Wissen

Virtuelle Realität (VR) und 360°-Videos

Die Bedeutung neuester Technologie für ein kognitives Training im Fußball

Technologie & Equipment
Psychologie
Eine 360°-Kamera auf einem Fußballfeld mit Spielern an der Universität in Tübingen.
    • VR-Brille: Modernes Medium, um bspw. 360°-Videos präsentieren zu können. Der Betrachter wird dadurch sehr stark in die virtuelle Umgebung hineinversetzt.
    • VR im Sport: VR bietet die Möglichkeit, sportliche Situationen visuell und akustisch ohne körperliche Beanspruchung zu erleben.
    • Training mit VR: Durch kognitives Training mit realitätsnahen 360°-Videos soll auch die Leistung auf dem Platz gesteigert werden.
    • Potential von VR: Die Effektivität eines VR-Einsatzes im Fußball (als Diagnostik- und Trainingsinstrument) wird aktuell wissenschaftlich untersucht.

Abstract

Bislang wurden zum Zwecke der Diagnostik und des Trainings kognitiver Faktoren wie der Antizipation oder dem Entscheidungshandeln im Sport meist Videos auf Computerbildschirmen oder Leinwänden präsentiert. Der Einsatz von virtuellen Realitäten (VR), präsentiert über VR-Brillen, ermöglicht eine realitätsnähere Darbietung von sportspezifischen Aktionen, z. B. über 360°-Videos von Spielszenen. Diese Technologie bietet weitere Vorteile. So findet bspw. ein rein kognitives VR-Training ohne zusätzliche körperliche Beanspruchung der Spieler statt. Trainingsvideos können gezielt manipuliert (z. B. über visuelle Hervorhebungen oder Audiokommentare) und beliebig oft wiederholt werden. Die Nutzung einer VR-Brille mit 360°-Videos erzeugt einen spielerischen Charakter, der sich motivierend auf die Spieler auswirken kann, so dass sie gerne mit dieser Technologie trainieren. VR wird zwar schon seit einigen Jahren im Sportkontext eingesetzt, Effektivitätsstudien zum Mehrwert eines kognitiven Trainings mit VR, d. h. der Übertragbarkeit auf die Leistung auf dem Platz, liegen aktuell jedoch kaum vor. Dies ändert der DFB im Rahmen seiner Akademie durch das laufende Forschungsprojekt „Decision Making“. 

Das folgende Video gibt Einblicke in die Bereiche Kognition, 360°-Aufnahmen und Virtuelle Realität im Fußball:

Was ist VR?

Der Begriff „Virtuelle Realität“ (VR) beschreibt im Allgemeinen eine computersimulierte Umwelt, durch die sich der Betrachter mithilfe der 1. Person-Perspektive mental und physisch an einen anderen Ort versetzt fühlt [1, 2]. Ein wichtiges Merkmal ist dabei, dass Person und virtuelle Umwelt interagieren können [3].

Solche Animationen wurden bislang meist auf Computerbildschirmen oder größeren Leinwänden dargeboten. Ein moderneres System stellen die sog. VR-Brillen dar. Sie ermöglichen dem Träger einen 360° Rundumblick (horizontal und vertikal) in der virtuellen Welt und schließen gleichzeitig die reale Umgebung aus. Dadurch wird das Gefühl erzeugt, noch stärker in der virtuellen Umgebung präsent zu sein.

Neben der rein computeranimierten VR besitzen auch Videos von realen Szenen eine große Relevanz. So ist es z. B. möglich, 360°-Videos von realen Spielsituationen aus dem Fußball zu drehen und diese in einer VR-Brille abzuspielen. Der Betrachter kann dadurch seinen Blick frei bewegen und selbst entscheiden, aus welchen Bereichen des Videos er Informationen aufnehmen möchte. Eine Interaktion mit der dargebotenen Umwelt ist hierbei allerdings nicht möglich, was gegen die Definition von VR im engeren Sinne spricht. Aufgrund der Tatsache, dass sich Personen durch die in einer VR-Brille dargebotenen 360°-Videos aber an den präsentierten Ort versetzt fühlen, kann man in diesem Zusammenhang von einer VR im weitesten Sinne sprechen. 

