VR與AR技術在高校羽毛球關鍵技術教學與訓練中的應用研究― 以頭頂滑板吊球技術為例

文 / 趙朦，沈光美

作者單位：南京農業大學

1 前言

虛擬現實技術(VR)，也被稱為虛擬仿真技術、靈境技術，最早是在20世紀80年代由美國VPL公司的J·Lanier 等提出。該技術是利用電腦及外部設備模擬仿真成三維立體空間環境和人類的感覺，(視覺、聽覺、觸覺等)，虛擬環境構建中的物體可以伴隨位置的變化而改變，營造出接近真實的環境的感受，如同身臨其境一般。[1]

增強現實技術(AR)，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間的同時存在，通過電腦等科學技術，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。[2]

2 信息技術在高校體育教學中的運用現狀

近年來，信息技術對于傳統教學的融入越來越深入，對于體育教學來說，越來越多的學校也在開始使用信息化教學融入體育教學和體育鍛煉中，如：南京農業大學使用《好動體質健康》和《陽光跑步》APP，學生可通過理論考試以及體質測試等在APP查詢，也可以通過APP的理論題庫進行體育理論知識的學習及練習，在《陽光跑步》APP中，學生可根據學校在APP中設定的不同線路，每學期進行不低于40次的跑步練習，從而達到提高學生體質健康的目的[3]。

黑龍江八一農墾大學也將VR、AR技術運用在了武術訓練中，建立了一個“籠子”型的360度攝像頭捕捉系統，可以有效的捕捉運動員各個角度的技術動作，但是該技術運用的缺點是不能大范圍的運用于教學，學生人數受限制，并且造價相對較高[4]。上海體育學院也將AR技術運用于運動損傷的學習，學生可通過專用增強現實設備點擊設備中現實或虛擬的屏幕了解所要學習的知識[5]。

由此可見，信息技術在體育教學中也慢慢開始應用，但目前尚未普及，大部分高校體育教學中運用的信息技術手段有限，尤其是VR、AR、MR[6]以及人工智能這類新技術，這也是體育學科在一些技術手段方面落后于其他學科的原因。

3 AR技術在其他學科領域中的應用

3.1 AR技術在其他學科領域的典型應用

上海中醫藥大學附屬閔行薔薇小學制作的《微微本草》，是國內首套結合AR技術的中國傳統本草文化科普啟蒙讀物，該套讀物一共十冊，包括蒲公英、蓮、菊等十種常見的本草植物[7]。該校2018年將AR技術引入其校本課程“微微本草”中，該讀物實物本是以傳統的紙質材料為基礎，結合融入了AR技術，該讀物可以在專有APP上以手機攝像頭掃描紙質讀物當中的文字或圖片，通過增強現實技術進行圖像、文字識別，從而生成3D立體的虛擬成像，學生可以翻轉、放大、縮小虛擬成像來觀看和學習，激發學生的學習興趣與實踐能力，從而引導學生探索式、發現式的學習方式。

3.2 AR技術在國內國外其他院校教材中的運用

AR技術在國內外一些大中小院校當中應用越來越廣泛，大多應用于其他學科的教材當中，如：在國外，美國華盛頓大學所研發了一套增強現實系統名為“Magic Book”[8]，該“魔法書”可以識別傳統出版讀物的文字內容，將讀物中的傳統圖片文字通過識別轉化，可以演變成3D立體的成像效果，華盛頓大學這一創新研發成果，也使增強現實技術在教育教學中初顯端倪。而在國內，北京師范大學研發的“未來之書”[9]，該“書”是一本虛實與現實相結合的，具有交互式的3D立體圖書，該書的特點是有一套比較創新的教學模式和教學方法，它可以利用增強現實技術進行圖像識別，打破傳統圖書的刻板與不足，達到3D立體成像的效果，開創了國內高校教學的一條創新之路。由此可見，AR技術已逐步的應用于各大高校，越來越多的院校加入到了創新研發的隊伍當中，其中也不乏像黑龍江八一農墾大學、上海體育學院、南京體育學院等一些國內院校，他們將AR技術應用到越來越廣泛的學科當中，使AR技術融入校園、創新校園。

4 VR和AR技術在體育領域的應用研究

4.1 VR技術在體育領域的應用研究

VR技術在國外發展相對較快，學術界也對其進行了大量的研究，雖然VR技術在其他領域已經有了較廣闊的應用，在體育研究領域也有一定的基礎應用和發展，但是VR融合體育的發展模式尚處于初步發展階段。現有VR融合體育的研究主要體現在以下3個方面。

