虚拟现实技术在难美技能类项群中的应用研究

胡 炜

(延安大学 体育学院，陕西 延安 716000)

虚拟现实技术在难美技能类项群中的应用研究

胡 炜

(延安大学 体育学院，陕西 延安 716000)

通过对虚拟现实技术在国内外体育领域中的应用现状的阐述，并结合难美技能类项群的项目特征，对运用虚拟现实技术在跳水、体操、蹦床、艺术体操、健美操、花样游泳、花样滑冰、自由式滑雪(空中技巧)等难美技能类项目中进行仿真训练的作用进行了详细论述。国内外对于虚拟现实技术在体育领域中的研究成果已频繁地出现在各国备战世界大赛的训练中。在难美技能类项目中运用虚拟现实技术进行仿真训练，具有加快技术动作的创新与提高、获取人体三维运动信息、分析训练效果、优化动作编排、构建场景和器材等重要作用。

虚拟现实技术；难美项群；应用

随着2008年北京奥运会的“科技奥运”、“数字奥运”和“人文奥运”理念的普及和计算机技术的快速发展，现代科学技术以其强大的亲和力渗透到体育运动的各个领域当中，尤其在竞技体育训练中已发挥出了巨大能量。虚拟现实技术作为20世纪一种新型的信息技术，其研究成果的应用将会对竞技体育的快速发展产生巨大的推动作用。及时跟踪虚拟现实技术的发展动态，深入研究虚拟现实技术在体育领域中应用现状，转化和利用其他学科的研究成果为竞技体育服务是我国竞技体育目前需要迫切解决的一个新课题。针对难美技能类的项群特征，研究如何在跳水、蹦床、体操、艺术体操、健美操、花样游泳、花样滑冰、自由式滑雪(空中技巧)等难美技能类项目的训练中运用虚拟现实技术进行仿真训练，对于更好地贯彻“科技奥运”、“数字奥运”和“人文奥运”的理念，更快更有效地提高我国运动训练的科技含量，确保这些项目在激烈的国际竞争中保持绝对的优势地位具有重要的现实意义。

1 虚拟现实技术(VR)

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，是最近几十年才发展起来的前沿技术，它是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员。操作者可以通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等与之交互，从而能产生“身临其境”场景，所以虚拟现实技术为人机交互提供了新的交互媒体。虚拟现实技术体现了多学科交叉的特点，它是伴随计算机技术、计算机图形学、计算机网络技术、图像处理和模式识别、智能接口技术、生理学、多传感器技术、语音处理和音响等技术的飞速发展而出现的一门多学科的综合技术。

2 虚拟现实技术在难美技能类项群中的应用

2.1难美技能类项群的特征

难美技能类项群的共同特点均以运动员所完成的动作难度、优美程度、稳定性等方面来评定成绩。相对其它项目而言，对技术创新的要求更加高、更加突出，比赛中要取得优异的表现就要在动作难度、动作编排等方面不断地进行创新。但同时也会带来一定的风险性，动作难度加大了，编排复杂了，难免会加大运动员受伤的概率，而伤病不仅会影响到运动成绩，同时也是制约运动员运动寿命的重要因素之一。我国难美项目目前虽然表现出高超的技术水平，但随着现代科学技术的飞速发展，难美项群各项目的动作难度越大、动作越复杂、越惊险、越新颖、越有独创性，竞争日趋激烈。为了确保难美项目训练的科学化，减少运动员受伤的概率，运用虚拟现实技术进行对难美项群的各项目进行前瞻性的研究，设计创新高难动作，对于确保我国难美项目技术发展的前沿地位具有重要的现实意义。

2.2虚拟现实技术(VR)在难美技能类项目应用功能

2.2.1加快技术动作的创新与提高

难美项目技术动作的创新是该项目发展的生命线，但在技术动作创新过程中，如果直接以人来进行创新实验难免面临巨大的伤害风险。因此，运用虚拟现实技术进行创新动作研究就具有特别的现实意义。教练员在技术创新时，可以让虚拟运动员按照预先设计好的动作编排完成这一新动作，从而最大限度地降低运动员在动作创新过程中的意外受伤概率；对于新、难动作的学习和训练,目前一般采用录像的方式来学习,运动员无法直接参与训练,获得感性认识。而利用虚拟现实技术进行虚拟学习和训练,并借助视频处理软件将仿真动作与实际动作进行同屏分屏显示对比，帮助教练员和运动员发现技术动作中的细微缺陷，从而使运动员获得丰富感性认识，迅速突破动作的重点、难点，直至熟练掌握动作为止，起到事半功倍的训练效果。我国跳水项目和蹦床运动能够在国际大赛中取得骄人的成绩，长期保持国际绝对优势与虚拟现实技术在这些项目中的应用有很大的关系。