Wo wird VR im Sport bereits eingesetzt?

Im Kontext des Sports wurde die VR-Technologie bereits in den 1990er Jahren erstmals verwendet. Seitdem hat VR Einzug in verschiedene Bereiche gehalten. Wissenschaftliche Untersuchungen wurden bislang in den Sportarten Baseball [4-6], Tischtennis [7], Billard [8], Tennis [9], Bogenschießen [10], Handball [11, 12], Fußball [13, 14], Rugby [15, 16], Football [17] und Cricket [18] durchgeführt.Wird die VR-Technik zu Trainingszwecken im Sport eingesetzt, spricht man von Sports Vision Training. Hierbei kann unterschieden werden zwischen dem Component Skill Training und dem Naturalistic Sports Training. Beim Component Skill Training werden primär grundlegende und allgemeine (also sportunspezifische) Komponenten des Sehens trainiert, wie z. B. die Sehschärfe, die Kontrastempfindlichkeit, die Tiefenwahrnehmung und das periphere Sehen. Beim Naturalistic Sports Training hingegen wird das Training nicht auf die oben beschriebenen grundlegenden Prozesse reduziert [19]. Stattdessen werden die Sportler mit Videos oder Animationen von möglichst realistischen Sportsituationen konfrontiert, die die Wahrnehmung relevanter Reize verbessern und anhand derer sie das Entscheidungshandeln oder das Antizipationsverhalten trainieren sollen (s. „Die Bedeutung kognitiver Faktoren für die Spielfähigkeit“). Auch wenn die VR-Technik in beiden Formen des Sports Vision Training eingesetzt wird, beschränken sich die Ausführungen in diesem Beitrag auf die sportspezifischen Trainingsinhalte des Naturalistic Sports Training. 

Welche Erkenntnisse liegen über das Training in VR vor?

Diverse Untersuchungen in unterschiedlichen Sportarten konnten zeigen, dass Experten in ihrer Sportart über eine bessere visuelle Wahrnehmung und kognitive Verarbeitung verfügen als Nicht-Experten [20,21]. Zudem sind Experten besser in der Lage, relevante Hinweisreize (d. h. Reize, die Aufschluss darüber geben, was in der sportlichen Situation als nächstes geschehen wird oder was von der Person als nächstes zu tun ist) zu erkennen und effizientere Blickbewegungen auszuführen (da sie wissen, worauf sie schauen müssen; z. B. verstärkt auf das Standbein des Schützen bei der Antizipation von Torschüssen [22]) (für einen Überblick siehe [23, 24]). Daraus ergibt sich im Umkehrschluss der Grundgedanke des VR-Trainings: Über die Darbietung von sportspezifischen Situationen sollen die visuellen und kognitiven Fähigkeiten eines Sportlers so verbessert werden, dass er das, was er sieht, besser verarbeiten und künftig darauf besser reagieren kann. Diese Verbesserung wiederum soll sich positiv auf seine Leistungsfähigkeit in der Realität auswirken [19]. In Anlehnung an wissenschaftliche Erkenntnisse aus der Lernforschung lässt sich solch ein Transfer von der Trainingsumgebung auf das reale Spielfeld am besten verwirklichen, wenn die jeweils geforderten kognitiven Prozesse möglichst ähnlich sind [25], d. h. wenn sich die Trainingssituation in VR von der Spielsituation in der Realität nur gering unterscheidet.Auch wenn die VR-Brillen-Technologie bereits seit einigen Jahren in wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt wird, liegen bislang kaum Erkenntnisse über die Effektivität von entsprechenden Trainingsprogrammen vor [19]. Die meisten bisher durchgeführten Studien hatten die Wirkung von VR auf die Teilnehmer zum Gegenstand (z. B. wie sehr sich die Probanden in die VR hineinversetzt fühlen; [3]). Eine der wenigen Studien, die sich mit dem Thema der Trainingseffektivität beschäftigt hat, stammt von Mitarbeitern einer Firma, die VR-Technologie kommerziell vertreibt [17]. Sie führten im American Football ein VR-Training mit 17 Spielern durch, die die Aufgabe hatten, sich für die beste Passoption zu entscheiden. Diesbezüglich konnte nach einer dreitägigen Trainingsphase eine durchschnittliche Steigerung um 30 % festgestellt werden. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf das reale Footballfeld wurde allerdings nicht überprüft [19].

