佩戴头戴式显示器对女子艺术体操平衡木基本动作执行的影响

《Human Movement Science》：Influence of wearing a head-mounted display on the movement execution of basic elements on the balance beam in women's artistic gymnastics

虚拟现实头戴显示器（HMD）在平衡木训练中的适用性研究，通过36名体操运动员在无设备、HMD和定制头盔条件下的六类基础动作测试，发现HMD因视野限制显著影响旋转类动作（如翻滚、跳转）的执行质量（平均扣分差达4.37-5.54分），而跳跃和静态保持动作受影响较小（扣分差1.95-2.84分）。主观反馈显示HMD舒适度评分仅2.57（0-4分），视觉分辨率和水平视野不足是主要限制因素，而头盔条件虽重量等效但未显著影响动作质量。研究建议未来HMD需优先优化光学性能（高分辨率、广视野）和紧凑设计，并延长适应期以提高训练效果。

　　虚拟现实（VR）技术在竞技体操中的应用正在逐渐受到关注，尤其是在平衡木项目中，因其狭窄的宽度和较高的高度对运动员的平衡能力提出了更高要求。尽管VR在娱乐领域取得了广泛应用，但其在技术性与组合性运动中的潜力尚未被充分挖掘。本研究旨在探讨使用头戴式显示器（HMD）进行平衡木项目训练时，哪些体操动作最不容易受到设备的影响，并分析其对动作执行质量的具体影响。

研究团队由来自德国马德堡奥托·冯·格里克大学运动工程与运动科学领域的科学家组成，他们对36名女性体操运动员进行了实验，这些运动员平均年龄为16.5岁，拥有至少4.2年的训练经验。实验中，参与者在没有HMD、使用HMD以及佩戴一个与HMD重量和分布相似的头盔三种条件下，完成了12个基本体操动作。通过对比这些条件下的动作执行质量，研究人员希望识别出最适合使用HMD进行训练的动作类型，并为未来的研究和实践提供指导。

在实验设置方面，研究使用了HTC VIVE Pro Eye头戴式显示器，其通过内部摄像头实时显示真实环境，而不是完全虚拟的场景。这一模式被称为“通过模式”（pass-through mode），旨在减少VR环境对动作执行的干扰，从而更准确地评估HMD本身对体操表现的影响。此外，为了排除视觉因素，研究团队还使用了一个与HMD在重量和尺寸上相似但不遮挡视线的头盔作为对照条件。这样，研究人员能够分别评估视觉限制和额外重量对动作执行的具体影响。

实验过程中，参与者在每个条件下进行了最多三次动作尝试，每次尝试之间间隔不超过30秒。所有尝试都被记录下来，并由四位经过专业训练的裁判根据国际评分规则对动作的识别和执行进行评估。裁判的评分标准包括对动作技术与美学表现的判断，评分越低表示执行质量越高。通过分析这些评分，研究人员能够确定HMD对不同动作类型的影响程度。

研究结果表明，HMD对动作执行的影响主要来自于视觉限制，而非额外重量。在所有动作特征中，跳跃、旋转跳跃和跳跃动作受到的影响最大，而静态动作和非飞行动作则受到的影响较小。例如，在跳跃动作中，HMD条件下的评分比原条件高出约1.95分，而在旋转跳跃动作中，评分差异达到了5.54分。相比之下，头盔条件下的评分差异则较小，特别是在跳跃动作和旋转跳跃动作中，评分差异甚至接近于零。这说明，虽然HMD的重量确实会对某些动作产生影响，但其主要障碍在于视觉限制。

进一步分析显示，HMD的通过模式虽然能够提供真实环境的视觉反馈，但其分辨率和视野范围的限制可能对运动员的感知产生不利影响。特别是在需要快速调整方向或保持身体平衡的动作中，如旋转跳跃和跳跃，HMD的视觉限制导致了较高的评分差异。这种差异可能是由于运动员在执行这些动作时，无法像在真实环境中那样有效地调整身体姿态，从而影响了动作的稳定性和精确度。此外，HMD的延迟问题也可能对动作执行造成一定影响，尤其是在快速动作中，延迟可能导致视觉反馈不及时，影响运动员的判断和反应。

在主观评估方面，运动员对头盔的舒适度和适配性评价明显优于HMD。在使用HMD时，有24名运动员报告了视觉障碍的问题，其中20人提到分辨率不足，16人指出视野受限。此外，10名运动员提到HMD的重量和体积问题，而只有3人报告了适配性方面的困扰。相比之下，头盔在舒适度和适配性方面的评分均高于HMD，表明在排除视觉因素后，额外的重量对运动员的影响相对较小。

研究还发现，某些动作类型的执行质量在使用HMD时仍保持较高水平，这表明HMD在特定条件下是可行的。例如，跳跃动作的识别率高达94.9%，而在头盔条件下，这一识别率甚至略高于原条件。这说明，如果能够改善HMD的视觉性能，如提高分辨率和扩大视野范围，那么其对动作执行的影响可能会进一步减少。同时，研究团队指出，随着技术的发展，未来的HMD设备有望在视觉体验和设备重量方面取得更好的平衡，从而为体操训练提供更有效的支持。

此外，研究还强调了熟悉度在使用HMD时的重要性。虽然在实验中仅选择了最佳尝试进行分析，但观察到的识别率随时间逐渐提高的趋势表明，运动员在使用HMD时需要一定的时间来适应。这种适应过程有助于他们更好地利用HMD提供的视觉反馈，从而提高动作的执行质量。因此，未来的训练中应考虑为运动员提供足够的适应时间，以确保他们在使用HMD时能够发挥最佳水平。

本研究的结论指出，尽管HMD在某些动作类型上对执行质量产生了显著影响，但在其他动作类型上，其影响相对较小。因此，HMD在平衡木训练中的应用应优先考虑那些不需要大量视觉反馈的动作，如跳跃动作。同时，研究建议未来的HMD设备应优先考虑高分辨率和宽视野的设计，以减少视觉限制对动作执行的影响。此外，设备的体积和重量也应尽可能减少，以避免对运动员的移动和平衡造成额外负担。

总的来说，这项研究为虚拟现实技术在体操训练中的应用提供了重要的参考。它揭示了HMD在特定条件下的局限性，并提出了改进建议，以更好地满足体操训练的需求。未来的研究应继续探索HMD在不同体操项目中的应用潜力，并结合最新的技术发展，开发更符合运动员需求的设备。通过不断优化HMD的设计和功能，虚拟现实有望成为体操训练中的一项重要工具，为运动员提供更安全、更有效的训练环境。