基于視頻同步的我國優秀鉛球運動員投擲技術優化診斷與分析

李小生 王超 馬海濤 劉遠新 郭東雪 宋海明 郭朝軍

關鍵詞：視頻同步；鉛球投擲；快速診斷；初始差異

優秀鉛球運動員往往都有非常亮眼的最好成績，但所有優秀運動員還面臨著同樣一個問題，即并不是每次投擲都可以將最好成績發揮出來，往往那些不十分優異的投擲在比賽中一旦出現，會對運動員心理產生極大的影響，找出投擲發揮失常的原因也是一個需要盡快解決的問題。在備戰第14屆全運會過程中，研究人員對陜西優秀鉛球運動員馮杰的投擲技術進行了大量的跟蹤研究，為馮杰技術的不斷完善做了一些工作。馮杰在訓練過程中成績不夠穩定，需要及時對成績較差的可能的原因進行分析。現階段的跟隊工作中，一般是直接進行三維拍攝，解析后獲得運動學數據發現運動員不完善的技術環節，提出一定的建議，給隊員完善技術提出一定參考。由于鉛球投擲技術非常復雜，直接對每次技術進行解析以及分析需要耗費大量的時間和精力，而且解析后數據量龐大，找出具有較高說服意義的數據難度較大，再加上運動感受具有較強的時間效應，視頻分析處理時間較長，隊員對當時的投擲技術的感受會明顯衰退，此方法反饋的效果相對一般。針對上述缺點，研究人員首先通過DARTFISH的視頻同步分析技術，對成績不同的投擲動作進行視頻對比，大約2h就可以相對快速地找到技術差異，而后對教練和隊員進行展示．為快速進行技術分析提供參考。同時為了保證同步分析的科學性，在后續的工作中對相應的動作繼續進行運動學的三維解析，對之前定性的同步分析結果進行量化以及一定的補充和修正，保證之前同步分析的科學性和全面性，為教練和運動員提供更豐富更科學的數據，并提出合理的建議。

1研究對象與方法

主要分析我國優秀鉛球運動員的投擲技術，以陜西省優秀鉛球運動員馮杰為考察對象。馮杰為國家級運動健將，34歲，身高180cm，體重118kg，最好成績為19.24m。本研究中3次訓練測試成績分別為18.95m、18.68m、17.65m。

研究方法為視頻同步測試方法。使用2臺SO-NY300攝像機（100幀／s）對運動員馮杰的鉛球投擲進行錄像，分別將1號機放置在鉛球投擲圈的正后方，2號機放置在鉛球投擲圈右側方，2臺攝像機主光軸夾角成90°。Dartifish作為視頻同步分析軟件，以2號機的3次投擲視頻為對比視頻，以圖1的A時刻為同步點，對3次投擲進行視頻對比，快速找到差異性。使用SIMIMOTION錄像解析軟件對運動員技術動作視頻解析，使用低通數字濾波法對原始數據先進行平滑處理，截斷頻率為8Hz。

2研究結果

2.1鉛球投擲階段的劃分

鉛球投擲主要劃分為6個階段（見圖1）。

2.2基于視頻同步成績差異原因初步分析

高水平運動員的旋轉投擲鉛球是一項復雜且快速的運動項目，一般運動員的投擲時間約在1.4s左右，其中包含雙支撐預擺、單支撐轉體、騰空、過渡階段到最后用力。總體上是每個階段的時間越來短，其中相對重要的過渡階段時間只有約0.17s，最后用力階段約0.22s，在如此短的時間內完成如此復雜的技術動作，需要運動員技術的高度自動化和精確化。但是由于運動員在每次投擲時，往往會受到各種心理以及外界因素的干擾，要想將每次投擲的技術都發揮到最好是非常的困難的。因此，每次投擲技術特征比較而言都有差異，有些差異最終對出手速度產生較大的影響。馮杰作為陜西省以及我國優秀的鉛球運動員，具備在全運會中奪取獎牌的實力，但是在平常的訓練和比賽中不是每次都可以發揮最高水平，尤其在比賽中，往往出現投擲距離不穩定的現象，只要有一次投擲發揮較差，就會對隊員的心理產生較大波動。因此，借助一定的手段，對馮杰隊內模擬決賽投擲的技術進行分析非常重要，可以幫助隊員找到技術不同環節存在的問題。

