基于虚拟现实技术的体育教学模式探究

刘桂文

（宝鸡文理学院,陕西宝鸡,721016）

0 引言

虚拟现实技术作为新型的科技领域是多门学科的交叉和渗透，集计算机图形学、机械力学、材料学、传感学等诸多学科为一体，同时虚拟现实技术正以其强大的能力影响着高校的教育模式，可以说它已成为最具有应用价值和前途的“明星”技术。在高校体育教学中，体育教学模式占据着至关重要的作用。传统的教学模式已经严重阻碍了高校体育事业的发展，当务之急是探索出新型的体育教学模式弥补传统教学模式的不足，着力解决教学训练中的重点及难点问题。

1 虚拟现实技术在体育教学中应用的必要性

1.1 规避高难动作的运动伤害

近年来，各种对抗性的体育项目中的技术难度越来越大，运动员在训练过程中容易因为难度过高而受伤，为了避免这一点，可以将虚拟现实技术应用于高校的体育教学中，改变传统的教学模式，利用虚拟现实技术进行虚拟动作实验，并向各位学生展示，这样学生不仅能够对难度较高或是复杂的技术动作全面掌握，同时能够避免自身在运动中受伤害。

1.2 规避体育训练中的意外

对于拳击、跆拳道等对抗性很强的运动项目，运动员在进行训练时难免会受到一些意外伤害。但是，如果将计算机虚拟现实技术应用于高校的体育课堂上，便可以使学生能很好地规避体育训练中的意外伤害事故。计算机虚拟现实技术能够提供一个虚拟的模拟场景，这样学生在进行训练时便可放开手脚，全面展示动作技术，不必担忧受到意外伤害。此外，虚拟现实技术更为强大的功能是它能够对学生的动作进行测评，比实际的体育教师更容易发现学生动作技巧中的不足，并为其纠正，从而提高运动员训练的质量和效率。

2 虚拟现实技术的系统构成

虚拟现实综合了计算机图形学、智能技术、图像处理与模式识别、传感技术等多门学科，利用它能够创建一种令人感到身临其境，可以获得与环境交互体验的虚拟世界。传统的仿真技术无法模拟人对外界环境感知，而新型的虚拟现实实现了人机交互的新概念和新方法，这就意味着外界环境对人的感官刺激已经能够通过计算机成为可能。图1所示即虚拟现实系统的基本构成图。

图1 虚拟现实系统的基本构成图

由图1可知虚拟现实系统主要由五个模块组成，分别是：检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块以及建模模块。

（1）检测模块：主要负责对用户的操作命令进行检测，再通过传感器模块作用于虚拟环境中。

（2）反馈模块：为用户提供实时反馈，反馈信息主要来自于传感器模块。

（3）传感器模块：接收检测模块的用户操作命令，作用于虚拟环境中，再以各种反馈的形式将产生的结果传递给用户。

（4）控制模块：负责控制传感器，使其对用户、现实世界、虚拟环境产生作用。

（5）建模模块：获取现实世界组成部分的三维表示，利用三维图形建模技术构成对应的虚拟环境。

3 虚拟现实技术在体育教学中的具体应用设计

随着现代教育技术的高速发展和应用，公式化、单一化的的传统教学模式已经无法满足高校学生的个性化需求，必将面临着被交互性、可视性更强的新型教学模式所替代。而计算机虚拟现实技术作为新型的科学技术，它能够实现对现实世界的行为活动进行仿真，为使用者创造一个虚拟的逼真世界，并借助一些交互设备使其与虚拟环境中的对象进行交互，从而使他们之间建立起实时的交互关系，更为神奇的是使用者在虚拟环境中所感、所触与现实环境中所体验的感觉相似，效果极为逼真。

将虚拟现实技术应用于高校体育教学中，可以通过科学的模拟虚拟教学环境，为学生提供直观的运动效果，便于学生全面把握各种运动的技术、技巧。模拟虚拟的体育教学环境需要多种相关技术作为支撑，这些技术中多数是将现实世界中的多维信息映射到计算机的数字空间中，进而作用于虚拟环境中。对于使用者而言，这些技术能够使其在模拟的虚拟环境中展开手脚，任意操作环境中的物体，突破物理意义上的时间、空间的限制，实现“超现实”的虚拟性。具体应用技术如下：

3.1 三维图形建模技术

三维图形建模工序是构建虚拟环境过程中的基础，三维图形建模技术主要是将现实世界的对象物体在相应的三维数字空间中重构，而且不同的虚拟现实和虚拟现实系统应有不同的建模要求。举例说明，虚拟体育比赛场地中，不同的比赛项目对场地的要求也会有所不同，此时的建模数据就是有区别的。虚拟环境中的各种天气情况，要采用不同的气象数据进行建模。

本文虚拟运动员的建模采用层次表示的方法，主要由皮肤层、骨骼层以及肌肉层组成。其中VRML和MPEG-4是人体骨骼结构的两个重要标准，二者皆支持虚拟人体的表示。VRML中有一个子标准——H-Anim，用来描述虚拟人体模型。虚拟人表示形式为树形，树形的构成要以人体重心为根节点、以关节为子节点、以骨骼为连线，若想组成一个完整的虚拟人体模型，需要将各肢体的几何模型依附于相应的骨骼。此外，MPEG-4对于虚拟人体对象也有所帮助，定义了脸部运动参数FAP和脸部模型定义参数FDP。图2展示的是人体树的层次结构模型。图3展示的是虚拟人体的骨骼结构图，它主要用简单三维刚体对虚拟人体的骨骼进行表示，相互之间的连接用关节实现，值得注意的是在骨骼层中父节点和子节点之间不发生相对移动，只发生旋转。图4所示即将骨骼皮肤绑定后的虚拟人体模型，该模型是利用建模软件3dmax中将骨骼层和皮肤层绑定后形成的。如果想让虚拟人体模型更为逼真，可借用Maya软件，利用其强大的仿真技术将虚拟人体的毛发和衣着布料设计完整，服装的花边色彩也可通过服装的UV坐标轻松地实现。详见图5。

图2 人体树的层次结构模型

图3 虚拟人体的骨骼结构

图4 骨骼皮肤绑定后的虚拟人体模型

图5 虚拟人体彩色模型

3.2 模型驱动技术

模型驱动软件主要为访问三维模型提供接口，并通过接口的调用实现对三维模型的各种控制，完成各项功能，包括虚拟人体力量的检测、地形的匹配、调整是角度以及显示特效等。如此，在各类输入数据的控制下虚拟的体育场景可真正的运作起来，并向使用者传递各类实时信息。

3.3 视觉跟踪与视点感应技术

使用从视频摄像机到X-Y平面阵列，利用在图像平面不同时刻和不同位置上的光的投影，对被跟踪对象的方向、位置做出计算。其中，视点感应与显示技术必须相结合，进而采用多种定位方法对使用者在某一时刻的视线做出确定。定位方法较为常见的有遥视技术、头盔显示及眼罩定位等。

3.4 立体声合成技术

立体声合成技术主要是让使用者体验逼真的听觉感受，使用者所处位置发生变化时，该技术所产生的效果也是不一样的，这样使用者才能体会到真实比赛中的气氛。

4 结语

在高校体育教学中应用虚拟现实技术，实质上是利用该技术构建一种具备交互性、可视化的虚拟学习情境，体育运动员可以在这虚拟环境中获得近乎真实的体验，更快、更直观地学习体育运动知识和技巧，从而提高训练质量和运动技能。

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