4.1.1 VR與體育傳媒相融合

體育傳媒領域作為VR+體育所產生的新型賽事觀看模式相融合，通過虛擬現實技術來對賽事進行直播，為特殊情況而無法到達現場的觀眾帶來具有沉浸式的虛擬現實體驗感[10]。結合直播效果的基本流程大體分為三個部分，首先對體育賽事的現場數據采集采用的是全景攝像機，然后在通過系統軟件對數據進行壓縮、編碼，最后內容平臺把體育賽事呈現給用戶是通過顯示設備。VR+體育傳媒可使觀眾實現臨場的感覺，使其能夠像教練員或運動員或裁判員的臨場視角來體驗觀看，此種體驗感使觀眾能夠從2D的平面影像到3D的立體影像，然后再到360度全景角度，仿佛置身于比賽當中，像裁判員，又像運動員、教練員，提高觀眾的觀看新鮮感和沉浸感，是觀眾的觀看體驗達到最佳[11]。

4.1.2 VR與體育訓練相融合

VR融合體育的第二個應用是與體育訓練相融合，該應用通過定制化訓練和個性化健康管理服務，利用VR手段，將運動隊的戰術安排、對手的戰術風格等數據信息編程在相應的系統軟件中，對訓練場景、比賽環境進行3D立體構建，將真實的比賽環境呈現給運動員和教練員，可以使教練員對運動員進行針對性的有效訓練。總之，VR融合體育訓練的優勢是利用虛擬現實技術，對運動員進行針對性的比賽訓練，摒棄傳統式的觀看2D視頻，聽解戰術，枯燥無味，無法身臨其境，而VR融合體育訓練，可以有效的提高運動員的興趣，沉浸式的體驗訓練，真正達到提高運動員的技戰術訓練質量的目的[12]。

4.1.3 VR與體育娛樂相融合

體育娛樂與VR相融合可以很好的增強玩家感官體驗，給玩家帶來真實的刺激感，使玩家更為真實的體驗立體和豐富的沉浸式特效。另外，VR 與體育娛樂相融合的另一方面表現在與玩家的互動，以羽毛球為例，VR技術可以對著名的羽毛球運動員的外貌特征進行3D立體重建，構建運動員的技戰術特征，玩家在體驗過程中，仿佛真實的在與偶像球星對戰比賽，如與林丹、李宗偉等著名羽毛球運動員對戰，增強真實的體驗感，提高玩家的興趣，并且對于職業體育來說，與球迷玩家的互動不僅可以吸引更多球迷觀眾，也為職業體育帶來更高的穩定收入提供保障[13]。

4.2 AR技術在體育領域的應用研究

20世紀60年代，計算機圖形學的創立者伊凡·蘇澤蘭特及其學生共同構建出增強現實系統模型,自此，大量研究人員投入增強現實系統的研究工作，如北卡羅來納大學的實驗室、美國阿姆斯特朗實驗室、NASA 埃姆斯研究中心等。20世紀90年代，波音公司對試驗性的增強現實系統進行研發，為工人組裝線路提供視覺上的輔助作用。90年代中后期，全球每年會召開會議集中研究增強現實系統的研究人員，對最新技術及研究成果進行交流,近年來，增強現實系統實驗室設備價格下降，研究成本也隨之減少，進一步引發了增強現實技術研究的熱潮。當前，國外從業于增強現實研究的高等院校及科技公司包括了美國哥倫比亞大學、麻省理工、華盛頓大學、劍橋、東京大學、西門子公司、索尼公司、美國施樂公司。[14]

綜上所述，現有的研究雖然對VR技術和AR技術在體育傳媒、體育訓練以及體育娛樂等方面進行了大量的研究,但是如何有效利用VR技術和AR技術有效的與球類關鍵技術相結合，提高教學與訓練的質量，激發學生學習的興趣與積極性，是值得深入思考和研究的話題。基于上述理論與現實背景，本項目將以南京某高校體育教學與訓練為例，結合VR技術，使用實驗法，探討VR技術在球類教學與訓練中的應用以及不同媒介方式對學生學習以及興趣的影響機制。

5 VR和AR技術在羽毛球頭頂滑板吊球技術教學與訓練中的應用分析

5.1 羽毛球頭頂滑板吊球技術

頭頂滑板吊球技術，是后場技術的一種，也是羽毛球吊球技術的其中一種，它的打法是擊球時球拍擊中并抹擦球托的底部，手臂內旋，使羽毛球快速落到對方場地的前發球線附近以內位置的一項技術[15]。這種打法隱蔽性較好，具有較強的欺騙性，相對其他技術有一定的技術難度。頭頂滑板吊球技術的引拍與頭頂擊高遠球技術的引拍相同，目的是為了保證動作一致性，增加隱蔽性，該技術只是在擊球一瞬間使球拍從右向左抹擊球托的底部，分散發力，快速擊出的一種手法。而頭頂滑板吊直線球時，利用手指、手腕和前臂內旋的技術動作，控制力度和角度，由后向前下方快速揮拍抹擊羽毛球球托的后部；而吊對角線時，則同樣用手指、手腕和前臂內旋的力量，快速揮拍切擊羽毛球球托的左側部位[16]。頭頂滑板吊球與高遠球技術、殺球技術相比，力度較輕，也屬于進攻球的一種，其難點就在于擊球一瞬間手腕手指帶動拍面“滑切”面的形成以及擊球角度的把握。