通過DARTFISH的視頻同步分析，可以相對清楚發現馮杰3次不同遠度的成績投擲的技術還是有差異的，這個差異最初的來源就是在騰空快結束右腳即將落地前。成績較好的2次投擲左臂有更明顯的內收以及左肩的內扣；而成績最差的一次，左臂的內收不積極且不明顯（見圖2）。高水平運動員的技術往往是十分精細的，一個環節差異一般都會對另一個環節產生一定的作用，可能會對最終的出手速度有一定的影響。如此明顯的技術差異也引起了教練的高度重視，初步分析左臂的內收不同，導致了過渡階段左臂旋轉的范圍以及用力大小的差異，會連帶導致右側的投擲臂投擲速度的不同，這也是隊員和教練對技術差異的初步判斷。這樣的判斷為馮杰認識到發揮不好技術差異的來源，對于快速的反饋具有積極的意義。

但是．除了定性的判斷外，這樣的差異到底有多大，騰空階段左臂的內收不同是如何對最終的出手速度等關鍵變量有所影響的，還要通過細致的定量分析才可以說明。研究人員又進一步對后續的運動學視頻進行了細致解析，發現非投擲臂的技術動作不僅是自身的改變，而是對后續的一系列和投擲成績有關的變量都產生了影響，最終也影響到了出手速度。

2.3雙支撐階段的運動學分析

雙支撐主要作用是通過預擺使軀干繞著左腳尖向右進行扭轉，為軀干左轉做準備。在雙支撐的結束時刻，馮杰3次不同成績投擲的雙支撐結束時的關節角度特征是非常接近且差異很小，對于高水平隊員來說，動作的起始時刻更是經過了大量的重復的訓練，其各種運動學數據非常接近。

2.4單支撐階段的運動學分析

單支撐階段主要是以左腳為支撐、右下肢和右側軀干繞著左下肢進行旋轉的過程，這個過程中髖軸相較于肩軸逆時針轉動較多，形成一定扭轉夾角，為軀干在髖部的扭緊提前準備。同時，右腿在膝關節屈曲時還伴隨著右髖的屈曲，為身體的重心位置以及重心速度的提升增加了一部分力量，為人體騰空做好了準備。通過表1可以看到，3次投擲的單支撐的運動學數據非常接近，時間上的差異也很小，幾乎可以忽略不計，說明馮杰經過長期的訓練，其單支撐階段的穩定性較好。

2.5騰空階段的分析

由表2可以看到，左臂與軀干的夾角91°左右，3次投擲的左肩角度接近一致，但是伴隨著騰空的右腳落地，成績較好的第1次投擲左臂有明顯的向軀干靠攏的動作，肩角只有31°，同時由于伴隨著左臂的整體內收，左肩也有向斜下壓低的趨勢，即軀干有著由上向下的壓縮。但是距離最近的投擲，左肩內收不明顯，肩角達到了62°，左軀干向中心靠攏不足且左肩下壓不夠。伴隨著這些技術動作的完成，可以判斷，相關主要功能肌肉都被預先拉長，如背闊肌、斜方肌、三角肌后側等完成向后擺臂動作的肌群，豎脊肌、臀大肌等完成脊柱由屈曲到伸展的肌群，背闊肌、斜方肌上部等完成肩后伸的肌群。這些被預先拉長的肌肉可以在過渡階段發揮更大的作用：一個是可以發揮更長的做功距離；再一個是可以發揮更大的肌肉力量。如果相關功能肌肉沒有被預先有效地拉長，則后續相關肌肉的最大能力很難發揮其最大的效果。

在體育項目中有很多技術動作都很好地運用了肌肉預先拉長的原理，如在羽毛球和網球的揮拍技術前的引拍動作、排球扣球前的向后引臂動作、拳擊出拳前的回收動作等充分地使用了該原理。研究人員對該原理的認知非常全面，文曉葉在標槍技術分析中，通過三維運動學分析的方法研究了側向橫弓形和正向反弓形問題，表明橫弓和反弓形均能拉長肌肉長度、提高肌肉的興奮性，獲得更大的肌力，并且還能延長肌力的作用力距離。在本次鉛球投擲中，進行預拉長不是投擲臂，而是非投擲臂，由于在過渡階段中，非投擲臂以及左側軀干的有效擺動和迅速打開形成的轉動力量可以很好地進行傳遞，促進投擲側肩的快速旋轉和投擲臂肩的速度的增加。

從騰空結束的肩髖夾角也可以看到，距離較遠的第1次投擲，其騰空結束時刻的肩髖夾角為21°，而較差的只有14°，肩髖夾角越大，說明肩髖之間角度差異越大，說明扭轉程度越大；而肩髖角度越小，說明肩軸和髖軸之間越接近重合，說明軀干的扭轉越小。騰空結束后的過渡階段是一個扭轉的軀干打開的過程，扭轉的夾角越小，軀干可以打開的范圍就越小；扭轉的夾角越大，軀干可以打開的范圍就越大。

