计算机虚拟现实技术用于体育训练的研究分析

许世文

(河南工业和信息化职业学院 河南焦作 454000)

随着科学技术发展，计算机虚拟现实技术也在不断完善，逐步应用到不同的领域中。将计算机虚拟现实技术与体育训练结合起来，增加体育运动活力，提升体育训练的效果，促进训练者身心发育。同时，通过计算机虚拟现实技术模拟体育学习与训练，也能最大程度地调动身心感官，促使学习与训练效果最优。

1 虚拟现实技术分析

1.1 虚拟现实技术及其关键技术

计算机虚拟现实技术（Virtual Reality Technology，VR），即综合应用各种交互接口技术形式、多媒体技术形式、计算机图形学、仿真技术、人工智能、计算机网络技术、多功能传感技术等，借助应用软件、硬件设备、传感器设备等实现具体的运作形式[1]。

当前，计算机虚拟现实技术中的关键技术包含5个方面。一是构建虚拟空间建模。计算机技术可以为应用者构建一个虚拟的环境空间，且与现实世界的物理空间对应[2]。二是声音定位。应用者在虚拟环境中也需要声音，对此可以依照不同声音源、个体左右耳差异以及相位差等进行防卫精准确认。三是视觉与空间的追寻，即应用者在虚拟空间中也能获得与现实世界一样的感官体验，而且可以用视频影像设备，追踪到具体位置。四是感觉反馈。应用者可以运用手套等VR反馈设备，感受具体的作用力、阻力，进而让应用者有感官上的体验，能通过力觉、触觉知道力量的大小、来自的方位等。五是声音交换。在虚拟环境中依旧可以听到其他人的声音、语言等，实现人机交互的效果。

结合以上分析，在虚拟现实技术的支持下，应用者在一个虚拟的环境中依旧可以得到与现实世界一样的声音、触感等体验，甚至因为影像作用可以更为直观地发现内外的运动情况。简而言之，VR技术生成一个三维立体环境，置于环境中可以获得实时动态信息，进而获得听觉、视觉、触觉、力觉等感知，对应用者的动作也能实时反应，及时将这些反馈传递到听觉、触觉等感官。

1.2 虚拟现实技术的特征

1.2.1 多感知性

虚拟现实技术不仅有其他计算机技术的视觉感知之外，也能让使用者感受到听觉、味觉、触觉、力觉、运动等感知。这一技术具有的采集、分析技术以及图像判断处理等功能，可以通过图谱和信号等形式让最终的分析结果显示出来。

1.2.2 沉浸性

虚拟现实技术可以结合用户的需要设置不同的场景，最大程度地满足应用者对场景的需要，激发应用者在虚拟空间中交流的意愿和欲望，在逼真的环境与场景中达到更好的体验。而且虚拟现实技术打造的场景能够提升用户的临场感受，让用户沉浸在其中，达到一种身临其境的效果。

1.2.3 交互性

传统三维技术应用中用户是相对被动的形式，而在虚拟现实技术支持下，可以让应用者实现虚拟环境的自由操作、交流。这样的形式将理性与感性的作用最大，应用者可以对虚拟环境进行评价、改进，实现了与现实环境无限接近的一种交互体验。

1.2.4 构想性

虚拟现实技术在应用中不仅可以客观地反映现实环境，也能通过构思构建起客观不存在的环境，给人们无限遐想的空间，激发人们的思维想象力。另外，在虚拟现实技术应用中用户也可以结合自身情况，设想出动态和静态的模型，满足体育运动训练的需要。

2 虚拟现实技术应用于体育训练的必要性

2.1 能够有效减少体育活动意外的概率

体育运动多是带有对抗性质的，练习者在运动训练中发生意外的风险较高，以至于很多学校都会减少对抗性的体育训练项目。而虚拟现实技术的应用可以让练习者在虚拟的环境中达到训练的目的，不会伤害到自己或者其他人，降低在体育训练中可能发生意外的概率，提升了体育训练中新动作、复杂动作形式的安全性。

2.2 能够有效降低高难度体育训练的伤害

体育训练是一项提升个体身体素质的活动，但是体育训练是较为辛苦的过程不仅时间长，也较为枯燥，而且现在学生的体质有下降的趋势，在进行高难度体育训练或者突然接受训练时很容易受到伤害，发生危险[3]。而将虚拟现实技术应用到体育训练中，可以模拟出与现实无限接近的一个环境，让练习者在这样的环境中训练，不仅可以了解自身练习的实际情况，减少了受训中对自身造成的伤害。同时，对较为危险的训练项目也能通过虚拟运动员的示范动作，参与学习，知晓动作要领，规避锻炼中的风险。

2.3 能够有效弥补体育设施的缺陷和不足

体育项目多样、体育训练需要的设备自然也是多样的，若是训练中因为经费不足，或者空间局限性无法购买对应的训练设备，以至于不得不放弃部分训练。将虚拟现实技术应用于训练中不仅可以降低购买训练器械的成本和对训练场地的要求，也达到提升练习者训练效果的目的。

