三維紅外運動捕捉系統(tǒng)在田徑技術(shù)診斷中的應(yīng)用——以女子100m欄運動員王麗為例

何俊良，許以誠，李廣凱

在田徑運動技術(shù)分析中，數(shù)據(jù)的精細化一直是研究者的最高追求。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，大量的精密儀器已經(jīng)在實驗室里得以應(yīng)用，但由于田徑競技運動的特殊性，這些大型的精密儀器并沒有在田徑競技場上得以應(yīng)用。從現(xiàn)有文獻來看，三維紅外運動捕捉技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，但應(yīng)用于賽場訓(xùn)練中并不多見。

如何將實驗室已經(jīng)成熟使用的三維紅外運動捕捉系統(tǒng)與賽場訓(xùn)練相結(jié)合，應(yīng)用于田徑競技項目，這是未來田徑技術(shù)診斷中的一個新的研究領(lǐng)域。

女子跨欄項目是我國田徑的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，在亞洲一直保持較高的水平。技術(shù)與素質(zhì)密不可分，良好的技術(shù)需要相應(yīng)的運動專項素質(zhì)作保證，同樣通過對技術(shù)動作的分析診斷也能發(fā)現(xiàn)運動員存在的運動專項素質(zhì)缺陷?？鐧诩夹g(shù)對于跨欄運動員來說是至關(guān)重要的基本技術(shù)，一個跨欄運動員跨欄技術(shù)的好壞，直接影響到運動成績的優(yōu)劣。

本研究利用三維紅外運動捕捉系統(tǒng)在田徑運動場上對運動員王麗的跨欄動作進行影像捕捉、分析，從而揭示其現(xiàn)有技術(shù)動作的特點，將之與其他優(yōu)秀運動員進行對比參照，發(fā)現(xiàn)其技術(shù)動作的不足，為我國女子100 m欄項目積累數(shù)據(jù)，為教練員和運動員提供參考性建議。

1 研究方法

1.1 實驗環(huán)境

本次研究的受試者為上海女子100 m跨欄專業(yè)運動員王麗，最好成績?yōu)?3.27 s，運動等級為健將，訓(xùn)練年限為12年。本次實驗的地點為上海田徑中心莘莊基地室內(nèi)田徑場。

由于三維紅外運動捕捉系統(tǒng)依靠捕捉身體上Mark點的反射光，從而對外界環(huán)境的光線穩(wěn)定性具有較高的要求，因此本次研究選擇光線較為穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境。與實驗室環(huán)境不同，室內(nèi)田徑場環(huán)境是依據(jù)真實的訓(xùn)練環(huán)境進行攝像頭布置，這也限制了攝像頭自由擺放，對高速完整捕捉全身Mark點是一個挑戰(zhàn)。

1.2 實驗方法

本研究使用的三維紅外運動捕捉系統(tǒng)由8臺瑞典QUALISYS公司生產(chǎn)的OQUS400紅外攝像頭組成，本次研究中采樣頻率為120 Hz，采集軟件為QUALISYS自帶軟件 QTM （Qualisys Track Manager）， 軟件版本為 QTM 2.7。所有攝像頭由其自帶的同步裝置進行同步捕捉。

一般來說，三維成像算法需要兩臺攝像機同時捕捉到一個Mark點，才能還原計算出其三維空間位置，基于室內(nèi)田徑場真實環(huán)境限制以及完整捕捉全身Mark點的需要，本次研究中，三維紅外運動捕捉系統(tǒng)攝像頭布局如圖1、2 所示。

圖1 三維運動捕捉系統(tǒng)攝像頭布局正面Figure 1 Positive of the Camera Layout of the 3D Motion Capture System

圖2 三維運動捕捉系統(tǒng)攝像頭布局側(cè)面Figure 2 Side of the Camera Layout of the 3D Motion Capture System

室內(nèi)田徑跑道由3條正規(guī)寬度約60 m長的跑道組成，為一狹長空間，對欄架近處捕捉攝像頭限制較大，因此，本研究中適當(dāng)調(diào)整了欄架近處攝像頭的位置，以適應(yīng)實際需要。

本次研究利用一堂訓(xùn)練課時間，首先告知受試者測試內(nèi)容，并進行實驗儀器和場地的布置與整理（拍攝的欄為第四欄，場地按照正常比較欄間距布置）；與此同時，受試者進行充分熱身；之后受試者進行預(yù)跑；在正式測試之前，進行受試者運動學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)采集并檢查：受試者進行正常的全力跨欄跑，采集完整的3次跨欄動作。

