對世界優(yōu)秀男子網(wǎng)球運動員不同站位發(fā)球技術的運動學對比分析

劉 雨，周繼和

（1.成都大學 體育學院，四川 成都 610106；2.成都體育學院，四川 成都 610041）

在網(wǎng)球的基本技術中，只有發(fā)球可由運動員自我控制和把握，具有很強的主觀能動性，是唯一一項不受對手影響又能直接得分的技術。國內外對于網(wǎng)球發(fā)球技術的研究較多，近十余年約有400～500篇，國外發(fā)文量約是國內的2倍，主要集中在對肢體（上肢/下肢）、全身動作等方面的研究，而對于網(wǎng)球發(fā)球站位技術的研究較少。

網(wǎng)球比賽發(fā)球站位一般有上步式站位（foot-up，F(xiàn)U站位），分腿式站位（foot-back，F(xiàn)B站位）。梁冬梅等（2017）在綜述中提到“發(fā)球過程中采用FB技術可獲得較高的穩(wěn)定性和較大的地面水平反作用力，而采用FU技術可獲得較大的地面垂直反作用力”。Elliott等（1983）認為，F(xiàn)U發(fā)球可產(chǎn)生高速度，同時也有助于運動員獲得較好的擊球位置。而FB發(fā)球有助于發(fā)球上網(wǎng)者，產(chǎn)生較少的水平摩擦力而加快向前的速度。鄒廷鑄（2011）提出，F(xiàn)U站位能夠獲得更大的垂直地面反作用力，擊球位置更高，有利于發(fā)球后迅速上網(wǎng)。然而，兩種發(fā)球技術在球速上沒有顯著差異。Girard等（2010）使用Pedar足底壓力鞋墊對10名運動員不同發(fā)球站位足底壓力分布情況進行測試，研究表明，與FB站位相比，F(xiàn)U站位后足負載增大；不同的發(fā)球站位對足部負載影響顯著。到底哪種站位動作發(fā)球更好，在國內外網(wǎng)球界有歧說。因此，對不同的發(fā)球站位進行研究具有重要的實踐和理論意義。

衡量哪種站位發(fā)球更好，一般是看發(fā)球攻擊性（球速、落點）和發(fā)球穩(wěn)定性（動作連貫性、一發(fā)成功率）。發(fā)球攻擊性是指運動員發(fā)球利用主觀能動性破壞對方回擊的能力，也就是根據(jù)對手站位而發(fā)出球的速度和落地點位置使對方容易失誤。發(fā)球穩(wěn)定性是指運動員發(fā)球動作動力定型的能力，從運動訓練學的角度來看，穩(wěn)定性是指運動員在實戰(zhàn)中高質量重復再現(xiàn)訓練中已獲技戰(zhàn)術的能力（陳萬等，2012）。本文以運動員完成多次發(fā)球時，各運動學參數(shù)的標準差作為評價發(fā)球穩(wěn)定性的指標，一般情況下，一個運動學參數(shù)的標準差越小，說明運動員完成這一技術細節(jié)的穩(wěn)定性越好，但不能說明一個完整動作的穩(wěn)定性好（Genevois et al.，2020；Mendes et al.，2013；Saku‐rai et al.，2013）。目前的研究多以技戰(zhàn)術統(tǒng)計來說明發(fā)球的攻擊性和穩(wěn)定性（李亮等，2014；尹樹來等，2016；張志華等，2011），誠然這些統(tǒng)計也能了解到一些問題，但只看到了發(fā)球結果的現(xiàn)象，未能進一步挖掘發(fā)球技術過程的內在原因。不少學者應用三維高速錄像解析研究發(fā)球技術，基于數(shù)字分析動作有些抽象，動作同步不理想，尤其是對比分析，而虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術的交互性、沉浸感、構想性對動作技術的了解深度和細致已超過三維錄像解析獲得的數(shù)據(jù)分析，所以，有必要采用VR技術進行探討。因此，本研究應用三維高速錄像拍攝了2018年成都網(wǎng)球公開賽的決賽，選取冠軍托米奇（FU站位）和亞軍弗格尼尼（FB站位）各7次發(fā)球動作技術解析獲得運動學參數(shù)，結合VR技術進行對比分析，以期研究兩種站位方式的特征，為網(wǎng)球運動員改進發(fā)球技術、提高發(fā)球質量提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究以2018年成都網(wǎng)球公開賽冠軍托米奇和亞軍弗格尼尼的發(fā)球動作技術為研究對象，表1為兩名運動員的基本信息。

