不同知觉动作匹配和技能水平对虚拟网球情境中运动员接发球的影响

杨勇涛，张忠秋，戴群

不同知觉动作匹配和技能水平对虚拟网球情境中运动员接发球的影响

杨勇涛1，张忠秋2，戴群1

采用虚拟现实技术和专家-新手范式，以生态学理论为指导，模拟虚拟网球发球情景，探讨虚拟网球发球情景中不同技能水平网球运动员在不同知觉动作匹配时的接发球表现。结果：（1）一级运动员口语报告和真实动作准确率均显著高于二级运动员和业余爱好者；（2）一级运动员动作准确率高于口语报告，二级运动员和业余爱好者则相反；（3）一级运动员口语报告反应时显著快于二级运动员和业余爱好者；（4）一级运动员身体启动时间显著早于二级运动员和业余爱好者，二级运动员身体启动时间显著早于业余爱好者，一级运动员和二级运动员挥拍启动时间显著早于业余爱好者，一级运动员运动总时间显著多于二级运动员和业余爱好者，二级运动员显著多于业余爱好者，一级运动员挥拍总时间显著少于二级运动员和业余爱好者，二级运动员挥拍总时间显著少于业余爱好者。结论：（1）虚拟运动情景中同样存在专家优势；（2）知觉动作匹配水平影响接发球表现，高水平的知觉动作匹配更能体现专家优势，高水平运动员真实动作接发球表现更好；（3）高水平运动员把握接发球的时机更准确，击球点更靠前，接发球效率更高。

专家-新手范式；生态学理论；虚拟网球发球情景；知觉动作匹配；接发球表现

日常生活有很多知觉动作现象，如吃饭、过马路、躲避障碍物、够物等，都需要知觉的指导，并以觉察到的信息作为动作发生的条件。知觉动作是一个接受、理解并判断感觉信息，然后做出正确动作反应的过程，是一个基本的心理过程，协调知觉输入和动作输出。在运动领域，知觉动作则表现为运动员从环境中获取信息执行动作的能力[1]。由于知觉动作之间的紧密联系，任何研究模式都可能在操作其中一个变量时无意中改变另一个变量[2]，进而割裂知觉动作之间的匹配[3]。知觉动作匹配可以认为是知觉指导动作，同时动作进一步给知觉提供反馈[2]，两者之间的关系就像一个环路，相互影响。知觉动作匹配水平越高，该环路的效果就越好。

目前，知觉动作研究主要秉承2种不同思路：信息加工过程理论和生态学观点。传统知觉预判研究基于信息加工理论，采用专家-新手范式和眼动记录技术，以口语报告或按键反应探讨运动员的知觉预判表现。结果发现，专家的知觉预判能力明显优于新手，这种预判能力优势可能建立在专家高效的视觉搜索模式上，如专家的注视部位集中在躯干、臀部、肩部和头部等关键区域[4-9]，注视行为[1，10-13]，更能利用先行信息[14-16]等。传统知觉预判研究能够让人们在一定程度上理解运动专长，但由于试验材料、任务和反应方式[15]等与真实运动情境相差较远，不论是知觉到的信息，还是反应方式（按键反应、口语报告）都与真实情景不符，影响运动员的知觉信息[1]，并且视觉场景和反应的非同步化割裂了知觉和动作的匹配[17]，不能代表运动员真实运动情境中的知觉和动作现象[18]，是一种低水平的知觉动作匹配[19]，不能反应运动员，尤其是专家级选手真实的预判和动作表现，生态学效度较低。

