Tennis motion learning in virtual reality : rule-based motion analysis and feedback administration for the forehand topspin

Abstract

Bei korrekter Ausführung hat Tennis, als internationale Sportart, positive Auswirkungen auf die Gesundheit. Allerdings erhöht eine übermäßige, fehlerhafte Durchführung der Tennistechnik das Risiko von Verletzungen wie beispielsweise einem Tennisarm. Um dem vorzubeugen, sind effektive Trainingsroutinen, Anleitungen zur richtigen Ausführung tennisspezifischer Bewegungen und eine frühzeitige Fehlerkorrektur notwendig. Diese Maßnahmen dienen nicht nur der Verletzungsprävention, sondern tragen auch zur Leistungssteigerung bei. Regelmäßiges Tennistraining erfordert jedoch Ambition und wird durch begrenzte Ressourcen wie verfügbare Tennisplätze, qualifizierte Trainer, sowie die verbundenen finanziellen und zeitlichen Mittel erschwert. Daraus ergibt sich ein Bedarf an zugänglichen Trainingslösungen, die kurze, regelmäßige Übungseinheiten abseits des Tennisplatzes ermöglichen, motorisches Lernen unterstützen und klassische Trainingsmethoden sinnvoll ergänzen. In dieser Arbeit stellen wir eine ergänzende Methode zum Tennistrainings vor, die ein selbständiges Üben eines korrekten Vorhandschlags in der virtuellen Realität (VR) ermöglicht. Unsere Methode liefert unmittelbar nach jedem Vorhandschlag multimodales Feedback zur Tennistechnik mittels automatisierter, expertenbasierter Bewegungsanalyse. Dabei wird die erfasste Bewegung anhand definierter Bewegungsmerkmale in einzelne Phasen unterteilt und etablierte Trainingsregeln aus dem traditionellen Tennis-Coaching ausgewertet. Basierend auf dieser Analyse werden im Anschluss an den Schlag auditives und visuelles Feedback zu einer Trainingsregel präsentiert. Das Feedback liefert zeitnahe Fehlerkorrekturen und adressiert Verbesserungen. Eine visuelle Wiedergabe des Bewegungsablaufs ergänzt das Feedback, um Selbstbeobachtung und Reflexion zu fördern.Wir haben unser VR-basiertes Tennistraining in einer Nutzerstudie mittels Pretest-Posttest-Design (N = 26) evaluiert. Der Vergleich der Leistungsmetriken vor und nach einer 10-minütigen VR-Trainingseinheit zeigt signifikante Verbesserungen in der Tennistechnik, was auf einen möglichen kurzfristigen Lerneffekt hindeutet. Zudem hatten Teilnehmenden ein größeres Vertrauen in ihr eigenes Können nach dem VR-Training und ihre Motivation zum Tennisspielen hat sich deutlich gesteigert. Eine qualitative Analyse hebt sowohl die Stärken als auch die Schwächen unserer Methode hervor. Die Teilnehmenden äußerten die Überzeugung, dass unser VR-Tennistraining eine sinnvolle Ergänzung zum traditionellen Coaching darstellen kann.

Tennis, as an international sport, has health benefits when performed correctly. However, the overuse of poor technique raises the risk of injuries, such as tennis elbow. Appropriate training routines, instructions on proper technique, and early error correction are crucial steps to injury prevention and beneficial to performance. However, regular tennis training takes effort and motivation and is impeded by limited resources such as available tennis courts, professional coaches, and the associated financial and time commitments. These challenges raise interest in accessible solutions that facilitate regular, short practice sessions, aid motor learning, and effectively complement traditional coaching methods.This thesis presents a novel method for self-training a correct tennis forehand technique through target practice in virtual reality (VR). Our method provides immediate post-action multimodal feedback on a user's technique by utilizing partial motion tracking of the VR headset and controllers combined with automated, expert-driven motion analysis. Each captured forehand stroke is segmented into individual phases based on defined motion features. Specific aspects of tennis technique associated with these phases are analyzed using coaching rules established in traditional coaching. After each shot, users receive auditory and visual feedback, concentrating on one coaching rule at a time. This feedback delivers timely corrections on identified mistakes and positively reinforces technical improvements. A motion replay accompanies the provided information to facilitate self-monitoring and reflection.Using a within-group pretest-posttest design, we evaluated our VR forehand tennis training in a supervised user study with 26 participants. A comparison of performance metrics measured before and after a 10-minute VR training session revealed significant improvements in participants' technique, indicating a potential short-term learning effect. Questionnaire responses demonstrate significant improvements in participants' motivation to play tennis and confidence in their tennis technique from the pre-test to the post-test. A qualitative analysis further highlights both the strengths and limitations of our method. Participants expressed the belief that our approach to VR tennis training can complement traditional coaching.