足球運動的三維分析3d

足球運動的三維分析3d

足球運動在世界各地很流行。隨著科學技術的進步和發(fā)展，從深刻的角度來看，這項工作揭示并解釋了足球技術的本質。本文從足球生物力學的過程出發(fā)，了解國外足球生物力學研究的進展情況，為國內足球生物力學研究者提供一些有益的參考。1.正腳背毛細效應的研究利茲(Lees)和諾蘭(Nolan)(1998)曾經回顧了多項2D研究,他們的研究成果非常有現實意義:(1)對從兒童到成人這一階段踢的技巧的一般特征演化進行了定義;(2)給發(fā)現球的最大速度(介于20至30m/s)提供了很多有價值的信息;(3)闡明足球運動間互動影響的本質(球的初速度是踢球腳的速度的約1.2倍);(4)提供踢球腿線性運動學的相關數據(腳踝,膝蓋和髖關節(jié)的速率);(5)說明踢球腿的角運動學(切分性相互影響作用);(6)報告踢球腿中的角運動學(腳踝,膝蓋和髖關節(jié)中的力矩連接點);(7)記錄地面對支撐腿在踢球時的反作用力。以上結論在利茲(Lees)2003年發(fā)表的論文中有更為詳細的說明。關于上文所提到問題的研究,已經給我們在最大程度上理解用正腳背踢球提供了非常有用的基礎性相關知識,但是我們也要記住,提供這些信息的作者進行分析研究所用的設備是十分有限的。通常使用電影拍攝分析法來收集信息,而且往往采用比較低的幀速率(例如64Hz)。電影拍攝法就其本質上來說僅能提供二維視圖分析,在當時大多數研究者既沒有設備,也沒有分析技能能夠超越二維方法進行分析。但是二維分析的速率限制是最容易克服,更先進的高速攝影機(幀速率達到和超過200Hz)的使用使得可靠的記錄的取得成為可能。這些相機設備往往比較昂貴,但錄像機技術的不斷提高給我們提供了一個更便宜的選擇。錄像最直接的不利因素即是它的低幀率(50或60赫茲),這一般不能適用于像踢球這樣的快速技巧。高速錄像系統(tǒng)已經開發(fā)出來了,但這些設備與高速膠片拍攝相機一樣昂貴。某項技能三維重現的方法是由阿爾伯阿利茲阿齊茲(Adbel-Aziz)和卡拉拉(Karara)在1971建立的,但該方法只在20世紀90年代初開始才開始運用到運動技能分析中來。這是由于多個攝像機的成本和實現該方法的合適的計算機運算程序的研發(fā)都是十分昂貴的。該方法需要兩個或兩個以上的二維電影膠片(或視頻)的記錄,從記錄的每個視圖的坐標中找出可以進行三維重現的聯合標記的位置。這是一個耗時的過程,我們需要在許多幀,至少是兩個攝影機記錄的視圖中找出每個幀里需要的點并進行手工電影數字化。然而,生物運動學家對在大眾運動技巧里應用這些新的研究技術十分感興趣,特別是最常見的這個動作——用腳背踢。大多數使用該方法得出的報告都是不完整,一般來說,它們都沒有能夠確定踢這個動作的三維本質,即臀部,軀干和肩部旋轉的關鍵特征。2002年,利茲(Lees)和諾蘭(Nolan)進一步對這些限制進行了評價與說明。2.腳背腳腳運動的研究隨著適當的三維運動技巧分析技術設備的普及,自上世紀90年代末起更詳細的分析報告出現在了當時的文獻資料中。一般來說,這些研究都包含適當的方法,詳細的數據資料,包括對某項技巧的三維關注和對一個完善分析結果的討論。運動學分析在當時的文獻資料中被首次提出,萊文農(Levanon)和戴普納(Depena)(1998)針對熟練業(yè)余球員的報告中就寫到了運動學描述和關于在用腿踢這個運動中最常見用腳背踢和用腳的側面踢這兩個動作的比較。他們用雙膠片配置、像素高達200赫茲幀頻的相機對此做出記錄。同時,報告中,他們以腳踝,膝蓋關節(jié)及臀部為軸心組成三個平面并給出了關于踢這個動作的一系列全面的數據(彎曲/伸展,外展/內收,內/外旋轉)。他們也提出了迄今在文獻中唯一出現的關于骨盆在踢中的運動方向的數據。不出所料,研究人員發(fā)現用側腳踢比用正腳踢要慢,而且小腿向外傾斜的角度更多(給球一個側踢的力)。這項研究的價值在于它精確報告了從實驗獲得的關于踢球腿運動學的三維數據。因此,它應被視為在這個領域具有里程碑意義的報告。奴諾姆(Nunome)等人在2002年也對用腳背踢和側腳踢的研究產生了興趣,他們的論文還報告了熟練業(yè)余球員踢的腿關節(jié)的動力學特征。