NEISSER[20]认为，脱离于环境的独立认知是不存在的，必须重视研究的生态学效度。早在1996年，ADAM等[19]就发现，用右手食指指出刺激出现位置的反应时比按键和言语报告至少快了100 ms，并且错误率低。虽然该研究突破了以往研究的局限，用真实动作评价任务表现，但其知觉和动作匹配水平较低。在运动领域，FARROW及其同事进行了类似研究。（1）结果发现，高水平的知觉动作匹配更能体现专家优势，真实动作接发球时，专家和新手的预判准确率有显著差异；而知觉和动作不匹配时，专家和新手的预判准确率没有显著差异。（2）当呈现球的飞行信息时，动作反应条件下运动员对发球的判断准确率优于知觉判断反应条件。据此FARROW等[21]提出，专家仅在自然时间压力条件下的真实动作表现优于新手。MANN等[22]认为，知觉和动作之间的匹配越接近自然情境越好，这是知觉动作研究的关键。因此，对运动情景中的知觉动作来说，试验任务与运动情境越匹配，就越能增加测量的敏感性，而反应方式越接近运动员的自然动作，就能更明确地区分专家新手差异。其中的关键是，尽量让知觉和动作之间的匹配接近自然情境。

虚拟现实技术能够解决传统知觉预判研究中存在的问题，它有传统研究方法不可比拟的优势[16]，尤其是在运动研究领域[23]。使用虚拟现实技术不仅能够模拟真实运动情境，使现实运动情境能够真实再现，而且能够让运动员做出真实的动作反应，这种虚拟的运动情境和真实的动作反应与运动情境非常接近，是一种高水平的知觉动作匹配，因此更能够代表知觉和动作的关系。

目前，国外研究者已对虚拟运动情境中棒球、手球、足球等运动员的接球表现[16，24-28]、知觉动作匹配水平对运动表现的影响[29-31]和虚拟运动情境中的专家优势[1，23，32]进行了探讨，但结果并不一致。因此，本研究使用虚拟现实技术，模拟虚拟网球发球情景，探讨技能水平和知觉动作匹配水平对网球运动员接发球表现的影响，其中，口语报告为低水平的知觉动作匹配，真实接发球动作则为高水平的知觉动作匹配。

1 研究对象与方法

1.1 被试

19名被试参加试验，5名网球一级运动员，年龄（19.56± 0.62）岁，球龄（7.94±0.44）年；7名网球二级运动员，年龄（25.19± 0.97）岁，球龄（4.81±0.74）年；7名业余爱好者，年龄（27.19±1.84）岁，球龄（5.63±1.01）年。所有被试均为男性，右利手，身体健康，裸眼视力正常。

1.2 试验设计

3（一级运动员、二级运动员、业余爱好者）×2（口语报告、真实动作反应（持拍接发球））双因素混合试验设计，组间变量为技能水平，组内变量为反应方式。

1.3 试验工具

高性能计算机1台、NVIDIA 3D立体眼镜、4×3 m投影幕、虚拟现实制作平台（VRP 11.0）、三菱主动立体工程投影机、Dartfish运动分析系统和索尼DSR PD198P专业高清摄像机。

1.4 虚拟网球发球情景

虚拟网球发球情景由成都思必瑞特科技有限公司和国家体育总局运动心理学重点实验室制作。（1）拍摄真实的一区内角和外角发球视频，然后使用Dartfish运动分析系统提取各运动关节的数据，以此数据模拟虚拟发球，球速约为150 km/h，球和球拍接触即刻的时间约为1 040 ms，落地时间约为1 640 ms，球消失时间为2 000 ms，每个虚拟发球时间2 000 ms；（2）为使网球更易识别，增加了虚拟网球的直径和亮度；（3）模拟8个发球，分别用8个字母组合AI、BI、CI、DI、EO、FO、GO和HO表示，I表示内角发球，O表示外角发球。

1.5 试验程序

运动员填写基本情况调查表，然后主试介绍试验目的及注意事项后签署知情同意书。试验包括练习和正式2部分。正式试验开始前，每名被试练习20次以适应虚拟发球场景，期间任何问题可随时询问主试以明白试验要求。正式试验120次发球，每个发球15次，每个发球前有2～5 s的准备时间，完成60次后休息2 min，然后再次戴上眼镜适应1～2 min继续试验直至结束。

