三維影像解析在運動技術(shù)分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀及對策研究①

史銀斌

（陜西師范大學(xué)體育學(xué)院 陜西西安 710062）

對運動技術(shù)進行研究和診斷一直以來都是運動生物力學(xué)研究的一個重要領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)研究都應(yīng)該用三維解析。同時，現(xiàn)代競技體育，對在三維空間內(nèi)進行的運動技術(shù)的分析，不斷趨向于要求能夠現(xiàn)場從所需角度及時反饋測試分析結(jié)果、提供詳細測試分析報告，這就為運動技術(shù)的生物力學(xué)分析提供了發(fā)展空間。

然而，在這種廣泛應(yīng)用的過程中，出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和問題，卻不得不引起相關(guān)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(yīng)用過程 做出分析，旨在引起我國相關(guān)的體育科學(xué)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(yīng)用。

1 三維影像解析在運動技術(shù)分析中的應(yīng)用現(xiàn)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(xué)學(xué)術(shù)交流大會總?cè)脒x的580篇科研報告論文中，可以看出：運動技術(shù)動作的生物力學(xué)分析，分別為37.17%（71/191）、46.5%（93/200）[1,2]、36.5%（69/189），其百分比數(shù)均處于前列，占到了主流地位。而且，在運動技術(shù)動作的生物力學(xué)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(shù)遠遠高于其他類，說明運用三維影像解析技術(shù)對運動技術(shù)動作進行生物力學(xué)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(shù)動作的生物力學(xué)分析的圖像采集與分析技術(shù)由于近期的不斷突破，已經(jīng)逐步趨于完善，這為運動生物力學(xué)走向體育實踐，實現(xiàn)運動訓(xùn)練的可視化和快速反饋作好了準(zhǔn)備。目前一些經(jīng)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(xiàn)了運動訓(xùn)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(xué)實驗室為美國國家田徑隊進行現(xiàn)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(shù)，已初步取得了良好的效果。德國、日本也分別運用現(xiàn)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(wù)，對于這些項目運動成績的提高產(chǎn)生了較大的作用[3]。

國內(nèi)的運動技術(shù)的生物力學(xué)分析，在經(jīng)歷了現(xiàn)場或?qū)嶒炇忆浵癫杉瑢嶒炇医馕觯\動后單人單個錄像技術(shù)資料反饋階段后，也正走向現(xiàn)場錄像采集，現(xiàn)場錄像技術(shù)解析、處理，及現(xiàn)場快速反饋階段。

2 三維影像解析在運動技術(shù)分析應(yīng)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(nèi)的運動技術(shù)的生物力學(xué)分析在應(yīng)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(shù)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(jì)80年代引進以來，較長時期內(nèi)占據(jù)了人體及物體運動學(xué)指標(biāo)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(nèi)受到青睞。隨著國外數(shù)字DV信號錄像解析的出現(xiàn)，在進入21世紀(jì)之后，國內(nèi)的運動技術(shù)的生物力學(xué)分析視頻圖像的采集和處理也開始快步邁向現(xiàn)場錄像采集，現(xiàn)場錄像技術(shù)解析、處理，現(xiàn)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(nèi)在此方面出現(xiàn)了相對滯后的情況。

2.2 運動員動作技術(shù)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(xué)學(xué)術(shù)交流大會總?cè)脒x的科研報告論文中發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了從現(xiàn)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(xiàn)場錄像采集，現(xiàn)場錄像技術(shù)解析、處理，現(xiàn)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(xué)學(xué)術(shù)交流大會總?cè)脒x的科研報告論文為例，僅有5例運動技術(shù)的生物力學(xué)分析是以對比或比較的形式出現(xiàn)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(shù)的運動學(xué)特征反饋為主，較為明顯的突出個性化技術(shù)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(yīng)用，有著極其重要的意義，并對隨后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析起著決定性作用。人體模型選擇不當(dāng)，其后的運動學(xué)等各項參數(shù)都會發(fā)生質(zhì)的改變。從現(xiàn)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(xué)學(xué)術(shù)交流大會入選的69篇關(guān)于運動技術(shù)的生物力學(xué)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(zhuǎn)體720度’動作的運動學(xué)分析”1例，是以中國女子青年人體模型建立的研究參數(shù)，另有李溪[5]的“我國優(yōu)秀女子標(biāo)槍運動員宋丹最后用力階段軀干轉(zhuǎn)動的生物力學(xué)分析”1例，是以松井秀治人體模型建立研究參數(shù)，其余多為漢納范人體模型。現(xiàn)已證實，中國人體慣性參數(shù)與歐美人體慣性參數(shù)相比，在環(huán)節(jié)形狀、質(zhì)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(yīng)用三維影像解析動作技術(shù)進行生物力學(xué)分析時，選取的人體模型必須符合本民族的人體慣性參數(shù)，以減少或避免參數(shù)特征的出入帶來技術(shù)解析的誤差。

2.4 圖像解析結(jié)果的顯示略顯單調(diào)

對于動作技術(shù)的影像解析結(jié)果的顯示，現(xiàn)有的文獻大多僅表現(xiàn)為以數(shù)據(jù)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(shù)及移動便攜圖像采集系統(tǒng)的快速發(fā)展，視頻圖像技術(shù)的應(yīng)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(shù)影像解析結(jié)果的表達。同時，再結(jié)合使用多媒體制作和圖文混編輸出系統(tǒng)，運動技術(shù)圖片就可以以“一般連續(xù)動作技術(shù)圖片；連續(xù)動作技術(shù)關(guān)鍵時相提取合成圖片；動作技術(shù)圖像的雙圖、多圖比較；技術(shù)圖片、關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)曲線的合成圖片；三維運動技術(shù)仿真圖片；運動技術(shù)關(guān)鍵點的軌跡展現(xiàn)”等多種形式直觀的加以應(yīng)用[7]。國內(nèi)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(jīng)提供了這些頗具特色的運動生物力學(xué)影像解析分析方案。

3 建議

（1）在運動動作的生物力學(xué)分析中，僅憑某一項測試的數(shù)據(jù)來對研究對象的動作技術(shù)做出評價，易受多種因素的影響而產(chǎn)生誤診，這就要求必須根據(jù)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(shù)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(xiàn)代計算機技術(shù)以及圖像處理技術(shù)，重視多項目同步測試指標(biāo)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(shù)的影像解析中，充分結(jié)合本民族的人體慣性參數(shù)特點，選擇自有的人體模型參數(shù)，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(nèi)進行單人單個運動技術(shù)的解析，以期找到具有普遍意義的規(guī)律，為以后的訓(xùn)練及科學(xué)研究提供參考依據(jù)。

[1]霍洪峰,趙煥彬,葛畢敬,等.中國運動生物力學(xué)研究發(fā)展現(xiàn)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(xué)研究發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢——第12屆全國運動生物力學(xué)學(xué)術(shù)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(xué)研究的新變化[J].武漢體育學(xué)院學(xué)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(zhuǎn)體720度”動作的運動學(xué)分析[C].

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

[6]《運動生物力學(xué)》編寫組.運動生物力學(xué)[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(shù)的發(fā)展及在田徑項目訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].體育科學(xué),2005(6).