Содержание
Тренировка в условиях искусственной среды и виртуальной реальности
Создание искусственной среды и виртуальной реальности (ВР) в процессе тренировки можно считать одним из популярных направлений в теории и практике современного спорта и физических упражнений. Это направление тесно связано с прогрессом компьютерных технологий и их применением как в исследованиях, так и в повседневной тренировочной практике. В этом разделе представлены выводы ряда наиболее практически ориентированных проектов, которые были осуществлены в различных видах спорта с целью развития инновационных подходов и рационализации процесса подготовки спортсменов.
Исследования тренировки в условиях искусственной среды
Один из развивающихся в настоящее время инновационных подходов к процессу тренировки связан с созданием и применением искусственной среды (ИС). Такие системы ИС можно определить как «техногенные среды, имитирующие реальные условия с учётом специально сформулированных требований и в контролируемых режимах» (Issurin, 2013).
Возможно, первоначальный импульс для разработки таких биотехнологических систем был связан с развитием специализированных тестирующих комплексов, которые в лабораторных условиях имитируют различные варианты спортивной деятельности в реальных условиях. Успешно моделируются и изучаются такие спортивные дисциплины, как бег, велоспорт, академическая гребля, гребля на байдарках и каноэ, лыжные гонки, конькобежный и парусный спорт (Dal Monte, 1988). Ещё одним фактором, влияющим на развитие спортивных систем ИС, был успешный опыт в разработке подобных систем подготовки, используемых для специального обучения различных профессиональных групп, таких как водители (Mahoney, 1997), летчики, хирурги (Satava, 1995) и парашютисты (Hue et al., 1997). Следующим шагом в создании такой системы было использование ИС для подготовки спортсменов в точно заданных условиях с использованием онлайн-мониторинга, обратной связи и корректировки. Такой инновационный подход создал огромные возможности при применении в полностью контролируемых средах. Эти передовые технологии были реализованы в нескольких олимпийских видах спорта, таких как парусный спорт, бобслей, академическая гребля, теннис и гимнастика. Рассмотрим ряд успешных применений такого подхода в различных видах спорта (табл. 1).
Таблица 1. Результаты ряда исследований, в которых системы ИС были созданы и оценивались
| Описание | Результаты | Ссылка |
| Гребной тренажёр для внутренних помещений с многомерной регистрацией параметров схемы движения, кардиореспираторной и метаболической реакций | Управление в реальном времени параметрами техники гребка и эффективностью моделируемой гребли; объективный контроль подготовленности | Dal Monte, 1983 |
| Тренажёр, имитирующий действия яхтсмена в классе «Лазер», включающий имитатор корпуса лодки и управляемое компьютером гидравлическое устройство1 для воспроизведения усилий спортсмена при изменении курса и управлении парусом и блоком визуального воспроизведения различных гоночных ситуаций | Автоматизация навыков руления; объективная оценка и коррекция специфических навыков в парусном спорте | Walls et al., 1998 |
| Система ИС бобслейной трассы состояла из кабины тренажёра, программы управления движением и визуализирующего монитора | Объективная регистрация и оценка гоночных навыков элитных бобслеистов | Kelly и Hubbard, 2000 |
| Имитация игры в теннис против подающей мяч машины в соответствии с точным протоколом | Мониторинг в режиме реального времени специфических показателей подготовленности теннисиста, реакции ЧСС и наступления центрального утомления2 | Davey et al., 2003 |
| Система ИС в гимнастике, состоящая из различных образов имеющихся навыков с комментируемой анимацией до и во время практических занятий | Существенное упрощение приобретения двигательных навыков и улучшение результата | Ying et al., 2006 |
| Гребной тренажёр для закрытых помещений, обеспечивающий визуальную и звуковую обратную связь с информацией о приложении силы и траектории гребка | Быстрое улучшение схемы движения при достижении соответствия заданной модели | Frisoli et al., 2010 |
| Традиционный силовой тренажёр, приспособленный для автоматической оценки двигательных навыков и качества тренировочных занятий | Внедрение системы ИС позволило усилить кумулятивный эффект тренировки | Novatchkov и Baca, 2013 |
1 Имитатор шлюпочной палубы подвешен между двумя опорами и динамически управляется с помощью пневматического компьютерного привода. Компьютер генерирует реалистичные картинки, воспроизводящие ситуации при рулении, использовании шкота, лавировании и балансировании лодки.
2В момент, когда наступает центральное утомление, спортсмен уже не может продолжить выполнение упражнения без нарушения двигательного навыка (ему приходится ломать схему движения, изменять ритм, отклоняться назад или в сторону и т.д.), то есть спортсмен должен найти «обманный» вариант, чтобы закончить выполнение задания за точкой наступления центрального утомления.
