论文部分内容阅读
【摘要】仿真技术在体育领域中应用得越来越多，和体育运动技术和战术结合得越来越紧密，它是体育教学手段的重要补充。本文运用文献资料法、逻辑分析法等研究方法，对体育教学中运动仿真技术的应用情况进行分析。通过对仿真技术进行说明，并结合日常教学中遇到的常见的问题，分析仿真教学的优势，从而使仿真技术更好地为体育教学服务、提供有益参考。
【关键词】仿真技术；体育教学；应用研究
随着计算机技术的进步，计算机模拟仿真技术在多个领域都取得较快的发展。仿真技术的大量应用，提高了生产和生活的效率。对于体育领域来讲，仿真技术的应用使体育科研人员对体育技术动作有了更科学的认识，对于发挥运动员最大的动作优势和训练结构提供了有益支持。它可以创造相似的模式训练或实战环境、模型化的物理环境与用户融为一体，使运动员产生身临其境的感觉。这种人机和谐的仿真环境的探索已广泛展开，诸如可视仿真、多媒体仿真、虚拟现实等等。在实际应用中，这些仿真技术互有偏重，又互为补充。在体育教学中，往往以多媒体仿真和虚拟现实技术的应用更为广泛。
1仿真技术概述
仿真技术是利用计算机技术建造被研究的真实系统的模型、进行模拟实验研究的一种方法。它是建立在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术与控制工程基础上的一门综合性很强的实验科学技术。应用到体育领域，就是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的一种实验技术学科。仿真技术的关键技术主要有数学建模和运动数据的获取。
虚拟现实及其仿真技术日益发挥出越来越大的作用，为高科技在竞技体育领域的应用提供了更加广阔的空间。作为大自然和人类社会的主宰，人体自身的建模处于一个非常重要的位置，已成为人类工程学、计算机图形学、人工生命及生物力学研究的热点。
国内外的很多学者进行了大量的研究和探索，建立了人体的数学模型，对人体运动分析提供了很大的帮助。代表人物有德国的R??Gawtonski和波兰的B??Macukow，他们采用经典的分析力学的理论基础，推导出人体的二阶非线性拉氏方程；美国斯坦福大学的Kane建立了一套新的建模理论，主要基于内坐标与外坐标转换的方法；美国的Roberson德国的Wittenburg采用了图论中理论，建立了树形多体系统的建模方法；南非的Hazte采用了优化结合同步测量方法，模拟了人体的运动。
1??1建立模型
建立仿真模型是一个复杂的过程，模型的有效性直接影响着仿真的效果。我们常见的有二维模型和三维模型。他们都是用抽象的数学方程来描述系统内部变量之间的关系，从而建立起来的模型。体育运动中运用较多是人体模型，要显示二维或三维的人体效果，首先要建立人体模型。用计算机进行三维建模是目前比较流行的，真实感和逼真度都较好，且可以多角度展示。
人体是由多个旋转关节组成的复杂形体，普通的三维摄像机量即多姿态角不能模拟真实的人体运动，完整人体仿真技术需要提供所有的关节数据。因此运动仿真技术要远复杂于一般的刚体。运动仿真的要素，首先利用相关设计软件建模，即建立三维人体模型，其次是根据生物力学和物理学相关知识产生模型各关节运动的驱动数据。
建模的类型根据不同的需要有不同的设计方案。以曲面建模为例，曲面是把人体骨架围绕起来，曲面由小平面组成，可以表现运动中关节处曲面的变化。曲面模型由于计算方便，运算规则较为成熟，显示三维效果较好。建模完成后，基本的仿真效果已经具备，但是，为了使三维图像看上去更加真实，最大程度地展现动作轨迹或模拟比赛、教学场景，还必须对教学环境进行设定，例如地理、气候、教学设备、场地等效果。
1??2运动数据的获取