Welche Vor- und Nachteile hat der Einsatz von VR?

Vorteile

Die Technik der VR-Brillen bietet eine Reihe von Vorteilen, auch im Vergleich zu bisherigen Darbietungsformen auf Bildschirmen oder Leinwänden:

  • Geringe körperliche Beanspruchung:

Einer der größten Vorteile eines Trainings in der VR liegt darin, dass der Athlet im Gegensatz zum Training auf dem Platz körperlich nicht sonderlich beansprucht wird. Faktoren wie Erschöpfung oder Verletzungsgefahr spielen dabei somit keine Rolle, auch Witterungsbedingungen oder die Verfügbarkeit von Mitspielern in Spielsportarten sind irrelevant. Somit kann diese Möglichkeit des Trainings auch für verletzte Sportler, z. B. während der Rehabilitation, bedeutsam werden. Einschränkend muss man jedoch festhalten, dass die fehlende körperliche Aktivität in der VR die Realitätsnähe bzgl. dieser Komponente einschränkt.

  • Wiederholbarkeit der Szenen:

Der Sportler kann in VR gezielt bestimmte Situationen durchspielen und dabei selbst entscheiden (bzw. durch den Trainer entscheiden lassen), wie oft er sie wiederholen möchte [19], ohne dabei auf die Anwesenheit seiner Mannschaftskollegen angewiesen zu sein (wie es beim Training auf dem Platz der Fall wäre).

  • Manipulation der Szenen:

VR bietet die Möglichkeit, die Geschwindigkeit der in der Brille dargebotenen Szenen an das Leistungsniveau des jeweiligen Athleten anzupassen. So ist es z. B. denkbar, jüngeren oder leistungsschwächeren Sportlern diverse Situationen zunächst in Zeitlupe zu präsentieren, um ihnen mehr Zeit zur Suche nach und Verarbeitung von relevanten Informationen zu lassen. Diese relevanten Informationen könnten mittels sog. Aufmerksamkeitslenker zudem markiert bzw. hervorgehoben werden, um den Lernprozess zusätzlich zu unterstützen.

  • Bewegungsfreiheit:

Im Vergleich zu Präsentationen von Videos und VR auf Bildschirmen und Leinwänden ermöglichen es VR-Brillen, dass sich die Person (in einem vorab definierten Raum) frei bewegen kann, was wiederum dazu führt, dass die Gesamtsituation realistischer erscheint. Zudem ist ein ortsunabhängiger Einsatz der VR-Brille möglich, so dass sie z. B. auf Reisen zur Überbrückung von Wartezeiten genutzt werden kann.

  • Motivation:

Ein weiterer positiver Effekt von VR liegt besonders bei der Arbeit mit Kindern und Jugendlichen darin, dass sie einen hohen Spaßfaktor liefert und sich somit motivationsfördernd auswirkt (für einen Überblick siehe [3]). Es ist anzunehmen, dass dies auch auf Erwachsene zutreffend ist.

Nachteile

Die VR-Brillen-Technologie an sich kann inzwischen als etabliert angesehen werden. Im Vergleich zu anderen Techniken handelt es sich dennoch noch um eine relativ neue Methode. Damit einher gehen einige negative Aspekte, die bei der Nutzung einer VR-Brille immer noch auftreten („Kinderkrankheiten“):

  • Gewicht:

Die aktuell wohl qualitativ hochwertigsten VR-Brillen, die Oculus Rift und die HTC Vive, wiegen 470 g bzw. 600 g. Dieses Gewicht kann beim längeren Tragen dazu führen, dass die Brillen als störend empfunden werden.

