对世界优秀男子网球运动员不同站位发球技术的运动学对比分析

刘 雨，周继和

（1.成都大学 体育学院，四川 成都 610106；2.成都体育学院，四川 成都 610041）

在网球的基本技术中，只有发球可由运动员自我控制和把握，具有很强的主观能动性，是唯一一项不受对手影响又能直接得分的技术。国内外对于网球发球技术的研究较多，近十余年约有400～500篇，国外发文量约是国内的2倍，主要集中在对肢体（上肢/下肢）、全身动作等方面的研究，而对于网球发球站位技术的研究较少。

网球比赛发球站位一般有上步式站位（foot-up，FU站位），分腿式站位（foot-back，FB站位）。梁冬梅等（2017）在综述中提到“发球过程中采用FB技术可获得较高的稳定性和较大的地面水平反作用力，而采用FU技术可获得较大的地面垂直反作用力”。Elliott等（1983）认为，FU发球可产生高速度，同时也有助于运动员获得较好的击球位置。而FB发球有助于发球上网者，产生较少的水平摩擦力而加快向前的速度。邹廷铸（2011）提出，FU站位能够获得更大的垂直地面反作用力，击球位置更高，有利于发球后迅速上网。然而，两种发球技术在球速上没有显著差异。Girard等（2010）使用Pedar足底压力鞋垫对10名运动员不同发球站位足底压力分布情况进行测试，研究表明，与FB站位相比，FU站位后足负载增大；不同的发球站位对足部负载影响显著。到底哪种站位动作发球更好，在国内外网球界有歧说。因此，对不同的发球站位进行研究具有重要的实践和理论意义。

衡量哪种站位发球更好，一般是看发球攻击性（球速、落点）和发球稳定性（动作连贯性、一发成功率）。发球攻击性是指运动员发球利用主观能动性破坏对方回击的能力，也就是根据对手站位而发出球的速度和落地点位置使对方容易失误。发球稳定性是指运动员发球动作动力定型的能力，从运动训练学的角度来看，稳定性是指运动员在实战中高质量重复再现训练中已获技战术的能力（陈万等，2012）。本文以运动员完成多次发球时，各运动学参数的标准差作为评价发球稳定性的指标，一般情况下，一个运动学参数的标准差越小，说明运动员完成这一技术细节的稳定性越好，但不能说明一个完整动作的稳定性好（Genevois et al.，2020；Mendes et al.，2013；Saku‐rai et al.，2013）。目前的研究多以技战术统计来说明发球的攻击性和稳定性（李亮等，2014；尹树来等，2016；张志华等，2011），诚然这些统计也能了解到一些问题，但只看到了发球结果的现象，未能进一步挖掘发球技术过程的内在原因。不少学者应用三维高速录像解析研究发球技术，基于数字分析动作有些抽象，动作同步不理想，尤其是对比分析，而虚拟现实（virtual reality，VR）技术的交互性、沉浸感、构想性对动作技术的了解深度和细致已超过三维录像解析获得的数据分析，所以，有必要采用VR技术进行探讨。因此，本研究应用三维高速录像拍摄了2018年成都网球公开赛的决赛，选取冠军托米奇（FU站位）和亚军弗格尼尼（FB站位）各7次发球动作技术解析获得运动学参数，结合VR技术进行对比分析，以期研究两种站位方式的特征，为网球运动员改进发球技术、提高发球质量提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究以2018年成都网球公开赛冠军托米奇和亚军弗格尼尼的发球动作技术为研究对象，表1为两名运动员的基本信息。

表1 运动员基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

1.2 研究方法

本研究使用三维录像解析法获得运动学参数，进而结合VR技术再现法进行对比分析。

1.2.1 三维录像解析法

在2018年成都网球公开赛比赛现场使用两台日本JVC GC-PX10AC高速摄像机（拍摄频率50帧/s）对男子单打决赛进行同步三维拍摄（图1），使用星高钛（型号：081103）24点星型辐射框架在比赛场地进行空间标定，通过直接线性变换（direct linear transformation，DLT）建立像点坐标与物点空间坐标关系式。两名运动员发球成功的解析录像筛选标准为：1）在裁判椅右侧的右区一发；2）发球时速在170 km/h以上。采用3D-Signa1Tec三维录像解析系统，选用欧洲Dempster数学人体模型（21个关节点，16个环节），根据研究需要解析时添加了球拍顶端、球两个测试点以及球拍环节（图2），运用低通数字滤波器对解析后的数据进行平滑处理，截断频率为8 Hz。

