Особенности использования виртуальной реальности в спортивной практике

Леонов Сергей Владимирович Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Поликанова Ирина Сергеевна Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Булаева Наталья Игоревна Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Клименко Виктор Александрович Национальный исследовательский Томский государственный университет

Системы виртуальной реальности (ВР), изначально создаваемые для индустрии развлечений, теперь все чаще используются в исследователь­ских целях в различных областях науки. Доступнее стала покупка оборудования виртуальной реальности, накопился об­ширный мировой опыт создания вирту­альных сред и проведения научных экс­периментов с применением технологий виртуальной реальности. Для исследова­теля виртуальная реальность стала но­вым инструментом, с помощью которого можно решать широкий круг научных за­дач. ВР предоставляет новые возможности для проведения экспериментов, но она же накладывает определенные ограничения, связанные, с одной стороны, с техниче­скими характеристиками оборудования, а с другой стороны – с требованиями к подготовленности пользователей к ра­боте с этим оборудованием.

В широком контексте ВР является искусственной, техногенной средой, ко­торая имитирует реальные условия с уче­том специально сформулированных тре­бований и в контролируемых режимах (Neuman et al., 2018).

В области спорта технология вирту­альной реальности позволяет создавать искусственную, полностью контроли­руемую среду, имитирующую реальные условия спортивной деятельности. При одновременном применении систе­мы захвата движений и обратной связи (зрительной, слуховой) возможно до­биться полного погружения испытуемо­го в созданную виртуальную ситуацию, сделать ее интерактивной и произво­дить коррекцию действий спортсме­на в виртуальной ситуации в реальном времени. Виртуальная реальность от­крывает широкие возможности по мо­делированию различных спортивных сценариев, направленных на трениров­ку тех или иных навыков спортсмена. Кроме того, тренировки в условиях вир­туальной среды позволяют одновремен­но проводить мониторинг различных физиологических показателей спортсмена (ЭКГ, ЭЭГ и др.).

История применения искусственных сред в спортивной подготовке

Задолго до внедрения технологий вир­туальной реальности в спорт предпри­нимались различные попытки усовер­шенствовать тренировочный процесс с помощью создания искусственной спортивной среды (ИС) и повысить спортив­ные показатели атлета, проводя трениров­ки в искусственных условиях, частично воспроизводящих реальные. Так, в 1983 году была создана и успешно применялась искусственная среда для тренировки и мо­ниторинга состояния гребцов-академи­стов (Dal Monte, 1983).

В 1998 году создана механическая ком­пьютеризированная система, имитирую­щая условия парусного спорта (Walls et al., 1998). Бобслейный тренажер с системой управления движением и онлайн-мони­торингом был смоделирован в 2000 году и успешно использовался для совершенствования технико-тактического мастер­ства бобслеистов высшей категории (Kelly, Hubbard, 2000).

В гимнастике для создания искусствен­ной среды использовались видеоклипы, анимация, графика [1].

Гребной тренажер с визуальной, аку­стической и механической обратной свя­зью и возможностью корректировать тех­нику движений и уровень метаболических процессов был реализован в 2010 году (Frisoli et al., 2010).

В 2013 году исследователями была предпринята попытка создания «умного» тренажера с онлайн-обратной компью­терной связью для силовых тренировок. Все перечисленные разработки были направлены на повышение эффективности подготовки спортсменов. Эта цель дости­галась за счет искусственно созданных, более детерминированных, чем реальные, и полностью контролируемых трениро­вочных условий. В некоторых случаях в реальном времени отражалась инфор­мация об успешности действий спортсме­на и его состоянии. Эффективность тре­нировок в условиях искусственной среды в дальнейшем подтверждалась результата­ми реальных спортивных соревнований.

Спортивные ВР-игры

По мере развития технологий вирту­альной реальности фактор дороговизны оборудования становится менее значи­мым. Разные производители выпускают шлемы виртуальной реальности, доступ­ные широкому кругу пользователей. В связи с этим современные техноло­гии виртуальной реальности нашли свое применение в спортивно-игровой инду­стрии.

Изначально технологии виртуаль­ной реальности в сфере спорта исполь­зовались в целях оказания помощи элитным спортсменам. С увеличением доступности технологий ВР стал стре­мительно развиваться рынок так на­зываемых еxergame. Exergame или ак­тивные видеоигры – это видеоигры на консольных приставках, которые соче­тают в себе игровой процесс с физиче­скими движениями. Такие игры вносят свой вклад в воплощение девиза: «Спорт в массы» и могут помочь сменить сидячий образ жизни человека на более физически активный (Kim et al., 2014). С помощью таких игр стало возможным снятие многих ограничений, с которыми сталкиваются в реальных видах спорта (Merians et al., 2002).

В Корее, например, большую попу­лярность набрал VR-гольф (Kerr-Dineen, 2018). По некоторым оценкам, в Корее ежедневно около 200 000 человек занима­ются VR-гольфом (Bum et al., 2018). Более того, размер рынка VR-гольфа превысил фактический рынок гольфа, примерно 4 миллиона человек предпочитают играть в виртуальный, а не в настоящий гольф (Schupak, 2018).

Некоторые виртуальные игры, создан­ные на основе упражнений, разработан­ных профессиональными тренерами, основаны на удаленном подключении к серверу и предполагают онлайн-поддер­жку квалифицированных тренеров, а так­же напоминания о тренировках (Karkar et al., 2018).

Регулярные виртуальные спортивные тренировки могут оказать существенное положительное влияние на состояние ор­ганизма человека. На примере 4-х недель­ной тренировочной программы, в ходе которой требовалось выполнять упраж­нения из лыжного спорта, было показано значительное улучшение показателей здо­ровья испытуемых (сердечно-сосудистой системы, соотношение жировой и мышеч­ной массы, осанки и пр.) (Lee, Kim, 2018).

Виртуальные занятия спортом име­ют большую популярность, и одна из ее причин в том, что виртуальный спорт помогает современным людям избавить­ся от повседневной рутины, уменьшить стресс и чувствовать себя более бодрыми (Pressman et al., 2009).

