ТРЕНАЖЕР ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ОТРАБОТКИ НАВЫКА ХОККЕИСТА ПО ОТБИВАНИЮ ШАЙБЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ МАСТЕРСТВА
VIRTUAL REALITY SIMULATOR FOR WORKING THE SKILL OF THE HOCKEY PLAYER IN SHOOTING THE PUCK AND DETERMINING THE LEVEL OF SKILL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к спортивным экспериментально-диагностическим тренажерам виртуальной реальности (VR), в частности, к спортивным симуляторам для диагностики, тренировки и отработки навыка хоккеиста удерживания хоккейной стойки, отбивания шайбы в условиях виртуальной реальности. Изобретение может использоваться для диагностики и отработки скоростных, зрительно-моторных функций, концентрации внимания, принятия решений, антиципации, включая отработку движений отдельных частей тела (стойка хоккеиста, сгибание коленей, движение рук).
Уровень техники
В последнее десятилетие технологии виртуальной реальности (VR) активно используются для развития, тренировки и совершенствования спортивных навыков (Gray R. (2017). Transfer of Training from Virtual to Real Baseball Batting. Frontiers in Psychology, 8, 2183. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2017.02183; Harris D. J., Buckingham G., Wilson M. R., Brookes J., Mushtaq F., Mon-Williams M., Vine S. J. (2020). The effect of a virtual reality environment on gaze behaviour and motor skill learning. Psychology of Sport and Exercise, 50, 101721. https://doi.org/10.1016/j.psychsport.2020.101721). Моделирование спортивных ситуаций в виртуальной реальности становится все более популярным для отработки определенных навыков и оценки уровня мастерства спортсменов. Вместе с тем существует ряд исследований, демонстрирующих несостоятельность технологий виртуальной реальности как метода формирования профессиональных навыков. В этих исследованиях отмечается, что виртуальная реальность не всегда способствует переносу отработанного навыка в практическую сферу (Düking P., Holmberg H.-C., Sperlich B. (2018). The Potential Usefulness of Virtual Reality Systems for Athletes: A Short SWOT Analysis. Frontiers in Physiology, 9, 128 https://doi.org/10.3389/fphys.2018.00128). Кроме того, виртуальная среда не всегда позволяет достичь эффекта полного присутствия; например, в VR среде довольно сложно организовать тренировку навыков, связанных с взаимодействием с другими спортсменами, или навыков действия в команде командного игрока.
Однако виртуальная реальность позволяет спортсмену тренировать когнитивные функции, а также подкомпоненты навыков, необходимые для высокой производительности (например, распределение внимания, долговременная память и т.д.); а также тренировать проприоцептивные или автоматические движения, которые работают быстрее за счет многократного повторения, но при этом включают специфические индивидуальные особенности, такие как интеграция зрения и телесно-ориентированные (проприоцептивных) системы координат, и отрабатывать движения без риска для здоровья спортсмена, поскольку риск травмы снижен. Кроме того, виртуальная реальность позволяет спортсмену тренироваться за пределами своих возможностей в реальной среде, и более эффективно отслеживать прогресс спортсмена (Farley O. R. L., Spencer K., Baudinet L. (2019). Virtual reality in sports coaching, skill acquisition and application to surfing: A review. Journal of Human Sport and Exercise, 15(3). https://doi.org/10.14198/jhse.2020.153.06).
Важно отметить, что существует довольно мало исследований по использованию VR в хоккее. Например, в исследовании Бунса (Buns M. (2020). Impact of Virtual RealityTraining on Real-World Hockey Skill: An Intervention Trial. Journal of Sports Science, 8(1). https://doi.org/10.17265/2332-7839/2020.01.002) было показано, что отработка хоккейных элементов в виртуальной среде влияет на эффективность тренировок в реальном мире. По сравнению с контрольной группой, участники экспериментальной группы значительно улучшили точность и скорость хоккейных бросков на льду. Кроме того, исследование Тиремана и коллег (Tyreman H., Parker J. R., Katz L. (n.d.). Ice Hockey Goaltenders’ Strategies, Reaction Times and Anticipation Times in Two- and Three-Dimensional Virtual Environments. 7) показало, что в смоделированной трехмерной среде время реакции профессиональных хоккейных вратарей и новичков не отличалось. Тем не менее, был выявлен особый тип броска, характерный только для профессионалов. То есть, именно детальный сравнительный анализ показателей, полученных с использованием трехмерного виртуального пространства, позволил определить различия между профессиональными вратарями и новичками.
В этой связи актуальным является поиск новых решений, направленных на отработку навыков спортсменов с использованием виртуальной реальности, оценку их мастерства и уровня подготовки.
Из уровня техники известно решение, представленное в заявке на изобретение US 10661149 В2 - «Mixed-reality sports tracking and simulation», в котором представлена технология смешанной реальности, позволяющая моделировать спортивные события в разных видах спорта, включая хоккей с шайбой. Данная система позволяет отслеживать траектории снарядов при их запуске пользователем, а также эффективность осуществления данной деятельности.
Однако данная система в большей степени ориентирована на отработку навыков забивания шайб в ворота, а не на их отбивание. Также данная система не предусматривает регистрацию двигательной активности пользователей.
Еще одним близким решением к заявленному способу является система SENSEARENA (https://www.sensearena.com ), которая представляет собой платформу когнитивного обучения для спортсменов, стремящихся получить конкурентное преимущество. SENSEARENA представляет собой тренировочный инструмент, содержащий сценарии реальных игр, позволяющий отрабатывать отдельные приемы посредством их многократных повторений. Система включает шлем виртуальной реальности; датчики определения движений клюшки, расположенные на клюшке; датчики движений, расположенные на перчатках пользователей. Система позволяет отслеживать перемещения пользователя, а также практиковать различные стратегии игры и различные игровые ситуации. Система также направлена на тренировку скорости реакции спортсменов, принятия решений и способности к многозадачности.
