基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法的青少年乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)

馮喆 肖毅 曹梓威 鄧婕

摘 要： 運(yùn)用高速動(dòng)作捕捉技術(shù)，在采集國(guó)家隊(duì)優(yōu)秀乒乓球運(yùn)動(dòng)員（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員”）和青少年乒乓球運(yùn)動(dòng)員（以下簡(jiǎn)稱“青少年運(yùn)動(dòng)員”）基本技術(shù)動(dòng)作的空間特征數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以反手拉上旋弧圈球?yàn)槔?，?gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員基本擊球動(dòng)作模型。運(yùn)用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）算法，將青少年運(yùn)動(dòng)員的擊球動(dòng)作曲線與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員基本擊球動(dòng)作模型進(jìn)行相似度比較，并結(jié)合擊球質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其擊球過(guò)程存在的問(wèn)題。結(jié)果顯示：①基于高速動(dòng)作捕捉技術(shù)構(gòu)建的國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型能有效地對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有一定的科學(xué)性。②將青少年運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程中各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和身體重心變換與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作模型進(jìn)行比較，可揭示青少年運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程中引拍、揮拍擊球、還原三階段各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和身體重心變換的合理性及不足，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的可靠性。③通過(guò)對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球動(dòng)作的合理性分析發(fā)現(xiàn)，該運(yùn)動(dòng)員引拍階段右肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)手臂向前移動(dòng)的幅度較小，導(dǎo)致引拍不到位;還原階段右肩關(guān)節(jié)還原幅度較小，重心穩(wěn)定性較差。

關(guān)鍵詞： 乒乓球; 青少年運(yùn)動(dòng)員; 國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員; 擊球動(dòng)作; 反手拉上旋弧圈球; 動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整

中圖分類號(hào)： G846 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? ? ? ?文章編號(hào)： 1000-5498（2020）06-0076-09

DOI： 10.16099/j.sus.2020.06.010

1 前 言

乒乓球是我國(guó)的“國(guó)球”，也是我國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目。隨著乒乓球運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展，以及國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，我國(guó)乒乓球項(xiàng)目的世界領(lǐng)先地位也時(shí)刻面臨著來(lái)自其他國(guó)家的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，須加強(qiáng)關(guān)于乒乓球訓(xùn)練方法和理論的研究，不斷革新乒乓球技術(shù)，強(qiáng)化青少年乒乓球后備人才培養(yǎng)[1]。

乒乓球作為一項(xiàng)具有較高精細(xì)性、技巧性的技能類對(duì)抗項(xiàng)目，具有球速和轉(zhuǎn)速較快、反應(yīng)時(shí)間較短等特點(diǎn)，對(duì)乒乓球運(yùn)動(dòng)員有著復(fù)雜的技術(shù)及戰(zhàn)術(shù)要求。技術(shù)是戰(zhàn)術(shù)的基礎(chǔ)，只有具備強(qiáng)大而穩(wěn)定的技術(shù)水平，才能形成靈活多變的戰(zhàn)術(shù)[2-3]。技術(shù)動(dòng)作的合理、規(guī)范是運(yùn)動(dòng)員達(dá)到高水平層次和實(shí)現(xiàn)比賽制勝的重要基礎(chǔ)，不合理、不規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作不僅會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)術(shù)組合銜接，還會(huì)提升其運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練傷病的發(fā)生率。青少年（尤其是啟蒙階段）乒乓球運(yùn)動(dòng)員正處于技術(shù)動(dòng)作的認(rèn)知、形成及固定階段，培養(yǎng)科學(xué)、規(guī)范、穩(wěn)定的技術(shù)動(dòng)作顯得尤為重要[4-5]。加強(qiáng)對(duì)青少年乒乓球運(yùn)動(dòng)員（以下簡(jiǎn)稱“青少年運(yùn)動(dòng)員”）訓(xùn)練的投入，有利于保障后備人才的不斷輸送，保持我國(guó)乒乓球項(xiàng)目的世界領(lǐng)先地位。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異與乒乓球運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)青少年運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練方法存在的弊端逐漸顯現(xiàn)，具體表現(xiàn)為：主觀性和經(jīng)驗(yàn)性較為突出，缺乏定量化、科學(xué)化的訓(xùn)練監(jiān)控與指導(dǎo)等[6-9]?？茖W(xué)合理的技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練與監(jiān)控方法能有效促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的提高，預(yù)防和減少運(yùn)動(dòng)傷病的發(fā)生，進(jìn)一步提高后備人才培養(yǎng)的質(zhì)量。因此，國(guó)家體育總局相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)強(qiáng)調(diào)要充分發(fā)揮“科技助力奧運(yùn)”的作用，通過(guò)大數(shù)據(jù)、動(dòng)作捕捉和人工智能等現(xiàn)代科技手段攻破運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中的技術(shù)難題，提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程的科學(xué)性。其中，動(dòng)作捕捉技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，通過(guò)空間內(nèi)布置的多個(gè)攝像頭以圖像形式跟蹤、測(cè)量和記錄人體主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡，已被廣泛應(yīng)用于影視制作、機(jī)械控制、模擬訓(xùn)練與教學(xué)、人體姿態(tài)研究和人機(jī)工程學(xué)等領(lǐng)域[10-16]。