В корейском исследовании, направ­ленном на изучение удовлетворенности мужчин и женщин занятиями различ­ными видами спорта (реальными и ВР), было выявлено различие выбора видов реального и виртуального спорта (Bum et al., 2018). В реальной жизни мужчи­ны больше участвовали в «мужских» ви­дах спорта таких, как бейсбол, баскетбол и футбол, а женщины – в «женских» видах спорта таких, как йога, плавание и пила­тес. Но в контексте виртуального спорта наблюдалась иная картина – и мужчины и женщины играли в футбол, баскетбол, гольф и другие виды спорта, т.е. в выборе вида спорта не наблюдалось гендерных различий. Авторы данного исследования рассматривают виртуальный спорт как инструмент, который позволяет людям играть вместе и который не направлен на подчеркивание «физического превосход­ства» одного человека над другим.

Виртуальные игры также могут быть на­целены на поддержание и улучшение фи­зической формы спортсменов. Для этих целей создаются приложения, несущие в себе соревновательный элемент и имею­щие прямое отношение к спортивным до­стижениям. Например, в нескольких рабо­тах были использованы такие связанные со спортом задачи, как езда на велосипеде, бег и гребля (Murray et al., 2016).

ВР как новый инструмент подготовки спортсменов

В современном спорте при подготов­ке атлетов в последнее время все больше внимания уделяется использованию вир­туальной реальности. Применение мето­дов виртуальной реальности открывает новые перспективы для спортивной пси­хологии. Но следует учитывать, что тех­нология виртуальной реальности имеет свои плюсы и возможности, и свои мину­сы и ограничения.

К виртуальным средам и к оборудо­ванию, используемым для исследования и тренировки спортсменов, предъявляют­ся определенные требования. Соблюдение данных требований обеспечивает созда­ние реалистичной иммерсивной среды.

Требования к средам и оборудованию и ВР среде:

1. Они должны обеспечивать реалистич­ный рендеринг (визуализацию изобра­жения) и отсутствие задержек между действиями человека и изменениями изображения.

2. Необходимо уменьшение явления ки­берболезни (тошнота и головокруже­ние при просмотре стереоизображе­ний).

3. Виртуальная среда должна воспроиз­водить реальные спортивные условия, в которых виртуальные стимулы и от­ветные реакции испытуемого соответ­ствуют таковым в реальной спортив­ной деятельности.

4. Чтобы приблизить виртуальную среду к реальной, необходимо осуществлять обратную связь в виде визуальных, так­тильных, акустических и, если возмож­но, обонятельных сигналов.

Преимущества использования ВР в спорте:

1. Интерактивность – субъект может взаимодействовать с объектами ВР.

2. Постоянный трекинг положения субъекта. Изображение подстраивается под него, вследствие чего увеличивает­ся чувство присутствия (Величковский, 2014, 2015; Величковский и др., 2016).

3. Изображение является стереоско­пическим. Это дает дополнительную ин­формацию о глубине в виртуальной сре­де (Vignais et al., 2015).

Эти достоинства технологии вирту­альной реальности позволяют создавать искусственную, полностью контролируе­мую среду, имитирующую реальные усло­вия спортивной деятельности и облада­ющие высокой степенью «экологической валидности». Одновременное примене­ние системы захвата движений и обрат­ной связи (зрительной, слуховой, так­тильной, обонятельной) позволяет добиться полного погружения испыту­емого в созданную виртуальную ситуа­цию. Также это дает возможность сделать виртуальную среду интерактивной и про­изводить коррекцию действий спортсме­на в виртуальной ситуации в реальном времени.

Виртуальная реальность открывает широкие возможности для моделирова­нию различных спортивных сценари­ев, направленных на тренировку тех или иных навыков спортсмена. Кроме того, тренировки в условиях виртуальной сре­ды позволяют одновременно проводить мониторинг различных физиологиче­ских показателей спортсмена (ЭКГ, ЭЭГ и др.).

Среди ограничений использования ВР в спорте можно выделить 3 класса про­блем:

1. Проблемы, связанные с оборудованием;

2. Проблемы, возникающие при исполь­зовании технологий виртуальной ре­альности;

3. Проблема оценки переноса навыков.

1. Проблемы, связанные непосредствен­но с оборудованием:

• Дороговизна оборудования;

• Необходимость привлечения раз­личных других технологий (дизайн виртуальных сред, создание и ани­мация виртуальных персонажей, за­хват движений субъекта и др.);

• Возможная задержка изображения при движении субъекта в виртуаль­ном пространстве;

• Реалистичность искусственно со­зданного окружения и персонажей может быть низкой;

• Необходимость ношения дополни­тельных аксессуаров, их вес и огра­ниченность угла зрения (шлем) мо­гут влиять на чувство присутствия;

• Нехватка физической обратной свя­зи;

• Возможные проблемы при высокой скорости движений (реакций) субъ­екта могут приводить к различным артефактам.

  В зависимости от применяемой техно­логии ВР (CAVE, HMD, Powerwall и т.д.) проблемы, связанные с оборудовани­ем, могут носить разный характер.

  HMD может быть непрактичным и даже потенциально опасным для не­которых видов спорта. Например, бег на беговой дорожке с использованием HMD может быть опасным, поскольку видение движущейся беговой дорожки удалено. Движения головы и потоотделение спортсмена также могут сделать HMD неудобным для ношения.

  В проекционных установках, таких как CAVE и Powerwall движения че­ловека ограничены небольшим про­странством перед экраном/экранами. Хрупкость материала нижнего экрана в CAVE (при наличии) ограничива­ет возможность выполнения прыжков и т.п.

2. Проблемы, возникающие при исполь­зовании технологий виртуальной ре­альности.

   В настоящее время в эксперименталь­ных исследованиях (Зинченко и др., 2010) выделяют следующие проблемы применения технологий виртуальной реальности:

• Проблема разработки нового поня­тийного аппарата (термины «вирту­альные миры» и «виртуальное созна­ние» уже используются в психологии в определенном контексте).

• Проблема классификации форм (способов) погружения субъекта (спортсмена) в виртуальный мир. «Погружение означает, что субъект погружаетcя в мир виртуальной ре­альности, воспринимает его и ее ви­зуальные объекты как часть этого мира. Возможны три формы погру­жения: «прямое», «опосредованное» и «зеркальное отражение», когда субъект, соответственно, воспри­нимает его как часть виртуально­го мира, видит его или часть своего тела в виртуальном мире или чувст­вует виртуальный мир и его/ее как в зеркале» (В.Б. Дорохов, 2006; цит. по: Зинченко Ю.П. и др., 2010).

