不同等級籃球裁判員多目標視覺追蹤實證研究

王天陽，朱從慶

視覺注意[1-2]在日常生活中扮演著極其重要的角色。在一場激烈的籃球賽中，場上的隊員不僅要時刻注意賽場上防守隊員的位置，防止對手前來搶球，更要注意場上隊友的位置，以便更好地傳球獲取得分機會[3]。多目標追蹤范式就是由此研發出。1988 年，Z.PYLYSHYN[4-7]和R.W.STORM[8]兩人提出了多目標追蹤范式。該范式由線索、追蹤和反應3個階段組成：在第1 階段，屏幕中呈現幾個表象相同的對象，部分對象通過顏色的改變被標記出來，其他則為分心物；第2 階段，標記目標的線索消失，變回與之前表象一致的對象，且彼此間相互獨立繽紛進行隨機無規則運動，4～12 s后停止運動，參與者要找出被標記出的目標；第3階段，要求參與者指出那些對象為標記物體或者某個特定對象是否是目標要求，得出參與試驗被試的反應時與正確率。它用于研究視覺系統是如何追蹤動態物體，以及受試者接受突然的變化所做出判斷的反應能力的一項技術。目前，關于多目標追蹤任務在生活中的應用研究也多集中于對特殊群體與普通群體在不同條件水平下對比的追蹤表現[9-12]。

籃球是競技運動中與多目標追蹤任務相似度較高的項目之一。籃球運動要求運動員需要在同一時間點，追逐多個動態目標以及更新其即刻信息，隨時進行目標與非目標的轉換，并及時做出決策。而作為籃球場上的執法者，裁判員同樣需要與運動員一樣的視覺注意能力。裁判員不僅要對于賽場上瞬息萬變的競技場景保持高度注意，還需要對球員間的攻防有無犯規違例、無球隊員間的移動情況、無球隊員之間的身體接觸情況、替補席教練員暫停換人情況、比賽時間以及進攻時間進度情況、場上的突發事件進行及時的判斷與管理。從這些要素看來，籃球裁判員的視覺注意能力更值得研究。近年來，G.T.MANGINE 等[13]對NBA 球員的控制球技術進行了研究，結合視覺追蹤速度得出了后衛隊員優于鋒位線隊員的結論；李軍[14]也對籃球運動員追蹤多目標任務表現進行了研究，發現專家組與新手組均存在顯著性差異；而張禹等[15]部分學者[16-17]卻在其研究中表明，水平不一的籃球運動員其多目標追蹤能力所展現的差異甚微。雖然不少學者對于籃球運動員以及各項需要多目標追蹤能力的運動項目進行了關注與研究，但是對于研究內容結果的一致性，以及對于賽場中比賽的管理者與普通人多目標追蹤任務表現差異還有待進一步論證。基于以上問題，本研究采用多目標追蹤試驗范式（MOT），通過改變球數量的多少來檢測高水平籃球裁判員、一般水平籃球裁判員和普通體育生在多目標任務追蹤過程中的表現，揭示高水平籃球裁判員和普通體育生在多目標追蹤任務表現中的一般規律，為籃球裁判員的選拔及培養提供訓練與運動認知的理論實據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

試驗采取分層抽樣的方法，招募上海地區籃球裁判員和某高校體育系本科生共計53 人。根據不同裁判員等級分為專家組、普通組和新手組。其中，專家組高水平籃球裁判員（均為上海地區國家級、國際級籃球裁判員）16 名，普通組一般水平籃球裁判員（均為上海地區一級籃球裁判員）17 名，新手組體育系普通學生（均為上海地區各大高校體育系學生）20 名，3 組被試視力或矯正視力正常，且無色弱、色盲和精神方面的疾病。

1.2 研究儀器

所用英特爾筆記本電腦為17 寸，獨立顯卡，i5 處理系統。屏幕與水平面垂直夾角為90°，屏幕與眼觀察視角約為35°，觀看屏幕的距離為1.25 m，觀察對象為以5°/s的速度移動，直徑為0.7°視角的圓。在移動過程中，當與另一個移動目標距離小于1°時或移動至矩形追蹤區域邊緣小于1°時即發生碰撞，對象將改變移動方向，碰撞后移動方向隨機，使得試驗被試無法提前預測所觀察對象的移動。所有試驗結果均由MATLAB2016a提供，被試在試驗開始前需詳細了解試驗程序和操作過程。