图1 摄像机位置示意图Figure 1.Schematic Diagram of Camera Position

图2 人体模型示意图Figure 2.Schematic Diagram of Human Body Model

1.2.2 VR技术

VR技术是一门综合性信息技术，它融合了计算机图形学、多媒体技术、传感技术、人工智能技术、并行处理技术等多项信息技术分支的最新发展成果（尚晓军，2003）。本研究主要采用3D摄像解析结合VR技术的桌面虚拟现实，所使用VR系统是自主科研成果。先在比赛中拍摄网球运动员的发球技术图像，解析出三维运动学数据，获得组成虚拟现实图像关键点的空间坐标，再用3D虚拟现实制作软件制作模拟内容的图像。在模拟内容的连续系列图像的关键事件的时间位置，制作添加同步图像信号。VR系统驱动3D模型三维虚拟重建，进行精确同步及360°的旋转对比，这样可以更准确地分析运动员的发球动作技术。

2 研究结果与分析

2.1 发球动作时刻和阶段的划分

为了便于运用VR技术三维动画再现形式进行运动学对比分析，将运动员发球动作技术结构划分为4个时刻和3个阶段。4个时刻为T1：球与球拍分离时刻；T2：左膝关节屈曲最大时刻；T3：球拍在身后最低点时刻；T4：球拍触球时刻（图3）。3个阶段：T1～T2为抛球举拍阶段；T2～T3为向后引拍阶段；T3～T4为挥拍击球阶段。

图3 发球动作中T1～T4时刻示意图Figure 3.Schematic Diagram of T1～T4 in Serve Technique

2.2 抛球举拍阶段的运动学对比分析

抛球举拍阶段（右手持拍）是球与球拍分离时刻（T1）至左膝关节屈曲最大时刻（T2）的运动过程。目的是把球稳定准确地抛向最高点，使参与发球动作的相关肌群预先储存弹性势能，形成爆发用力前良好的身体准备姿势。

托米奇采用FU站位，右脚稍后，发球过程中靠近左脚；弗格尼尼采用FB站位，发球过程中两脚位置不变（图4）。

图4 托米奇和弗格尼尼的发球站位Figure 4.Serving Position of Tomic and Fognini

2.2.1 抛球的运动学对比分析

抛球位置应该在身体的右前上方（严波涛等，2000），在右是为了当躯干转向球网向前挥拍击球时，球能落在球拍的正前方，在前是因为人体向前挥拍击球时，身体会产生向前水平位移，可以加长球拍的工作距离。合理的抛球位置决定了在球离手时刻抛球手的肩角至少大于90°。VR重建动作观察发现，在球离手时刻托米奇采用FU站位的目的是增加击球高度，抛球手未伸进球场内而在底线上方，左肩关节角为154.4°；弗格尼尼采用FB站位的目的是击球点靠前，抛球手伸进球场内超过底线，左肩关节角为138.5°。由于不同站位方式动作技术结构不同，造成托米奇左肩关节角比弗格尼尼左肩角大15.9°。在球离手时刻，托米奇左肘角为172.0°，弗格尼尼左肘角为175.3°，说明两人左肘伸展较充分，有利于运用手臂上举将球平稳地向上抛出。托米奇抛球离手高度与身高的比值略大于弗格尼尼（表2），同时球离手速度更快，为5.02 m/s，托米奇的球离手高度和球最高点高度更为合理，但球离手高度和球离手速度两个参数的标准差相比弗格尼尼稍微偏大，稳定性欠佳。