基于此，運(yùn)用高速動(dòng)作捕捉技術(shù)，在采集國(guó)家隊(duì)優(yōu)秀乒乓球運(yùn)動(dòng)員（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員”）和青少年運(yùn)動(dòng)員基本技術(shù)動(dòng)作的空間特征數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員基本擊球動(dòng)作模型;運(yùn)用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）算法，將青少年運(yùn)動(dòng)員的擊球動(dòng)作曲線與之進(jìn)行相似度比較，結(jié)合擊球質(zhì)量數(shù)據(jù)分析青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性及不足，從而將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式教學(xué)與科學(xué)化、定量化的指導(dǎo)方法相結(jié)合，以克服現(xiàn)有訓(xùn)練監(jiān)控手段存在的不足，為更有效地提高基本技術(shù)動(dòng)作的合理性、促進(jìn)專業(yè)技術(shù)動(dòng)作的形成與固定奠定基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 德?tīng)柗品?/p>

運(yùn)用德?tīng)柗品ň瓦x取哪些主要關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擊球動(dòng)作的合理性評(píng)價(jià)進(jìn)行了3輪專家咨詢與評(píng)判。綜合各輪專家咨詢與評(píng)判的結(jié)果，選取權(quán)重比例較大（>75%）的關(guān)節(jié)點(diǎn)，為后續(xù)擊球動(dòng)作各關(guān)節(jié)點(diǎn)空間位移和角度數(shù)據(jù)的采集及擊球動(dòng)作合理性分析提供依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括2個(gè)部分：高速動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)采集和擊球質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。前者主要采集運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的空間特征數(shù)據(jù)（各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)序曲線），后者主要采集擊球的速度、轉(zhuǎn)速和落點(diǎn)。在進(jìn)行動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)的同時(shí)采集每次擊球動(dòng)作的球速、轉(zhuǎn)速和落點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

（1）國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員。為構(gòu)建優(yōu)秀乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型，選取了15名乒乓球國(guó)家二隊(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，均為國(guó)家級(jí)運(yùn)動(dòng)員，平均年齡17.3歲，右手橫拍，弧圈結(jié)合快攻打法，身體各關(guān)節(jié)無(wú)傷病情況。

（2）青少年運(yùn)動(dòng)員。為診斷青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性，選取10名中國(guó)乒乓球?qū)W院少年班運(yùn)動(dòng)員，平均年齡15.1歲，右手橫拍，弧圈結(jié)合快攻打法，身體各關(guān)節(jié)無(wú)傷病情況。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

通過(guò)紅外高速動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程中身體各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置、關(guān)節(jié)角度和重心變化等（采樣頻率：120幀/s）。采用Miro R111型高速攝像機(jī)測(cè)量乒乓球擊球旋轉(zhuǎn)速度，采用SPEEDSTER測(cè)速儀測(cè)量擊球速度。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置如圖1所示。

