機構建虛擬世界的設想，從此開始了虛擬現實的研究與探索之路[1]。20 世紀六七十年代出現虛擬現實技術，八十年代西方發達國家對DATA GLOVE手套、虛擬實境系統等技術的迅速發展為虛擬仿真奠定了基礎，九十年代各國廣泛參與研究，至二十世紀末，虛擬現實技術成為一種新型計算機仿真技術[2-5]。虛擬仿真技術的基礎是系統仿真,其核心是虛擬現實技術[6]。對于虛擬仿真概念的定義，學者們的說法不盡相同，有學者認為虛擬仿真是一種迅速崛起的新興學科[7,8]，絕大多數學者認為虛擬仿真是一種技術，但其核心是一致的。田顯俊、李蕾等學者認為虛擬仿真是以計算機技術為核心生成的具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，使用者利用匹配的設備進行人機交互，使人產生身臨其境的體驗[9-15]。該技術集成了計算機仿真、計算機圖形、人工智能、數字圖像處理、多媒體技術、傳感、網絡及顯示并進行處理等多個領域技術的綜合性信息技術[11-15]。近年來虛擬仿真技術在國外迅速發展，已經被普遍應用到大學課堂的教學中。在國內初步應用于軍事演習、物理以及化學的課堂教學中。教育部頒發的《教育信息化十年發展規劃》中提出了高等教育信息化建設虛擬實驗室校園建設的發展目標[16]，虛擬仿真技術在教育領域中的研究引起研究者的關注。本文通過文獻資料法和邏輯分析法對虛擬仿真技術在體育領域中的研究進行綜述，提出現有研究不足和進一步研究方向，為虛擬仿真技術更好地運用于體育領域提供一定的參考依據。

1 虛擬仿真技術在體育領域中的研究

虛擬仿真技術在體育領域中的研究主要集中在基礎理論、體育應用以及體育開發層面。

1.1 體育基礎理論層面的研究

虛擬仿真技術在體育基礎理論層面探討的較多，主要從兩大方面進行梳理：一方面是體育教學領域，另一方面是體育訓練領域。

1.1.1 虛擬仿真技術在體育教學理論方面的研究。李學恒，任一春等學者基于虛擬現實技術進行簡單的介紹的基礎上，對虛擬仿真技術運用于體育教學中的可行性進行了具體的分析。提出體育教學中利用虛擬現實系統可以彌補教學場地、經費、設備等不足(如學生喜愛的射擊、攀巖、跳水、野外生存、蹦床等項目)，學生在虛擬的環境里進行練習，不但能體會與現實環境一樣的學習感受，還能有效地達到事半功倍的訓練目的，更進一步提出該技術能夠優化體育教學過程，改善體育教學環境，提高教學訓練水平，和培養創新性人才產生深遠影響的結論[17,18]。曾鏈認為虛擬的體育教學是一種不受時空限制、智能型、分布式、交互式、圖文并茂的教學，完全不同于傳統方式的體育教學手段[4]。魯競新學者在《虛擬現實在體育仿真中的應用探析》中，對虛擬現實和體育仿真系統的工作原理進行闡述，提出基于虛擬仿真技術的虛擬體操訓練系統進行教學，對提高學生的身體素質具有明顯的促進作用[19]。茅潔對不同的虛擬現實技術進行闡述與對比，提出虛擬現實技術應用于大學體育專項課程，將打破現有的教學形式、教材體系以及課堂授課方式，還會影響傳統體育教學傳承模式的觀點[20]。

