新规则下男子短道速滑起跑动作的运动学虚拟再现比较分析

王 帅，周继和

新规则下男子短道速滑起跑动作的运动学虚拟再现比较分析

王 帅，周继和

竞技体育运动成绩和能力的逐步提高对训练的科学化水平提出了更高的要求，其中对运动员的动作重现仿真是重要研究方法和手段；而3DVR(三维虚拟现实)技术以其较强的交互性、实时性和沉浸感受到了科研人员的青睐，成为科技服务流程中数据重建和演示环节的重要手段。短道速滑一直是我国传统优势项目,在短道速滑500 m比赛中,起跑阶段占据有利位置对比赛的整个进程有重要影响，如果能够抢先进入弯道，就可以为后续的滑跑阶段奠定良好的基础。2015年国际滑联修改短道速滑起跑规则后，起跑技术向多元化发展。本文用三维录像解析法对2016/17国际滑联短道速滑世界杯上海站500 m比赛中武大靖改用侧向式起跑动作和一直使用侧向式起跑动作的加拿大名将查尔斯·哈梅林的技术进行解析，获得运动学数据调入虚拟现实系统进行三维重建演示，从而进行比较分析。研究表明武大靖在本次比赛中起跑效果稍好于查尔斯，说明武大靖对新技术的学习及掌握能力较强，建议其训练过程中应注重起跑反应能力的练习，增大起跑技术动作的稳定性，同时应加强右侧下肢的力量性练习。

短道速滑；起跑；虚拟现实；武大靖；新规则

3D虚拟现实(3D Virtual Reality)是集计算机、图像识别、图形学等多学科集合为一体的综合技术，是可以进行人机交互、体验虚拟世界的计算机系统，在军事、游戏、医学等领域均有广泛应用[1-2]。竞技体育运动成绩和能力的提高对训练的科学化水平提出了更高的要求，其中对运动员的动作重现仿真是重要方法和手段。而VR技术以其较强的交互性、实时性和沉浸感受到了科研人员的青睐，成为科技服务流程中数据重建和演示环节的重要手段。短道速滑是冬奥会的正式比赛项目，也是我国的传统优势项目。 500 m是短道速滑中最短的比赛项目，与1 000 m和1 500 m比赛后程加速不同，500 m比赛中运动员均采用快速起跑和全程快速滑行策略。在起跑阶段快速起动占据有利的位置对比赛的整个进程有重要影响，如果能够抢先进入弯道，就为后续的滑跑阶段奠定了良好基础。研究表明，在短道速滑500 m比赛中，运动员进入第一个弯道时的位置和最后的排名有较大的相关性(r=0.59)[3-4]。

从运动训练学角度讲，短道速滑分属体能主导类速度性项群，也属于同场竞技类项群，其竞赛名次主要取决于运动员在比赛中的表现、对手在比赛中的表现及竞赛规则。2015年，为了减小起跑时冰刀对冰面的破坏程度，国际滑联对起跑规则作出了新的规定。与原来点冰式起跑不同，新规则要求运动员起跑时冰刀全部的刀刃必须在冰面上。规则的改变带来了动作技术的多元变化，运动员在比赛中运用的起跑姿势也分为内旋式、外旋式和侧向式。自“非点冰式起跑”实施以来，我国短道速滑队对起跑技术进行探究，因外旋式起动效果优于内旋式起跑，队员大都采用外旋式起跑；而欧美国家使用侧向式起跑技术的运动员居多。2016-2017赛季，武大靖尝试对自己的起跑姿势进行调整改进，采用侧向式起跑技术，成功的在该赛季世界男子500 m总积分榜上排名第1位，加冕年度总冠军；而加拿大运动员查尔斯·哈梅林(以下简称“查尔斯”)一直采用的是侧向式起跑技术。本文采用三维录像解析法对2016/17国际滑联短道速滑世界杯上海站男子500 m比赛进行现场拍摄，利用沉浸式三维虚拟现实系统对武大靖和查尔斯的起跑技术动作进行重建演示，对比分析两名世界顶尖级运动员起跑技术的异同，探究优秀短道速滑运动员侧向式起跑动作技术特征，以期为短道速滑科学训练提供理论依据和数据支持,为改进起跑动作技术提供参考建议。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

