足球运动的三维分析3d

足球运动的三维分析3d

足球运动在世界各地很流行。随着科学技术的进步和发展，从深刻的角度来看，这项工作揭示并解释了足球技术的本质。本文从足球生物力学的过程出发，了解国外足球生物力学研究的进展情况，为国内足球生物力学研究者提供一些有益的参考。1.正脚背毛细效应的研究利兹(Lees)和诺兰(Nolan)(1998)曾经回顾了多项2D研究,他们的研究成果非常有现实意义:(1)对从儿童到成人这一阶段踢的技巧的一般特征演化进行了定义;(2)给发现球的最大速度(介于20至30m/s)提供了很多有价值的信息;(3)阐明足球运动间互动影响的本质(球的初速度是踢球脚的速度的约1.2倍);(4)提供踢球腿线性运动学的相关数据(脚踝,膝盖和髋关节的速率);(5)说明踢球腿的角运动学(切分性相互影响作用);(6)报告踢球腿中的角运动学(脚踝,膝盖和髋关节中的力矩连接点);(7)记录地面对支撑腿在踢球时的反作用力。以上结论在利兹(Lees)2003年发表的论文中有更为详细的说明。关于上文所提到问题的研究,已经给我们在最大程度上理解用正脚背踢球提供了非常有用的基础性相关知识,但是我们也要记住,提供这些信息的作者进行分析研究所用的设备是十分有限的。通常使用电影拍摄分析法来收集信息,而且往往采用比较低的帧速率(例如64Hz)。电影拍摄法就其本质上来说仅能提供二维视图分析,在当时大多数研究者既没有设备,也没有分析技能能够超越二维方法进行分析。但是二维分析的速率限制是最容易克服,更先进的高速摄影机(帧速率达到和超过200Hz)的使用使得可靠的记录的取得成为可能。这些相机设备往往比较昂贵,但录像机技术的不断提高给我们提供了一个更便宜的选择。录像最直接的不利因素即是它的低帧率(50或60赫兹),这一般不能适用于像踢球这样的快速技巧。高速录像系统已经开发出来了,但这些设备与高速胶片拍摄相机一样昂贵。某项技能三维重现的方法是由阿尔伯阿利兹阿齐兹(Adbel-Aziz)和卡拉拉(Karara)在1971建立的,但该方法只在20世纪90年代初开始才开始运用到运动技能分析中来。这是由于多个摄像机的成本和实现该方法的合适的计算机运算程序的研发都是十分昂贵的。该方法需要两个或两个以上的二维电影胶片(或视频)的记录,从记录的每个视图的坐标中找出可以进行三维重现的联合标记的位置。这是一个耗时的过程,我们需要在许多帧,至少是两个摄影机记录的视图中找出每个帧里需要的点并进行手工电影数字化。然而,生物运动学家对在大众运动技巧里应用这些新的研究技术十分感兴趣,特别是最常见的这个动作——用脚背踢。大多数使用该方法得出的报告都是不完整,一般来说,它们都没有能够确定踢这个动作的三维本质,即臀部,躯干和肩部旋转的关键特征。2002年,利兹(Lees)和诺兰(Nolan)进一步对这些限制进行了评价与说明。2.脚背脚脚运动的研究随着适当的三维运动技巧分析技术设备的普及,自上世纪90年代末起更详细的分析报告出现在了当时的文献资料中。一般来说,这些研究都包含适当的方法,详细的数据资料,包括对某项技巧的三维关注和对一个完善分析结果的讨论。运动学分析在当时的文献资料中被首次提出,莱文农(Levanon)和戴普纳(Depena)(1998)针对熟练业余球员的报告中就写到了运动学描述和关于在用腿踢这个运动中最常见用脚背踢和用脚的侧面踢这两个动作的比较。他们用双胶片配置、像素高达200赫兹帧频的相机对此做出记录。同时,报告中,他们以脚踝,膝盖关节及臀部为轴心组成三个平面并给出了关于踢这个动作的一系列全面的数据(弯曲/伸展,外展/内收,内/外旋转)。他们也提出了迄今在文献中唯一出现的关于骨盆在踢中的运动方向的数据。不出所料,研究人员发现用侧脚踢比用正脚踢要慢,而且小腿向外倾斜的角度更多(给球一个侧踢的力)。这项研究的价值在于它精确报告了从实验获得的关于踢球腿运动学的三维数据。因此,它应被视为在这个领域具有里程碑意义的报告。