在圖1中，外圍矩形框上的黑色實(shí)心圓為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置的12個(gè)紅外高速攝像頭，2名運(yùn)動(dòng)員分別為被試運(yùn)動(dòng)員和發(fā)球人員。要求發(fā)球人員以多球的形式給被試運(yùn)動(dòng)員發(fā)反手拉上旋弧圈球。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)球人員固定為同一人，原地定點(diǎn)發(fā)球，并盡量使多個(gè)發(fā)球的速度、落點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)等基本保持一致。

2.2.5 人體骨骼模型和貼點(diǎn)

人體骨骼模型如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)前，將23個(gè)標(biāo)記點(diǎn)按圖2中人體骨骼模型主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)被試運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行貼點(diǎn)。

2.2.6 空間坐標(biāo)系和人體坐標(biāo)系的標(biāo)定

在高速動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采集相對(duì)于空間坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)員主要關(guān)節(jié)點(diǎn)和重心的空間位置坐標(biāo)，坐標(biāo)原點(diǎn)位于球網(wǎng)右側(cè)的地面上，其標(biāo)定如圖3所示。

參照人體坐標(biāo)系描述人體關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角度，以髖關(guān)節(jié)作為人體的根關(guān)節(jié)點(diǎn)（圖2中編號(hào)為0的人體髖關(guān)節(jié)點(diǎn)），其他關(guān)節(jié)以其父關(guān)節(jié)點(diǎn)為關(guān)節(jié)中心。

3 基于DTW算法的擊球動(dòng)作曲線相似度比較

3.1 DTW算法曲線相似度比較的基本原理

DTW算法通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的思路，尋找并求解輸入樣本參數(shù)和參考模版之間最短距離相對(duì)應(yīng)的規(guī)整函數(shù)，實(shí)現(xiàn)樣本和模板之間的最優(yōu)匹配。DTW算法解決了需要比較的2段時(shí)間序列長(zhǎng)度可能并不相等的曲線相似性匹配問(wèn)題。近年來(lái)，DTW算法被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、語(yǔ)音識(shí)別和動(dòng)作識(shí)別等領(lǐng)域[17-19]。

在乒乓球擊球過(guò)程中，不同運(yùn)動(dòng)員在做相同類型技術(shù)動(dòng)作時(shí)，其擊球動(dòng)作的快慢和動(dòng)作結(jié)構(gòu)特征不同[17]，擊球過(guò)程中各關(guān)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間序列長(zhǎng)度也不同。因此，國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型構(gòu)建和青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作合理性診斷等的曲線相似度比較均采用DTW算法進(jìn)行最優(yōu)匹配。

3.2 基于DTW算法的擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算公式

基于DTW算法的擊球動(dòng)作曲線相似度比較，是把不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員的擊球動(dòng)作時(shí)間序列進(jìn)行延長(zhǎng)或縮短，對(duì)特征參數(shù)（關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置或關(guān)節(jié)角度）的序列模式重新進(jìn)行時(shí)間上的調(diào)整，然后再對(duì)2個(gè)時(shí)間序列的相似度進(jìn)行比較，從而得出最佳匹配結(jié)果[20]。通過(guò)計(jì)算不同曲線上2個(gè)點(diǎn)的歐氏距離比較不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作各關(guān)節(jié)點(diǎn)軌跡曲線的相似度[21]，具體計(jì)算公式如下。

以乒乓球運(yùn)動(dòng)員A和B的擊球動(dòng)作曲線（分別為曲線P和曲線Q）的相似度計(jì)算數(shù)據(jù)為例，如圖4所示。

3.3 基于DTW算法的擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算

3.3.1 相似度計(jì)算的2條擊球動(dòng)作曲線數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

通過(guò)高速動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集乒乓球運(yùn)動(dòng)員不同擊球動(dòng)作過(guò)程中各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置和關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，從中任意選取2條擊球動(dòng)作曲線用于相似度比較。

