三維影像解析在運動技術分析中的應用現狀及對策研究①

史銀斌

（陜西師范大學體育學院 陜西西安 710062）

對運動技術進行研究和診斷一直以來都是運動生物力學研究的一個重要領域，它在提高運動水平，促進動作創(chuàng)新，防治運動傷病等方面發(fā)揮著重要的作用。作為研究和診斷運動員運動技術基本手段的影像解析方法，正廣泛運用于體育項目的研究之中。事實上，所有運動項目的技術動作，嚴格說起來都是在三維空間進行的。因此，一般的運動技術研究都應該用三維解析。同時，現代競技體育，對在三維空間內進行的運動技術的分析，不斷趨向于要求能夠現場從所需角度及時反饋測試分析結果、提供詳細測試分析報告，這就為運動技術的生物力學分析提供了發(fā)展空間。

然而，在這種廣泛應用的過程中，出現的一些現象和問題，卻不得不引起相關研究者的注意及重視。本文簡要介紹影像解析中常見的方法性能并對其應用過程 做出分析，旨在引起我國相關的體育科學研究者的更多重視及參與，以更有力的推動其在運動實踐中的應用。

1 三維影像解析在運動技術分析中的應用現狀

從先后于2006年11月、2008年10月、2009年11月召開的近三屆全國運動生物力學學術交流大會總入選的580篇科研報告論文中，可以看出：運動技術動作的生物力學分析，分別為37.17%（71/191）、46.5%（93/200）[1,2]、36.5%（69/189），其百分比數均處于前列，占到了主流地位。而且，在運動技術動作的生物力學分析類的報告論文中，利用三維影像解析作為分析方法和手段的，分別占到了73.24%（52/71）、75.27%（70/93）、59.42%(41/69)，其百分比數遠遠高于其他類，說明運用三維影像解析技術對運動技術動作進行生物力學分析，得到了越來越多的體育科研工作者的認可和參與。

運動技術動作的生物力學分析的圖像采集與分析技術由于近期的不斷突破，已經逐步趨于完善，這為運動生物力學走向體育實踐，實現運動訓練的可視化和快速反饋作好了準備。目前一些經濟比較發(fā)達的國家，如美國、加拿大、德國、日本等，已在很多項目上實現了運動訓練的可視化與快速反饋。美國科羅拉多州奧林匹克中心生物力學實驗室為美國國家田徑隊進行現場圖像采集與圖象分析，幫助運動員增強運動本體感受并改進技術，已初步取得了良好的效果。德國、日本也分別運用現場錄制圖像和三維解析的方法為田徑、舉重、冰雪等項目服務，對于這些項目運動成績的提高產生了較大的作用[3]。

國內的運動技術的生物力學分析，在經歷了現場或實驗室錄像采集，實驗室解析，運動后單人單個錄像技術資料反饋階段后，也正走向現場錄像采集，現場錄像技術解析、處理，及現場快速反饋階段。

2 三維影像解析在運動技術分析應用中存在的問題

2.1 影像解析的方法與手段的發(fā)展相對滯后

與國外的快速發(fā)展相比，國內的運動技術的生物力學分析在應用三維影像解析的過程及發(fā)展中，始終處于相對滯后的狀態(tài)。從視頻圖像的采集和處理手段來看，早期的膠片攝影、幻燈投影測量分析運動技術動作的角度、速度、距離和位移，以及人體重心的運動軌跡等，自20世紀80年代引進以來，較長時期內占據了人體及物體運動學指標檢測解析方法的主要地位，即使該種方法存在“膠片消耗過大及不易保存、解析處理過程繁瑣冗長、代價高昂”等缺點，但其仍以精確的理性效果而在較長時期內受到青睞。隨著國外數字DV信號錄像解析的出現，在進入21世紀之后，國內的運動技術的生物力學分析視頻圖像的采集和處理也開始快步邁向現場錄像采集，現場錄像技術解析、處理，現場快速反饋。從這一手段和方法的使用過程及發(fā)展來看，國內在此方面出現了相對滯后的情況。

2.2 運動員動作技術的特征性在比較過程中存在不足

從近三屆，尤其是上一屆全國運動生物力學學術交流大會總入選的科研報告論文中發(fā)現，在經歷了從現場/實驗室錄像采集，實驗室解析、處理，運動后反饋，到目前的現場錄像采集，現場錄像技術解析、處理，現場快速反饋，研究的對象仍然大部分集中在針對單獨的個體上。以上一屆全國運動生物力學學術交流大會總入選的科研報告論文為例，僅有5例運動技術的生物力學分析是以對比或比較的形式出現的，僅占7.25%（5/69）。其余大部分研究在錄像解析反饋的方式上，多以單人單個錄像技術的運動學特征反饋為主，較為明顯的突出個性化技術特征，其具有的普遍性意義的廣泛程度還亟待檢驗。

