虚拟现实技术在运动训练中的应用

□古福明（成都体育学院运动医学系 四川 成都 610041）

虚拟现实技术在运动训练中的应用

□古福明（成都体育学院运动医学系 四川 成都 610041）

虚拟现实技术在运动训练中有其独特的优势。它能有效地监控、预测和评价运动技术动作，能让虚拟运动员事先尝试新动作，降低运动训练的风险，提高运动训练效率，它已经比较广泛地应用于运动训练中，并已取得了一些的成效。

虚拟现实技术 人体运动仿真 运动技术训练

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology/VRT)是伴随计算机技术、多传感器技术、仿真技术、微电子技术等技术的飞速发展而出现的一门多学科的综合技术。它是运用计算机软件、硬件及传感装置生成与现实训练场景类似的人工虚拟环境，使运动员在视觉、触觉、听觉等感官上与虚拟场景形成交互，产生真实的运动训练感受。它是满足了运动员多种感觉共同参与运动训练的要求，并且通过人体运动仿真还可以再现教练员的训练意图和运动员的训练过程。虚拟现实技术在运动训练领域的应用，降低了运动训练的风险，提高了运动训练的效率。近年来,虚拟现实技术已广泛地应用于竞技体育，并逐步应用于体育教育领域。为此，本文论述了虚拟现实技术在运动训练中应用的关键技术、应用现状和前景。

1、虚拟现实技术在运动训练中的作用

虚拟现实技术使运动训练方法从传统的人眼观察转变到用科学仪器捕捉和分析运动，从有感情色彩的经验方法转变到用程序化的人体运动模拟与仿真方法，它在运动训练中的作用巨大。

1.1、实现实时分析、监控与评价

通过对运动员的动作技术进行模拟仿真的量化分析，并用三维动画展示分析结果，将“标准”结果与运动员真实训练视频进行同屏对比，从而达到对技术动作的分析、监控、预测和评价，帮助运动员分析动作差异，找出技术不足，改进动作技术，从而提高运动成绩。

1.2、降低高难动作的训练风险

近年来，许多运动项目的新动作不断涌现，动作技术难度也越来越大，运动员在练习这些新动作或技术难度大的动作时往往容易受伤，应用虚拟现实技术则可以很好得规避这一点，利用虚拟现实技术能让虚拟运动员事先尝试新动作，避免高难度和复杂的技术动作所带来的运动伤害，从而降低运动训练的风险，提高运动训练效率。

1.3、弥补训练条件不足的缺陷

在现实的运动训练中，由于天气、场地等训练环境，或者器材、经费等方面的原因，或者运动员受伤的原因会导致正常训练无法开展，利用虚拟现实技术构建的虚拟训练和比赛场景就能很好得改变这一状况，运动员完全可以在虚拟的训练和比赛场景中进行训练，从而保证训练条件，完成训练任务。

2、虚拟现实技术在运动训练中的关键技术

虚拟现实技术的主要设备有计算机及其显示设备、图像采集设备、位置跟踪设备、交互设备等。它在运动训练中应用的关键技术包括人体运动数据的捕获、基于人体物理和生理特性的人体模型的建立、虚实人体动画和交互等。

（1）人体运动数据的捕获：人体运动数据的捕获主要是采用三维录像系统记录真实人体的运动动作，通过基于视频的人体运动跟踪技术，获得运动人体的姿态参数及各种运动学参数，在此基础上进行运动生物力学分析，然后计算机根据所获得的运动学数据驱动屏幕上的虚拟人运动。由于捕获到的是人体真实运动的数据，因此虚拟人的运动基本上是人体运动的复制品，模拟效果非常逼真，且依据运动生物力学的分析结果计算机还能生成新的动作模式或复杂的运动动作，进行技术动作创新或预测技术动作的发展趋势。

（2）运动人体模型的建立：人体建模是运动仿真的关键。目前，运动训练仿真系统中人体模型的建立已有多种建模软件可用，应用较多的人体三维建模软件有Doser8.0、Make human、MAX、3DS等。三维运动人体模型一般将人体分成骨骼、肌肉及皮肤三个层次进行建模，通过建立内部结构的模型来驱动模拟人的运动，更好地控制模拟人的运动姿势。在人体模型的建立过程中，需要给计算机提供人体形态、结构、素质、运动能力和适应能力等人体物理特性参数，以及脉搏、血压、肺活量等人体的生理特性参数和各器官、各系统的机能指标参数。

