虚拟现实技术在足球模拟训练中的应用探索.doc

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虚拟现实技术在足球模拟训练中的应用探索

周敏作者简介：

周敏（1991.1—），女，江苏淮安人，中国矿业大学体育学院2011级本科生；刘秋月（1990—），女，中国矿业大学体育学院2013级硕士研究生，研究方向，体育教学与训练；刘洲（1992—），男，中国矿业大学机电学院2011级本科生；张亚明（1992—），男，中国矿业大学2011级本科生；陈学丽（1992—），女，中国矿业大学体育学院2011级本科生。

本研究是江苏省大学生科研创新训练项目的部分成果。

，刘秋月

，刘洲

，张亚明

，陈学丽

（中国矿业大学体育学院、机电学院，江苏徐州，221116）

摘要：

通过对虚拟现实技术概念、特征的介绍，引出了虚拟现实技术在各个领域尤其是体育领域的应用；然后从构建模拟训练场、单人特训、异地同环境训练、核心团队人员训练、强化临场配合、缩短运动育才年限等6个方面阐述虚拟现实技术的模拟训练在足球中的作用进行综合的分析；最后探讨了虚拟现实技术在足球训练中的前景，从而为我国足球训练虚拟现实技术的发展提供一定的参考。

关键字：

足球；虚拟现实技术；模拟训练

1引言

长期以来，世界各国对于竞技体育越来越重视，投入了大量的人、财、物以及技术力量，不断研究和探索运动训练新的理论和方法，以期提高运动成绩。

特别是在欧美等体育强国，一直致力于把高新技术投入到体育领域的各个方面。

而作为诞生时间不到30年的虚拟现实技术也不断影响着竞技体育的发展。

中国作为体育大国，想要促进和保持竞技体育的稳定发展，扭转部分运动项目在世界面前的囧境，进而转型进入体育强国的行列，也需要借助于高科技的发展。

在此背景下也有必要关注虚拟现实技术对体育运动发展的辅助。

基于此，本文探索虚拟技术在足球这个令国人伤感的领域中应用问题。

2虚拟现实技术

虚拟现实（VirtualReality，简称VR）技术，又被形象的称为“灵境技术”，是利用计算机技术生成的三维模拟真实环境中的空间，并通过各种传感装置的使用户“浸没”到虚拟环境中，实现用户和环境直接进行交互的技术【】。

作为后起之秀，VR逐渐显现它的优越性与可拓展性。

将虚拟现实技术引进到体育领域加以综合利用，让运动训练体现出更加科学化、系统化、创新化。

BurdeaG和PhilippeCoiffet在1993年世界电子年会中提出了著名的“3I”理论，即VR技术具有的3个突出特征:

沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和想象性（Imagination）［1］。

而这三个特征与体育运动训练及比赛的很多方面都有契合处。

1）沉浸性：

VR技术的本质是沉浸，主要是指用户的感觉完全沉浸于模拟的环境中。

虚拟现实作为一种高级的人机交互系统，是关于人机接口的技术，其生成的给人多种感官刺激的环境，要让用户有着“身临其境”的感觉，就必须先满足94%的视觉和听觉［2］。

如在足球模拟环境中训练，通过三维模拟训练场场景图形和图像库，包括背景、地理环境、天气、运动场设备和相关人员等，以及模拟正式赛场的各种声响的音频库，如观众的呐喊声、裁判员哨响声、运动员说话声音、风声等，从而为运动员创设一个逼真的赛场环境，使得熟练掌握事先设定好的模拟训练的达标方案，提高运动技能水平。

2）交互性:

指用户在模拟环境中进行的可操控程度和从模拟训练中得到反馈的同步程度。

这种人机交互的产生，主要借助于各种专用的三维交互设备，如在足球模拟训练中，运动员穿着轻便的数据衣，使用立体眼镜，操作传感手套，运动员下达各种虚拟装备的操作指令，而这些设备能做出实时的回馈反应。

自然的人-机以及人-人交互是VR系统的显著特点，让用户跟虚拟系统可以“交流”。

3）想象性:

体现了VR系统的可拓展性，虚拟环境由人的想象力借助计算机构造出来，同时人浸入在这个虚拟环境中进行学习、训练、测试，获取知识、技战术，有效的提高运动能力。

在足球模拟训练，通过对模拟训练环境及虚拟装备的感知和操作，提高对赛场环境、球以及对手的认知和熟练程度，获取成功体验，从模拟训练中吸取经验，进而提高实际的作战技能。