表1 運動員基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 研究方法

本研究使用三維錄像解析法獲得運動學參數(shù)，進而結合VR技術再現(xiàn)法進行對比分析。

1.2.1 三維錄像解析法

在2018年成都網(wǎng)球公開賽比賽現(xiàn)場使用兩臺日本JVC GC-PX10AC高速攝像機（拍攝頻率50幀/s）對男子單打決賽進行同步三維拍攝（圖1），使用星高鈦（型號：081103）24點星型輻射框架在比賽場地進行空間標定，通過直接線性變換（direct linear transformation，DLT）建立像點坐標與物點空間坐標關系式。兩名運動員發(fā)球成功的解析錄像篩選標準為：1）在裁判椅右側的右區(qū)一發(fā)；2）發(fā)球時速在170 km/h以上。采用3D-Signa1Tec三維錄像解析系統(tǒng)，選用歐洲Dempster數(shù)學人體模型（21個關節(jié)點，16個環(huán)節(jié)），根據(jù)研究需要解析時添加了球拍頂端、球兩個測試點以及球拍環(huán)節(jié)（圖2），運用低通數(shù)字濾波器對解析后的數(shù)據(jù)進行平滑處理，截斷頻率為8 Hz。

圖1 攝像機位置示意圖Figure 1.Schematic Diagram of Camera Position

圖2 人體模型示意圖Figure 2.Schematic Diagram of Human Body Model

1.2.2 VR技術

VR技術是一門綜合性信息技術，它融合了計算機圖形學、多媒體技術、傳感技術、人工智能技術、并行處理技術等多項信息技術分支的最新發(fā)展成果（尚曉軍，2003）。本研究主要采用3D攝像解析結合VR技術的桌面虛擬現(xiàn)實，所使用VR系統(tǒng)是自主科研成果。先在比賽中拍攝網(wǎng)球運動員的發(fā)球技術圖像，解析出三維運動學數(shù)據(jù)，獲得組成虛擬現(xiàn)實圖像關鍵點的空間坐標，再用3D虛擬現(xiàn)實制作軟件制作模擬內容的圖像。在模擬內容的連續(xù)系列圖像的關鍵事件的時間位置，制作添加同步圖像信號。VR系統(tǒng)驅動3D模型三維虛擬重建，進行精確同步及360°的旋轉對比，這樣可以更準確地分析運動員的發(fā)球動作技術。

2 研究結果與分析

2.1 發(fā)球動作時刻和階段的劃分

為了便于運用VR技術三維動畫再現(xiàn)形式進行運動學對比分析，將運動員發(fā)球動作技術結構劃分為4個時刻和3個階段。4個時刻為T1：球與球拍分離時刻；T2：左膝關節(jié)屈曲最大時刻；T3：球拍在身后最低點時刻；T4：球拍觸球時刻（圖3）。3個階段：T1～T2為拋球舉拍階段；T2～T3為向后引拍階段；T3～T4為揮拍擊球階段。

圖3 發(fā)球動作中T1～T4時刻示意圖Figure 3.Schematic Diagram of T1～T4 in Serve Technique

2.2 拋球舉拍階段的運動學對比分析

拋球舉拍階段（右手持拍）是球與球拍分離時刻（T1）至左膝關節(jié)屈曲最大時刻（T2）的運動過程。目的是把球穩(wěn)定準確地拋向最高點，使參與發(fā)球動作的相關肌群預先儲存彈性勢能，形成爆發(fā)用力前良好的身體準備姿勢。

