重剑运动员判断时机的视觉搜索特点及其ERP研究

刘婷怡， 周成林， 王碧野

（1.上海体育学院运动科学学院，上海200438；2.上海体育学院科研处，上海200438）

重剑运动员判断时机的视觉搜索特点及其ERP研究

刘婷怡1， 周成林2， 王碧野1

（1.上海体育学院运动科学学院，上海200438；2.上海体育学院科研处，上海200438）

结合眼动记录系统和事件相关电位（ERP）记录系统，以重剑运动员为研究对象，要求其判断比赛视频片段中的出剑时机，考察实验任务中被试的视觉搜索特点及其神经机制。结果显示：1）平均注视时间存在性别主效应；2）男女运动员关注区域存在差异；3）出剑时机点的判断不具有显著性差异；4）运动员大脑信息处理存在双侧匹配模式；5）男女运动员P3波潜伏期在PO3、PO7处有显著性差异，P3波的振幅无显著性差异。提示：专家运动员出剑时机判断的准确性高；不同性别重剑运动员视觉搜索特点存在差异；重剑运动员在任务执行上具有专家优势，但男女运动员对动态情境的信息处理不存在显著性差异。

重剑运动员；判断时机；视觉搜索；事件相关电位；出剑时机

Author’s address1.School of Kinesiology，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.Department of Scientific Research，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China

开放式竞技对抗比赛要求运动员根据场上环境变化，运用自己所掌握的技战术，通过心理调控，快速、有效地作出决策。击剑运动的技战术运用都伴随着复杂的心理决策［1］。运动员们根据不确定的外界信息，采取各种手段快速、准确地击中对手的有效部位［2］。重剑受裁判因素影响最小，比赛中不限制主被动优先权，全身都是有效攻击范围［3］。具有重剑优势的国家均会根据自己的特点和经验，总结符合自身的打法、技术形态、战术意识以及出剑规律，形成独特风格［4］。本研究通过眼动记录系统和事件相关电位（ERP）记录技术相结合的方法，考察动态情境下重剑运动员出剑时机判断的视觉搜索特点及其神经机制，旨在探索重剑运动员的专家优势，为提高重剑运动员的训练效果提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 被试为上海体育学院附属竞技体校重剑专项运动员：男运动员7人，其中国家二级以上1人；女运动员11人，其中国家二级以上8人；年龄为（16.26±2.08）岁。

1.2 实验材料 选取国际重剑比赛视频，采用绘声绘影9.0程序截取从双方对峙到左侧运动员出剑的片段（每个时长约为4 000 ms），选取其中一段作为有效刺激材料（标准出剑时机为3 100 ms），重复播放85次，总共随机播放视频片段185次。

1.3 实验仪器设备 运用E-prime2.0心理实验程序设计软件编制视频播放程序。

眼动记录系统：美国应用科学实验室生产的ASL Eye Tracker 6000系列的R6型红外遥感眼动跟踪系统。

事件相关电位记录系统：德国Brain Products公司生产的64导事件相关电位测试系统。电极位置在国际10-20系统的基础上进行安放。另设有记录垂直眼电电极（ECG）和水平眼电电极（EOG）。脑电采样率为500 Hz，滤波带通为1.15～100 Hz。电极与头皮间电阻小于10 kΩ。

实验用计算机：3台DELL台式机，用于运行实验程序（呈现刺激材料、记录行为数据）、采集数据（脑电数据、眼动数据）。显示器均为19英寸纯平显示器，分辨率为1 024×768，刷新频率为100 Hz。

1.4 实验设计与程序 判断比赛视频中左侧运动员出剑时机。实验分为练习和正式实验2部分。指导语：“以下播放重剑比赛视频，请快速、准确地判断左侧运动员的出剑时机，并按ENTER键进行反应。明确实验任务，按ENTER键进入练习部分”。练习部分显示反应正确与否（部分视频片段为出剑假动作）以及反应时间，使被试明确实验任务。练习部分结束后，理解实验任务者向主试示意，进入正式实验部分（两部分视频材料不同），正式实验部分没有反馈信息，实验程序如图1所示。