表2 抛球运动学参数Table 2 Kinematics Parameters of Throwing Ball

2.2.2 左膝关节屈曲最大时刻的运动学对比分析

左膝关节屈曲最主要的目的是通过下肢伸肌群在离心收缩状态下的拉伸，增大肌肉收缩的初长度，并储备弹性势能（Walshe et al.，1998），同时为向后引拍动作提供良好的身体姿势和用力状态。在左膝关节屈曲最大时刻，托米奇采用FU站位，左、右膝向前屈曲，并同时完成了右脚向左脚靠拢的上步动作，左、右膝角分别为123.1°和134.2°；弗格尼尼采用FB站位，左、右膝向前屈曲，但左右脚位置不变，左、右膝角分别为126.8°和139.6°。托米奇左膝角和右膝角均小于弗格尼尼，因此，托米奇的相对重心高度比弗格尼尼下降更多（绝对高度托米奇高0.081 m），托米奇借助右脚上步的动作，使得重心速度快于弗格尼尼（表3）。基于以上分析认为，托米奇更好地完成了下肢屈曲动作，有利于膝关节更好地储存弹性势能，为蹬伸准备了足够的做功距离，但用标准差来评定稳定性，显然测得托米奇动态动作的膝关节运动学参数稳定性不如静态动作的膝关节运动学参数的稳定性。尽管存在动作的不稳定性（严波涛等，2001），但由于FU站位发球开始右脚上步，人体获得动能，根据机械能守恒定理，通过下肢制动弯曲，动能转化为下肢肌肉弹性势能储存起来，紧接着起跳再释放，起跳效果比FB站位更好，有利于获得较大的地面垂直反作用力，增加身体重心垂直位移的高度。

表3 左膝关节屈曲最大时刻的运动学参数Table 3 Kinematic Parameters at the Moment of Maximum Flexion of the Left Knee Joint

2.3 向后引拍阶段的运动学对比分析

向后引拍阶段是左膝关节屈曲最大时刻（T2）至球拍在身后最低点时刻（T3）的运动过程，人体双脚离地时刻在该阶段运动过程中。

整个动作应用相向运动原理，下肢向上蹬伸向前挺髋，下肢与躯干产生向前向上力量与速度，向击球方向快速扭转，同时肩部和肘部向后拉伸，拍头向下延长球拍的工作距离，最终形成“超越器械反弓”动作，有利于持拍手完成鞭打动作，为挥拍击球阶段做好准备。

2.3.1 双脚离地时刻下肢的运动学对比分析

在左膝关节屈曲最大时刻至双脚离地时刻动作过程中，无论采用FU站位还是FB站位，两名运动员的右脚都已经向击球方向转动，向左脚靠拢。从左膝关节屈曲最大时刻至双脚离地时刻，托米奇用时为0.18 s，弗格尼尼用时为0.20 s。从表4可知，在双脚离地时刻，托米奇右髋角速度为245.6°/s，弗格尼尼右髋角速度为 225.0°/s，VR重建动作观察发现，托米奇在该动作过程中用时更短，右髋角速度更快，说明右髋在水平面上朝击球方向转动的幅度更大，有利于增加下肢向击球方向的转动速度和力量。

表4 双脚离地时刻下肢和重心的运动学参数Table 4 Kinematic Parameters of the Lower Limbs and the Center of Gravity at the Time of Feet Taking Off

膝关节蹬伸幅度是指从左膝关节屈曲最大时刻至双脚离地时刻膝关节角度增大的幅度，可以反映运动员膝关节蹬伸的大小。在双脚离地时刻，托米奇的左膝蹬伸幅度为53.6°，右膝蹬伸幅度为41.8°，两个参数均明显大于弗格尼尼（表4）。VR重建动作观察发现，一是因为在左膝关节屈曲最大时刻，托米奇的左膝角和右膝角都小于弗格尼尼，为后续膝关节的蹬伸获得了空间，使得左、右膝蹬伸幅度更大；二是因为托米奇采用FU站位，右脚上步把储备的弹性势能转化为动能，相比弗格尼尼原地起跳获得了更快的重心速度，起跳高有利于增加击球高度，从而提高发球的攻击性和成功率。托米奇和弗格尼尼的重心速度分别为1.81 m/s和1.58 m/s（表4），明显快于左膝关节屈曲最大时刻（1.07 m/s、0.90 m/s）（表3），这是运动员向后引拍阶段各环节协同作用的结果。

在左膝关节屈曲最大时刻，两名运动员的左膝角都小于右膝角，说明在抛球引拍阶段左腿为两名运动员的主要支撑腿。在向后引拍阶段，左膝蹬伸幅度更大，说明左腿是主要用力腿，托米奇左膝角和左膝蹬伸幅度的稳定性略好于弗格尼尼，也为提高击球高度的稳定性奠定了基础。

从图5可知，在双脚离地时刻，托米奇球拍还在头部，说明托米奇离地后才完成的“超越器械反弓”动作。这是否是FU站位的特点，值得深入研究，而弗格尼尼此刻球拍已在身后最低点。