• Проблема эффективности представ­ления объектов в виртуальной сре­де, т.е. определения минимального набора признаков, необходимых и достаточных для опознания объекта и «принятия» его в качестве реально­го (Reddy et al., 1997; цит. по: Зинчен­ко Ю.П. и др., 2010).

• Проблема разработки технологий психофизических измерений «вир­туальных признаков» с целью ор­ганизации целенаправленного воз­действия на субъекта ВР среды и объективной оценки степени тако­го воздействия (Whitton, 2003; цит. по: Зинченко Ю. П. и др., 2010).

• Кроме того, некоторые авторы от­мечают, что применение техноло­гий виртуальной реальности для тренировки спортсменов возможно не во всех видах спорта (невозмож­но, например, в плавании или в тре­нировке высокоточных движений) (Michalski et al., 2019).

3. Проблема оценки переноса навыков.

   Проблема оценки переноса в реаль­ную деятельность навыков, сформи­рованных в виртуальной реальности, заслуживает отдельного обсуждения. Некоторые исследователи предприня­ли попытку анализа обширного объе­ма литературных источников с целью обнаружения достоверной информа­ции о переносе навыков из ВР в реаль­ную жизнь. При этом в очень малой ча­сти исследований данные о переносе навыков соответствуют необходимым критериям. Приводятся следующие критерии достоверности информации о переносе навыка:

• «Real-world assessment» – оценка успешности выполнения того или иного действия до и после экспери­мента;

• «Control group» – наличие контроль­ной группы испытуемых;

• «Random allocation of participants» – случайный порядок групп;

• «Blinding of assessor» – эксперт не знает, к какой группе принадле­жит оцениваемый испытуемый;

• «Comprehensive assessment (additional)» – дополнительная оцен­ка параметров успешности спортсмена в условиях реальной спортив­ной деятельности (Michalski et al., 2019). 

  В научной литературе также указы­вается на несоответствие большинства экспериментов процедурным требова­ниям (отсутствие рандомизации групп) и на недостаток доказательств переноса навыков после тренировки в виртуаль­ной реальности (Petri et al., 2018). Более того, следует обратить особое внимание, что некоторые навыки, сформированные в ходе ВР тренировок, могут приводить к физическим травмам в реальной спор­тивной деятельности (Shei, 2018).

Создание и моделирование виртуальных сред в спортивной практике

Я. Янг в своей статье (Yang, 2018) проводит анализ ключевых техноло­гий, применяемых в системе моделиро­вания физической подготовки, включая технологию моделирования человека, технологию сбора данных, технологию проектирования сцены и технологию взаимодействия системы. Технология виртуальной реальности основывает­ся на создании системы, состоящей из 5 модулей: тестирования, обратной свя­зи, сенсоров (точная запись движений с помощью специальных сенсоров), контроллера и 3D модели. Правильная ра­бота и взаимодействие этих модулей со­здают оптимальную виртуальную среду. Компьютерная виртуальная реальность имеет три характеристики, а именно: по­гружение, интерактивность и восприятие среды.

Создание виртуальной среды предо­ставляет новую платформу для современ­ного спортивного обучения. Благодаря обратной связи от виртуальной среды, стимуляция имеет значительную силу воздействия, кроме того, она может по­мочь стимулировать мышление, в том числе творческое, а также креативность у начинающих спортсменов, тем самым углубляя эффекты обучения.

Технология моделирования человека, как правило, основана на использовании физических (форма, структура, спортив­ные возможности и др.) и физиологи­ческих (функциональный индекс, арте­риальное давление и др.) характеристик человеческого тела. Технология сбора данных представляет собой систему оп­тического трекинга, которая осуществ­ляет точную запись реальных движений человека в трехмерном пространстве с помощью получения информации со специальных датчиков. На основе данной информации уже может быть сгенериро­вано виртуальное движение, в том числе множество сложных движений. Трекинг движений человека может быть исполь­зован во время спортивного обучения и формирования новых двигательных навыков для обеспечения обратной свя­зи об успешности выполняемых испыту­емым действий и коррекции моторных ошибок в режиме реального времени (Hülsmann et al., 2018).

Технология дизайна сцены пред­ставляет собой графическую анимацию с высокой точностью определенных сред, созданную посредством использо­вания специального программного обеспечения (например, CAD или 3DS MAX).

Технология системного взаимодействия обеспечивает интерактивность виртуальной среды за счет синхрониза­ции пользователей в моделируемой сре­де. Например, с помощью использования специального оборудования, в частности, при имитации футбола – с помощью лег­кой одежды и специальных перчаток.

Д. Ньюман с коллегами (Neuman et al., 2018) выделяют в ВР четыре основных компонента: среда виртуальной реаль­ности, спортивное задание, спортсмен и среда без виртуальной реальности.

Среда виртуальной реальности являет­ся уникальным компонентом для приме­нения виртуальной реальности в спорте и находится в центре внимания боль­шинства исследований. Второй компонент – используемое спортивное зада­ние будет различным в соответствии с задачами его применения и может варьироваться в зависимости от вида спорта. Третий компонент включает характе­ристики спортсмена такие, как уровень его квалификации и конкурентоспособ­ность. Характеристики атлета могут дей­ствовать независимо или взаимодейство­вать с другими элементами системы ВР, оказывающими влияние на результаты. Четвертый компонент охватывает те ас­пекты реальной окружающей среды, в ко­торых спортсмен выполняет задачу (тем­пература окружающей среды, влажность и время суток), и которые являются важ­ными факторами, способными повлиять на результаты). Сочетание четырех ком­понентов может способствовать улучше­нию результативности атлетов в крат­косрочной и долгосрочной перспективе (Neuman et al., 2018).

Применение технологий ВР в спорте высших достижений

Виртуальная реальность, применитель­но к спорту высших достижений, может быть определена как использование смо­делированной на компьютере спортивной среды, которая нацелена на то, чтобы выз­вать у атлета чувство присутствия и обес­печивать взаимодействие с этой средой (Neuman et al., 2018). Важно, чтобы ВР по­зволяла осуществлять интерактивность, т.е. взаимодействие со средой (ВР или элемен­ты внутри нее могут перемещаться или из­меняться в ответ на действия спортсмена), что увеличивает эффект присутствия.

