基于三维虚拟动作再现系统对恩奎斯特和莫亚发球技术的对比分析

李钇蓉，周继和* ，王庆跃，王 帅，廖永华

(1.电子科技大学 体育部，成都 610054;2.成都体育学院 医学系，成都 610041;3.成都工业学院 学报编辑部，成都 611730)

1 研究目的

发球技术在现代网球比赛中具有重要的地位。它是唯一由自己掌握、不受对手控制的击球方法，是双方进行对抗运动的开始，也是进攻性击球的重要武器，因而能最大限度地发挥出个人的技术特点。高速、准确的发球能为比赛制胜创造有利条件。

优秀运动员的技术模式是具有生物力学规律与原理的合理技术的范型，对其动作技术结构进行深入研究，寻找技术结构的特点和规律，对技术训练实践有重要的参考价值。查阅文献资料发现，目前国内关于网球发球技术的研究大多局限于对发球技术的理论分析及比赛统计方面，针对比赛状态下对运动员发球技术动作的研究较少，对改进发球动作技术指导作用不大。因此，本研究对ATP冠军巡回赛成都公开赛半决赛中托马斯·恩奎斯特(Thomas Enqvist)和卡洛斯·莫亚(Carlos Moya)的发球技术进行运动学分析，通过获取世界优秀男子网球运动员发球技术的运动学参数，建立三维的人体运动模型，通过计算机实现2名运动员技术动作的三维动态亚实时的立体再现。旨在揭示高质量发球动作的特点，为教练员、运动员进行发球技术的训练和教学提供理论参考。

2 研究对象及方法

2.1 研究对象

表1 研究对象基本情况

2.2 研究方法

2.2.1 三维摄像解析法

在比赛现场运用2台JVC9800摄像机(50 fps)对运动员发球技术动作进行三维定点拍摄，2台摄像机主光轴夹角约90°(摄像机位置如图1所示)，选取半决赛中2名运动员托马斯·恩奎斯特和卡洛斯·莫亚每人3次发球动作的摄像片段，得出的数据取3次的平均值，选取标准为:a.发球站位同在一区;b.均为第一次发球;c.发球成功。

图1 摄像机位置示意图

使用3-D Signal TEC V2.0C(三维摄像解析系统)软件解析发球动作，坐标系设置见图2。选用日本松井秀治人体模型(16个环节，21个关节点)。为研究需要，解析时添加了拍头和球2个测试点和球拍环节，如图3、图4所示。由于本研究中使用的摄像机拍摄频率仅为50 Hz，拍摄过程中并未捕捉到球与球拍接触瞬间的画面，因此在数据处理过程中使用3次对原始数据进行插值，使数据输出频率增加至100 Hz，对原始数据进行优化低通滤波平滑处理，截断频率为8 Hz。在数据插值和滤波后，选取球拍触球前和球离开球拍2帧数据的平均值近似地作为击球瞬间的参考数据。

图2 坐标系示意图

图3 人体模型及部分参数示意图

图4 肩角、髋角、肩髋角示意图

2.2.2 沉浸式三维虚拟现实技术再现法

虚拟现实技术(VRT/Virtual Reality Technology)，又称灵境技术，是20世纪末发展起来的一项包括计算机技术、传感技术、仿真技术、微电子技术等在内的高新技术。在已有的运动学测试的基础上，将2位运动员发球技术的运动学参数调入虚拟显示系统进行数据演示，通过360°旋转再现观察，以三维动画的形式进行运动学比较分析，可以对运动员的技术动作做出更精确的诊断与分析。

3 结果与分析

根据研究目的及分析的需要，结合实际技术动作，将发球技术分为3个阶段:抛球举拍阶段，即球在最低点时刻至左膝关节屈曲最大时刻;向后挥拍阶段，即左膝关节屈曲最大时刻至拍头在身后最低点时刻;向前挥拍击球阶段，即球拍在身后最低点时刻至击球时刻。

图5 肩角、髋角、肩髋角示意图

3.1 抛球举拍阶段

抛球举拍阶段即球在最低点时刻至左膝关节屈曲最大时刻的运动过程。此动作阶段的目的是把球以相对准确的速度和在预定的位置将球抛向空中，为后继的动作阶段赢得一定的空间和时间。

