运动技术分析发展历程回顾和展望

刘生杰

1 前言

运动技术诊断与分析是运动生物力学学科的一个重要内容。对运动员进行技术动作的采集，运用科学方法和手段进行加工解析处理，依照运动解剖学和运动生物力学原理对解析的结果进行诊断与分析，以便得到运动员技术指标的相关信息，为教练员提供改进与完善运动员技术训练的理论依据与实践支持。随着竞技体育的不断发展，比赛的竞争程度日益激烈，各专项运动技术也越来越“精细化”和“个体化”，运动技术更加符合生物力学的基本原理和运动员的客观实际要求。为此，运动技术诊断与分析在运动生物力学学科中的任务越来越重要，已经成为运动生物力学研究的一个主要领域。

运动技术诊断与分析是一个综合的研究过程，是以运动员的体能为基础，根据运动员的竞赛目标与训练目的，合理有效地改进运动员的运动形式，继而提高运动训练效果，获得优异运动成绩[1]的过程。运动技术诊断与分析的主要对象是运动员的技术动作，因此，运动技术诊断与分析的目的是探索运动技术的基本原理，探求运动技术的最佳化组合以及防治运动损伤，实现技术动作的“经济性”与“实效性”，提高运动技术水平。

2 运动技术诊断的基本思路与模式

运动技术诊断与分析就是获取运动员最合理有效的运动技术，帮助他们取得优异的运动成绩(效果)。决定运动成绩的重要因素是运动员所具备的竞技能力，即体能、技能、战术能力、心理素质和运动智能[2]。从运动竞赛的过程来看，人体运动是以身体素质为基础，以运动目的和战术思想为指导，通过运动技术或形式的调整以获得最佳的运动效果。因此，运动技术诊断与分析就是以现有的训练条件和运动员身体训练水平为基础，将运动目的或战术思想转化为理想的运动效果，通过改进运动形式以提高运动效果的研究过程[2]。这个过程就是诊断与分析运动员的技术状态。

当然，运动技术诊断与分析和训练过程有着密切的联系。教练员通过对现有动作技术的观察、分析、评价，找出不足，提出改进建议。因此，最原始的技术诊断与分析是由教练员完成的。早期从事技术方面研究的安德雷斯(1974)、尼格(1977)以及兰多(1993)等人认为[1]：为了有效地完成教练工作，教练员必须具有敏锐的观察能力、清晰的口头表达能力；必须要有一个明确的专项运动技术或技能的肌肉运动感觉模型；必须遵循以下工作程序：观察运动员完成的动作——与理想技能模式比较——确定差异是否显著——确定造成变异的原因(不是症状)——优先解决的关键问题——设计处理方案——解决成绩下降问题(修改技术后的一种普遍反应)——采取措施确保新技术能有效地在比赛环境中发挥出来。对此，可以将这一工作程序归纳为：从观察开始，然后进行分析综合，最后提出训练建议或训练方案[3](见图1)。这也是技术诊断系统(或过程)的基本雏形。

图1运动有技术诊断过程

尽管这是一个完美的训练工作程序，但在实际操作中，人们还会提出一些疑问：如何观察？如何保证观察的客观性？如何建立理想的运动技术模型？如何确定训练中的关键问题？如何设计解决问题的方案？这一系列问题的解决完全建立在教练员个人能力基础之上的。但是，仅凭借教练员的个人知识和经验对运动员的技术进行诊断与分析具有明显的缺陷。第一，仅凭肉眼的观察往往是不精确和不可靠的；第二，仅凭个人经验的分析往往会具有较大的片面性和主观性。为了使运动技术诊断与分析走向定量化、客观化和科学化，运动生物力学在这方面做了大量工作。随着电子、计算机、激光、材料等技术的发展，人们将肉眼观察变成了仪器观察，个人分析借助计算机，测量手段借用激光传感等现代化手段，从而使人们所获得的运动信息越来越丰富和精确，可利用的分析方法也越来越多。

