VR与AR技术在高校羽毛球关键技术教学与训练中的应用研究― 以头顶滑板吊球技术为例

2021-08-13赵朦沈光美

新体育·运动与科技 2021年4期

文 / 赵朦，沈光美

作者单位：南京农业大学

1 前言

虚拟现实技术(VR)，也被称为虚拟仿真技术、灵境技术，最早是在20世纪80年代由美国VPL公司的J·Lanier 等提出。该技术是利用电脑及外部设备模拟仿真成三维立体空间环境和人类的感觉，(视觉、听觉、触觉等)，虚拟环境构建中的物体可以伴随位置的变化而改变，营造出接近真实的环境的感受，如同身临其境一般。[1]

增强现实技术(AR)，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间的同时存在，通过电脑等科学技术，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。[2]

2 信息技术在高校体育教学中的运用现状

近年来，信息技术对于传统教学的融入越来越深入，对于体育教学来说，越来越多的学校也在开始使用信息化教学融入体育教学和体育锻炼中，如：南京农业大学使用《好动体质健康》和《阳光跑步》APP，学生可通过理论考试以及体质测试等在APP查询，也可以通过APP的理论题库进行体育理论知识的学习及练习，在《阳光跑步》APP中，学生可根据学校在APP中设定的不同线路，每学期进行不低于40次的跑步练习，从而达到提高学生体质健康的目的[3]。

黑龙江八一农垦大学也将VR、AR技术运用在了武术训练中，建立了一个“笼子”型的360度摄像头捕捉系统，可以有效的捕捉运动员各个角度的技术动作，但是该技术运用的缺点是不能大范围的运用于教学，学生人数受限制，并且造价相对较高[4]。上海体育学院也将AR技术运用于运动损伤的学习，学生可通过专用增强现实设备点击设备中现实或虚拟的屏幕了解所要学习的知识[5]。

由此可见，信息技术在体育教学中也慢慢开始应用，但目前尚未普及，大部分高校体育教学中运用的信息技术手段有限，尤其是VR、AR、MR[6]以及人工智能这类新技术，这也是体育学科在一些技术手段方面落后于其他学科的原因。

3 AR技术在其他学科领域中的应用

3.1 AR技术在其他学科领域的典型应用

上海中医药大学附属闵行蔷薇小学制作的《微微本草》，是国内首套结合AR技术的中国传统本草文化科普启蒙读物，该套读物一共十册，包括蒲公英、莲、菊等十种常见的本草植物[7]。该校2018年将AR技术引入其校本课程“微微本草”中，该读物实物本是以传统的纸质材料为基础，结合融入了AR技术，该读物可以在专有APP上以手机摄像头扫描纸质读物当中的文字或图片，通过增强现实技术进行图像、文字识别，从而生成3D立体的虚拟成像，学生可以翻转、放大、缩小虚拟成像来观看和学习，激发学生的学习兴趣与实践能力，从而引导学生探索式、发现式的学习方式。

3.2 AR技术在国内国外其他院校教材中的运用

AR技术在国内外一些大中小院校当中应用越来越广泛，大多应用于其他学科的教材当中，如：在国外，美国华盛顿大学所研发了一套增强现实系统名为“Magic Book”[8]，该“魔法书”可以识别传统出版读物的文字内容，将读物中的传统图片文字通过识别转化，可以演变成3D立体的成像效果，华盛顿大学这一创新研发成果，也使增强现实技术在教育教学中初显端倪。而在国内，北京师范大学研发的“未来之书”[9]，该“书”是一本虚实与现实相结合的，具有交互式的3D立体图书，该书的特点是有一套比较创新的教学模式和教学方法，它可以利用增强现实技术进行图像识别，打破传统图书的刻板与不足，达到3D立体成像的效果，开创了国内高校教学的一条创新之路。由此可见，AR技术已逐步的应用于各大高校，越来越多的院校加入到了创新研发的队伍当中，其中也不乏像黑龙江八一农垦大学、上海体育学院、南京体育学院等一些国内院校，他们将AR技术应用到越来越广泛的学科当中，使AR技术融入校园、创新校园。

4 VR和AR技术在体育领域的应用研究

4.1 VR技术在体育领域的应用研究

VR技术在国外发展相对较快，学术界也对其进行了大量的研究，虽然VR技术在其他领域已经有了较广阔的应用，在体育研究领域也有一定的基础应用和发展，但是VR融合体育的发展模式尚处于初步发展阶段。现有VR融合体育的研究主要体现在以下3个方面。

