虚拟仿真技术在体育领域中的研究综述

邵瑞芳，张 辉，金伟斌

(杭州师范大学 体育与健康学院，浙江 杭州 310036)

1965年，被誉为“虚拟现实之父”的美国学者苏泽兰提出由计算机构建虚拟世界的设想，从此开始了虚拟现实的研究与探索之路[1]。20 世纪六七十年代出现虚拟现实技术，八十年代西方发达国家对DATA GLOVE手套、虚拟实境系统等技术的迅速发展为虚拟仿真奠定了基础，九十年代各国广泛参与研究，至二十世纪末，虚拟现实技术成为一种新型计算机仿真技术[2-5]。虚拟仿真技术的基础是系统仿真,其核心是虚拟现实技术[6]。对于虚拟仿真概念的定义，学者们的说法不尽相同，有学者认为虚拟仿真是一种迅速崛起的新兴学科[7,8]，绝大多数学者认为虚拟仿真是一种技术，但其核心是一致的。田显俊、李蕾等学者认为虚拟仿真是以计算机技术为核心生成的具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，使用者利用匹配的设备进行人机交互，使人产生身临其境的体验[9-15]。该技术集成了计算机仿真、计算机图形、人工智能、数字图像处理、多媒体技术、传感、网络及显示并进行处理等多个领域技术的综合性信息技术[11-15]。近年来虚拟仿真技术在国外迅速发展，已经被普遍应用到大学课堂的教学中。在国内初步应用于军事演习、物理以及化学的课堂教学中。教育部颁发的《教育信息化十年发展规划》中提出了高等教育信息化建设虚拟实验室校园建设的发展目标[16]，虚拟仿真技术在教育领域中的研究引起研究者的关注。本文通过文献资料法和逻辑分析法对虚拟仿真技术在体育领域中的研究进行综述，提出现有研究不足和进一步研究方向，为虚拟仿真技术更好地运用于体育领域提供一定的参考依据。

1 虚拟仿真技术在体育领域中的研究

虚拟仿真技术在体育领域中的研究主要集中在基础理论、体育应用以及体育开发层面。

1.1 体育基础理论层面的研究

虚拟仿真技术在体育基础理论层面探讨的较多，主要从两大方面进行梳理：一方面是体育教学领域，另一方面是体育训练领域。

1.1.1 虚拟仿真技术在体育教学理论方面的研究。李学恒，任一春等学者基于虚拟现实技术进行简单的介绍的基础上，对虚拟仿真技术运用于体育教学中的可行性进行了具体的分析。提出体育教学中利用虚拟现实系统可以弥补教学场地、经费、设备等不足(如学生喜爱的射击、攀岩、跳水、野外生存、蹦床等项目)，学生在虚拟的环境里进行练习，不但能体会与现实环境一样的学习感受，还能有效地达到事半功倍的训练目的，更进一步提出该技术能够优化体育教学过程，改善体育教学环境，提高教学训练水平，和培养创新性人才产生深远影响的结论[17,18]。曾链认为虚拟的体育教学是一种不受时空限制、智能型、分布式、交互式、图文并茂的教学，完全不同于传统方式的体育教学手段[4]。鲁竞新学者在《虚拟现实在体育仿真中的应用探析》中，对虚拟现实和体育仿真系统的工作原理进行阐述，提出基于虚拟仿真技术的虚拟体操训练系统进行教学，对提高学生的身体素质具有明显的促进作用[19]。茅洁对不同的虚拟现实技术进行阐述与对比，提出虚拟现实技术应用于大学体育专项课程，将打破现有的教学形式、教材体系以及课堂授课方式，还会影响传统体育教学传承模式的观点[20]。