Marker標(biāo)記點：在受試者全身貼放72處Mark反光點（頭部 4點，雙側(cè)上肢共24點，雙側(cè)下肢共34點，骨盆 6點，軀干4點），成功收集3次數(shù)據(jù)。使用Visual3D軟件計算出受試者的運動學(xué)相關(guān)參數(shù)。

為了便于分析和描述，本次研究定義跨欄過程為受試者起跨腿著地至擺動腿下欄后再次離地這個范圍。參考前人文獻[1,2]，將跨欄過程分為起跨階段（起跨腿著地時刻至起跨腿離地時刻）、騰空階段（起跨腿離地時刻至擺動腿著地時刻）和著地階段（擺動腿著地時刻至擺動腿離地時刻）。

2 結(jié)果與分析

表1為王麗的跨欄時間。前期研究認為，跨欄運動員支撐時間差異性不大，跨欄技術(shù)的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在騰空過欄時間的長短上。騰空時間越短，說明跨欄步技術(shù)越合理。根據(jù)以往數(shù)據(jù)[2,3]，國內(nèi)優(yōu)秀組的平均騰空時間為0.304 s，運動員孫雅薇的騰空時間達到0.274 s。與之相比，王麗的騰空時間則明顯較長，其跨欄技術(shù)還需要進一步針對騰空時間進行強化。

表1 王麗跨欄時間分析表Table IAnalysis of Wang Li’s Hurdle Clearing Time

跨欄速度是影響100 m欄成績的重要因素，提高跨欄技術(shù)的合理有效性對提高跨欄速度至關(guān)重要。從運動生物力學(xué)角度來看，起跨距離較長時，運動員可以更為有力地蹬離地面去攻欄,減小起跨角度，使身體重心的運行軌跡壓低到幾乎碰到欄架。擺動腿在欄前屈膝高擺，過欄后積極下擺，加快了下欄的速度，縮短了下欄的距離,水平速度的損失就比較小。

優(yōu)秀女子100 m跨欄的起跨距離為1.90~2.10 m[2]。我國運動員普遍存在的問題是起跨距離近，過欄后落地距離較遠[3]。但前期研究發(fā)現(xiàn)[5]，王麗的起跨距離平均達到2.174 m，其起跨技術(shù)特點在跨欄步距離上表現(xiàn)為起跨距離偏長，導(dǎo)致其騰空時間較長。本次研究發(fā)現(xiàn)，王麗的起跨距離、著地距離有了顯著調(diào)整，起跨距離在合理范圍之內(nèi)，著地距離也較之前有了縮短（見表2）。在跨欄步距離方面，王麗與世界優(yōu)秀運動員并無明顯差異，這樣的起跨距離和著地距離是適宜的。

表2 王麗跨欄步距離分析表Table IIAnalysis of Wang Li’s Hurdling Step Distance

2.1 起跨技術(shù)分析

起跨技術(shù)直接影響過欄時身體重心移動的軌跡和過欄速度，而且還會影響到下欄后的平穩(wěn)和繼續(xù)跑進，因此，起跨技術(shù)好壞直接影響著跨欄步技術(shù)的優(yōu)劣,如圖3。

圖3 起跨動作示意圖Figure 3 Schematic Diagram of the Hurdling Start Actions

如表 3所示，王麗的起跨角度為66.078°，大于世界優(yōu)秀運動員的起跨角度63°[5]。起跨角太大，將導(dǎo)致過欄時身體重心的騰空高度增加，騰空時間延長[1]，可能是王麗騰空時間較長的原因之一。王麗起跨腿離地時刻的膝關(guān)節(jié)角度和髖關(guān)節(jié)角度均在合理的范圍內(nèi)，而重心水平速度與垂直速度的比值大小是反映運動員起跨技術(shù)質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]，王麗在蹬離地面瞬間身體重心移動的水平垂直速度之比為：6.848/1.211=5.654，較之前的比值（3.309）有了明顯改善，但對比國內(nèi)優(yōu)秀運動員孫雅薇的比值（8.215）還是有一定的差距，需要繼續(xù)加強該方面的針對性訓(xùn)練。

表3 王麗起跨技術(shù)分析表Table IIIAnalysis of Wang Li’s Hurdling Start Technique

2.2 騰空階段技術(shù)分析

騰空時間的長短受多方面影響，跨欄步技術(shù)中要求擺動腿主動下壓，兩腿成絞剪動作，這樣可以縮短跨欄步騰空階段的水平位移，由此減少騰空時間和水平速度的損失，為運動員更快地過渡到欄間跑提供有利的身體姿勢，如圖4。