4.1.1 VR与体育传媒相融合

体育传媒领域作为VR+体育所产生的新型赛事观看模式相融合，通过虚拟现实技术来对赛事进行直播，为特殊情况而无法到达现场的观众带来具有沉浸式的虚拟现实体验感[10]。结合直播效果的基本流程大体分为三个部分，首先对体育赛事的现场数据采集采用的是全景摄像机，然后在通过系统软件对数据进行压缩、编码，最后内容平台把体育赛事呈现给用户是通过显示设备。VR+体育传媒可使观众实现临场的感觉，使其能够像教练员或运动员或裁判员的临场视角来体验观看，此种体验感使观众能够从2D的平面影像到3D的立体影像，然后再到360度全景角度，仿佛置身于比赛当中，像裁判员，又像运动员、教练员，提高观众的观看新鲜感和沉浸感，是观众的观看体验达到最佳[11]。

4.1.2 VR与体育训练相融合

VR融合体育的第二个应用是与体育训练相融合，该应用通过定制化训练和个性化健康管理服务，利用VR手段，将运动队的战术安排、对手的战术风格等数据信息编程在相应的系统软件中，对训练场景、比赛环境进行3D立体构建，将真实的比赛环境呈现给运动员和教练员，可以使教练员对运动员进行针对性的有效训练。总之，VR融合体育训练的优势是利用虚拟现实技术，对运动员进行针对性的比赛训练，摒弃传统式的观看2D视频，听解战术，枯燥无味，无法身临其境，而VR融合体育训练，可以有效的提高运动员的兴趣，沉浸式的体验训练，真正达到提高运动员的技战术训练质量的目的[12]。

4.1.3 VR与体育娱乐相融合

体育娱乐与VR相融合可以很好的增强玩家感官体验，给玩家带来真实的刺激感，使玩家更为真实的体验立体和丰富的沉浸式特效。另外，VR 与体育娱乐相融合的另一方面表现在与玩家的互动，以羽毛球为例，VR技术可以对著名的羽毛球运动员的外貌特征进行3D立体重建，构建运动员的技战术特征，玩家在体验过程中，仿佛真实的在与偶像球星对战比赛，如与林丹、李宗伟等著名羽毛球运动员对战，增强真实的体验感，提高玩家的兴趣，并且对于职业体育来说，与球迷玩家的互动不仅可以吸引更多球迷观众，也为职业体育带来更高的稳定收入提供保障[13]。

4.2 AR技术在体育领域的应用研究

20世纪60年代，计算机图形学的创立者伊凡·苏泽兰特及其学生共同构建出增强现实系统模型,自此，大量研究人员投入增强现实系统的研究工作，如北卡罗来纳大学的实验室、美国阿姆斯特朗实验室、NASA 埃姆斯研究中心等。20世纪90年代，波音公司对试验性的增强现实系统进行研发，为工人组装线路提供视觉上的辅助作用。90年代中后期，全球每年会召开会议集中研究增强现实系统的研究人员，对最新技术及研究成果进行交流,近年来，增强现实系统实验室设备价格下降，研究成本也随之减少，进一步引发了增强现实技术研究的热潮。当前，国外从业于增强现实研究的高等院校及科技公司包括了美国哥伦比亚大学、麻省理工、华盛顿大学、剑桥、东京大学、西门子公司、索尼公司、美国施乐公司。[14]

综上所述，现有的研究虽然对VR技术和AR技术在体育传媒、体育训练以及体育娱乐等方面进行了大量的研究,但是如何有效利用VR技术和AR技术有效的与球类关键技术相结合，提高教学与训练的质量，激发学生学习的兴趣与积极性，是值得深入思考和研究的话题。基于上述理论与现实背景，本项目将以南京某高校体育教学与训练为例，结合VR技术，使用实验法，探讨VR技术在球类教学与训练中的应用以及不同媒介方式对学生学习以及兴趣的影响机制。