托米奇采用FU站位，右腳稍后，發(fā)球過程中靠近左腳；弗格尼尼采用FB站位，發(fā)球過程中兩腳位置不變（圖4）。

圖4 托米奇和弗格尼尼的發(fā)球站位Figure 4.Serving Position of Tomic and Fognini

2.2.1 拋球的運動學對比分析

拋球位置應該在身體的右前上方（嚴波濤等，2000），在右是為了當軀干轉向球網(wǎng)向前揮拍擊球時，球能落在球拍的正前方，在前是因為人體向前揮拍擊球時，身體會產(chǎn)生向前水平位移，可以加長球拍的工作距離。合理的拋球位置決定了在球離手時刻拋球手的肩角至少大于90°。VR重建動作觀察發(fā)現(xiàn)，在球離手時刻托米奇采用FU站位的目的是增加擊球高度，拋球手未伸進球場內而在底線上方，左肩關節(jié)角為154.4°；弗格尼尼采用FB站位的目的是擊球點靠前，拋球手伸進球場內超過底線，左肩關節(jié)角為138.5°。由于不同站位方式動作技術結構不同，造成托米奇左肩關節(jié)角比弗格尼尼左肩角大15.9°。在球離手時刻，托米奇左肘角為172.0°，弗格尼尼左肘角為175.3°，說明兩人左肘伸展較充分，有利于運用手臂上舉將球平穩(wěn)地向上拋出。托米奇拋球離手高度與身高的比值略大于弗格尼尼（表2），同時球離手速度更快，為5.02 m/s，托米奇的球離手高度和球最高點高度更為合理，但球離手高度和球離手速度兩個參數(shù)的標準差相比弗格尼尼稍微偏大，穩(wěn)定性欠佳。

表2 拋球運動學參數(shù)Table 2 Kinematics Parameters of Throwing Ball

2.2.2 左膝關節(jié)屈曲最大時刻的運動學對比分析

左膝關節(jié)屈曲最主要的目的是通過下肢伸肌群在離心收縮狀態(tài)下的拉伸，增大肌肉收縮的初長度，并儲備彈性勢能（Walshe et al.，1998），同時為向后引拍動作提供良好的身體姿勢和用力狀態(tài)。在左膝關節(jié)屈曲最大時刻，托米奇采用FU站位，左、右膝向前屈曲，并同時完成了右腳向左腳靠攏的上步動作，左、右膝角分別為123.1°和134.2°；弗格尼尼采用FB站位，左、右膝向前屈曲，但左右腳位置不變，左、右膝角分別為126.8°和139.6°。托米奇左膝角和右膝角均小于弗格尼尼，因此，托米奇的相對重心高度比弗格尼尼下降更多（絕對高度托米奇高0.081 m），托米奇借助右腳上步的動作，使得重心速度快于弗格尼尼（表3）?；谝陨戏治稣J為，托米奇更好地完成了下肢屈曲動作，有利于膝關節(jié)更好地儲存彈性勢能，為蹬伸準備了足夠的做功距離，但用標準差來評定穩(wěn)定性，顯然測得托米奇動態(tài)動作的膝關節(jié)運動學參數(shù)穩(wěn)定性不如靜態(tài)動作的膝關節(jié)運動學參數(shù)的穩(wěn)定性。盡管存在動作的不穩(wěn)定性（嚴波濤等，2001），但由于FU站位發(fā)球開始右腳上步，人體獲得動能，根據(jù)機械能守恒定理，通過下肢制動彎曲，動能轉化為下肢肌肉彈性勢能儲存起來，緊接著起跳再釋放，起跳效果比FB站位更好，有利于獲得較大的地面垂直反作用力，增加身體重心垂直位移的高度。

表3 左膝關節(jié)屈曲最大時刻的運動學參數(shù)Table 3 Kinematic Parameters at the Moment of Maximum Flexion of the Left Knee Joint

2.3 向后引拍階段的運動學對比分析

向后引拍階段是左膝關節(jié)屈曲最大時刻（T2）至球拍在身后最低點時刻（T3）的運動過程，人體雙腳離地時刻在該階段運動過程中。

整個動作應用相向運動原理，下肢向上蹬伸向前挺髖，下肢與軀干產(chǎn)生向前向上力量與速度，向擊球方向快速扭轉，同時肩部和肘部向后拉伸，拍頭向下延長球拍的工作距離，最終形成“超越器械反弓”動作，有利于持拍手完成鞭打動作，為揮拍擊球階段做好準備。