  • Kopplung an PC:

Die freie Beweglichkeit im Raum wird etwas eingeschränkt durch ein Kabel, dass die Brillen mit einem Rechner verbindet. Dies ist notwendig, da die zugrundeliegende Rechenleistung bei den high-end Geräten momentan noch zu groß ist, um sie durch in die Brille integrierte Prozessoren erbringen zu können. Zwar existieren mittlerweile kabellose Systeme, allerdings beeinträchtigt diese Unabhängigkeit von einem Rechner noch die Qualität der Darstellung in der Brille.

  • Bildqualität:

Die Bildqualität (Auflösung) der Brillen verbessert sich zwar rasant (aktuell bis auf 1.440 x 1.600 Pixel; Stand Juni 2018), ist aber noch nicht so hoch, wie man sie bspw. von Ultra-HD Fernsehgeräten (3.840 x 2.160 Pixel) kennt.

  • Sichtfeld:

Die Architektur der Brillen führt dazu, dass das Sichtfeld des Trägers im Vergleich zur Realität eingeschränkt ist. Während bei einem gesunden Menschen das Gesichtsfeld in etwa 180° beträgt [26], wird es durch VR-Brillen auf 100°-110° begrenzt. Das bedeutet zugleich, dass dadurch die periphere Sicht, die im Sport eine wichtige Rolle vor allem für das Erkennen schneller Bewegungen spielt, eingeschränkt ist.

  • Unwohlsein:

Durch das komplette Eintauchen in die Umgebung, die in der VR-Brille präsentiert wird und dem gleichzeitigen Ausblenden der realen Umgebung kann es zum Auftreten der sog. „motion sickness“ kommen. Sie geht mit Symptomen einher wie Schwindel, Übelkeit oder schwachen Kopfschmerzen. Dieses Unwohlsein kann dann entstehen, wenn sich die Szenerie in der VR-Brille bewegt, der Träger der VR-Brille sich aber nicht. Dadurch erhält das Gehirn widersprüchliche Informationen. Es empfängt das visuelle Signal, dass man sich in Bewegung befindet, die Rückmeldung der Muskulatur lautet aber, dass man sich nicht bewegt. Insgesamt tritt die „motion sickness“ dennoch sehr selten auf, die genannten Symptome klingen bei den Betroffenen auch sehr schnell wieder ab.

  • Ablenkung von eigentlicher Aufgabe:

Der oben angesprochene motivationale Vorteil, der durch die Nutzung solch moderner Technologie erzielt werden kann, kann allerdings auch zum Nachteil werden, wenn sich der Träger der Brille durch die Technik und die dargebotene virtuelle Umwelt soweit ablenken lässt, dass er sich nicht mehr auf die gestellte Aufgabe konzentrieren kann (z. B. [27, 28]; für einen Überblick [3]).

Welche Perspektiven werden der VR-Technologie attestiert?

Aus technischer Sicht wird es künftig darum gehen, die angesprochenen Nachteile der aktuellen VR-Technologie zu beseitigen. An den meisten Schwachstellen wird bei den Technologieunternehmen bereits gearbeitet, so dass stetige Verbesserungen an diesen sich rasant entwickelnden Systemen absehbar sind. Beispielsweise wurden Anfang 2018 die ersten kabellosen VR-Brillen mit einer höheren Auflösung präsentiert. Das Sichtfeld von VR-Brillen der nächsten Generationen soll noch realitätsnäher gestaltet werden, so dass präsentierte Inhalte auch aus der Peripherie wahrgenommen werden können. Dem Phänomen der „motion sickness“ kann bei der Präsentation von 360°-Videos begegnet werden, indem man die Videos mithilfe spezieller Software nachträglich stabilisiert und die Betrachter ggf. darüber informiert, dass in der VR-Brille Bewegung simuliert wird und in welche Richtung diese verläuft. Bei linearen Kamerafahrten führt dieses Wissen dazu, dass sich das Gehirn der Person bewusst darauf vorbereiten kann.

