Web 3DVR互动式桌球学习系统开发研究960227iyeTdocWord格式.docx

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本系統希望運用虛擬實境與類神經網路回饋機制的設計，提供桌球教與學在場地設備與人員限制上有所局限時的替代教學情境，以虛擬的形式進行心智性的對打練習與應用學習，並提供教學者參考性的學習評量工具，讓更多的學生可以更進一步認識桌球的世界。

關鍵字:

桌球學習、3D/VR虛擬實境、類神經網路、數位學習、系統設計

Abstract

LearningskillsofTableTennisnotonlydependsontraditionalfacetofaceinstructionandversusmatchesbutalsoappropriatecourts,practicematesorautoservemachinetogainanopportunitytoalternatelyapplyandpracticelearnedskills.

MostschoolslackofstandardTableTenniscourtsbarelyprovidecompleteinstructionandtrainingtostudents;

tutorsarenotabletodiscoverachievementorresponseoflearnersunderpracticeversusmatchessituation,onlywithstaticpaperexamineapproachtorealizelearningoutcomeinlevelofrecognition.

Recentyearwithhelpofwidelydevelopmentandapplianceofinformationtechnologyandmultimedia,nomattergovernmentchampionededucationalpolicyorciviliangroup,multimediaaidinstructionareadaptedlargelytoengagevariousoflearningandtrainingtask,viaimages,animationandinteractivemultimediainstructiondisplayvarious,dynamic,continuous,reduplicative,accessibleteachingmaterials,notonlyariseinterestoflearnersbutalsotransmitmoreexplicitanddynamicinformationprovidingmediasforsolidobservationandimitativelearningandsolvesproblembeingincapabletosupplyallsortsofteachingmaterialsandscenariosituatedatoncesituationmoreorless,inadditionway,VirtualRealityposesanuniqueadvantageofexpressingnone-linerinformationwhichimagesorwordscandonothingabout.

Thisthesismainlyprobeintohowtotakeadvantageofweb-multimediaandVirtualRealitytocombinewiththeoryofe-learningvianeuralnetworkreactingnone-linearprocedurestomimicvirtualversusmatchingscenario,providingfeedbackofvirtualapplianceandpracticeonTableTennismotionskills,digitalagentconceptversusmatchesandfurtheron-linecorporativelearningandcoachingmechanismtoconstructaremotedistancelearning&

instructionsystem.

ThesystemisconstructedmainlywithbuiltinfunctionsnamedChannelinQuest3DassemblydesignedtocreaterelativereactionsaboutTableTennisgamingscenariosandreal-timeresponseaccordingtouseroperatingbehaviorstofeedbackwithcharactermotionandmotionofphysiqueobjects.3Dmodelsgraphsareconstructedwith3DMAXcreatingfundamentalenvironmentmodelsandvirtualplayercharacters;

texturemappingimagesaremadewithPhotoshop;

animationkeyframesofvirtualplayersarecreatedinMaxinitiallyandreal-timeadjustdetailmotionaccordingtoresearcherdesignedchannellogic.

ThissystemisexpectedtoapplyVR-neuralnetworklikefeedbackdesignedtosupportthoseshortofcourtsandversusmatchingwithalternateinstructivesituation,practiceandlearninginvirtualwayforversusmatchingmentallyandprovidetutorsareferentiallearningevaluationutility,generallyallowstudentstoknowtheworldofTableTennisbetter.

