VR、AR技術在長短兵運動中的融合應用研究

張 易，劉存忠

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，虛擬現實技術和增強現實技術應運而生。在一切皆可虛擬的時代，VR和AR這兩種技術正在引發多領域的一股熱潮［1］。而這兩項技術都可將文化與動作游戲化，立體化，交互性，沉浸式地展現出來，與長短兵運動不謀而合。一項運動無普及何來發展，而長短兵運動作為一項集文化、健身、對抗、智力為一體的優秀武術兵器對抗項目，更應找到屬于自己的獨特發展模式。長短兵作為冷兵器在歷史長河中，為一項重要的交戰兵器，在各民族文化中扮演著不同的屬性。而在中國歷代王朝中，冷兵器所帶來的戰爭勝利以及對“武俠”文化的尊崇所反映出了民族的自信。習近平總書記提出的“四個自信”，其中文化自信對長短兵運動的發展具有重要的指導意義。如何將VR與AR技術應用與長短兵運動中為本文的重點。

2 VR、AR技術概述

2.1 VR虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），虛擬現實其特點就是虛擬和現實相互融合。從理論上來講，VR是通過計算機仿真模塊創造一種能夠體驗虛擬世界環境的技術，它利用計算機模擬一種虛擬環境，使用戶獲得沉浸式體驗［2］。與傳統的視聽模式相比，VR技術的交互性有了極大的提升，用戶可以通過VR手柄、VR手套、手勢輸入設備、全身動作捕捉、眼控技術、腳部輸入等不同的輸入設備，捕捉使用者的各式行為模式，以此實現用戶與虛擬環境的實時、無限制的動態交互［2］。它具有超強的仿真特性，實現了人機深度交互融合，使人在操作過程中，可以得到最真實的環境反饋。

虛擬現實技術就是利用實際中的事物的特征數據，通過移動端VR、PC端VR或一體機輸出設備產生電子信號，達到將數據其轉化為能夠使人們感知到的狀態，這些狀態可以是現實中實際存在的物體，更可以是我們不能被人體直接感知的物質，通過3D建模技術表現出來，其交互過程如圖1所示。因此虛擬現實技術，就是指這種圖像、影像、音頻不是人們直接所感知到的，而是通過計算機模擬出來的現實世界的技術。

圖1 VR交互過程

2.2 AR增強現實技術

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR），增強現實又名擴增現實技術，AR技術是將原本在現實中由于受到時間空間限制而難以進行體驗的虛擬信息在計算機應用的基礎上，將數據通過虛擬仿真處理，將虛擬信息內容在真實世界中疊加表現出來，在這一處理過程中人們可以通過自身感官直觀且具體地感受到，從而實現超越現實的感官體驗［3］。虛擬影像和真實環境在重疊之后，同時存在于同一個時間以及空間中，其交互過程如圖2所示。

圖2 AR交互過程

增強現實技術的運用，讓細膩的虛擬物體和現實事物內容相互疊加互補。在視覺化的增強現實中，用戶能夠在顯示器的基礎上，獲得真實世界和電腦影像之間重合在一起的效果，在重合之后可以看到真實的世界中原本不存在的物體［3］。目前這一技術發展十分迅速，在實現上主要有三維建模、多媒體和場景融合等技術手段，增強現實所提供的信息內容和人類能夠感知的自然信息之間有著明顯的差異。

3 中國長短兵運動概述

長短兵運動是民族傳統武術競技對抗項目，匯集刀、劍、棍、棒、槍等長短器械的攻防技術，雙人手持特制器材在特定的規則下進行互相擊刺搏斗的對抗運動，具有豐富的歷史文化和思想底蘊［4］。我國長短兵運動起源眾說云云，近代可從1928年張之江先生在南京創辦的國術館，并將其列為“國術國考”內容時計起，新中國成立后，1951年短兵運動作為民族傳統特色成為天津表演大會的主要項目，1953年更是在全國民族形式體育表演和競賽大會中成為正式比賽項目，但隨著對民間武術以及武術運動技術的大幅調整，短兵運動被迫終止，短兵運動進入低潮期［5］。

