The Use of Extended Reality Technologies in Sport Perceptual-Cognitive Skill Research: A Systematic Scoping Review
Aden Kittel1,2* , Riki Lindsay3 , Peter Le Noury4 and Luke Wilkins5
刊登于《Sports Medicine - Open》——2024年
摘要
背景：扩展现实（XR）技术，如虚拟现实（VR）和 360°VR，在科学文献和体育实践中发展迅速。这些技术已被用于一系列技能，尤其是感知认知技能。然而，据我们所知，目前还没有关于这一主题的系统性范围综述，按照研究类型、技术类型或所调查的运动项目等特征来确定该研究领域目前的发展状况，这样的综述将有助于指导该领域未来的发展方向。因此，本研究旨在系统回顾 XR 技术在体育运动中评估和训练运动员与官员感知认知技能的程度。
研究方法：搜索电子数据库（SCOPUS、Web of Science、SPORTDiscus、PsycINFO）中截至 2024 年 1 月的相关文章。如果研究使用 XR 技术评估或发展特定运动的高阶感知认知技能，则将其纳入研究范围。
结果：57 项研究符合本综述的纳入标准，其中 67% 的研究发表于 2020 年。大多数研究采用了定量研究设计，66%的研究采用了横断面评估方法，28%的研究采用了干预方法来评估绩效的提高。决策是最常见的技能，有 60% 的研究对此进行了调查。最常见的技术是显示动画环境的头戴式显示器（51%），最常见的体育项目是足球和手球（分别占研究的 32% 和 19%）。
结论：本综述强调了在体育运动中探索 XR 技术促进感知-认知技能发展和理解的研究的显著增长，大多数研究发表于过去 4 年。本综述确定并讨论了主要技术类型（如动画 HMD）、感知认知技能（如决策制定）、研究设计（如定量评估）和体育运动（如足球），以及实际影响和未来研究。
要点
- 用于体育感知认知技能的扩展现实技术是一个新兴领域，其特点是所使用的技术类型和所研究的感知认知技能的主要趋势。
- 决策是最常被研究的感性认知技能，这些技术在使用时具有很高的代表性和参与性。
- 需要开展更多的研究，通过干预研究设计来探索该技术的有效性，并通过定性研究设计来进一步了解如何使用该技术以及感知-认知过程。
背景介绍
在体育运动中采用扩展现实（XR）技术来培训运动员和官员的专业知识，是一项令人兴奋的发展，在过去十年中得到了快速发展。XR 是一个总括术语，涵盖不同类型的计算机生成的模拟，包括虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR)、360°VR（也称为沉浸式视频、360° 视频[1]）和混合现实 (MR)[2]。XR 在体育领域的快速发展和应用可归因于多种因素，包括软件和硬件的进步，以及技术公司和体育实体之间合作的加强[3]。另一个重要因素是来自其他领域（包括军事、医学和心理学）的有力证据，XR 训练对成绩产生了积极影响[4]。XR 的吸引力还在于它能够在复杂多变的环境中处理各种制约因素，促进创造特定的、可重复的情境。研究发现，运动员对 XR 的有用性认知度很高，尤其是对于橄榄球和篮球等需要预测和决策的动态运动[5]。
XR 技术已成功应用于医疗、军事行动、劳动力培训、应急响应和教育等领域[4]。然而，尽管有可靠的研究证据支持 XR 技术在这些领域的应用，但其在体育领域的应用，特别是用于训练运动员和官员的感知认知技能方面的应用，却一直缺乏[2]。虽然 XR 技术已开始进入高性能体育领域，但其采用速度超过了科学研究的速度，导致其实际应用与对其提高感知认知技能潜力的经验理解之间存在差距。因此，在体育运动中使用 XR 训练工具可能带来的益处，如果没有强有力的研究证据作为支撑，就有可能被削弱[2, 6]。因此，有必要开展进一步研究，以全面评估对 XR 技术在体育专业领域的应用进行调查研究的广度和深度。这将为利益相关者提供有关该领域研究现状的更多信息，并使研究人员了解 XR 技术和体育领域中值得进一步研究的领域。鉴于感知-认知技能是实现卓越体育表现（包括官员和运动员）的一个有趣的基本要素[7]，关键利益相关者全面了解围绕XR 训练工具使用的研究现状至关重要。鉴于体育决策的复杂性，以及 XR 技术在评估和发展感知认知技能方面的可能性，这一点至关重要[8]。