В мировой спортивной практике немало случаев успешного применения технологий виртуальной реальности в подготовке спортсменов высшей квали­фикации. Среди основных направлений использования ВР в спорте можно выде­лить следующие:

• подготовка к соревнованиям в части ознакомления с конкретной соревно­вательной инфраструктурой (стадио­ны, трассы и др.);

• совершенствование спортивных навы­ков, включая тактические тренировки;

• процесс реабилитации спортсмена, например, при получении травмы;

• обучение спортивным навыкам и др.

Системы виртуальной реальности для спортивных тренировок впервые стали использоваться в США и Европе в начале 1990-х годов (Lee et al., 2004). В это вре­мя классическими видами спорта, в кото­рых применялись системы виртуальной реальности, были американский фут­бол, стрельба из лука, теннис, стрельба и гольф. Системы виртуальной реальности помогали имитировать тренировочные процессы, а также проводить умственные тренировки, в первую очередь, у элитных атлетов.

Одним из первых направлений ис­пользования ВР в спорте было ознаком­ление атлетов с соревновательной ин­фраструктурой с помощью виртуальной среды (стадионами, трассами и др.).

В Великобритании, например, начали работать в этом направлении во время подготовки к Олимпийским играм в Лон­доне в 2012 году (проект VR-Vantage) [2]. Основной акцент был сделан на летние виды спорта (парусный спорт, гребной спорт, триатлон). Есть возможность адап­тировать этот проект для зимних видов спорта (бобслей, скелетон, горнолыж­ный спорт и другие). Целью данного ме­тода являлась адаптация спортсменов к новым трассам и условиям, а соответст­венно и минимизация дополнительного стресса, связанного с новой обстановкой.

Технология виртуальной реальности была использована американскими гор­нолыжниками для осваивания соревно­вательных трасс в рамках подготовки к Олимпийским играм в Южной Корее в 2018 году [3]. Американская ассоциация лыж и сноуборда использует данную тех­нологию также для реабилитации спортсменов после получения ими травм. Так, американская горнолыжница Лорен Росс (Laurenne Ross) после повреждения ме­ниска была лишена возможности про­водить реальные тренировки, а реабили­тационный процесс должен был занять около двух лет. Вместо этого, она прош­ла курс реабилитации с использовани­ем технологий виртуальной реальности, разработанных американской компани­ей STRIVR, что позволило ей значимо со­кратить срок реабилитации.

В 2016 году в совместном отчете ис­панских и британских ученых было от­мечено, что использование технологий виртуальной реальности является эф­фективным инструментом обучения мо­торным навыкам, даже в таких слож­нокоординационных видах спорта, как настольный теннис [4]. Кроме того, дан­ная технология помогла игрокам амери­канской футбольной команды «Детройт Пистонс» увеличить результативность почти на треть, благодаря отработке кон­кретных приемов с ее помощью.

Можно привести пример использо­вания технологий виртуальной реаль­ности и в баскетболе. Так, «Philadelphia 76ers» использует технологии виртуаль­ной реальности для отработки и улучше­ния бросков у своих игроков, в частности у игрока Маркела Фульца (Markelle Fultz). В настоящее время многие команды NBA используют технологии виртуаль­ной реальности, чтобы лучше трениро­вать своих спортсменов [5]. Американская компания ЕON Sports VR разработала современную систему обучения бейсболу для Yokohama DeNA Baystars, которая ис­пользовалась японской профессиональ­ной командой [6].

Применение технологий виртуальной реальности при реабилитации спортсменов после полученных травм может способствовать более быстрому восста­новлению двигательных функций по­врежденной конечности. Это, вероятно, связано с отвлечением внимания спортсмена от осознанного контроля опорнодвигательной системы и, соответственно, снятием излишнего напряжения и ско­ванности в конечностях (Gokeler et al., 2014).

Удобство, комфорт и эффективность реабилитационных упражнений мо­гут быть значительно повышены с при­менением технологий виртуальной реальности. Игровой характер упражне­ний, обратная визуальная связь, подбор упражнений в соответствии с характе­ром и тяжестью травмы усиливают ин­терес и удовлетворенность испытуемых от реабилитационных мероприятий. А это, в свою очередь, приводит к повы­шению эффективности восстановитель­ных упражнений (Shi et al., 2018).

Конечно, технологии ВР не смогут за­менить реальные физические упражне­ния, нагрузки и игры, но в спорте высших достижений атлеты часто сталкиваются с проблемой временной невозможности проведения тренировок: получение трав­мы, постоянные переезды, отсутствие до­ступа к спортивным объектам (фигурное катание, бобслей, саночный спорт, горные лыжи и др.). Тренировки же с помощью ВР позволяют тренировать ментальную со­ставляющую тренировочного процесса (внимание на детали, выбор правильного реагирования на ситуацию, скорость реагирования, привыкание к определенной среде/условиям/трассе и др.).

Следует отметить еще одну важную составляющую подготовки спортсменов – оценка и корректировка его эмоцио­нальной сферы. Неудачи, низкие резуль­таты в соревнованиях, травмы могут не­гативно влиять на чувство компетенции спортсмена и на его спортивную производительность, при этом не напрямую, а вследствие восприятия данных собы­тий как негативных самим спортсме­ном. В таких случаях в психотерапевти­ческих целях может помочь виртуальная реальность, в которой спортсмену де­монстрируются его действия, но немно­го измененные и «улучшенные». Такая дезинформация может привести к со­зданию у спортсменов ложных (положи­тельных) воспоминаний о собственных физических характеристиках и способствовать профилактике или лечению тре­вожности или травмы после неудачного выступления на соревнованиях (Cuperus et al., 2016).

Помимо направлений использова­ния ВР, связанных с подготовкой атле­тов, стоит упомянуть еще одно достаточ­но новое и набирающее популярность направление, связанное с наблюдением за матчами со зрительских позиций по­средством ВР технологий – Virtual Reality Spectatorship (Daehwan et al., 2019), ко­торые позволяют усилить впечатления и удовольствие от зрительного просмотра матча или игры за счет интерактивности и усиления эффекта присутствия.

В отечественных исследованиях ис­пользование технологии ВР становится все более популярным. Например, мето­дика обучения тактическим действиям путем моделирования игровых ситуаций в виртуальной реальности была создана на базе Поволжского государственного технологического университета (Рожен­цов, Афоньшин, 2013). Методика позво­ляет моделировать неограниченное число игровых ситуаций, анализировать различные варианты их развития, раз­вивать игровое мышление игроков и их взаимодействие в команде. Методика ак­тивно применялась и показала свою эф­фективность.