所有运动员均先完成口语报告任务，再完成真实动作反应任务，2类任务间隔30 min。接发球位置为距离虚拟发球呈现屏幕5 m处，运动员身后空间为1.5 m，口语报告和真实动作条件下的接发球位置相同。口语报告时，运动员需要对接发球的时机做出判断，真实动作反应条件下，运动员则像在真实比赛中一样，持拍移动接球，运动员接完发球后立即回到接发球位置准备下一次接发球。口语报告约12 min，真实动作接发球约20 min。用索尼DSR PD198P高清摄像机记录试验过程。

1.6 评价指标的操作定义

1.6.1 反应时使用Dartfish运动分析系统从运动员试验录像中提取口语报告和动作反应时，视频20 ms/帧，误差约为0.02 s。口语报告和各动作反应时的操作性定义包括以下5个。（1）口语报告反应时：运动员发出“击打”声音那一帧的时间至虚拟发球运动员抛球瞬间前一帧的时间差值；（2）身体启动时间：运动员开始移动身体（以身体重心明显变化或脚开始移动为标准）那一帧的时间至虚拟发球运动员开始抛球瞬间前一帧的时间差值；（3）身体运动总时间：运动员开始移动身体前一帧的时间至接完发球准备回到接发球位置瞬间前一帧的时间差值；（4）挥拍启动时间：运动员持拍开始移动前一帧的时间至虚拟发球运动员开始抛球瞬间前一帧的时间差值；（5）挥拍击球的总时间：运动员开始挥拍瞬间前一帧的时间至挥动球拍击球动作结束那一帧的时间差值。

由于实验室空间限制，摄像机无法完全拍摄运动员真实接发球时的完整动作，只能在接发球位置左前方约6 m处拍摄，导致不能拍摄虚拟发球场景，数据提取无法以虚拟发球手抛球瞬间作为反应时起点，只能以击球声音出现的时间作为反应时的起点（击球声音出现瞬间音源设备黄色指示灯变亮，此时即为反应时起点）。然后加上开始抛球瞬间和击球声音出现之间的时间作为各动作反应的时间。

1.6.2 准确率（1）口语报告准确率：运动员对发球方向的判断。如发球为内角，报告为“内打”，为正确反应；若发球为外角，报告为“内打”，则为错误反应。另外，反应时间少于1 700 ms或大于2 000ms也为错误反应。

（2）动作反应准确率。以运动员接发球时挥拍结束时间和对发球方向的判断作为评价依据，如挥拍动作结束时间大于2 200 ms（球消失200 ms后），即为错误接发球。另外，运动员接发球时的挥拍方向，如发球为内角，运动员向身体左侧挥拍，则为错误接发球，反之亦然。

1.7 数据分析

使用SPSS20.0对反应时和准确率进行统计分析，统计数据均已剔除错误数据，其中1名业余爱好者由于没有理解试验目的，口语报告反应时太快，该部分数据亦不计入统计分析，显著性水平为P<0.05。

2 结果

2.1 口语报告和真实动作反应的准确率

配对样本T检验结果显示：一级运动员口语报告准确率低于真实动作（t=0.460，P>0.05）；二级运动员口语报告和真实动作准确率边缘显著（t=-1.900，P=0.061）；业余爱好者口语报告准确率显著高于真实动作（t=-2.399，P<0.05）（见图1）。

2.2 不同技能水平运动员口语报告反应时比较

双因素方差分析结果显示：技能水平的主效应显著（F（2，17）= 30.425，P<0.05）；知觉和动作匹配水平的主效应显著（F（1，18）= 10.474，P<0.05）；技能水平和知觉动作匹配水平的交互作用不显著（F（2，17）=11.742，P>0.05）。多重比较结果表明：一级运动员口语报告和真实动作的准确率均高于二级运动员和业余爱好者（P<0.05）；二级运动员和业余爱好者口语报告准确率呈边缘显著（P=0.060），但二级运动员真实动作准确率显著高于业余爱好者（P<0.05）（见图2）。