Возможно, одна из первых удачных попыток создания ИС для мониторинга и экспериментальной подготовки была выполнена Dal Monte (1983). Многомерная система мониторинга для гребцов-академистов обеспечивала контроль и онлайн-коррекцию технических схем, оценку соответствующих метаболических и кардиореспираторных показателей и поддержку спортсменов во время многолетней подготовки, (рис. 1).
Оригинальная биотехническая система была создана Walls с соавторами (1998) для моделирования действий спортсмена в парусном спорте. Тренажёр состоял из компьютеризированной системы, воспроизводившей реальные условия парусных гонок и передававшей специальные технические требования спортсменам, а также шлюпочной палубы с механическим приводом, которая управлялась спортсменами. Действия рулевого оценивались с помощью соответствующей компьютеризированной программы, а окончательный отчёт включал детальную оценку технико-тактических возможностей испытуемого. Подтвердилось значительное сходство между действиями, моделируемыми в условиях эксперимента, и реальными на практике.
Аналогичный проект с системой ИС был осуществлён в бобслее. Бобслейный тренажёр предназначался для улучшения специфического по виду спорта процесса подготовки и обеспечения детальной оценки технико-тактического мастерства спортсменов наивысшей квалификации. Система управления движением и онлайн-мониторинг были использованы для регистрации и объективной оценки, а тренажёр-кабина боба позволял получать обратную связь на рабочем месте спортсмена. На мониторе отображалась специфическая «картинка» движения, и пилот мог управлять виртуальным бобом как реальным. Система управления движением автоматически анализировала движения спортсменов и осуществляла обратную связь в реальном времени (Kelly, Hubbard, 2000).
Оригинально была реализована идея ИС в академической гребле (Frisoli et al., 2010). Гребной тренажёр обеспечивал высокий уровень динамического подобия с греблей в реальных условиях; соответствующие датчики и компьютеризированная программа передавали сигналы спортсменам. Они получали визуальную, акустическую и механическую обратную связь, имея возможность корректировать технику движений и уровень метаболических процессов.
Успешную попытку создать систему ИС для обучения двигательным действиям в гимнастике предприняли китайские исследователи (Ying et al., 2006). Видеоклипы, двухмерная графика и анимация использовались спортсменами и тренерами во время тренировок. Эта система передавала всю соответствующую информацию через беспроводную связь на интернет-ресурс, где была доступна для дальнейшего применения.
Исследовательский проект Novachkov и Васа (2013) был посвящён созданию и апробации «искусственного интеллекта» во время силовых тренировок на традиционных тренажёрах. Общая идея этого проекта предполагала использование «умных» упражнений, которые предоставляли тренирующимся обратную связь во время и после тренировки. Такая онлайн-коррекция позволила радикально улучшить качество физической подготовки. В результате спортсмены быстро повысили свой технический уровень и добились существенно более значительных острых и кумулятивных эффектов по сравнению с обычной подготовкой.
Упомянутые выше и другие системы ИС были разработаны с целью повышения эффективности подготовки спортсменов за счёт более детерминированных и полностью контролируемых тренировочных условий. Более того, эти инновационные системы открыли новые перспективы в объективной диагностике и более точной оценке специфических по виду спорта способностей спортсменов. Суммируя упомянутые особенности систем ИС, можно выделить ряд их преимуществ:
- действия спортсмена при имитации в значительной степени соответствуют реальности; это одно из главных преимуществ искусственно созданных систем спортивной подготовки;
- используя устройства обратной связи в режиме реального времени, системы ИС позволяют осуществлять онлайн-коррекцию двигательных действий, приближая их к «идеальной» схеме;
- дополнительные преимущества систем ИС связаны с индивидуализацией тренировочного процесса; это позволяет тренеру развить сильные и подтянуть слабые стороны каждого спортсмена.
К сожалению, недостатки систем ИС, в том числе высокая стоимость и необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов для сопровождения, существенно ограничивают их реализацию на практике.
Использование виртуальной реальности в подготовке спортсменов
Виртуальной реальностью (ВР) называется компьютерная технология, создающая мнимый мир, то есть воспроизводящая реальность при соблюдении разных условий и в соответствии с различными сценариями. Отвечая специфическим по виду спорта требованиям, технологии ВР могут сочетаться с практическими тренировками. Когда виртуальный мир взаимодействует с реальностью, возникают большие перспективы улучшения процесса подготовки, роста результата и совершенствования процедур анализа. Эти перспективы касаются ряда возможных применений ВР (табл. 2).