На факультете психологии МГУ имени М.В. Ломоносова разрабатывалась мето­дика объективной диагностики устойчи­вости вестибулярной функции с приме­нением средств виртуальной реальности (CAVE) и системы регистрации движений глаз. Технология виртуальной реально­сти в данном случае выступила в качест­ве инструментария для создания условий нарушения работы вестибулярной функ­ции различной интенсивности путем инициации сенсорного конфликта меж­ду зрительным и вестибулярным сигнала­ми. В качестве испытуемых в исследова­нии выступали фигуристы, футболисты и ушуисты. Была выявлена бÓльшая устойчивость вестибулярной функции у фигуристов, по сравнению с футболи­стами и ушуистами (Ковалев и др., 2017).

В МГУ имени М.В. Ломоносова в от­деле прикладных исследований по ма­тематике и механике механико-мате­матического факультета проводится разработка технологий виртуальной ре­альности и оценка возможности их при­менения в спорте. В частности, создан симулятор дельтаплана (воссоздана часть возможных элементов полета), управле­ние которым приближено к реальному, и симулятор колесного транспортно­го средства для передвижения по Луне и Марсу (в рамках сотрудничества с Ин­ститутом медико-биологических про­блем). В основе данных симуляторов лежит информация, получаемая при по­мощи технологии захвата движения. Для захвата движений разработчиками од­новременно используются две системы трекинга: оптическая и инерциальная, что позволяет в реальном времени бы­стро и точно получать данные о движе­ниях, используя плюсы и компенсируя минусы обеих систем. С помощью специ­ального программного обеспечения по­лучены пока сырые данные, но они мо­гут быть использованы для построения модели движения и анимирования вирту­ального персонажа (аватара) (Кручини­на, Чертополохов, 2016).

Использование виртуальных соперников в спортивной практике

В последние десятилетия проводи­лись работы по анализу потенциала ком­пьютерного графического моделиро­вания для изучения антиципации (Shei et al., 2018; Schupak et al., 2018; Sherman, Craig, 2002; Ruffaldi et al., 2012; Bideau et al., 2004; Vignais et al., 2010; Kulpa et al., 2013). С помощью этого метода отслежи­ваются и записываются движения реаль­ных спортсменов, которые используются для анимации виртуальных персона­жей – аватаров, которые выступающих в роли соперников или партнеров. За­пись движений человека, основанная на фиксации и компьютерной обработ­ке положений датчиков, крепящихся на частях тела человека (motion capture), – это более удобный и быстрый способ моделирования движений виртуально­го персонажа (аватара), чем «покадро­вое» моделирование движений (Lee et al., 2004; Menshikova et al., 2016; Saveleva et al., 2016; Menshikova, Krasilschikova, 2017; Menshikova, Tikhomandritskaya, 2018).

Различные исследования доказали, что использование виртуального сопер­ника – это разумный подход при усло­вии, что графический дизайн персонажа является подходящим (Walls et al., 1998). Например, французскими учеными по­казано (Bideau et al., 2004), что вратари в гандболе реагируют на такого персона­жа так же, как и на настоящего спортсме­на. В ряде исследований (Slater, 2009) выявлено, что реакция спортсменов-ка­ратистов на трехмерного виртуального персонажа гораздо реалистичнее и бы­стрее, по сравнению с двухмерной ви­део-презентацией. Кроме того, спортсмены чувствовали себя более комфортно в виртуальной трехмерной среде, бла­годаря предоставленной информации о глубине пространства.

Тем не менее, в настоящее время от­мечается, что особенности взаимодей­ствия спортсмена и виртуального пер­сонажа остаются недостаточно изучены (Pressman et al., 2009). Таким образом, со­здание виртуальных персонажей, адапти­рованных к спортивным условиям, пре­доставляет хорошие перспективы для развития тренировочного процесса.

Можно привести пример создания та­кого виртуального персонажа – аватара в карате. Немецкими учеными проведе­но исследование, направленное на созда­ние виртуального автономно взаимодействующего персонажа для виртуального обучения приемам каратэ кумитэ (Zhang, 2018). Данный виртуальный персонаж мо­жет взаимодействовать в режиме реально­го времени со спортсменом, подходить к нему и осуществлять разные адекватные атаки в зависимости от поведения челове­ка. Данный персонаж был протестирован на профессиональных каратистах, при этом спортсменами он воспринимался, как правило, как реальный соперник. Эта технология была оценена экспертами как полезная при обучении приемам каратэ кумитэ. Автономное поведение виртуаль­ного персонажа – KaraKterа определялось основными правилами и анализом боевых ситуаций в каратэ кумитэ (Petri et al., 2015; Zhang et al., 2018). Техническая оценка по­казала, что у KarиKterа время реакции око­ло 180 мс в виртуальной среде, а на основе проекций около 90 мс, если использует­ся Oculus Rift. Первое время соответству­ет среднему времени реакции человека, а второе – находится в диапазоне време­ни реакции высококвалифицированных спортсменов. Таким образом, использо­вание такого аватара является весьма эф­фективным инструментом совершенство­вания тренировочного процесса.

Эффект социального присутствия в виртуальной вреде – т.е. ощущения атле­та, находящегося в виртуальной среде, от общения с другими людьми является од­ним из важных факторов ВР, влияющих на эффект погружения, на чувство удовольст­вия от нахождения в ВР и, в конечном итоге, на эффективность спортивных упраж­нений. В ряде исследований показано, что такое социальное присутствие влияет как на мотивацию спортсменов, так и на их результативность. В исследовании Нюнс с коллегами (Nunes et al., 2014) показано, что участники предпочитали бегать в при­сутствии виртуальных людей, чем просто одним бегать по виртуальному курсу. В ис­следовании Ирвина с коллегами (Irwin et al., 2012) продемонстрировано усиление мотивации, когда испытуемые ездили на велосипеде в ВР не в одиночку, а с други­ми виртуальными соперниками. Поэтому, соревнуясь с виртуальным соперником, атлеты могли показывать более высокие результаты, по сравнению с одиночным катанием.