5.2 VR和AR技術在高校球類項目關鍵技術教學與訓練中應用的可行性分析

頭頂滑板吊球技術是羽毛球技術中相對較有難度的一項技術，針對于高校普通公共體育課的羽毛球教學和訓練，學生在一堂課當中掌握該項技術有一定的難度，特別是對于擊球一瞬間細節技術的把握，學生很難通過短暫的課堂展示去把握和理解細節動作，而到了課下，學生又沒有參照動作去練習，就容易出現忘記動作以及錯誤動作的形成，那么如果將VR和AR技術引入結合到學校傳統教學中去，通過3D建模的形式，將球類教學中關鍵技術以及較有難度和易犯錯誤的動作通過3D的形式展現出來，課上老師將關鍵技術的重難點進行講解，課下學生在VR和AR技術的演示下可以有效的進行學習和練習，看不到或者看不懂的技術動作，VR和AR技術展示出來的3D模型可以360度旋轉放大或縮小進行各個細節的觀看，那么學生將能更加充分的理解和學習。所以，VR和AR技術應用到高校球類項目關鍵技術教學和訓練中是可行的。

5.3 VR和AR技術在羽毛球頭頂滑板吊球技術教學與訓練中技術手段實現的應用分析

首先，VR和AR技術實現需要軟硬件的支持，在硬件方面，目前市面上已有的頭戴式VR和AR眼鏡成品已相對成熟，網絡或實體店均可買到，價格參差不齊，取決于呈現畫面、材質以及功能的不同，學生和老師使用的時候可以通過手機或電腦操作實現，AR技術的話，攝像頭也可以通過代替眼鏡呈現3D畫面，更加方便、立體逼真。軟件方面，市面上的技術廠商也日益增多，開發的主要環節如拍攝3D視頻、3D建模[17][18]、構建服務器群、采用虛擬化服務器和存儲技術、資源錄入等所涉及的技術問題都可以解決，只是需要錄入項目的數量，拍攝和錄入內容的復雜性也決定資金投入的多少，另外，開發專門的VR和AR體育教材或應用APP所涉及的開發與呈現技術也早已完善。因此，VR和AR技術在球類關鍵技術教學與訓練中技術手段的應用實現，無論是軟件還是硬件方面都趨于成熟，可以實現。

6 VR和AR技術在高校球類項目關鍵技術教學與訓練中的發展前景與展望

目前，VR和AR技術在工業、廣告業、醫療、游戲等方面已經應用及發展的相對成熟與廣泛，并且在教育、科研領域也逐漸開展起來，但是在體育教育領域卻甚是匱乏，而球類教學，特別是羽毛球教學方面的應用更是少之又少，但是市場上有關球類游戲的VR和AR手機APP應用軟件隨著這幾年信息技術的發展也越來越多，應用類球類游戲軟件也不再僅限于2D形式，隨著VR和AR技術的發展更加3D立體化，生動有趣。而在教育行業，其他部分學科像生物科學、醫藥，包括運動損傷也逐漸有了VR、AR技術的融合，但是球類教學，特別是羽毛球教學應用的少之又少，而對于關鍵技術的教學如果結合VR、AR技術，對于學生學習和訓練會有更好的效果，教學過程生動有趣，教學手段新穎立體，教學效果有效進步，學生更有興趣接受與學習。隨著信息技術的快速發展，傳統的體育教育手段會慢慢滯后，傳統體育教育與信息化體育教育相結合會是時代發展的趨勢，融合VR、AR技術，會使球類教學，甚至整個體育教育與訓練得到質的突破。

7 總結

VR和AR技術已經在其他學科包括體育學科展開運用，但目前VR和AR在體育教學，特別是羽毛球關鍵技術教學與訓練的應用尚屬空白。

本文以羽毛球關鍵技術教學與訓練的應用為研究對象，簡要介紹了羽毛球關鍵技術中的頭頂滑板吊球技術,并以其重難點為例，分析了VR和AR技術運用在該技術中應用的可行性以及解決重難點的方法和手段，由此分析是可行的。

在技術手段實現應用中分析硬件方面和軟件方面均可以得到解決，予以實現。

分析了融合VR、AR技術給球類教學以及整個體育教學帶來的益處，以及發展前景與展望。