VR技术与足球教学的综合应用分析①

2015-12-05刘秋月中国矿业大学体育学院江苏徐州221116

当代体育科技 2015年11期

刘秋月（中国矿业大学体育学院　江苏徐州　221116）

VR技术与足球教学的综合应用分析①

刘秋月（中国矿业大学体育学院江苏徐州221116）

摘要：为了提高足球教学质量，转变教学模式，促进教学内容的多元化发展，采用文献资料法和逻辑法，对VR（虚拟现实）技术在足球教学过程中的作用及系统设计中的关键技术进行分析。将虚拟现实技术与足球教学相结合，有利于改变我国传统的以讲解示范为主的足球教学模式，促进学生学习兴趣的培养，降低运动损伤的发生机率，同时，还有助于减少外界环境对教学的影响，弥补教学经费、器材、师资等对足球教学的限制。

关键词：足球教学VR技术足球教学

虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境并可以获得与环境交互体验的虚拟世界。虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、操作现场等），通过各种传感设备使用户“进入”到该环境中，实现用户与环境的自然交互，目前已在游戏、医学、旅游、建筑设计、军事仿真、虚拟制造等领域得到了广泛应用[1]，并还给社会带来了丰厚的经济价值。

该文是在研究VR技术的发展及在体育领域和足球运动中的应用的基础上，做出的创新尝试，将虚拟现实技术引入足球教学，借助跨学科的前沿科技，改进足球教学的模式和方法。

1　研究对象与方法

1.1研究对象

VR技术在足球教学中的应用

1.2研究方法

1.2.1文献资料法

通过中国矿业大学图书馆、中国期刊全文数据库、维普中文科技期刊及其他相关数据库查阅查阅大量的文献资料。

1.2.2逻辑法

运用逻辑学知识，对收集和整理的资料进行分类，掌握虚拟足球系统设计的逻辑顺序及研究步骤。

2　结果与分析

2.1VR技术在足球中的应用前景

足球作为世界第一大运动，吸引着数以万计的观众。足球训练中的无法提前预测的突发事件对运动员的伤害，训练经费投入与产出的比例失调，投资结构的不合理也影响着竞技水平的提高。

随着信息技术的快速发展，现有技术已经能将现实世界和虚拟世界完美的结合起来。虚拟现实技术与体育的结合，不仅能提高运动员的训练水平，促进运动员竞技水平的提升，而且其投入成本低、占地面积少、易于操作等特点也更有利于开展全民健身运动。基于VR技术的虚拟系统，在允许出错情况下的训练不会给练习者带来任何身体伤害和危险，还能够提高运动员运动训练成绩[2]。

2.2足球仿真系统的概念

足球系统仿真即体育系统仿真，是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的实验技术科学[3]。足球系统仿真是基于虚拟现实技术发展而来的，合理的进行开发和应用不仅能辅助于足球的训练，还能够促进学科知识体系的互融，开拓体育发展的新领域。

2.3VR技术在足球运动中的作用分析

2.3.1改变教学模式

传统的足球教学主要以老师讲解示范、学生模仿练习为主，注重教师的言传身教及其主导性，忽略了学生的主体性。而虚拟现实技术下构建的教学系统主要以逼真的形象教学为主，配以动态的跑位战术，营造了一种“动态”的教学环境，这样不仅弥补了用语言表述技、战术的局限性也避免了教学与训练中运动员跑位错误现象的出现[4]。这种通过生动逼真的视频和图像进行技术动作教学的方式，有利于学生建立清晰的形象思维概念，提高学生的认知能力，让学生能够准确快速地掌握动作技术。

2.3.2减少外界环境对教学的干扰

虚拟环境中的各种体育设备也是虚拟的，可以根据教学和训练的需要随时生成新的设备及环境，训练内容也可以通过系统不断地进行更新，使运动训练跟上国际足球训练技术发展的步伐。并且，虚拟训练系统可以弥补训练场地器材不足、天气变化等外界环境对足球教学造成的干扰。

2.3.3降低运动损伤的机率

足球运动中多对抗性，激烈的身体对抗会造成运动损伤，且损伤的发生率可达到90％，主要以下肢损伤为主[5]。运动员在虚拟实验环境中，不会使真实的身体受到伤害，可以放心地去做各种高难度的动作，促使学生更加大胆自信地进行各种动作的尝试和练习。

