□古福明（成都體育學院運動醫(yī)學系 四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中的應用

□古福明（成都體育學院運動醫(yī)學系 四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中有其獨特的優(yōu)勢。它能有效地監(jiān)控、預測和評價運動技術動作，能讓虛擬運動員事先嘗試新動作，降低運動訓練的風險，提高運動訓練效率，它已經(jīng)比較廣泛地應用于運動訓練中，并已取得了一些的成效。

虛擬現(xiàn)實技術 人體運動仿真 運動技術訓練

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality Technology/VRT)是伴隨計算機技術、多傳感器技術、仿真技術、微電子技術等技術的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一門多學科的綜合技術。它是運用計算機軟件、硬件及傳感裝置生成與現(xiàn)實訓練場景類似的人工虛擬環(huán)境，使運動員在視覺、觸覺、聽覺等感官上與虛擬場景形成交互，產(chǎn)生真實的運動訓練感受。它是滿足了運動員多種感覺共同參與運動訓練的要求，并且通過人體運動仿真還可以再現(xiàn)教練員的訓練意圖和運動員的訓練過程。虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練領域的應用，降低了運動訓練的風險，提高了運動訓練的效率。近年來,虛擬現(xiàn)實技術已廣泛地應用于競技體育，并逐步應用于體育教育領域。為此，本文論述了虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中應用的關鍵技術、應用現(xiàn)狀和前景。

1、虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中的作用

虛擬現(xiàn)實技術使運動訓練方法從傳統(tǒng)的人眼觀察轉(zhuǎn)變到用科學儀器捕捉和分析運動，從有感情色彩的經(jīng)驗方法轉(zhuǎn)變到用程序化的人體運動模擬與仿真方法，它在運動訓練中的作用巨大。

1.1、實現(xiàn)實時分析、監(jiān)控與評價

通過對運動員的動作技術進行模擬仿真的量化分析，并用三維動畫展示分析結果，將“標準”結果與運動員真實訓練視頻進行同屏對比，從而達到對技術動作的分析、監(jiān)控、預測和評價，幫助運動員分析動作差異，找出技術不足，改進動作技術，從而提高運動成績。

1.2、降低高難動作的訓練風險

近年來，許多運動項目的新動作不斷涌現(xiàn)，動作技術難度也越來越大，運動員在練習這些新動作或技術難度大的動作時往往容易受傷，應用虛擬現(xiàn)實技術則可以很好得規(guī)避這一點，利用虛擬現(xiàn)實技術能讓虛擬運動員事先嘗試新動作，避免高難度和復雜的技術動作所帶來的運動傷害，從而降低運動訓練的風險，提高運動訓練效率。

1.3、彌補訓練條件不足的缺陷

在現(xiàn)實的運動訓練中，由于天氣、場地等訓練環(huán)境，或者器材、經(jīng)費等方面的原因，或者運動員受傷的原因會導致正常訓練無法開展，利用虛擬現(xiàn)實技術構建的虛擬訓練和比賽場景就能很好得改變這一狀況，運動員完全可以在虛擬的訓練和比賽場景中進行訓練，從而保證訓練條件，完成訓練任務。

2、虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中的關鍵技術

虛擬現(xiàn)實技術的主要設備有計算機及其顯示設備、圖像采集設備、位置跟蹤設備、交互設備等。它在運動訓練中應用的關鍵技術包括人體運動數(shù)據(jù)的捕獲、基于人體物理和生理特性的人體模型的建立、虛實人體動畫和交互等。

（1）人體運動數(shù)據(jù)的捕獲：人體運動數(shù)據(jù)的捕獲主要是采用三維錄像系統(tǒng)記錄真實人體的運動動作，通過基于視頻的人體運動跟蹤技術，獲得運動人體的姿態(tài)參數(shù)及各種運動學參數(shù)，在此基礎上進行運動生物力學分析，然后計算機根據(jù)所獲得的運動學數(shù)據(jù)驅(qū)動屏幕上的虛擬人運動。由于捕獲到的是人體真實運動的數(shù)據(jù)，因此虛擬人的運動基本上是人體運動的復制品，模擬效果非常逼真，且依據(jù)運動生物力學的分析結果計算機還能生成新的動作模式或復雜的運動動作，進行技術動作創(chuàng)新或預測技術動作的發(fā)展趨勢。

（2）運動人體模型的建立：人體建模是運動仿真的關鍵。目前，運動訓練仿真系統(tǒng)中人體模型的建立已有多種建模軟件可用，應用較多的人體三維建模軟件有Doser8.0、Make human、MAX、3DS等。三維運動人體模型一般將人體分成骨骼、肌肉及皮膚三個層次進行建模，通過建立內(nèi)部結構的模型來驅(qū)動模擬人的運動，更好地控制模擬人的運動姿勢。在人體模型的建立過程中，需要給計算機提供人體形態(tài)、結構、素質(zhì)、運動能力和適應能力等人體物理特性參數(shù)，以及脈搏、血壓、肺活量等人體的生理特性參數(shù)和各器官、各系統(tǒng)的機能指標參數(shù)。