研究对象基本情况见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法 通过查阅中文全文期刊数据库、中国硕博论文库、sportdiscus数据库、超星数字图书馆等文献资料库以及利用百度、Google等搜索引擎获得有关短道速滑起跑技术研究方面的文献资料，对相关重要研究进行系统的分析和总结，为本文提供重要的信息源与技术支撑。

1.2.2 三维录像解析法 在2016/17国际滑联短道速滑世界杯上海站的比赛现场，使用2台JVC GC-PX10AC摄像机(拍摄频率为50帧/秒)对比赛进行定点三维摄像，两台摄像机主光轴夹角约60°(如图1所示)。运用3-D Signal TEC V1.0C三维录像解析系统对运动员的起跑技术进行数据解析，原始数据经低通滤波器平滑处理，截断频率为8 Hz(见图2)。

1.2.3 3D VR技术再现法 将录像解析获得的三维运动学数据导入虚拟现实系统，用以驱动人体模型(见图3)，精确的虚拟重现运动员的技术动作，通过360°无死角旋转对动作技术做出更精确的诊断，解决了传统摄相机存在视觉死角的问题，该系统可以实现同步点的标记以及各环节轨迹、速度的同步显示，提高技术分析水平。

图1 拍摄示意图(左)及现场标定图(右)

Figure 1 Shooting diagram (left) and on-site calibration chart (right)

图2 运动员比赛现场图(左)及解析棍图(右)

Figure 2 The game site (left) and analysis stick figure (right)

图3 3D人体模型

Figure 3 3D human body model

图4 实验室全景图(左)及示意图(右)

Figure 4 Laboratory panorama (left) and schematic (right)

2 研究结果及分析

2.1 动作时刻及阶段划分

短道速滑起跑是运动员从发令枪响后从静止状态到开始跑滑的过程。与田径短跑的起跑相同，其目的是使运动员在最短的时间、最短的距离内获得最大水平速度[5]。两名运动员先动腿均为右腿，在比赛中起跑位置均为第2起跑线1道，这也排除了不同的道次对运动员动作技术的影响。为了方便我们对起跑姿势进行对比分析，我们将运动员起跑第一复步的技术动作按照左右脚进行如下6个时刻划分：

T0—准备结束时刻(发令枪亮光时刻)； T1—右脚冰刀离开冰面时刻；

T2—右脚冰刀着冰时刻；T3—左脚冰刀离开冰面时刻；

T4—左脚冰刀着冰时刻； T5—右脚冰刀再次离开冰面时刻。

5个阶段：

T0—T1：准备阶段 ；T1—T2：左腿单支撑阶段；

T2—T3：第一次双支撑阶段；T3—T4：右腿单支撑阶段；

T4—T5：第二次双支撑阶段。

相关指标及定义：

躯干前倾角：两肩关节连线中点与两髋关节连线中点的连线与冰面的夹角。

稳定角：指重心垂直投影线(重力线)和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角。前稳定角是指重力线与前支撑点和重心连线的夹角。

后蹬角度：身体重心和蹬冰腿踝关节连线与冰面之间的夹角。在短道速滑的比赛中，蹬力主要由髋膝关节的伸展产生。短道速滑的技术难点在于将侧向蹬冰力量变为运动员向前的速度。有学者将“蹬冰角”定义为“蹬冰腿小腿与冰面的夹角”[6-7]，因膝关节的运动是在三维空间中产生的，具有6个自由度，即3个平移自由度和3个旋转自由度，结合三维虚拟现实系统，我们认为小腿与冰面的夹角并不能较好的反映运动员的蹬冰效果。蹬力FP由运动员前后方向上的力FX、左右方向上的力Fy和垂直方向上的力FZ合成。本文中用身体重心和蹬冰腿踝关节连线与冰面夹角定义的“后蹬角度”来描述运动员的蹬冰效果更切合实际，用“蹬冰角”分析动作有待商榷。