Однако в данном решении отсутствует возможность анализа моторных характеристик пользователей. Система не позволяет проводить комплексный анализ двигательной активности спортсменов, включая анализ позных (постуральных) характеристик, которые являются критически значимыми для формирования уровня мастерства на начальных этапах подготовки хоккеистов. Кроме того, в данном решении отсутствует деление поля на секторы, а также возможность использования нескольких уровней сложности предъявления шайб с учетом скоростных характеристик полета шайб, времени их предъявления.
Наиболее близким к заявленному решению является VR-PACE - система, использующая виртуальную реальность, направленная на тренировку и диагностику уровня мастерства хоккеиста за счёт отражения шайб в условиях разного уровня сложности (Polikanova, I., Yakushina, A., Leonov, S., Kruchinina, A., Chertopolokhov, V., & Liutsko, L. , 2021; Study of differences in motor reactions and performances in professional ice hockey players and not experienced participants using virtual reality (VR) technology).
Данная система включает шлем виртуальной реальности, содержащий два микродисплея, средство воспроизведения звука (наушники); элементы хоккейной формы полевого игрока, включая клюшку, перчатки, защитные щитки для ног, коньки; напольное покрытие (поверхность), имитирующее лед; 8 датчиков определения линейных и угловых координат хоккеиста, выполненные с возможностью крепления на защитных щитках (левом и правом), на перчатках (левой и правой), на клюшке, а также на форме хоккеиста в зоне живота и бедер; компьютер, содержащий дисплей, блок формирования аудио-визуальной сцены виртуальной реальности, отображаемой на дисплее, включая формирование изображения фрагмента виртуальной хоккейной площадки, изображения движущейся шайбы, и аудиосигнала от удара клюшкой по шайбе; блок передачи в режиме реального времени полученного изображения на микродисплеи шлема виртуальной реальности, аудиосигнала - в средство воспроизведения звука шлема виртуальной реальности; блок регистрации и анализа двигательного отклика хоккеиста. Блок формирования аудио-визуальной сцены виртуальной реальности выполнен с возможностью формирования изображения виртуального хоккеиста (аватара) с клюшкой, совпадающего с реальным положением хоккеиста и клюшки, изображения фрагмента виртуальной хоккейной площадки с позиции хоккеиста, находящегося на линии ворот, деления виртуальной хоккейной площадки на 3 сегмента (сектора) - центральный и боковые. Предъявление шайб осуществляется с учетом углов периферического зрения человека и происходит в пределах 170 градусов (см. фиг.3). Случайный порядок предъявления изображения движущейся шайбы может быть реализован в несколько этапов, характеризующихся увеличением уровня сложности, определяемой временем «жизни» шайбы на экране дисплея, которая зависит от скорости шайбы и ее расстояния до хоккеиста.
Однако данная система не позволяет полностью избежать формирования ложных навыков в связи с тем, что шлем виртуальной реальности ограничивает поле зрения до 110 градусов, а предъявление шайб осуществляется без учета этого ограничения. Угол предъявления шайб составляет 170 градусов, что близко к углу периферического зрения человека (160 градусов). Таким образом, часть предъявляемых шайб не может быть воспринята испытуемым, если он смотрит или повернул голову за пределы угла обзора шлема виртуальной реальности. В связи с этим время, затраченное на предъявление этих стимулов, тратится нерационально, не позволяет провести диагностику, тренировку профессионально важных качеств хоккеистов. Чтобы заметить шайбы, которые предъявляются за пределами угла обзора шлема виртуальной реальности, испытуемому необходимо поворачивать голову в сторону, откуда предъявляются шайбы. В свою очередь, это может приводить к возникновению ложных навыков, связанных с поворотом головы в направлении предъявляемого стимула, при котором в реальных условиях не требуется поворот головы. В свою очередь, это так же негативно отражается на результатах анализа двигательной активности хоккеистов и диагностики уровня мастерства хоккеиста, поскольку могут возникать ситуации, требующие поворота головы, где этого не требуется. Кроме того, система не обеспечивает высококачественной диагностики уровня мастерства хоккеиста из-за отсутствия значимого комплекса анализируемых параметров, связанных с двигательной активностью хоккеистов.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение высокого качества тренировки и диагностики уровня мастерства хоккеистов на основе комплексного анализа их двигательной активности, включая зрительно-моторную реакцию на появление шайбы, с исключением формирования ложных навыков, связанных с поворотами головы в направление стимула (шайбы) в ситуациях, в которых в реальности не требуется поворот головы.
Данная проблема решается заявленным изобретением за счет оптимизации схемы предъявления стимулов (шайб) в системе VR-PACE, учитывающей поле обзора шлема виртуальной реальности с использованием комплексного подхода при анализе двигательной активности спортсменов, включая зрительно-моторную реакцию на появление шайбы и сохранение позы, а также выделение на основе указанных параметров трех основополагающих факторов, связанных с уровнем мастерства в хоккее: пространственным, кинестетическим и технико-тактическим.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом изобретения является обеспечение высококачественной тренировки хоккеистов разного уровня мастерства с использованием системы VR-PACE, с возможностью формирования профессиональных навыков хоккеиста и получением объективной оценки уровня мастерства в результате тренировок, в т.ч. за счет использования оптимального набора критериев, характеризующих двигательную активность спортсменов, минимизации формирования ложных навыков и возможности пропуска стимулов, связанных с поворотами головы в направление стимула в ситуациях, в которых в реальных условиях не требуется поворот головы, благодаря оптимизации средств и методов предъявления стимулов (шайб) в виртуальной среде, которое учитывает поле обзора шлема виртуальной реальности.