图2 不同技能水平网球运动员口语报告和动作反应的准确率

以技能水平为自变量、口语报告反应时为因变量对网球运动员口语报告反应时进行单因素方差分析显示，技能水平对口语报告反应时有显著影响（F（2，17）=266.377，P<0.05）。多重比较结果显示，一级运动员口语报告反应时显著快于二级运动员和业余爱好者，分别快80 ms和113 ms，二级运动员反应时也快于业余爱好者但差异无统计学意义（见图3）。

图3 一级运动员、二级运动员和业余爱好者的口语报告反应时

2.3 不同技能水平运动员的真实动作反应时比较

以技能水平为自变量、各动作反应时为因变量对真实动作反应进行多元方差分析显示，技术水平对网球运动员接发球时的身体启动时间、挥拍启动时间、挥拍总时间和身体运动总时间均有统计学意义（P<0.05）。

多重比较结果显示：一级运动员、二级运动员和业余爱好者身体启动时间、挥拍总时间和身体运动总时间均存在显著差异（P<0.05）；一级运动员身体启动时间显著早于二级运动员和业余爱好者（分别快261 ms和635 ms），二级运动员身体启动时间显著早于业余爱好者（快374 ms）；一级运动员身体运动总时间显著多于二级运动员和业余爱好者（分别多233 ms和407 ms），二级运动员身体运动总时间也显著多于业余爱好者（多174 ms）；一级运动员挥拍击球总时间显著少于二级运动员和业余爱好者（分别少129 ms和371 ms），二级运动员挥动球拍总时间也显著少于业余爱好者（少242 ms）；一级运动员和二级运动员挥拍启动时间显著早于业余爱好者（分别快118 ms和73 ms），但一级运动员和二级运动员挥拍启动时间不存在显著差异（P= 0.076）；一级运动员身体启动时间和挥拍启动时间之间的时间间隔显著长于二级运动员和业余爱好者，而且业余爱好者此时间间隔很短（见图4、图5）。

图4 不同技能水平网球运动员身体启动和挥拍启动的时间

图5 不同技能水平网球运动员身体运动和挥拍击球的总时间

3 讨论

3.1 知觉动作匹配水平对准确率的影响

关于不同知觉动作匹配水平时运动员的预判或动作准确率，已有研究发现，真实动作反应准确率显著高于口语判断[16，21，28]，并且与口语反应和动作反应相比，与自然情境完全一致的动作反应准确率更高[33]。但也有研究发现，动作准确率低于口语判断[30]。本研究结果却发现，二级运动员和业余爱好者口语报告准确率高于真实动作，而一级运动员口语报告准确率低于真实动作。

（1）任务难度可能是原因之一。在FARROW等[21]的研究中，接发球运动员只需向发球方向移动而不必做出击球动作，仍是一种较低水平的知觉动作匹配；在RANGANATHAN等[30]的研究中，棒球手则需要拿着球棒用真实动作拦截球，这与运动员的自然行为几乎一致，是高水平的知觉动作匹配。RANGANATHAN等[30]认为，高水平的知觉动作匹配可能使任务难度增加，导致运动员拦截球的准确率较低，而知觉判断的准确率较少受影响，可能是知觉判断条件下击球手只需关注投球手的信息，不必考虑动作执行的问题，因此有更多时间加工相关信息。在本研究中，高知觉动作匹配时网球运动员需拿着网球拍接发球，明显增加了业余爱好者动作反应的难度。因此，业余爱好者动作准确率明显低于口语报告。但VIGNAIS等[31]却认为，导致RANGANATHAN等研究结果的原因可能是运动员对运动关节变异的知觉和虚拟环境的沉浸感水平，对于有经验的投球手来说，其在不同投球类型时身体运动关系的变化很小，而沉浸感水平也很可能影响运动表现。