2.2 准备阶段运动学再现分析

表2 准备结束时刻(T0)运动学参数

准备阶段是从准备结束时刻到右脚冰刀离开冰面时刻的运动过程。良好的准备姿势有利于运动员更快的摆脱静止状态，运动员通过摆臂和蹬冰获得最初加速度和速度，右脚快速抬离冰面，左脚冰刀内刃快速向侧后方蹬伸。

在准备结束时刻(见表2)，武大靖和查尔斯的重心高度分别为0.88 m和0.72 m，虽然武大靖身材较高(见表1)，相比较而言查尔斯的重心高度较低。在蹬力相同的情况下，较低的重心高度使运动员前后方向分力增大，有利于获得更大的水平速度。短道速滑的起跑姿势属于不稳定性平衡，前稳定角小，可使运动员快速打破平衡，摆脱静止状态。由上表可知，武大靖的前稳定角(15.6°)小于查尔斯(17.8°)，有利于摆脱静止状态快速起动。相对于内旋式和外旋式起跑较小的前稳定角(13.3°)[6]，侧向式起跑前稳定角偏大，因此其更加稳定，减小了起跑时犯规的可能性。躯干前倾角减小5°，滑行成绩可以提高3 s[7]。躯干前倾角较大使重心升高，蹬冰向前分力减小，也会因增大截面积而使得滑行空气阻力变大；武大靖和查尔斯的躯干前倾角(36.4°、41.5°)和后蹬角度(43.6°、45.7°)均在合理范围内，武大靖两个指标均小于查尔斯，说明其滑行过程中空气阻力较小，蹬冰效果略胜一筹。躯干前倾角和后蹬角度对运动成绩有非常大的影响，且两指标接近能产生较大的后蹬力量[8]。两名运动员左右髋关节角度差异不大。从武大靖和查尔斯左膝关节角度分别为110.8°、98.1°，右膝关节角度分别为128.7°、142.9°，较小的右膝关节角度减小了武大靖右腿抬离冰面时的转动惯量，有利于右腿快速抬离冰面起动。

2.3 左腿单支撑阶段运动学再现分析

表3 右脚冰刀离开冰面时刻(T1)运动学参数

Table 3 Kinematic parameters of right foot leave ice moment (T1)

姓名重心高度(m)重心速度(m/s)躯干前倾角(°)后蹬角度(°)髋关节角度(°)膝关节角度(°)左右左右武大靖0．832．6640．738．290．1125．7112．9106．5查尔斯0．741．6343．241．391．8127．0112．8112．9

左腿单支撑阶段是从运动员右脚冰刀离开冰面时刻(T1)至右脚冰刀着冰时刻(T2)的运动过程。该阶段的主要目的是打破准备姿势的平衡状态，并获得足够的起跑动能，获得较高的初速度。

右脚冰刀离开冰面时刻(见表3)，武大靖和查尔斯的重心高度分别为0.83 m和0.74 m，与上一时刻相比，武大靖身体重心高度下降而查尔斯重心高度上升，说明武大靖较好的将重力势能转化为下肢的弹性势能。在此时刻武大靖的重心速度(2.66 m/s)明显高于查尔斯(1.63 m/s)，获得较大的起动速度。武大靖和查尔斯躯干前倾角分别为40.7°、43.2°；后蹬角度为38.2°、41.3°，两个指标武大靖均小于查尔斯。相比与准备结束时刻，在右脚离开冰面时刻，两名运动员躯干前倾角增大，后蹬角度减小，主要是因为左腿单支撑阶段，身体重心前移，而踝关节位置相对没有变化。武大靖和查尔斯左髋关节角度(90.1°、91.8°)、右髋关节角度(125.7°、127.0°)、左膝关节角度(112.9°、112.8°)、右膝关节角度(106.5°、112.9°)在此时刻无明显差异，与准备结束时刻相比，武大靖左膝关节角度无明显变化，而查尔斯膝关节角度增大，说明其左膝关节有一定幅度的蹬伸，这有可能是其重心高度变大的原因。

