不同视觉条件下乒乓球运动员发球视觉搜索特征的比较研究

王丽岩，李安民，臧徐州

（1.上海体育学院，上海 200438;2.吉林大学，吉林长春 130012;3.房山高级中学，江苏东海 222341）

◂体育人文社会学

不同视觉条件下乒乓球运动员发球视觉搜索特征的比较研究

王丽岩1，2，李安民1，臧徐州3

（1.上海体育学院，上海 200438;2.吉林大学，吉林长春 130012;3.房山高级中学，江苏东海 222341）

采用10名乒乓球专业运动员为被试，以乒乓球发球片段为运动情境，结合双眼视差成像原理的偏正光技术在实验室形成立体环境为素材，对专业运动员的视觉搜索特征进行实验研究，同时进行平面视觉和立体视觉条件下运动员视觉搜索特征的比较研究。结果表明:在不同视觉条件下，乒乓球运动员的视觉搜索特征和操作绩效存在差异。在立体视觉成像条件下乒乓球运动员接发球落点的判断反应快，且运动员的采用了注视次数少，视觉搜索频率快，注视分配和注视轨迹更倾向于集中的搜索模式。运动员在立体视觉条件下视觉信息加工效率更高。

乒乓球运动员;发球;立体视觉;平面视觉;视觉搜索

优秀的运动表现常常自然地发生在每天的运动情境中，科学家们使之在实验室里被定义和重现，用以检查这种不同于非熟练表现的运动专家机制;这便会产生这样一个问题，运动情境在实验室的模拟能真实代表现实世界每天发生的运动操作吗?这涉及到了研究的生态学效度。生态学效度（ecological validity）最早是由美国心理学家布朗芬布伦纳提出来的，他强调了实验室研究与现场研究的逼真程度［1］。即在生态心理学的框架下，考察实验室研究的弊端，强调环境对实验因素的干扰作用。特别是在实验研究设计过程中，实验过程是否和真实情境相一致，如果相差较大，则研究的生态学效度较低，样本研究的成果推广到总体中就很难令人信服。自从生态学效度提出以来，在心理学研究中得到了极大的重视;无论是行为实验还是认知实验都需要严密的实验控制，以防止干扰变量对研究结果的影响，但这样会造成生态学效度降低的两难困境。所以在实验设计阶段，我们应该尽量考虑到实验环境的影响，特别是在运动心理学研究领域，运动情境不应被忽略，我们应该尽量模拟运动的真实情境，才能真实地反映运动领域的心理规律。

作为在复杂情况下研究注意分配的经典研究范式的视觉搜索越来越受到运动心理学家的关注［2］。运动领域中的视觉搜索研究表明，优秀运动员比一般水平运动员具有更为有效和合理的视觉搜索模式［3］。在运动领域中，视觉搜索研究的刺激呈现方式从最早期的速示器到静态的幻灯片、图片［4，5］，到动态的电影或电视视频［6，7］，不仅画面的质量得到提升，并且能连续地提供关于运动场景的相关背景信息。从视觉刺激展示的内容和形式上，影像展示从较小的电脑、电视屏幕，到同真人大小相似的投影录像。这些进展和变化体现了研究者为了提高研究的生态学效度而做出的努力，使研究结果能更准确反映运动实际情景中运动员信息认知加工的过程和能力。

在研究过程中研究者采用二维的静态或动态不同的刺激材料得出的结论，可能与真实的运动情景中运动员的反应存在的差异，这些实验任务可能不能反映出有运动经验的被试在真实世界的反应［8］，有可能会掩盖运动经验所具有的优势，并可能只是部分获取运动专家加工决策时的具体信息［9］。以往有关的运动中视觉搜索的实验研究多集中在二维平面，而较少涉及三维立体空间中运动情景的选择性注意特征，那么运动员是否在观看二维平面刺激呈现所获取的信息同在运动三维立体情景中所获取的信息相一致呢?［10］尽管有学者提出了类似的相关假设，但还只是停留在经验层面，到目前为止还没有被实验研究所证实，具体的细节仍需要证据来阐释这一问题。