Технически результат достигается при использовании тренажера виртуальной реальности для отработки навыка хоккеиста по отбиванию шайбы и определения уровня мастерства (подготовки), включающего следующие существенные признаки:
шлем виртуальной реальности, содержащий два микродисплея, средство воспроизведения звука (наушники);
элементы хоккейной формы полевого игрока, включая клюшку, перчатки, защитные щитки для ног, коньки;
напольное покрытие (поверхность), имитирующее лед;
по меньшей мере, 8 датчиков определения линейных координат хоккеиста, выполненные с возможностью крепления на защитных щитках (левом и правом), на перчатках (левой и правой), на клюшке, а также на форме хоккеиста в зоне живота и бедер;
компьютер, содержащий
- блок формирования сцены виртуальной реальности (изображения фрагмента виртуальной хоккейной площадки),
- блок формирования аватара, имитирующего движение частей тела хоккеиста и клюшки, на которых закреплены датчики определения линейных и/или угловых координат хоккеиста,
- блок генерации изображения движущейся шайбы, отображаемого на дисплее компьютера и микродисплеях шлема виртуальной реальности,
- блок формирования аудиосигнала, включая аудиосигнал от удара клюшкой по шайбе, соединенный со средством воспроизведения звука (наушниками);
- блок регистрации двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы, полученного с датчиков определения линейных и/или угловых координат хоккеиста;
- блок анализа двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы; включающий время отбивания шайбы и точность выполнения задач по отбиванию шайбы, с формированием выводов по уровню мастерства,
- монитор, соединенный с микродисплеями шлема виртуальной реальности, выполненный с возможностью отображения сцены виртуальной реальности, аватара, движущейся шайбы и информации по количеству отбитых шайб.
Отличительной особенностью заявленного тренажера является:
выполнение блока генерации изображения движущейся шайбы с возможностью предъявления изображения движущейся шайбы с учетом угла обзора шлема виртуальной реальности, равный 110 градусам, таким образом, чтобы все предъявляемые изображения движущейся шайбы попадали в область зрительного обзора шлема, а также одновременного или последовательного предъявления двух шайб с интервалом не более 1 секунды,
выполнение блока регистрации двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы с возможностью отслеживания изменения положения датчиков в пространстве по трем измерениям, при этом одно из измерений совпадает с вертикальной осью (хоккеистом), с последующим определением изменений углов коленных и тазобедренных суставов, положения головы хоккеиста,
выполнение блока анализа двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбыс возможностью определения следующих параметров:
- измерения среднеквадратичного изменения углов в коленных и тазобедренных суставах обеих ног (в градусах) (кинестетический фактор),
- времени первичной двигательной реакции - от момента вылета виртуальной шайбы до первой двигательной реакции, определяемой по изменению углов коленного и тазобедренного суставов, и превышающей величину заданных пороговых значений (отклонения три сигмы),
- времени реагирования клюшкой на виртуальную шайбу в случае отражения шайбы - от момента появления шайбы до ее отражения, а в случае промаха - от ее появления до пересечения шайбой линии ворот, при этом регистрируют положение шайбы с частотой обновления кадров, не менее 30 Гц, а также факт пересечения в виртуальной среде шайбы с клюшкой, или коньком, или воротами, или пересечения линии ворот,
- перемещение положения головы во время отражения шайбы,
- количества отбитых шайб в случае одновременного или последовательного предъявления двух шайб с интервалом не более 1секунд,
с последующим определением уровня мастерства хоккеиста - низкий или высокий, по результатам сравнения полученных данных по каждому из перечисленных параметров с пороговыми значениями.
Блок формирования сцены виртуальной реальности выполнен с возможностью деления виртуальной хоккейной площадки на 3 сегмента (сектора) - центральный и боковые, с возможностью подсветки сегмента перед предъявлением изображения движущейся в случайном порядке шайбы в направлении виртуальных ворот, имеющих область попадания шайбы, расположенную на высоте до 50 см от уровня пола, и разделенных на пять зон: по нижней линии ворот - левый угол ворот, правый угол ворот, угол в центральной части ворот ; по верхней линии ворот на высоте 50 см - левый и правый угол. Центральный сегмент виртуальной хоккейной площадки предпочтительно соответствует углу бинокулярного видения 40°, боковые - углу по 35°. Подсветка сегмента перед предъявлением изображения движущейся шайбы реализована, по меньшей мере, за 500 мс до появления шайбы.
Блок формирования аватара выполнен с возможностью формирования изображения виртуального хоккеиста (аватара) с клюшкой, совпадающего с реальным положением хоккеиста и клюшки, изображения фрагмента виртуальной хоккейной площадки с позиции хоккеиста, находящегося на линии ворот.
Блок генерации изображения движущейся шайбы выполнен с возможностью предъявления изображения движущейся шайбы в случайном порядке в несколько этапов, характеризующихся увеличением уровня сложности, определяемой временем «жизни» шайбы на сцене виртуальной реальности, которое зависит от скорости шайбы и ее расстояния до хоккеиста - аватара, при этом каждый этап имеет длительность не менее 50 сек, интервал времени между исчезновением шайбы на сцене виртуальной реальности и появлением следующей шайбы составляет от 3 до 4 секунд, начало и конец этапа сопровождаются звуковым сигналом, имитирующим хоккейную сирену, а временной интервал между этапами составляет не менее 1 мин.
Блок анализа двигательного отклика хоккеиста выполнен с возможностью подсчета отбитых клюшкой шайб, которые характеризуются пересечением поверхности, имитирующей крюк клюшки и линии перемещения шайбы, в случае пропуска шайбы хоккеистом время «жизни» шайбы определяется периодом от ее появления до пересечения линии ворот виртуальной хоккейной площадки.
Для определения в блоке анализа двигательного отклика хоккеиста параметра, характеризующего среднеквадратичное изменение углов в коленных и тазобедренных суставах обеих ног (в градусах), рассчитывают корень из дисперсии сигнала для зарегистрированного изменения соответствующего угла, а для определения параметра, характеризующего время первичной двигательной реакции, выбирают минимальное значение из измеренных значений времени превышения утроенного значения корня из дисперсии сигналов, а также смены ориентации клюшки, изменения положения головы относительно напольного покрытия.