Таблица 2. Варианты применения технологий ВР в спортивной практике (по Liu et al., 2011 и Wang, 2012)
| Область применения ВР | Особенности |
| Создание банка данных спортсменов | Сбор физиологических, биохимических и специфических по виду спорта данных спортсменов для компьютеризированного анализа и оценки |
| Создание трёхмерных моделей движения | Преобразование традиционных двумерных картинок в пространственную техническую схему расширяет возможности анализа движений в эстетических видах спорта, единоборствах, командных видах и т.д. |
| Оценка тренировочных эффектов | ВР подход позволяет количественно оценить реакцию на тренировочную нагрузку и её параметры для объективной оценки острых, срочных и кумулятивных тренировочных эффектов |
| Генерирование виртуальных соперников | Используя компьютерную анимацию для создания виртуального соперника, можно учитывать заданные условия и наделять его ожидаемыми свойствами |
| Моделирование «идеального» спортсмена | Основываясь на специфических требованиях, тенденциях и конкретных показателях ведущих спортсменов в определённом виде спорта, выраженных в числовых значениях, можно создать модель виртуального чемпиона |
Принимая во внимание данные таблицы 2, можно выделить ряд преимуществ ВР-подхода. Во-первых, модели ВР основаны на заданных, точно структурированных условиях, которые могут контролироваться и корректироваться до тех пор, пока конечный продукт соответствует ожиданиям пользователей. Во-вторых, создание каждой модели ВР обобщает имеющиеся знания и опыт создателей. Соответственно, разработка моделей ВР стимулирует сбор и систематизацию имеющейся информации, чтобы «виртуальный мир» соответствовал реальности. В-третьих, синхронизация ВР визуальных картинок с практическим упражнением позволяет спортсмену осваивать адекватную технико-тактическую схему поведения в соответствии с заданными условиями, такими как ожидаемые действия соперника, тактика запланированной гонки, разные направления ветра и т.д. В-четвертых, создание ВР-клипов в сочетании с образами позволяет эффективно включать психологические практики в подготовку спортсменов. Такой синтез ВР с психологическими сеансами обеспечивает дополнительные возможности для снижения предсоревновательной тревоги и усиления психологической устойчивости спортсменов.
Обзор доступных публикаций раскрывает ряд исследований, в которых были продемонстрированы упомянутые преимущества ВР подхода (табл. 3).
Данные из таблицы 3 можно обоснованно сопроводить краткими комментариями. Исследование Graig с соавторами (2006) было посвящено рассмотрению способностей футболистов оценивать и прогнозировать траекторию движения мяча после выполнения штрафных ударов с подкруткой мяча и без. Известно, что понимание траектории движения мяча представляет трудности для голкиперов в случаях, когда мяч подкручен во время свободного удара. ВР-моделирование таких ситуаций позволило объективно измерить способности футболистов к оценке траектории движения мяча и улучшить восприятие таких ситуаций, в частности вратарями.
Система трёхмерного моделирования была разработана исследователями из Китайской академии наук для анализа и мониторинга действий спортсмена на батуте (Wang et al., 2007). Целью исследования было разработать компьютеризированную систему подготовки. Программа выдавала «идеальный» ВР-образец движения, который сравнивался с реальным сразу после выполнения упражнения. Таким образом, во время подготовки к Олимпийским играм в 2004-2012 гг. традиционный способ тренерской оценки исполнения упражнения был дополнен компьютеризированной 3D-системой мониторинга, позволившей добиться повышения результата на основе ВР-программы. Стоит отметить, что по прошествии этого периода китайские батутисты завоевали 2 золотые, 1 серебряную и 4 бронзовые олимпийские медали.