5 VR和AR技术在羽毛球头顶滑板吊球技术教学与训练中的应用分析

5.1 羽毛球头顶滑板吊球技术

头顶滑板吊球技术，是后场技术的一种，也是羽毛球吊球技术的其中一种，它的打法是击球时球拍击中并抹擦球托的底部，手臂内旋，使羽毛球快速落到对方场地的前发球线附近以内位置的一项技术[15]。这种打法隐蔽性较好，具有较强的欺骗性，相对其他技术有一定的技术难度。头顶滑板吊球技术的引拍与头顶击高远球技术的引拍相同，目的是为了保证动作一致性，增加隐蔽性，该技术只是在击球一瞬间使球拍从右向左抹击球托的底部，分散发力，快速击出的一种手法。而头顶滑板吊直线球时，利用手指、手腕和前臂内旋的技术动作，控制力度和角度，由后向前下方快速挥拍抹击羽毛球球托的后部；而吊对角线时，则同样用手指、手腕和前臂内旋的力量，快速挥拍切击羽毛球球托的左侧部位[16]。头顶滑板吊球与高远球技术、杀球技术相比，力度较轻，也属于进攻球的一种，其难点就在于击球一瞬间手腕手指带动拍面“滑切”面的形成以及击球角度的把握。

5.2 VR和AR技术在高校球类项目关键技术教学与训练中应用的可行性分析

头顶滑板吊球技术是羽毛球技术中相对较有难度的一项技术，针对于高校普通公共体育课的羽毛球教学和训练，学生在一堂课当中掌握该项技术有一定的难度，特别是对于击球一瞬间细节技术的把握，学生很难通过短暂的课堂展示去把握和理解细节动作，而到了课下，学生又没有参照动作去练习，就容易出现忘记动作以及错误动作的形成，那么如果将VR和AR技术引入结合到学校传统教学中去，通过3D建模的形式，将球类教学中关键技术以及较有难度和易犯错误的动作通过3D的形式展现出来，课上老师将关键技术的重难点进行讲解，课下学生在VR和AR技术的演示下可以有效的进行学习和练习，看不到或者看不懂的技术动作，VR和AR技术展示出来的3D模型可以360度旋转放大或缩小进行各个细节的观看，那么学生将能更加充分的理解和学习。所以，VR和AR技术应用到高校球类项目关键技术教学和训练中是可行的。

5.3 VR和AR技术在羽毛球头顶滑板吊球技术教学与训练中技术手段实现的应用分析

首先，VR和AR技术实现需要软硬件的支持，在硬件方面，目前市面上已有的头戴式VR和AR眼镜成品已相对成熟，网络或实体店均可买到，价格参差不齐，取决于呈现画面、材质以及功能的不同，学生和老师使用的时候可以通过手机或电脑操作实现，AR技术的话，摄像头也可以通过代替眼镜呈现3D画面，更加方便、立体逼真。软件方面，市面上的技术厂商也日益增多，开发的主要环节如拍摄3D视频、3D建模[17][18]、构建服务器群、采用虚拟化服务器和存储技术、资源录入等所涉及的技术问题都可以解决，只是需要录入项目的数量，拍摄和录入内容的复杂性也决定资金投入的多少，另外，开发专门的VR和AR体育教材或应用APP所涉及的开发与呈现技术也早已完善。因此，VR和AR技术在球类关键技术教学与训练中技术手段的应用实现，无论是软件还是硬件方面都趋于成熟，可以实现。

6 VR和AR技术在高校球类项目关键技术教学与训练中的发展前景与展望

目前，VR和AR技术在工业、广告业、医疗、游戏等方面已经应用及发展的相对成熟与广泛，并且在教育、科研领域也逐渐开展起来，但是在体育教育领域却甚是匮乏，而球类教学，特别是羽毛球教学方面的应用更是少之又少，但是市场上有关球类游戏的VR和AR手机APP应用软件随着这几年信息技术的发展也越来越多，应用类球类游戏软件也不再仅限于2D形式，随着VR和AR技术的发展更加3D立体化，生动有趣。而在教育行业，其他部分学科像生物科学、医药，包括运动损伤也逐渐有了VR、AR技术的融合，但是球类教学，特别是羽毛球教学应用的少之又少，而对于关键技术的教学如果结合VR、AR技术，对于学生学习和训练会有更好的效果，教学过程生动有趣，教学手段新颖立体，教学效果有效进步，学生更有兴趣接受与学习。随着信息技术的快速发展，传统的体育教育手段会慢慢滞后，传统体育教育与信息化体育教育相结合会是时代发展的趋势，融合VR、AR技术，会使球类教学，甚至整个体育教育与训练得到质的突破。