表4 右脚冰刀着冰时刻(T2)运动学参数

在左腿单支撑阶段运动员保持低重心，增大蹬伸幅度很重要。在右脚冰刀着冰时刻(表4)由于运动员左侧髋膝关节的蹬伸，在右脚冰刀着地时刻，武大靖和查尔斯重心高度较上一时刻均有所上升，分别达到0.93 m、0.85 m，两名运动员重心速度持续增加，分别达到3.42 m/s、3.07 m/s，为了适应不断增大的速度，运动员的躯干前倾角不断增大，分别为42.3°、46.0°，左髋关节角度分别为144.7°、138.4°，左膝关节角度分别为151.4°、129.3°，武大靖和查尔斯左腿单支撑阶段用时分别为0.14s和0.20s，研究表明该阶段用时与运动员最终成绩呈正相关，缩短左腿单支撑阶段的用时可以有效提高运动表现[7]，由此说明武大靖左腿肌肉爆发力要优于查尔斯。与上一时刻相比，武大靖和查尔斯左侧髋关节蹬伸幅度分别为54.6°、46.6°，左侧膝关节蹬伸幅度分别为38.5°、16.5°，武大靖在此阶段髋膝关节的蹬伸幅度大于查尔斯且用时较短，说明其蹬伸快速有力。武大靖和查尔斯右髋关节角度(100.7°、111.1°)、右膝关节角度(102.5°、109.7°)相差不大。

2.4 第一次双支撑阶段运动学再现分析

表5 左脚冰刀离开冰面时刻(T3)运动学参数

第一次双支撑阶段是从运动员右脚冰刀着冰时刻(T2)至左脚冰刀离开冰面时刻(T3)的运动过程。这个阶段运动员要继续保持低重心，右腿要快速蹬伸，提高速度。

武大靖在此阶段的用时为0.02 s，查尔斯用时为0.04 s，有文献提出第一次双支撑阶段时间对运动成绩的影响较小[7]，这有待商榷。因双支撑阶段由于运动员双脚冰刀均和冰面接触，增大了摩擦力，双支撑阶段的时间应尽量缩短。较短的用时可以减小运动员第一复步的时间，从而有利于运动员增加步频。

由表5可知，在左脚冰刀离开冰面时刻，武大靖和查尔斯的重心高度分别为0.94 m、0.86 m，重心速度分别为3.50 m/s、3.27 m/s，躯干前倾角分别为44.8°、48.6°。由于查尔斯在上一阶段左腿蹬伸幅度较小，其左侧髋关节角度(127.8°)和膝关节角度(114.4°)均小于武大靖的髋关节角度(143.5°)和膝关节角度(131.7°)，武大靖和查尔斯右髋关节角度(105.1°、108.8°)和右膝关节角度(102.8°、106.1°)相差不大。总体在此阶段武大靖动作比查尔斯做的好。

2.5 右腿单支撑阶段运动学再现分析

表6 左脚冰刀着冰时刻(T4)运动学参数

右腿单支撑阶段是运动员左脚冰刀离开冰面时刻(T3)至左脚冰刀着冰时刻(T4)的运动过程。这一阶段要求运动员在保持低重心时，重心尽快前移进入右腿蹬伸过程，提高向前运动速度。

单支撑阶段的蹬冰效果将直接影响运动员的起跑速度[8]，武大靖在该阶段用时为0.28 s稍长于查尔斯的0.20 s。在运动员左脚冰刀着冰时刻(见表6)，武大靖和查尔斯重心高度分别为1.00 m、0.95 m，重心速度分别为5.00 m/s、4.92 m/s，武大靖的重心高度和速度均大于查尔斯，提高重心速度是首要的。躯干前倾角分别为49.3°、51.9°；后蹬角度分别为45.4°、47.5°，这两参数也说明武大靖的蹬冰效果比较好。文献显示，蹬冰腿(该阶段为右腿)髋关节角度应在142°～175.8°之间[9]，武大靖和查尔斯右髋关节角度(172.6°、143.8°)虽相差较大，但均在合理范围内，右膝关节角度武大靖(148.4°)也要大于查尔斯(122.2°)，说明在右脚单支撑阶段，武大靖的右侧髋膝关节蹬伸幅度较大。两名运动员左髋关节角度分别为90.2°、88.0°；左膝关节角度分别为86.7°、91.5°。