2.3.1 雙腳離地時刻下肢的運動學對比分析

在左膝關節(jié)屈曲最大時刻至雙腳離地時刻動作過程中，無論采用FU站位還是FB站位，兩名運動員的右腳都已經(jīng)向擊球方向轉動，向左腳靠攏。從左膝關節(jié)屈曲最大時刻至雙腳離地時刻，托米奇用時為0.18 s，弗格尼尼用時為0.20 s。從表4可知，在雙腳離地時刻，托米奇右髖角速度為245.6°/s，弗格尼尼右髖角速度為 225.0°/s，VR重建動作觀察發(fā)現(xiàn)，托米奇在該動作過程中用時更短，右髖角速度更快，說明右髖在水平面上朝擊球方向轉動的幅度更大，有利于增加下肢向擊球方向的轉動速度和力量。

表4 雙腳離地時刻下肢和重心的運動學參數(shù)Table 4 Kinematic Parameters of the Lower Limbs and the Center of Gravity at the Time of Feet Taking Off

膝關節(jié)蹬伸幅度是指從左膝關節(jié)屈曲最大時刻至雙腳離地時刻膝關節(jié)角度增大的幅度，可以反映運動員膝關節(jié)蹬伸的大小。在雙腳離地時刻，托米奇的左膝蹬伸幅度為53.6°，右膝蹬伸幅度為41.8°，兩個參數(shù)均明顯大于弗格尼尼（表4）。VR重建動作觀察發(fā)現(xiàn)，一是因為在左膝關節(jié)屈曲最大時刻，托米奇的左膝角和右膝角都小于弗格尼尼，為后續(xù)膝關節(jié)的蹬伸獲得了空間，使得左、右膝蹬伸幅度更大；二是因為托米奇采用FU站位，右腳上步把儲備的彈性勢能轉化為動能，相比弗格尼尼原地起跳獲得了更快的重心速度，起跳高有利于增加擊球高度，從而提高發(fā)球的攻擊性和成功率。托米奇和弗格尼尼的重心速度分別為1.81 m/s和1.58 m/s（表4），明顯快于左膝關節(jié)屈曲最大時刻（1.07 m/s、0.90 m/s）（表3），這是運動員向后引拍階段各環(huán)節(jié)協(xié)同作用的結果。

在左膝關節(jié)屈曲最大時刻，兩名運動員的左膝角都小于右膝角，說明在拋球引拍階段左腿為兩名運動員的主要支撐腿。在向后引拍階段，左膝蹬伸幅度更大，說明左腿是主要用力腿，托米奇左膝角和左膝蹬伸幅度的穩(wěn)定性略好于弗格尼尼，也為提高擊球高度的穩(wěn)定性奠定了基礎。

從圖5可知，在雙腳離地時刻，托米奇球拍還在頭部，說明托米奇離地后才完成的“超越器械反弓”動作。這是否是FU站位的特點，值得深入研究，而弗格尼尼此刻球拍已在身后最低點。

圖5 托米奇（左）、弗格尼尼（右）雙腳離地時刻Figure 5.Feet off the Ground Moment of Tomic(Left)and Fergnini(Right)

2.3.2 球拍在身后最低點時刻持拍手臂的運動學對比分析

在向后引拍階段，持拍手也是形成“超越器械反弓”動作的重要組成部分。肩部是發(fā)球動作模式動力鏈上一個極其重要的環(huán)節(jié)，肩部的靈活性、柔韌性以及力量傳導效率會直接影響動力鏈的力量傳遞效果（劉暢等，2018）。理論上說，拍頭最低點高度低于重心高度一方面可以使肩關節(jié)和腹部肌群充分拉長（蔣川，2009），以提高肌肉爆發(fā)式收縮力，另一方面可以延長球拍的做功距離，獲得更快的揮拍速度。球拍在身后最低點時刻，弗格尼尼右肘角為49.8°，明顯小于托米奇的57.3°，弗格尼尼的拍頭最低點高度為1.193 m，比重心高度高0.032 m，托米奇的拍頭最低點高度為1.328 m，比重心高度高0.082 m（表5）。盡管弗格尼尼拍頭最低點高度更低，更接近重心高度，但弗格尼尼球拍在身后最低點時刻到揮拍擊球最高點的工作距離是1.27 m，托米奇是1.46 m。當然，托米奇比弗格尼尼身高高了0.18 m也占了優(yōu)勢。如托米奇向下引拍的動作幅度更大，動作效果可能會更好。