1.3 試驗設計

該項試驗為組塊設計試驗，試驗為被動觀察，總試驗次數為80 個試次，分為4 個大組塊，每2 個大組塊間休息3 min。每個大組塊中有4 個重復組塊，分別為追蹤2 個目標（L2）、追蹤3個目標（L3）、追蹤4個目標（L4）和追蹤5個目標（L5）。4個條件隨機出現，且重復組塊間間隔10 s。每個重復組塊中有5 個小試次，即每個組塊中追蹤每個目標都有相同試次5次，且標注目標球及移動方位均隨機。每次小試次間休息4 s。最后，通過參與者對整個試驗中每個試次做出的按鍵選擇來記錄其正確率。

1.4 試驗程序

用MATLAB編寫試驗程序。整個屏幕背景底色為黑色，中間有矩形灰色區域為試驗對象移動范圍區域。首先，在屏幕上呈現導語，待試驗者讀懂指導語內容后，按“回車”鍵開始試驗。正式試驗開始前，為了使被試確切掌握該試驗的操作方法，講解后進行實際操作，測試完成后正式開始試驗。具體方法是，屏幕上的注視點呈現0.5 s，然后在灰色矩形背景上呈現10個相同的對象（小球），所有對象初始都為藍色，經過0.5 s 后，其中2個（L2）、3 個（L3）、4 個（L4）或5 個（L5）對象變成紅色，在2 s 之后，再恢復到藍色。1.5 s 后，對象開始隨機無規則運動，持續8 s，且這些對象之間相互排斥，且與矩形邊框排斥，并每1 s 轉變一次方向。8 s 停止移動后，部分對象（數量等于目標對象的數量）變為綠色（標注）參與者通過按鍵“0”“1”“2”“3”“4”或“5”表明多少綠色小球是最初指定為目標的對象（見圖1）。

圖1 試驗流程圖Figure1 Flow Chart of Experiment

該研究過程中，10顆藍色小球相當籃球場上10名籃球運動員，而被標注小球相當于裁判員在賽場上觀察時賽場中的矛盾點，圓球的運動模擬比賽的實際情況，以隨機運動來考察被試目標追蹤情況，每一小試次相同，標注球數不同，完成總時間為40 min左右。

為保證試驗的真實效果，本次試驗均采用1 對1 進行，在室溫為26 ℃，安靜程度相對較高的辦公室，試驗時間在午休后14:00—17:00 進行。由試驗負責人在試驗開始前進行試驗詳細講解，試驗者弄清試驗步驟后，再進入試驗。并保證所有參與者在進行該試驗之前沒有參與過任何與多目標追蹤試驗任務有關的訓練。

1.5 數據統計分析

采用SPSS20.0 軟件，對裁判員多目標追蹤試驗得出的各組數據進行平均數處理，運用重復測量方差分析及獨立樣本T檢驗等進行數據分析。其中，組間變量為3 組測量組別（專家組、普通組、新手組），組內變量為追蹤目標注意負荷（分別為追蹤2 個、3 個、4 個和5 個球的目標對象），因變量為進行試驗的多目標任務追蹤的各組正確率。統計分析顯著性為P≤0.05。

2 結 果

2.1 不同組別多目標追蹤試驗行為結果

通過整合各組別對于不同數量目標追蹤的正確率后（見表1），對高水平籃球裁判員、一般水平籃球裁判員和普通體育生3組的行為數據進行多因素方差分析（見表2）。結果顯示，目標數量的主效應十分顯著[F（3，144）=207.317，P＜0.001）]，說明進行不同目標數量的追蹤對于結果有顯著影響，即隨著目標數量球的增多，被試所得到的正確率越低；組間主效應顯著[F（2，48）=8.239，P＜0.05]，說明不同組間追蹤不同球數的正確率有差異；組別與目標數量間的交互作用不顯著[F（6，144）=0.892，P=0.503＞0.05]，說明不同組別的被試對象會隨著追蹤目標的球數增加，正確率降低，且3組均出現相似的情況（見圖2）。

表1 試驗各個組別在不同數量目標追蹤下的正確率/%Table1 Accuracy of Each Group Under Different Number of Target Tracking/%

表2 3組別在不同追蹤球數量條件下的方差分析結果Table2 Analysis of Variance Results of Three Groups Under Different Number of Tracking Balls

