VR在體育教學(xué)與活動(dòng)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(guó)務(wù)院印發(fā)的《體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中提出要加快推動(dòng)高新科技與體育實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合；支持可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備和智能運(yùn)動(dòng)裝備的研發(fā)與制造；促進(jìn)體育制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。為建設(shè)體育強(qiáng)國(guó)，首先需要完善體育配套設(shè)施的建設(shè)，大力推動(dòng)體育產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級(jí)。VR設(shè)備是可用于體育運(yùn)動(dòng)的新型穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備，VR的內(nèi)容可以融合體育運(yùn)動(dòng)與體育訓(xùn)練內(nèi)容，是體育強(qiáng)國(guó)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(qiáng)和改進(jìn)新時(shí)代學(xué)校體育教育工作的意見》強(qiáng)調(diào)學(xué)校加強(qiáng)體育課程和教材體系建設(shè)，配齊配強(qiáng)體育教師，改善場(chǎng)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(lái)隨著VR體育教學(xué)共享平臺(tái)[1]建設(shè)逐漸完善，可虛擬出的運(yùn)動(dòng)教練可以在VR中指導(dǎo)與規(guī)范運(yùn)動(dòng)人員的動(dòng)作，并應(yīng)用于師資匱乏、設(shè)施匱乏的西部地區(qū)，彌補(bǔ)全國(guó)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(wèn)題。

1 VR技術(shù)原理

VR是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算、圖像渲染放在云端。如圖 1所示，本地VR在用戶終端進(jìn)行圖像渲染，對(duì)GPU等硬件設(shè)備資源要求高，導(dǎo)致用戶購(gòu)置設(shè)備成本高，而Cloud VR將計(jì)算與圖像渲染放在云端進(jìn)行，降低了對(duì)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(shí)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(tái)，內(nèi)容版權(quán)缺乏有效保護(hù)，而Cloud VR通過(guò)云平臺(tái)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(guò)對(duì)比，Cloud VR在成本、體驗(yàn)感、內(nèi)容方面更有優(yōu)勢(shì)，并且Cloud VR以成本低、終端無(wú)繩化、自由度高、內(nèi)容云化等優(yōu)勢(shì)有效地解決制約了VR發(fā)展的痛點(diǎn)。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(duì)比分析

如圖2所示，Cloud VR由內(nèi)容層、平臺(tái)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(tái)層提供VR內(nèi)容，包括視頻業(yè)務(wù)與強(qiáng)交互業(yè)務(wù)；平臺(tái)層負(fù)責(zé)云渲染、流化、轉(zhuǎn)碼、編碼及存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)直播、點(diǎn)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(tái)強(qiáng)大的計(jì)算能力將VR內(nèi)容上云、渲染上云甚至制作上云，再通過(guò)優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)將沉浸式的VR體驗(yàn)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(jì)、藝術(shù)與教學(xué)領(lǐng)域。例如，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助自閉癥兒童并解決其運(yùn)動(dòng)情境中的生活困境問(wèn)題[2]；或利用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維游戲技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)虛擬的相關(guān)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)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(dá)到更好的教育效果[3]；或在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中對(duì)機(jī)械手的作業(yè)情況進(jìn)行了仿真模擬，以便提高采摘機(jī)器人機(jī)械手群體作業(yè)的效率和精度[4]；或以虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)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(hù)模式分為“玩具”、“鏡子”和“藝術(shù)”模式，從而對(duì)非遺進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)[6]；或基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程教學(xué)空間中的不同學(xué)習(xí)情景解決遠(yuǎn)程教學(xué)缺乏實(shí)時(shí)的沉浸性情境和協(xié)作互動(dòng)[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(lái)VR將無(wú)所不在，在各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用，未來(lái)人類的文明將向前邁進(jìn)一大步。

2.2 VR+體育典型應(yīng)用

VR通過(guò)其構(gòu)想性與交互性，構(gòu)建虛擬教練代替真實(shí)體育老師，向?qū)W生講授課堂知識(shí)以及讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)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(shí)，完成理論學(xué)習(xí)；若選擇技巧訓(xùn)練，還可以在VR中互動(dòng)和交互，進(jìn)行速度調(diào)整與動(dòng)作檢驗(yàn)，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(guò)其構(gòu)想性與沉浸性構(gòu)建虛擬賽事直播場(chǎng)景，讓體育愛好者能獲得到如臨賽事現(xiàn)場(chǎng)的體驗(yàn)[9]。以馬拉松比賽為例，具有參賽選手多、競(jìng)賽時(shí)間長(zhǎng)、比賽范圍大的特點(diǎn)。使用VR技術(shù)，用戶可以自主選擇不同的 VR 直播視角來(lái)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(chǎng)地虛擬行走切換賽事地點(diǎn)、可以跟隨某一喜歡的運(yùn)動(dòng)員一起跑步，或者零距離體驗(yàn)感為參賽人員加油助威。