致謝

（略）

目錄

第壹章緒論0

第一節研究背景與動機0

第二節研究目的2

第三節研究範圍與局限3

一、研究範圍3

第四節操作性定義6

第五節研究流程9

第貳章文獻探討13

第一節桌球基本攻防動作13

第二節相關學習理論23

第三節虛擬實境與運動學習的相關理論27

第四節虛擬實境軟體的發展29

第參章問題分析35

第一節VR球體運動的方位控制與追蹤35

第二節VR虛擬角色肢體動作即時對準追蹤桌球的動態位置38

第三節VR虛擬角色即時取得最佳攻擊位置40

第四節虛擬角色與反向關節運動InverseKinematic41

第五節軟體需求與目標分析41

第六節系統設計48

第肆章系統發展與實作55

第一節教材實作結果55

第二節系統評估55

第三節遭遇困難與解決方法55

第伍章結論與建議55

第一節結論55

第二節建議56

參考文獻56

表目錄

表1-1電腦輸入周邊設備之訊號與資料形式4

表3-2單機單打對賽執行程序與規則42

表3-3球局流程與記錄處理之執行程序與規則43

表3-4學習活動區執行程序與規則45

表3-5歷程記錄執行程序與規則46

表3-6網路單打對戰執行程序與規則47

表3-7使用者資料表49

表3-8使用者環境資料表50

表3-9使用者模擬結果資料表50

表3-10球路動畫資料表51

圖目錄

圖2-1滑鼠二軸動作類比手部三軸運動-利用螢幕二維投影產生三維座標的深度值5

圖1-2研究流程11

圖2-3快攻型握拍法13

圖2-4弧圈型握拍法14

圖2-5削球型握拍法14

圖2-6橫拍握拍法15

圖2-7橫拍握拍法15

圖2-9一步動步法17

圖2-10二步動步法17

圖2-11三步動步法18

圖3-12長球落點19

圖3-13短球落點20

圖2-14正反手發球圖解20

圖2-15桌球擊球點與旋轉方向21

圖2-16長短球與方向22

圖2-17不轉球發球22

圖2-18訊息處理三階段模式25

圖3-20滑鼠二維向量經投影運算可得三維空間的向量長度36

圖3-21滑鼠二維向量經投影可得三維空間的力矩變化（力矩變化夾角對邊之向量長度）37

圖3-22用虛擬骨頭與目標物之間的仰角tang值取得可以對準目標的旋轉量38

圖3-23手臂對準目標物卻超過目標物39

圖3-26系統架構圖48

圖3-27環境圖49

圖3-28系統全景圖52

圖3-29DFD第0階53

圖3-30系統製作流程圖54

圖3-31系統評估流程55

第1章緒論

第1節研究背景與動機

吳萬福（1989）指出，體育是教育的一環，是以各項具有教育價值的運動學習做為學習的內容，事先須規劃設計並佈置好的教學場地（如運動場、體育館、游泳池、視聽教室等），採用合理有效的教學方法，指導學生學習各項運動技能，以及有關體育運動知識，培養良好社會合群態度，以促進身心發展、提升個人健康、培養積極進取、樂觀知命、充實生命意義的師生教學活動。

一般來說，學校教育要對一個班級的學生實施桌球教學，需要相當數量的球桌與場地的配合，以國內多數學校的規模來說並不容易做到，桌球的教學在資源有限的條件下，經費比較充足的學校可以分配共用桌球資源的方式進行，對經費與規模較小的學校來說，桌球的課程可能僅止於課本或影片的教學介紹，可能連握球拍對打的機會都很渺茫，對桌球運動的推廣與教學上都是很大的瓶頸。

此外傳統的體育教學是由教師親自口述及示範動作，學生再經由模仿教師的動作不斷反覆練習與修正，逐漸學會正確的動作。

（陳五洲，1994）。

桌球技能的教與學除了依靠傳統面對面傳授與對戰練習的方式進行，還必需搭配適當的場地、練習的對手或自動發球機才有機會交互應用與練習所學的動作技能，對大部分標準桌球場地不足的學校而言，幾乎無法為每位學生提供完整的教學與對打訓練，只能針對校隊菁英進行全面的訓練，即便如此，場地充足的學校也不見得隨時可以找到程度彼此適合的練習對手進行進一步的訓練，對學習者而言，桌球基本技巧與動作可能可以在機械化的練習下達到精熟的程度，但卻不能驗證自我能否在實戰對打練習或比賽時適當而有效的應用所學的技巧，徒有武功卻不知如何出招。

教學當中，常因學生的個別差異、教學方法及教材，以及當體育教師在動作示範時，觀看的角度或動作示範得太快而無法清楚瞭解，亦或是學生無法掌握教學主題、重點及本身的視覺記憶有限⋯⋯等，將造成教學與學習上的障礙與限制（黃清雲，2000）。

就教學實務而言，上述狀況下教學者可以利用機械式的測驗了解基本動作的熟練度，對於實戰應用與反應能力上的學習成效評估也顯得不易達成，只能依賴靜態的紙筆測驗瞭解認知層面的學習結果，然而採用實戰測驗又可能低估手眼協調能力較差的學生在技巧應用的認知層面上所達到的成效，或是因為匹配對手的技巧差異太大而產生結果失真，對桌球教學與推廣而言，上述問題都是值得探討的問題。