2.6過渡階段的運動學特征

由表3可以看到，過渡階段左膝伴隨著軀干的轉動快速前插，左膝角度由近900達到落地時的接近180°，右踝由跖屈的130°伴隨著重心的下降而變為約90°，且腳底與地面完整接觸，右膝關節角度變化較小，依然保持約156°的屈曲狀態。由于軀干快速地發生旋轉，其肩軸由原來的70°左右轉變為15°左右，可以說大約完成了接近55°的轉動。髖軸由45°左右轉變為16°左右，在過渡階段結束時，髖軸和投擲方向已經接近，而肩軸與投擲方向還有一定的夾角。

從動作形式上看，左腿快速前插，左臂也在迅速擺動，但是在時間上左髖還是早于左肩的打開，這樣的動作形式保證了髖、肩打開過程的進行，又保證了肩髖之間在這個階段總是保持一定的夾角，完成了以髖為軸帶動的下軀干早于以肩為軸的上軀干的活動，扭轉也表現為自下而上的順序。在運動生物力學中，關節活動順序原理的大關節帶動小關節活動是人體在進行克服大負荷時遵從的基本的運動原理，這樣可以發揮人體的最大能力。但是，在教材或者其他研究中，未對軀干扭轉的動作進行活動順序原理的類似理論說明，本研究過渡階段的分析認為，也可以按照大關節的扭轉完成后帶動小關節完成扭轉的關節活動順序進行解釋，通過大關節的扭轉首先活動，帶動小關節的扭轉的繼續活動，最終達到身體動量自下而上進行傳遞。

過渡階段可以看到的是髖軸和肩軸都有差異，在第1次投擲時肩軸角度為12°，而第3次投擲為21°，說明投擲較好日寸肩軸轉過的角度較多，而投擲較差時轉過角度較少。假如把左右肩的連線看作一條直線的話，在過渡階段肩軸角度變化大說明轉過的范圍大，由于左右肩存在聯動情況，左肩轉過的范圍小，那么其帶動右肩的范圍也小，其獲得的轉動動量也小，判斷對其右肩速度的增加不利。本質上過渡階段和最后用力階段是緊密連接的，只是為了分析才進行了階段的劃分。那么過渡階段時右肩速度的增加對于最后發力發揮著至關重要的作用。

2次成績較好的投擲左臂的擺動更為充分，其與肩的夾角基本在90°左右，而成績較差的投擲肩的擺動幅度較小，在落地時與肩的夾角為78°，再加上過渡階段起始位置的差異可以看到上臂擺動的幅度的差異相對較小，同時，上臂的擺動與扭轉的軀干打開是相互聯系的，可以說是軀干的迅速高效的扭轉帶動上臂的擺動，同時由于二者時間的合力的作用，那么其對投擲臂旋轉速度的增加則發揮了更大的作用。表4看到左腳落地瞬間右肩的線速度，發現二者之間的差距達到了0.6m/s。

2.7最后用力階段

研究人員又把最后用力劃分為2個小階段：雙支撐階段，主要是通過左右下肢的發力進行推進的階段；滯空后的鉛球出手階段，主要是雙腳離地后依靠肩、肘的推動實現鉛球加速的階段。

2.7.1雙支撐階段

在雙支撐的起始和結束時刻，下肢的關節角度基本一致，但是投擲距離較近的一次，肩軸和髖軸轉過的角度較小，也就是說當下肢蹬伸已經盡全力時軀干轉動的范圍卻不夠，也就是下肢的力量不能和上肢的力量產生最大化的效益。投擲最好的一次，下肢蹬伸結束時，肩軸角度為-75°，髖軸角度為一360，要比投擲最近的一次大了很多，這說明投擲最遠一次髖代表的腰部和肩代表的上軀干進行了更多更有力的轉動。腰部是人體力量的重要連接點以及重要來源，首先下肢蹬伸的力量可以通過腰部向上傳遞，腰部的大力扭轉一方面順應下肢蹬伸的目的，另一方面可以進一步累積力量并把該力量向上傳遞。在腰部扭轉的基礎上，肩部將獲得動量通過進一步的扭轉增加上肢的力量，同時肩部的大范圍扭轉也說明胸大肌、背闊肌等相關肌群也更多地參與到相關動作中，增加了上肢的更多動量，為肘推動鉛球奠定更堅實的基礎。相比與原地推鉛球，旋轉式推鉛球可以使鉛球獲得更大的速度，就是通過旋轉的技術，將人體下肢蹬伸力、軀干的轉動動量更好地傳遞給了上肢，鉛球才可以獲得更大的速度。因此，在有限的條件下，通過更高效的配合發揮更大的力量，并將之轉化為鉛球出手速度是非常重要的技術要求。