对运动技术诊断与分析的基本结构可以归纳为四个主要环节：即运动过程或技术动作的信息采集、数据处理和分析、综合决策、诊断与评价意见反馈[3](见图2)。

图2运动技术诊断系统的基本模式

3 运动技术分析的发展历程

“运动生物力学之父”意大利著名医生、解剖学家鲍列里(Giovanni Borelli)于17世纪出版了第一部有关运动生物力学的专著《论动物的运动》(ON THE MOTION OF ANIMALS)。他首次运用力学的方法讨论了人和动物的走、跑、跳、飞、游等各类运动形式，并对这些基本的运动形式进行了分类；同时，运用力学的杠杆原理以测量人体的重心，几乎涉及现代运动生物力学的各个研究领域[4]。只是由于当时的实验条件相对落后，实验手段比较贫乏以及相应的基础学科不够健全，对所有的分析都是原理性和粗放式的，不能够对运动技术细节做详细和精确的处理分析。

19世纪中叶，随着照相技术的出现，为运动生物力学研究提供了有效的方法和手段。为了研究运动过程的某一细节，人们可以将这一运动过程保留下来，以便运用相关的技术原理进行诊断与分析。例如：在1887年美国人马布里奇(Muybridge)采用24台照相机和自行设计的连续电子控制开关拍下了人和动物在奔跑中的连续技术动作图片，从而使人们对任何动作在奔跑中的技术动作有了更为清晰的概念[5]。通过这一事实说明人类大脑仅凭肉眼所观察到的感性认知材料并非完全是可靠与可信的。随后电影摄影技术的出现，使人们更容易运用这一工具观察一个快速运动过程的任何一个技术细节，并将这一个快变过程按时间的数十倍放大后保留下来，以便有较充分的时间进行诊断与分析，使运动技术诊断与分析更加准确与客观。

1916年，法国人阿玛尔(Amar) 研制了首台可以测定垂直方向与水平方向的两维测力台，以测定人体在运动过程中所受的外力与内力的情况。1920年，他又出版了《人体运动》一书，从人与环境之间的关系探讨人体运动的效率[6]，说明人体运动是一种最优原则的体现。也就是说人体运动的技术合理化更能够发挥人体的运动潜力。

莱芒德(Du Bois Reymond) 在加伐尼(Galvni)等人的实验基础上于1841年确立了肌电测量方法。这种方法是在活体上研究肌肉收缩特性[7]，说明不同的运动形式肌肉具有不同的放电信号，明确了不同运动形式下的肌肉收缩性质有所不同。

进入 20 世纪，电子、计算机、激光和材料等技术的高速发展对运动技术诊断带来了契机。例如由数码摄像机、计算机和系统软件组成，以实现在运动训练时对运动技术的现场反馈。如德国 SIMI 公司推出的SIMI.TWINS系统、SIMI.Motion 系统、瑞士产的Dartfsh 系统等。通过高速摄影机现场拍摄运动员的动作图像，同一个带有电子探针的计算机相连，对图像进行解析[8]。解析的结果可信、快捷。国家体育总局体育科研所的艾康伟研究员于2014年研制开发了可视化实时测试系统，可在现场对运动员技术动作进行诊断分析[9]。通过可视画面与图像解析数据说明运动员技术动作的优势与不足，可以通过直观的画面与图像数据使运动员对动作能够获取更加清晰的认识，大大提高了对技术诊断的信息反馈速度和精确度。

运动技术诊断与分析正是借用这些先进的测量仪器来完成观察和收集运动信息资料的。这些仪器一部分是人类感官的直接延伸(摄影)，另一部分则是扩大了人类的感官和知觉范围(测力、肌电)。人们所获得的这些信息远远超过了人的自身能力，也就远远强于人的观察能力。因而，人们可以借助这些先进的仪器设施对运动技术进行诊断与分析，使运动员的运动技术更加“个体化”和“精细化”。

4 运动技术参数采集分析

运动技术诊断分析的研究对象是人体的运动。而人体本身是一个由骨骼、肌肉和关节等组成的复杂有机体，有自己的意志并可以随意支配自己的行为[10]。因此，很难用一个统一的数学模型来描述人体的运动行为。目前对人体运动的量化分析主要集中在运动学、动力学和肌电学三个方面。

4.1 运动学参数采集分析

运动学分析是研究人体或器械在空间的位置随着时间的变化规律[2]。在运动学层面上可以确定动作技术的空间特征、时间特征和时空特征。主要是取得人体特征点的原始坐标，通过数学运算、三角函数以及牛顿定律，求解出所需要的运动学参数，再通过分析、评定给出改进建议。