乒乓球是一项高策略性项目，乒乓球运动员对发球落点的判断是基于视觉搜索活动的基础上进行运动信息认知加工的过程。因此本研究以乒乓球运动员接发球视觉信息获取入手，采用实验室内二维平面视觉和三维立体视觉不同的成像条件，探讨不同视觉成像条件下对乒乓球运动员接发球视觉搜索特征的影响，即探讨运动情境再现的生态学效度问题。本研究预期假设为:不同视觉下乒乓球运动员视觉搜索特征存在差异，运动员的知觉预判绩效受不同视觉条件的影响，三维立体视觉条件下被试的视觉搜索效率与决策绩效要优于二维平面视觉条件下的视觉搜索效率与决策绩效。

1 研究方法

1.1 被试

实验被试为10名乒乓球专业运动员。运动等级分别为国家一级运动员（3人）和二级运动员（7人）。被试平均年龄为（17.5±1.5）岁，运动员的平均训练年限（9.5±0.8）年。所有被试裸眼视力正常。

1.2 实验设计

实验采用单因素组内实验设计。自变量为视觉条件（三维立体视觉成像、二维平面视觉成像），因变量为眼动数据指标与行为预判指标;眼动指标包括注视点、注视时间、扫描轨迹与兴趣区等，行为指标包括预判反应时和预判准确性。刺激呈现形式采用动态的乒乓球发球动作视频，每一个刺激材料持续时间约为1s－3s。

1.3 实验仪器和实验材料

实验仪器采用美国应用科学实验室（Applied science laboratory，ASL）生产的H6头戴式眼部跟踪系统以及记录眼动数据的眼动仪一台，其工作原理为瞳孔－角膜反射，采样率为120Hz。

两台PC，一台用来给被试呈现实验刺激材料，另一台由主试用来执行命令控制实验进程，与两台PC相连接的显示器为17英寸（1024×768分辨率、刷新频率为100HZ）DELL液晶显示器。用于投影的72寸韩国MOKANG投影仪金属凹面投影幕布（1.49×1.1米;增益率20倍）。与呈现刺激材料的电脑相连接的是2台三菱U5－353型号投影仪（分辨率1024×768;亮度3000流明;对比度2200∶1）。自行开发的立体视觉搜索研究辅助软件1.0版软件;偏光片2张。

1.4 立体成像技术的实现和实验材料的制作

利用立体成像原理和偏振光技术用两台摄像机拍摄乒乓球发球的技术录像，通过两台投影仪播放这些视频文件，以形成立体视觉。立体视觉（stereo vision）是指基于双眼视差产生的深度知觉，是人类最高级的双眼视觉功能。文献资料显示拍摄时机位架设高度在视线水平，两台摄像机纵轴平行，根据拍摄距离调整两机间距，计算公式为:两机距离=像机和景物距离/50。另外，拍摄时根据环境和具体要求调整摄像机的参数，同时应注意两机参数相同。

经过咨询高水平乒乓球运动员与国家队教练，选取了乒乓球比赛中典型的6种发球技术（正手、反手、高抛、低抛、转、不转）作为刺激种类，按落点位置、动作类型均等选取测试情境，拍摄用的两台摄像机均为SONY HVR－Z1C型，手动和高清模式，快门1/600，f=2.5，自动白平衡，间距9cm，拍摄距离4.5m，平行拍摄。将拍摄好的素材用视频处理软件绘声绘影6.0进行编辑。首先，根据拍摄时的标记剪切录像，使两段录像开始时间和结束时间相同。然后，结合具体拍摄内容进行剪辑。最后，对剪切好的视频以动作发生的时间序列进行逐帧同步调整，成对保存处理好的左路和右路视频，作为实验刺激材料播放使用。每类选取12个，共72个测试片段。每一个测试片段从准备动作开始截取，时间点选在运动员击球之后的瞬间，即球离开球拍的瞬间，截取片段长度一般为1s到3s之间。立体视觉的实现是软件同步播放左路、右路两个不同的视频片段。平面视觉的实现是左路和右路播放同一个视频片段。