运动仿真系统是将文字、图像、声音、动画和视频等素材进行综合分析，那么这么多的数据是如何获取的？那就需要专业的摄像设备和分析系统。专业的摄像设备是捕获运动数据的重要工具，它可以给我们提供第一手真实运动的数据资料，这些资料包含了丰富的时间信息，使得人体的运动变化更加逼真。一般都要先对相机参数进行标定，通过场景几何模型建立获取相机内部参数以及旋转矩阵、平移矩阵等外部参数。然后我们通过三维人体运动参数，根据人体关节点的三维位置信息，并经过数据转换，从而得到人体的关节在各个局部坐标系的旋转角度信息，人体姿态的关节角度数据可以直接输入到三维虚拟模型，进行行为驱动。
在人体图像运动过程中，关节点三维位置会跟随着运动，把这些点连接起来就会形成人体连续的、平滑的运动曲线。我们可以根据运动曲线的连续性和平滑性来预测和修改数据。如果捕获的数据帧中有关节点缺失，可以利用曲线的连续性对关节点位置进行估测，如果关节点位置偏移较大，在运动曲线上会表现为一个突变，可以根据运动曲线的平滑性对关节点位置进行调整。
2运动仿真技术在体育教学中的作用
运动仿真系统可以实现体育训练方法的进步和转变。即利用高精度视频捕捉设备与分析系统相结合，更精确地测量人体运动的轨迹，再利用人体运动仿真模拟分析改进运动的训练方法，使训练更加有效。运动仿真系统常见的功能主要有动作对比、动作分解和技术分析。
动作对比是将运动员实际运动轨迹与标准运动轨迹视频叠加在一起，同步回放，以一致的视角做同步对比。动作分解是指将运动员实际训练轨迹与运动员的动作以全景的方式暂停在一个平面上，以微小的帧率定格在某一个平面上。技术分析是基于运动仿真的多维多态分析，根据运动员实际运动过程中速度、加速度、位移、力及力矩的变化，计算各环节所存在的不足和优势。这可以给教练员指导训练提供科学的依据，便于设计和改进比赛中的技战术方案，也可用于青少年运动员的选材。
仿真教学（或仿真训练）是一种多通道综合作用的教学方法。学生置身于仿真环境之中，可以充分调动感觉通道、运动通道和思维通道的学习机能，接受知识的效率能明显提高。在体育教学和训练过程中， 学员通过直接生动的视听图像有利于清晰形象思维，建立规范合理的技术动作概念，也有利于激发学生的学习和训练兴趣， 提高他们的认知主体作用能力。 运动仿真技术是采用运动捕获方法实现对体育教学中学生动作的记录和3D重现，也可以模拟设计或控制某些外在条件，如背景、温度等。它是基于运动员训练视频具有快放、慢放和回放的功能，满足了体育教学和训练对于运动员训练现场信息及时反馈的需要，并具有人体运动的跟踪、两个视频的叠加、视频动作冻结等先进功能。该技术首先利用先进的人体运动捕获设备捕获了优秀运动员的技术动作，解决了光学运动捕获数据的噪声去除和过滤，并建立了三维动作库，利用建立三维场景投影到2D的显示屏幕上，从而可以用三维方式展示优秀运动员的技术动作，并分析这些技术动作的内在规律，为下一步结合数据仿真计算得到运动员的最优空中动作，最后，将运动员的训练视频同仿真的最优动作进行比较分析，从而使体育教学的效率大大提高。
3运动仿真系统在教学中的应用
3??1模拟教学环境
在日常体育教学过程中，由于受气候条件、教学资源等客观因素的限制，学生容易产生心理疲劳而导致学习效率大大降低。在有些教学条件较差的学校，体育课往往流于形式，根本达不到体育教学目标要求。计算机仿真技术在体育教学中的运用，可以实现教学场景的真实呈现，给学生提供想象和模拟操作的空间，能收到事半功倍的效果。
体育教学和训练目前正处在从经验走向科学的过渡阶段，可模拟特殊环境下高温、低气压、高噪声等外在环境因素，提高学生的适应能力。多方面的运动参数可以对运动员步态、技术动作和人体其它部位的功能进行评定和分析，从而提高运动员成绩。
3??2仿真教学难点