（3）虚实人体动画和交互：以运动捕获装置采集的运动动作数据为基础，并用三维人体动画方式将三维运动数据显示成为标准技术动作——虚动作，而记录运动员现实动作过程的视频——实动作，二者通过特殊的技术处理进行对比分析就称为虚实对比技术。虚实对比技术使虚动作和实动作同时在同一块屏幕上显示，使视频中的运动显示和仿真标准动作的观察视点、视角保持一致，从而使观察效果更准确、更真实直观。

虚拟现实运动模拟包括虚拟场景和虚拟人，所谓交互就是指运动员通过虚拟现实交互设备（如头盔显示器、立体眼镜、数据衣、数据手套、立体声耳机、触觉设备等）与虚拟场景发生相互作用，即运动员可以与虚拟场景中的各种事物之间进行自由交流与接触，甚至可以改变虚拟场景中的各种事物，从而给运动员“身在其中”的真实感、自然感。运动员在这样的虚拟场景中进行训练与学习，不仅能全身心的投入，而且也能最大程度的发挥各种感官系统的功能作用，从而使运动员的训练效果达到最大化。

3、虚拟现实技术在运动训练中的应用现状

近年来，虚拟现实技术已较广泛应用在表现难美性的技术类项目如跳水、体操、蹦床、滑雪及体能类项目如举重、短跑等运动训练中，并取得了较好的效果。目前，比较成熟的虚拟现实技术系统有：

（1）跳水运动仿真系统：该系统采用在比赛和训练现场安装多套摄像装置，多角度全方位地获取运动员在完成动作技术过程中的运动视频，通过视频处理软件精确地捕捉运动员的运动参数数据，然后完成三维人体运动的仿真计算。利用此系统的仿真计算可以让虚拟运动员尝试完成某些新动作，减小运动员在技术创新训练中意外受伤的概率；该系统可以通过神经网络的再学习功能，在最优化的视角下完成动作技术的计算机辅助编排与优化；此外，该系统还可以通过截取运动员在训练或比赛中的真实技术视频片断，与运动员的仿真动作进行同屏对比显示，帮助运动员改进动作技术，提高训练效率。

（2）虚拟体操训练系统：该系统通过对真实体操运动员的运动进行数值建模，使虚拟体操运动员精确地重现真实运动员的体操动作，从而帮助体操运动员改进运动技术动作，提高技术水平。体操运动员也可以使用该系统在虚拟场馆的虚拟器械进行新技术的训练，从而深刻理解整套技术动作的关键环节，迅速熟悉和掌握新技术动作，并且能够尽可能地避免运动损伤的发生。

（3）蹦床运动仿真系统：该系统建立了蹦床运动的标准技术动作数据库，教练员可以利用这个数据库设计新动作。利用该系统的模拟仿真和辅助训练模块，可将教练员的口述训练指导转变为模拟演示指导，这就使运动员更容易掌握技术动作要领。该系统还可以将运动员的成套训练动作，与按照教练员意愿编排出来的标准模拟动作，同步叠加对比显示，直观地展示出动作差异，帮助运动员找出技术缺陷并制定改进技术方案，从而提高运动员的运动技术水平。此外，该系统还能根据运动员的个体特点和运动能力，模拟出该运动员的最佳动作技术，用于指导运动员的平时训练，从而达到运动训练的个性化、最优化。

（4）帆船帆板仿真系统：该系统采用多种传感元件采集帆船帆板运动的现场数据，经过数学模型的运算获取各类参数，并实时驱动三维场景，从而构造出逼真的虚拟训练场景。该系统既可以满足无训练条件（如无风、无浪）时完成训练任务的需求，也可以针对特定运动员进行运动仿真评价分析。

随着虚拟现实技术的发展，技术类同场对抗性项目如足球、篮球、武术等项目也开始利用虚拟现实技术进行运动训练。由于技能类同场对抗性项目的动作技术多变，运动捕捉的信息量过多，模拟仿真分析的难度很大，因此，其应用效果还不太理想。

4、小结

虚拟现实技术具有自身强大的优势和潜力，它对运动训练的作用是巨大，并具有广阔的应用前景。随着虚拟现实技术的不断发展和完善，必将在运动训练中发挥更加重要作用。

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