足球运动员视觉搜索策略研究

吴 殷，刘圣阳，张 剑

（上海体育学院，上海 200438）

◂体育教育训练学

足球运动员视觉搜索策略研究

吴 殷，刘圣阳，张 剑

（上海体育学院，上海 200438）

足球是一项攻防转换速度非常快的运动项目，良好的预测能力对足球运动员非常重要。足球比赛中，运动员比非运动员有更好的预测能力，这种差异可能是因为在视觉搜索过程中，运动员注意到了关键线索，而非运动员根本没有注视到。本研究通过不同时间阻断点、放映速度的足球罚点球视频分析不同水平运动员的预测能力和中枢资源占用程度，发现在触球瞬间，运动员组预测准确率较非运动组高。通过眼动仪分析视觉停留区域时间序列特征，发现运动员组采用了有规律的视觉搜索模式提取有效特征值进行预测。本研究认为运动员可以通过反复观看和分析不同场景下的比赛过程，提高视觉搜索能力，进而提高预测能力，结果对运动训练实践有一定的现实指导意义。

足球;预测能力;视觉搜索;预测准确率;视觉停留区域

足球运动员较非运动员对比赛画面的预测能力更强［1］。研究发现，足球运动员可以在早期准确预测点球射门的方向，而非运动员却预测不到［2］。这是什么原因造成的呢?一种可能是知觉能力水平的不同，注视到了但没有注意到关键线索;另一种可能是视觉搜索能力的不同，没有注视到关键线索，即特征值［3－6］。那么，是不是足球运动员注意到了目标，而非足球运动员根本没有注视到这种变化?

运动员预测能力研究一般采用时间阻断范式进行分析。时间阻断范式是让被试观看有选择剪辑的视频片段，视频播放结束后，被试根据刺激内容做出判断［7］。通过反应准确性和不同时间阻断点的关系，可以分析被试的预测能力［8－14］。

心理资源是有限的，心理资源在任何时候集中处理的信息量也是有限的［15］。注意这一心理现象使人们能理性地利用有限的心理资源。中枢信息处理量的大小可能影响处理速度，造成预测能力的差异。通过同样刺激内容，不同放映速度，可以研究预测准确性的变化，探讨不同水平被试对心理资源的占用情况。

运动员的预测能力主要是和视觉搜索能力相关［16］。搜索是指个体扫描环境中特定的特点，在不确定事物出现的时候，努力去寻找它的特征值。视觉搜索能力研究主要是借助眼球运动测定装置（眼动仪），对眼球停留状态时的停留区域进行分析，来推测运动员的视觉搜索策略。例如，在足球罚球点球时，守门员总是搜寻可能的特征值，并通过这些特征值去判断可能的射门方向。预测能力的关键在于注意到运动场景的特征值，并且根据注意到的特征值就可以对场景进行判断。已有的研究［17，18］都是从注视到特征值的次数和时间等停留特征来分析，而没有考虑特征出现的时间序列。也就是说，视频内容的不一样，特征值以及出现次序发生了变化，被试在搜索过程中的搜索方式也会发生相应改变。只从停留特征，而不考虑刺激内容次序的改变，这样的分析是不够的。

本研究通过不同时间阻断点、放映速度的足球罚点球视频分析不同水平运动员的预测能力和中枢资源占用程度，通过眼动仪分析被试视觉停留区域的时间序列，探讨优秀运动员的预测能力的决定性因素，为科学训练提供理论指导。

1 研究对象与方法

1.1 实验对象

本研究根据被试足球训练水平，分为实验组（足球运动员）和对照组（非足球运动员），均为男性。实验组共27人，为国家足球二级运动员，平均年龄为20.15±0.99岁，平均训练年限为9.33±4.03年，平均每周训练3次，每次练习时间80分钟;对照组共25人，平均年龄为18.30±2.66岁，他们从没有参加过足球或者其他项目专项训练。所有被试矫正视力在1.0以上。

1.2 实验视频的制作

5名国家足球二级运动员（非实验组和对照组被试）作为罚点球视频的拍摄对象。摄像机（SONYHDV1080i）放在球门线中部，架设高度为170cm。每人各罚球数次。根据实验的要求，最后选择5个视频作为正式实验刺激材料，并逐帧进行编辑，编辑软件采用绘声绘影12软件。每个罚球点球的视频均进行了5个时间阻断点的剪辑，包括触球前200ms、触球前100ms、触球瞬间、触球后100ms和触球后200ms。将剪辑好的正常速度视频进行减慢50%速度的编辑。最后确定的实验刺激视频片段包括点球正常速度25个、减慢50%速度25个，共50个视频片段。

1.3 实验程序

实验前要求被试端坐在显示器前，身体调整到最舒服的姿势。采用眼动仪（TobbiT60）采集视觉停留区域数据，每秒钟采集60个数据。在定标结束后，启动练习程序，向被试讲解实验要求和进行练习。在被试确认没有问题后，正式实验开始。被试在视频播放完毕后3秒钟之内对罚球方向做出预测，不能预测则不需要回答。

