足球运动员在虚拟现实多目标追踪任务中的优势_王静.pdf
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1、第 46 卷 第 4 期2023 年 4 月北 京 体 育 大 学 学 报Journal of Beijing Sport UniversityVol.46 No.4Apr.2023足球运动员在虚拟现实多目标追踪任务中的优势王静1,张禹1,李杰2,3(1.北京体育大学心理学院,北京 100084;2.杭州师范大学附属医院认知与脑疾病研究中心,浙江 杭州 311121;3.杭州师范大学心理科学研究院,浙江 杭州 311121)摘要:目的:探讨足球运动员在虚拟现实多目标追踪任务(VR-MOT)中的追踪优势是否比二维多目标追踪任务(2D-MOT)更强,以及不同运动水平对这种追踪优势的影响。方法:采用
2、虚拟现实技术创建更为真实的VR-MOT,并将2D-MOT和VR-MOT结合起来比较高水平足球运动员、大学生足球运动员和非运动员在上述2项任务追踪速度阈值上的差异。结果:1)VR-MOT的追踪速度阈值显著高于2D-MOT;随着运动水平的提高,足球运动员的追踪速度阈值也相应提高。2)高水平运动员在2D-MOT和VR-MOT中的追踪速度阈值均好于非运动员,大学生运动员仅在VR-MOT中的追踪速度阈值上高于非运动员;在不同运动水平的人群中,VR-MOT的追踪速度阈值均显著高于2D-MOT,但高水平和大学生足球运动员在VR-MOT追踪速度阈值上的提高程度大于非运动员。3)高水平运动员的职业运动年限与其在
3、VR-MOT中的追踪速度阈值呈正相关。结论:VR-MOT的追踪表现好于2D-MOT,且存在跨人群的稳定性。这可能与多焦点注意理论中多个注意焦点灵活分配到不同深度位置提高客体的区分度,以及知觉组织假说中多个目标客体形成的空间构型更加稳定有关。此外,足球运动员的追踪优势受到运动水平的影响,高水平足球运动员在2D-MOT和VR-MOT中均表现出较强的追踪优势。最后,相比于非运动员,足球运动员在VR-MOT追踪表现上的提高程度更大,这可能是由于VR-MOT具备丰富的深度信息,从而使足球运动员更大程度地利用深度信息来促进追踪。关键词:虚拟现实;多目标追踪;足球运动员;动态追踪优势;运动水平Advanta
4、ges of Football Athletes in Multiple Object Tracking Task Based on Virtual RealityWANG Jing1,ZHANG Yu1,LI Jie2,3(1.School of Psychology,Beijing Sport University,Beijing 100084,China;2.Center for Cognition and Brain Disorders,the Affiliated Hospital,Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121,Zhejiang
5、 China;3.Institute of Psychological Sciences,Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121,Zhejiang China)Abstract:Objective:The study aims to investigate whether the tracking advantage of football players in the virtual reality multi-object tracking task(VR-MOT)is stronger than that in the two-dimensi
6、onal multi-object tracking task(2D-MOT),and to explore the influence of sports level on this processing advantage.Methods:Using virtual reality technologies to develop a more realistic VR-MOT,and combining 2D-MOT and VR-MOT,the study compares the differences in the tracking velocity thresholds of th
7、e above two tasks among elite football players,college football players and non-athletes.Results:1)The speed threshold of VR-MOT is significantly higher than that of 2D-MOT.As the sports level increases,the speed threshold of football athletes also increases accordingly.2)Elite football 王静,张禹,李杰.足球运
8、动员在虚拟现实多目标追踪任务中的优势 J.北京体育大学学报,2023,46(4):128-144.doi:10.19582/ki.11-3785/g8.2023.04.012投稿日期:2022-04-16 修稿日期:2023-03-27基金项目:国家自然科学基金面上项目“足球场上的情境意识:基于虚拟现实的多目标追踪研究”(项目编号:32071087);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目“足球运动员动态注意分配特点及眼动和脑功能成像分析”(项目编号:2018PT016)。作者简介:王静,博士研究生,研究方向运动认知。通信作者:李杰,副教授,博士,研究方向运动认知、认知心理。128第 46 卷