表5 球拍在身后最低點時刻拍頭的主要運動學參數(shù)Table 5 The Main Kinematic Parameters of the Racket Head at the Lowest Point

2.4 揮拍擊球階段的運動學對比分析

揮拍擊球階段是球拍在身后最低點時刻（T3）到揮拍觸球時刻（T4）的運動過程。這個階段要求運動員的下肢往前擺動，與此同時，以肩關節(jié)為軸帶動大小臂、手腕、拍頭向前上揮拍擊球，運動員上下肢做相向運動。揮拍擊球階段的目的是將身體形成“超越器械反弓”動作，完成持拍手臂鞭打動作，使全身各環(huán)節(jié)的動量傳遞至拍頭，使拍頭以最快的速度擊球。

2.4.1 擊球姿勢的運動學對比分析

運動員由下至上各環(huán)節(jié)角度增大并協(xié)調配合，得以實現(xiàn)下肢充分蹬伸，軀干向前向上舒展，持拍手臂完成鞭打動作。由表6可知，在球拍觸球時刻，托米奇的左右膝角、左右髖角分別為172.9°、174.4°、172.4°、173.2°，弗格尼尼的左右膝角、左右髖角分別為 172.7°、174.5°、172.3°、172.9°，兩名運動員的膝角和髖角均較大，說明下肢蹬伸充分，運動員向上伸展可以獲得一定的重心速度。

托米奇的右肩角、右肘角分別為170.2°、176.0°，弗格尼尼的右肩角、右肘角分別為165.8°、173.6°，托米奇的右肩角和右肘角較大，說明其持拍手臂伸的比較直，以便球拍在高速度下高位置處擊球。在揮拍觸球時刻，托米奇各環(huán)節(jié)角度的標準差均比弗格尼尼略小，說明托米奇完成擊球鞭打動作較穩(wěn)定。

2.4.2 擊球位置的運動學對比分析

研究認為，擊球點越高，發(fā)球成功率越高，但同一運動員所能達到的最高擊球點是有限的，即在身體正上方擊球時，擊球點最高（蔣中偉，2000）。從表7可知，托米奇擊球高度為2.783 m，弗格尼尼擊球高度為2.464 m，以擊球高度與身高的比值而言，托米奇的比值為1.420，弗格尼尼的比值為1.384，托米奇采用FU站位儲存彈性勢能效果好、蹬伸幅度大、重心速度快的優(yōu)勢，最終表現(xiàn)為獲得了更理想的擊球點（Brody，1987；Elliott et al.，1986），有利于提高發(fā)球攻擊性。球最高點與擊球點的垂直距離可以反映運動員完成鞭打動作的節(jié)奏。托米奇球最高點與擊球點的垂直距離為0.485 m，弗格尼尼球最高點與擊球點的垂直距離為0.548 m。托米奇采用FU站位獲得了更大的地面垂直反作用力，爭取到了更高的擊球點，使擊球動作更連貫。同時球最高點與擊球點的垂直距離更小，擊球高度的穩(wěn)定性更高。相反，弗格尼尼球最高點與擊球點的垂直距離大于托米奇，且穩(wěn)定性更差，說明球在空中運行的距離越長，球下落的速度加快（Beerman et al.，1981），增加了運動員對擊球時間和空間的判斷難度，降低了擊球高度的穩(wěn)定性。拋球點與擊球點的水平距離要適中，過近容易發(fā)過對方有效區(qū)，過遠容易發(fā)到網(wǎng)下，弗格尼尼拋球點與擊球點的水平距離（0.388 m）大于托米奇（0.307 m），在球拍觸球時刻，弗格尼尼擊球點多數(shù)更靠前，球拍擊球點在甜區(qū)上緣。托米奇擊球點在甜區(qū)，比弗格尼尼的擊球位置更好（表7）。

表6 球拍觸球時刻各環(huán)節(jié)角度的主要運動學參數(shù)Table 6 The Main Kinematic Parameters of the Angle of Each Link at the Moment of Racket Touching the Ball

表7 影響擊球位置的主要運動學參數(shù)Table 7 The Main Kinematic Parameters which Affects the Position of the Ball