图5 托米奇（左）、弗格尼尼（右）双脚离地时刻Figure 5.Feet off the Ground Moment of Tomic(Left)and Fergnini(Right)

2.3.2 球拍在身后最低点时刻持拍手臂的运动学对比分析

在向后引拍阶段，持拍手也是形成“超越器械反弓”动作的重要组成部分。肩部是发球动作模式动力链上一个极其重要的环节，肩部的灵活性、柔韧性以及力量传导效率会直接影响动力链的力量传递效果（刘畅等，2018）。理论上说，拍头最低点高度低于重心高度一方面可以使肩关节和腹部肌群充分拉长（蒋川，2009），以提高肌肉爆发式收缩力，另一方面可以延长球拍的做功距离，获得更快的挥拍速度。球拍在身后最低点时刻，弗格尼尼右肘角为49.8°，明显小于托米奇的57.3°，弗格尼尼的拍头最低点高度为1.193 m，比重心高度高0.032 m，托米奇的拍头最低点高度为1.328 m，比重心高度高0.082 m（表5）。尽管弗格尼尼拍头最低点高度更低，更接近重心高度，但弗格尼尼球拍在身后最低点时刻到挥拍击球最高点的工作距离是1.27 m，托米奇是1.46 m。当然，托米奇比弗格尼尼身高高了0.18 m也占了优势。如托米奇向下引拍的动作幅度更大，动作效果可能会更好。

表5 球拍在身后最低点时刻拍头的主要运动学参数Table 5 The Main Kinematic Parameters of the Racket Head at the Lowest Point

2.4 挥拍击球阶段的运动学对比分析

挥拍击球阶段是球拍在身后最低点时刻（T3）到挥拍触球时刻（T4）的运动过程。这个阶段要求运动员的下肢往前摆动，与此同时，以肩关节为轴带动大小臂、手腕、拍头向前上挥拍击球，运动员上下肢做相向运动。挥拍击球阶段的目的是将身体形成“超越器械反弓”动作，完成持拍手臂鞭打动作，使全身各环节的动量传递至拍头，使拍头以最快的速度击球。

2.4.1 击球姿势的运动学对比分析

运动员由下至上各环节角度增大并协调配合，得以实现下肢充分蹬伸，躯干向前向上舒展，持拍手臂完成鞭打动作。由表6可知，在球拍触球时刻，托米奇的左右膝角、左右髋角分别为172.9°、174.4°、172.4°、173.2°，弗格尼尼的左右膝角、左右髋角分别为 172.7°、174.5°、172.3°、172.9°，两名运动员的膝角和髋角均较大，说明下肢蹬伸充分，运动员向上伸展可以获得一定的重心速度。

托米奇的右肩角、右肘角分别为170.2°、176.0°，弗格尼尼的右肩角、右肘角分别为165.8°、173.6°，托米奇的右肩角和右肘角较大，说明其持拍手臂伸的比较直，以便球拍在高速度下高位置处击球。在挥拍触球时刻，托米奇各环节角度的标准差均比弗格尼尼略小，说明托米奇完成击球鞭打动作较稳定。

2.4.2 击球位置的运动学对比分析

研究认为，击球点越高，发球成功率越高，但同一运动员所能达到的最高击球点是有限的，即在身体正上方击球时，击球点最高（蒋中伟，2000）。从表7可知，托米奇击球高度为2.783 m，弗格尼尼击球高度为2.464 m，以击球高度与身高的比值而言，托米奇的比值为1.420，弗格尼尼的比值为1.384，托米奇采用FU站位储存弹性势能效果好、蹬伸幅度大、重心速度快的优势，最终表现为获得了更理想的击球点（Brody，1987；Elliott et al.，1986），有利于提高发球攻击性。球最高点与击球点的垂直距离可以反映运动员完成鞭打动作的节奏。托米奇球最高点与击球点的垂直距离为0.485 m，弗格尼尼球最高点与击球点的垂直距离为0.548 m。托米奇采用FU站位获得了更大的地面垂直反作用力，争取到了更高的击球点，使击球动作更连贯。同时球最高点与击球点的垂直距离更小，击球高度的稳定性更高。相反，弗格尼尼球最高点与击球点的垂直距离大于托米奇，且稳定性更差，说明球在空中运行的距离越长，球下落的速度加快（Beerman et al.，1981），增加了运动员对击球时间和空间的判断难度，降低了击球高度的稳定性。抛球点与击球点的水平距离要适中，过近容易发过对方有效区，过远容易发到网下，弗格尼尼抛球点与击球点的水平距离（0.388 m）大于托米奇（0.307 m），在球拍触球时刻，弗格尼尼击球点多数更靠前，球拍击球点在甜区上缘。托米奇击球点在甜区，比弗格尼尼的击球位置更好（表7）。