（2）与任务难度相关的球速也是造成结果不一致的原因。运动员在面临80、104、127和150 km/h发球时的运动表现很有可能是不一样的。球速较慢时，运动员有充分的时间获取信息并调整动作，而快速发球明显压缩运动员的信息加工和动作执行时间，降低准确性。因此，在FARROW等的研究中，高水平知觉动作匹配时的准确率高可能是由于球速较慢，运动员有充分时间做出预判和调整动作。而在本研究及RANGANATHAN等的研究中球速快，导致低水平运动员没有充分时间获取信息做出判断，影响其后续动作执行。因此，动作准确率低于口语报告，而一级运动员已经形成稳定的动力定型，接发球时不需要考虑动作执行问题，更多是一种下意识行为，动作准确率虽高于口语报告，但两者没有显著差异。

总之，一级运动员动作准确率显著高于二级运动员和业余爱好者，且不同技能水平之间的差异更大，这可以在一定程度上支持高水平的知觉动作匹配更能体现专家优势的观点。

3.2 低水平知觉动作匹配时的准确率和反应时

研究结果显示，一级运动员口语报告反应时和准确率显著高于二级运动员和业余爱好者，体现了明显的专家优势。这是由于，一级运动员接受过专业的网球专项训练，技术动作更规范，经常参加一些高水平的比赛，经验更加丰富，综合技术水平远高于业余爱好者，对接发球时机的把握更准确、接发球技术更稳定，而业余爱好者缺少专业训练、技术动作不稳定，也没有参加过正式比赛、经验欠缺，对接发球时机的判断不稳定。

另一方面，由于150 km/h的发球速度对业余爱好者来说太快，他们很难从快速发球的飞行模式中获取预判信息。当呈现球的飞行信息时，运动员动作准确率高于知觉判断准确率。因为只有球的飞行信息可被利用时，专家知觉动作匹配时的准确率才高于知觉动作不匹配时的准确率[30]，呈现飞行轨迹时橄榄球守门员的扑球成功率更高[23]。本研究同样呈现完整的发球动作包括球的飞行路线，结果与上述研究一致，这也证实球的飞行信息对运动员动作表现的重要性，同时也支持了高水平的知觉动作匹配更能体现专家优势。

3.3 高知觉动作匹配时的准确率和反应时

研究结果显示，一级运动员、二级运动员和业余爱好者的准确率均存在显著差异，并且与口语报告相比（15%），动作准确率差异更大（32%）。因此，一级运动员动作准确率大幅提升可以认为是动作反应更易诱发其自然行为或优势反应，这也进一步证实动作反应是区别专家和新手的重要指标。为何一级运动员接发球动作表现更好？准确率更高？

（1）这可能与他们接发球时身体启动时间和挥拍启动时间早有关。已有研究认为，棒球手击球时的身体启动时间早于新手，这是导致其后续动作表现更好的原因之一[30]。因为较早的身体和挥拍启动时间让一级运动员随时加速移动，而业余爱好者身体和挥拍启动时间晚，接发球时间受到限制，效率显著降低。

（2）专家能够根据对手身体运动关节的变化调整启动时间，快速投球时的启动时间晚，而在pcb100（球开始释放到飞行100 ms之间球的飞行信息可见，挥臂准备投球到球释放100 ms之间投球手可见，但球的飞行信息和投球手的身体运动模式相反）时，旋转投球的启动时间晚，因为此时研究者给运动员呈现的是一个快速投球时身体运动模式。因此，较早的接发球启动时间使一级运动员有更多时间观察球的飞行信息，而业余爱好者接发球的时间非常有限，没有充分时间观察球的飞行信息，只能从发球运动员的身体运动信息获取有限信息做出预判，但他们并不善于从对手身体运动模式的变化获取信息。因此，业余爱好者的身体启动时间明显延长，且动作效率下降。