3.3.2 擊球動(dòng)作曲線的平移和拉伸

由于乒乓球運(yùn)動(dòng)員身高及其擊球動(dòng)作快慢的差異，不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員在做相同類型的技術(shù)動(dòng)作時(shí)，其身體同一關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間軌跡曲線長(zhǎng)短不一，擊球動(dòng)作曲線的起始點(diǎn)也可能不重合。為減少這種差異對(duì)曲線相似度計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)擊球動(dòng)作曲線進(jìn)行平移和拉伸處理。

擊球動(dòng)作曲線平移的作用在于，將不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作曲線的起點(diǎn)均移至空間坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，以排除不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員間身高差異對(duì)曲線相似度比較結(jié)果的影響。選取平移前曲線上任意點(diǎn)P，假設(shè)擊球動(dòng)作曲線起始點(diǎn)為P0，P點(diǎn)平移后對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為P′，曲線平移的計(jì)算公式為Xi'= Xi-X0，Yi′= Yi-Y0，Zi′= Zi-Z0，其中，Xi、Yi、Zi為擊球動(dòng)作曲線上任意點(diǎn)P的坐標(biāo)，Xi′、Yi′、Zi′為擊球動(dòng)作曲線上任意點(diǎn)P經(jīng)曲線平移后的新坐標(biāo)P'，X0、Y0、Z0為擊球動(dòng)作曲線起始點(diǎn)P0的坐標(biāo)。

擊球動(dòng)作曲線拉伸的作用在于將不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作曲線的時(shí)間軸統(tǒng)一為相同長(zhǎng)度（曲線的寬度一樣），以消除不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的快慢對(duì)曲線相似度比較結(jié)果的影響。曲線拉伸的算法是將較窄曲線上點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)乘以2條曲線寬度的比例系數(shù)（≥1）。

曲線平移和拉伸的整體意義在于消除不同運(yùn)動(dòng)員個(gè)體差異對(duì)動(dòng)作曲線相似度比較結(jié)果的影響，以提高計(jì)算結(jié)果的精度，使擊球動(dòng)作合理性診斷結(jié)果更貼合實(shí)際。以反手拉上旋弧圈球中右膝關(guān)節(jié)X方向的位移曲線為例，擊球動(dòng)作曲線數(shù)據(jù)平移前后的結(jié)果如表1所示。

3.3.3 擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算

根據(jù)擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算公式，計(jì)算出2條擊球動(dòng)作曲線的相似度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)2條曲線對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的相似度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)

4.1 國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型構(gòu)建

4.1.1 模型構(gòu)建流程

①實(shí)驗(yàn)中分別采集15名國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練狀態(tài)下反手拉上旋弧圈球上臺(tái)的5次擊球動(dòng)作數(shù)據(jù)。②根據(jù)高速動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的擊球過(guò)程中各關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)力順序數(shù)據(jù)，從每個(gè)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球的5次擊球動(dòng)作中，選取發(fā)力順序合理、擊球效果最好的（球速和轉(zhuǎn)速均在15位國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球球速和轉(zhuǎn)速的均值之上）1次作為后期擊球動(dòng)作建模的數(shù)據(jù)。③根據(jù)德?tīng)柗品ㄟx取的影響基本擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)相關(guān)關(guān)節(jié)點(diǎn)（表2），整理出各關(guān)節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的空間位移和角度數(shù)據(jù)。

運(yùn)用DTW算法進(jìn)行不同乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算，篩選出與15名國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作軌跡最接近的曲線，作為國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。具體流程如圖5所示。

4.1.2 模型構(gòu)建

選取反手拉上旋弧圈球技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型構(gòu)建[22]。據(jù)表2數(shù)據(jù)，以影響擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)權(quán)重比例最高（92.3%）的右肩關(guān)節(jié)為例，構(gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球動(dòng)作模型。

（1）繪制15位國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球過(guò)程中右肩關(guān)節(jié)X方向位移曲線，如圖6所示。由圖6可知，國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員在完成反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)X方向位移曲線的波動(dòng)主要為-2 300～ -1 700 mm。從時(shí)間幀數(shù)上看，擊球動(dòng)作的周期最長(zhǎng)為187幀，其他多數(shù)分布在135～151幀。