图1 实验任务流程Figure 1. Procedure of Experiment Task

1.5 数据记录预处理 记录被试在实验任务的时机判断时间点、相关眼动、ERP指标，采用SPSS 17.0对数据进行独立样本t检验。

2 研究结果

2.1 眼动指标 在实验过程中，记录运动员组别各被试观察视频材料时的眼动指标（注视点个数、平均注视时间、注视频率），对其进行独立样本t检验。结果显示，男女运动员在对视频材料进行分析判断时，具有性别主效应（t1，16=-2.399，P＜0.05）。女运动员在每个注视点上的平均注视时间为（388.07±32.00）ms，而男运动员平均注视时间仅为（253.30±49.58）ms（表1）。

表1 不同性别重剑运动员眼动指标的差异检验结果Table 1 Comparison of Eye M ovement Indicators in Different Genders

2.2 注视特征 眼动仪记录的结果显示，男女运动员对视频中比赛运动员的关注区域存在差异。对男女运动员眼动注视点分布的情况作进一步分析，计算男女运动员对每个部位关注程度占注视总体的百分比。采用独立样本t检验，分析男女运动员对视频中对方关键部位的兴趣区（表2）。

表2 不同性别重剑运动员注视特征的差异检验结果Table 2 Comparison of Focus Features in Epee Athlets w ith Different Genders

分析结果显示，男女运动员对于对手（右侧运动员）躯干区域的关注程度一致，但是男运动员对于对手的腿部区域的关注程度远远高于女运动员。

2.3 行为数据结果 对不同性别的被试在实验任务中判断出剑时机点（ms）的结果及其独立样本t检验结果显示，男女运动员在时机点判断上无明显差异（表3）。

表3 不同性别重剑运动员出剑时机点判断的独立样本t检验结果Table 3 Comparison of Attack Tim ing in Epee Athletsw ith Different Genders

2.4 电流密度分布 将运动员判断出剑时间的EEG分别进行叠加得到ERP，根据ERP做出电流密度图（图2）。事件相关电位ERP是指：由于外界给予或撤销一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部分，在脑区引起的电位变化。它能揭示脑电波和心理事件之间的时间关系。

图2显示：运动员67 ms处额叶右侧激活最明显；108 ms处枕叶右侧激活最大；187 ms处后侧枕叶整体激活程度最大；236 ms处枕叶的激活区域进一步扩大；323 ms处后侧枕叶的激活扩大至顶叶区域，均呈现出最明显的激活。可知，在各个ERP成分的P1、N1、P2、N2、P3达到峰值时，运动员在刺激呈现后迅速激活了大部分脑区。在P3时间窗口内，运动员组的大脑在左右脑区的顶-枕区和枕叶区均有一定程度的激活。

图2 重剑运动员电流密度分布Figure 2. Eppe Athletes’Stimulated Degree of ERP

2.5 P3成分 从不同性别的运动员时机判断任务中所得ERP波形中发现，在刺激呈现300 ms以后，顶区Pz、P1、P2，顶-枕区POz、PO3、PO4、PO7、PO8，枕区Oz、O1、O2处均出现较大的正向波，即P3波。根据前人研究结果，结合本实验记录结果，将P3波峰时间设定为300～370 ms。通过数据分析，得出被试P3波的潜伏期和峰值的统计结果。

结果显示：男女运动员 P3波潜伏期在 PO3（t1，16=2.717，P＜0.05）、PO7（t1，16=2.439，P＜0.05）处有显著性差异（图3、图4）；各个电极点上的P3波振幅无显著性差异。

图3 不同性别重剑运动员出剑时机判断的PO3处ERP波形Figure 3. ERP at PO3 of Attacking Tim ing in Epee Athletesw ith Different Genders

图4 不同性别重剑运动员出剑时机判断的PO7处ERP波形Figure 4. ERP at PO7 of Attacking Timing in Epee Athletes w ith Different Genders

3 分析与讨论

3.1 运动情景下出剑时机判断的视觉搜索特点 与一般水平运动员相比，高水平运动员的优势在于：具备更为有效的视觉搜索策略；拥有更多专项运动知识；特定比赛情境中，具有经验性的反应偏向；通过再认、回忆，更精确地辨别对手的运动模式；预判时，更为有效地利用相关特定身体运动特征［5］。

