【原】网球发球技术常见测试工具及评价

网球发球中的击球的完成是十分快速的，但是人类视觉不足以非常精确地观察高速运动。因此，了解目前用于评估网球发球的技术的工具是非常重要的，可为运动员、教练员、医务人员和生物力学研究人员提供当前可用于评估网球发球的重要信息。下面将介绍几种常见的用于网球发球技术研究上的测试工具。

1. 瞬时照片

摄像技术在击球过程中产生瞬时图像(如图1)，该方法允许在学习环境(如科学研究论文或课程和教学大纲)中突出或说明网球发球的一般特征，且价格经济，使用简单。缺点则是很难在正确的时间准确地拍照，而且照片只捕捉了击球的一个瞬间，并不能代表整个动作。击球的重要位置(关键帧)经常被遗漏(如图1中错过了准确的球撞击位置)，定性或定量信息有时很难评估。

图1. 发球时击球瞬间

2. 2D视频技术(Two-dimensional systems)

2D视频主要是将球员的大量位置记录为图像序列，Johnson是最早使用视频设备提高网球发球性能的研究人员之一。现在，视频摄像机被广泛应用于网球发球评估，视频能够允许对动作有一个快速的反馈。球员可以在球场上以慢动作直接观看自己的表现，教练可以直接强调击球的关键方面，并给球员一些建议。其优点在于简单的摄像机价格较低，几乎所有教练、运动员或生物力学研究人员都可以使用；其又是可携带的，可以很容易地直接在球场上(室内或室外)捕捉动作。随着平板电脑和智能手机中视频集成的出现，这种方法的实现变得更加容易，并得到越来越多的使用，当然专用摄像机分析会将更加有效且准确。

2.1 帧速率：标准数字视频中，帧速率或每秒帧通常是50-60fps，该帧速率允许操作员以比相机的连拍模式(每秒5-15帧[图2])更高的精度定格运动瞬间，但人们可能仍然不能将运动准确地定格在所需的位置。例如，球拍与球接触的瞬间对球的轨迹至关重要，使用基本的视频或照相相机并不总是能够观察到这一准确的时刻(图1和2)，因为要分析网球发球通常需要200-300fps。

（A）

（B）

图2. 每秒10(A)帧与5(B)帧

2.2 分辨率：在标准高速摄像机中经常遇到的一个问题是：如何平衡帧速率和图像分辨率之间的关系？当增加帧速率时，由于摄像机的内部带宽限制，通常必须降低图像质量(图3)。例如，基本的智能手机相机允许以60fps的高清晰度(如1920×1080像素)录制视频，但在240fps时图像质量会显著降低(如320×240像素)。在体育分析中，保持较高的图像质量和较高的捕捉频率是很重要的。

图3. 网球发球中低分辨率(800×600像素)和高分辨率(1280×960像素)图像的对比。

2.3 曝光时间：除频率之外，设置正确的曝光时间(或快门速度)以避免运动模糊也很重要(图4)。减少曝光时间会导致亮度降低，因此人为地增加光线来观察姿势非常重要。通过对比发现，1/750th(七百五十分之一秒）是网球发球评估较好的曝光时间。

图4. 球撞击时曝光时间的影响。从左至右1/50th,1/250th，1/500th,1/750th,1/1500th。1/50th=亮度好但图像模糊，1/1500th=亮度差但图像清晰。

3.  3D系统

3.1 基于标记物的三维评价系统

该方法目前被描述为生物力学分析的“金标准”；是基于放置在皮肤表面的标记(或传感器)，运动员可以在3D系统内随心所欲地移动以捕获运动轨迹。

从标记的位置看，它可以计算三维运动学参数，如肢体(下肢、躯干和上肢)位置和速度，或物体的角度、角速度(如:球、球拍)。在网球发球中，经常观察到的一些主要参数是球拍速度，肩部内旋和速度，撞击高度，骨盆和躯干旋转，膝关节屈曲、抛球、撞击接触时间、球轨迹等。