自利茲(Lees)和諾蘭(Nolan)在1998年做了關于踢的動力學的二維分析之后,同類的論文消失在當時的文獻資料中。在奴諾姆和同事的研究中,作者依舊采用了雙膠片配置、像素高達200赫茲幀頻的相機來采集一下關節(jié)運動的數據:腳踝(約35Nn背屈,15Nm的倒轉);膝蓋(約100Nm的延伸,15Nm的外部旋轉)和髖部(約280Nm的延伸,40Nm外旋,100Nm內收)。腳背踢和側踢之間的微小差異十分明顯,側踢中不管腳的速度還是向外旋轉的速度都比較慢。此研究的價值在于它最早全面和嚴格地提供了關于踢的三維動力學的數據。利茲(Lees)和諾蘭(Nolan)(2002)調查了職業(yè)球員在他們加快踢的速度時,那些踢的主要特征變量的變化情況。踢球時如果采用標準示范的動作進行踢球,那么踢出去的球精確度增加,踢的速度就下降。他們用一個以100Hz運行的雙膠片相機系統(tǒng)記錄并得出以下結論:(1)雖然運動員的運動模式表現出很高的協(xié)調性,但在精度條件操控下的更慢更精確的運動,表現出更高的協(xié)調性。(2)球的速度的增加與骨盆,髖關節(jié)和膝關節(jié)運動速度增加幅度有關。這意味著更大范圍的關節(jié)運動對提高球的速度正相關。奴諾姆(Nunome)等人在2006年擴展他們先前的研究,再次選用雙膠片配置、像素高達200赫茲幀頻的相機在一部分熟練的業(yè)余球員中的實驗來探討優(yōu)勢和非優(yōu)勢腳運動中的運動學以及相關的運動學特征。他們把球的運動速率分別為32米/秒和27米/秒,腳的速率分別為22米/秒和20米/秒作為優(yōu)勢和非優(yōu)勢腳區(qū)分。性能上的差異應歸因于優(yōu)勢腳的速度更快,相應地也與膝蓋肌肉運動速度增加相關。他們得出結論:專業(yè)足球運動員的優(yōu)勢腳性能更優(yōu)越是與力量有關,而不是協(xié)調性。當然,在業(yè)余球員中情況可能有所不同。上述研究都專門集中在研究腿在最大力量踢時的情況。凱利斯(Kellis)等人在2004年以三維運動學研究熟練業(yè)余選手的支撐腿臨近球的角度對踢這個動作的影響。他們用以120赫茲運行的雙視頻攝像系統(tǒng)進行拍攝。他們還研究了地面的反作用力和臨近球角度對踢的影響問題。研究得出結論,臨近球的角度對球的速度沒有作用,這與埃索卡娃(Isokawa)和利茲(Lees)在1988年提出的報告恰恰相反。他們的報告指出臨近球角度越大,支撐腿中間外側的地表反作用力越大;他們還證明膝關節(jié)負重會受到臨近球角度改變的影響。這項研究很重要,因為它是當時文獻中唯一有提供支撐腳運動相關數據的一份報告。3.光電數據處理方法的應用上述研究都使用了某種形式的可視記錄數據(電影膠片或錄像),并通過手工數字化的過程獲得代表身體關節(jié)的有關三維坐標。這是一個費時的過程,這也導致他們在研究中只能調查一小部分的受試者。在另一運動技能(垂直跳躍),瑞達諾(Redano)和斯廓瓊斯(Squadrone)(2002)指出,若要建立一個代表這一系列描述這些運動的運動學和動力學變量穩(wěn)定的平均值,我們就需要記錄10個實驗痕跡。最近,在足球的踢中也被證實適用該理論(利茲等人2005年提出),因此,需要大量的交叉學科試驗組合,以便確定一個技能的定義和特征。唯一能做到這點的只能是使用光電數據收集系統(tǒng)。光電數據采集系統(tǒng)依賴于視頻攝像機技術來檢測從附著在關節(jié)上反射來的光線。通常紅外線燈的使用不會干擾到受試者的表現,同時六個到八個攝影機同時記錄以確保能各個角度全面捕捉到目標球體?；诂F代視頻技術,相機幀頻限制不再是一個難題,一個典型的采樣率是240赫茲的幀頻。在這個系統(tǒng)下,目標球體被安置在肢體或關節(jié)上,軟件中也會有特別程序,用來測算關節(jié)中心的位置(手動數字化的情況下,若關節(jié)中心是由操作員估算的可能會導致大的測量錯誤)。光電數據采集系統(tǒng)在踢的分析中還是最新才采用的,我們必須要使運用該系統(tǒng)得出的數據與使用傳統(tǒng)電影視頻手段采集的數據具有可比性。