表6 球拍触球时刻各环节角度的主要运动学参数Table 6 The Main Kinematic Parameters of the Angle of Each Link at the Moment of Racket Touching the Ball

表7 影响击球位置的主要运动学参数Table 7 The Main Kinematic Parameters which Affects the Position of the Ball

2.4.3 球拍触球时刻各关节速度的对比分析

在球拍触球时刻，两名运动员处于空中无支撑状态，均以髋为轴上肢（体）向下和下肢向上做相向运动，维持球拍触球时刻运动员的身体平衡。然而，持球拍还是一个鞭打动作，各个关节的用力顺序和协调配合非常重要。在发球用力过程中，大肌群最先发力，随后发展到小肌群用力，各关节间的速度递增，动量依次传递，使拍头获得更快的速度，产生更好的击球效果。在球拍触球前，两名运动员由下到上以人体右侧为例，各环节的速度递增顺序为右膝速、右髋速、右肩速、右肘速、右腕速、拍头速度，符合动量依次传递的鞭打原理。

由表8可知击球时刻各环节的速度，托米奇的右膝速、右髋速、右肩速、右肘速、右腕速、拍头速度依次为0.96 m/s、1.84 m/s、4.95 m/s、7.06 m/s、12.30 m/s、25.34 m/s，每个参数均高于弗格尼尼，而标准差略小。托米奇采用FU站位更好地储备和释放了下肢的弹性势能，增大了蹬伸幅度，不仅获得了更为合理的击球高度，而且鞭打动作更加稳定。在符合视频筛选标准的7次发球中，托米奇的平均发球时速为179 km/h，弗格尼尼的平均发球时速为174 km/h。同时，托米奇在球拍触球时刻各关节速度的稳定性略好于弗格尼尼，保证了发球时速的稳定性。托米奇全场比赛发内角球49%、发外角球36%，合计85%，而弗格尼尼发内、外角球合计79%。由此可见，托米奇的发球速度和落点均比弗格尼尼略高一筹，即托米奇的发球攻击性更强。结果，托米奇在全场比赛中一发成功率和一发得分率均比弗格尼尼高（表9）。

表8 击球时刻各环节的速度Table 8 Speed of Each Link when Hitting the Ball m·s-1

表9 全场发球战术统计表Table 9 Statistics of Serving Tactics %

综上，托米奇采用FU站位发球与弗格尼尼采用FB站位发球相比，托米奇发球的实效性更好。

众所周知，上步起跳比原地起跳更高。从动力学考虑，FU站位发球比FB站位发球优势在于下肢开始蹲伸前已存储弹性势能，后面托米奇动作表现出的攻击性和稳定性也比较出色。因此，如以完成动作的目的性和实效性而论，FU站位发球比FB站位发球更好。

3 研究结论

通过对比分析托米奇的FU站位和弗格尼尼的FB站位发球效果，得出以下结论：

1）在抛球举拍阶段，托米奇抛球离手高度与身高的比值略大于弗格尼尼；FU站位动作有右脚上步，重心高度下降更多，有利于下肢存储弹性势能，也延长了做功距离；托米奇抛球离手速度较快。2）在向后引拍阶段，从左膝关节屈曲最大时刻至双脚离地时刻，托米奇用时较短，获得了更快的重心速度。在双脚离地时刻，弗格尼尼球拍已在身后最低点，而托米奇球拍还在头部，说明托米奇离地后才完成的“超越器械反弓”动作。3）在挥拍击球阶段，球拍触球时刻，与弗格尼尼相比，托米奇持拍手肘关节角度更大，在高速度下高位置处击球，完成击球鞭打动作较稳定。4）托米奇的平均发球时速快于弗格尼尼，全场比赛发内角球、外角球高于弗格尼尼，全场比赛一发成功率和一发得分率均高于弗格尼尼。综合而言，托米奇的发球落点、发球攻击性和稳定性均优于弗格尼尼。