2.3.4促进足球运动的传播

运用虚拟现实技术可以更加人性化地设计出不同的人物角色，丰富人物形象，让参与者体验与世界优秀足球运动员对抗的强烈刺激感。在游戏中你可以自由选择你喜欢的球队和运动员，与不同的虚拟人物进行同场竞技。虚拟足球游戏的娱乐性和多样性有助于促进足球运动在大众间的广泛传播。

2.4虚拟仿真系统的设计理论基础

VR的根本目的是达到参与者的真实体验与虚拟环境进行自然的交互，根据交互性和沉浸感程度的不同，VR系统可分为沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统[6]。虚拟系统的结构框架本文主要针对沉浸式和桌面式进行系统框架结构的区分及功能介绍。

沉浸式VR系统的用户可以完全沉浸于计算机生成的环境中，电脑通过用户佩戴的数据手套和跟踪器等硬件设备就可以测试到用户的运动和姿态，并将其测得的数据反馈到计算机生成的视景中，让人产生身临其境的效果[6]。但沉浸式虚拟现实系统所需要的硬件设备要求较高且价格昂贵。

桌面式VR系统又称非沉浸式VR系统和非配戴式VR系统，是将计算机屏幕或者投影屏幕作为虚拟环境的观察窗口，用户需要使用手持式输入设备或位置跟踪器来操纵虚拟环境中的对象[7]。桌面式VR系统相对简单，用户无需数据衣等辅助设备即可与系统交互，并且可以允许多个用户同时进入系统，更加方便。但是桌面式VR系统虚拟效果偏低，无法让用户有身临其境的感觉。随着技术的发展和成本的降低，桌面式VR系统在真实感上会进一步提高。

2.5虚拟足球仿真系统设计的技术基础

2.5.1软件配置环境

虚拟现实3D建模软件：Poser8.0、3ds MAX、CAD

交互实现工具：EON Studio

运行环境：Windows7或Windows XP

2.5.2建模软件的应用

常用的人体建模工具有很多，例如Maya，3ds MAX，Make Human等，与这些软件相比，Poser8.0具有操作简单、界面简洁、使用灵活等优点。其主要的3个操作步骤：选取人体模型、确定虚拟人

的体态、虚拟人姿态设计，大大缩短设计时间，提高了设计效率。骨骼作为人体运动的核心，对骨骼的控制关系到人体运动姿态的灵活性。在Poser8.0中有一套专门制作骨骼的系统，可以方便直观地对人体模型进行骨骼建造，同时该软件提供相关接口，可以使得在Poser8.0中设计的模型应用到3ds MAX中，进行更加生动和复杂的操作。

2.5.3关键技术

虚拟足球场景的建立主要技术是三维场景与模型的建立和人机交互技术，主要包括：运动人体建模、虚拟场景建模、碰撞检测、人机交互。

人体建模主要是三维人体模型的建立，它是虚拟人体运动仿真的核心。通常最实用的是虚拟人体模型分层法即将人体分为肌肉、骨架、皮肤三个不同的层次结构[8]，该方法建立的模型是最接近人体内部结构的，并且分层法构建的模型也更容易进行对虚拟人的运动控制。

虚拟场景建模主要包括足球、球门、球场等实物设计和虚拟人动作的变化，灯光及场景角度转换等动态模型的建立。

碰撞检测技术主要是为了使用户在与虚拟环境进行交互时，不仅能在视觉上产生身临其境的效果，而且能够与虚拟实物进行各种交互。因此，在保证效果的前提下，就要求“实物”在虚拟环境中要与现实生活中的实物具有一样的特性即不可穿透性，当用户对物体进行各种抓、拉、推等动作时，能真实感觉到与物体的碰撞并做出相应的反应。碰撞检测技术的主要目的是为了解决虚拟环境中“穿墙而过”问题，从而增强虚拟环境的真实感。

人机交互的目的是为了使人在虚拟环境中进行各种动作时甚至可以用头盔、手套等设备取代键盘、鼠标、菜单等计算机设备与虚拟环境进行自然地交互。