Присутствие других виртуальных лю­дей в среде ВР может использоваться для более активного стимулирования сорев­новательного поведения. Андерсон-Хан­лей с коллегами (Anderson-Hanley et al., 2011) провели на пожилых людях иссле­дование езды на киберцикле в ВР, кото­рые ездили в одиночку и в присутствии аватаров. В последнем случае участников просили опередить аватаров. В этом слу­чае результаты были значительно выше, по сравнению с одиночной ездой.

Соревновательные ситуации, значи­тельно мотивирующие спортсменов, мо­гут создаваться в виртуальной среде раз­личными способами. Андерсон-Хэнли с коллегами (Anderson-Hanley et al., 2011) разработали три режима соревнования: когда участники просто старались улуч­шить свои результаты, когда они конку­рировали с человеком, превосходящим их по показателям, и когда они конкури­ровали с любым человеком, ими выбран­ным. Было показано, что все типы соревновательных ситуаций увеличивали прилагаемые спортсменами усилия (из­меряемые по частоте сердечных сокра­щений).

Заключение

Виртуальная реальность в спорте при­меняется достаточно широко и разно­планово. С его помощью можно решать различные типы спортивных задач, тре­нировать спортсменов разных видов спорта, используя разнообразные совре­менные технологии ВР.

Ряд исследователей изучали вопро­сы, касающиеся влияния использования технологии ВР на спортивные результа­ты. Сравнивались результаты, получен­ные при использовании ВР и без ее использования (Annesi, Mazas, 1997; Legrand et al., 2011; Mestre et al., 2011; Plante et al., 2003), изучались эффекты погруже­ния в виртуальную среду (Ijsselsteijn et al., 2004; Vogt et al., 2015; Величковский, 2014, 2015; Величковский и др., 2016), выявля­лись различия между управляемыми ком­пьютером и реальными виртуальными конкурентами (Snyder et al., 2012).

Использование технологий виртуаль­ной реальности для организации тре­нировочного процесса в спорте обла­дает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными тренировками. Оно снимает ряд ограничений, накладывае­мых реальным спортом. В частности, ВР предотвращает травмирование атлета, позволяя атлету вначале отрабатывать сложные элементы в виртуальной среде, а уже потом – в реальной. Также ВР по­зволяет задавать любые средовые условия (погода, влажность, уровень соперника и многие др.), чего сложно добиться в ре­альности. ВР не зависит от экипировки, погоды или места, что дает возможность заниматься труднодоступными и дороги­ми видами спорта (например, гольфом, бейсболом и др.).

Важное значение для успешной спор­тивной деятельности имеет разработка и использование виртуальных персона­жей – аватаров, которые зарекомендо­вали себя как эффективные инструменты повышения мотивации спортсменов на достижение более высоких резуль­татов. Исследования в данной области показали, что создание таких аватаров, адаптированных к спортивным услови­ям, предоставляет хорошие перспективы для развития тренировочного процесса в спорте, в том числе в спорте высших до­стижений.

Информация о грантах и благодарностях

Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 19-78-10134.

Сноски:

1.Тренировка в условиях искусственной среды и виртуальной реальности [Электронный ресурс] // Sportwiki. Спортивная энциклопедия : сайт. URL: http://sportwiki.to/Тренировка_в_условиях_искусственной_среды_и_виртуальной_реальности 

2.Virtual reality technology is helping British athletes feel at home when competing abroad [Электронный ресурс] // Uk sport/ Inspire the national : сайт. URL: http://www.uksport.gov.uk/news/2016/07/22/british-athletes-use-virtual-reality-technology-for-a-home-field-advantage

3.STRIVR [Электронный ресурс]: URL:strivr.com/press/

4.VR sport: budding perk for training and entertainment [Электронный ресурс] // Teslasuit : сайт. URL: https://teslasuit.io/blog/virtual-reality/vr-sport-for-training-and-entertainment

5.Virtual Reality (VR) in the NBA [Электронный ресурс] // Mnivirt : сайт. URL: https://www.omnivirt.com/blog/virtual-reality-nba/

6.EON Sports VR Provides State-of-the-art baseball training system to Yokohama DeNA Baystars // Eon reality : сайт. URL: https://www.eonreality.com/press-releases/eon-sports-vr-provides-state-art-baseball-training-system-yokohama-dena-baystars

Литература:

Величковский Б.Б. Психологические факторы возникновения чувства присутствия в виртуальных средах // Национальный психологический журнал. – 2014. – Т. 15. – № 3. – С. 31–38. doi: 10.11621/npj.2014.0304

Величковский Б.Б. Особенности когнитивного контроля как фактор возникновения чувства присутствия в виртуальной среде // Современное состояние и перспективы развития психологии труда и организационной психологии : сборник материалов международной научно- практической конференции (Москва, 15–16 октября 2015 года). – Москва : Институт психологии РАН, 2015. – С. 447–449.

Величковский Б.Б., Гусев А.Н., Виноградова В.Ф., Арбекова О.А. Когнитивный контроль и чувство присутствия в виртуальных средах // Экспериментальная психология. – 2016. – Т. 9. – № 1. – С. 5–20. doi:10.17759/exppsy.2016090102.

Зинченко Ю.П., Меньшикова Г.Я., Баяковский Ю.М., Черноризов А.М., Войскунский А.Е. Технологии виртуальной реальности: методологические аспекты, достижения и перспективы // Национальный психологический журнал. – 2010. –№ 2(4). – C. 64–71.

Ковалев А.И., Климова О.А. Диагностика устойчивости вестибулярной функции спортсменов с применением технологии виртуальной реальности // Спортивный психолог. – 2017. – № 3(46). – С. 4–8.

Кручинина А.П., Чертополохов В.А. Применение технологий виртуальной реальности в спорте : сборник материалов Всероссийской научно0практической конференции по вопросам спортивной науки в детско-юношеском спорте и спорте высших достижений. ‒ Москва, 2016. ‒ С. 196‒201.

Роженцов В.В., Афоньшин В.Е. Тактическая подготовка в игровых видах спорта с использованием виртуальной реальности // Программные системы и вычислительные методы. ‒ 2013. ‒ № 3. ‒ С. 272‒276.