（2）將15名國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行平移和拉伸，運(yùn)用基于DTW算法的擊球動(dòng)作曲線相似度計(jì)算公式，分別計(jì)算每名乒乓球運(yùn)動(dòng)員右肩關(guān)節(jié)X方向運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與其他14名乒乓球運(yùn)動(dòng)員同一關(guān)節(jié)點(diǎn)X方向位移曲線（共14條）的相似度，共計(jì)15組曲線相似度比較數(shù)據(jù)樣本。以反手拉上旋弧圈球時(shí)右肩關(guān)節(jié)X方向位移曲線為例，15名國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作曲線兩兩比較的相似度數(shù)據(jù)如表3所示。

（3）將曲線兩兩比較得到的15組相似度數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算出每組曲線相似度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差（SD），結(jié)果如表4所示（按標(biāo)準(zhǔn)差升序排列）。

（4）選取表4中曲線相似度標(biāo)準(zhǔn)差最小的ID=13（SD=0.077）所對(duì)應(yīng)的曲線，作為國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球右肩關(guān)節(jié)X方向位移動(dòng)作模型，如圖7（a）所示。

由圖7（a）可知，國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)X方向位移曲線波峰、波谷的波動(dòng)范圍為-2 020～-1 880 mm。引拍階段右肩關(guān)節(jié)位置逐漸前移，擊球后右肩關(guān)節(jié)又逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)，其X方向位移曲線變化符合擊球動(dòng)作中右肩關(guān)節(jié)的前后位移變動(dòng)方向。

同理，可以構(gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球過(guò)程中右肩關(guān)節(jié)在Y、Z方向的位移動(dòng)作模型，分別如圖7（b）、（c）所示。如圖7（b）所示，國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)Y方向位移曲線的波動(dòng)范圍為1 210～1 550 mm。在引拍與揮拍擊球階段，右肩關(guān)節(jié)Y方向位移曲線上升，還原階段Y方向位移曲線逐漸下降，說(shuō)明在反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)的Y方向位移變動(dòng)方向?yàn)橄认蜃蠛笙蛴?，其變化過(guò)程符合擊球動(dòng)作中右肩關(guān)節(jié)的左右位移變動(dòng)方向。如圖7（c）所示，國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)Z方向位移曲線的波動(dòng)范圍為1 047～1 278 mm，曲線中段波峰有一定的波動(dòng)。在引拍階段，右肩關(guān)節(jié)Z方向的位移下降，揮拍擊球階段位移上升，說(shuō)明在擊球過(guò)程中右肩關(guān)節(jié)的縱向位移變化順序?yàn)橛傻偷礁?，其變化過(guò)程符合反手拉上旋弧圈球的重心轉(zhuǎn)換發(fā)力順序。右肩關(guān)節(jié)在X、Y、Z方向角度變化的動(dòng)作模型構(gòu)建與X、Y、Z方向位移動(dòng)作模型的構(gòu)建類似。

同理，可以構(gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球過(guò)程中其他關(guān)節(jié)（左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)和右肘關(guān)節(jié)）在X、Y、Z方向位移和角度變化的動(dòng)作模型，以及身體重心變化模型。以身體重心X方向?yàn)槔?，其位移曲線模型如圖8所示。國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，身體重心X方向位移曲線波動(dòng)范圍為-2 400～-2 190 mm。引拍階段運(yùn)動(dòng)員身體重心逐漸向后移動(dòng)調(diào)整相對(duì)應(yīng)的擊球位置，揮拍擊球階段重心由后向前移，還原階段重心逐漸回歸初始準(zhǔn)備狀態(tài)，其變化過(guò)程符合反手拉上旋弧圈球擊球過(guò)程中重心轉(zhuǎn)換的發(fā)力順序。

4.2 青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)案例

4.2.1 擊球動(dòng)作合理性程度等級(jí)劃分

在構(gòu)建國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型的基礎(chǔ)上，以反手拉上旋弧圈球技術(shù)動(dòng)作為例，從10名青少年運(yùn)動(dòng)員被試中隨機(jī)選取1名，對(duì)其擊球動(dòng)作合理性進(jìn)行案例分析。同樣以權(quán)重較高的右肩關(guān)節(jié)為例，對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球技術(shù)動(dòng)作的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。為更清晰地描述擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)的結(jié)果，將擊球動(dòng)作的合理性評(píng)價(jià)結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)（表5）。