2.2.2获取人体三维运动信息

人体三维运动信息是指人体在运动中各个关节的三维坐标及角度等姿态信息，它是人体三维运动分析的关键和基础，如何合理有精确地捕捉运动员的运动信息是一个至关重要的技术难题，目前我国科学院计算机研究所的王兆其研究员提出了基于视频的无接触式人体运动跟踪法，他利用在比赛与训练现场架设多道摄像装置对运动员运动过程进行多角度全方位的视频描述，通过视频处理软件对视频进行分割、编码、叠加、去噪等过程，以获得下一步进行三维仿真所需的关键点的参数数据(图1)。在难美项目中教练员根据采集到的各项数据再进行动作的重新编排与设计，最后设计出符合该运动员特点的最优动作，确保运动员高难动作的储备量，为教练员临场比赛的战术安排提供了有力保障。

图1 三维运动信息采集图

2.2.3分析训练效果

运用虚拟现实技术对技术动作进行量化分析包括位移、速度、力等，并以图形方式展示分析结果。如，将摄取运动员在训练和比赛中的真实技术视频片断,借助视频处理软件进行运动员的仿真动作与实际动作的同屏分屏显示对比，让教练员和运动员分析动作的差异，发现技术动作中的细微缺陷。帮助高水平运动员找出训练中存在的不足，从而提高训练效果；在此基础上，还可以对运动员技术动作做深层次的

分析，并提出改进技术动作的指导性意见。如在单杠的训练过程中，往往在身体摆至杠下垂直部位的前后或上摆不到支撑部位而回摆时容易脱手，尤其是做腾空再握、转体和下法等动作时，容易失误，对于这些情况可以分析其产生的原因，并提取数学模型，结合计算机三维技术进行分析并找出失误的原因，电脑程序将根据这种原因运算出所需握力的大小或速度的快慢，并逼真再现该动作。

2.2.4优化动作编排

难美技能类项目所表现的新连接、新编排是这些项目评分的重要依据，在比赛中占居着重要的地位。通过高精度运动捕捉与分析的人体运动测量方法采集数据并建立一个标准技术动作库，教练员根据难美项目的特征、规则变化、裁判评分等制胜因素，利用虚拟现实技术进行编辑、修改，完善，设计出一系列“理想”的新动作。在动作库中提取若干动作按照教练的设想模拟编排动作组合，再利用虚拟现实技术来进行模拟和仿真训练，最后从各种编排结果中挑选出最优的动作编排，还可以结合运动员个体特点和运动能力，模拟出适应不同运动员的最优的动作编排，从而达到个性化、最优化的辅助训练的目的。从而辅助教练确定备战世界大赛的最佳训练方案。

3 结论与建议

1)国内外对虚拟现实技术在体育领域中的研究已关泛开展，其研究成果频繁地出现在各国备战世界大赛的训练中。在难美项群中运用时体育运动方面的专家应与计算机方面的专家合作携手攻关，才能发挥其应有的价值，真正提高训练和比赛的质量。

2)虚拟现实技术在难美项群中运用的主要作用表现在能加快技术动作的创新与提高、获取人体三维运动信息、分析训练效果、优化动作编排、构建场景和器材等方面，这些研究成果的应用大大加快了难美技能类项目的创新进程。因此总结虚拟现实技术在难美项目中研究应用的成功经验，将其进一步推广到体育领域的其它项目中，并扩展到恢复、选材、运动服装等方面进行研究，对促进我国运动训练科学具有深远意义。

[1] 数字化三维人体运动的计算机仿真研究进展[J].中国科学院院刊，2004，19(3)：206.

[2] 姜学制，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23(2)：238-240.

[3] 系统仿真将开创新世纪科学技术的新天地[Z].2003 年全国系统仿真学术年会会议纪要，2003.

[4] 栾悉道，谢毓湘，吴玲达，等.虚拟现实技术在军事中的新应用[J].系统仿真学报，2003，15(4)：604.

[5] Yang U Y,Kim G J.Implmentation and Evaluation of “Just Follow me”：Animmersive,vr-based,motion training systey[J].Presence:Teleoperators and Virtual Environments，2002，11(3)：304-323.

TheApplicationResearchofVirtualRealityTechnologyintheDifficultyandBeautyGroup

>Hu Wei

(College of Physical Education,Yan’an University,Yan’an,716000,Shanxi,China)

Based on virtual reality technology in the field of application of domestic and international sports exposition of the status quo,combined with the difficulty and beauty group and the use of virtual reality technology in diving,gymnastics,trampoline,artistic gymnastics,aerobics,synchronized swimming,figure skating,freestyle skiing (aerials),etc.At home and abroad for the virtual reality technology in the sports in the field of research has frequently appeared in national preparations for the world series of training.The use of virtual reality simulation training in the difficulty and beauty group can accelerate technological innovation and enhance the movement,access to the human body three-dimensional movement of information,analysis training effect,optimize the performance arrangement,build scenes and equipment such as an important role.

virtual reality technology;difficulty and beauty group;application

2009-11-28；

2010-03-09

胡炜(1974-)，男，陕西宜君人，硕士，讲师，研究方向：计算机信息技术在体育中的应用。

G807.04

A

1672-1365(2010)03-0095-02