A.W.Mark等［6］在运动水平×情境条件的研究中，起初认为运动员具有整体性视觉搜索策略（global strategy），但在后续的研究中发现，运动员利用的是关键区域视觉搜索策略（local strategy）。实验研究认为，网球运动员预判任务中的关键信息搜索区域（key sources of information）是球拍与手臂区域（arm+ racket）。Y.Ishibashi等［7］在对于篮球运动员罚球结果预测的视觉搜索研究中指出，在观察视频中运动员罚球的各个阶段中，被试所关注的区域不同，不同水平的运动员在各个阶段注意的焦点也不尽相同。

重剑比赛中运动员应具有良好的观察、判断能力，能够抓住良好的时机（辨别最有利和最不利行动实施的感知觉能力），运用欺骗来创造时机［8］。与需要注意稳定、集中的封闭式运动项目不同，重剑的开放式对抗性要求运动员必须具备高质量的注意转移能力［9］。

前人对击剑运动的弓步刺技术进行了系统的研究，指出重心与速度的同步性问题［10］。关于下肢关节肌力［11］、腿部肌群用力［12］等特征的细致分析结果显示，男女运动员的肌肉运用策略并不相同。重剑比赛中反攻得分直接，运用好坏对比赛结果具有重要影响［13］。又因其技术难度小，常被女子重剑运动员采用［14］。相对而言，男子重剑运动员强调的是冲刺技术的运用［15］。

在本实验的时机判断任务中要求被试通过观察双方运动员的行为变化，判断左侧运动员的出剑时机。女运动员较之男运动员虽然没有注视点个数的显著性差异，但是在每个注视点上耗费的时间远远超过男运动员。研究发现，不同性别重剑运动员的平均注视时间有所差异，女运动员较之男运动员在每个注视点所消耗的时间更长。这可能是由不同性别运动员信息加工能力差异导致的。同时，男运动员对于视频中对手的腿部关注程度显著高于女运动员，这也证明了男女重剑运动员判断出剑时机的策略不同。

实验结果证明：在动态情境下，男女重剑运动员的视觉搜索特点不同，男运动员较之女运动员对对手下肢运动变化更感兴趣。

3.2 运动情景下出剑时机判断的行为特点 在击剑运动训练中，时间感是重要的专项素质［16］。运动员进行操作任务时，常出现速度—准确性的权衡问题：追求速度牺牲准确性；追求准确性放慢操作速度［17］。张立新［18］的研究指出，时间测定的变异小，则能够更快地掌握跳水技术。冯琰［19］在对花剑运动员时间知觉的研究中发现，即使要求被试在任务中注意其复制时间准确性，仍存在低估时间长度的倾向。关于运动员时间知觉的研究仍存有很大的争议。

本实验操作要求被试在观察视频中运动员对峙情况后，对出剑时机进行准确判断。结果显示，运动员组的出剑时机判断与真实比赛情境的出剑时机接近。这一结果证明与单一的时间复制操作不同，在判断比赛情境中的出剑时机任务中，运动员并没有低估时间长度的问题，能够出色地预判出剑时机点。

前人研究指出，同年龄段的男女之间存在反应速度差异，男性较之女性能够更快地对操作任务进行反应［20］。贾恩峰等［21］的研究证实，男性篮球运动员的反应速度更快、直觉思维准确性更高，原因在于其信息加工速度快于女性篮球运动员。

本实验结果显示，男女运动员在进行时机预判的反应时上，具有一定的差异（差异不显著）。这可能是由于性别反应速度之间的差异，或两者之间存在信息加工的差异。

3.3 电流密度特征 后顶叶皮层分为后顶叶5区即初级躯体感觉皮层（primary somatosensory cortex）的1、2、3区，以及后顶叶7区，用于接收高级视觉区域输送来的信息。前者属于腹侧通路成分，后者属于背侧视觉通路成分［22］。视觉预测中所对应的大脑通路分别为：腹侧视觉通路（ventral vision-for-perception），用于得出一个周围所处环境的知觉叙述；背侧视觉通路（dorsal vision-for-action），用于得出一个在线视觉—控制行动［23］。对于情境中运动员预测的研究，能够反映后者的实验设计，更能突出高水平运动员的判断和执行能力。