3虚拟现实技术模拟训练在足球中的作用

根据VR技术的特点，虚拟现实技术以“高效率，低风险”的优势在各个领域的应用越来越广泛［3］。

而虚拟现实技术与体育的融合也给世界带来了惊喜，如有研究人员开发了利用运动员训练的虚拟棒球，虚拟高尔夫，虚拟网球和虚拟滑冰等系统[4]；也有研究者也设计出能为运动员调整给定的参考运动系统，让其跟随参考运动的动作效果分析，并通过案例验证了其系统的算法[5]。

通过虚拟技术，体育世界正越来越容易被各种人群接近和了解，如当前很多足球场使用虚拟工具技术，使得观众能够实时通过3D虚拟设备参观体育场所及比赛观赏。

在足球运动中引入虚拟技术，和模拟训练从构建模拟训练场、单人特训、异地同环境训练、核心团队人员训练、强化临场配合、缩短运动育才年限等将会极大地改变竞技体育的训练模式，让运动训练中“零损伤”的目标向前更近了一步。

3.1构建模拟训练场

根据虚拟现实技术，通过相应的三维图形图像库构架模拟训练环境，包括训练场背景、比赛的场景、各种赛场装置和相关人员等，为受训者营造一种逼真、生动的立体训练环境。

利用虚拟系统设计出“有生命”的草坪，以增强临场感觉，达到模拟训练的效果，提高训练质量。

构建虚拟训练场需综合多尺度照片、全方位影像和数据追踪，生成一个高清晰度三维地形训练区，具有几乎相同的3D环境，以培养足球运动员。

在现实的比赛中，遇到的许多状况和紧急情况都在模拟器中模拟状态进行训练，甚至能大大降低比赛的损伤率，为运动员延长运动寿命做出了贡献。

3.2单人特训

虚拟训练模拟器采用了三维图形可视化生成系统、全封闭立体头盔显示器、三维交互式声音合成技术、Provision高性能图形工作站、六自由度的运动平台等先进的技术手段［1］。

它的三维图形生成系统不仅能够生成逼真的虚拟地形环境下的各种如风的方向、风力强弱、空气湿度等条件的三维效果合成系统，而且其检测、分析功能很完善足以指导不同运动员的单人特训，并能处理虚拟现实中正常训练以外的各种情况，如运动损伤、疾病指标预测等。

运动损伤在体育训练过程中是时常发生的情况，而在虚拟现实模拟环境中训练，系统通过分析运动员超范围动作会发出警告，避免损伤的发生。

虚拟训练模拟器中配备了先进的生理生化测量感应器，可以实时监测运动员的基本情况，合理安排训练内容，达到预期计划目标。

3.3通过网络进行异地同环境训练

利用现代通讯网络和虚拟现实技术结合了分布式交互仿真技术，可以建立模拟训练系统的终端设备，通过模拟训练系统中心控制设置在不同地域的训练单位，实现不同地域、相同环境的模拟实战训练。

可以使用先进的光纤骨干网和系统结合分布式交互仿真，建立一个虚拟的训练环境，其中包括模拟的超级球星、官方裁判员、观众、比赛场地以及天气在内的多种实时场景，供比赛人员在人工合成环境中完成实战训练任务。

该系统通过互联网可以连接到世界各地、每个区域连接工作站，训练数据可以模式化的迅速和工作站进行转移，使受训者能在虚拟环境的动态形式中进行近身战术训练。

了解各国各地区的足球训练现状和水平，学习先进的训练方式、技术配置，以突破中国足球的现状。

3.4对核心团队人员的训练

足球比赛是团体性比赛，但是能够成为冠军的队伍都少不了灵魂人物（核心队员）的支撑。

利用虚拟现实技术，通过数据资料建构出比赛的实时场景，让受训的核心运动员使用立体眼镜和数据手套了解对方的技战术和实战情况，以便判断，定下正确决策。

可以使用虚拟系统来锻炼核心运动员，模拟出不同风格的对手，可能出现的困境。

通过训练找到破解的方法，养成临危不乱、处事不惊处理问题的能力。

虚拟训练场能逼真地模拟与真实的比赛几乎完全相似的赛场激烈氛围效果，生动的视觉、听觉和触觉效果，使受训运动员沉浸在“真实的”比赛之中。

3.5临场配合强化

足球比赛临场配合度主要是通过有效的比赛阵型体现出来的，四四二、四三三、四五一和三五二是当前世界高水平球队采用最多的比赛阵形[6]。

在比赛开始之前教练员要告知队员对于本场比赛需要采取哪几种阵型，在什么时间段采用效果更佳，但是教练员也有考虑不全或黔驴技穷的时候，而利用虚拟训练系统，把各种比赛阵型数据输入到虚拟训练模拟系统中去，在团队训练时针对对手情况选择一种或几种比赛阵型进行专门训练。