1.4 数据采集

1.4.1 预测回答率 指被试回答数量占应该回答数量的百分比。

1.4.2 预测准确率 指被试正确回答数量占应该回答数量的百分比。

1.4.3 视觉停留区 指观看视频时，被试注视点的停留区域。借鉴Savelsbergh等人［19］的研究，我们将被试观看点球射门时的视觉停留区域进行编码:头部（1）、肩部（2）、手臂（3）、躯干（4）、髋部（5）、支撑腿（6）、踢球腿（7）、人与球之间的区域（8）、球（9）和无意义区（10）。

1.5 统计方法

1.5.1 预测回答率和预测准确率 数据采用3因素重复方差分析（three-way repeated measures analysis of Variance，ANOVA）。运动水平（2）作为组间差异，放映速度（2）和时间阻断点（5）作为组内差异。各主效果和交互作用的多重比较采用TukeyHSD分析法进行检验。

1.5.2 视觉搜索策略视觉搜索策略通过视觉停留区域的特征进行分析。视觉停留区域运用关联规则挖掘的Apriori算法，对运动员的注视点进行挖掘。根据注意线索自然时间序列特点，运用时间序列模式，考察比赛过程中的注视点的变化情况，以找到不同运动员的注视规律。

2 结果

2.1 预测回答率

运动员组和非运动员组观看正常和减慢速度的罚点球视频时，五个时间阻断点的预测回答率均没有显著性差异。

2.2 预测准确率

从表1可以看出，运动水平主因素存在显著性差异，运动员组的预测准确率较高;不同时间阻断点存在显著性差异，播放时间越大，预测难度越大;时间阻断点、运动水平交互因素存在显著性差异，在触球瞬间运动员组较对照组预测准确性高（图1）。

表1 两组被试观看点球视频时预测准确率的3因素重复方差分析

图1 两组被试观看不同时间阻断点视频时预测准确率的比较

2.3 视觉停留区域

运动员组在视频1、2、4、5以及5个视频综合分析中发现视觉搜索规律，但是运动员组在视频3以及对照组关联规则挖掘中没有发现搜索规律。表2是运动员组被试观看点球视频时视觉停留区域关联规则挖掘的结果，从中可以看出运动员组开始时注视无意义区（10），随后搜索躯干（4）、支撑腿（6）、踢球腿（7）或者人与球之间的区域（8）区域信息，最后分析球（9）周围区域特征值。

停留区域的关联规则挖掘结果

表2 运动员组被试观看点球视频时视觉

3 讨论

预测回答率探讨的是在限定的时间内（视频播放时间）是否可以提取足够多的特征值进行判断。运动员的预测回答率与非运动员相比没有显著性差异。点球射门场景的视觉信息主要来自画面中运动员的射门动作，视觉搜索范围相对较小，信息量较少，对点球方向的判断不需要提取特别多的特征值进行判断。运动员组和非运动员组都可以在限定的时间提取到自身认为足以进行判断的信息量，所以预测回答率不存在差异。

点球射门场景中发现不同水平运动员在射门瞬间无论什么播放速度都存在差异。也就是说，射门瞬间的信息十分关键，它们决定了两组被试预测能力的不同。通过预测回答率结果可以发现，两组被试信息提取量不存在差异;结合预测准确率结果可以推测，两组被试提取的有效特征值存在差异。也就是说，他们注视到的信息数量相同，但是注视到的信息内容不同。运动员组注视到更多有效信息，所以预测准确率较高;非运动员组注视到许多无效信息，所以预测准确率较低。由此，本研究认为两组被试因为视觉搜索模式的不同导致了预测准确性的差异。

关联规则挖掘统计结果发现，对同一视频运动员组有相对统一的搜索模式，而对照组没有发现视觉搜索规律。结合预测准确性数据，本研究认为运动员组正是通过这些有一定搜索模式规律的特征值，准确地预测了罚球方向。也就是说，这些特征值是有效特征值。对不同视频的搜索策略研究发现，运动员组的搜索也存在一定的规律，可以认为通过长期训练，运动员对同一类型视频存在一定的模式搜索。Cave和Wolfe提出了引导式搜索论［20］。按照他们的理论，在球类项目预测过程中，存在一个视觉搜索模式。在视觉搜索的开始阶段，优秀运动员对多个潜在目标进行搜索，在选择真正的目标以后，按照时间和空间上的规律，以一定的模式进行搜索。

在运动实践中，运动员通过反复观看和分析比赛视频，研究攻防的得失点和关键部位。在这样的观察中，运动员对同样场景下不同时间点的特征值有了越来越清晰的认识，而且随着经验的积累，可以准确预测的特征值量会越来越多。通过对同样场景下比赛视频的观察，运动员可以形成一个固定而且有效的视觉搜索模式，并通过较少特征值的提取准确做出预测。通过不同场景的观察，运动员可以积累更多有效的搜索模式，而且特征值的提取量会逐步减少。反过来说，球类项目运动员应该加强对比赛视频的观察与分析，进而提高预测能力。

4 结论

1）通过预测准确率的变化可以发现，不同运动水平运动员有效信息即特征值提取量不同。

2）通过关联规则的挖掘可以发现，运动员通过模式搜索提取特征值进行预测。

3）运动员可以通过反复观看和分析不同场景下的比赛过程，提高视觉搜索能力，进而提高预测能力，该结果对运动训练实践有一定的现实指导意义。

［1］Williams AM，Davids K，Williams JG.Visual perception and action in sport［M］.London:E ＆ FN Spon，1999:110－116.