该系统获得的另一个主要参数是时间序列，运动链每个关节产生和传递能量从下肢远端节段到上肢远端阶段，最后到球拍。正确激活这个运动链可以提高发球性能和限制受伤风险。

图5. 球员身体和球拍上的标记位置。

系统缺点：①使用该系统时经常会遇到的一些误差，包括仪器误差以及与评估者有关的实验误差。误差的来源可能与骨骼和皮肤的相对运动、肌肉收缩和组织的惯性特性有关，在极端关节角度和网球发球动作中的加速阶段，误差通常更大。系统性误差在绝对值上可能很小，但可能会导致最终输出中的大误差(例如，上臂扭转方向超过20°)。应该强调的是，所有根据皮肤或皮肤上的测量来推断骨骼运动的方法(如传统的摄像机和惯性传感器)都存在这种误差来源。研究人员应熟练掌握皮下标志物的定位，以此作为解剖学参考点，并指定一名独特的调查员，进一步提高检测的可重复性。

②另外，标志物的存在客观上也可能会改变球员的自然姿势，尤其一些系统使用电缆连接的标记，这可能会部分阻碍身体移动，身体或球拍上标记物的质量也可能改变发球运动。

③最后，仅使用基于标记的系统通常也很难跟踪球的轨迹，且目前这些系统价格昂贵，需要高素质的工作人员进行数据分析。因此，这些系统主要在专门评估高水平运动员的研究实验室或机构中找到。

3.2 无标记物的三维评价系统

与基于标记的系统不同，无标记系统有可能在真实的比赛条件下使用，并可以跟踪肢体或球拍的三维运动。这些系统使用起来很快捷，而且不需要在身体上放置标记。其有效性和可靠性已经在平面运动(矢状面和额面)上得到了证明。然而，尽管这些系统已经被用于网球发球的运动学分析，但对于复杂的动作(在多个平面上)，准确性尚未得到证明。

4.  测力板

运动学关注的是对产生运动的力的分析，在网球运动中，主要的力量来源是腿部驱动。许多研究调查了腿部驱动推进技术在网球中的影响，比较了平台式和上步式发球技术(图6)，研究人员利用嵌入地面的测力板来记录地面反作用力（网球发球动作中的一个关键性能参数）。

测力板可以测量所有三个空间方向的地面反作用力：垂直、水平和横向。采集频率约为1000Hz。

在实验室中，该工具可以与3D运动捕捉系统等其他工具同步，以将地面反作用力与姿势的不同阶段和关键时刻相关联(图6)。在网球场上整合力量是很困难的，而且在正式锦标赛期间不允许使用测力板，因此，该方法主要在研究实验室或高水平运动员评估机构中找到。

单个测力板可以记录两条腿的地面反作用力，但不能单独记录每条腿的地面反作用力。两个测力板可以同时使用，但上步式技术使区分每条腿变得困难。

单独检查每只脚的另一种选择是测量每只鞋的负荷模式，如鞋垫系统测量脚的足底压力分布，每个鞋垫都有10-99个传感器，记录频率是5-100Hz。系统具有很好的重复性，这样可以指定脚的哪些部位会引起地面压力(前脚、后脚等)，但它不测量脚施加的水平力。

图6. 网球发球中下肢(A)平台式和(B)上步式击球技术。

5.  肌电图

结合运动学评价，观察发球过程中的肌肉收缩模式是很有价值的，而表面肌电图是目前实现这一目标的最好方法。在网球运动中，能量是沿着运动链产生和传递的，在网球发球的分析中，使用肌电系统来评估肌肉激活模式，从肌电数据收集中，可以向运动员提供康复和再调节程序，以恢复和优化肌肉激活序列。

如今，肌电系统允许人们使用无线电极记录肌肉活动，这改善了受试者不适和行动不便的问题。这些系统通常可以与测力板测量系统、3D运动系统和/或等速系统同步，测得的数据需要专业知识来处理和解释。

图7. 以网球发球时三角肌的肌电活动为例

综上，通常对网球发球评估工具的需求有几个目标：提高表现，检测和限制创伤风险，在科学的背景下了解姿势的运动学和动力学，客观化受伤后恢复比赛的标准等。因此，每种工具都有自己适用的范围(表1)。由以上介绍大致可知这些测量工具的用途，在测量时，还应该根据实验目的，选择正确的评价工具进行测量。

表1. 5种网球评价工具的汇总 (“+”代表适用与“-”代表不适用）

【李云-运动机能形态学团队】

参考文献：

[1]Johnson,J.Tennis serve of advanced women players. Research Quarterly. American Association for Health, Physical Education and Recreation, 28(2), 123–131.

[2]Choppin,S.,Goodwill,S.,Haake,S.Impact characteristics of the ball and racket during play at the Wimbledon qualifying tournament. Sports Engineering, 13(4), 163–170.