4.2.2 擊球質(zhì)量分析

青少年運(yùn)動(dòng)員與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球質(zhì)量（球速和轉(zhuǎn)速均值）比較結(jié)果（表6）顯示，兩者球速的差異較小，轉(zhuǎn)速的差異較大。結(jié)合擊球質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作曲線與模型的相似度比較結(jié)果對(duì)其擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行診斷分析[23-25]。

4.2.3 擊球動(dòng)作的合理性分析與反饋

（1）關(guān)節(jié)位移變化合理性分析。將青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球的右肩關(guān)節(jié)位移曲線（X、Y、Z方向）與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球的右肩關(guān)節(jié)位移模型（X、Y、Z方向）分別進(jìn)行曲線相似度比較發(fā)現(xiàn)：青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)在X方向位移曲線與對(duì)應(yīng)國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型的相似度為62.85%，合理性程度較低;Y方向位移曲線與模型的相似度為81.20%，Z方向位移曲線與模型的相似度為81.87%，均比較合理。

為進(jìn)一步分析青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球動(dòng)作的合理性，將青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球的右肩關(guān)節(jié)位移曲線和國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位移模型均按擊球動(dòng)作的三階段（引拍、揮拍擊球和還原）進(jìn)行劃分，并按3個(gè)階段進(jìn)行曲線與模型相似度比較（表7）發(fā)現(xiàn)，青少年運(yùn)動(dòng)員在X方向擊球動(dòng)作的三階段中，引拍階段X方向的位移曲線合理性程度較低（66.61%）。為分析原因，將引拍階段X方向的2條位移曲線繪制在同一張圖上進(jìn)行比較分析（圖9）發(fā)現(xiàn)，引拍階段青少年運(yùn)動(dòng)員右肩關(guān)節(jié)在X方向由后至前的位移變化趨勢(shì)明顯低于國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員，說(shuō)明其右肩關(guān)節(jié)在引拍階段X方向的位移不夠充分，影響重心轉(zhuǎn)換的效果，導(dǎo)致?lián)羟蛸|(zhì)量降低。

（2）關(guān)節(jié)角度變化合理性分析。將青少年運(yùn)動(dòng)員右肩關(guān)節(jié)角度變化曲線（X、Y、Z方向）與模型進(jìn)行相似度比較發(fā)現(xiàn)：青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球時(shí)，右肩關(guān)節(jié)的X方向角度變化曲線與對(duì)應(yīng)國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型的相似度為78.84%，合理性程度一般;Y方向的角度變化曲線與模型的相似度為83.72%，Z方向的角度變化曲線與模型的相似度為80.33%，合理性程度均較高。

青少年運(yùn)動(dòng)員右肩關(guān)節(jié)角度變化三階段曲線與模型相似度比較結(jié)果如表8所示。還原階段Z方向的角度變化合理性程度較低（58.24%）。還原階段的曲線相似度比較如圖10所示，發(fā)現(xiàn)青少年運(yùn)動(dòng)員在還原階段Z方向的角度值無(wú)任何明顯的旋轉(zhuǎn)變化趨勢(shì)，說(shuō)明青少年運(yùn)動(dòng)員右肩關(guān)節(jié)在還原階段的角度變化完成不夠充分，還原不到位。同理，可以完成青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球過(guò)程中其他關(guān)節(jié)點(diǎn)和重心在X、Y、Z方向的位移和角度變化的合理性分析。

乒乓球運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程的合理性分析結(jié)果及其存在的問(wèn)題以可視化曲線并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，從而為乒乓球教練員科學(xué)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練過(guò)程提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練過(guò)程的科學(xué)、定量化監(jiān)控，降低訓(xùn)練監(jiān)控指導(dǎo)過(guò)程的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性，提高訓(xùn)練監(jiān)控過(guò)程的科學(xué)化水平和訓(xùn)練效果。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