在這個階段中，一個明顯的特征是馮杰的左足的落地時刻幾乎是全腳掌著地，在蹬伸階段是依靠踝的跖屈和膝關節的小范圍伸直來進行的，作為下肢主要關節的膝關節，其由于關節角度變化較小，推測其發揮的效果不夠充分。進一步仔細觀看世界名將科瓦奇這個階段的情況，發現在過渡階段左腳落地后其腳掌并未完全著地，而是保持了與地面約400的夾角，但是其膝關節落地時刻的彎曲角度較大，由于過渡階段還伴隨著人體的旋轉，因而其踝保持了一定的角度的穩定，以跖趾關節處為支點進行了旋轉，蹬伸時，其踝關節的變化幅度不大，而是膝關節由屈曲狀態進行快速地伸直發力。眾所周知，膝關節的伸肌是股四頭肌，該肌群是人體下肢主要功能肌肉，其力量明顯大于小腿三頭肌的力量，因而判斷蹬伸所產生的力量較大，故而傳遞到鉛球的力量也較大。而馮杰在該階段主要依靠小腿三頭肌發力，而膝關節由于變化角度較小推測其沒有科瓦奇的充分，由此判斷其膝關節發揮的作用較小。

2.7.2滯空階段的分析

在這個階段，下肢均已經離地，但是鉛球依然在軀干的旋轉和上肢的推動下不斷加速，可以看到，滯空的起始階段，成績最好一次肘關節的角度為55°，而成績較差一次的肘關節角度為32°，肘關節的伸展程度較差，說明肘關節的推伸作用在最后用力的雙支撐階段未有效發揮。滯空后鉛球速度的增加主要依靠上肢的推動產生推力，而成績較差次滯空瞬間，滯空后即使其肘關節不斷發力，根據動量守恒定律，其在將鉛球向前推動的同時，人體也會因為動量守恒而向后運動，因而肘的關節力量并不能最大限度地轉化為有效的鉛球速度，肘關節作用的發揮將大打折扣。因此，成績較差一次投擲肘關節在滯空階段的角度變化較大，但是效果并不理想。通過查閱資料和觀察世界優秀運動員滯空階段的數據，發現所有隊員都是下肢離地后才完成上肢的推伸動作，但是世界優秀運動員在滯空起始階段的肘關節角度為75°左右，說明其力量的發揮較為充分，而研究測試發揮較差次只有約32°，這不僅與世界優秀運動員相距較遠，而且與自身的最大能力的發揮也有著較大的距離，因而要有針對性地加大軀干旋轉以及肘關節的爆發力訓練。

馮杰髖軸和肩軸在滯空階段的起始日寸刻有較大差異，但是在最后鉛球出手時刻的髖軸和肩軸的差異相對較小，由于該階段已經離地，髖、肩轉動更多地是依靠慣性的作用完成轉動，這樣的轉動保證了最后鉛球出手時基本姿勢相對一致，但是推斷主動發力較差，對鉛球最后出手速度的增加效果一般。

2.8協同用力的分析

在以往的相關鉛球的分析中，更多的是分析不同投擲分階段分環節表現出來的常見運動差異，如關節角度的差異，關節角速度的差異，關節點的線速度以及位置變化等差異，這些差異對于認知動作技術的好壞有著重要的作用，可以在很大程度上解釋運動成績的好壞，但是似乎離更深層次的解釋運動表現還略顯不足。運動技術的定義是人體各環節運動變化在一定時空順序下的有機組合與排列，所以各環節運動變化的時序的特征是非常重要的。

馮杰3次投擲鉛球出手后的肩軸、髖軸的位置非常接近，但是投擲距離最近的一次是在滯空階段時髖、肩才進行了更多的旋轉，由于人體已經離地，其旋轉失去地面的支撐，只是從動作形式上完成了相應的投擲動作而并未高效發揮軀干的力量。雖然最終鉛球出手后3次投擲肩軸、髖軸轉過的角度基本接近，但是下肢與軀干配合的時機卻存在較大的差異，協同用力的效果不同。