在右腿单支撑阶段，武大靖虽蹬伸幅度大于查尔斯，但用时较长，与左腿单支撑阶段相比，查尔斯左、右单支撑阶段用时相同，均为0.20 s，而武大靖左腿单支撑阶段用时0.14 s，短于右腿单支撑阶段用时(0.28 s)，这说明武大靖左右两侧下肢力量不均衡，左侧下肢力量优于右侧，建议在今后的训练过程中加强右侧下肢力量练习。

2.6 第二次双支撑阶段运动学再现分析

表7 右脚冰刀再次离开冰面时刻(T5)运动学参数

Table 7 Kinematic parameters of right foot leave ice moment again(T5)

姓名重心高度(m)重心速度(m/s)躯干前倾角(°)髋关节角度(°)膝关节角度(°)左右左右武大靖1．015．1047．695．7173．284．2134．9查尔斯0．975．0352．392．4146．697．8110．4

第二次双支撑阶段是从左脚冰刀着冰时刻(T4)至右脚冰刀再次离开冰面时刻(T5)的运动过程。该阶段运动员重心降低，快速前移，为左脚蹬冰创造条件。

有文献研究该阶段用时和比赛成绩呈负相关[10]。武大靖和查尔斯该阶段用时无差异，均为0.06 s。当右脚冰刀再次离开冰面时，运动员起跑动作第一复步结束。从表7可知在此时，武大靖和查尔斯的重心高度分别为1.01 m和0.97 m，重心速度武大靖(5.10 m/s)大于查尔斯(5.03 m/s)且两人速度均达到最大值；查尔斯的躯干前倾角(52.3°)稍大于武大靖(47.6°)，有文献提到增大躯干前倾角可以较早的使运动员进入常规滑行[8]，也有研究表明较小的躯干前倾角可以使蹬冰更有利[10]。从生物力学理论讲，应该是较小的躯干前倾角更有利[11-12]。在左脚冰刀着冰时刻动作的影响下，右脚冰刀再次离开冰面时刻，两名运动员左侧髋关节和膝关节角度无太大差异。而右侧髋关节和膝关节角度，武大靖均比查尔斯高，说明武大靖蹬冰充分。

3 研究结论

通过对武大靖和查尔斯起跑技术动作进行运动学虚拟再现分析，我们得出如下结论：

(1)在准备结束时刻，查尔斯身体重心较低，有利于获得更大的水平速度。在此时刻，武大靖的躯干前倾角和后蹬角度均小于查尔斯，有利于打破平衡，快速起动；

(2)左腿单支撑阶段，武大靖左侧髋膝关节的蹬伸幅度要大于查尔斯，且用时较短，说明其蹬伸快速有力；

(3)右腿单支撑阶段，武大靖右侧髋膝关节蹬伸幅度较大但用时较长，与左腿单支撑阶段比较说明其左侧下肢力量优于右侧，建议其增强右腿力量性练习；

(4)右脚冰刀再次离开冰面时刻，运动员起跑第一复步结束；武大靖和查尔斯的重心速度分别为5.10 m/s、5.03 m/s，说明武大靖起动效果稍好于查尔斯；

(5)在起跑第一复步中，查尔斯重心高度不断上升，而武大靖是先降低再升高，比较而言，武大靖降低重心高度有利于其预先拉长下肢肌肉，储存更多的弹性势能，从T1时刻-T6时刻，武大靖的速度均高于查尔斯，说明其获得了较好的起跑效果。

综上所述，武大靖在本次比赛中部分起跑技术参数及效果稍好于查尔斯，说明其对新技术的学习及掌握能力较强，建议其训练过程中应注重起跑反应能力的练习，增大起跑技术动作的稳定性，同时应加强右侧下肢的力量性练习。

[1] 纪庆革，潘志庚.虚拟现实在体育仿真种的应用综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003(15)：1333-1336.