1979年和1980年連續兩年舉辦了全國武術觀摩交流大賽，并進行了短兵運動表演，中國短兵運動再現武術界。在這之后，全國陸續舉辦了各種長短兵賽事以及相關培訓交流活動，在2018年長短兵運動更是被國家體育總局武術運動管理中心列入年度賽事活動計劃。在競賽中，不但提高了競技水平也加強了多方面專業人才的情感交流，此外通過賽事舉辦也使更多的人群了解與關注長短兵運動，極大地推動了長短兵運動在當代的普及與發展。但是，現今的長短兵運動的發展現狀依然存在諸多問題，如表1所示，與武術散打、太極推手等武術對抗運動項目相比發展緩慢，普及度不高，受眾人群少。21世紀是屬于信息爆發的互聯網時代，如何通過結合高科技產品實現彎道超車，改進一些現存的問題，使更多人參與進來，是我們值得探究的問題，一項運動必須具有良好的群眾基礎，才會發展得越來越好。

表1 長短兵運動普及與教學的痛點

3.1 VR技術在長短兵運動中的應用

3.1.1 長短兵技術體系虛擬現實構建與興趣教學

現今很多中小學以及高校、運動隊都大量的運用新媒體教學技術進行教學，如投影設備，電子黑板以及互聯網慕課等等。但普通的媒體技術都是以展現二維的形式傳遞給學生的，沒有立體全面的多維角度給予學生最直觀最真實的感受，而這也導致動態性的體育類運動學科不能高效的運用這些技術，而VR技術的出現則很好地彌補了這點。任何的競賽運動項目訓練任務目的都是為了讓習練者技能的形成與提高，并綜合的運用出來，服務于競賽。如何將長短兵技術特點能夠有效立體的在VR虛擬環境中展現出來，須先將現實中長短兵運動技術體系中的常用攻防技術進行分類，如表2所示，并運用運動捕捉設備捕捉傳輸進行數據處理［6］。長短兵技術是利用手握兵器結合手法、身法、步法、與矢狀面、冠狀面、水平面、三個空間面進行判斷進行對抗的技術，再結合實際比賽中的運用進行使用率與有效得分率數據收集，形成聯網數據庫，并定期進行數據更新，完善技術缺點，還需將比賽的整個流程，如場地尺寸，裁判手勢，檢錄流程等數據一并收集錄入。

表2 針對不同進攻技術長短兵常用防守與反擊技術的應用

將這些數據在VR系統環境計算機設備中實現搭建交叉的虛擬世界，隨之應用專業引擎軟件處理，完成虛擬環境中一切物體模型和聲音合成的建立和管理，輸入及輸出設備，實現現實世界與虛擬世界的識別與交互。同時也可根據現實教學需要，進行游戲化設置，可在游戲中將場地場景進行變化，例如：在高山險峻中與高手對決，或是在某一歷史朝代與古代名將對決都可。使習練者真正感受到虛擬人物與他們近在身邊，真實鮮活，解決了長時間在同一場地習練的枯燥與乏味，增加不同年齡段習練者的興趣，提高教學效果。還可根據不同的性別以及心理狀態對場景中的對手以及兵器做出變動，降低對對抗運動的抵觸感，如女性習練者可將兵器變為魔法棒將對手變成可愛的卡通形象等逐步過渡，循序漸進。習練者可以通過VR設備可以學習到很多現實世界中無法達到的內容，學習的內容更加豐富多彩，形式更加多樣，同時虛擬環境的開放式，更立體，更生動，更加直接多重的感官沖擊能使習練者產生新的思維聯想，激發發散思維。

3.1.2 創新教學模式，加強環節教學

在傳統的長短兵教學模式中，教練員都使用常規的教學模式，單對單或單對多教學。教學的內容包括單擊，行進間練習以及擊靶練習，單對單實戰練習。在教練員做示范時，由于角度問題，習練者往往不能清晰準確地掌握動作要領，且不知自己的錯誤點在哪。而通過VR眼鏡設備習練者可以360度乃至720度的觀察教練員示范的動作細節，通過3D虛擬實景習練者可以反復觀看，還可將自己的技術動作與教練員的動作模型進行反復對比，更能加深學習記憶與肌肉記憶。在一對一的實戰對抗練習中，習練者常常會在受到攻擊時而閉眼，轉身逃跑，防守失誤，重心變換不及時等諸多問題，VR技術可依據習練者不同的運動軌跡與習慣，模擬出對應的速度與方向的技術攻擊，使習練者能更好地得到針對性防守與反擊訓練。同時由于VR模擬突破了時空的限制，可以通過大數據模擬出高水平運動員，就算是初學者也可在虛擬環境中與全國冠軍一決高下。