1.5 实验任务

选择反应时任务:目的是熟悉反应键盘的位置与消除选择反应时对实验行为指标的影响。熟悉发球情境中球台不同发球位置进行6选1的选择反应时任务。使用两台投影仪将选编好的视频片段在1.44×1.08m的投影幕布上播放，要求被试距离屏幕3m，面对屏幕坐在桌前，同时尽量保持舒服的姿势，然后将优势手的手指轻触在反应键盘的键位上。测验时，将红色信号或白色信号随机呈现在乒乓球桌面划分的6个区域内。当一个红色球状信号出现后，提示被试准备进行判断。当6个区域中某一位置出现白色球状信号时，要求被试用手指按下6个反应键中代表相应位置的键。

专项情境的动作判断:采用投影仪将编辑过的乒乓球发球动作视频呈现在金属屏幕上。要求被试根据发球情景对对手的乒乓球落点进行判断，同时按下6个反应键中代表相应位置的键。情景判断测试指标为情景预判的准确率（正确判断数占所测试片段的比率）和反应时。反应时与正确判断的次数由自编的相应软件记录。

1.6 实验程序

实验采用实验室单独测试方法，测试在只有主试和被试的独立环境中进行，整个实验是单个被试依次进行测试。实验前要求被试填写基本情况调查表，介绍有关的实验要求，实验过程中尽量放松，选比较舒服的坐姿做好。眼动仪的佩戴和调试:被试坐在距离投影幕布3m处的椅子上，下颌放在一个U型托上，以保持头部不动。调试桌椅的高度，使被试平视时能使视线会聚屏幕的中心。然后进行头、眼校准（Calibration）。实验指导语为:“欢迎参加本实验。实验分为两个部分，第一部分为练习部分，屏幕上出现不同视觉的发球视频，请您根据视频进行判断，并尽快按下相应的数字键进行反应。共练习24次。练习结束后屏幕会播放短暂的发球视频，请根据屏幕上运动员可能的回球落点做出准确而快速的判断，并选择相应的键位做反应。明白上述指导语后，请按任意键开始。整个测试有72个测试片段，大约持续15min。希望大家集中注意完成测试。”实验中被试的水平视角为26°，垂直的视角为21°。

1.7 数据分析与处理

采用SPSS 13.0对数据进行统计分析处理。对眼动指标（注视次数、注视时间、眼跳距离、注视轨迹）与行为指标（准确率与反应时）进行相关样本t检验，取α=0.05为差异显著性标准。

2 研究结果

2.1 眼动数据的比较

2.1.1 不同视觉条件下运动员眼动指标的比较 对不同视觉条件乒乓球运动员眼动指标进行相关样本t检验，结果见表1。

表1 不同视觉条件下运动员眼动指标t检验

从表1中我们可以得出，在平面视觉与立体视觉不同视觉成像条件下，乒乓球运动员在注视频率上存在显著性的不同（t=6.05，P＜0.01）。结果显示在观看立体视觉条件下运动情景视频时的注视频率比在观看平面视觉条件下运动情景的注视频率快。在平面视觉与立体视觉不同视觉成像条件下，乒乓球运动员的注视次数呈现显著性差异（t=2.38，P＜0.05）。在观看立体视觉条件下运动情景视频时的注视次数比在观看平面视觉条件下运动情景的注视次数短。在平面刺激与立体刺激不同视觉成像条件下，乒乓球运动员的注视时间（t=0.771，P＞0.05）、眼跳距离（t=0.472，P ＞0.05）不存在显著性差异，说明不同视觉情景对运动员的注视时间和眼跳距离均没有影响。

2.1.2 不同视觉条件下运动员注视分配 兴趣区（The area of interest，AOI）是指被试在一定时间条件下对刺激材料感兴趣、敏感的区域。对不同视觉条件下乒乓球运动员注视区域分配的比较，见图1。

从图1中我们可以看出，运动员在观看乒乓球接发球动作时，在立体视觉条件下关注球拍和持拍手的位置以及队员与球台的关系，要比平面视觉条件下的多，通过空间知觉获得更多地判断信息。而在关注球的方面，平面视觉条件下反而更多一些。