2.4 能够保证体育训练的准确性和针对性

通过对动作形式、体态等捕捉，虚拟现实技术可以为练习者建立一个专属运动轨迹，进而形成一个大数据系统，将练习者的动作与系统中的标准动作做出对比，让练习者可以对自己的动作有一个清晰认知，进而可以选择出更为专业的训练方式，提升体育训练的效果。同时，在进行足球、篮球等体育训练时，采用虚拟现实技术可以模拟一个队伍与练习者一同锻炼，实现一个人沉浸式训练节省训练时间与成本。

3 虚拟现实技术在体育训练中的应用手段

3.1 构建仿真运动数字人体模型

在虚拟现实技术应用于体育训练时可以实现三层结构的人体模型构建，包含肌肉层、皮肤色、骨架层。这一人体模型的构建不同的部位也有一定的活动空间，可以让各个人体关节能够自由灵活地运动。借助图形学、人体运动学等，计算机会模拟出不同运动方向、轨迹、位置，以此不断规范体育训练中的不同姿势和动作，通过这种极为逼真、精准的动作和形象模拟，可以让体育项目中各项训练动作更加精准，得到事半功倍的训练效果[4]。

3.2 能够获取练习者的三维信息

虚拟现实技术的三维立体特征，让练习者的动作可被360°准确地捕捉到，通过专业软件的视频对比分析，整理技术缺点、力度的变化等，形成练习者参与体育训练的各个节点数据，为人体运动三维仿真提供参考。

3.3 实现体育技术动作虚实对比

通过体育训练，可以让练习者的动作更为标准、技术得到提升，所以训练的准确性十分重要。虚拟现实技术可以为练习者形成一个动作仿真系统，以此可以显示出练习者训练动作中存在的不足，让教师或者教练选择有针对性的训练方式，提升训练的针对性。同时，虚拟现实技术应用到体育训练中指导教练添加练习者的动作，进行具体技术分解，组织练习者观看学习，提升训练动作的认知。借助虚拟练习生成的影像资料教练也可以直观地看到不同练习者、不同动作的对比，从而因材施教，制订不同的体育训练方案，极大地提升训练效率。

3.4 构建超现实的虚拟化训练场景

借助不同的虚拟环境给练习者不同的沉浸体验感，也能通过虚拟环境刺激练习者的神经系统，激发练习者对训练的兴趣，主动训练突破训练的瓶颈，进而提升体育训练的效果[5]。例如：设置的三维立体图像形式让练习者沉浸其中，可以增强练习者视角的运动感受，立体深度均得到提升，让练习者可以快速适应虚拟环境，精准定位虚拟事物与景物，感受到真实的环境空间和虚拟环境空间的差异，以便于让练习者在训练状态下实现动态定位效果。这样的形式可以在集训或者比赛前期构建与比赛一致的虚拟场景，提前了解环境，降低客场的劣势，提升参赛者的信心，可为运动员定制VR技术体育训练方案。通过VR技术定制化训练与个性化健康管理服务，利用虚拟技术将本战队的战术安排、对手战术风格等信息编入系统，之后再进行训练需要的3D场景应用，还原真实的比赛环境辅助运动员体育训练。从实际应用情况看VR 技术体育训练的优势是虚拟现实系统中开展多样化的比赛训练，实现以赛代练的目的，提升运动员的技术训练效果，提升技术技巧。虚拟训练环境如图1 所示，让运动员在虚拟环境感受比赛的环境，使各器官适应比赛环境，达到真实锻炼的效果。

图1 VR技术构建虚拟体育训练情境

3.5 实现异地交互训练

虚拟现实技术的交互性特点即实现多人异地互动，在应用中可以与系统中的体育训练科目、训练项目技巧等进行交叉对比。通过对比发现自身定制的体育训练方案与其他专业院校或者成功案例的差异，找到自己的不足，取其精华去其糟粕，不断优化、完善体育训练方案。同时，借助虚拟现实技术可以与其他地方的参赛者或者同伴一起训练切磋，突破时间、空间的限制，提升练习者的兴趣，也保证异地学习的训练效果。

3.6 VR技术的沉浸式学习

VR技术可以创建一个虚拟的实训空间，通过虚拟空间实现人和物的交流活动，调动训练者各项身体机能，进而让训练者听觉、视觉、触觉等机体功能共同发挥作用，学习各项内容。例如：在跆拳道训练中构建一个虚拟沉浸式训练空间，如图2 所示，VR 技术训练者提供一个虚拟的互动训练场所，让训练者即使不在教师、教练的指导下，也能通过锻炼，快速、精准地掌握技术技能，也能在虚拟的环境中学习到技能和知识，让训练者自主开始沉浸式学习。