表2 抛球举拍动作阶段主要特征参数

抛球离手高度，即球离手时刻球离地面的高度。如表2所示，恩奎斯特和莫亚抛球离手高度分别为2.020 m、1.755 m，球离手高度与身高的比值为1.06、0.92。严波涛等［2］研究发现抛球离手点的合理高度应在头顶。分析认为相对较高的抛球离手高度使手对球的控制距离加长，可以加强手对球的控制，使抛出的球路线相对更稳定。球离手高度过低，一方面不利于对球的加速，同时运动员对球的本体感觉时间短，不利于控制球出手后的运动方向。在球离手时刻恩奎斯特左肘关节角度、左肩关节角度、左髋关节角度分别为174.5°、126.9°、165.9°，均大于莫亚。结合虚拟动作技术再现，可以看到恩奎斯特抛球臂肘关节角度的变化曲线以及肘关节的运动轨迹，发现他在球离手时刻肘关节伸得比较直，与莫亚相比，他的抛球离手高度更有利。

在这一阶段运动员下肢做屈曲下蹲，目的是为“搔背”动作技术提供良好的身体开始姿势和用力状态。在下肢屈曲中，膝关节起主要作用。恩奎斯特在此阶段左膝关节屈曲最小角度为116.8°，右膝关节为141.6°，均小于莫亚。分析认为，身体下蹲最深时刻膝关节角度的大小可影响下一动作阶段的运动幅度，因此莫亚下肢屈曲角度更有优势。

肩髋水平投影角，即两肩连线与两髋连线发生扭转在水平面的投影而形成的夹角。通过虚拟现实系统对运动员技术动作进行旋转观察，发现莫亚身体扭转幅度大于恩奎斯特，而运动学数据也印证了这一点。恩奎斯特和莫亚肩髋水平投影角最大值分别为18.5°、28.7°。扭转幅度越大，对同侧的腹内斜肌和对侧的腹外斜肌等转体肌群的拉伸幅度越大，引起牵张反射并储存弹性势能，从而增加躯干向击球方向扭转时的速度和力量，为后继动作即增大挥拍动作的距离与幅度创造更好的条件。

3.2 向后挥拍阶段

向后挥拍阶段即左膝关节屈曲最大时刻至拍头在身后最低点时刻的运动过程。在此阶段运动员通过急速伸膝、伸髋使上体迅速升起，同时持拍臂屈肘、上臂旋外，将球拍远离击球点并留在运动员背后，使躯干形成有效的用力前的“背弓”姿态，俗称“搔背”动作。

表3 向后挥拍动作阶段主要特征参数

左膝关节蹬伸幅度，即左膝关节最大屈曲角与蹬伸结束时刻左膝关节角度之间的幅度。如表3所示，恩奎斯特和莫亚在此阶段左膝关节蹬伸幅度分别为 55.1°、34.6°，蹬伸平均角速度分别为 182.6°/s、170.4°/s。膝关节的快速蹬伸，可以使球拍由于惯性而相对运动员背部下降，从而增加挥拍工作的力矩。膝关节运动幅度越大，运动速度越快，对后续动作越有利，所以恩奎斯特相对莫亚优势更明显。

右肘关节的屈曲角度可反映出向后挥拍动作的幅度，幅度越大，挥拍力矩越长，挥拍速度也越快。恩奎斯特和莫亚在此阶段的右肘关节屈曲角度的最小值分别为59.5°、73.8°，2名运动员无显著差异，恩奎斯特略占优势。

向后挥拍动作结束时刻的下肢应充分伸展，球拍最大限度地拉伸于背后，人与球拍形成显著的“背弓”姿态，这也是良好的“超越器械”动作。髋、膝关节在这一阶段开始迅猛蹬伸，故在此阶段结束时刻，髋、膝关节的角度越大说明蹬伸动作越充分。测试结果表明，恩奎斯特在此阶段左髋、右髋关节角度，左膝、右膝关节角度分别为 170.2°、145.7°、172.0°、156.8°，大于莫亚，说明恩奎斯特的蹬伸更为充分，其左腿的膝关节角度大于右腿。通过虚拟动作技术再现对比2位运动员左右膝关节的运动曲线发现，在蹬伸过程中，恩奎斯特的左腿是主要的支撑和蹬伸腿，而莫亚为右腿。