重剑运动员在后顶叶7区附近激活显著，表明本实验的设计能够反映出被试执行能力的水平。重剑运动员在判断出剑时机的任务中，激活了更为关键的脑区，具有出色的判断、执行能力。

胡咏梅等［24］对脑像图的研究指出，击剑运动员大脑信息处理能力具有双侧匹配的模式。大脑整体处理信息的能力，不受剑种、运动等级、性别等自变量的影响；但是，由于大脑的双侧匹配存在3种类型，建议对运动员的心理调控对策必须突出个性化。本实验结果与前人研究相一致，重剑运动员的大脑信息处理存在双侧匹配的模式。

综上，高水平重剑运动员具有执行能力的专家优势，且具有大脑信息处理双侧匹配的特点。

3.4 P3成分特征 ERP是最直接的一种测量大脑活动的技术，而P3波是ERP的主要研究指标之一［25］。脑地形图显示，P3波可以从额区、颞区、顶区记录到不同脑区反映不同的刺激：顶区的P3波与偏差刺激有关；额区的P3波与新异刺激有关。P3波的波幅反映了大脑的加工能力。P3波的潜伏期是心理时间的测量指标，代表了刺激加工时间，反映了刺激评估加工的持续时间，代表决策之前的信息加工认知成分。

H.Nakamoto等［26］在对棒球运动员的研究中发现，为了能够更准确地判断来球时机，不同水平的运动员具有不同程度的行为抑制能力，体现于其顶叶、枕叶区域的P3波幅根据其运动水平的差异不同程度地减小。与之结论相反的研究发现，在对花剑比赛情境图片的判断任务中，高水平运动员在特定脑区诱发的P3波幅显著高于普通运动员与初学者，其对比赛情境图片的判断更准确。研究人员认为，这可能是由于高水平花剑运动员在相同时间内搜索并觉察到的相关线索更多［19］。

本研究结果显示，重剑运动员的各个脑区的激活程度、P3波的振幅较大。与普通的来球时机判断任务不同，判断出剑时机是一个复杂的观察过程，单凭抑制能力不足以做出准确判断。重剑运动员在视频材料中搜索和察觉到了更多的相关线索，并且进行了更深入的信息加工。同时，男女运动员在P3波的波幅、潜伏期上的差异，未达到普遍的显著性，不能证实运动员性别之间存在信息加工能力的差异。判断出剑时机差异，可能是由男女重剑运动员视觉搜索策略差异引起的。

4 结论

高水平重剑运动员在运动情境下，对出剑时机的判断准确。通过多年的专业训练，高水平重剑运动员在任务执行上具有专家优势。由于男女运动员的运动优势不同，在视觉搜索策略上有所不同，但是对动态情景的信息处理上不存在显著性差异。

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Epee Athletes’Visual Search Features and ERPStudy on Tim ing Judgment

∥LIU Tingyi1，ZHOU Chenglin2，WANG Biye1

The study，combined eye movement recording w ith event ERP recording system，observed epee athletes，who were required to judge the attacking time in a competition video clip，exam ining their visual search features and neuralmechanism.The results find that：1）Average fixation time differs in different genders；2）Focus differs in genders；3）There is no significant difference in the judgment of attacking tim ing；4）Bilateral matching mode of information processing exists in athletes’brains；5）There is a significantdifference for P3 wave latencies at PO3 and PO7，though no significant difference is found in P3 wave amplitude.The study shows that epee expert has a higher accuracy of attacking tim ing judgment.Moreover，visual search features differ in different genders.Epee athlete has executionadvantages，but no significant difference of information processing under dynam ic conditions has been found in different genders.

epee athlete；tim ing judgment；visual search；ERP；attacking time

G804.8

A

1000 -5498（2013）06 -0045 -05

2013 -05 -12；

2013 -07 -04

国家自然科学基金资助项目（31171004）；上海市科委“创新行动计划”部分地方院校能力建设计划项目（11510503100）

刘婷怡（1987 -），女，上海人，上海体育学院硕士研究生；Tel：13310010283，E- mail：katherine-yoyo_ 35@hotmail.com

周成林（1960 -），男，辽宁沈阳人，上海体育学院教授，博士，博士生导师；Tel：（021）51253152，E- mail：chenglin_600@126.com