网球发球表现：生物力学分析工具的综合评述与未来技术展望

摘要：

对于教练来说，分析网球发球最常见和最简单的方法是依靠他们自己的视线。然而，人眼无法精确观察高速运动。随着技术的进步，现在可以从定量的角度研究动作。网球发球的定量评估关注球员的运动学和动力学，以及击球结果，包括球速和球的轨迹。本综述旨在突出当前可用于球员、教练、医疗人员和生物力学研究人员评估网球发球的工具。本概述将为球员的周围人员提供信息，以便根据他们的特定目的选择合适的工具。所有这些工具都可应用于表现提升和伤害预防。

一、介绍

1. 发球的重要性：发球被认为是网球中最重要的一击，因为它为球员提供了在比赛中取得优势甚至直接得分的机会。

2. 发球作为封闭技能：发球是一种封闭技能，意味着它是一种可以预测并且可以在没有外界干扰的情况下执行的技能，这使得它比其他网球击球更容易分析。

3. 研究历史：由于其重要性，发球多年来一直是许多研究的焦点。

4. 传统分析方法：教练通常使用自己的视觉来分析发球，这是一个主观的过程，人眼无法精确捕捉高速运动。

5. 技术发展对运动分析的影响：新技术的发展推动了网球运动分析的进步，使得研究人员能够定量地评估发球动作。

6. 视频技术的应用：视频最初被用来捕捉发球技术，并为球员、教练或研究人员提供视觉反馈。

7. 定量评估的需求：随着技术的进步，研究人员开始定量地研究发球动作，这不仅涉及球员的运动学和动力学，还涉及比赛中的实际表现。

8. 教练的角色：教练应该能够理解如何收集定量数据，并将其整合到他们的训练方案中。

9. 综述的目标：本文的目标是阐明当前用于评估网球发球的技术，为球员的团队提供信息，以便他们根据特定目的选择合适的工具。

10. 工具的应用范围：这些工具不仅可用于提高运动表现，还可用于伤害预防。

二、球员的运动分析

1. 二维系统（Two-dimensional systems）:

• 照相机（Photo camera）: 用于捕捉发球过程中的单一时刻，但难以精确捕捉并分析整个动作。

• 优点：设备便宜且易于使用。

• 局限性：难以在正确的时刻拍摄，通常无法捕捉到关键动作（如球拍击球的精确位置）。



图 1: 展示了使用连拍模式捕捉网球发球动作的瞬间。这可能用于说明照相机在捕捉高速动作时的局限性。

• 视频摄像机（Video camera）:

• 用途：记录球员的多个动作位置，作为一系列图像。

• 优点：允许即时反馈，便于在场上直接使用。

• 局限性：分析可能不够精确，需要进一步的软件处理。

2. 视频摄像机的系统和协议（Systems and protocols）:

• 帧率（Frame rate）：高帧率（如200-300 fps）对于捕捉快速发球动作是必要的。

• 分辨率（Resolution）：需要在保持高帧率的同时维持高图像质量。

• 曝光时间（Exposure time）：正确的曝光时间可以减少运动模糊，提高图像清晰度。

• 视角、距离和缩放（Perspective, distance and zoom）：摄像机的放置对于减少透视失真和准确测量距离及角度至关重要。

• 多摄像机设置（Multiple cameras）：使用多个摄像机可以从不同视角捕捉动作，提高分析的精确度。



图 2: 比较了不同帧率（每秒帧数）对捕捉网球发球动作的影响，突出了高帧率在精确捕捉动作细节方面的重要性。



图 3: 展示了低分辨率与高分辨率图像在网球发球分析中的对比，强调了高分辨率在提供清晰图像以进行准确分析方面的优势。



图 4: 展示了曝光时间对网球发球动作捕捉的影响，说明了适当的曝光时间设置对于减少运动模糊和捕捉清晰图像的重要性。



图 5: 对比了不同光照条件下网球发球动作的曝光效果，展示了额外照明在提高图像质量方面的作用。

3. 二维软件（Two-dimensional software）:

• 用途：通过专用软件处理视频，可以进行更深入的定性和定量分析。

• 优点：提供了多种观察和测量工具，便于教练和球员使用。

• 局限性：虽然可以快速进行定性分析，但定量信息的实时提供可能受限，且处理数据可能耗时。



图 6A:透视误差（角度）

• 此图展示了当摄像机拍摄角度与被摄物体（网球运动员）的运动平面不垂直时，对测量角度的影响。

• 通常，为了减少透视误差，摄像机应该放置在与运动员运动平面垂直的位置，以确保测量的角度是准确的。

• 图中可能展示了正确放置（无透视误差）与错误放置（有透视误差）的对比，从而说明了视角对定量评估的重要性。



• 图 6B - 透视误差（角度）:

• 此图进一步阐释了透视误差对测量90°角的影响。

• 通过比较不同视角下同一角度的测量结果，展示了透视误差如何导致角度测量的高估或低估。

• 图中可能包括正确视角下的90°角和几个不同视角下的误差示例，强调了准确测量角度的重要性。



图 6C - 透视误差（距离）:

• 此图探讨了摄像机与运动员之间的距离对长度和距离评估的影响。

• 透视误差会导致距离测量的不准确，特别是当摄像机距离运动员较近时。

• 图中可能展示了摄像机距离变化对测量距离的影响，说明了使用变焦镜头从更远的距离进行拍摄，可以减少透视误差，从而提高距离测量的准确性。

4. 三维系统（Three-dimensional systems）:

• 标记系统（Marker-based systems）:

• 被视为生物力学分析的“黄金标准”。

• 通过在皮肤表面放置标记并使用专用摄像机追踪，可以计算三维运动参数。

• 优点：能够精确追踪快速运动中的肢体和物体（如球拍、球）。

• 局限性：可能受到软组织运动伪影的影响，且设备昂贵，需要专业的数据分析技能。



图 7: 展示了使用视频软件分析网球发球时球的呈现和轨迹，说明了软件工具在运动分析中的应用。



图 8: 展示了如何使用视频软件测量网球发球时的球拍冲击高度、球轨迹角度和球速，突出了软件工具在定量分析中的应用。



标记点布局：图 9 展示了在运动员的关键身体部位和球拍上放置的标记点。这些部位可能包括但不限于手腕、肘、肩、髋、膝和踝关节，以及脊柱和头部的关键点。

运动捕捉目的：通过捕捉这些标记点在三维空间中的位置变化，研究人员能够重建运动员发球时的运动轨迹，分析其运动学特征，如关节角度、速度和加速度。

技术应用：这种标记点布局通常与高速摄像机系统配合使用，以实现高精度的运动捕捉。这对于科研、高级训练和性能分析至关重要。

数据准确性：正确的标记点布局有助于减少测量误差，提高分析结果的准确性。

图 9 通过展示标记点的具体位置，为读者提供了一个直观的参考，帮助理解三维运动捕捉技术在网球发球分析中的应用。



图10展示了网球运动员发球时球拍冲击位置的三维标记系统。

5. 主动传感器（Active sensors）:

• 包括红外线、超声波、磁性和惯性传感器。

• 这些系统便于携带，可以在场上直接使用，但可能受到传感器重量和放置位置的影响。

6. 无标记系统（Markerless system）:

• 利用计算机视觉技术，无需在球员身上放置标记即可捕捉三维运动。

• 优点：使用方便，不会干扰球员的自然动作。

• 局限性：尽管在平面运动分析中表现出较高的准确性，但对于复杂多平面运动的准确性尚未得到充分验证。

这些要点概述了用于评估网球发球时球员运动学的各种工具和技术，以及它们在实际应用中的潜在价值和局限性。

三、运动员的动力学分析

1. 力量板（Force plates）:

• 用途：用来测量发球时下肢产生的力量，特别是地面反作用力。

• 优点：能够提供精确的三维力（垂直、水平和侧向）测量。

• 局限性：难以在标准网球场地中集成，且在正式比赛中不允许使用。



图11展示了网球发球中的两种下肢驱动技术：后脚位（A）和前脚位（B）。



图12：展示了在网球发球过程中，通过力量板测量得到的地面反作用力的变化情况。

2. 等速肌力测试仪（Isokinetic dynamometer）:

• 用途：用于测量多个肌肉群的力量，包括在多种收缩速度和模式下。

• 优点：能够安全且标准化地测量肌肉的最大能力。

• 局限性：分析是解析的，可能不完全符合实际运动情况。



图 13: 展示了使用等速肌力测试仪（isokinetic dynamometer）对网球运动员进行肌肉力量测试的示例。这可能包括对膝盖伸展和屈曲肌肉群的测试，以评估发球过程中下肢肌肉的力量和功能。

3. 肌电图（Electromyography, EMG）:

• 用途：观察发球过程中肌肉的激活模式。

• 优点：可以与力量板、三维运动捕捉系统和等速测试系统同步，提供肌肉活动与运动学和动力学数据的关联。

• 局限性：设备成本较高，需要专业知识来处理和解释数据。

图 14: 展示了表面肌电图（EMG）在网球发球过程中的应用，通过记录特定肌肉（如三角肌）的电活动来分析肌肉激活模式。

这些工具和技术的结合使用，可以帮助更全面地理解网球发球时的肌肉活动和力量产生，从而为提高发球性能和预防运动伤害提供科学依据。

四、球的运动学分析

1. 雷达（Radar）:

• 用途：用于测量网球发球时的球速，是评估发球性能的关键参数。

• 工作原理：基于多普勒效应，通过计算发射和接收回波之间的时间间隔来确定球的速度。

• 放置重要性：雷达的放置对于观察准确的结果至关重要，以减少角度误差（“余弦效应”）。



图 15: 可能展示了雷达测量网球发球速度的示意图。这可能包括雷达设备放置的位置以及如何通过多普勒效应来测量球离开球拍时的速度。



图 16: 展示了雷达测量中的“余弦效应”（cosine effect），即雷达设备与球飞行轨迹之间的角度如何影响测量的准确性。



图 17: 可能进一步解释了余弦效应对球速测量的具体影响，展示了当雷达设备与球飞行轨迹不完全对齐时，如何导致测量误差。

2. 电子线审系统（Line-calling systems）:

• 用途：用于计算球的轨迹和落点，提供高精度的球运动数据。

• 优点：在ATP和WTA比赛中使用，能够计算多种参数，如球的冲击高度、速度、轨迹和反弹高度。

3. 球的旋转测量（Ball spin measurement）:

• 用途：测量网球的旋转对于了解其在空中的轨迹和地面上的弹跳至关重要。

• 技术：可以使用高速摄像机系统来测量球的旋转，或者使用标记球的技术。

4. 甜点测定（Sweet spot determination）:

• 用途：观察球在球拍上的冲击位置，甜点是球拍上能够产生最佳球速的区域。

• 技术：使用高速摄像机或特定球拍（内置钢线或其他传感器）来检测球的冲击位置。

这些要点概述了用于评估网球发球时球的运动学的各种工具和技术，以及它们在实际应用中的潜在价值和局限性。通过这些工具，研究人员和教练可以更好地理解发球过程中球的动态特性，从而为提高球员的发球技术和性能提供科学依据。

五、球拍特征

1. 球拍作为关键元素（Interest of use）:

• 球拍是网球中至关重要的装备，因为它连接着球员和球。

• 球拍的特性，如惯性、刚度和弦床，对球速和发球表现有显著影响。

2. 球拍测试设备（Equipment for testing racket properties）:

• 挥重机（Swing weight machines）：用于测量球拍的挥重，即球拍在挥动时的重量感。

• 刚度测试机（Stiffness machines）：用于测量球拍的刚度，影响球拍对球的控制和力量传递。

• 平衡板（Balance boards）：用于确定球拍的平衡点，影响球员的挥拍感觉和控制。

3. 球拍材料和设计的影响（Influence of materials and design）:

• 现代材料和球拍设计的改变，如新的形状和几何结构，对发球速度有积极影响。

• 研究和模拟表明，现代球拍相比19世纪的球拍，可以显著提高发球速度。

4. 球拍与球员表现的关系（Relationship with player performance）:

• 球拍的特性可以影响球员的发球速度和表现。

• 球员可以根据个人特点和比赛风格，选择最适合自己的球拍。

5. 球拍与伤害预防（Prevention of injuries）:

• 球拍的某些特性，如重量分布和刚度，可能与球员受伤的风险有关。

• 通过优化球拍选择和调整，可以减少球员受伤的可能性。

6. 球拍个性化（Customization of rackets）:

• 球拍可以根据球员的特定需求进行个性化调整，如通过添加或移动重量来改变球拍的平衡点。

7. 球拍测试和分析的科学应用（Scientific application of racket testing and analysis）:

• 工程师和科学家使用专门的设备和模拟来研究球拍和弦床的行为，以提高效率和性能，同时减少相关伤害。

这些要点概述了球拍特性分析的重要性和应用，以及如何通过了解和优化球拍特性来提高球员的发球表现和减少受伤风险。

六、统计数据

1. 统计数据的重要性（Interest of use）:

• 统计数据可以帮助球员、教练和研究人员了解发球表现，包括比赛中的发球得分率、ACE球数量等关键指标。

• 统计分析有助于识别技术改进的领域和潜在的伤害风险。

2. 数据收集和处理（Data collection and processing）:

• 统计工具通常用于收集和分析球员在训练和比赛中的表现数据。

• 高级统计分析可以揭示球员表现的趋势和模式，为训练和比赛策略提供依据。

3. 统计参数的应用（Application of statistical parameters）:

• 统计参数如发球得分率、双误率、以及发球速度等，可以用于评估球员的发球效率和效果。

• 这些参数也可以用来比较不同球员的表现，或评估同一球员在不同时间的表现变化。

4. 统计工具的系统和协议（Systems and protocols）:

• 统计数据可以通过手动记录或使用专门的软件进行收集和分析。

• 在大型比赛中，通常由专业公司提供实时统计数据，而在训练中则可能需要教练手动记录。

5. 技术进步对统计分析的影响（Impact of technological advancements on statistical analysis）:

• 随着技术的发展，实时自动注释系统可能会取代传统的手动数据记录方法。

• 高级分析工具和算法的应用，可以提高数据处理的效率和准确性。

6. 统计工具的实际应用（Practical application of statistical tools）:

• 统计工具不仅可用于评估球员的发球表现，还可以用于分析球员的整体比赛策略和风格。

• 统计数据可以帮助教练制定训练计划，优化球员的技术，并提高比赛表现。

7. 统计工具的局限性（Limitations of statistical tools）:

• 统计分析可能受到数据收集方法和样本大小的限制，需要确保数据的准确性和代表性。

• 过度依赖统计数据可能会忽视球员的个人感受和技术细节。

这些要点概述了统计工具在网球发球评估中的应用，以及如何通过收集和分析数据来提高球员的表现和减少受伤风险。统计工具为网球训练和比赛提供了宝贵的信息和洞察，是现代网球训练和比赛分析不可或缺的一部分。

表1提供了不同技术在网球发球评估中的适用性概览。表格列出了七种不同的工具或技术，以及它们在五个不同应用领域中的适宜性评分。这些应用领域包括改善技术、提升表现、预防伤害、科学研究和伤后重返比赛标准。每个工具或技术旁边的标记表示其适用性：

• “++” 表示非常适合的系统

• “+” 表示适合的系统

• “-” 表示不适合的系统

这个表格帮助用户根据他们的目标选择合适的工具或技术。例如，如果目标是进行科学研究和伤后重返比赛的评估，那么三维运动捕捉和力量板可能是最合适的选择。而如果目标是提升表现，那么雷达和二维视频可能更有帮助。

七、应用于展望

1. 提高发球技术（Improve technique）:

• 使用各种工具和技术对发球进行详细分析，可以帮助球员和教练识别技术中的不足之处，从而进行针对性的训练和技术改进。

2. 提升运动表现（Improve performance）:

• 通过定量分析发球的各个环节，可以更精确地调整训练计划，以提高球员在比赛中的发球效果和整体表现。

3. 预防伤害（Prevent injury）:

• 通过分析发球时的运动学和动力学，可以发现可能导致伤害的动作模式，进而采取措施预防伤害的发生。

4. 科学研究（Scientific research）:

• 这些工具和技术为研究人员提供了深入研究网球发球生物力学的机会，有助于科学地理解发球过程中的复杂机制。

5. 伤后复出标准（Return-to-play criteria）:

• 通过定量评估球员伤后的发球表现，医疗团队可以更客观地制定复出计划和标准。

6. 技术选择的重要性（Importance of tool selection）:

• 球员、教练和研究人员需要根据具体目标和资源情况，选择最适合的工具和技术进行发球分析。

7. 多工具综合分析（Combining multiple tools）:

• 将不同的工具和技术结合起来使用，可以提供更全面的发球分析，有助于更深入地理解发球的各个方面。

8. 测量的可重复性和协议（Reproducibility of measurements and protocols）:

• 强调了在进行发球分析时，确保测量方法的可重复性和遵循标准化协议的重要性。

9. 实验室与实际比赛环境的差异（Laboratory vs. real competition context）:

• 讨论了在实验室环境下与实际比赛环境下进行发球分析可能存在的优缺点和差异。

10. 未来技术的发展（Future technological developments）:

• 预期未来将出现更多先进的工具和技术，如无标记的三维运动捕捉系统和可穿戴传感器，这些技术将使得发球分析更加便捷和精确。

11. 个性化的设备调整（Customization of equipment）:

• 强调了根据球员的个人特点和需求，个性化调整球拍和其他设备的重要性。

这些要点概述了网球发球分析工具和技术在实际应用中的广泛用途，以及未来技术发展可能带来的新机遇和挑战。通过综合利用这些工具和技术，可以更全面地理解和优化网球发球，提高球员的比赛表现，并最大限度地减少伤害风险。