值得注意的是，一些出版物对 VR 和 XR 技术在体育训练中的应用进行了评述，包括对其在决策训练[9]、提高运动员成绩[10]和使用视频工具开发感知认知技能[11]中的应用进行了系统评述。此外，Le Noury 等人[2] 和 Richlan 等人[12] 全面概述了 XR 彻底改变体育训练的潜力，评估了这些身临其境技术的优点和局限性。然而，最重要的是，据我们所知，还没有一篇综述概述了 XR 在体育感知认知技能方面的研究，特别是区分了不同的感知认知技能、研究设计、XR 技术类型以及所涉及的体育运动和参与者的特点。事实上，在本范围界定综述中预先提交这些信息，为体育界的利益相关者提供了一种有效的方式，使他们能够进一步明确体育界 XR 研究的现状，并帮助他们了解未来如何利用 XR。为确保 XR 技术在体育运动中的有效整合，不仅要审查研究现状，还要审查可最大限度地将技能从虚拟环境转移到现实世界表现的应用方法论，这一点至关重要。
为了解决这个问题，以生态动力学为指导的原则性方法为评估技术和任务设计提供了理论基础。生态动力学深入研究了个人与其环境之间错综复杂的关系，强调了了解所学技能能否在不同环境中无缝转换的重要性，例如从 XR 模拟到实际竞争场景[13]。将这些理论建构转化为实际应用，包括代表性学习设计（RLD）、情感学习设计（ALD）和改良感知训练框架（MPTF）在内的几个应用框架发挥了关键作用[2]。RLD 侧重于创造练习环境，以忠实地再现真实世界表演情境中的感知和运动要求。ALD 深入研究学习的情感或情绪方面，探索 XR 干预如何影响运动员的情绪状态，进而影响他们的技能习得。Janssen 等人[8]为未来使用 VR 技术进行代表性决策的设计原则提供了一个简洁的框架，包括确保动作、互动、视角和场景都具有代表性。这自然导致了 XR 技术（如 VR 和 360°VR）之间的权衡，其中 VR 可以增强，使参与者可以像在游戏中一样在虚拟环境中移动和互动，但虚拟视频不会像 360°VR 那样是真实世界的视频[1, 8]。而 MPTF 则完善了 XR 环境中感知训练任务的设计，使其符合生态动力学的原则[14, 15]。这种整体方法使体育行业的专业人士（如教练）能够有效地设计基于 XR 的训练工具，并评估将技能积极迁移到真实世界表现环境中的潜力。此外，Broadbent等人[16] 强调了将感知-认知技能训练转移到比赛中的重要性，而 XR 可为实现这一目标提供适当的工具。
本综述将重点关注使用 XR 作为训练运动员和官员感知认知技能的工具的原创研究，以及评估 XR 工具的可靠性、有效性、代表性和/或用户体验的原创研究，旨在了解感知认知技能。在本综述中，我们将感知认知技能与在封闭环境中进行的运动技能区分开来。正如布鲁斯等人[17]所讨论的，感知-认知与感知和理解环境信息的技能有关，而感知-运动则涉及根据信息完成动作（即执行）。因此，本文中的感知认知技能在霍奇斯等人[18]的框架中被定义为高级认知技能。这些技能包括注意力/反应时间和眼球运动（高级），以及预测、决策、记忆/知识和执行功能（认知）。为便于读者理解，我们在本综述中将这些技能称为感知认知技能（即决策、预测等），但它们也可能包含运动成分。不过，我们主要关注的是感知-认知要素（即理解来自环境的信息）。
本综述旨在调查与 XR 技术在体育运动中评估和训练运动员和官员的感知认知技能的实用性有关的文献范围。鉴于感知-认知技能在体育专业技能和成绩方面的重要性[12]，以及 XR 技术在评估和发展这些技能方面的使用率不断提高[2]，对于从业人员和研究人员来说，有一篇综述来整合该领域的现有工作是非常重要的。重要的是，本文将提供每篇原始研究论文的基本信息，包括参与者、所研究的运动项目、所研究的技能、所使用的 XR 技术类型、研究设计信息（如是否为定性、定量、混合方法、干预或验证研究）以及所确定的结论。这样，范围界定审查将为主要利益相关者提供重要信息，帮助他们就如何在其绩效计划中利用 XR 技术做出决策。它还将突出XR 技术未来可用于提高运动员和官员表现的潜在领域，并确定文献中有关方法论的趋势。最后，本综述通过全面评估有关运动员和官员使用 XR 技术的原始研究，填补了研究文献中的空白。
讨论