1.1.2 虚拟仿真技术在体育训练方面的研究。已有研究中，学者们认为虚拟仿真技术作用的对象主要包括运动员、训练环境以及教练员。关于运动员，孙自舟、郭连英等学者认为运用虚拟仿真技术进行训练的优势主要表现在：可以避免高难度和复杂技术动作所带来的运动伤害，彻底打破空间、时间的限制；可以对动作进行分析、提出评价以及科学的编排和创新,提高运动训练的科技含量，使运动员能够快速掌握运动技术的同时还能保持良好的竞技状态；可以提高大学生运动员的技战术及训练水平,为我国竞技体育储备后备人才作出贡献[21-24]。杜成林还提出将该技术运用于竞技健美操训练中，能够科学运用选材，提高运动员的整体训练水平和效果，并获取竞技健美操的运动数据，为不断创新和优化竞技健美操的动作组合以及编排提高可靠的数据依据[3]。关于训练环境，陈健、宋丽等学者提出该技术在运动员训练中的运用，可以创造一种全新的运动训练环境，弥补运动训练条件的不足，有利于现代教学与运动训练技术资源共享[2、25]。朱晓兰等学者在探索动作技术分析和体育训练新方法与手段中讨论了体育场景虚拟系统的构成，并且能够为体育训练提共灵活安全的环境[26]。关于教练员，王建辉提出“虚拟现实”技术可以在一定程度上改善目前普通高校体育训练基础差、科学性不强以及教练员技术水平不高等实际问题,从而提高普通高校体育训练的质量[27]。刘宝贵还提出该技术可以减少优秀运动员的经验流失，缩短训练周期，并在积累运动体验信息基础上建立训练专家系统[28]。虚拟仿真技术运用于体育训练中，必然是未来高校体育发展的一个重要方向。

1.2 体育应用层面的研究

通过文献梳理发现虚拟仿真技术是一项人机接口技术，通过人机交互使人产生视听触等多种感知的虚拟环境。因此虚拟仿真技术在体育中的应用表现形式多种多样，包括虚拟仿真技术制作的FLASH课件，设计的虚拟仿真的软件系统，摄像机雷达测试设备，动作捕捉传感器，功率自行车等等。根据已有学者的研究，把虚拟仿真技术在体育应用层面研究分为两个方面，一方面是体育教学，另一方面是体育训练。

1.2.1 虚拟仿真技术在体育教学方面的研究。学者们运用不同的虚拟仿真技术进行教学试验，主要涉及两个方面：一是用虚拟仿真技术原理制作教学课件的教学方式，二是直接运用虚拟仿真技术进行人机交互的教学方式。在运用虚拟现实技术来制作课件的教学方面，贺昆、王迎等学者运用虚拟现实的技术制作课件,运用于教学实验，结果表明虚拟现实技术课件在教学效果方面显著优于传统课件，而且更能激发学生的学习兴趣[29，30]。赵小坤用教学实验法，实验组用Flash课件结合传统的教学模式，对照组用传统的教学模式，结果表明实验组有效提高学生注意力以及学生技术动作的熟练度，能有效快速地进行反馈，有利于掌握技术动作的重难点，提高学生学习兴趣[31]。在直接运用虚拟仿真技术进行人机交互的教学方面，宋巍学者用教学实验法，采用虚拟仿真技术(TRACK MAN GOLF雷达模拟高尔夫)获取杆头速度、击球角度、杆头轨迹、杆面角度和击球距离数据辅助教学，最终表明TPI教学方法在高尔夫初学者的杆头速度和击球距离两个指上均优于常规教学方法，并且加强了击球的稳定性[32]。潘永刚运用实验法，把KUDU 动作分析仪系统应用到高尔夫的课堂教学中，并进行教学改革，14人为实验组，15人为对照组，研究结果表明实验组 7 号铁的每周击打距离、出球速度与杆头速度的比值均好于对照组；还明确提出利用虚拟现实技术进行探究式高尔夫教学，对学生学习技术动作的掌握有着积极的作用，对提高高尔夫技术课的教学质量具有显著效果[33]。卢劼利用高尔夫球仿真模拟器开展虚实结合的教学实践，采用实验法、问卷调查法，通过分班教学，实验结果表明：实验组在基本身体素质，技术动作，推杆技术稳定性指标的成绩都优于对照组成绩，且有显著性差异，并得出以下结论：能激发学生兴趣，培养学生自主学习习惯；实现教学目标，提升高尔夫教学效率；有助于学生更好地掌握技术要领[34]。韩丽、刘祺对辽宁师范大学 2012 级排球班用动作捕捉技术进行教学实验，实验组用虚拟场景系统的实时交互教学，对照组用常规教学方法，时间为16学时，研究结果表明在排球教学中应用动作捕捉技术，对提高学生的技术水平、教学质量有显著效果[35]。Covaci A等人开发了一个虚拟的篮球训练系统，主要利用了运动捕捉技术，学生可在没有教师的情况下开展投篮训练[36]。姜芹先主要运用3D视频动作捕捉系统技术，对高尔夫运动员的躯干前倾角、侧倾角、杆头速度、杆臂角和肩髋夹角进行记录，研究无球挥杆动作与有球挥杆动作是否一致，杆头速度是否有差异，研究结果表明高尔夫运动员有球挥杆动作与无球挥杆动作不相同，且两种挥杆杆头速度有差异[37]。