В одном из вариантов осуществления изобретения блок генерации изображения движущейся шайбы выполнен с возможностью предъявления шайбы в случайном порядке со скоростью, включая 60, 80, 100, 130, 170 км/ч, с расстояния, включая 18, 12 и 6 метров, из одного из трех секторов - левого, центрального, правого, с двух вариантов высоты - на уровне льда или на высоте 50 см над уровнем льда. Кроме того, блок генерации изображения движущейся шайбы выполнен с возможностью предъявления шайбы в случайном порядке, по меньшей мере, в 4 уровня сложности, где на первом этапе скорость шайбы составляет от 60 до 80 км/ч и расстояние до шайбы 18 метров, на втором этапе - скорость от 60 км/ч до 100 км/ч и расстояния до шайбы 12 и 18 метров, на третьем этапе - скорость от 60 до 170 км/ч и расстояния до шайбы 6, 12, 18 метров, на четвертом этапе - последовательное предъявление шайб реализовано сериями по две - с промежутком около 1 сек; при этом на этапах 1, 2 и 3 предъявляется по 14 шайб; на этапе 4 - 28 шайб;
Блок анализа двигательного отклика хоккеиста выполнен с возможностью вывода на экран дисплея компьютера и микродисплеи параметра: «Предъявлено N шайб, отбито n шайб», где N и n - количество предъявленных и отбитых шайб, соответственно.
Блок формирования аудиосигнала выполнен с возможностью воспроизведения звука щелчка шайбы непосредственно перед вылетом виртуальной шайбы, а также звука хоккейной сирены перед началом каждой серии, характеризующейся определенным уровнем сложности.
На клюшке датчик закреплен на расстоянии не менее 30 см от верхнего края клюшки. Напольное покрытие, имитирующее лед, представляет собой пластиковый (синтетический) лед.
Изменение углов в коленных и тазобедренных суставах анализируют, начиная с момента, когда хоккеист принимает стойку перед началом предъявления шайб до появления подсветки сегмента перед предъявлением изображения шайб в направлении виртуальных ворот, а также с момента появления упомянутой подсветки до момента реакции хоккеиста на шайбу. При правильном сохранении стойки первые данные не отличаются значимо от фоновых. При проявлении двигательной активности на исходных данных возникает пик. По времени первого пика, наблюдаемого после появления шайбы, определяется время начала двигательного отклика.
Система позволяет в процессе отработки навыков хоккеистов по отбиванию шайбы проводить диагностику уровня мастерства хоккеиста на основе комплексного анализа двигательной активности спортсменов, включая зрительно-моторную реакцию на появление шайбы и сохранение позы. На основе указанных параметров был выделен комплекс из трех факторов, связанных с уровнем мастерства в хоккее: пространственным, кинестетическим и технико-тактическим.
Пространственный фактор связан с функцией антиципации полета шайбы, то есть, способностью человека предсказывать траекторию полета шайбы. На объективном поведенческом уровне в случае высокого уровня мастерства это отражается в отсутствии значимых движений головы во время отражения шайбы. Наличие статистически значимых движений головы свидетельствует о низкой сформированности антиципации, а соответственно, и уровня мастерства.
Кинестетический фактор связан с оптимизацией движений, в том числе, с минимизацией лишних движений в ответ на предъявление шайб. Данный фактор определяется на основе анализа среднеквадратичных отклонений в изменениях углов в коленных и тазобедренных суставах. Высокий уровень мастерства связан с минимизацией лишних движений, а также с четкими и стабильными двигательными паттернами в ответ на предъявление шайбы, что проявляется в виде синхронных и симметричных изменений углов в тазобедренных и коленных суставах. В случае низкого уровня мастерства наблюдается отсутствие симметричности, стабильности двигательных паттернов, а также наблюдается большое количество «лишних» движений.
Технико-тактический фактор связан с высокой автоматизацией двигательных навыков, свойственных хоккею, что, в свою очередь, позволяет успешно решать более сложные двигательные задачи, в частности, отбивать 2 шайбы, предъявляемые практически одновременно. Данный фактор рассчитывается на основе эффективности отбивания шайб в случае предъявления 2 шайб попеременно. Высокий уровень мастерства хоккеиста отражается в большом количестве отбитых шайб при сохранении оптимального полезного уровня, минимизации «лишней» двигательной активности, соблюдении двигательных паттернов - углов суставов.
Кроме того, по сравнению с наиболее близким аналогом, высококачественная тренировка хоккеистов с получением объективной оценки уровня мастерства в результате тренировок обеспечивается за счет минимизации формирования ложных навыков, связанных с движением головой и потерей зрительного восприятия стимула. В известной системе угол между предъявляемыми стимулами составляет 170 градусов, а угол обзора шлема виртуальной реальности составляет 110 градусов. Соответственно, около 35% стимулов (=1-110/170) не могут быть замечены спортсменом, таким образом, время на предъявление этих стимулов тратится нерационально. При предъявлении стимулов, выходящих за границы 110 градусов, испытуемому необходимо повернуть голову, чтобы их заметить. В реальных условиях такой поворот головы совершать не требуется, поскольку угол периферического зрения составляет около 160 градусов. В этой связи, предъявление стимулов, выходящих за пределы 110 градусов, может приводить к формированию ложных двигательных навыков, связанных с поворотом головы.
Таким образом, тренажер позволяет проводить диагностику двигательного отклика хоккеиста на основе анализа изменения среднеквадратичных углов в коленных и тазобедренных суставах обеих ног (в градусах), времени первичной двигательной реакции, начиная с момента, когда хоккеист принимает стойку перед началом предъявления шайб до появления подсветки сегмента перед предъявлением изображения шайб в направлении виртуальных ворот, а также от момента вылета виртуальной шайбы до первой двигательной реакции, превышающей три сигмы, на основе анализа углов коленного и тазобедренного суставов, времени реагирования клюшкой на виртуальную шайбу в случае отбивания шайбы - от момента появления шайбы до ее отбивания, а в случае промаха - от ее появления до пересечения шайбой линии ворот.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется иллюстративным материалом.
На фигуре 1 представлена блок-схема компонентов тренажера виртуальной реальности для отработки навыка хоккеиста по отражению шайбы.
На фигуре 2 представлена схема расположения датчиков определения линейных координат и угловых координат, где 1 - шлем виртуальной реальности, 2 - датчик на животе хоккеиста, 3 - датчик на левой перчатке, 4 - датчик на правой перчатке, 5 - датчик на левом бедре хоккеиста, 6 - датчик на правом бедре, 7 - датчик на левой голени, 8 - датчик на правой голени, 9 - датчик на клюшке.