3.3 向前挥拍击球阶段

向前挥拍阶段即球拍在身后最低点时刻至击球时刻的运动过程。此阶段的目的是使球拍获得最大的运动速度进行击球。

如表4所示，恩奎斯特和莫亚的击球高度分别为2.234 m、2.151 m，与身高的比值分别为1.176、1.132，2名运动员差异明显。在同等条件下，运动员的击球高度越高，球过网的可能性就越大;而击球的高度越低，击球动作技术的难度越高，使球更容易下网导致发球失败。因此恩奎斯特击球高度更合理。在向后挥拍阶段膝关节已进行快速蹬伸使人体重心向上升起，使得重心在这一阶段更好地腾离地面。重心高度越高，击球点高度就越高，从而使球过网后的有效落点面积越大。恩奎斯特和莫亚重心腾起的最大高度分别为1.096 m、1.050 m，说明二者高度均合理，但恩奎斯特更有优势。

恩奎斯特和莫亚抛球最高点与击球点的水平距离平均值分别为0.833 m、0.583 m。可以看出，恩奎斯特是向前上方抛球的，这为后继起跳挥拍发力动作提供了足够的空间，使动作更加舒展有力，有利于获得较好的击球效果。挥拍距离，即球拍最低点到击球点间的垂直距离，恩奎斯特为1.747 m，略大于莫亚的1.682 m。挥拍距离大小，是前面2个动作阶段协调配合的结果。挥拍距离越大，加速距离越长，击球速度越快。挥拍距离方面恩奎斯特优势略明显。

击球时刻恩奎斯特左髋关节、右肩关节、右肘关节角度分别为151.5°、150.4°、154.8°，莫亚为 159.8°、142.5°、152.6°。笔者认为，在击球时刻，肩关节角度越大，可使末端环节在绕肩关节的转动半径越大，若击球时刻的角速度一定，则会使末端环节运动的线速度增大，有利于增强鞭打动作的效果。因此，2名运动员在身体条件允许的情况下，可适当增大肩关节角度。

4 结语

通过沉浸式三维虚拟现实技术再现对恩奎斯特和莫亚的发球动作技术比较分析，得出以下结论:

在抛球举拍动作阶段，恩奎斯特和莫亚抛球离手高度分别为2.020 m、1.755 m，与身高的比值为1.06、0.92。在球离手时刻，恩奎斯特左肘关节角度、左肩关节角度、左髋关节角度分别为174.5°、126.9°、165.9°。结合虚拟现实系统，可以看出恩奎斯特抛球臂肘关节角度的变化曲线以及肘关节的运动轨迹，说明他在球离手时刻肘关节伸得比较直，抛球离手高度比莫亚更有利。恩奎斯特左膝关节屈曲最小角度为116.8°，右膝关节为141.6°，均小于莫亚，莫亚下肢屈曲角度更有优势。虚拟现实系统对运动员技术动作进行旋转观察，发现莫亚身体扭转幅度要大于恩奎斯特。

在向后挥拍阶段，恩奎斯特和莫亚在此阶段左膝关节蹬伸幅度分别为55.1°、34.6°，蹬伸平均角速度分别为182.6°/s、170.4°/s，右肘关节屈曲角度的最小值分别为59.5°、73.8°。在虚拟现实系统中对比2位运动员左右膝关节的运动曲线发现，在蹬伸过程中，恩奎斯特是左腿起主要支撑作用，而莫亚为右腿。恩奎斯特左髋、右髋关节角度，左膝、右膝关节角度分别为170.2°、145.7°、172.0°、156.8°，大于莫亚，说明在这一阶段恩奎斯特比莫亚优势更明显。

在向前挥拍击球动作阶段，恩奎斯特和莫亚的击球高度分别为2.234 m、2.151 m，与身高的比值分别为1.176、1.132，抛球最高点与击球点的水平距离平均值分别为0.833 m、0.583 m，恩奎斯特击球高度更有优势。重心腾起的最大高度恩奎斯特为1.096 m，大于莫亚的1.050 m，二者高度均合理，但恩奎斯特更有优势。击球时刻恩奎斯特左髋关节、右肩关节、右肘关节角度分别为151.5°、150.4°、154.8°，莫亚为159.8°、142.5°、152.6°，无明显差异。

综上所述，恩奎斯特动作技术更合理、更规范，更值得网球运动员借鉴。

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