Abdel Ghani Karkar, Somaya AlMaadeed, Rehab Salem, Mariam AbdelHady, Sara Abou-Aggour, & Hafsa Samea KinFit (2018). A Factual Aerobic Sport Game with Stimulation Support. International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET), 13(12), 50–67. doi: 10.3991/ijet.v13i12.8626

Anderson-Hanley C., Snyder A.L., Nimon J.P., & Arciero P.J. (2011). Social facilitation in virtual reality-enhanced exercise: competitiveness moderates exercise effort of older adults. Clin Interv Aging, 6, 275–280. doi:10.2147/cia.s25337

Anne A. Cuperus, & Ineke J.M. van der Ham (2016). Virtual reality replays of sports performance: Effects on memory, feeling of competence, and performance. Learning and Motivation, 56, 48–52. doi: 10.1016/j.lmot.2016.09.005

Annesi J.J., & Mazas J. (1997). Effects of virtual reality-enhanced exercise equipment on adherence and exercise-induced feeling states. Percept Motor Skill, 85, 835–844. doi:10.2466/pms.1997.85.3.835

Bideau B, Multon F, Kulpa R, Fradet L, Arnaldi B, & Delamarche P. (2004). Using virtual reality to analyze links between handball thrower kinematics and goalkeeper’s reactions. Neurosci Lett; 372(12), 119–122. doi: 10.1016/j.neulet.2004.09.023

Chul-Ho Bum, Tara Q. Mahoney & Chulhwan Choi (2018). A Comparative Analysis of Satisfaction and Sustainable Participation in Actual Leisure Sports and Virtual Reality Leisure Sports. Sustainability, 10(10), 347. doi: 10.3390/su10103475

Dal Monte, A. (1983). La valutazione funzionale dell’ atleta. Roma, Sansoni. Ed., Firenze.

David L. Neuman, Robyn L. Moffitt, Patrick R.Thomas, Kylie Loveday, David P. Watling, Chantal L. Lombard, Simona Antonova, & Michael A. Tremeer (2018). A systematic review of the application of interactive virtual reality to sport. Virtual Reality, 22, 183–198. doi: 10.1007/s10055-017-0320-5

Felix Hülsmann, Jan Philip Göpfert, Barbara Hammer, Stefan Kopp, & Mario Botsch (2018). Classification of motor errors to provide real-time feedback for sports coaching in virtual reality — A case study in squats and Tai Chi pushes. Computers & Graphics, 76, November, 47–59. doi: 10.1016/j. cag.2018.08.003

Frisoli, A., Ruffaldi, E., Filippeschi, A. et al. (2010). In-door skill training in rowing practice with a VR based simulator. Int J Sport Psychol, 10, 14–17.

Gokeler, Alli & Bisschop, Marsha & Myer, Gregory & Benjaminse, Anne & Dijkstra, Pieter & Burgerhof, Johannes & Otten, Egbert & van Keeken, Helco & Raay, Jos. (2014). Immersive virtual reality improves movement patterns in patients after ACL reconstruction: implications for enhanced criteria- based return-to-sport rehabilitation. Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy. 24. doi: 10.1007/s00167-014-3374-x.

Ijsselsteijn W., de Kort Y., Westerink J., de Jager M., Bonants R. (2004). Fun and sports: enhancing the home fitness experience. Lect Notes Comput Sci, 3166, 46–56. doi:10.1007/978-3-540-28643-1_8

Irwin B.C., Scorniaenchi J., Kerr N.L., Eisenmann J.C., Feltz D.L. (2012). Aerobic exercise is promoted when individual performance affects the group: a test of the Kohler motivation gain effect. Ann Behav Med, 44, 151–159. doi:10.1007/s12160-012-9367-4

Jehee Lee, & Kang Hoon Lee. Precomputing Avatar Behavior From Human Motion Data. Graphical models, 68(2), 158–174. doi: 10.1016/j. gmod.2005.03.004

Petri K., Bandow N., & Witte K. (2018). Using Several Types of Virtual Characters in Sports - a Literature Survey. International Journal of Computer Science in Sport, 17(1), 1–48. doi: 10.2478/ijcss-2018-0001

Kelly, A., & Hubbard, M. (2000). Design and construction of a bobsled driver training simulator. Sports Engineering, 3, 13–25. doi: 10.1046/j.1460- 2687.2000.00037.x

Kerr-Dineen, L. (2018). This Is a Simulation. (And It’s Still Golf!). Golfdigest.com. Retrieved from: https://www.golfdigest.com/story/this-is-a-simulation-and-its-still-golf-golf-simulators (accessed 2 July 2019).

Kim Daehwan, & Кo Yong Jae (2019). The impact of virtual reality (VR) technology on sport spectators’ flow experience and satisfaction. Computers in human behavior, (95), 346–356. doi: 10.1016/j.chb.2018.12.040

Kim S.Y., Prestopnik N., & Biocca F.A. (2014). Body in the interactive game: how interface embodiment affects physical activity and health behavior change. Comput Hum Behav, 36, 376–384. doi:10.1016/j.chb.2014.03.067

Kulpa R., Bideau B., Brault S. (2013). Displacements in virtual reality for sports performance analysis. New York, NY: Springer, 299–318. doi: 10.1007/978- 1- 4419- 8432- 6 _ 13 .

Lee, H.T., & Kim, Y.S. (2018). The effect of sports VR training for improving human body composition. J Image Video Proc., 148. doi: 10.1186/s13640- 018-0387-2

Lee, K.C. (2004). Future directions for an applications of virtual reality in physical education. Korean J. Phys. Educ., 43, 337–347.

Legrand F.D., Joly P.M., Bertucci W.M., Soudain-Pineau M.A., & Marcel J. (2011). Interactive-Virtual Reality (IVR) exercise: an examination of in-task and pre-to-post exercise affective changes. J Appl Sport Psychol, 23, 65–75. doi:10.1080/10413200.2010.523754

Liang Zhang, Guido Brunnett, Katharina Petri, Marco Danneberg, Steffen Masik, Nicole Bandow, & Kerstin Witte (2018). KaraKter : An autonomously interacting Karate Kumite character for VR-based training and research. Computers & Graphics, 72, 59–69. doi: 10.1016/j.cag.2018.01.008

Menshikova G., & Krasilschikova N. (2017). Testing the interaction with a self-avatar using behavioral measures. Psychophysiology, Blackwell Publishing Inc. (United Kingdom), 54(1), S141–S141.