Aus inhaltlicher Sicht müssen weitere Studien durchgeführt werden, die die Möglichkeiten eines VR-Trainings zur Verbesserung der sportlichen Leistung in der Realität überprüfen [3, 19]. Um die dafür notwendigen Vorarbeiten umzusetzen, hat beispielsweise der DFB mit seiner Akademie das Forschungsprojekt „Decision Making“ für einen Zeitraum von April 2017 bis März 2019 an das Institut für Sportwissenschaft der Universität Tübingen (Leitung Prof. Dr. Oliver Höner) vergeben. Ziel des Projekts ist es zum einen, mittels 360°-Videos von unterschiedlichen Spielsituationen eine zuverlässige und valide Diagnostik hinsichtlich der Antizipation und des Entscheidungshandelns von Torwarten und Feldspielern zu erstellen. Zum anderen soll darauf aufbauend eine Trainingsbatterie konzipiert werden, die zunächst von Trainern, Torwarte und Feldspielern der U-Nationalmannschaften genutzt werden kann. Die entsprechende Hypothese lautet, dass durch die Verwendung von 360°-Videos und deren Darbietung in einer VR-Brille die Realität so gut abgebildet werden kann, dass nach einem entsprechenden VR-Training ein Transfer auf das Feld ermöglicht wird [25].

Autor des Textes ist Dr. Florian Schultz von der Universität Tübingen. Die Inhalte basieren auf der Originalstudie "Sports vision training: A review of the state-of-the-art in digital training techniques. ", die 2016 im "International Review of Sport and Exercise Psychology" veröffentlicht wurde. 

Literatur

  1. Appelbaum, L. G. & Erickson, G. (2016). Sports vision training: A review of the state-of-the-art in digital training techniques. International Review of Sport and Exercise Psychology, DOI: 10.1080/1750984X.2016.1266376

    Studie lesen
    1. Baños, R. M., Botella, C., Garcia-Palacios, A., Villa H, Perpiñá, C. & Alcañiz, M. (2000). Presence and reality judgment in virtual environments: a unitary construct? Cyberpsychology & Behavior, 3, 327–335. doi:10.1089/10949310050078760

    2. Sherman, W. R. & Craig, B. (2002). Understanding virtual reality: interface, application, and design. Elsevier, San Francisco.

    3. Neumann, D. L., Moffitt, R. L., Thomas, P. R., Loveday, K., Watling, D. P., Lombard, C. L., Antonova, S. & Tremeer, M. A. (2017). A systematic review of the application of interactive virtual reality to sport. Virtual Reality, DOI 10.1007/s10055-017-0320-5

    4. Fink, P. W., Foo, P. S. & Warren, W. H. (2009). Catching Fly balls in virtual reality: A critical test of the outfielder problem. Journal of Vision, 9(13), 14 11–18. doi:10.1167/9.13.14

    5. Gray, R. (2002). Behavior of college baseball players in a virtual batting task. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 28(5), 1131-1148.

    6. Zaal, F. & Rj, B. (2011). Virtual reality as a tool for the study of perception–action: The case of running to catch Fly balls. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 20(1), 93-103.

    7. Knorlein, B., Szekely, G. & Harders, M. (2007). Visuo-haptic collaborative augmented reality Ping-Pong. Paper presented at the international conference on advances in computer entertainment technology (ACE ‘07), Salzberg, Austria.

    8. Gourishankar, V., Srimathveeravalli, G. & Kesavadas, T. (2007). Hapstick: A high fidelity haptic simulation for billiards. Paper presented at the world haptics conference: The second joint EuroHaptics conference and symposium on haptic interfaces for virtual environment and teleoperator systems (WHC ‘07), Tsukuba, Japan.

    9. Xu, S., Song, P., Chin, C. L., Chua, G. G., Huang, Z. & Rahardja, S. (2009). Tennis space: An interactive and immersive environment for tennis simulation. Paper presented at the fifth international conference on image and Graphics Xi’an, Shanxi, China.

    10. Gobel, S., Geiger, C., Heinze, C. & Marinos, D. (2010). Creating a virtual archery experience. Paper presented at the international conference on advanced visual interfaces (AVI ‘10), Rome, Italy.