1.1.2 虛擬仿真技術在體育訓練方面的研究。已有研究中，學者們認為虛擬仿真技術作用的對象主要包括運動員、訓練環境以及教練員。關于運動員，孫自舟、郭連英等學者認為運用虛擬仿真技術進行訓練的優勢主要表現在：可以避免高難度和復雜技術動作所帶來的運動傷害，徹底打破空間、時間的限制；可以對動作進行分析、提出評價以及科學的編排和創新,提高運動訓練的科技含量，使運動員能夠快速掌握運動技術的同時還能保持良好的競技狀態；可以提高大學生運動員的技戰術及訓練水平,為我國競技體育儲備后備人才作出貢獻[21-24]。杜成林還提出將該技術運用于競技健美操訓練中，能夠科學運用選材，提高運動員的整體訓練水平和效果，并獲取競技健美操的運動數據，為不斷創新和優化競技健美操的動作組合以及編排提高可靠的數據依據[3]。關于訓練環境，陳健、宋麗等學者提出該技術在運動員訓練中的運用，可以創造一種全新的運動訓練環境，彌補運動訓練條件的不足，有利于現代教學與運動訓練技術資源共享[2、25]。朱曉蘭等學者在探索動作技術分析和體育訓練新方法與手段中討論了體育場景虛擬系統的構成，并且能夠為體育訓練提共靈活安全的環境[26]。關于教練員，王建輝提出“虛擬現實”技術可以在一定程度上改善目前普通高校體育訓練基礎差、科學性不強以及教練員技術水平不高等實際問題,從而提高普通高校體育訓練的質量[27]。劉寶貴還提出該技術可以減少優秀運動員的經驗流失，縮短訓練周期，并在積累運動體驗信息基礎上建立訓練專家系統[28]。虛擬仿真技術運用于體育訓練中，必然是未來高校體育發展的一個重要方向。

1.2 體育應用層面的研究

通過文獻梳理發現虛擬仿真技術是一項人機接口技術，通過人機交互使人產生視聽觸等多種感知的虛擬環境。因此虛擬仿真技術在體育中的應用表現形式多種多樣，包括虛擬仿真技術制作的FLASH課件，設計的虛擬仿真的軟件系統，攝像機雷達測試設備，動作捕捉傳感器，功率自行車等等。根據已有學者的研究，把虛擬仿真技術在體育應用層面研究分為兩個方面，一方面是體育教學，另一方面是體育訓練。

1.2.1 虛擬仿真技術在體育教學方面的研究。學者們運用不同的虛擬仿真技術進行教學試驗，主要涉及兩個方面：一是用虛擬仿真技術原理制作教學課件的教學方式，二是直接運用虛擬仿真技術進行人機交互的教學方式。在運用虛擬現實技術來制作課件的教學方面，賀昆、王迎等學者運用虛擬現實的技術制作課件,運用于教學實驗，結果表明虛擬現實技術課件在教學效果方面顯著優于傳統課件，而且更能激發學生的學習興趣[29，30]。趙小坤用教學實驗法，實驗組用Flash課件結合傳統的教學模式，對照組用傳統的教學模式，結果表明實驗組有效提高學生注意力以及學生技術動作的熟練度，能有效快速地進行反饋，有利于掌握技術動作的重難點，提高學生學習興趣[31]。在直接運用虛擬仿真技術進行人機交互的教學方面，宋巍學者用教學實驗法，采用虛擬仿真技術(TRACK MAN GOLF雷達模擬高爾夫)獲取桿頭速度、擊球角度、桿頭軌跡、桿面角度和擊球距離數據輔助教學，最終表明TPI教學方法在高爾夫初學者的桿頭速度和擊球距離兩個指上均優于常規教學方法，并且加強了擊球的穩定性[32]。潘永剛運用實驗法，把KUDU 動作分析儀系統應用到高爾夫的課堂教學中，并進行教學改革，14人為實驗組，15人為對照組，研究結果表明實驗組 7 號鐵的每周擊打距離、出球速度與桿頭速度的比值均好于對照組；還明確提出利用虛擬現實技術進行探究式高爾夫教學，對學生學習技術動作的掌握有著積極的作用，對提高高爾夫技術課的教學質量具有顯著效果[33]。盧劼利用高爾夫球仿真模擬器開展虛實結合的教學實踐，采用實驗法、問卷調查法，通過分班教學，實驗結果表明：實驗組在基本身體素質，技術動作，推桿技術穩定性指標的成績都優于對照組成績，且有顯著性差異，并得出以下結論：能激發學生興趣，培養學生自主學習習慣；實現教學目標，提升高爾夫教學效率；有助于學生更好地掌握技術要領[34]。韓麗、劉祺對遼寧師范大學 2012 級排球班用動作捕捉技術進行教學實驗，實驗組用虛擬場景系統的實時交互教學，對照組用常規教學方法，時間為16學時，研究結果表明在排球教學中應用動作捕捉技術，對提高學生的技術水平、教學質量有顯著效果[35]。Covaci A等人開發了一個虛擬的籃球訓練系統，主要利用了運動捕捉技術，學生可在沒有教師的情況下開展投籃訓練[36]。姜芹先主要運用3D視頻動作捕捉系統技術，對高爾夫運動員的軀干前傾角、側傾角、桿頭速度、桿臂角和肩髖夾角進行記錄，研究無球揮桿動作與有球揮桿動作是否一致，桿頭速度是否有差異，研究結果表明高爾夫運動員有球揮桿動作與無球揮桿動作不相同，且兩種揮桿桿頭速度有差異[37]。