圖2 組別與目標數量間的交互作用趨勢Figure2 Interaction Trend Between Groups and Target Quantity

彩圖對照

2.2 多目標追蹤試驗中不同人群存在的差異

為了探究不同人群與不同追蹤目標數對多目標追蹤任務正確率的影響，3組之間各項因變量分別進行獨立樣本T檢驗，結果顯示：（1）高水平籃球裁判員與一般水平籃球裁判員相比，其在追蹤3個和4個目標球時，差異均無統計學意義（P＞0.05），但在追蹤2個和5個目標球時，差異均有統計學意義（P=0.031＜0.05），且高水平組裁判員正確率明顯高于一般水平裁判員；（2）一般水平籃球裁判員與普通體育生相比，在追蹤2、3、4個目標球時差異均無統計學意義（P＞0.05），在追蹤5個目標球時差異有統計學意義（P=0.039＜0.05）；（3）高水平籃球裁判員與普通體育生相比，所有追蹤目標球時差異均有統計學意義（P＜0.05），且在追蹤5 個目標球時差異十分顯著（P=0.00＜0.001）（見表3、圖3）。

表3 各組間不同數量目標球獨立樣本T檢驗Table3 T Test of Independent Samples of Different Number of Target Balls Among Groups

圖3 3組別百分比分布箱圖Figure3 Percentage Distribution Box of Three Groups

彩圖對照

3 討 論

本次試驗采用MOT 多目標追蹤范式，對高水平籃球裁判員、一般水平籃球裁判員和普通體育生追蹤不同數量目標球的表現差異進行考察。結果表明，追蹤球目標數量的主效應顯著，且目標球數為“2”時追蹤的正確率最高，其次正確率的高低順序依次為3—4—5個目標球數，這與以往研究一致[18-21]。隨著目標球數的增加，任務難度逐漸增強，被試追蹤平均百分比正確率整體呈線性下降的趨勢。FLEX（a Flexibly allocated index）[22]模型闡釋了產生這一現象的原因。它所表現的追蹤數量的機制靈活多變，并且受共享資源的限制。每個FLEX 的使用都會消耗資源，隨著利用的FLEX 數量的增加，單個FLEX 的追蹤效率降低，但注意資源的容量是有限的，隨著追蹤目標個數越多，用于分配到每個目標上的資源越少，所以導致追蹤正確率下降。

但就注意負荷而言，僅僅局限于目標數量對于籃球裁判員視覺注意整體研究還太過單一。筆者在試驗過程中，以及被試在進行試驗后所提出的問題反饋發現，對于目標形狀、追蹤球速度的隨機性，以及追蹤目標突然的變化，有可能對裁判員的目標追蹤產生一定影響。

本試驗多目標追蹤MOT 典型范式中，目標物沒有更多的身份特征，所以參與試驗人員對于視覺信息加工、整合與存儲上均以目標為基本單位。視覺工作記憶和選擇性注意等領域的大量研究，采用不同的研究范式，也都獲得了對視覺信息加工是以客體為基本單元的依據。“強客體”假設也認為，視覺信息是以整合客體的方式穩固地存儲于工作記憶中，記憶容量取決于客體的數量，而不受客體所含特征的數目和種類的影響。

3.1 一般水平裁判員與普通體育生結果對比分析

行為結果分析和獨立樣本T 檢驗顯示，一般水平籃球裁判員與普通體育生相比，在追蹤目標數量為2、3 和4 個數球上無明顯差異，但在追蹤5 個目標球上卻呈現顯著差異。這印證了前人對于普通籃球運動員與普通人之間多目標追蹤能力均無差異這一研究理論依據（前人試驗最高目標數量只設置到4 個球）。但是在追蹤5 個球時，不僅具有統計學意義，而且在箱圖分布中，一般水平籃球裁判員正確率整體分布明顯較普通體育生波動幅度小。

普通體育生由于所從事的專項不同，對于高難度目標注意能力的個體間差異十分明顯且波動幅度很大。這也說明了，對于具有一定運動基礎個體的視覺追蹤目標能力在不同的人之間存在顯著差異。而這對于籃球裁判員的培養與選拔具有良好啟示。籃球裁判員梯隊建設相關部門，在今后選拔和培養優秀籃球裁判員時，可以將最初視覺具有較高多目標追蹤能力的人作為重點培養對象，從而在今后將其視覺注意多目標追蹤能力提高到更高層次。

3.2 高水平籃球裁判員與一般水平籃球裁判員對比分析

在各試驗對象正確率以及百分比均值分布情況中，高水平組均高于一般水平裁組，兩者在追逐3、4 個目標數量球上差異無統計學意義，但在追逐2、5 個目標數量球時差異有統計學意義。結合被試專業信息及試驗結論得知，經過一段時間的執裁，一般水平籃球裁判員隨著經驗的積累，其多目標追蹤能力也進一步有提升。