在体育教学过程中，技战术学习需要讲解动作要点及注意事项。例如肌肉如何协调用力，如何防止受伤等。这些概念有些比较抽象，讲解时不能很完美地表达其中的各部分的功能和运动结构，造成对某些重要的环节忽视，可能导致训练中事故的发生。运动仿真系统的应用能有效地解决这方面的问题。比如三级跳远中，由于起跳到落地动作非常快，即使老师讲解或示范得非常规范，但是起跳时用力的顺序、各环节运动的轨迹都无法很直观地展现给学生，从而影响学生练习的效果。对于这种情况，仿真系统就能体现出它的价值，首先仿真可以模拟规范动作的轨迹，给学生直观地展示各部位用力的顺序和时机；其次仿真系统还能针对个人，通过提取数学模型，结合计算机三维技术进行情况模拟，在讲解到难点时，可以借助仿真系统进行对比分析，从而达到改变或纠正学生的技术动作的目的。仿真系统的运用对技术学习来说是很好的补充和助手，极强的逼真程度和优美的画面能使学员产生浓厚的学习兴趣，取得较好的学习效果。
3??3仿真实战
仿真实战是用仿真系统来模拟运动员演练的技术、战术、环境，给运动员更直观的感受。仿真系统可以代替对手，对比赛中即将或可能出现的情况和问题进行模拟和演练，还能克服人为因素带来的干扰，最大程度地营造一个现实的比赛氛围，使运动员心理机能和结构得到强化和提高。如乒乓球比赛中模拟对手发球和回球线路等，可以增加运动参与者对对手的技战术适应性；模拟现场观众的态度和气氛、仿真情境，促使运动员更加专注投入比赛。
3??4心理适应性训练
仿真系统虽然具有自己的实效性，但是关于心理适应性训练的仿真效果还不是十分明显，目前应用较多的是虚拟实境语言的训练心理适应。在日常体育教学过程中，面对的对象多是没有经过专业训练的学生，当遇到一些难度动作时，学生往往会产生心理恐惧进而影响教学效果。如学员在做跳马技术练习中，多数学生第一次完成动作时会有紧张的心理现象，学生出于安全的考虑，往往不敢跳或动作错误，从而导致训练事故的出现。这种现象的解决办法通常是降低训练难度或者增加练习次数。这种情况可以根据运动的相对性原理，通过心理适应性训练增强心理承受力。而虚拟实境语言所提供的虚拟实境技术则为我们提供了强有力的工具。虚拟实境语言结合3D眼镜及投影机，最终产生的是真实的三维场景，经过模拟场景的训练，可以大大提高学生学习动作的效率，经过心理适应性训练，学员能够克服心理障碍，达到训练目的。
4结语
人是社会的主体，在以人为本的教育理念下，如何使体育教学发挥最大功能，是当前体育教学必须深思的问题，仿真技术在体育教学领域的应用必将成为未来发展的趋势。虽然目前计算机技术比较成熟，但是由于受软件功能、造价和应用条件等方面因素的影响，仿真技术在体育教学训练方面的应用研究还仅仅是一个开始，还需要进一步深入研究。同时这方面的研究成果可以提高学生动脑、动手的能力，极大地提高学生学习的积极性，还可解决康复训练、心理训练等方面的问题。仿真系统对体育教学的促进作用是毋庸置疑的，如何更好地发挥其功能，还需要计算机领域和体育科研领域专家的密切配合。
参考文献
〔1〕 王正中,屠仁寿??现代计算机仿真技术及应用〔M〕??北京:国防工业出版社??1991??
〔2〕王惠刚等??计算机仿真原理及应用〔M〕??北京:国防科技大学出版社,1994??
〔3〕燕国栋,孙晋海??体育教学领域中计算机仿真技术的应用〔J〕??体育科研,2008,29(5):68-70??
〔4〕罗晓东,王勤龙??谈虚拟现实技术及其在教学中的应用〔J〕??教育技术,2003,8:53-54??
〔5〕穆艳玲??体育教学仿真系统初探
〔6〕吴重光??仿真与教育〔J〕??系统仿真学报,2005,6:
1285－1288??
〔7〕胡敏??计算机仿真技术在物理教学中的应用浅探
〔J〕??计算机工程与科学,2001,1??
〔8〕李祥晨,孙晋海??体育系统仿真〔M〕??北京:人民体育出版社,2001??
〔9〕韩晓鸣??体育动作技能学习的网络教学模式探讨
〔J〕??体育文化导刊2003??4: 46-47??