运动学分析可分为定性研究和定量研究两种。定性研究主要通过对不同运动员之间的技术图片和视频资料进行对比，用肉眼判断两者动作技术之间存在的差别，从而对运动员的技术动作进行分析。定性研究用时短，直观、生动，但由于其分析建立在动作技术表象的基础上，分析结果较为粗略和主观，往往无法找到影响技术动作的深层次原因；定量研究是借助于二维和三维动作分析系统，用数学语言来描述人体的运动[11]。通过视频技术、光电子技术或惯性传感器对人体运动动作进行采集，再通过解析软件获取人体标志点的运动学参数。例如：关节点的位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、重心轨迹等。目前常用的运动学采集手段主要有：视频采集、光电子采集、电磁式采集、惯性传感器采集等。

4.1.1视频采集技术视频采集主要是指利用摄影或摄像机对运动员的动作技术进行拍摄[12]。在人体运动生物力学研究领域，摄影技术是最早用于运动学参数采集的方法。进入20世纪90年代，录像解析系统开始应用到运动生物力学研究之中。

表1 录像技术发展历程

4.1.2光电子采集技术光电子采集主要是利用红外高速摄像机捕捉被动发光标记点，构建三维数据的运动采集与分析方法[12]。这类系统有为运动捕捉而设计的传感器，可同时实现高分辨率与高采样频率，并且三维运动捕捉效果好、功能强，广泛应用于运动训练、人体工程学研究和生物力学研究等领域。

4.1.3电磁式运动捕捉采集技术电磁式运动捕捉采集系统是由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源是在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器(通常有10～20个)安置在受试者身体的关键位置，随着受试者的动作在电磁场中运动，通过电缆或无线方式与数据处理单元相连接；受试者在电磁场内运动时，接收传感器将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以算出每个传感器的空间位置和方向。电磁式运动捕捉的优点不仅在于它记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息；而且速度快，实时性好；它的缺点在于对捕捉采集环境要求严格，在运动场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变，影响精度。

图3电磁式动作捕捉系统

4.1.4声学式运动捕捉采集技术声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器。接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。多个超声波发送装置，用于向被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波；多个超声波接收装置，用于设置在被捕捉对象表面不同位置接收各个超声波，并转换成电信号；通过将接收的电信号中承载的超声波的频谱特征与所记录的各超声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送超声波间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离，系统可以计算并确定接收器的位置和方向，确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。方法简单、实用。但对运动的捕捉存在较大延迟和滞后的问题。实时性较差，精度不高。

4.1.5惯性动作捕捉采集技术惯性三维运动采集分析系统是一种无摄像头的全身三维人体运动测量系统。它融合了先进的MENS惯性传感器、生物力学波形及传感器融合算法。便携式、移动测试的特点便于使用，而且所测量结果可以导入到其他软件中使用。该系统已经被应用于体育科学研究领域。

4.2 动力学参数采集

动力学分析是研究人体或器械运动状态的变化的原因[2]。在动力学层面上确定力的特征、动量的特征和能量的特征。目前较为常用的动力学分析方法是利用各类测力传感器，测量人体对外界环境的作用力，进而研究人体动作。例如：测力台、压力分布传感器、等动测力计等。

4.2.1测力台测力台是运动生物力学领域最为常用的测力装置，以测量人体运动过程中所受到的地面反作用力。目前经常用的有应变片式和压电式两种。其中，应变片式测力台价格相对较低，且稳定性好，但台量程较小，灵敏度较低，一般多用来对病人进行康复过程的监控和步态分析，如美国AMTI公司生产的测力台；压电式测力台具有高频相应，量程大，但对静力性力的测量精度较差，一般用于测量跑、跳等爆发类项目的用力动作。如瑞士Kistler公司生产的Kistler测力台。

4.2.2压力分布传感器压力分布传感器多见于压力平板或压力鞋垫。其原理是在非导电介质材料中安置一层微型电容传感器和电子电路。当力施加于传感器上，会引起传感器中电荷的变化，从而计算出施加的力的大小。主要用来对人行走或跑步过程中的足底压力和身体重心等的变化情况进行监控。压力分布传感器由非常小的受力单元组成。每个受力单元的面积约为0.5cm2，而一个压力鞋垫所拥有的受力单元约为400个。受力单元越多，则传感器的灵敏度越好，测量得到的数据也越精确。