在追蹤2、3、4 個目標球時，一般水平籃球裁判員正確率分布跨度較大，而高水平籃球裁判員跨度小，說明高水平籃球裁判員在多目標追蹤過程中較一般水平更加穩定。在追蹤5個球時，高水平籃球裁判員跨度較一般水平大，但卻具備統計學意義。因為本次試驗選取的高水平被試對象有少數人為新晉國家級裁判員，相對于時間較長的國家級或國際級籃球裁判員來說，重大賽事的執裁（如CBA、WCBA 等國內一線賽事）機會還相對較少，且執裁年限相對較短，故目標追蹤能力較老資歷的優秀裁判員差。而高水平與一般水平裁判員在追蹤2 個球時，統計學意義十分顯著，說明高水平裁判員與一般水平裁判員在追逐單一矛盾點時，高水平裁判員觀察更為細致，抓關鍵信息更為準確。

這也引申出擁有優秀多目標追蹤能力的裁判得到晉升，其多目標追蹤能力還有進一步提升的空間，對于更加精準的多目標追蹤能力的提升，就需要從事更大強度、更快節奏、更高水平的訓練。

3.3 高水平籃球裁判員與普通體育生對比分析

通過高水平籃球裁判員與一般水平籃球裁判員的對比分析，一般水平籃球裁判員與普通體育生對比分析可以看出，在最高數量的目標數追蹤中，2 次對比差異均有統計學意義，但在其余數量目標追蹤中，絕大部分試驗組差異均無統計學意義。于是，進行了高水平籃球裁判員與普通體育生之間的差異對比，以此觀測更具專業化的裁判員是否具備優秀的多目標追蹤能力。單因素方差分析以及追蹤球平均正確率百分比顯示，2組追蹤球數正確率都因球數的增加，整體正確率呈下降趨勢，但組間對比差異均有統計學意義。特別是在追蹤5 個球時，追蹤目標主效應十分顯著（P＜0.001），說明高水平籃球裁判員在多目標追蹤注意球數量方面的整體能力較普通體育生存在明顯優勢。通過長時間比賽經驗的積累，以及更高、更快、更強的執裁比賽鍛練，最初的視覺注意多目標追蹤能力是可以得到顯著提升的。

本研究使我們認識到這樣一個事實，即高水平、執裁經驗豐富的籃球裁判員的多目標追蹤能力表現得更強一些。這個能力的加強，來自于更多比賽經驗的積累還是在接受籃球裁判工作之前就已具備還需要進一步的研究。逆向推理可知，多目標追蹤能力越強的個體，應該更適合在復雜條件下需要迅速做出準確目標追蹤的工作。據此本文認為，在各級籃球協會對籃球裁判員的選拔與培養上，可以將多目標追蹤能力作為選拔的參考條件之一，以增加籃球裁判員選拔的科學性和高效性。同時，各級籃球協會可以根據本研究結果和試驗原理，設計出提高多目標追蹤能力的訓練方法和手段，為進一步加強裁判員在復雜條件下的準確多目標追蹤能力提供便捷化的條件。

當然，本研究還存在一些不足之處。如被試組間容量不夠大，所追蹤球數可以繼續增多，對于各組別在追蹤多目標任務時其神經、眼部回饋等產生的結果沒有進行更深入的研究；精神狀態良好和經歷機體各方面消耗疲勞后不同組別之間追蹤績效是否有所不同；以及對于無運動經歷的普通人與高水平籃球裁判員之間對于多目標任務追蹤績效有無顯著差異等。

4 結 論

（1）目標數量球數的多少，對于追蹤正確率有顯著影響，隨著目標球數增多，其正確率呈線性下降趨勢。在高水平籃球裁判員、一般水平籃球裁判員和普通體育生之間，高水平籃球裁判員與一般水平籃球裁判員追蹤績效在觀察數量最多和最少中呈顯著差異，一般水平籃球裁判員與普通體育生之間追蹤績效在最多數量中呈顯著差異，高水平籃球裁判員與普通體育生之間追蹤績效差異顯著。（2）優秀籃球裁判員具有優秀的多目標視覺追蹤能力，而且隨著追蹤數量的增加，這種優勢變得尤為顯著。（3）經典多目標追蹤MOT范式，可為籃球裁判員培養以及選材提供理論方面的依據。（4）高水平籃球裁判的多年實踐，能提高多目標追蹤能力。