（1）基于高速動(dòng)作捕捉技術(shù)構(gòu)建的國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型能有效地對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有一定的科學(xué)性。

（2）將青少年運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程中各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和身體重心變換與國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作模型進(jìn)行比較，可深入探析青少年運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程中引拍、揮拍擊球和還原三階段各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和身體重心變換的合理性及其不足，且這一評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的可靠性。

（3）通過(guò)對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球動(dòng)作的合理性分析發(fā)現(xiàn)：該運(yùn)動(dòng)員引拍階段右肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)手臂向前移動(dòng)的幅度較小，導(dǎo)致引拍不到位;還原階段右肩關(guān)節(jié)還原幅度較小，重心穩(wěn)定性較差。

5.2 建 議

（1）在引拍階段，可通過(guò)分解徒手揮拍動(dòng)作練習(xí)，加強(qiáng)右肩關(guān)節(jié)向左前側(cè)移動(dòng)的訓(xùn)練，強(qiáng)化其充分引拍的意識(shí);在還原階段，可采用中彈力帶、重力球等負(fù)重抗阻專項(xiàng)訓(xùn)練，以強(qiáng)化其擊球后右肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)手臂還原至體前初始狀態(tài)的意識(shí)，提高其擊球過(guò)程中重心轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。

（2）在日常的青少年運(yùn)動(dòng)員基本技術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練過(guò)程中，教練員應(yīng)將數(shù)字化訓(xùn)練監(jiān)控手段與經(jīng)驗(yàn)式教學(xué)相結(jié)合，運(yùn)用國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作模型對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合擊球效果找出青少年運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作存在的問(wèn)題，為制訂具有針對(duì)性的個(gè)性化訓(xùn)練方案提供依據(jù)。

6 不足與展望

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程所采集的數(shù)據(jù)均來(lái)自訓(xùn)練狀態(tài)下反手拉上旋弧圈球擊球動(dòng)作，在之后的研究中可嘗試構(gòu)建比賽狀態(tài)下的擊球動(dòng)作模型，拓展擊球動(dòng)作合理性評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用范圍。

（2）只選取了關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置和關(guān)節(jié)角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)員擊球動(dòng)作的合理性評(píng)價(jià)模型，后續(xù)可進(jìn)一步選取關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、角速度和角加速度等其他運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，構(gòu)建合理性評(píng)價(jià)模型。

（3）僅以青少年運(yùn)動(dòng)員反手拉上旋弧圈球?yàn)槔龑?duì)其擊球動(dòng)作的合理性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，后續(xù)可擴(kuò)大擊球動(dòng)作合理性實(shí)例分析的運(yùn)動(dòng)員數(shù)量和擊球動(dòng)作的種類，使擊球動(dòng)作的合理性評(píng)價(jià)更具實(shí)踐價(jià)值。

作者貢獻(xiàn)聲明：

馮 喆：提出論文主題，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);

肖 毅：設(shè)計(jì)論文框架，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，撰寫(xiě)、修改論文;

曹梓威：指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，核實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);

鄧 婕：查找文獻(xiàn)，搜集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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Abstract： High-speed motion capture technology was used to collect the spatial characteristic data of the basic technical movements from young table tennis players and national elite players.Taking the backhand topspin loop for instance，the DTW （Dynamic Time Warping） algorithm was used to construct the basic striking action model of the national teams elite athletes，which can analyze the rationality and existing problems of the young players striking action.The evaluation model can be shown to effectively evaluate the rationality of the movements of the main joints and the transformation of the gravity center of young table tennis players in the process of striking the ball，including swinging the bat，strking the ball，and restoring to the original stance，compared with the striking action of the national elite players.The results find that the young player got a small range of the arm forward pulled by the movement of the right shoulder joint at the stage of swinging his bat，which led to the inadequate bat swing.A small range of the right shoulder joint caused the poor stability at the stage of the restoing to the original stance.This striking action model，constructed on the high-speed motion capture techinology of the national elite players，proves to be scientific.

Key words： table tennis;young ?player; national elite player; striking action; backhand topspin loop; Dynamic Time Warping（DTW）