同时可以利用计算机的智能分析，创设出新颖的比赛适用阵型，以达到出奇制胜的效果。

另一方面，比赛阵型适时变化也是团队之间配合度的展现（也就是战术）。

理想的比赛阵形是队员最大化的个人特征水平可以有效地同团队的整体战术相配合的组织方式。

战术对于团体赛的组织是非常重要的，如果没有一个好的战术思想,硬性地套用阵形模式是难以奏效的。

虚拟训练系统全面分析队员的体能和技能，设计出最优组合，使得运动员扬长避短。

教练员在指挥训练、比赛时，要根据系统给出的设计弹性的使用，以达到团队实力有节奏的提升。

3.6缩短运动员育才年限

虚拟训练具备科学化、系统化、高效率、低风险的特点，运用虚拟训练系统检验教练员的经验，“取真去伪”，正确指导运动员的训练，降低运动损伤发生率。

同时模拟训练系统可以根据运动员自身的生长发育特点，设计出能够激发潜能的最佳方案，通过实时监控、反馈、调节的方式调整运动员在重要比赛时调整到最佳状态，获取优异的运动成绩，以达到缩短运动员成才你年限的功能。

运动员模拟训练采用全程监控的手段，对训练工作每一个环节——选材、计划、训练实施、恢复、管理、参与竞赛等部分科学监督，调整，评测训练结果。

4足球运动应用虚拟现实技术在模拟训练方面的发展前景

随着虚拟现实技术的迅速发展，伴随着计算机网络技术的升级，基于虚拟现实技术的足球训练将极大改变陈旧的训练模式，迎来新一轮的革新。

1）经验型训练法向科学指导训练模式转化。

多年以来，我国的足球队训练基本沿用前人的训练方法和手段，教练员一般由退役的优秀运动员担任，教练员以自身经历作为经验带队训练或者照搬国外的训练模式，所做的改变不能符合中国运动员的特殊性进行有效的训练。

未来竞技体育巅峰的角逐必定是以高科技为手段的新型教学训练，虚拟现实技术以其数据捕捉，训练监测，信息分析、预测功能和反馈调节功能等更好的指导运动训练，提高训练效果，运动成绩。

2）体能训练密集型向心理训练主导的综合训练型转化。

体能是所有教练员制定运动员训练计划、组织训练的必选内容，体能的强弱直接影响运动员的成绩，为此体能训练的强度很密集。

随着时间的推移，体能训练密集的缺陷逐渐显现出来，体能训练理论经验化严重，训练计划的时空架构不平衡。

足球运动员的心理训练越来越受到重视，以往的心理训练方法带有一定的局限性，运用虚拟系统进行心理训练无疑是未来训练的中心任务。

3）教练员的主导性和运动员的主体性。

在足球虚拟训练系统中，教练员的主导性和运动员的主体性可以得到充分的发挥。

多数情况下教练员只有一到二名，而运动员则超过这个数，运动员的具体需求得不到满足会引起不适应训练、比赛的情况，这时候要挖掘运动员自身的潜能，利用模拟系统进行训练，发挥运动员的主动训练的欲望，提高运动能力。

5结束语

依靠虚拟现实技术的优越性和可拓展性进行足球的模拟训练，不仅仅是体能技能的训练，更是心理素质、配合等的综合能力的训练，过硬的心理素质、熟练的技战术使在现实中运用自如。

随着虚拟现实技术的运用推广，我国也认识到VR技术对于体育领域有着巨大的优势潜力，逐步加大投入。

因此，通过对足球虚拟现实技术模拟训练的可行性分析，了解VR技术在体育领域尤其是竞技体育领域的最新应用和发展趋势，可以为我国虚拟训练系统的研究提供一定的参考，继而更好地推动我国VR技术的发展。

参考文献

［1］安兴；李刚；徐林伟；师颖.虚拟现实技术在美军模拟训练中的应用现状及发展［J］．电光与控制,2011（10），01

［2］曾起堂.关于虚拟现实“沉浸”问题的探讨［J］．福建广播电视大学学报，2009（5）:

15-17．

［3］CongressUS．Officeoftechnologyassessment，virtualrealitytechnologiesforcombatsimulation-back-groundpaper［M］．OTA-BP-ISS-136．Washington，DC:

U．S．GovernmentPrintingOffice，1994．

[4]Amusitronix.VRSports[OL].http：

//www.Sport.Html,2003.

[5]BaekSEONStudiogmin,LeeSeungyong,KimGerardJounghyun.MotionevaluationforVR-basedmotiontraining[C].ComputerGraphicsForum,2001,20（3）:

1-10.

［6］当前世界足球比赛阵型变化特征研究韩东生；-《山西农业大学学报（社会科学版）》-2008-06-15