奴诺姆(Nunome)等人在2002年也对用脚背踢和侧脚踢的研究产生了兴趣,他们的论文还报告了熟练业余球员踢的腿关节的动力学特征。自利兹(Lees)和诺兰(Nolan)在1998年做了关于踢的动力学的二维分析之后,同类的论文消失在当时的文献资料中。在奴诺姆和同事的研究中,作者依旧采用了双胶片配置、像素高达200赫兹帧频的相机来采集一下关节运动的数据:脚踝(约35Nn背屈,15Nm的倒转);膝盖(约100Nm的延伸,15Nm的外部旋转)和髋部(约280Nm的延伸,40Nm外旋,100Nm内收)。脚背踢和侧踢之间的微小差异十分明显,侧踢中不管脚的速度还是向外旋转的速度都比较慢。此研究的价值在于它最早全面和严格地提供了关于踢的三维动力学的数据。利兹(Lees)和诺兰(Nolan)(2002)调查了职业球员在他们加快踢的速度时,那些踢的主要特征变量的变化情况。踢球时如果采用标准示范的动作进行踢球,那么踢出去的球精确度增加,踢的速度就下降。他们用一个以100Hz运行的双胶片相机系统记录并得出以下结论:(1)虽然运动员的运动模式表现出很高的协调性,但在精度条件操控下的更慢更精确的运动,表现出更高的协调性。(2)球的速度的增加与骨盆,髋关节和膝关节运动速度增加幅度有关。这意味着更大范围的关节运动对提高球的速度正相关。奴诺姆(Nunome)等人在2006年扩展他们先前的研究,再次选用双胶片配置、像素高达200赫兹帧频的相机在一部分熟练的业余球员中的实验来探讨优势和非优势脚运动中的运动学以及相关的运动学特征。他们把球的运动速率分别为32米/秒和27米/秒,脚的速率分别为22米/秒和20米/秒作为优势和非优势脚区分。性能上的差异应归因于优势脚的速度更快,相应地也与膝盖肌肉运动速度增加相关。他们得出结论:专业足球运动员的优势脚性能更优越是与力量有关,而不是协调性。当然,在业余球员中情况可能有所不同。上述研究都专门集中在研究腿在最大力量踢时的情况。凯利斯(Kellis)等人在2004年以三维运动学研究熟练业余选手的支撑腿临近球的角度对踢这个动作的影响。他们用以120赫兹运行的双视频摄像系统进行拍摄。他们还研究了地面的反作用力和临近球角度对踢的影响问题。研究得出结论,临近球的角度对球的速度没有作用,这与埃索卡娃(Isokawa)和利兹(Lees)在1988年提出的报告恰恰相反。他们的报告指出临近球角度越大,支撑腿中间外侧的地表反作用力越大;他们还证明膝关节负重会受到临近球角度改变的影响。这项研究很重要,因为它是当时文献中唯一有提供支撑脚运动相关数据的一份报告。3.光电数据处理方法的应用上述研究都使用了某种形式的可视记录数据(电影胶片或录像),并通过手工数字化的过程获得代表身体关节的有关三维坐标。这是一个费时的过程,这也导致他们在研究中只能调查一小部分的受试者。在另一运动技能(垂直跳跃),瑞达诺(Redano)和斯廓琼斯(Squadrone)(2002)指出,若要建立一个代表这一系列描述这些运动的运动学和动力学变量稳定的平均值,我们就需要记录10个实验痕迹。最近,在足球的踢中也被证实适用该理论(利兹等人2005年提出),因此,需要大量的交叉学科试验组合,以便确定一个技能的定义和特征。唯一能做到这点的只能是使用光电数据收集系统。光电数据采集系统依赖于视频摄像机技术来检测从附着在关节上反射来的光线。通常红外线灯的使用不会干扰到受试者的表现,同时六个到八个摄影机同时记录以确保能各个角度全面捕捉到目标球体。基于现代视频技术,相机帧频限制不再是一个难题,一个典型的采样率是240赫兹的帧频。在这个系统下,目标球体被安置在肢体或关节上,软件中也会有特别程序,用来测算关节中心的位置(手动数字化的情况下,若关节中心是由操作员估算的可能会导致大的测量错误)。光电数据采集系统在踢的分析中还是最新才采用的,我们必须要使运用该系统得出的数据与使用传统电影视频手段采集的数据具有可比性。