VR+體育可以完成各類運(yùn)動(dòng)課堂知識(shí)的傳授，實(shí)現(xiàn)各種體育球類的知識(shí)傳授以及技巧展示；VR+體育可以直播各類體育比賽，實(shí)現(xiàn)足不出戶地觀看比賽，并實(shí)現(xiàn)親臨現(xiàn)場(chǎng)的體驗(yàn)感。VR+體育能夠讓用戶體驗(yàn)體育活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的人、物與事，打破了時(shí)空的限制。在應(yīng)急情況下，通過(guò)虛擬的教練、虛擬的運(yùn)動(dòng)空間，可以無(wú)接觸、安全地完成體育教學(xué)與體育活動(dòng)。在體育教學(xué)過(guò)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(yùn)動(dòng)活動(dòng)中，動(dòng)作要領(lǐng)較難詮釋，運(yùn)動(dòng)人員容易因錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)造成損傷。部分運(yùn)動(dòng)所需運(yùn)動(dòng)設(shè)備與設(shè)施場(chǎng)所造價(jià)昂貴無(wú)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(diǎn)。構(gòu)想性可為體育活動(dòng)人員虛擬構(gòu)造出各種想要學(xué)習(xí)的體育項(xiàng)目環(huán)境；交互性讓體育活動(dòng)人員可以體驗(yàn)使用虛構(gòu)的體育器材和體育空間，補(bǔ)充體育活動(dòng)實(shí)踐所需設(shè)備條件；沉浸性讓體育活動(dòng)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(gè)動(dòng)作、學(xué)習(xí)肢體正確的活動(dòng)方式，以免因錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)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(dòng)現(xiàn)存問(wèn)題，補(bǔ)充實(shí)體體育教學(xué)與體育活動(dòng)的不足，降低體育設(shè)施完善成本。

高血壓C級(jí)血清明顯超過(guò)A級(jí)、B級(jí)、對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；高血壓B級(jí)血清超過(guò)A級(jí)與對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。高血壓A級(jí)、B級(jí)相較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

3 問(wèn)題與對(duì)策

VR技術(shù)在體育教學(xué)與體育活動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中存在著成本問(wèn)題、安全問(wèn)題、認(rèn)知問(wèn)題、內(nèi)容問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題，具體問(wèn)題描述如表1所示。針對(duì)成本問(wèn)題，可采用Cloud VR技術(shù)，通過(guò)云端共享計(jì)算資源與數(shù)字資源方式，將硬件成本轉(zhuǎn)移到云端；通過(guò)軟件調(diào)度合理分配使用時(shí)間與資源占用，使用者只需要購(gòu)買符合播放要求的低成本頭顯設(shè)備并通過(guò)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(duì)安全問(wèn)題，除提供低延時(shí)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(hù)青少年的生理與心理健康。同時(shí)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(guò)邊界造成自己或他人的人身傷害。針對(duì)內(nèi)容問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)體育教學(xué)與體育活動(dòng)所需場(chǎng)景進(jìn)行多元化設(shè)計(jì)，并結(jié)合體育教學(xué)與體育活動(dòng)常見實(shí)體內(nèi)容，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)立體多維度的虛擬空間、虛擬元素、虛擬活動(dòng)過(guò)程，提供完備的虛擬體育器材與虛擬體育設(shè)施。針對(duì)認(rèn)知問(wèn)題，可開展VR線下體驗(yàn)館，設(shè)置VR體育體驗(yàn)、VR觀賽等體驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行“VR+體育”在學(xué)校、社區(qū)中的普及活動(dòng)，激發(fā)人民群眾在VR體育模式的興趣與習(xí)慣。針對(duì)技術(shù)問(wèn)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(jìn)的技術(shù)，并通過(guò)工程化手段提升符合體育教學(xué)與體育運(yùn)動(dòng)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(dòng)應(yīng)用問(wèn)題

4 總結(jié)

本文從體育強(qiáng)國(guó)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(dòng)的典型案例。針對(duì)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(wèn)題并提供了初步的解決對(duì)策。目前，VR技術(shù)在體育教學(xué)與體育活動(dòng)方面的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，未來(lái)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(yàn)、培養(yǎng)VR+體育綜合性人才，最終為體育強(qiáng)國(guó)服務(wù)。