〔10〕皮连生??学与教的心理学〔M〕??上海:华东师范大学出版社,1997??
（责任编辑：赵 环）
【关键词】仿真技术；体育教学；应用研究
随着计算机技术的进步，计算机模拟仿真技术在多个领域都取得较快的发展。仿真技术的大量应用，提高了生产和生活的效率。对于体育领域来讲，仿真技术的应用使体育科研人员对体育技术动作有了更科学的认识，对于发挥运动员最大的动作优势和训练结构提供了有益支持。它可以创造相似的模式训练或实战环境、模型化的物理环境与用户融为一体，使运动员产生身临其境的感觉。这种人机和谐的仿真环境的探索已广泛展开，诸如可视仿真、多媒体仿真、虚拟现实等等。在实际应用中，这些仿真技术互有偏重，又互为补充。在体育教学中，往往以多媒体仿真和虚拟现实技术的应用更为广泛。
1仿真技术概述
仿真技术是利用计算机技术建造被研究的真实系统的模型、进行模拟实验研究的一种方法。它是建立在系统科学、系统识别、控制理论、计算技术与控制工程基础上的一门综合性很强的实验科学技术。应用到体育领域，就是通过计算机模拟技术再现体育教师的教学经验、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程，从而达到对体育系统的解释、分析、预测、评价的一种实验技术学科。仿真技术的关键技术主要有数学建模和运动数据的获取。
虚拟现实及其仿真技术日益发挥出越来越大的作用，为高科技在竞技体育领域的应用提供了更加广阔的空间。作为大自然和人类社会的主宰，人体自身的建模处于一个非常重要的位置，已成为人类工程学、计算机图形学、人工生命及生物力学研究的热点。
国内外的很多学者进行了大量的研究和探索，建立了人体的数学模型，对人体运动分析提供了很大的帮助。代表人物有德国的R??Gawtonski和波兰的B??Macukow，他们采用经典的分析力学的理论基础，推导出人体的二阶非线性拉氏方程；美国斯坦福大学的Kane建立了一套新的建模理论，主要基于内坐标与外坐标转换的方法；美国的Roberson德国的Wittenburg采用了图论中理论，建立了树形多体系统的建模方法；南非的Hazte采用了优化结合同步测量方法，模拟了人体的运动。
1??1建立模型
建立仿真模型是一个复杂的过程，模型的有效性直接影响着仿真的效果。我们常见的有二维模型和三维模型。他们都是用抽象的数学方程来描述系统内部变量之间的关系，从而建立起来的模型。体育运动中运用较多是人体模型，要显示二维或三维的人体效果，首先要建立人体模型。用计算机进行三维建模是目前比较流行的，真实感和逼真度都较好，且可以多角度展示。
人体是由多个旋转关节组成的复杂形体，普通的三维摄像机量即多姿态角不能模拟真实的人体运动，完整人体仿真技术需要提供所有的关节数据。因此运动仿真技术要远复杂于一般的刚体。运动仿真的要素，首先利用相关设计软件建模，即建立三维人体模型，其次是根据生物力学和物理学相关知识产生模型各关节运动的驱动数据。
建模的类型根据不同的需要有不同的设计方案。以曲面建模为例，曲面是把人体骨架围绕起来，曲面由小平面组成，可以表现运动中关节处曲面的变化。曲面模型由于计算方便，运算规则较为成熟，显示三维效果较好。建模完成后，基本的仿真效果已经具备，但是，为了使三维图像看上去更加真实，最大程度地展现动作轨迹或模拟比赛、教学场景，还必须对教学环境进行设定，例如地理、气候、教学设备、场地等效果。
1??2运动数据的获取
运动仿真系统是将文字、图像、声音、动画和视频等素材进行综合分析，那么这么多的数据是如何获取的？那就需要专业的摄像设备和分析系统。专业的摄像设备是捕获运动数据的重要工具，它可以给我们提供第一手真实运动的数据资料，这些资料包含了丰富的时间信息，使得人体的运动变化更加逼真。一般都要先对相机参数进行标定，通过场景几何模型建立获取相机内部参数以及旋转矩阵、平移矩阵等外部参数。然后我们通过三维人体运动参数，根据人体关节点的三维位置信息，并经过数据转换，从而得到人体的关节在各个局部坐标系的旋转角度信息，人体姿态的关节角度数据可以直接输入到三维虚拟模型，进行行为驱动。