［2］張 剣.サッカー熟練者と非熟練者の予測正確性の違い－時間的遮蔽手法を用いた1対1と3対3場面の比較－［J］.広島大学大学院教育学研究科紀要第二部（文化教育開発関連領域），2005，54:319 －328.

［3］Sanders AF ＆ Houtmans MJ.Perceptual processing modes in the functional visual field ［J］.Acta Psychol，1985，58（3）:251 － 261.

［4］Van der Heijden，AHC.On selection in vision ［J］.Psychol Res，1986，48（4）:211 －219.

［5］Abernethy B.Visual search in sport and ergonomics:it’s relationship to selective attention and performer expertise ［J］.Hum Perform，1988，1（4）:205 －235.

［6］Knapp BN.Skill in sport［M］.London:Routledge ＆ Kegan Paul，1963:160.

［7］武田守弘.テニスのサービスコース?球種予測に関する研究－予測時期，予測手がかりに着目して－［D］.広島大学大学院教育学研究科博士論文，2003.11－12.

［8］Abernethy B＆ Russell DG.Expert-novice differences in an applied selective attention task ［J］.J Sport Psychol，1987，9（4）:326 －345.

［9］Paull G ＆ Glencross D.Expert perception and decision making in baseball［J］.Int J Sport Psychol，1997，28（1）:35 －56.

［10］Tenenbaum G，Stewart E，Sheath，P.Detection of targets and attentional flexibility:Can computerized simulation account for developmental and skill-level differences? ［J］.Int J Sport Psychol，1999，30（2）:261－282.

［11］Houlston DR ＆ Lowes R.Anticipatory cue utilization processes amongst expert and non-expert wicketkeepers in cricket［J］.Int J Sport Psychol，1993，24（1）:59 －73.

［12］McMorris T，Copeman R，Corcoran D，et al.Anticipation of soccer goalkeepers facing penalty kicks［M］.In Reilly T，Clarys J，Stibbe A（Eds），Science and football II.London:E ＆ FN Spon，1993:250 －254.

［13］Tenenbaum G，Levi-Kolker N，Sade SS，et al.Anticipation and confidence of decisions related to skilled performance［J］.Int J Sport Psychol，1996，27（3）:293 －307.

［14］Ripoll H.Analysis of visual scanning patterns of volley ball players in a problem solving task［J］.Int J Sport Psychol，1988，19（1）:9 －25.

［15］M.W.艾森克，M.T.基恩著.高定国，何凌南译.认知心理学［M］.上海:华东师范大学出版社，2004:166－220.

［16］张 剑，庄 洁，陈佩杰.运动视觉研究进展［J］.中国运动医学杂志，2009，28（2）:254 －257.

［17］Williams AM，Davids K，Burwitz L，et al.Visual search strategies in experienced and inexperienced soccer players［J］.Res Q Exerc Sport，1994，65（2）:127 － 135.

［18］Williams AM ＆ Davids K.Visual search strategy，selective attention，and expertise in soccer［J］.Res Q Exerc Sport，1998，69（2）:111－128.

［19］Savelsbergh GJP，Williams AM，John Vandrr Kamp，et al.Visual Search，Anticipation，Expertise in Soccer Goalkeepers［J］.Journal of Sports Sciences，2002，20:279 －287.

［20］Sternberg RJ著.杨炳钧等译.认知心理学［M］.北京:中国轻工业出版社，2006:51 －82.

A Study on Visual Search Strategy of Soccer Players

WU Yin，LIU Shengyang，ZHANG Jian
（Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China）

The soccer is an offensive and defensive sport with fast conversion speed.It is important for soccer athletes to predict accurately.Predictive ability of athletes was better than that of non-athletes in soccer match.The difference is probably that，in the visual search process，athletes watch while non-athletes do not look at a key clue.This research analyzes the predictive ability and level of central resource consumption of different levels of athletes through the penalty video blocked at different time points and with different showing speeds.Use eye tracking instrument to analysis time series characteristics of fixation area to discuss the visual search strategy of elite athletes.In the ball moment，prediction accurate rate in athletes is higher than non-sports group.Athletes group used a regular pattern of visual search to extract effective features value and predict.Athletes can view and analyze race under different scenarios repeatedly to improve the capacity of visual search，so that to improve the capacity of prediction.This result has some real practical significance to training practice.

soccer;predictive ability;visual search;prediction accurate rate;fixation area

G804.86

A

1004－0560（2012）02－0106－03

2012-01-16;

2012-03-08

国家自然科学基金（编号:30970896）;上海市浦江计划资助（编号:9J［2007］00136）。

吴 殷（1979－），男，讲师，博士研究生，主要研究方向为运动心理学。

张 剑（1972－），男，副教授，博士，主要研究方向为生理心理学。

责任编辑:刘红霞