На фигуре 3 представлено схематичное изображение угла между предъявляемыми стимулами в системе VR-PACE в 170°; а также обзора виртуальной сцены (110°), деление ее на 3 сегмента: центральная зона четкого бинокулярного видения 40°, левая и правая зоны по 35°, где A-F - угол между предъявляемыми стимулами в системе VR-PACE составляет 170°, B-E - угол обзора шлема виртуальной реальности составляет 110 градусов, C-D - угол подсветки центрального сектора 40°, B-С - угол подсветки левого сектора 35°, D-E - угол подсветки правого сектора 35°.
На фигуре 4 представлены зоны забрасывания шайб в ворота (1-5) с учетом корректировки высоты верхней линии ворот на высоте 50 см.
На фигуре 5 представлена матрица определения уровня сложности при формировании изображения виртуальной шайбы в зависимости от времени «жизни» шайбы, определяемой по ее начальной скорости и расстоянию (от 0, 792 сек до 1,08 сек - «простые» пробы; от 0,504 сек до 0, 792 сек - пробы средней степени сложности; от 0,216 сек до 0,504 сек - «сложные» пробы; минимальное значение времени полета шайбы - 0,216 сек; максимальное значение - 1,08 сек.)
На фигуре 6 представлена диаграмма, иллюстрирующая последовательность шагов выполнения тренировочной серии по отражению шайбы в блоках 1-3.
На фигуре 7 представлена диаграмма, иллюстрирующая последовательность шагов выполнения тренировочной серии по отражению шайбы в блоке 4.
На фигуре 8 представлен общий вид пользователя, находящегося в основной позиции и принявшего позу хоккеиста, стоящего на пластиковом льду, аудио-визуальная система подключена к компьютеру, на экране которого отображается картинка, передающаяся в шлем виртуальной реальности.
На фигуре 9 изображена виртуальная сцена, отображающая хоккейную площадку с линии ворот.
На фигуре 10 отображен виртуальный аватар на линии ворот (вид со стороны).
На фигуре 11 представлен пример подсветки центрального сектора (выделен пунктирной линией).
На фигуре 12 представлен пример визуального качественного анализа изменений углов коленных и тазобедренных суставов (правых и левых).
На фигуре 13 перечислены критерии диагностики уровня мастерства хоккеиста.
Осуществление изобретения
Разработанный тренажер виртуальной реальности обеспечивает отработку навыка хоккеиста по отбиванию шайбы с возможностью определения уровня мастерства.
В минимальной комплектации тренажер виртуальной реальности для отработки навыка хоккеиста по отражению шайбы, содержит:
а) шлем виртуальной реальности с двумя микродисплеями с углом обзора 110 градусов, снабженный средствами воспроизведения звука - наушниками; все устройства соединены с компьютером посредством провода;
б) систему датчиков определения линейных и угловых координат, включающих, по меньшей мере, 8 датчиков, выполненных с возможностью закрепления на левом и правом щитках на ногах, на бедрах, перчатках (левой и правой), один датчик на животе, один датчик на клюшке (на расстоянии 30 см от верхнего края клюшки) (см. фиг. 2);
в) имитирующую лед поверхность, например, пластиковый лед;
г) элементы хоккейной формы полевого игрока, включая клюшку, перчатки, щитки защитные для ног, коньки;
д) компьютер, выполненный с возможностью формирования аудио-визуальной сцены виртуальной реальности и передачи в режиме реального времени полученного изображения на экраны шлема и звука в наушники.
Виртуальная среда отображает окружение с позиции хоккеиста, находящегося на линии ворот. Испытуемый видит тело своего виртуального аватара, держа в руках клюшку (клюшка в виртуальной среде совпадает с клюшкой в реальных условиях). Экипировка хоккеиста соответствует полевому игроку, поскольку основная цель тренажера направлена на тренировку и совершенствование мастерства именно полевых хоккеистов. Данное изобретение не распространяется на отработку навыка вратаря, т.к. его экипировка, а также двигательные паттерны и тактика игры значительно отличаются от полевых игроков. Других игроков на площадке нет. Пользователь встает в позу хоккеиста и смотрит прямо. Система обеспечивает предъявление испытуемому шайб в случайном порядке, которые необходимо отбить. Задача игрока - отбить все шайбы, летящие в его сторону. Время между шайбами внутри одного блока варьирует от 3 до 4 секунд; время между блоками составляет 1 мин. При предъявлении шайб варьируются расстояние до игрока, направление и скорость полета, каждый вылет шайбы сопровождается характерным звуком - щелчком. Непосредственно перед предъявлением шайбы подсвечивался желтым цветом сектор поля, откуда предъявляется шайба. Игроку необходимо отбить шайбу только клюшкой, а именно, крюком виртуальной клюшки (пересечение лучей в виртуальной сцене). Шайбы, отбитые другим способом, не засчитываются. В случае пропуска шайбы - временем «жизни» шайбы считается период от ее появления до пересечения линии ворот. Пользователь получает обратную связь в виде надписи в левом верхнем углу дисплея компьютера «отбито шайб - n шайб».
В VR-среде полностью отсутствуют люди - как зрители, так и другие игроки. В качестве единицы анализа хоккейной игры выделен фрагмент с хоккеистом, отбивающим шайбу. При этом система содержит различные уровни сложности для выбранной единицы анализа. Таким образом, использованная VR-среда не имитирует игру полностью, а моделирует конкретную единицу игры.
Шайбы предъявляются в случайном порядке с разной скоростью (5 скоростей - 60, 80, 100, 130, 170 км/ч), с разного расстояния (18, 12 и 6 метров) и разной локализации (право/лево/центр). Кроме того, предусматривается два варианта высоты предъявления шайб - на уровне льда, а также на высоте около 50 см над его уровнем.
Шайбы предъявляются с учетом углов обзора шлема виртуальной реальности (110 градусов) таким образом, чтобы все предъявляемые изображения движущейся шайбы попадали строго в область обзора шлема, и, соответственно, могли быть замечены испытуемым без необходимости дополнительных поворотов головы.