（3）虛實人體動畫和交互：以運動捕獲裝置采集的運動動作數(shù)據(jù)為基礎，并用三維人體動畫方式將三維運動數(shù)據(jù)顯示成為標準技術動作——虛動作，而記錄運動員現(xiàn)實動作過程的視頻——實動作，二者通過特殊的技術處理進行對比分析就稱為虛實對比技術。虛實對比技術使虛動作和實動作同時在同一塊屏幕上顯示，使視頻中的運動顯示和仿真標準動作的觀察視點、視角保持一致，從而使觀察效果更準確、更真實直觀。

虛擬現(xiàn)實運動模擬包括虛擬場景和虛擬人，所謂交互就是指運動員通過虛擬現(xiàn)實交互設備（如頭盔顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機、觸覺設備等）與虛擬場景發(fā)生相互作用，即運動員可以與虛擬場景中的各種事物之間進行自由交流與接觸，甚至可以改變虛擬場景中的各種事物，從而給運動員“身在其中”的真實感、自然感。運動員在這樣的虛擬場景中進行訓練與學習，不僅能全身心的投入，而且也能最大程度的發(fā)揮各種感官系統(tǒng)的功能作用，從而使運動員的訓練效果達到最大化。

3、虛擬現(xiàn)實技術在運動訓練中的應用現(xiàn)狀

近年來，虛擬現(xiàn)實技術已較廣泛應用在表現(xiàn)難美性的技術類項目如跳水、體操、蹦床、滑雪及體能類項目如舉重、短跑等運動訓練中，并取得了較好的效果。目前，比較成熟的虛擬現(xiàn)實技術系統(tǒng)有：

（1）跳水運動仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用在比賽和訓練現(xiàn)場安裝多套攝像裝置，多角度全方位地獲取運動員在完成動作技術過程中的運動視頻，通過視頻處理軟件精確地捕捉運動員的運動參數(shù)數(shù)據(jù)，然后完成三維人體運動的仿真計算。利用此系統(tǒng)的仿真計算可以讓虛擬運動員嘗試完成某些新動作，減小運動員在技術創(chuàng)新訓練中意外受傷的概率；該系統(tǒng)可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡的再學習功能，在最優(yōu)化的視角下完成動作技術的計算機輔助編排與優(yōu)化；此外，該系統(tǒng)還可以通過截取運動員在訓練或比賽中的真實技術視頻片斷，與運動員的仿真動作進行同屏對比顯示，幫助運動員改進動作技術，提高訓練效率。

（2）虛擬體操訓練系統(tǒng)：該系統(tǒng)通過對真實體操運動員的運動進行數(shù)值建模，使虛擬體操運動員精確地重現(xiàn)真實運動員的體操動作，從而幫助體操運動員改進運動技術動作，提高技術水平。體操運動員也可以使用該系統(tǒng)在虛擬場館的虛擬器械進行新技術的訓練，從而深刻理解整套技術動作的關鍵環(huán)節(jié)，迅速熟悉和掌握新技術動作，并且能夠盡可能地避免運動損傷的發(fā)生。

（3）蹦床運動仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)建立了蹦床運動的標準技術動作數(shù)據(jù)庫，教練員可以利用這個數(shù)據(jù)庫設計新動作。利用該系統(tǒng)的模擬仿真和輔助訓練模塊，可將教練員的口述訓練指導轉(zhuǎn)變?yōu)槟M演示指導，這就使運動員更容易掌握技術動作要領。該系統(tǒng)還可以將運動員的成套訓練動作，與按照教練員意愿編排出來的標準模擬動作，同步疊加對比顯示，直觀地展示出動作差異，幫助運動員找出技術缺陷并制定改進技術方案，從而提高運動員的運動技術水平。此外，該系統(tǒng)還能根據(jù)運動員的個體特點和運動能力，模擬出該運動員的最佳動作技術，用于指導運動員的平時訓練，從而達到運動訓練的個性化、最優(yōu)化。

（4）帆船帆板仿真系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用多種傳感元件采集帆船帆板運動的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學模型的運算獲取各類參數(shù)，并實時驅(qū)動三維場景，從而構造出逼真的虛擬訓練場景。該系統(tǒng)既可以滿足無訓練條件（如無風、無浪）時完成訓練任務的需求，也可以針對特定運動員進行運動仿真評價分析。

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，技術類同場對抗性項目如足球、籃球、武術等項目也開始利用虛擬現(xiàn)實技術進行運動訓練。由于技能類同場對抗性項目的動作技術多變，運動捕捉的信息量過多，模擬仿真分析的難度很大，因此，其應用效果還不太理想。

4、小結

虛擬現(xiàn)實技術具有自身強大的優(yōu)勢和潛力，它對運動訓練的作用是巨大，并具有廣闊的應用前景。隨著虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展和完善，必將在運動訓練中發(fā)揮更加重要作用。

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