2.3 影像解析中人體模型特色存在出入

在三維影像解析中，人體模型的選擇與應用，有著極其重要的意義，并對隨后產生的數據以及數據分析起著決定性作用。人體模型選擇不當，其后的運動學等各項參數都會發(fā)生質的改變。從現有文獻資料來看，而正是在這一重要環(huán)節(jié)中，廣大研究者所選取的人體模型，多以歐美的扎齊奧爾斯基、漢納范人體模型為主，偶有日本松井秀治人體模型，與中國人體模型的特色存在著一些出入。如上一屆全國運動生物力學學術交流大會入選的69篇關于運動技術的生物力學影像解析的科研報告論文中，僅有許翔等[4]的“程菲跳馬‘踺子后手翻直體后空翻轉體720度’動作的運動學分析”1例，是以中國女子青年人體模型建立的研究參數，另有李溪[5]的“我國優(yōu)秀女子標槍運動員宋丹最后用力階段軀干轉動的生物力學分析”1例，是以松井秀治人體模型建立研究參數，其余多為漢納范人體模型?，F已證實，中國人體慣性參數與歐美人體慣性參數相比，在環(huán)節(jié)形狀、質量分布及部分環(huán)節(jié)上，與外國人存在明顯差異[6]，有著自己的民族特色。因此，在應用三維影像解析動作技術進行生物力學分析時，選取的人體模型必須符合本民族的人體慣性參數，以減少或避免參數特征的出入帶來技術解析的誤差。

2.4 圖像解析結果的顯示略顯單調

對于動作技術的影像解析結果的顯示，現有的文獻大多僅表現為以數據和曲線為主的反饋形式，或簡單的二維及三維的棍圖、連續(xù)的動作圖片。事實上，隨著圖像處理技術及移動便攜圖像采集系統(tǒng)的快速發(fā)展，視頻圖像技術的應用，如：視頻多圖像截取暫留于同一畫面；視頻疊加、視頻圖像的多重分屏同步比較；視頻文件的仿真圖像、圖表和曲線的同步顯示等極大的豐富了動作技術影像解析結果的表達。同時，再結合使用多媒體制作和圖文混編輸出系統(tǒng)，運動技術圖片就可以以“一般連續(xù)動作技術圖片；連續(xù)動作技術關鍵時相提取合成圖片；動作技術圖像的雙圖、多圖比較；技術圖片、關鍵參數和數據曲線的合成圖片；三維運動技術仿真圖片；運動技術關鍵點的軌跡展現”等多種形式直觀的加以應用[7]。國內的愛捷系統(tǒng)以及美國Ariel Dynamics公司的APAS(A riel Performance Analysis System)系統(tǒng)和德國SIMI公司的SIMI°Motion等運動分析系統(tǒng)已經提供了這些頗具特色的運動生物力學影像解析分析方案。

3 建議

（1）在運動動作的生物力學分析中，僅憑某一項測試的數據來對研究對象的動作技術做出評價，易受多種因素的影響而產生誤診，這就要求必須根據研究目的的需要，探索和創(chuàng)造更多的方法和手段，加快技術手段和檢測方法的快速發(fā)展，突破發(fā)展相對滯后的境況，充分利用現代計算機技術以及圖像處理技術，重視多項目同步測試指標的綜合評價，并向著多機同步、自動綜合的方向發(fā)展。

（2）在運動技術的影像解析中，充分結合本民族的人體慣性參數特點，選擇自有的人體模型參數，廣泛開展多人多視頻比較反饋，或擴大研究樣本含量，在更大范圍內進行單人單個運動技術的解析，以期找到具有普遍意義的規(guī)律，為以后的訓練及科學研究提供參考依據。

[1]霍洪峰,趙煥彬,葛畢敬,等.中國運動生物力學研究發(fā)展現狀[J].中國體育科技,2007(2).

[2]霍洪峰,趙煥彬,葉靜,等.中國運動生物力學研究發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢——第12屆全國運動生物力學學術交流大會論文評述[J].中國體育科技,2009(3).

[3]柏開祥,羅赤平,時軍霞.從第27屆奧運會看運動生物力學研究的新變化[J].武漢體育學院學報,2001(2).

[4]許翔,龔銘新,黃勇,等.程菲跳馬“踺子后手翻直體后空翻轉體720度”動作的運動學分析[C].

[5]李溪.我國優(yōu)秀女子標槍運動員宋丹最后用力階段軀干轉動的生物力學分析[C].

[6]《運動生物力學》編寫組.運動生物力學[M].高等教育出版社,2005(3):84-98.

[7]李愛東,苑廷剛,李汀,等.視頻圖像技術的發(fā)展及在田徑項目訓練中的應用[J].體育科學,2005(6).