近年來拜資訊科技與多媒體技術的廣泛發展與應用之賜，不論是政府主導的教育政策、軍事訓練或民間團體的教育訓練亦大量運用網路多媒體輔助教學進行各項學習與知識傳遞，Jonassen（1982）的研究提出強調影像在運動技能的學習上有注意力（attention）、解說性（explication）及保留性（retention）等三種功能。

換句話說，適當的利用影像，可以有效的吸引並維持學習者注意力，加強學習者的理解力，並且使所學到的訊息被轉進入記憶中的保留區。

因此，在體育教學中應用電腦為基礎所設計的多媒體，在運動技能的學習上，能提供明確清晰的技能學習要素，如：

運動技能的細部動作，在文字、圖形、影像（可以連續、快慢或靜止畫面呈現）及音效的調配下，使學習者容易辯明及觀察動作結構的聯結與連貫性，對於提高學習者學習動機及增進學習效果，其價值是肯定的。

透過影像、動畫及互動式多媒體的教材呈現多元性、動態性、連續性、可複製、易於取得的教學素材，除了能提高學習者的興趣，傳達更清楚與動態的資訊樣貌，提供具體觀察與學習模仿的媒介，某個程度上解決了教學現場所提供之教學素材與場地情境不可能萬事備齊的問題。

其中虛擬實境更具有表達教學現場無法以圖文影片呈現的非線性抽象資訊與情境的獨特優點，此外電腦問世以來廠商對硬體效能的開發不斷精進提昇，同時也減少軟體設計為硬體執行效能所設定的侷限，以往需要頂級硬體才能執行3D虛擬實境的基本瀏覽，而在現今的家用電腦上卻可輕鬆顯示，甚至可以同時針對3D環境裡的多種事件產生複雜的回應指令，產生目不暇給的影像回饋，而開發軟體所能提供的函數工具也越來越豐富，所能執行的範籌也越趨多元，從純粹的虛擬實境的呈現進步到可以讀取遠端資料庫，支援的運算也開始涉及AI路徑求解、物理反應模擬、粒子系統、布料反應、光影運算、VR硬體輸入、多人網路連線處理…等，功能複雜的同時使用方式卻越來越平易近人，原本需要以艱深的程式語言撰寫的運動反應只要操作圖形界面來設定參數即可達到目的，因此以往需要專業人士才能產生的專業影像或互動效果都可以在家用電腦中實現，系統開發人員所能設計的互動機制也越趨動態化與多元。

綜合上述背景因素，研究者想利用虛擬實境的技術與類神經網路的演譯原理模擬桌球對戰情境，建構可以能透過網路取得運用的輔助教學系統，協助教學者與學習者在實體設備與人力資源有限的情況下，仍然可以從透過虛擬對戰的方式對桌球技巧的進行認知性的應用學習。

第2節研究目的

本研究主要探討如何應用網路多媒體技術與虛擬實境的優點，結合數位學習的理論，以類神經網路反應非線性程序呈現桌球運動對打的擬真情境，提供桌球動作技能虛擬應用與練習的情境與回饋，以數位代理人的技術概念提供對打練習對象，並進一步引入線上合作學習與教練指導機制，建置具有遠端教學與學習能力的系統。

第3節研究範圍與局限

1、研究範圍

（1）桌球對戰程序所涉及的基本動作技巧、基本攻防策略、球體相關的物理運動反應。

（2）虛擬實境如何模擬桌球對賽並針對研究範圍

（一）所述問題做出適當的動作反應及該反應的即時演算方式及相關的程序演譯。

（3）網路社群化合作學習與教學運用的機制設計。

2、研究侷限

（一）數位虛擬動作與真實世界的類比動作間的轉換

電腦利用一般周邊輸入設備對環境的感知方式與人類感官對環境感知的方式有基本上的差異，電腦軟體被動的透過有限的周邊輸入設備所傳入的二元數位訊號（表1-1）控制虛擬實境物體或視角的位移與旋轉量，相較於人類於同時間處理軀體五官及四肢不同關節的三軸變化的方式自然無法類比，本系統以操作滑鼠二維移動的方虛擬人體揮動球拍的動作，只能間接透過投影運算的方式達成z軸的深度表達（圖2-1），旋轉手腕的動作必須以間接參數轉換的方式產生，因此與真實揮拍動作的一氣呵成狀況會有研究上的侷限與差異。