在一對多的教學時，教練員往往不能仔細觀察到每一個人技術動作的規范和掌握情況，以至于一些習練者以錯誤的動作進行長時間練習，進而導致一些不必要的運動損傷。結合VR技術與動作捕捉技術開發的程序和設備能夠自動將習練者的進攻動作和防守以及反擊動作對比數據庫中的標準動作，發現習練者技術動作的錯誤點以及成因并提示其進行改正。同時教練員也可重復觀看習練者動作及程序給出的數據結果進行分析，更加仔細直觀地解析錯誤，進而做出更好的改進，使習練者少走彎路。

3.1.3 數字化教學與監控，收集科研數據

無論是訓練還是教學的內容、手段和方法都應遵循于體能、技能、戰術能力、心理能力、運動智能這五大競技能力影響因素。在傳統的長短兵訓練中，教練員是通過提前制定周期訓練計劃，課程安排及教案來控制訓練的目的，內容，訓練強度，負荷量等。但由于每個習練者的身體素質，習練程度及身體狀態等因素的不同，加上教練員不能通過肉眼及時準確地發現這些狀況，導致長短兵訓練課程出現一些教學效率低及習練效果差等問題。不能達到我們的預期效果，影響訓練進度與賽事規劃。而特定的VR程序與穿戴設備可以準確實時跟蹤特定習練者的心率、呼吸頻率、呼吸深度、皮膚及身體內部溫度、肌電等生理特征及動作速度、動作軌跡、力量、爆發等［7］。將數據進行建模，每次訓練結束后可實時對比以往練習的數據，判斷習練者的機體疲勞程度及技法掌握程度，VR技術將習練者整個訓練過程中一系列的表現可以用數字化的形式展現在習練者與教練員的面前，幫助他們更直觀地掌握習練狀況，從而改進原有的訓練計劃，進行專屬與習練者個體的練習。數字化可有效地記錄監控及反饋訓練的全過程，能科學有效地結合學習數據，給出合理的建議安排，即可完善教學又可收集專項的科研數據。

3.2 AR技術在長短兵運動的應用

3.2.1 AR技術在長短兵運動歷史文化普及中的應用

在過去博物館大多以物為中心，去博物館的人們可能覺得難有收獲，而現在，博物館轉而以人為中心，通過網絡和電視節目走進人們的生活。我國從20世紀末開始實行博物館數字化，而到近年，隨著信息科技技術的普及與發展，更多的博物館開始自帶虛擬游覽技術，如中國國家博物館，南京博物館等眾多知名博物館，讓用戶可以在全方位融入真實場景中觀賞到三維立體的國寶虛擬圖像。新鮮富有趣味、“觸感可及”的文化場景，激起了更多的年輕人對傳統文化的興趣與關注［8］。

博物館文化傳播與AR技術的結合使我們看到了增強現實技術在展示歷史與“時空穿越”等方面的優勢［8］。同樣長短兵運動作為中華民族傳統武術競技對抗項目，如何提高大眾對其歷史文化層面的興趣與更佳的感官體驗，博物館行業的試驗成功實質上也是一種經驗與啟發。利用AR技術，可以將長短兵運動的發展流程、競賽過程、歷史底蘊以及兵器知識等轉化成一種富含特色的數字化內容。從而能實現將現實與虛擬的數字化內容無縫結合，使長短兵運動逼真的呈現與眼前，同時采用計算機大數據手段，可以方便學習到更多的長短兵知識。

AR技術通過三維成像構建長短兵運動的環境重現，通過利用智能手機、平板電腦等電子設備使其歷史文化、兵器風格、鑄造過程等實體影像從原有的二維影像轉變為立體式活現與人們的眼前，在較短的時間內喚起受眾人群的深層體驗。參與者能“身臨其境”地進入所選歷史背景、戰場遺跡、競技舞臺，如一座城池一把兵器都可引出其背后的故事與事件的導入與呈現。這即可滿足人們對求知本源的探索心理。也可使人們沉浸與瞬間穿越時空的震撼感。