    11. Bolte, B., Zeidler, F., Bruder, G., Steinicke, F., Hinrichs, K. H. & Fischer, L. (2010). A virtual reality handball goalkeeper analysis system. Paper presented at the joint virtual reality conference of EuroVR – EGVE – VEC, Stuttgart, Germany.

    12. Vignais, N., Kulpa, R., Brault, S., Presse, D. & Bideau, B. (2015). Which technology to investigate visual perception in sport: video vs. virtual reality. Human Movement Science, 39, 12-26. doi:10.1016/j.humov.2014.10.006

    13. Cuperus, A. A. & van der Ham, I. J. M. (2016). Virtual reality replays of sports performance: Effects on memory, feeling of competence, and performance. Learning and Motivation, 56, 48-52.

    14. Dessing, J. C. & Craig, C. M. (2010). Bending it like Beckham: How to visually fool the goalkeeper. PlosOne, 5(10), e13161.

    15. Miles, Pop, S. R., Watt, S. J., Lawrence, G. P. & John, N. W. (2012). A review of virtual environments for training in ball sports. Computers & Graphics, 36, 714–726. doi:10.1016/j.cag.2012.04.007

    16. Watson, G., Brault, S., Kulpa, R., Bideau, B., Butterfield, J. & Craig, C. (2011). Judging the ‘passability’ of dynamic gaps in a virtual rugby environment. Human Movement Science, 30, 942-956.

    17. Huang, Y., Churches, L. & Reilly, B. (2015). A case study on virtual reality American football training. Paper presented at the ACM virtual reality international conference (VRIC), Laval, France.

    18. Dhawan, A., Cummins, A., Spratford, W., Dessing, J. C., & Craig, C. (2016). Development of a novel immersive interactive virtual reality cricket simulator for cricket batting. In Proceedings of the 10th International Symposium on Computer Science in Sports (ISCSS) (203-210). Springer, Cham.

    19. Appelbaum, L. G. & Erickson, G. (2016). Sports vision training: A review of the state-of-the-art in digital training techniques. International Review of Sport and Exercise Psychology, DOI: 10.1080/1750984X.2016.1266376

    20. Starks, J. L. & Ericsson, K. A. (2003). Expert performance in sports: Advances in research on sport expertise. Champaign, IL: Human Kinetics.

    21. Williams, A. M., Davids, K. & Williams, J. G. (1999). Visual perception and action in sport. London: E & FN Spon.

    22. Schultz, F. (2014). Antizipation von Fußballtorhütern – Untersuchung zur Konzeption einer kognitiven Leistungsdiagnostik im Kontext der sportwissenschaftlichen Talentforschung. Hamburg: Dr. Kovač.

    23. Mann, D. T., Williams, A. M., Ward, P., & Janelle, C. M. (2007). Perceptual-cognitive expertise in sport: A meta-analysis. Journal of Sport and Exercise Psychology, 29(4), 457-478.

    24. Voss, M. W., Kramer, A. F., Basak, C., Parkash, R. S., & Roberts, B. (2010). Are expert athletes ‘expert’ in the cognitive laboratory? A meta-analytic review of cognition and sport expertise. Applied Cognitive Psychology, 24, 812–826.

    25. Dahlin, E., Neely, A. S., Larsson, A., Backman, L., & Nyberg, L. (2008). Transfer of learning after updating training mediated by the striatum. Science, 320(5882), 1510-1512. doi:10.1126/science.1155466

    26. Strasburger, H., Rentschler, I. & Jüttner, M. (2011). Peripheral vision and pattern recognition: A review. Journal of Vision, 11(5):13, 1-82.

    27. Baños, R. M., Escobar, P., Cebolla, A., Guixeres, J., Alvarez, J., Francisco, J. & Botella, C. (2016). Using virtual reality to distract overweight children from bodily sensations during exercise. Cyberpsychol Behav Soc Netw 19,115–119. doi:10.1089/cyber.2015.0283

    28. Mestre, D. R., Ewald, M. & Maiano, C. (2011). Virtual reality and exercise: behavioral and psychological effects of visual feedback. Studies in Health Technology and Informatics, 167, 122-127. doi:10.3233/978-1-60750-766-6-122