2.4.3 球拍觸球時刻各關節(jié)速度的對比分析

在球拍觸球時刻，兩名運動員處于空中無支撐狀態(tài)，均以髖為軸上肢（體）向下和下肢向上做相向運動，維持球拍觸球時刻運動員的身體平衡。然而，持球拍還是一個鞭打動作，各個關節(jié)的用力順序和協(xié)調配合非常重要。在發(fā)球用力過程中，大肌群最先發(fā)力，隨后發(fā)展到小肌群用力，各關節(jié)間的速度遞增，動量依次傳遞，使拍頭獲得更快的速度，產(chǎn)生更好的擊球效果。在球拍觸球前，兩名運動員由下到上以人體右側為例，各環(huán)節(jié)的速度遞增順序為右膝速、右髖速、右肩速、右肘速、右腕速、拍頭速度，符合動量依次傳遞的鞭打原理。

由表8可知擊球時刻各環(huán)節(jié)的速度，托米奇的右膝速、右髖速、右肩速、右肘速、右腕速、拍頭速度依次為0.96 m/s、1.84 m/s、4.95 m/s、7.06 m/s、12.30 m/s、25.34 m/s，每個參數(shù)均高于弗格尼尼，而標準差略小。托米奇采用FU站位更好地儲備和釋放了下肢的彈性勢能，增大了蹬伸幅度，不僅獲得了更為合理的擊球高度，而且鞭打動作更加穩(wěn)定。在符合視頻篩選標準的7次發(fā)球中，托米奇的平均發(fā)球時速為179 km/h，弗格尼尼的平均發(fā)球時速為174 km/h。同時，托米奇在球拍觸球時刻各關節(jié)速度的穩(wěn)定性略好于弗格尼尼，保證了發(fā)球時速的穩(wěn)定性。托米奇全場比賽發(fā)內角球49%、發(fā)外角球36%，合計85%，而弗格尼尼發(fā)內、外角球合計79%。由此可見，托米奇的發(fā)球速度和落點均比弗格尼尼略高一籌，即托米奇的發(fā)球攻擊性更強。結果，托米奇在全場比賽中一發(fā)成功率和一發(fā)得分率均比弗格尼尼高（表9）。

表8 擊球時刻各環(huán)節(jié)的速度Table 8 Speed of Each Link when Hitting the Ball m·s-1

表9 全場發(fā)球戰(zhàn)術統(tǒng)計表Table 9 Statistics of Serving Tactics %

綜上，托米奇采用FU站位發(fā)球與弗格尼尼采用FB站位發(fā)球相比，托米奇發(fā)球的實效性更好。

眾所周知，上步起跳比原地起跳更高。從動力學考慮，F(xiàn)U站位發(fā)球比FB站位發(fā)球優(yōu)勢在于下肢開始蹲伸前已存儲彈性勢能，后面托米奇動作表現(xiàn)出的攻擊性和穩(wěn)定性也比較出色。因此，如以完成動作的目的性和實效性而論，F(xiàn)U站位發(fā)球比FB站位發(fā)球更好。

3 研究結論

通過對比分析托米奇的FU站位和弗格尼尼的FB站位發(fā)球效果，得出以下結論：

1）在拋球舉拍階段，托米奇拋球離手高度與身高的比值略大于弗格尼尼；FU站位動作有右腳上步，重心高度下降更多，有利于下肢存儲彈性勢能，也延長了做功距離；托米奇拋球離手速度較快。2）在向后引拍階段，從左膝關節(jié)屈曲最大時刻至雙腳離地時刻，托米奇用時較短，獲得了更快的重心速度。在雙腳離地時刻，弗格尼尼球拍已在身后最低點，而托米奇球拍還在頭部，說明托米奇離地后才完成的“超越器械反弓”動作。3）在揮拍擊球階段，球拍觸球時刻，與弗格尼尼相比，托米奇持拍手肘關節(jié)角度更大，在高速度下高位置處擊球，完成擊球鞭打動作較穩(wěn)定。4）托米奇的平均發(fā)球時速快于弗格尼尼，全場比賽發(fā)內角球、外角球高于弗格尼尼，全場比賽一發(fā)成功率和一發(fā)得分率均高于弗格尼尼。綜合而言，托米奇的發(fā)球落點、發(fā)球攻擊性和穩(wěn)定性均優(yōu)于弗格尼尼。