3.2.2 AR技術在長短兵運動教材中的應用

VR技術承載的一切事物都是虛擬的，AR技術則可以將虛擬與現實事物重疊于一體。如原本的書籍都為紙質，而隨著數字科技的發展而出現的電子書，再到由AR技術衍生出的AR閱讀，科技的進步完全改變了大眾的閱讀方式。在AR技術的閱讀世界里，我們的閱讀由平面轉變到了立體，從可讀到可視。與原本的紙質書籍相比，AR圖書最大的特點是使靜態平面的文字動起來，并使用智能終端將靜態的圖畫展現到視聽多角度的體驗，實現與虛擬圖像的“互動”［9］。

一項運動專項的教材是融合了技術的理論與實踐實證的描述習練方法與訓練計劃的安排來幫助習練者掌握本門運動的各項技術，傳統的教材為普通書本，多為文字與圖片的描述，然而無論文中的圖片多么生動，細節如何描述都無法展現出多角度全方位的立體技術動作。局限于書面上的分解動作形式呈現。而使用AR技術，即可將傳統教材的完整技術動作制作成為2D的動畫也可成為3D的動畫視頻等多媒體形式，立體的呈現在對應的教學知識點上。將原本枯燥乏味，難以理解的理論知識以及技術圖片變得生動有趣，立體智能，使得技術要領的呈現更加直觀與鮮活，有利于激發習練者的學習熱情與主動性，能高效地加強習練者對重點難點的記憶與理解，提高學習效果與質量。

3.2.3 AR技術在長短兵運動競賽規則中的應用

體育競賽規則是每個運動競賽項目本身的競賽規則，是人們在體育競賽活動中形成的決定體育參與主體行為的一種規范性文化現象，它包含著順應社會文明化進程要求的價值標準［10］。競賽規則作為競技體育賽場上的法則，能夠確保競賽活動的有序進行和健康發展，其優劣直接可以影響競賽活動的結果和質量，決定競賽項目的發展和存亡。

目前長短兵運動發展中面臨的規則問題主要有擊打部位得分點的模糊，單擊、連擊和互擊的判罰統一以及兵器護具等問題。規則的不統一大大的制約了長短兵運動的良性發展。而使用AR技術可將原本必須在賽場上進行實踐的比賽規則，可先運用3D建模將預定好的擊打形式、得分點等制作成為動畫視頻，立體的呈現于專業的人士面前，進行多角度研究，可以及時發現技術動作有無傳統兵器技術特點，技術動作運用是否合理，整體比賽的觀賞性是否能達到更好的效果。同時可以針對兵器護具進行建模，可以立體式地看到運動員手握兵器以及穿戴護具的效果，發現能否達到更好地擊打受點與防護，進而有效地對兵器護具進行改進，將兵器護具輕量化與美觀化合理相結合，使用AR技術可對以上內容及時進行發現與改進?？纱蟠蟮毓澕s人力物力，同時又能較好地保護運動員，預防運動損傷。

4 結論

利用現代科技跟隨時代發展是未來的大勢所趨，AR與VR技術共同不斷地豐富著我們的現實世界。隨著5G技術的來臨，VR與AR技術的應用與門檻越來越低，未來的傳播媒介以及教學訓練領域運用這兩種技術會更加的廣泛。將這兩種技術融合運用于長短兵的教學與普及中，完善技術體系，突破時間空間，模擬不同的場景用快樂運動、游戲的形式吸引更多的人群參與其中。進而發掘專業的運動人才，提高賽事質量。利用數字化學習手段以及數據跟蹤訓練的全過程，收集科學數據，加強科研進步。同時將長短兵運動獨有的歷史文化、刀劍理論活靈活現的展示出來，即傳播中國傳統文化又可加強文化自信，目前運用這兩種技術在應用中還存在著成本過高以及系統開發等問題。但作為新興的科學技術，理念先進與實用，為廣大愛好者與習練者開創了一個嶄新的學習方式與科普方式。VR與AR技術融合運用在長短兵運動中是切實可行的。同時也相信重視VR與AR技術在長短兵運動領域內的深入應用，也將會更好地推動長短兵運動的發展與傳播。