根據(jù)表4顯示，王麗的最小軀干前傾角達到50.283°，而優(yōu)秀運動員的最小軀干前傾角可達到43°，軀干前傾角越小，運動員在欄上的重心高度就越低，身體重心的升降幅度就越小，從而有利于快速過欄，縮短騰空時間。而減小最小軀干前傾角與擺動腿迅速擺動有一定的關(guān)系，王麗起跨時的擺動腿前擺技術(shù)需要進一步加強。

表4 王麗騰空階段分析表Table IV Analysis of Wang Li’s Air Phase

優(yōu)秀運動員過欄時，重心騰起高度不超過0.15 m[1]，而王麗的重心升高值卻達到了0.165 m之多，這是造成她騰空時間相對過長的主要原因。王麗重心升高值較高可能與起跨蹬地角度和軀干前傾角較大有關(guān)。在最大擺動大腿速度方面，前擺的速度明顯高于下壓的速度，這和大腿前群肌、大腿后群肌肌力大小差異、訓(xùn)練程度差異有關(guān)；而最大擺動腿大腿下壓角速度則明顯較?。▽O雅薇189.024°/s，鄭雅容 126.247°/s），這說明王麗下欄是，擺動腿下壓需要更為積極，這要求加強針對大腿后群肌的專項訓(xùn)練。

2.3 著地階段技術(shù)分析

進入著地階段，運動員需要從跨欄狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闄陂g跑狀態(tài)。下欄著地時適宜的身體姿勢和著地角度，能極大地影響欄間跑的節(jié)奏和成績。著地瞬間著地角大小，直接影響著重心的移動速度，即對成績的提高影響較大。如果著地角偏小，則著地點離身體重心的幾何投影點較遠，阻力增大，水平速度減小，不利于身體重心快速前移，如圖5。

圖5 著地動作示意圖Figure 5 Schematic Diagram of the Landing Movements

王麗擺動腿著地時刻的著地角為76.957°、著地距離為1.046 m，與世界優(yōu)秀運動員相比仍處于合理范圍。

王麗的擺動腿支撐時間為0.100 s，與世界優(yōu)秀運動員的平均水平0.092 s相比，還是有一定的差距，但這一數(shù)值在國內(nèi)已屬于優(yōu)秀水平。較短的擺動腿支撐時間，得益于良好的下欄著地技術(shù)，能夠讓她快速的進入欄架跑階段。

3 結(jié)論與建議

嘗試三維紅外運動捕捉系統(tǒng)應(yīng)用于日常光照條件下的室內(nèi)田徑跑道，實現(xiàn)了對跨欄技術(shù)動作的精細化診斷分析。發(fā)現(xiàn)，王麗跨欄技術(shù)的特點：（1）跨欄步幅大，主要體現(xiàn)在起跨步步幅較大，這可能對其騰空時間有影響；著地距離較短，比較合理。（2）起跨腿支撐時間和擺動腿支撐時間較短，說明其下肢肌肉較為有力，能夠快速支撐其身體質(zhì)量。（3）騰空時間較長，這依舊是王麗跨欄技術(shù)的短板，主要是王麗在騰空階段身體重心上升高度比較大造成。這可能是由于起跨角度較大、重心水平速度與垂直速度比值較小、最大擺動腿大腿下壓角速度較小引起。

王麗跨欄跑節(jié)奏較穩(wěn)定，起跑及沖刺能力較好；欄間3步跑步頻較快，較為穩(wěn)定[5]?？鐧诩夹g(shù)在國內(nèi)已經(jīng)屬于優(yōu)秀水平，但仍需要加強針對起跨腿迅速蹬伸及大腿后群肌帶動大腿迅速下壓的專項練習(xí)。

[1]文超等.田徑運動高級教程[M].北京:人民體育出版社,2003,6.

[2]周繼和,李曉峰,倪僅仁.我國優(yōu)秀跨欄運動員劉靜過欄技術(shù)動作的運動學(xué)分析[J].成都體育學(xué)院學(xué)報2008,11(34):56-58.

[3]王巧玲,張夏,劉紅斌.對我國部分優(yōu)秀女子100m跨欄運動員過欄動作某些運動學(xué)特征的分析[J].體育科技,1991(4).

[4]黃勇,郭俊人,虞玉華,等.我國女子 100m欄優(yōu)秀運動員技術(shù)分析［J］.西安體育學(xué)院學(xué)報,2003,（05）.

[5]王淑玲.我國部分優(yōu)秀女子跨欄運動員的跨欄技術(shù)診斷[D].上海體育學(xué)院碩士論文,2011.