1.2.2 虚拟仿真技术在体育训练方面的研究。虚拟仿真技术在体育训练方面的研究中，学者们主要是通过虚拟仿真技术进行仿真训练，采集运动员的运动数据进行运动技术分析，最终达到提高技术动作、运动成绩的目的。种新晓、杨秀正首先运用动作捕捉技术采集运动员技术动作数据，用于3D人体建模,然后把捕捉到的数据导入人体模型的运动员进行运动技术分析,把运动员动作虚拟仿真并用直观形象的图像显示出来，发现运动技术的不足从而改进和提高技术动作[38]。徐建平把虚拟现实技术应用到训练中，主要是把动作转为视频信息，然后不断地回放动作视频，进行细节讲解，在教授知识的同时规范动作、提高技能，这种训练手段不仅使技能学习与训练相结合，而且构建了超现实训练环境，激发了运动员的训练兴趣[23]。朴键在《不同水平高尔夫爱好者的肌肉力量-身体成分及体能的比较研究》中运用虚拟仿真技术(Golfzon韩国)来测试击球距离，为研究提供数据支持[39]。王燕、薛东兰、Tanisho K等人运用功率自行车对不同的实验对象进行不同负荷的训练，研究结果一致认为用无氧功率自行车进行无氧训练，能够提高训练者的平均功率和最大功率，发展他们的体能[40-42]。

1.3 体育开发层面的研究

虚拟仿真技术在体育开发方面，主要涉及体育项目仿真系统的制作。仿真系统用途主要分为两类：一类是开发虚拟训练场景系统，另一类是开发运动数据捕获系统。在开发虚拟训练场景系统，王宏宇提出大型团体操演练仿真系统，首先对团体操图案或队形变化进行虚拟人的初始位置和目标位置;其次规划路径；最后,实现团体操队形或图案的变化仿真[43]，团体操演练仿真系统由行为动作生成、队形或图案设计和团体操队形变化仿真三个子系统构成；在开发运动数据捕获系统，王庆鑫结合计算机三维仿真技术和人工智能技术，开发的短道速滑技战术仿真系统，该系统利用现有的运动员比赛和训练数据，建立能够模拟真实运动员的模型，最后做成了一个完整的短道速滑技战术仿真系统[44]。杜东玲基于虚拟现实技术，用三维动作进行捕捉运动员运动数据，3D 实时的渲染、交互式功能，设计出一款具有交互训练功能的“太极拳教学仿真系统”，使得软件具备对练习者的引导和指导教学的功能，从而实现对太极拳的自主化学习。因此，太极拳教学仿真系统能更好地提高太极拳学习者的技术水平[3]。田彬采用两种基于蓝牙方式的无线传输方案，包括蓝牙 3.0 中的 i Cade模式，蓝牙 4.0 中的 BLE 模式，用无线传输的方式来解决目前基于有线传输的虚拟现实系统所带来的问题；利用 i OS 和Unity3D 游戏开发引擎相关开发工具设计实现一种基于无线的二维、三维场景的虚拟骑行系统[45]。虚拟仿真系统运用在教学的有刘正存开发的大众体育运动示教系统，主要用于3D动作捕捉、人体动作重建以及人体动作分析等，最后对示教过程中学员动作与标准动作差异进行分析，从而达到学员动作学习达到自主化,提高教学质量的目的[46]。项蔓主要运用三维软件中虚拟场景和角色建模、动画制作及编辑，用 flash 软件合成排球三维动画的多媒体技战术课件[47]。李岩、董菲运用多模式人机交互、3D人体模型建立、运动数据的采集等技术，设计和开发“武术教学仿真系统”，并有两种操控模式-演示性操控和自主性操控[48]。张利英设计基于 Kinect 运动捕捉的太极拳辅助训练系统，并选择20人进行测试，结果表明系统将运动捕捉技术、DTW 算法与 Unity3D 软件相结合，实现了原地太极拳运动的辅助训练和评分，可供其他辅助训练系统参考[49]。