利茲(Lees)等人2004年研究的目標是使用光電運動分析系統(tǒng),三維量化踢球腿、軀干和在用腳背踢足球時的運動學特征,并評估是否適合用于以數據自動采集手段分析踢的動作。他們的報告與萊文農(Levanon)和戴普納(Dapena)1998年在類似主題上得出的關于盆骨的回縮角度的結論相類似,但調查結果要明顯大于利茲(Lees)和諾蘭(Nolan)(2002)針對職業(yè)球員調查所得的結果。相應的髖關節(jié)和膝關節(jié)的運動速度也比職業(yè)球員的要快。但是,更快的髖關節(jié)和膝關節(jié)的運動速度并不意味著更快的腳部運動速度,這可能是復雜的膝關節(jié)肌肉運動和協(xié)調的限制所引起的。關于這一方法,作者報告中指出在踢技巧的調查中運用光電方法似乎更穩(wěn)健和更適合,除了踢球腿周邊的信息外,我們也必須全力確保所有目標能清楚地進行跟蹤。肖恩(Shan)和韋斯特霍夫(Westerhoff)2005年發(fā)現上身在踢這個運動中起著一個非常重要的作用。他們用全身模型和光電三維運動捕捉系統(tǒng)以計算選定的全身運動學參數。具體來說他們計算軀干,肩,肘,髖關節(jié),膝關節(jié),踝關節(jié)范圍的運動學參數。他們的主要結論是:職業(yè)球員非踢球腿一邊手臂的肩關節(jié)彎曲/伸展,外展/內收的角度運動范圍更大。這意味著踢球腿相反方向側面的手臂在踢的有效性中發(fā)揮著重要的作用。肖恩(Shan)和韋斯特霍夫(Westerhoff)的報告中指出有經驗的球員和新手球員相比臀部,膝蓋和腳踝的運動范圍更大,也表示有經驗的球員有更好的動作協(xié)調能力,這使他們整個身體形成有一個更大的延展收縮圈。踢球腿及其相反方向側面的手臂同時拉開可以使整個盆骨肩關節(jié)區(qū)域伸展。相反地,當踢球腿和其相反方向側面的手臂反方向運動,則會導致整個盆骨肩關節(jié)區(qū)域的收縮。這兩個重要的運動原則在職業(yè)球員運動員中得到了有效的驗證。光電手段快速采集數據方法的出現,使研究人員可以利用這一技術研究有關踢的動作。以前的研究條件不是受限于低測試者的數量或數據,就是受限于較低的有效樣本率。上文中也提到穩(wěn)定的技能定量描述至少需要從10個實驗痕跡中得出,而用最大力量腳背踢的動作的運動學都沒有標準的數量,因此這對后來的研究者從受試者就能力、水平,年齡,性別或其他因素進行對比研究提供了可能。利茲(Lees)等人2008年關注該問題,他們邀請了10名有經驗的球員,每人完成10次實驗,以用240赫茲的三維分析系統(tǒng)采集數據并以960赫茲的頻率采集地面的反作用力。他們還開展了一個完整下半身分析,包括踢,支撐腿和盆骨的運動學分析,論述了關于三維角度解釋的理論問題,同時也利用這些數據使我們更深了解踢的技術,盡管該研究的報告具體細節(jié)不便在此展開,但它提供了一個關于用腳背踢球的綜合生物力學分析,相信該領域的研究者都會有興趣一讀。4.u3000對矛盾的作用利茲(Lees)(2003)分析了擲界外球技術的運動學特征,從那時開始,兩篇關于擲界外球的論文出現在當時的文獻資料中,這兩篇文章選定一些可能影響擲界外球效果的因素來深入研究。以前的研究基本都是研究助跑有助于擲界外球,利茲(Lees)(2005)等人對站立式和跑動式擲界外球進行動力學分析并報告了這兩種方式肩膀扭動的數據,他們發(fā)現球從頭后面向前推送的過程時肩膀就會發(fā)生扭矩,在跑動過程中這個現象就更明顯,相應的扭矩也會產生更大的推動力。更明顯的扭矩反應會在當球處在頭后部的肢體扭矩中產生,這就代表了上文所提到的踢運動中的延展收縮動作。身體向前的速度對“延展”這個動作十分有效。事實上,跑動中產生的用于增強延展收縮動作的反應扭矩與推動扭矩是這一性能的一個主要特征。德·卡爾尼斯(DeCarnys)和利茲(Lees)(2007年)對力量的作用做了進一步研究,該調查也研究了練習的作用。男女受試者均參加一個為期6周的鍛煉項目(a)加強肩膀和上身的力量條件;(b)重復練習;(c)作為對照組不干預,同時調查站立式和跑動式擲界外球的效果。6周以后控制組的表現完全沒有進步而兩個干擾組的成績有了一定