在人体图像运动过程中，关节点三维位置会跟随着运动，把这些点连接起来就会形成人体连续的、平滑的运动曲线。我们可以根据运动曲线的连续性和平滑性来预测和修改数据。如果捕获的数据帧中有关节点缺失，可以利用曲线的连续性对关节点位置进行估测，如果关节点位置偏移较大，在运动曲线上会表现为一个突变，可以根据运动曲线的平滑性对关节点位置进行调整。
2运动仿真技术在体育教学中的作用
运动仿真系统可以实现体育训练方法的进步和转变。即利用高精度视频捕捉设备与分析系统相结合，更精确地测量人体运动的轨迹，再利用人体运动仿真模拟分析改进运动的训练方法，使训练更加有效。运动仿真系统常见的功能主要有动作对比、动作分解和技术分析。
动作对比是将运动员实际运动轨迹与标准运动轨迹视频叠加在一起，同步回放，以一致的视角做同步对比。动作分解是指将运动员实际训练轨迹与运动员的动作以全景的方式暂停在一个平面上，以微小的帧率定格在某一个平面上。技术分析是基于运动仿真的多维多态分析，根据运动员实际运动过程中速度、加速度、位移、力及力矩的变化，计算各环节所存在的不足和优势。这可以给教练员指导训练提供科学的依据，便于设计和改进比赛中的技战术方案，也可用于青少年运动员的选材。
仿真教学（或仿真训练）是一种多通道综合作用的教学方法。学生置身于仿真环境之中，可以充分调动感觉通道、运动通道和思维通道的学习机能，接受知识的效率能明显提高。在体育教学和训练过程中， 学员通过直接生动的视听图像有利于清晰形象思维，建立规范合理的技术动作概念，也有利于激发学生的学习和训练兴趣， 提高他们的认知主体作用能力。 运动仿真技术是采用运动捕获方法实现对体育教学中学生动作的记录和3D重现，也可以模拟设计或控制某些外在条件，如背景、温度等。它是基于运动员训练视频具有快放、慢放和回放的功能，满足了体育教学和训练对于运动员训练现场信息及时反馈的需要，并具有人体运动的跟踪、两个视频的叠加、视频动作冻结等先进功能。该技术首先利用先进的人体运动捕获设备捕获了优秀运动员的技术动作，解决了光学运动捕获数据的噪声去除和过滤，并建立了三维动作库，利用建立三维场景投影到2D的显示屏幕上，从而可以用三维方式展示优秀运动员的技术动作，并分析这些技术动作的内在规律，为下一步结合数据仿真计算得到运动员的最优空中动作，最后，将运动员的训练视频同仿真的最优动作进行比较分析，从而使体育教学的效率大大提高。
3运动仿真系统在教学中的应用
3??1模拟教学环境
在日常体育教学过程中，由于受气候条件、教学资源等客观因素的限制，学生容易产生心理疲劳而导致学习效率大大降低。在有些教学条件较差的学校，体育课往往流于形式，根本达不到体育教学目标要求。计算机仿真技术在体育教学中的运用，可以实现教学场景的真实呈现，给学生提供想象和模拟操作的空间，能收到事半功倍的效果。
体育教学和训练目前正处在从经验走向科学的过渡阶段，可模拟特殊环境下高温、低气压、高噪声等外在环境因素，提高学生的适应能力。多方面的运动参数可以对运动员步态、技术动作和人体其它部位的功能进行评定和分析，从而提高运动员成绩。
3??2仿真教学难点