利兹(Lees)等人2004年研究的目标是使用光电运动分析系统,三维量化踢球腿、躯干和在用脚背踢足球时的运动学特征,并评估是否适合用于以数据自动采集手段分析踢的动作。他们的报告与莱文农(Levanon)和戴普纳(Dapena)1998年在类似主题上得出的关于盆骨的回缩角度的结论相类似,但调查结果要明显大于利兹(Lees)和诺兰(Nolan)(2002)针对职业球员调查所得的结果。相应的髋关节和膝关节的运动速度也比职业球员的要快。但是,更快的髋关节和膝关节的运动速度并不意味着更快的脚部运动速度,这可能是复杂的膝关节肌肉运动和协调的限制所引起的。关于这一方法,作者报告中指出在踢技巧的调查中运用光电方法似乎更稳健和更适合,除了踢球腿周边的信息外,我们也必须全力确保所有目标能清楚地进行跟踪。肖恩(Shan)和韦斯特霍夫(Westerhoff)2005年发现上身在踢这个运动中起着一个非常重要的作用。他们用全身模型和光电三维运动捕捉系统以计算选定的全身运动学参数。具体来说他们计算躯干,肩,肘,髋关节,膝关节,踝关节范围的运动学参数。他们的主要结论是:职业球员非踢球腿一边手臂的肩关节弯曲/伸展,外展/内收的角度运动范围更大。这意味着踢球腿相反方向侧面的手臂在踢的有效性中发挥着重要的作用。肖恩(Shan)和韦斯特霍夫(Westerhoff)的报告中指出有经验的球员和新手球员相比臀部,膝盖和脚踝的运动范围更大,也表示有经验的球员有更好的动作协调能力,这使他们整个身体形成有一个更大的延展收缩圈。踢球腿及其相反方向侧面的手臂同时拉开可以使整个盆骨肩关节区域伸展。相反地,当踢球腿和其相反方向侧面的手臂反方向运动,则会导致整个盆骨肩关节区域的收缩。这两个重要的运动原则在职业球员运动员中得到了有效的验证。光电手段快速采集数据方法的出现,使研究人员可以利用这一技术研究有关踢的动作。以前的研究条件不是受限于低测试者的数量或数据,就是受限于较低的有效样本率。上文中也提到稳定的技能定量描述至少需要从10个实验痕迹中得出,而用最大力量脚背踢的动作的运动学都没有标准的数量,因此这对后来的研究者从受试者就能力、水平,年龄,性别或其他因素进行对比研究提供了可能。利兹(Lees)等人2008年关注该问题,他们邀请了10名有经验的球员,每人完成10次实验,以用240赫兹的三维分析系统采集数据并以960赫兹的频率采集地面的反作用力。他们还开展了一个完整下半身分析,包括踢,支撑腿和盆骨的运动学分析,论述了关于三维角度解释的理论问题,同时也利用这些数据使我们更深了解踢的技术,尽管该研究的报告具体细节不便在此展开,但它提供了一个关于用脚背踢球的综合生物力学分析,相信该领域的研究者都会有兴趣一读。4.u3000对矛盾的作用利兹(Lees)(2003)分析了掷界外球技术的运动学特征,从那时开始,两篇关于掷界外球的论文出现在当时的文献资料中,这两篇文章选定一些可能影响掷界外球效果的因素来深入研究。以前的研究基本都是研究助跑有助于掷界外球,利兹(Lees)(2005)等人对站立式和跑动式掷界外球进行动力学分析并报告了这两种方式肩膀扭动的数据,他们发现球从头后面向前推送的过程时肩膀就会发生扭矩,在跑动过程中这个现象就更明显,相应的扭矩也会产生更大的推动力。更明显的扭矩反应会在当球处在头后部的肢体扭矩中产生,这就代表了上文所提到的踢运动中的延展收缩动作。身体向前的速度对“延展”这个动作十分有效。事实上,跑动中产生的用于增强延展收缩动作的反应扭矩与推动扭矩是这一性能的一个主要特征。德·卡尔尼斯(DeCarnys)和利兹(Lees)(2007年)对力量的作用做了进一步研究,该调查也研究了练习的作用。男女受试者均参加一个为期6周的锻炼项目(a)加强肩膀和上身的力量条件;(b)重复练习;(c)作为对照组不干预,同时调查站立式和跑动式掷界外球的效果。6周以后控制组的表现完全没有进步而两个干扰组的成绩有了一定