表1-1電腦輸入周邊設備之訊號與資料形式

周邊

名稱

偵測訊號

資料

型態

組合訊號

滑鼠

垂直位移:

mouseY

水平位移:

mouseX

浮點數

2D座標（x,y）

2D向量座標

（Δx,Δy）

滑鼠指標接觸特定範圍的真假值

rolloverBoolean

滑鼠（左、中、右）按鍵

按下或鬆開的狀態:

（left-middle-right）

mousebuttondown/up

布林

真假值

與鍵盤控制碼之

AND布林運算:

滑鼠滾輪滾動:

scroll

鍵盤

字串（Aa~Zz）

數字（0~9）

符號:

[{（）}]+-*/^!

&

%

~|&

>

<

=?

!

@#$%:

.;

’”`

控制碼:

Ctrl、Alt、Shift、Enter、Delete

ASCII

字碼

與鍵盤Shift控制碼做AND布林運算:

uppercase字碼

按任意鍵盤鍵Anykey

鍵盤按鍵壓下Keypress

+keycode

圖2-1滑鼠二軸動作類比手部三軸運動-利用螢幕二維投影產生三維座標的深度值

（二）物體運動參數的擬真性

本系統物體運動參數無法模擬真實物體運動狀態在空氣磨擦與空氣力學影響下的微量變化，主要因為球體磨擦阻力系數在quest3D軟體中的表達單位採用相對系數，所以無法與真實材質的磨擦系數完全等同，故本系統只能以磨差系數的相對差距來模擬磨擦阻力與運動碰撞的反應，無法驗證曲球運動或磨擦後反彈運動的真值。

（三）軟體功能的限制

本系統以Max3D製作之3D虛擬球員模型匯出至Quest3D中做為操弄素材，但因兩套軟體各自擁有不同的座標系統，對位置、方向、尺寸的定義方式產生不相容的狀況，此為Quest3D的程式臭蟲（bug），主要只發生在人物骨架動畫的座標陣列資料上，其餘的標準規格模型無此問題，因此人物模型運動方式發生xz值顛倒的狀況，經研究者以三角函數求解後取得修正，但過程中因為座標系統錯亂無法以數值方式定位，需手動調整參考點正offset偏移值，因畫面精度的限制可能產生調整上的視覺誤差，以致人物肢體動作在執行跟蹤目標物位移的反應上會有微小誤差，實為開發軟體本身的功能侷限。

（四）虛擬角色之IK人體反向關節之關節自由度模擬

人體關節活動時的關節旋轉角度有一定的範圍限制，不同的關節有不同的活動自由度，但實際上可透過個人的關節柔軟度訓練而改變，無法取得絕對標準，本研究針對人體關節反向活動之關節自由度之模擬處理以經驗與觀察所得之概量為主，以不違反經驗法則為準。

（五）虛擬角色的細部動作

本研究的虛擬角色的動作主要由系統依虛擬球體之位移動態透過演算程序產生，所處理的物件主要針對迎球最佳位置的追蹤所需的手臂、腰部、頭部之角度及全身的位置做追蹤處理，對於真人運動過程中細膩的步法變化、重心調整、手指與手腕的甩動…等細膩變化尚無法納入研究。

第4節操作性定義

1、虛擬實境

虛擬實境是利用電腦模擬出一個三度空間的虛擬世界，配合著視覺、聽覺甚至觸覺與嗅覺等模擬，讓人感覺「身歷其境」般置身於虛擬世界中，並可以接受使用者的輸入而做出及時的回應影像【Burdea，1994】。

要達到虛擬實境，有三個必須要素：

立體視覺、即時與互動，所以虛擬實境也被稱為「三度空間即時互動環境」（3DReal-timeInteractiveEnvironment）。

所謂「三度空間」是指電腦模擬真實世界的三維景物，「即時」是指電腦對於使用者的輸入可以馬上改變虛擬世界中的景物，而「互動」使得使用者有身歷其境的感覺。

2、虛擬人物（3DCharacter）

3D角色是3D軟體業界為模擬生物動作並表現其表面依骨架態勢改變而平滑變形的種種特別需求而制定的模型規格，人類和動物在行進時不能像無生命物體一樣僅做滑動