Средняя скорость полета шайбы в профессиональном хоккее - 110-120 км/ч, максимальная - 170-190 км/ч (Cross R., Lindsey C. (2018). The Slap Shot in Ice Hockey. The Physics Teacher, 56(1), 7-9. https://doi.org/10.1119/1.5018677).
Расстояния от места появления шайбы до игрока - 18, 12 и 6 метров.
Выбор скоростей и расстояний осуществлялся в несколько этапов. Предварительные измерения показали, что использование различных скоростей с небольшим шагом субъективно воспринимается одинаково, но значительно удлиняет эксперимент. Чтобы определить минимальное и, в то же время, достаточное количество параметров (различных скоростей и расстояний), были проведены тестовые записи, в том числе с участием профессиональных хоккеистов и хоккейного тренера. Выбор скоростей ориентирован на максимально широкий диапазон: от медленных (когда хоккеист ясно видит шайбу), например 60 км/ч; средних скоростей - 80, 100 и 130 км/ч; и максимально возможной - 170 км/ч.
Имитация бросков шайб включает несколько блоков сложности: от самого простого к самому сложному, когда предъявляется 2 шайбы с минимальной задержкой:
1 блок - самый простой блок с низкими скоростями шайбы (60-80 км/ч) и дальними расстояниями до шайбы (18 метров и более);
2 блок - более сложный режим, скорости выше (60-80 км/ч, а также 100 км/ч), добавляются средние расстояния до шайб (от 12 до 18 метров). Ориентирован на средний уровень мастерства;
3 блок - сложный режим с высокими скоростями (до 170 км/ч) и всеми расстояниями, включая близкие (до 6 метров, а также средние и дальние - до 12 метров, до 18 метров, соответственно);
4 блок - максимально сложный режим - предъявление шайб сериями по две (одновременное или последовательное с промежутком не более 1 сек).
В блоках 1, 2 и 3 предъявляется по 14 шайб; в блоке 4 - 28 шайб.
Последовательность шагов выполнения тренировочной серии по отражению шайбы в блоках 1-3 представлена на фиг. 6. Последовательность шагов выполнения тренировочной серии по отражению шайбы в блоке 4 представлена на фиг. 7.
Игроку дается следующая инструкция: необходимо отбивать клюшкой все шайбы, летящие в ворота. В начале выполнения задания пользователь слышит команду - хоккейную сирену. Он должен занять основную позицию и принять стойку хоккеиста. Через 3-4 сек следует подсветка одного из трех сегментов виртуальной сцены (хоккейной площадки). Спустя 0,5 сек из этого сектора вылетает шайба;
Шайбы предъявляются в случайном порядке с разным уровнем сложности и распределением на 4 блока в зависимости от уровня сложности (см. фиг. 5), блоки следуют поочередно от блока 1 к блоку 4, начало блока и конец блока сигнализируются хоккейной сиреной, между блоками идет период отдыха длительностью 1 мин. (см. фиг. 6 и 7). Шайбы подаются случайным образом с разных расстояний и направлений и с разной начальной скоростью. Каждая шайба запускается с определенным звуком щелчка. Генерация шайбы сопровождается характерным звуком удара клюшкой по шайбе. Непосредственно перед подачей шайбы участок поля, с которого стартует шайба, освещается желтым светом. Все шайбы предъявляются строго в область обзора шлема виртуальной реальности с учетом выделенных сегментов таким образом, чтобы они могли быть замечены испытуемым без необходимости дополнительных поворотов головы (см.фиг. 3). Все шайбы летят строго в ворота - в одну из пяти зон (см. фиг. 4). Шайбы, по которым не попали клюшкой, которые не были отбиты, не засчитываются. В частности, засчитываются шайбы при пересечении поверхности, имитирующей рабочую часть клюшки, и линии перемещения шайбы. Время «жизни» шайбы определяется периодом от ее появления до пересечения линии ворот виртуальной хоккейной площадки. Шайбы предъявляются четырьмя блоками с повышением уровня сложности в зависимости от скорости шайбы и расстояния подачи. В блоке 5 испытуемый не должен отбивать шайбы, а только внимательно наблюдать и отслеживать шайбы, которые предъявляются с разной степенью сложности. Интервал между шайбами составляет 3 секунды со звуком щелчка. После каждой шайбы игрок должен смотреть в центр поля.
Быстрота реакции на движущийся объект при внезапном его появлении, как правило, занимает от 0,25 до 1 сек. (Strughold H. (1956) A Simple Classification of the Present and Future Stages of Manned Flight. Journal of Aviation Medicine, XXVII, 328-331). Таким образом, был выбран диапазон значений длительности полета шайбы, который «вписывался» в границы значений времени двигательной реакции на объект. Данный диапазон был разделен на три равных промежутка, в соответствии с чем были определены уровни сложности проб, соответствующие блокам 1-3: от 0, 792 сек до 1,08 сек - «простые» пробы; от 0,504 сек до 0, 792 сек - пробы средней степени сложности; от 0,216 сек до 0,504 сек - «сложные» пробы. Блок 4 включал шайбы всех уровней сложности (см. фиг. 5).
В воротах были выделены 5 зон, в которые чаще всего направлены удары: по углам (точки 1, 2, 3 и 4) и между ног вратаря (в "домик" - точка 5) (см. фиг.1). В шлеме виртуальной реальности на заданных параметрах невозможно отбить шайбу в классических зонах 3 и 4 (поскольку засчитываются только шайбы, отбитые клюшкой). В связи с этим, зоны попадания шайбы 3 и 4 были скорректированы (см. фиг. 4).
Моторный отклик от датчиков, размещенных на экипировке испытуемого, регистрируется на основе анализа (i) изменения среднеквадратичных углов в коленных и тазобедренных суставах обеих ног (в градусах), (ii) времени первичной двигательной реакции - от момента вылета виртуальной шайбы до первой двигательной реакции, превышающей три сигмы, на основе анализа углов коленного и тазобедренного суставов, (iii) времени реагирования клюшкой на виртуальную шайбу (в случае отбивания шайбы - от момента появления шайбы до ее отбивания, а в случае промаха - от ее появления до пересечения шайбой линии ворот).