在体育教学过程中，技战术学习需要讲解动作要点及注意事项。例如肌肉如何协调用力，如何防止受伤等。这些概念有些比较抽象，讲解时不能很完美地表达其中的各部分的功能和运动结构，造成对某些重要的环节忽视，可能导致训练中事故的发生。运动仿真系统的应用能有效地解决这方面的问题。比如三级跳远中，由于起跳到落地动作非常快，即使老师讲解或示范得非常规范，但是起跳时用力的顺序、各环节运动的轨迹都无法很直观地展现给学生，从而影响学生练习的效果。对于这种情况，仿真系统就能体现出它的价值，首先仿真可以模拟规范动作的轨迹，给学生直观地展示各部位用力的顺序和时机；其次仿真系统还能针对个人，通过提取数学模型，结合计算机三维技术进行情况模拟，在讲解到难点时，可以借助仿真系统进行对比分析，从而达到改变或纠正学生的技术动作的目的。仿真系统的运用对技术学习来说是很好的补充和助手，极强的逼真程度和优美的画面能使学员产生浓厚的学习兴趣，取得较好的学习效果。
3??3仿真实战
仿真实战是用仿真系统来模拟运动员演练的技术、战术、环境，给运动员更直观的感受。仿真系统可以代替对手，对比赛中即将或可能出现的情况和问题进行模拟和演练，还能克服人为因素带来的干扰，最大程度地营造一个现实的比赛氛围，使运动员心理机能和结构得到强化和提高。如乒乓球比赛中模拟对手发球和回球线路等，可以增加运动参与者对对手的技战术适应性；模拟现场观众的态度和气氛、仿真情境，促使运动员更加专注投入比赛。
3??4心理适应性训练
仿真系统虽然具有自己的实效性，但是关于心理适应性训练的仿真效果还不是十分明显，目前应用较多的是虚拟实境语言的训练心理适应。在日常体育教学过程中，面对的对象多是没有经过专业训练的学生，当遇到一些难度动作时，学生往往会产生心理恐惧进而影响教学效果。如学员在做跳马技术练习中，多数学生第一次完成动作时会有紧张的心理现象，学生出于安全的考虑，往往不敢跳或动作错误，从而导致训练事故的出现。这种现象的解决办法通常是降低训练难度或者增加练习次数。这种情况可以根据运动的相对性原理，通过心理适应性训练增强心理承受力。而虚拟实境语言所提供的虚拟实境技术则为我们提供了强有力的工具。虚拟实境语言结合3D眼镜及投影机，最终产生的是真实的三维场景，经过模拟场景的训练，可以大大提高学生学习动作的效率，经过心理适应性训练，学员能够克服心理障碍，达到训练目的。
4结语
人是社会的主体，在以人为本的教育理念下，如何使体育教学发挥最大功能，是当前体育教学必须深思的问题，仿真技术在体育教学领域的应用必将成为未来发展的趋势。虽然目前计算机技术比较成熟，但是由于受软件功能、造价和应用条件等方面因素的影响，仿真技术在体育教学训练方面的应用研究还仅仅是一个开始，还需要进一步深入研究。同时这方面的研究成果可以提高学生动脑、动手的能力，极大地提高学生学习的积极性，还可解决康复训练、心理训练等方面的问题。仿真系统对体育教学的促进作用是毋庸置疑的，如何更好地发挥其功能，还需要计算机领域和体育科研领域专家的密切配合。
参考文献
〔1〕 王正中,屠仁寿??现代计算机仿真技术及应用〔M〕??北京:国防工业出版社??1991??
〔2〕王惠刚等??计算机仿真原理及应用〔M〕??北京:国防科技大学出版社,1994??
〔3〕燕国栋,孙晋海??体育教学领域中计算机仿真技术的应用〔J〕??体育科研,2008,29(5):68-70??
〔4〕罗晓东,王勤龙??谈虚拟现实技术及其在教学中的应用〔J〕??教育技术,2003,8:53-54??
〔5〕穆艳玲??体育教学仿真系统初探
〔6〕吴重光??仿真与教育〔J〕??系统仿真学报,2005,6:
1285－1288??
〔7〕胡敏??计算机仿真技术在物理教学中的应用浅探
〔J〕??计算机工程与科学,2001,1??
〔8〕李祥晨,孙晋海??体育系统仿真〔M〕??北京:人民体育出版社,2001??
〔9〕韩晓鸣??体育动作技能学习的网络教学模式探讨
〔J〕??体育文化导刊2003??4: 46-47??
〔10〕皮连生??学与教的心理学〔M〕??上海:华东师范大学出版社,1997??
（责任编辑：赵 环）