本范围界定综述旨在全面调查 XR 技术如何用于检查和提高体育运动中的感性认知技能，并总结了主要研究特点。本综述在以往综述工作的基础上，对文献的各个方面进行了量化，如参与者和人口统计、使用的技术、检查的感知认知技能以及干预特征。57 项研究被纳入最终评审。虽然采用了一些常见的方法（如带有动画场景的 HMD），以及特定的运动（如足球）和样本（男女参与者），但综述强调了文献的多样性和广泛性。所纳入的研究使用 HMD、CAVE 系统和 360°VR 对感知-认知技能进行了调查，并对 15 种不同运动的各种技能水平（包括官员的技能水平）进行了研究，其中对足球和手球的研究最多。
本综述的研究结果表明，XR 技术在足球运动中的应用最为频繁，考虑到这项运动在全球范围内的吸引力以及许多足球组织在 XR 技术投资方面所拥有的大量资源[78]，这是合乎逻辑的。这也可能反映出足球运动的主要利益相关者对探索提高决策技能新方法的高度渴望或动力。不过，令人惊讶的是，考虑到有关棒球（3 项）或板球（2 项）运动中感知认知技能的研究较早[18]，却没有更多的研究关注这些运动。本综述的一个重要发现是，所纳入的研究倾向于将 XR 应用于现有的兴趣主题（如足球决策），而不是利用 XR 的优势来确定新的兴趣主题。例如，XR 似乎为研究垒球/板球击球手在特定环境条件（如面对独特的投球/击球）下的注视行为提供了一个绝佳的机会，而这些条件在现实世界中很难精确复制。
本综述的另一个重要发现是，大多数研究侧重于运动员（n = 51 项研究），而侧重于官员（n = 6 项研究）的研究要少得多。不过，360°VR 可能为针对官员开展更多研究提供了机会[79]，在这一人群中，探讨 360°VR 而非虚拟环境的研究更多。事实上，官员专业知识的一个重要方面是他们识别和阅读环境中关键线索或有效处理信息以做出准确决策的能力[80]。这一点在板球等运动中尤为重要，因为在这些运动中，裁判员在处理决策信息时是静止不动的[81]。鉴于 360°VR 能够呈现极具代表性的视听信息，这为未来利用这种 XR 模式开展裁判研究提供了一个可行的领域[79]。值得注意的是，包括对运动和感知认知要求较高的交互式官员[82]的运动，如足球裁判和澳大利亚足球裁判，要求官员不断调整自己的位置和运动，以收集做出准确决定所需的信息。然而，360°VR 无法复制这种感知-行动耦合类型，因此在利用360°VR 训练动态环境中的官员决策时应小心谨慎。这也许可以解释为什么 360°VR 不一定是澳大利亚足球裁判员决策发展的有效工具[45]，但却可以作为社会足球和橄榄球裁判员这项技能的反思工具[23]。因此，在裁判人群中使用 XR的进一步研究可以使用动态360°VR 环境，和/或以 van Biemen 等人[70] 为足球裁判探索 VR 的开创性工作为基础。
XR 技术的定量（评估）研究设计（如有效性/可靠性、确定凝视行为特征）被认为是本次综述（n = 38）中研究的重点领域[79, 82]。鉴于体育运动中的 XR 研究仍处于起步阶段，这也在意料之中。事实上，本综述中 67% 的研究发表于 2020 年或之后，只有三项研究发表于 2010 年之前，这突显了该研究领域的发展速度。不过，值得注意的是，最近有人呼吁开展进一步研究，以测试 XR 技术是否适用于测试和训练决策[8]。本综述中包含的一些定量（评估）研究能够识别专业知识效应[41, 53, 57]，确定视觉搜索特征[52, 56, 70]，并提供 XR 环境和真实世界中技能表现相似的证据[24, 34, 63]。鉴于缺乏经验证据被认为是采用该技术的主要障碍，这一点尤为重要[3, 83]。
在本综述中，16 项为干预研究。这些研究使用了多种机制来评估成绩的变化，如比赛中的成绩[30, 36]、小型比赛[29, 58, 59]，或使用相同的 XR 技术进行评估[45]。这突出表明，还需要做更多的工作来评估远距离转移的证据，即使用 XR 技术进行的训练会带来更好的比赛成绩[84, 85]。这项技术的使用取得了可喜的成果，但鉴于评估这些干预措施有效性的机制多种多样，如果不进行荟萃分析，还不清楚这项技术的有效性如何。这将建立在本综述和云超等人的综述[9]的基础上，后者只涉及决策培训。尽管如此，显然有必要开展更多的干预研究，考察 XR 在提高运动中的感知认知技能方面的效果。这些工作至关重要，因为教练们认为这些技能的培训是 XR 的首选使用案例[86]，更多的证据将有助于确定体育组织内为该技术提供的资源[78]。