[2] 刘衡，冯婷.基于虚拟现实技术的体育教学模式的实践与思考[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2013(12)：649-652.

[3] 鲁家琪．我国男子500m速度滑冰优秀运动员疾跑技术的运动学研究[J]．体育科学，2005(3):51-57.

[4] 裴玉霞，鲁家琪，王新．对中、日男子速滑运动员500m比赛起跑动作的比较研究[J]．冰雪运动，2005(1)：1-2;8.

[5] 鲁家琪．对优秀速滑运动员于凤桐起跑技术的运动学分析[J]．冰雪运动，2004(8)：1-2.

[6] 王超.优秀短道速滑运动员起跑阶段技术研究[D].金华：浙江师范大学，2015.

[7] 刘珊.世界优秀短道速滑运动员500m起跑动作生物力学分析[D].北京：北京体育大学，2010.

[8] 鲁家琪，王新．对男子速滑运动员500m起跑姿势的研究[J]．哈尔冰体育学院学报，2006，(4)：127-129.

[9] 郭玉良，何天宇，秦朝秋．少年短道速滑运动员入弯道右腿蹬冰技术的运动学研究——以2009年黑龙江省短道速滑锦标赛中屯台河籍女子运动员为分析对象[J]．吉林体育学院学报，2012(5)：58-61.

[10] 郭玉良，王尔，倪洪飞．男子短道速滑运动员500m比赛第1次出弯道左腿蹬冰技术的运动学比较研究[J]．冰雪运动，2003,(1):22-25.

[11] 徐晓阳,纪仲秋.运动生物力学[M].桂林:广西师范大学出版社,2000：189.

[12] 运动生物力学教材编写组.运动生物力学[Z].北京:高等教育出版社,1988：87.

(编辑 李新)

Virtual Kinematic Reconstruction of the Start Action of Elite Male Short Track Speed Skaters under New Rules: A Comparison Analysis

WANG Shuai, ZHOU Jihe

The gradual improvement of athletic performance and ability of sports has given rise to higher requirements for the scientific level of training, among which the simulation of athlete 's action is an important research method.Short track speed skating has always been a traditional advantage project inChina. In the competition of 500mshort track speed skating, occupying a good position in the starting phase has an important influence on the whole process of the competition,which can make the athlete enter the corner in advance and thus successfully complete the acceleration phase.The International Skating Union (ISU)changed the rules of start action,as a result various starting actions emerged.Wu Dajing(Champion of Men's 500m in 2016/17 Season),an athlete onthe National Short Track Speed Skating Team, changed his technique of start action and become the only one using lateral type start action in the team.Using the three-dimensional video analysis this paper analyzed the kinematics parameters of start action of Wu Dajing and Canadian athlete Charles Hamelin ,who has been using the lateral starting action, at the 500m competition of 2016/17 ISU World Cup in Shanghai, indicating that technical parameters of the start action of Wu Dajing (center of gravity, trunk angle, pedal ice angle, lower limb joint angle, etc.) are better than that of Charles, and his pedal effect is better than Charles too. It shows that Wu Dajing has a good learning ability of the new technology, it is recommended that he should focus on improving the stability of start actionin the training.

shorttrackspeedskating;startaction;virtualkinematicreconstruction;WuDajing;newrules

G804.6 Document code：A Article ID：1001-9154(2017)04-0105-06

国家体育总局重点领域课题“应用沉浸式三维虚拟现实技术建立模拟运动技术及比赛环境的训练测试系统的研究”(2014B015)；国家体育总局冬季运动管理中心服务课题“国家短道速滑队科技攻关与服务(生物力学组)”(D60020307)。

王帅，成都体育学院在读博士研究生，研究方向：运动项目教学训练理论与实践

周继和，教授，博士生导师，E-mail：jihezhou123@163.com。

成都体育学院，四川 成都，610041 Chengdu Sport University,Chengdu Sichuan 610041

2017-03-17

2017-05-07

G804.6

A

1001-9154(2017)04-0105-06