2 述 评

2.1 虚拟仿真技术在体育基础理论层面的研究成果丰富

综上所述，当前学者关于虚拟仿真技术的研究在体育基础理论层面较多，主要是从虚拟仿真技术的工作原理进行阐述，并对该技术运用到教学、比赛及训练中的可行性及未来前景进行了肯定。但是，体育是以运动为基本手段，以达到增强体质以及提高运动技术水平的目的，它不仅涉及心理学、生物力学、生理学等自然学科领域，也涉及社会学、教育学等社会科学领域。而虚拟仿真技术的范围很大，哪些技术能够运用到体育领域中，对此研究较为匮乏，限制了虚拟仿真技术在体育中的研究。

2.2 虚拟仿真技术在体育应用层面研究成果薄弱

虚拟仿真技术在体育中的应用主要是辅助老师或者教练的一种教学手段或者训练方法，达到最终的教学效果或者训练目的。目前根据虚拟仿真技术概念以及主要核心技术的理解，已有研究成果比较薄弱，虚拟仿真技术制作课件进行实验教学，仅对学生心理层面的兴趣指标进行研究；在人机交互中主要是捕获实验对象的运动数据之后辅助教学，但在技术动作、体能指标的研究贫乏，而且现有研究主要针对的群体是竞技运动员。虚拟仿真技术在应用层面研究的视角和维度较窄。运用场景包括体育教学、体育训练、体育比赛以及体育器材演示等。应用虚拟仿真技术对人产生的影响体育心理学和运动生理学层面：心理指标除了兴趣还有应激、记忆、动机、唤醒等指标；生理层面包括身体素质、身体形态以及心肺功能等指标。虚拟仿真技术的运用能够促进老师、教练、学生、运动员等不同角色体育专业人才的成长。

2.3 虚拟仿真技术在体育开发层面成果较少

虚拟仿真系统在体育开发方面的研究主要涉及训练场景系统和数据捕获系统。关于训练场景系统，有助于练习者清楚地掌握环境情况。关于数据捕获系统主要是通过传感设备、摄像机、雷达等技术设备获取数据。虚拟仿真技术开发的系统或者软件主要针对的是运动员，而且仪器的成本较高，操作比较繁琐。技术是体育发展的强大动力。无论是体育教学效果还是体育训练水平的提高，都与体育科学技术活动的深入开展息息相关。现大部分研究只停留在技术开发层面上，对所开发技术的实用性没有进行验证，这就很难使技术深入发展并失去技术的价值。

3 进一步研究方向

对学者的文献进行归纳总结之后，发现虚拟仿真技术在体育领域中的应用处于初级阶段，还有很大的发展空间。随着教育部提出虚拟实验室校园建设的发展目标，无疑，虚拟仿真技术运用到高校课堂教学及训练中顺应了教育信息化发展潮流。在今后的研究中，笔者认为主要有三个方面有待进一步研究：第一，研究者通过对虚拟仿真技术的了解与学习的基础上，应进一步研究体育领域虚拟仿真技术的内涵与外延，而且需要把虚拟仿真技术的工作机制与体育母学科知识相结合，进行深入的探讨，最终完善虚拟仿真技术在体育领域理论层面的支撑框架。第二，虚拟仿真技术在体育领域的应用层面上，应把该技术中人机互动技术的操作运用到实践中，设计严谨的实验方案，用实验数据说明虚拟仿真技术能解决体育教学、训练及比赛中存在的问题，或从心理学、生理生化、技术技能以及体能等学科知识选取指标，来探讨虚拟仿真技术对学生或者运动员的影响。第三，虚拟仿真系统在体育领域的开发层面上，从技术的本身来说，应开发成本低且操作性强的仪器或者软件；从技术的实效性来说，技术开发者需要把技术进行实践，检验技术的实用性，为体育研究者提供参考依据；从客户所需来说，应开发出适合大众健身体验及应用的系统、比赛程序的演示、比赛场馆的应用系统、体育健身器械操作演示系统等等。总之，虚拟仿真技术在体育中的研究范围很广，将是以后体育教育信息化的一个重要研究方向。