4.2.3等速测力计等速测力计是用于对运动员肌肉力量测试评定的设备。通常用来评估运动员受伤后的恢复情况和肌肉力量训练情况。等速测力计可以测量在等长(某一固定关节角度)或等速(某一固定关节角速度)条件下人体肌肉力矩的变化情况。

4.3 肌电测量分析

肌电测量分析是研究产生动力变化的人体内部的肌肉力学特性[2]。在肌肉力学层面上，确定人体骨骼的生物力学特征，明确运动过程中原动肌与辅助肌、协同肌与对抗肌、稳定肌与中和肌的发力特点以及各肌群的发力时序和大小。目前对人体运动的肌电测量绝大多数为表面肌电测量，以获取人体在运动过程中肌肉活动的电信号，判断肌肉的激活程度、肌肉发力顺序、肌肉疲劳程度以及用来模拟人体运动和最优化计算等。

5 运动技术诊断分析展望

5.1 测量技术现代化

随着现代科学技术的迅速发展，特别是电子、计算机、材料以及激光科学等技术的突飞猛进，对运动技术诊断与分析的测量技术也随之呈现出现代化的特征。具体体现在测量技术的多功能化、便捷化、遥测化和自动化。例如，随着拍摄技术的发展，解析技术也随之取得了较大的进步。在人体的体表粘贴一些标志点，就可以使研究者摆脱在解析过程中对人体关节点的人工判读，从而简化解析的过程，保证解析的可靠性，实现反馈的快速进程。随着传感器的便捷化发展，可以通过微型化的传感器测量足底压力的分布情况，对鞋垫的应用开发具有重要的意义。肌电仪器的测量也从有线控制到无线遥测，使肌电的测量技术更加便捷与实用。同时，同步技术的发展，使运动学、动力学和肌电学测量技术可以同步进行，使测量技术从单一化发展到综合化，从而全方位和深层次探求人体的运动规律。

5.2 诊断过程智能化

随着科学技术的不断发展，运动训练的科学化程度也不断提高，人们将一些先进的科技成果运用于运动技术诊断与分析过程之中。例如，应用高速影像系统获取运动学参数；应用三维测力系统获取动力学参数；应用肌电图法记录肌肉产生的电信号参数，通过计算机网络化技术以及物理、数学原理，运用各种运动学、动力学和肌电学参数建立数字化的模型，以实现运动训练的前馈控制和预防运动损伤，使技术的诊断过程更加标准化与智能化。

5.3 分析方法多元化

随着科学技术的快速发展，运动技术诊断与分析的方法也随之呈现出多样化的趋势，从过去零散单一的分析方法到今天系统多元的分析方法。人体是一个有机的整体，各个器官系统都要尽可能达到高度统一协调的效果，体现出运动技术的经济性与实效性。对运动员的技术动作分析已经不单纯是依靠运动学分析方法，更多的研究是在运动学分析的基础上加入动力学分析和生物电信号分析等方法”。例如，瑞士的Kistler公司推出了便携式纵跳力测量分析系统(Quattro Jump)，能够系统化地测试运动员下肢的弹跳力、协调性和力量耐力，并将测试结果快速、准确地提供给教练员、运动员以及科技人员，从而使教练员能够科学地制定训练方案，提高训练效果。该系统把测试分为蹲跳、连续屈膝纵跳、负重蹲跳、连续直立纵跳、下蹲跳等不同跳跃方式进行，可以为教练员提供70个指标参数，为教练员分析运动员下肢肌肉不同工作形式的力量性质提供了积极的帮助。

5.4 信息反馈快速化、直观化

测试技术的现代化、诊断过程的智能化和分析方法的多元化促使信息反馈的快速化与直观化的发展。例如，可视化的实时监测系统的问世，就为广大教练员和运动员提供了极为便利的条件。教练员可以随时了解运动员的技术状态或者新的训练手段对运动员动作技术的影响情况，以便改进与完善运动员的技术提供更具有针对性的训练方案。同时，由于“数字视频处理技术”和“数字图像处理技术”的日趋完善，许多教练员和运动员通过运动技术动作图像和解析的数据就能够直观地反馈运动员技术动作所存在的问题，能够及时通过语言和示范刺激予以纠正，使运动员更加明确运动技术的特征要求，实现技术的“个体化”与“精细化”，达到“经济性”与“实效性”的目的。

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