Menshikova G., & Tikhomandritskaya O. (2018). Gender bias when intercating with avatars. International Journal of Psychophysiology, Elsevier BV (Netherlands), 131, 116–117. doi:10.1016/j.ijpsycho.2018.07.315

Menshikova G.Ya, Saveleva O.A., & Zinchenko Yu P. (2016). Effects of interpersonal distance during interactions with avatars in virtual environments. International Journal of Psychophysiology, Elsevier BV (Netherlands), 108, 163–163. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2016.07.467

Menshikova G.Ya, Tikhomandritskaya O.A., Saveleva O.A., & Popova T.V. (2018). Gender Differences in Interactions with Avatars of Diverse Ethnic Appearances. Psychology in Russia: State of the Art, 11(4), 211–222. doi: 10.11621/pir.2018.0414

Merians, A.S., Jack, D., Boian, R., Tremaine, M., Burdea, G.C., Adamovich, S.V., Recce, M., & Poizner, H. (2002) Virtual reality-augmented rehabilitation for patients following stroke. Phys Ther, 82(9), 898–915. doi: 10.1093/ptj/82.9.898

Mestre D.R., Ewald M., & Maiano C. (2011). Virtual reality and exercise: behavioral and psychological effects of visual feedback. Stud Health Technol Inf, 167, 122–127. doi:10.3233/978-1-60750-766-6-122

Murray E.G., Neumann D.L., Moffitt R.L., & Thomas P.R. (2016). The effects of the presence of others during a rowing exercise in a virtual reality environment. Psychol Sport Exerc, 22, 328–336. doi:10.1016/j.psychsport.2015.09.007

Nicolas Vignais, Richard Kulpa, Sébastien Brault, Damien Presse, & Benoit Bideau (2015). Which technology to investigate visual perception in sport: video vs. virtual reality. Human movement science, 39, 12–26. doi: 10.1016/j.humov.2014.10.006

Nunes M., Nedel L., & Roesler V. (2014). Motivating people to perform better in exergames: Competition in virtual environments. In: Proceedings of the 29th annual ACM symposium on applied computing. ACM, New York, 970–975. doi:10.1145/2554850.2555009

Petri K., Bandow N., Emmermacher P., Schrumpf R., Masik S., & Zhang L. et al. (2015). Development of a decision system for an autonomous interacting character in a virtual reality environment to study anticipation in karate kumite. In: Sport- technologie zwischen Theorie und Praxis VI. Aachen, Germany: Shaker, 150–5. ISBN 978-3-8440-3974-0

Plante T.G., Aldridge A., Bogden R., & Hanelin C. (2003). Might virtual reality promote the mood benefits of exercise? Comput Hum Behav, 19, 495–509. doi:10.1016/S0747-5632(02)00074-2

Pressman, S. Matthews, K.A. Cohen, S. Martire, L.M. Scheier, M. Baum, A. & Schulz, R. (2009). Association of enjoyable leisure activities with psychological and physical well-being. Psychosom. Med., 71, 725–732. doi:10.1097/PSY.0b013e3181ad7978

Ren-Jay Shei (2018). Competitive influences of running applications on training habits. The Physician and sportsmedicine, 46(4), 414–415. doi:10.1080/ 00913847.2018.1483696

Ruffaldi E., Filippeschi A., Varlet M., Hoffmann C., & Bardy B. (2012). Design and evaluation of a multimodal virtual reality platform for rowing training. In: Bergamasco M, Bardy B, Gopher D, (eds). Skill training in multimodal virtual environments. CRC Press/Taylor & Francis, Ltd., 173–86. 10.1201/ b12704-16

Saveleva O.A., Zacharkin D.V., & Menshikova G.Ya. (2016). Body and eye movements during interactions with avatars in virtual environments. Perception, Sage (London, England), 45(S2), 62–63.

Schupak, A. (2018). Simulated Golf, Real Results: Off-Course Participation Helps Drive Engagement. National Golf Foundation. Retrieved from: https:// www.thengfq.com/2018/01/simulated-golf-real-results-offcourse-participation-helps-drive-engagement/ (accessed 15 July 2019).

Sherman W.R., & Craig A.B. (2002). Understanding virtual reality: interface, application, and design. Elsevier, San Francisco

Shi, Y., & Peng, Q. (2018). A VR-based user interface for the upper limb rehabilitation. In Procedia CIRP, 78, 115–120, doi: 10.1016/j.procir.2018.08.311

Slater M. (2009). Place illusion and plausibility can lead to realistic behaviour in immersive virtual environments. Philos T R Soc B, 364, 3549–3557. doi:10.1098/rstb.2009.0138

Snyder A.L., Anderson-Hanley C., & Arciero P.J. (2012). Virtual and live social facilitation while exergaming: competitiveness moderates exercise intensity. J Sport Exerc Psychol, 34, 252–259. doi: 10.1123/jsep.34.2.252

Stefan C. Michalski, Ancret Szpak, & Tobias Loetscher (2019). Using Virtual Environments to Improve Real-World Motor Skills in Sports: A Systematic Review. Frontiers in psychology, 10, 1–9. doi: 10.3389/fpsyg.2019.02159

Velichkovsky Boris B., Gusev Alexey N., Kremlev Alexander E., & Grigorovich Sergey S. (2017). Cognitive Control Influences the Sense of Presence in Virtual Environments with Different Immersion Levels. Lecture Notes in Computer Science, 10324, 3–16. doi: 10.1007/978-3-319-60922-5_1

Vignais N., Kulpa R., Craig C., Bideau B. (2010). Virtual thrower versus real goalkeeper: the influence of different visual conditions on performance. Presence Teleop-erators Virtual Environ., 19(4), 281–90. doi: 10.1162/PRES_a_00003

Vogt T., Herpers R., Scherfgen D., Stru¨der H.K., & Schneider S. (2015). Neuroelective adaptations to cognitive processing in virtual environments: an exercise-related approach. Exp Brain Res, 233, 1321–1329. doi:10.1007/s00221-015-4208-x

Walls, J., Bertrand, L., & Gale, T.J. et al. (1998). Assessment of upwind dinghy sailing performance using a virtual reality dinghy simulator. J Science Med Sport, 1, 61–72. doi: 10.1016/S1440-2440(98)80014-5

Yanrong Yang (2018). The innovation of college physical training based on computer virtual reality technology. Journal of Discrete Mathematical Sciences & Cryptography, 21(6), 1275–1280. doi:10.1080/09720529.2018.1526400