图1 不同视觉条件下运动员注视分配

2.1.3 不同视觉条件下注视轨迹的比较 图2和图3为某运动员在不同视觉条件下观看呈现视频时，眼动注视的轨迹图。从注视轨迹图中可以看出不同视觉条件下注视轨迹存在差异。在立体视觉条件下注视轨迹呈现集中趋势，平面视觉呈现序列趋势。

图2 立体视觉条件下某运动员注视轨迹

图3 平面视觉条件下某运动员注视轨迹

2.2 不同视觉条件下运动员行为指标的比较

首先对被试的反应时按照3个标准差法则进行筛选，在此基础上对不同视觉条件下乒乓球运动员反应时间进行相关样本t检验，结果见表2。

表2 不同视觉条件下运动员行为指标t检验

从表2中我们可以得出，在立体与平面不同视觉条件下，乒乓球运动员预判的反应时在统计学意义上存在显著性差异（t=2.046，P＜0.05）。在立体视觉条件下运动员的反应时间快于平面视觉条件下乒乓球运动员对落点判断的反应时间。从表中数据可以发现，在不同视觉条件下乒乓球运动员预判的准确性上不存在显著性的差异（t=1.95，P＞0.05）。运动员在观看立体视觉刺激材料时落点判断的准确性和在观看平面视觉刺激材料时落点判断的准确性相比略高，但并不明显。

3 分析与讨论

3.1 不同视觉条件下眼动数据分析

在不同视觉条件下，乒乓球运动员接发球时的兴趣区都主要集中在对手的乒乓球球拍和持拍手上。在比赛中球拍和持拍手可能是运动员进行落点预判的关键信息。这一点与Abernethy＆Russell对于羽毛球的研究结果相类似。Abernethy的研究结果表明，在羽毛球运动员击球过程中，对方队员的球拍和手臂等信息是运动员成功回球的关键线索。李金亮对乒乓球运动员接发球判断的思维活动特征的研究也表明，运动员对于落点判断的准备性受球拍和躯干的影响［11］。对于在立体视觉条件下运动员对于发球队员与球台之间的关系的注视也较多，运动员在运动中通过对整体空间的注意来提高落点判断的准确性。这可能是因为在判断时，乒乓球运动员有立体感觉的体验，在接发球时展现的信息更丰富，所以接发球运动员在提取关键信息点时，也更多地注意到整体的信息。Bard的研究指出，高水平运动员在收集运动信息和启动线索时，更多的利用周围视觉信息进行整体搜索或平行搜索，而一般运动员则采取系列搜索模式［12］。本研究结果也与Williams对网球运动员预测网球发球的研究相一致，即专家被试采用了整体知觉加工的策略，而新手被试采用的是局部知觉加工策略［13］。

不同视觉呈现条件对于乒乓球运动员预判的影响更多地表现在注视次数和注视频率上，即视觉信息的加工效率上。注视次数指的是实验被试对刺激材料注视的多少，其衡量了被试的注视策略以及视觉搜索的难易程度。作为衡量被试对视觉信息加工快慢的注视频率是指单位时间内被试注视刺激材料的次数。注视频率的高低反应了运动员被试对视觉信息及相关线索认知加工的效率差异［14］。本研究的结果表明，在不同视觉成像条件下，运动员的注视频率存在显著的不同，这说明立体视觉与平面视觉不同实验条件影响了被试对运动信息及相关线索的加工效率。运动员在立体视觉条件下的注视次数和注视频率显著短于被试在平面视觉条件下的注视次数和注视频率。这可能是因为在立体视觉条件下进行注视时，被试观看的运动情景接近于真实三维运动中的情境，即在实验室条件下模拟的真实运动情境，研究发现运动员发球判断过程中因注视内容相对容易，需要较短的时间就能完成对情景信息的搜索，不需要花费过多的注意来调节其在深度知觉即立体空间上的信息，进而减少了信息加工的时间，提高了加工效率。在信息量很大时，这种优势可能更加明显。在平面视觉条件下进行注视时，能提供给运动员进行注视的运动情景，多在水平纬度上，不能够提供空间深度上的信息，这样要准确判断空间上的信息时就需要消耗运动员更多注意资源，延长对信息的加工时间。立体视觉技术的使用，可以使研究者在实验室虚拟真实运动情境，使运动员或运动参与者获得真实的运动体验。Lai和Chien运用虚拟技术，通过数学方程描述乒乓球运动中实时的反弹速度、时间和高度，通过此技术，动作完整的时间结构过程能够清晰地呈现［15］。