9、王静,等:足球运动员在虚拟现实多目标追踪任务中的优势第 4 期athletes outperform non-athletes in both 2D-MOT and VR-MOT tasks,and college football athletes are better than non-athletes only in VR-MOT.The tracking speed threshold of VR-MOT is significantly higher than that of 2D-MOT in people with different sports levels,but the
10、improvement of VR-MOT tracking speed threshold of elite and college football players is greater than that of non-athletes.3)The professional sports years of elite football athletes are positively correlated with their tracking speed threshold in VR-MOT.Conclusion:The tracking performance of VR-MOT i
11、s better than that of 2D-MOT,and there is stability across elite football players,college football players and non-athletes.This may be related to the degree of distinction that is increased when multiple people s focus of attention is flexibly assigned to positions of different depths according to
12、the multi-focal attention theory,and the more stable spatial configuration formed by multiple target objects in the perceptual organization hypothesis.In addition,the tracking advantage of football players is affected by their performance level,where elite players show strong tracking advantages in
13、both 2D-MOT and VR-MOT.Finally,football players show greater improvement in VR-MOT tracking performance compared to non-athletes,which may be due to the fact that VR-MOT possesses rich in-depth information,allowing football players to make greater use of in-depth information to facilitate the tracki
14、ng.Keywords:Virtual reality;multiple object tracking;football players;advantages of dynamic tracking;performance level复杂多变的体育情境对运动员的注意能力提出了极高的要求,越来越多的研究关注运动员在注意方面是否存在优势1-3。早期的静态注意研究发现运动员具有良好的视觉搜索和选择性注意能力4,但许多团体运动项目(如足球、篮球、橄榄球等)要求运动员在不可预测的运动场景中做出动作反应时需随时关注场上的信息变化,因而更多涉及对复杂场景中的动态注意5-9。例如,在足球攻防转换的激烈对抗中
15、,无论是持球队员还是无球队员都应在短时间内同时注意多种动态信息:球的去向、对手和队友的位置,从而快速发现空档并进行传球或跑位等。在实验室研究中,Pylyshyn 等10提出的多目标追踪范式(multiple object tracking,MOT)主要用于考察个体在动态场景中的注意加工机制,该范式要求个体在一段时间内持续注意多个运动的客体,这与上述团体运动以及其他日常行为活动中的视觉追踪特点十分相似,从而为分析个体的动态注意提供了有效的研究手段11。经典的MOT范式通常包括3个阶段:1)在目标标记阶段,电脑屏幕上会呈现一些表面特征完全相同的客体(如圆形),其中,部分客体通过闪动被标记为目标,其
16、余未闪动的客体称为干扰物;2)在追踪阶段,闪动消失,所有的客体在屏幕上随机运动,要求参与者实时追踪目标客体;3)在反应阶段,所有客体停止运动,要求参与者选出目标客体。最后,计算出参与者的追踪正确率即正确追踪的目标个数占目标总数的比率作为个体的追踪表现12-14。目前,已有大量研究发现人们的追踪表现会随着客体运动速度的提高15、目标数量的增加16或客体间距的缩小17等因素不断下降。研究者们根据这些多目标追踪现象提出了不同的理论假说解释其内在的注意加工机制,如视觉索引理论(Visual Index Theory)认为视觉系统能够将数量有限的视觉索引(indexes)(大约 45个)分配到目标上,索
17、引与目标绑定后黏附在该客体上,与客体保持对应,从而保证个体并行地追踪多个运动客体18。Yantis19提出的知觉组织模型(Perceptual Grouping Model)认为,在多目标追踪过程中,视觉系统会将多个目标组成一个更高水平的视觉表征,即以目标为顶点构成一个“虚拟的多边形”(如4个目标构成1个四边形),进而通过自上而下的方式加工多个目标客体的位置。由于视觉索引理论和知觉分组模型都强调存在单一的注意焦点,但Cavanagh等20认为单一的注意焦点并不能在选择多个目标的同时忽略干扰物,因此提出了多焦点注意理论(multifocal attention theory),并认为每个目129