本综述的一个令人鼓舞的发现是，许多研究报告称 XR 类似于比赛，这是这些模拟的一个重要概念，显示出很强的生态有效性和代表性[15, 87]。例如，网球 VR 模拟提高了临场感水平[44]，360°VR 澳大利亚足球裁判模拟被评为比视频更像比赛[39]，360°VR 在篮球运动员中也有类似效果[57]。据报道，在多项研究中，VR 也是一种促进运动员发展的有趣且引人入胜的工具[43, 45, 60]。有趣的是，一项研究对篮球运动员的 HMD（动画）和 360°VR 进行了比较[63]，发现两者的临场感水平相似，但还需要做更多的工作，因为这是唯一一项对多种XR 技术进行比较的研究。XR 与真实世界比赛的可比性如何还需要进一步调查，一些研究报告称，VR 相似性的局限性将限制其使用[34]。总之，本综述的研究结果表明，XR 正日益成为感知-认知技能的代表性训练和评估工具，这是其有效性的关键组成部分[2, 14]。
归根结底，本次范围界定综述的研究结果对于考虑在运动员或官员中实施 XR 技术的体育界利益相关者具有重要意义。通过对现有文献进行概述，本综述应能引导利益相关者进行具体且与其需求相关的研究，使他们更了解 XR 技术在体育运动中的应用。此外，通过整理文献中采用的方法，利益相关者可以对某些实施方法建立信心；例如，使用 XR 研究足球运动中的决策制定，或使用 360°VR 训练官员的感知认知技能。
该领域的研究人员也应从本综述中受益，找出文献中的不足。如前所述，对 XR在棒球和板球等运动中的应用进行的研究十分有限。最近的一篇论文突出强调了目前在此类运动中精确模拟棒球接触方面存在的有效技术限制，该论文列出了在棒球运动中实施 VR 的六个用例[88]。同样，该领域目前也缺乏纵向研究，虽然这种批评可以针对体育运动中的大多数训练模式，但鉴于 XR 作为一种新的技术创新，可能只是 "本月的流行"，因此将其应用于 XR 尤为重要[89]。因此，根据我们的综述结果，我们鼓励研究人员研究为期一个赛季的 XR 干预对棒球、板球和网球等对抗性运动的成绩（感知认知技能和实际比赛指标）的影响。
该领域有几个方面需要进一步研究，以便为实践提供参考。本综述中 26% 的研究仅有男性参与者，51% 的研究既有男性也有女性参与者，21% 没有报告性别，2% 的研究仅有女性参与者。有证据表明，在虚拟现实中，女性比男性更容易产生网络晕眩感，这可能会影响针对此类人群的 XR 研究结果[90]，因此，本综述中男性参与者占多数的情况可能并不能反映 XR 研究结果的全貌。与评估 XR 技术有效性和可靠性的研究相比，从定性角度和干预设计方面进行的研究都很有限。在这一领域开展更多的定性研究将有助于更深入地了解如何利用这些技术来发展感知认知技能。此外，还需要更多的干预措施和更长的时间，以确定这些技术在发展体育运动中的感知认知能力方面的有效性。纳入本综述的研究样本量相对较少，其中一些研究指出这是研究的局限性[45, 53, 59]。最近的评论指出，这是体育科学文献中的一个普遍趋势[91, 92]，样本量少可能会影响研究的可复制性。因此，未来的研究应增加该领域的样本量，同时平衡在应用体育环境中收集数据所面临的实际挑战，以及 XR 设备的经济成本及其可获取性的限制[59]。
必须承认，我们的工作并非没有局限性。我们进行范围界定审查的目的是为体育运动中的利益相关者绘制现有的感知-认知 XR 文献图，从而确定文献中的趋势并概述常见的方法。因此，我们并没有试图综合所纳入研究的结果或对研究质量进行评估。未来的研究可以探讨本综述中的子课题（如 XR 干预或裁判人群中的 XR），并对文献子集中的研究质量（即方法、报告）进行更深入的概述。
结论
总之，我们对 XR 技术用于检查体育运动中的感知认知技能进行的范围审查包括 57 项研 究，其中大部分是在过去 4 年中发表的。这一新兴的研究课题产生了多种多样的研究成果，但某些方法似乎比其他方法更为常见；最值得注意的是，定量（评估）研究设计和干预研究较少，研究重点是作为主要感知认知技能的决策制定，使用 HMD 的研究，以及针对足球运动员的研究。此外，虽然该技术在足球和手球等开放式团队运动中的应用越来越多，但还可以在其他人群中开展更多的工作，如截击运动（板球、棒球）运动员和裁判员群体。尽管如此，对于发展中的运动员和裁判员来说，这项技术似乎是一项具有吸引力和代表性的技术，。未来的工作应解决本综述中发现的研究较少的方面，如缺乏干预设计和进一步纳入理论框架以支持研究设计。这些知识缺口对从业人员具有重要影响，因为需要进一步开展工作，以了解这些技术通过干预来发展感知-认知技能的有效性。总之，本综述按照技术类型、运动项目、调查技能、研究设计等方面对 XR 技术在感知认知技能领域的应用进行了简明扼要的概述，以便从业人员和学术界进一步了解这一不断发展的研究领域。
体育科研528
人工智能5