1.2.2 虛擬仿真技術在體育訓練方面的研究。虛擬仿真技術在體育訓練方面的研究中，學者們主要是通過虛擬仿真技術進行仿真訓練，采集運動員的運動數據進行運動技術分析，最終達到提高技術動作、運動成績的目的。種新曉、楊秀正首先運用動作捕捉技術采集運動員技術動作數據，用于3D人體建模,然后把捕捉到的數據導入人體模型的運動員進行運動技術分析,把運動員動作虛擬仿真并用直觀形象的圖像顯示出來，發現運動技術的不足從而改進和提高技術動作[38]。徐建平把虛擬現實技術應用到訓練中，主要是把動作轉為視頻信息，然后不斷地回放動作視頻，進行細節講解，在教授知識的同時規范動作、提高技能，這種訓練手段不僅使技能學習與訓練相結合，而且構建了超現實訓練環境，激發了運動員的訓練興趣[23]。樸鍵在《不同水平高爾夫愛好者的肌肉力量-身體成分及體能的比較研究》中運用虛擬仿真技術(Golfzon韓國)來測試擊球距離，為研究提供數據支持[39]。王燕、薛東蘭、Tanisho K等人運用功率自行車對不同的實驗對象進行不同負荷的訓練，研究結果一致認為用無氧功率自行車進行無氧訓練，能夠提高訓練者的平均功率和最大功率，發展他們的體能[40-42]。

1.3 體育開發層面的研究

虛擬仿真技術在體育開發方面，主要涉及體育項目仿真系統的制作。仿真系統用途主要分為兩類：一類是開發虛擬訓練場景系統，另一類是開發運動數據捕獲系統。在開發虛擬訓練場景系統，王宏宇提出大型團體操演練仿真系統，首先對團體操圖案或隊形變化進行虛擬人的初始位置和目標位置;其次規劃路徑；最后,實現團體操隊形或圖案的變化仿真[43]，團體操演練仿真系統由行為動作生成、隊形或圖案設計和團體操隊形變化仿真三個子系統構成；在開發運動數據捕獲系統，王慶鑫結合計算機三維仿真技術和人工智能技術，開發的短道速滑技戰術仿真系統，該系統利用現有的運動員比賽和訓練數據，建立能夠模擬真實運動員的模型，最后做成了一個完整的短道速滑技戰術仿真系統[44]。杜東玲基于虛擬現實技術，用三維動作進行捕捉運動員運動數據，3D 實時的渲染、交互式功能，設計出一款具有交互訓練功能的“太極拳教學仿真系統”，使得軟件具備對練習者的引導和指導教學的功能，從而實現對太極拳的自主化學習。因此，太極拳教學仿真系統能更好地提高太極拳學習者的技術水平[3]。田彬采用兩種基于藍牙方式的無線傳輸方案，包括藍牙 3.0 中的 i Cade模式，藍牙 4.0 中的 BLE 模式，用無線傳輸的方式來解決目前基于有線傳輸的虛擬現實系統所帶來的問題；利用 i OS 和Unity3D 游戲開發引擎相關開發工具設計實現一種基于無線的二維、三維場景的虛擬騎行系統[45]。虛擬仿真系統運用在教學的有劉正存開發的大眾體育運動示教系統，主要用于3D動作捕捉、人體動作重建以及人體動作分析等，最后對示教過程中學員動作與標準動作差異進行分析，從而達到學員動作學習達到自主化,提高教學質量的目的[46]。項蔓主要運用三維軟件中虛擬場景和角色建模、動畫制作及編輯，用 flash 軟件合成排球三維動畫的多媒體技戰術課件[47]。李巖、董菲運用多模式人機交互、3D人體模型建立、運動數據的采集等技術，設計和開發“武術教學仿真系統”，并有兩種操控模式-演示性操控和自主性操控[48]。張利英設計基于 Kinect 運動捕捉的太極拳輔助訓練系統，并選擇20人進行測試，結果表明系統將運動捕捉技術、DTW 算法與 Unity3D 軟件相結合，實現了原地太極拳運動的輔助訓練和評分，可供其他輔助訓練系統參考[49]。