2.9基于視頻同步的鉛球投擲技術差異分析

本研究對同一個隊員模擬比賽的3次投擲進行了分析，目的是尋找不同投擲距離產生的原因。研究通過視頻同步技術快速找到了技術差異的原因，又進一步通過數據的解析，對不同投擲技術后續的相關運動學差異變化進行了細致的定量分析，進一步對初步原因進行論證。有研究人員也進行過類似同一個隊員多次投擲的分析，主要是對不同階段的技術差異進行數據的對比，并根據差異提出技術改進的建議。體育科研人員都清楚，高水平的競技技術，其動作往往是十分復雜的，也是連續變化的，運動員的技術動作一旦啟動，只要開始則必須全力以赴地完成，相應的投擲技術一旦啟動后則無法改變。同時人體是非常復雜的生物體，很多因素相互作用、相互制約，往往一個環節發揮不好，也會對其他環節的技術產生影響。因此，在運動技術分析中，針對同一隊員同一技術的多次投擲的對比中，重要的是找到投擲發揮不好時技術表現的起始環節，根據這個環節的情況對后續技術的變化進行符合人體解剖結構、符合基本力學原理的分析，驗證最后的結果才是具有可行性的。研究人員李厚林曾對我國優秀運動員鞏立姣鉛球投擲成績從19.72m突破到20.35m的原因進行了分析，對鞏立姣的滑步推鉛球投擲技術進行了6個階段的劃分，指出初始滑步階段軀干的下壓穩定能力不足、滑步階段距離的相對不足、左支撐的不積極導致右側髖關節速度不足等是成績表現不好的重要原因，其在研究中已經包含了一定的初始階段性技術不足導致后續階段技術差不足的分析理念，與本研究相近。對于優秀運動員來講，成績的發揮不穩定是常見的一種現象，尋找不足或者發現最好成績的具體原因是體育科研的重要工作。

對于高水平運動員來講，由于經過了數千次的技術磨煉，其在一個階段內總體的技術是相對穩定的，但是在這個階段內其成績出現不穩定的現象，一定有著具體的原因。具體到馮杰的幾次投擲，發現起始的騰空階段非投擲臂的差異導致軀干扭緊程度不同，扭緊不同導致左臂打開的效果不同，由于左右肩的聯動導致過渡階段右肩和髖轉過的角度不同，再導致投擲距離較近一次下肢蹬伸結束軀干轉過角度較小，軀干的力量未有效發揮；在滯空起始階段，投擲距離最差一次肘關節在下肢離地瞬間的角度較小，肘也未發揮最大的效果，滯空后人體失去了地面的支點，其只能依靠自身體重的慣性反力推動鉛球加速，但是在水平方向的動量守恒也在很大程度上對肘關節的作用進行了抵消，最終導致鉛球出手速度不理想。對于其他優秀鉛球運動員來講，可能會有其他形式的動作差異，但是一旦當運動員成績較差時，不能只看到中間階段的某些明顯差異，一定要明確這些差異的來源在哪里，是否這些差異是由于某個初始的差異導致的，并給出更加前置的建議，這樣才有更大的針對性。

在競技體育中，運動員為了取得更好的成績，不僅要超越對手，更重要的是發揮自己的最好水平。尤其在臨近重大比賽以及隊員本身水平已經很高的時候，對自身技術的不斷優化和保持穩定狀態是非常重要的。通過同步的對比，找到發揮不好時的原因并進行合理的分析無疑在實踐中具有重要的意義。希望本研究為其他優秀鉛球運動員發揮最大能力提供一點參考，也希望對其他投擲項目有所借鑒。

3結論與建議

3.1結論

（1）視頻同步可以快速找到投擲距離較近的初步原因，從而在日常訓練監測中為教練提供參考。

（2）馮杰騰空階段的左臂內收以及左軀干扭緊差異與后續幾個階段的動作技術差異有著緊密的關系，是可以改變的初始技術差異。

（3）高水平運動員普遍存在投擲成績發揮不穩定的現象，分階段進行運動學參數的對比找到成績不穩定的原因是常見的分析方法，但是按照“前后聯動”的邏輯關系，找到對后續階段動作技術有影響的且可以改變的初始差異才具有一定的針對性。

3.2建議

（1）對馮杰而言，在過渡階段左腳落地時，踝關節保持較大的角度，而不是全腳掌著地，膝關節更多屈曲，在最后用力蹬伸時以膝關節伸直為主，而不是以踝關節伸直為主，發揮膝關節伸肌群的最大力量。

（2）在后續的高水平運動員的快速技術判斷時，可以使用視頻同步方法，但是要準確地把握視頻的同步點，在現有研究基礎上，推薦對同一運動員的一個階段內多次投擲進行快速診斷。

（3）在類似定量分析中，將投擲技術動作看作一個整體，對不同階段的技術差異不能完全割裂開進行分析。