18、北京体育大学学报第 46 卷第 4 期标都会吸引一个单独的注意焦点以保持对目标的表征,多个注意焦点跟随目标并随着目标的运动而移动。虽然上述理论从不同角度分析了多目标追踪中关于目标的选择和保持机制,但这些探讨仅局限于二维平面的多目标追踪过程,且至今未达成一致的观点。近年来,在大量理论研究的基础上,研究者们逐渐采用MOT任务探讨不同人群间追踪表现的差异,并以此作为对各类人群进行认知评价和训练的有效手段21。尤其是体育运动的复杂性、快速变化等特点使得运动员在MOT任务中的优势受到了研究者的广泛关注。李军22的研究发现,随着目标数量的增加,篮球运动员专家组的追踪正确率明显好于新手组。同样地,Qiu等2
19、3研究发现,相比于追踪2个目标,运动员在追踪 3或 4个目标时的追踪正确率高于非运动员。而Jin等24则同时分析了运动员和普通大学生在目标数量和运动速度变化时的追踪正确率。结果发现,当目标数量增加时,篮球运动员与普通大学生的追踪正确率并无差异,但随着运动速度的提高,篮球运动员的追踪正确率明显好于普通大学生。该研究指出篮球运动员在MOT任务中的优势主要体现在追踪速度较快而非追踪数量更多。Qiu等25研究进一步发现,当目标数量较多(3 或 4 个)时,高水平运动员的追踪正确率好于中等水平运动员和非运动员,中等水平运动员和非运动员之间没有差异;而当目标数量较少(2个)时,上述3组间均无差异。这表明当
20、任务难度提高时,运动水平越高,运动员的追踪优势越明显。除此之外,Martin等26还进一步发现橄榄球后卫运动员的追踪正确率好于前锋运动员和普通大学生,该结果为场上位置不同的运动员追踪表现也存在差异提供了证据。尽管 Memmert等27研究发现团体项目、非团体项目运动员及非运动员在MOT任务的追踪正确率并无差异,但出现结果不一致的原因可能是由于该研究采用的MOT任务难度较低导致的,如目标数量为3个,干扰物为4个,这使得上述3组人群均表现出较高的追踪正确率(如团体项目运动员:89.6%,非团体项目运动员:91.3%,非运动员:89.5%),因而难以区分不同人群的差异。由此可知,上述大量研究表明,相
21、较于普通大学生或非运动员,运动员在MOT任务中的追踪表现更好,且运动水平越高,这种追踪优势可能会更明显。尽管上述研究已经采用 MOT任务对运动员的追踪表现进行大量验证,但大多数研究仍采用传统的二维平面MOT任务。在现实环境中,三维空间的信息是视觉系统判断和估计客体运动的重要线索,个体对动态信息的注意加工往往结合多种深度信息如单眼和双眼深度线索进行判断和估计,这些深度信息能够带给个体强烈的深度知觉28。因此,运动领域的研究还需要进一步增强实验任务的代表性和生态效度,途径之一就是通过增强任务的呈现方式改善测量个体任务表现的实验条件。随着科技的发展,沉浸式的虚拟现实技术(virtual realit
22、y,VR)为突破传统二维电脑屏幕评估个体认知表现29和运动技能30的局限带来了契机。例如,Faubert31研究首次采用三维 MOT任务评估或训练运动员的追踪能力,并通过自适应程序(adaptive procedure)调节客体的运动速度来测量个体的追踪速度阈值(即个体正确追踪所有目标时客体运动速度值的上限),并用该追踪速度阈值来代表个体的追踪表现。结果发现高水平职业运动员在3D-MOT任务训练前的追踪速度阈值明显好于高水平业余爱好者和非运动员,且随着训练时间的增长高水平运动员追踪速度阈值的提高程度也更大。该研究指出尽管经典的MOT研究大多将追踪正确率作为因变量指标,但使用追踪速度阈值作为因变
23、量指标可以更大限度地测量个体差异,因为相比于追踪正确率,追踪速度阈值的数值是连续不断的,因而可以敏感地测量不同群体的追踪表现32。因此,采用上述的3D-MOT任务更贴近运动场景中的视觉追踪,如具有广阔的视野,急剧的速度变化和深度知觉(双眼视差)等32。如Mangine等33 分析了NBA篮球运动员在MOT任务中的追踪速度阈值及其在整个赛季中的运动成绩,结果130第 46 卷王静,等:足球运动员在虚拟现实多目标追踪任务中的优势第 4 期发现运动员的追踪速度阈值与助攻、夺球、助攻失误比存在显著正相关。这表明运动员的追踪表现与其对场上信息变化的观察、反应能力有关。近年来,越来越多的研究直接使用3D-
24、MOT任务作为一种认知训练手段试图提高运动员的基础认知能力和场上运动表现34。综上,无论是在传统的二维MOT还是三维MOT任务中都分别发现了运动员的追踪优势。但值得注意的是,相比于传统的二维 MOT 任务,运动员在任务代表性更高、具有广泛视野和深度知觉的VR条件下是否能发挥出更强的追踪优势以及不同运动水平对上述2项任务表现的影响如何目前还不清楚。到目前为止,仅有较少的研究针对普通人群探讨了相比于传统的二维MOT任务,深度信息的增加对追踪表现的影响。如 Vidakovic 等35发现与无深度线索条件相比,单独增加纹理梯度、对比或多种深度线索的结合并未对追踪表现产生促进作用,而增加相对大小反而损害
25、了追踪表现。这可能是在二维平面中同时呈现多种深度线索使场景过于复杂而干扰追踪。Ur Rehman等36则探讨了当客体呈现在距离不同的深度平面及其深度位置在追踪过程中发生改变时的追踪表现。结果发现,当目标和干扰物分布在不同的深度平面时追踪表现明显提高。此外,若目标在运动开始前分布在不同的深度平面,追踪过程中目标深度位置的变化不会影响追踪,但若目标在运动前呈现在同一深度平面追踪表现则会下降。这说明追踪表现不仅依赖于深度距离还依赖于目标的初始位置,个体能够根据目标的初始位置将注意灵活地定位或分配在不同的深度平面上。因此,上述关于深度信息对追踪表现影响的研究还存在一定的分歧,即分别发现了深度线索的促进
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