Таблица 3. Краткое изложение результатов исследований, посвящённых тренировке в виртуальной реальности (ВР)
| Описание | Результаты | Ссылка |
| Система ВР предназначена для оценки ситуации, при которой футболист выполняет штрафной удар с приданием мячу дополнительного вращения, при этом демонстрируется траектория полёта мяча | Система визуализации позволяет судить о том, попадёт ли мяч в ворота после такого свободного удара с подкруткой мяча | Graig et al., 2006 |
| ЗD-программа ВР была создана на основе экспертных оценок; видеозапись движений спортсменов сравнивалась с «идеальной» моделью онлайн | Компьютеризированная оценка реальной двигательной схемы позволила тренерам корректировать и уточнять её во время подготовки в Олимпийским играм 2004 года | Wang et al., 2007 |
| Основанная на компьютерных программах ВР-схема движения мяча при подаче в теннисе была показана спортсменам для оценки скорости полёта мяча, его направления и степени вращения | Программа позволила оценить и повысить способности спортсменов предвидеть ход развития ситуации на корте, влияющей на результат в реальных условиях | Ida et al., 2007 |
| ЗD-компьютерная анимация представляла виртуальную версию движений в художественной гимнастике для дальнейшей реализации | Система позволила включить объективное оценивание реальных действий в гимнастические программы | Deng, 2008 |
| Программа ВР демонстрировала игровые ситуации в регби с обманными действиями нападающего; защитников просили предсказывать реальные действия нападающего | Программа ВР позволила распознать обманные действия, основываясь на видимом смещении центра масс нападающего | Brault et al., 2009 |
| Были заданы и реализованы пять ВР сценариев в парусном спорте; яхтсмены выполняли соответствующие действия, исходя из заданных условий | Оценивался вклад различных навыков при рулении лодки; тренированным яхтсменам требуется более высокий уровень соответствия реальности, чем новичкам | Mulder et al., 2010 |
| Действия гандболиста при выполнении броска мяча были зарегистрированы, анимированы и воспроизведены в ВР; были проанализированы реальные реакции вратаря | ВР тренировка вратаря позволила повысить уровень его реагирования на мяч в реальных условиях; его действия против реальной и виртуальной угрозы при броске нападающего по воротам были схожими | Vignais et al., 2010 |
| Исследование движений Liu Xiang, барьериста, позволило создать ВР-модель, использованную для мониторинга и совершенствования техники | Основанная на ВР подготовка китайского спортсмена позволила ему выиграть золотую медаль на Олимпийских играх 2004 года в Афинах | Liu et al., 2011 |
Для исследования возможностей предвидения траектории полёта мяча квалифицированными и начинающими теннисистами была создана оригинальная система ВР на основе компьютерного моделирования подачи мяча (Ida et al., 2007). Анимированная программа позволяла воспроизводить различные условия подачи, а спортсменам было предложено оценить направление, скорость и вращение мяча. Объективно оценивались различия в способности оценивать движение мяча между опытными и менее подготовленными игроками.
Исследование, проведенное в художественной гимнастике, имело целью разработку автоматизированной компьютеризированной системы для рационализации процесса подготовки элитных спортсменов (Deng, 2008). Технология захвата движения использовалась для создания анимированной 3D-модели ВР для индивидуальных и групповых упражнений. Такие модели были использованы для синтеза соревновательных программ, оценки и улучшения их качества.
Установка, генерирующая ВР, была разработана для исследования способностей регбистов предвидеть действия нападающего (Brault et al., 2009). Авторы создали ВР-сценарий, по которому защитник должен был предвидеть завершающее действие нападающего, выполнявшего обманные движения. Защитник мог предсказать поведение нападающего, наблюдая за перемещениями центра масс его тела. Программа предлагала рациональный алгоритм принятия решения в этой ситуации.
Группа ученых из Нидерландов провела исследование, в котором ВР-программа представляла типичные ситуации в парусных гонках; спортсмены должны были выполнять адекватные действия на специальном симуляторе (Mulder et al., 2010). Яхтсмены сосредотачивались на конкретных движениях при рыскании, крене и качке. Программа позволяла оценивать субъективную обратную связь и реальные ощущения в конкретных гоночных условиях. Были выявлены чёткие различия между более и менее квалифицированными яхтсменами.
Исследовательский проект французских учёных оценивал ВР-модель бросков мяча в гандболе на основе кинематических данных, полученных у элитных игроков. На большом экране виртуального стадиона демонстрировалась атака на ворота; действия вратаря в задаваемых условиях регистрировались для последующего анализа. Результаты позволили объективно оценить двигательные навыки вратарей и определить различные источники информации, которые могут повлиять на их поведение (Vignais et al, 2010).
Лонгитудинальное исследование китайских учёных было чётко ориентировано на решение практических проблем подготовки элитных барьеристов к Олимпийским играм и другим престижным событиям (Liu et al., 2011). Для создания анимированной ВР модели движений китайского спортсмена Liu Xiang и нескольких его соперников была использована технология захвата движения. Эта система использовалась для систематического мониторинга процесса подготовки спортсмена, ориентируясь на практически важные сигналы обратной связи и совершенствование индивидуальной техники. Спортсмен достиг великолепных результатов, выиграв золотую медаль на Олимпийских играх 2004 г. с новым мировым рекордом (110 м с барьерами — 12,91). В период 2003-2011 гг. Liu Xiang с успехом принимал участие в чемпионатах мира, где получил одну золотую (2007), две серебряные (2005 и 2011) и одну бронзовую медаль (2003).
Упомянутые выше исследования с применением ВР имеют определённое значение для теоретических основ спортивной подготовки в различных спортивных дисциплинах. Тем не менее практическое использование результатов перечисленных выше проектов не может недооцениваться. Будущие исследования и возможный опыт в этой области может сделать большой вклад в подготовку спортсменов высокой квалификации, а также в обучение и диверсификацию подготовки спортсменов низкого и среднего уровня.
Источник: «Теория спортивной тренировки».
Учеб. для ВУЗов. Авт.: проф. В.Б. Иссурин, 2016