视觉搜索模式是指被试在观察运动情景时采用的信息搜索方式，包括对图片的注视次数、被试的眼跳距离以及连接各个注视点所组成的注视轨迹等［16－17］。乒乓球运动员接发球时在立体视觉条件下注视点和注视次数少，注视轨迹比较集中;在平面条件下注视点和注视次数比较多，注视轨迹呈系列状，比较散。由此可见运动员在立体视觉条件下接发球时采用了较为合理的注视模式。从研究结果中眼动指标的差异性我们可以看出，运动员被试在运动信息搜索过程中，搜索的兴趣区、注视频率、注视次数等眼动指标随不同视觉条件而不同。因此，被试在运动情景中的运动表现和对运动信息加工过程与其在实验时使用的实验材料有一定的关系，使用呈现条件不一致的刺激材料时在某些眼动指标上会存在差异。

3.2 不同视觉方式下行为数据分析

在行为指标上，对于运动情境中预判反应时的比较可知，存在立体视觉条件下差异。说明了在不同视觉条件下运动员的知觉预判绩效不同，具体表现在运动情境中采用不同视觉可能会导致鉴别运动员反应时判断的不同。在实验室内采用平面视觉刺激材料时，得出的反应时指标上存在差异，在接近真实运动情境时可能不是区分运动员决策速度时的有力证据。虽然此前有学者认为，在实验室二维平面视觉条件下对部分动作情境研究中，优秀运动员比一般运动员相比较，优秀运动员表现出更快的视觉搜索能力［18］。但并没有研究报告在实验室立体视觉条件下，因为刺激材料（第三变量）使用的不同而得出不同的结论。本研究的结果表明在使用不同刺激材料存在反应时指标上的差异。对于这种差异的存在和是否对不同运动水平被试产生影响，则需要更多研究者贡献更多的实证研究。对于运动情境中预判正确性的比较中，在不同视觉条件下，则不存在具有统计学意义的显著性差异。但反应正确性上也略有不同，即在立体视觉条件下的判断结果较好于在平面视觉条件下的判断结果，尽管没有达到显著性水平。总体上可以认为在立体视觉条件下运动员知觉预判绩效更高。

4 结论

在不同视觉条件下，乒乓球运动员的视觉搜索特征和知觉预判绩效存在差异。在立体视觉条件下乒乓球运动员接发球落点的判断反应快。在立体视觉条件下运动员采用了注视时间短、觉搜索频率快、视分配和注视轨迹集中的搜索模式，并且运动员视觉信息加工效率高。

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Visual Search Features in Different Visual Conditions About Table Tennis Players’Return of Serve

WANG Liyan1，2，LI Anmin1，ZANG Xuzhou3
（1.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China;2.Jilin University，Changchun 130012，Jilin，China;3.Senior Secondary School of Fangshan，Donghai 222341，Jiangsu，China）

10 professional players took part in the experiment.It used table tennis serving as sport situation.The stereographic projection technology was used in a three-dimensional environment in laboratory.The authors compared the feature of table tennis players’visual search between visual condition and stereo vision condition.The result indicated the table tennis players had a significant difference about the visual search strategy and behavior response under the different visual condition.The players’judgment was faster in the stereo visual condition.The table tennis player used more efficiently search strategy involving less fixation number and lower fixation frequency.Fixation track and Gaze position of the table tennis players were more focused than that of players under visual condition.In the stereo vision condition visual information processing of the table tennis players was more efficiency.

table tennis player;serving;stereo vision;flat vision;visual search

G804.86

A

1004－0560（2012）05－0059－05

2012-05-26;

2012-08-14

教育部博士点专项基金项目（20113156110002）;吉林大学基础科研经费项目（421034181004）。

王丽岩（1977－），女，讲师，博士研究生，主要研究方向为运动心理学、体育教育训练学。

李安民（1964－），男，教授，博士生导师，主要研究方向为运动心理学，E－mail:anminli@tom.com。

责任编辑:刘红霞