2 述 評

2.1 虛擬仿真技術在體育基礎理論層面的研究成果豐富

綜上所述，當前學者關于虛擬仿真技術的研究在體育基礎理論層面較多，主要是從虛擬仿真技術的工作原理進行闡述，并對該技術運用到教學、比賽及訓練中的可行性及未來前景進行了肯定。但是，體育是以運動為基本手段，以達到增強體質以及提高運動技術水平的目的，它不僅涉及心理學、生物力學、生理學等自然學科領域，也涉及社會學、教育學等社會科學領域。而虛擬仿真技術的范圍很大，哪些技術能夠運用到體育領域中，對此研究較為匱乏，限制了虛擬仿真技術在體育中的研究。

2.2 虛擬仿真技術在體育應用層面研究成果薄弱

虛擬仿真技術在體育中的應用主要是輔助老師或者教練的一種教學手段或者訓練方法，達到最終的教學效果或者訓練目的。目前根據虛擬仿真技術概念以及主要核心技術的理解，已有研究成果比較薄弱，虛擬仿真技術制作課件進行實驗教學，僅對學生心理層面的興趣指標進行研究；在人機交互中主要是捕獲實驗對象的運動數據之后輔助教學，但在技術動作、體能指標的研究貧乏，而且現有研究主要針對的群體是競技運動員。虛擬仿真技術在應用層面研究的視角和維度較窄。運用場景包括體育教學、體育訓練、體育比賽以及體育器材演示等。應用虛擬仿真技術對人產生的影響體育心理學和運動生理學層面：心理指標除了興趣還有應激、記憶、動機、喚醒等指標；生理層面包括身體素質、身體形態以及心肺功能等指標。虛擬仿真技術的運用能夠促進老師、教練、學生、運動員等不同角色體育專業人才的成長。

2.3 虛擬仿真技術在體育開發層面成果較少

虛擬仿真系統在體育開發方面的研究主要涉及訓練場景系統和數據捕獲系統。關于訓練場景系統，有助于練習者清楚地掌握環境情況。關于數據捕獲系統主要是通過傳感設備、攝像機、雷達等技術設備獲取數據。虛擬仿真技術開發的系統或者軟件主要針對的是運動員，而且儀器的成本較高，操作比較繁瑣。技術是體育發展的強大動力。無論是體育教學效果還是體育訓練水平的提高，都與體育科學技術活動的深入開展息息相關。現大部分研究只停留在技術開發層面上，對所開發技術的實用性沒有進行驗證，這就很難使技術深入發展并失去技術的價值。

3 進一步研究方向

對學者的文獻進行歸納總結之后，發現虛擬仿真技術在體育領域中的應用處于初級階段，還有很大的發展空間。隨著教育部提出虛擬實驗室校園建設的發展目標，無疑，虛擬仿真技術運用到高校課堂教學及訓練中順應了教育信息化發展潮流。在今后的研究中，筆者認為主要有三個方面有待進一步研究：第一，研究者通過對虛擬仿真技術的了解與學習的基礎上，應進一步研究體育領域虛擬仿真技術的內涵與外延，而且需要把虛擬仿真技術的工作機制與體育母學科知識相結合，進行深入的探討，最終完善虛擬仿真技術在體育領域理論層面的支撐框架。第二，虛擬仿真技術在體育領域的應用層面上，應把該技術中人機互動技術的操作運用到實踐中，設計嚴謹的實驗方案，用實驗數據說明虛擬仿真技術能解決體育教學、訓練及比賽中存在的問題，或從心理學、生理生化、技術技能以及體能等學科知識選取指標，來探討虛擬仿真技術對學生或者運動員的影響。第三，虛擬仿真系統在體育領域的開發層面上，從技術的本身來說，應開發成本低且操作性強的儀器或者軟件；從技術的實效性來說，技術開發者需要把技術進行實踐，檢驗技術的實用性，為體育研究者提供參考依據；從客戶所需來說，應開發出適合大眾健身體驗及應用的系統、比賽程序的演示、比賽場館的應用系統、體育健身器械操作演示系統等等。總之，虛擬仿真技術在體育中的研究范圍很廣，將是以后體育教育信息化的一個重要研究方向。