Диагностика уровня мастерства хоккеистаосуществляется на основе комплексного анализа двигательной активности спортсменов, включая зрительно-моторную реакцию на появление шайбы и сохранение позы. На основе указанных параметров были выделены 3 основополагающихфактора, связанные с уровнем мастерства в хоккее: пространственный, кинестетический и технико-тактический факторы, описание которых представлено выше.
Критерии диагностики уровня мастерства хоккеиста представлены на фиг.13.
Пространственный фактор отражает дисперсию положения головы испытуемого, которая оценивается на основе показателей изменения ориентации и местоположения датчика, закрепленного на шлеме (в метрах). При значении показателя выше или равном 1,6 присваивают 1 балл; при значении ниже 1,6 - 0 баллов. Данный фактор реализуется с помощью блока формирования сцены виртуальной реальности, блока генерации изображения движущейся шайбы, блока формирования аудиосигнала, блока регистрации двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы, блока анализа двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы; монитора, соединенного с блоками формирования сцены виртуальной реальности, формирования аватара, генерации изображения движущейся шайбы.
Кинестетический фактор отражает среднеквадратичные изменения углов в коленных и тазобедренных суставах обеих ног, которые оцениваются на основе показателей изменения ориентации датчиков на голени и бедре обеих ног, а также данных о местоположении датчиков относительно предварительно заданного при помощи калибровки пространства по трем измерениям. Для определения этого параметра рассчитывается корень из дисперсии для зарегистрированного изменения положения соответствующего угла. Ширина окна для расчета дисперсии выбирается в зависимости от задания, выполняемого пользователем: все время сохранения стойки, или задаваемое окно шириной не менее 10 измерении при других заданиях. Для каждого сустава рассчитывают среднее значение показателя. При значении показателя для тазобедренного сустава ниже или равном 1,1 присваивают 1 балл; при значении выше 1,1 - присваивают 0 баллов. При значении показателя для коленного сустава ниже или равном 0,7 присваивают 1 балл; при значении выше 0,7 - присваивают 0 баллов. Данный фактор реализуется с помощью блока формирования сцены виртуальной реальности, блока генерации изображения движущейся шайбы, блока формирования аудиосигнала, блока регистрации двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы, блока анализа двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы; монитора, соединенного с блоками формирования сцены виртуальной реальности, формирования аватара, генерации изображения движущейся шайбы.
Технико-тактический фактор отражает эффективность отбивания шайб в блоке 4, характеризующемся предъявлением подряд двух шайб с задержкой в 1 сек. Данный фактор выражается в количестве отбитых шайб в 4 блоке. При значении показателя выше или равном 7 присваивают 1 балл; при значении ниже 7 - 0 баллов. Данный фактор реализуется с помощью блока формирования сцены виртуальной реальности, блока формирования аватара, блока генерации изображения движущейся шайбы, блока формирования аудиосигнала, блока регистрации двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы, блока анализа двигательного отклика хоккеиста на предъявляемые шайбы; монитора, соединенного с блоками формирования сцены виртуальной реальности, формирования аватара, генерации изображения движущейся шайбы.
Для диагностики уровня мастерства анализируют сумму полученных баллов по всем трем факторам. При сумме баллов от 1 до 2 диагностируют низкий уровень мастерства; при сумме баллов от 3 до 4 диагностируют высокий уровень мастерства (фиг.13).
Пример тренажера виртуальной реальности для отработки навыка хоккеиста по отражению шайбы представлен на фиг. 9 - 13.
Для разработки тренажера была использована система виртуальной реальности HTC Vive Pro Eye с дополнительными трекерами, которая характеризовалась следующими показателями: угол обзора экрана шлема составляет 110 градусов, наличие средств воспроизведения звука - наушников, два экрана AMOLED с диагональю 3.5’’ каждый, с разрешением 2880 x 1600 пикселей (1440 х 1600 на каждый глаз), с частотой обновления 90 Гц; подключением USB-C 3.0, DisplayPort 1.2, Bluetooth; с датчиками: система отслеживания перемещений в пространстве SteamVR, акселерометр, гироскоп, датчик приближения, сенсор IPD для настройки межзрачкового расстояния, система отслеживания глаз; настройкой расстояния от глаз до линз; настройкой межзрачкового расстояния; подстройкой наушников; подстройкой оголовья; поддержкой игровой зоны 10 х 10 м при установке четырёх базовых станций SteamVR 2.0.
Анализ двигательной составляющей (анализ перемещения частей тела испытуемого и клюшки) проводился с помощью системы SteamVR Tracking 2.0 и 8 датчиков - трекеров, закрепленных на хоккейной форме: на щитках на голень, на бедрах, животе, перчатках и клюшке (на расстоянии 30 см от верхнего края клюшки) (см. фиг. 2 и 9). Трекер движения головы был встроен в шлем виртуальной реальности.
Виртуальная сцена воспроизводилась в среде Unity. Данная система позволяет отображать виртуальную сцену и регистрировать движения игрока. Запись проводилась с использованием приложения XR, которое позволяет регистрировать позиции и повороты отслеживаемых трекеров. Для задач исследования вертикальной позы человека использовались частотные методы, которые применялись к инерциальным данным от подобных трекеров. Для упрощения процесса проведения эксперимента были использованы алгоритмы анализа вертикальной позы испытуемого, менее чувствительные к шагу времени и не требующие применения дифференцирования (Walsh M., Slattery E., McMath A., Cox R., Haworth J. (2018). Training history constrains postural sway dynamics: A study of balance in collegiate ice hockey players. Gait & Posture, 66, 278-282. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2018.09.009). В связи с этим были рассмотрены вероятностные характеристики выбранных переменных.
Каждый датчик и шлем виртуальной реальности передавали данные о своем местоположении и изменении ориентации.
Имитационная виртуальная среда, моделирующая хоккейную площадку, была дополнена возможностью предъявлять шайбы разного уровня сложности. Сложность определялась расстоянием до шайбы, ее скоростью, а также количеством предъявляемых шайб. В задачи испытуемого входило отражение всех предъявляемых шайб. Разработанный виртуальный контент представлен на фиг. 9.