图2 VR技术沉浸式学习环境构建

4 虚拟现实技术在体育训练中的具体应用

4.1 在健美操训练中的应用

健美操是一种具有美感和观赏性的体育运动项目，在训练中不仅要重视技巧练习，也要重视动作协调性与艺术性的训练。教练为练习者制订健美操的体育训练方案时，口头动作和示范动作是常用方式，之后都是个体机械性地训练和学习，无法确定自己的动作是否标准、肢体是否优美等，不仅无法提升训练的效果，也会降低练习者的练习兴趣[6]。部分训练技巧、动作很难用语言描述，所以传统的方式对健美操的训练效果是有限的。在这一运动训练中应用虚拟现实技术则是可以模拟出仿真运动数字人体模型，并且通过细节展示、对比了解到不足，让练习者可以直观地看到。有针对地改进动作要领，提升训练效果。

4.2 在跳水训练中的应用

在跳水训练中应用虚拟现实技术可以更为准确地捕捉到练习者的动作，进行指导性训练。运用虚拟现实技术构建起的三维数据处理系统，通过传感器设备全方位地捕捉到跳水时的情形，并且用三维坐标对动作进行细节标注，对比标准可以让练习者准确地看到自己的不足，实现针对性的练习和优化。同时，虚拟现实技术中的源追踪法也能获取练习者的三维运动信息，对比传统的观测部位贴反光贴形式有着明显的优势，也能防止贴粘贴影响练习者动作的弊端。而且跳水练习时场地中的摄像头，也能对练习者的动作全程进行时采集，经过分割、解码、叠加等技术形式，将这些信息准确归类获取练习者的三维运动数据信息。此外，练习者借助虚拟现实技术进行新的技术创新，降低因为新技术带来的风险性。

4.3 在篮球训练中的应用

在篮球运动训练中通过虚拟现实技术可以模拟篮球比赛的场景、对抗情境等，通过自身的素质、技术技能调整训练的进度和难度。教练则是可以通过计算机获得对练习者的各个动作，发现错误及时指出。同时，虚拟现实技术也对篮球战术训练有着重要的帮助，通过战术训练开展与其他队伍的对抗，了解自己队伍的配合程度，了解战术的不足等，提升战术训练的直观性与实际效果。而且可以借助视频慢动作回放形式，获得所有参与训练人员的信息，观察是否有没有理解战术的练习者、是否真正掌握动作，保证训练效果。

5 计算机虚拟现实技术用于体育训练的前景

5.1 利用VR技术制作体育训练的课件

任何体育项目都有自己的运动技巧、专业动作，需要长期练习才能精准掌控，并且发挥这些动作技巧的实际效果。对此，教练在虚拟现实技术支持下制作VR课件，可为练习者模拟更为逼真的环境，使其克服训练、训练环境的局限性，教练不在时也可以借助课件自己练习，形成一个新的训练模式。实现体育训练智能化、科学化，发挥虚拟现实技术与体育训练的结合效果。

5.2 利用VR技术开展网络远程训练

随着移动通信技术与计算机技术的发展，远程训练已经是十分普遍的训练形式，在网络远程训练中开发体育训练模式是一个讨论热点。采用虚拟现实技术让体育训练不再受到空间限制，而且可以实现交互学习、沉浸式学习，不仅可以打破区域差异，也能平衡教育资源，让练习者学习更多的项目，得到更多练习的机会。同时，可以通过网络与教练实时沟通，极大地调动练习者的积极性，在虚拟现实技术的推动下使体育训练更加现代化。

5.3 利用VR技术进行体育训练

在体育训练中虚拟现实技术提供了虚拟的课上空间，也能提供课外训练空间。教练可以应用不同训练方法，为练习者模拟不同的比赛或者练习环境，使练习者能够得到身临其境的训练感受，提升技术技能水平。在对部分较为危险的体育项目练习或者动作技术中，可以提前应用虚拟环境练习，掌握技术技巧，再逐步在实际环境中实践。例如：自由拳击练习对比其他的体育项目风险较高，可以在虚拟空间中模拟对手的战术、对练，降低了风险，也能提升练习者的技术要领。

6 结语

虚拟现实技术因为具有多感知性、沉浸性、交互性等特征，在体育训练中可以降低运动风险，也能降低因为高难度训练给练习者带来的伤害。同时，借助虚拟现实技术创设不同训练环境，可有效弥补固有体育设施的缺陷和不足，确保练习者参与的体育训练具有针对性，提升训练效果。由此，将其与体育训练结合是具有可操作性的，而为了提升体育训练效果让虚拟现实技术应用到训练中也是必要的。将虚拟现实技术应用到体育训练中，不仅提升练习者兴趣、参与热情，也会激发训练学习的主动性，极大地提升了体育训练的效果。虽然目前的虚拟现实技术在篮球、跳水、篮球等体育训练中均得到良好的应用，但依旧面对不容忽视的问题，如虚拟现实技术投入高、普及率低，对软件硬件的要求高等。然而虚拟现实技术这一新兴技术形式，在体育训练中的应用是具有积极意义的，所产生的效果是不容忽视的，随着未来虚拟现实技术发展，各种穿戴设备普及，系统逐步优化成熟，未来有着巨大的发展潜力和应用空间。与此同时，体育也是一个具有强大发展潜力行业，通过虚拟现实技术与体育实践碰撞，必然会产生新的火花，这对改善我国体育教育环境、改善运动训练条件、丰富体育训练方式等方面均有促进作用。