Диагностика уровня мастерства хоккеистов проводилась на основе выделенных критериев (см. фиг. 14).
Статистический анализ данных проводился по следующим показателям:
1) Визуальный качественный анализ изменений углов коленных и тазобедренных суставов (правых и левых), а также головы (см. фиг. 13);
2) Отбитые и пропущенные шайбы;
3) Время двигательного отклика на подсветку сектора,
4) Время реагирования клюшкой.
В качестве имитирующей лед поверхности использовался пластиковый лед.
На фиг. 8 представлена общая схема расположения датчиков определения линейных координат и угловых координат.
На фиг. 9 представлен общий вид пользователя, находящегося в основной позиции и принявшего основную позу хоккеиста, стоящего на пластиковом льду, аудио-визуальная система подключена к компьютеру, на экране которого отображается картинка, передающаяся в шлем виртуальной реальности. На фиг. 10 представлена виртуальная сцена, отображающая хоккейную площадку с линии ворот. На фиг. 11 представлено отображение виртуального аватара на линии ворот (вид со стороны). На фиг. 12 Представлен пример подсветки центрального сектора.
С помощью изготовленного тренажера была проведена диагностика уровня мастерства хоккеистов на основе комплексного анализа их двигательной активности.В исследовании приняли участие 29 испытуемых (средний возраст - 20 +/- 2 года; 100% муж.), в том числе 11 хоккеистов, 9 борцов вольного стиля и 10 новичков, не занимающихся спортом на постоянной основе. Профессиональный уровень оценивался по количеству лет стажа и по наличию разрядов. Средний возраст стажа составил 14,18 +/- 3,8 лет. Разряды варьировали от 3 юношеского до КМС.
С учетом изложенного оценка уровня мастерства проводилась на основе следующих трех факторов, описание и значения критериев которых указаны в таблице 1.
Результаты испытуемых по выделенным трем факторам - пространственному, кинестетическому и технико-тактическому, а также итоговые баллы представлены в таблице 1. Данные анамнеза испытуемых (вид спорта, стаж, наличие разрядов) представлены в таблице 2.
Таблица 1
№ испытуемого
Шайбы 4 блок
Оценка
Коленный сустав
Оценка
Тазобедренный сустав
Оценка
Голова
Оценка
ИТОГ
1
10
1
0.92
1.52
0.30
1
2
7
1
1.02
1.14
1
0.21
2
3
9
1
1.19
1.51
0.20
1
4
8
1
1.30
1.52
0.80
1
5
6
°
0.81
1.10
1
0.15
1
6
8
1
0.63
1
1.22
1.62
1
3
7
10
1
0.71
1
1.13
1
1.66
1
4
8
6
0.62
1
0.92
1
1.66
1
3
9
5
0.79
1
1.32
1.46
1
10
7
1
0.58
1.25
1.31
1
11
8
1
0.44
1.00
1
1.39
2
12
5
0.95
0.98
1
1.53
1
13
6
0.54
1
0.70
1
1.65
1
3
14
5
0.42
1
0.61
1
1.65
1
3
15
6
0.86
0.93
1
1.53
1
16
8
1
0.55
1
0.80
1
1.66
1
4
17
12
1
0.69
1
1.00
1
1.67
1
4
18
10
1
0.66
1
0.64
1
1.71
1
4
19
8
1
0.72
1
1.45
1.51
2
20
10
1
0.83
1.17
1
1.56
2
21
9
1
0.75
1
1.07
1
1.45
3
22
7
1
1.10
1.75
1.37
1
23
4
0.76
1
1.19
1
1.38
2
24
7
0.61
1
0.75
1
1.59
2
25
4
0.63
1
0.93
1
1.52
2
26
3
0.98
1.12
1
1.60
1
27
8
1
0.81
1.00
1
1.51
2
28
7
1
0.93
0.95
1
1.55
2
29
11
1
0.80
1
1.31
1.37
2
Таблица 2
№ испытуемого
ИТОГО
Спорт, стаж, разряды
1
1
хоккей
2
2
вольная борьба, мастер спорта (МС)
3
1
вольная борьба, 12 лет, кандидат в мастера спорта (КМС)
4
1
хоккей, 15 лет, 2й взрослый
5
1
вольная борьба, 12 лет, 2й взрослый
6
3
хоккей, 19 лет, 3 юношеский
7
4
хоккей, 13 лет, 2й спортивный
8
3
хоккей, 12 лет, 1й спортивный
9
1
хоккей, 8 лет, 2й взрослый
10
1
вольная борьба, разрядов нет
11
2
вольная борьба, 2 года, нет разрядов
12
1
вольная борьба, 1.5 года, нет разрядов
13
3
хоккей, 13 лет, 1й юношеский
14
3
хоккей, 12 лет, 2 разряд
15
1
вольная борьба, 2 года, нет разрядов
16
4
хоккей, 20 лет, КМС
17
4
хоккей, 19 лет, КМС
18
4
хоккей, 14 лет, 2 взрослый
19
2
хоккей, 2 взрослый
20
2
нет
21
3
нет
22
1
нет
23
2
нет
24
2
нет
25
2
нет
26
1
нет
27
2
нет
28
2
нет
29
2
нет
Из полученных данных следует, что 3-4 балла были набраны испытуемыми, соответствующими высокому уровню мастерства в хоккее, который оценивался по стажу и наличию разрядов. Для 8 из 11 хоккеистов был определен высокий уровень мастерства в хоккее. Таким образом, заявленный тренажер продемонстрировал высокую точность при оценке уровня мастерства при отработке приемов для формирования профессиональных навыков.
Кроме того, на отдельной группе испытуемых (9 человек), которые не занимались ранее хоккеем, были проведены исследования по отработке навыка по отбиванию шайбы. Занятия на тренажере проводились в течение 6 - 7 месяцев по 10 - 20 часов в неделю. В результате все испытуемые продемонстрировали положительную динамику по формированию профессиональных навыков с увеличением результата по меньшей мере на 1 балл по сравнению с измеренным перед началом тренировок.