（3）先前研究发现，专家击球手挥棒击球时间比新手快50 ms，这种短时间的挥拍能够让专家在击球前有更多时间观察球的飞行信息，因此专家的运动表现优于新手[30]。本研究发现，一级运动员挥拍击球的总时间比业余爱好者少了421 ms，这是因为他们已适应快速发球，能够从球的快速飞行中获取有效信息挥拍击球，同时挥拍击球对他们来说更是一种下意识的行为，而快速发球不仅让业余爱好者在获取球的飞行信息时有较大困难，并且还要考虑后续的动作控制问题，导致接发球。本研究还发现，业余爱好者往往来不及做完整的接发球动作，只能以简单的切削应对。因此，一级运动员更好地接发球动作表现进一步证实球的飞行信息对专家预判的重要性，并且由于专家在获取足够信息之后会加速挥动球棒击球[30]，这也导致一级运动员挥拍击球时间显著少于业余爱好者。

（4）一级运动员身体移动的总时间显著多于二级运动员和业余爱好者，尤其是和业余爱好者有明显差异。已有研究发现，旋转投球时击球手的身体移动时间多于快速投球，尤其是虽然旋转投球时专家开始移动的时间早于新手，移动总时间却多于新手，而pcb100时则相反[30]。HUBBARD等[34]认为，运动员移动的持续时间与球速相关，球速决定击球手击球时的移动时间。结合先前研究结果，本文认为，球速仅是一方面因素，对球速的感知能力也可能影响击球手的动作表现，而投球手投球时身体各运动关节的变化信息可能是影响击球动作表现最重要的因素。

4 总结

本研究通过使用虚拟现实技术模拟虚拟网球发球情景，并依据专家-新手范式和生态学理论，对运动情境中知觉动作匹配水平对运动表现的影响，以及专家优势进行了探讨。研究结果进一步证实了运动情景中的专家优势，丰富了专家优势学说，同时亦证实高水平知觉动作匹配时，高水平运动员有更好的运动表现，真实动作表现更能体现专家优势。研究使用虚拟现实技术模拟网球发球情景亦使任务更接近真实运动情景，提高了研究的生态学效度。但是，本研究在虚拟网球发球情景的模拟、运动员与虚拟情景的交互和评价指标的测评方面还存在一定不足，尤其是虚拟网球发球情境的模拟和交互，由于运动员的预判可能受到文脉或背景信息的影响[35]，未来研究应该设法进一步提高虚拟网球发球情景的真实性和沉浸感，利用交互设备（如虚拟手套、运动传感器等）提高运动员和虚拟情景的交互程度，进一步提高知觉和动作的匹配水平，提高研究生态学效度。

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Influence of Different Perception-action Coupling and Expertise Level on Tennis Players Receiving Perfor⁃manceinVirtualServingSituations

YANG Yongtao1，ZHANG Zhongqiu2，DAI Qun1
（1.Key laboratory of Psychological and Physiological Regulation，Tianjin Sport University，Tianjin 300381，China；2.Institution of Sport Science，General Administration of Sport of China，Beijing 100061，China）

This study demonstrated the influences of different skill and perception-action coupling level on tennis players in virtual tennis serving situation，based on the experts-novice paradigm and ecological theory.The results showed that both verbal report and real motor action accuracy of grade one players was higher than grade two and amateurs；the real motor action accuracy of grade one players was higher than verbal report，while grade two players and ama⁃teurs opposite；the response time of verbal report of grade one players was significantly shorter than grade two players and amateurs；both of the starting time and total time of body movement and swing racquet of grade one players was significantly better than grade two and amateurs，and grade two players was also better than amateurs.The conclusions were：（1）there also exists expert superiority in virtual sport situation；（2）different kinds of perception action coupling impact receiving performance，high perception and action coupling level can mostly reflect expert superiority.High skill level players have a better receiving performance in motor action；（3）high skill level players can perceive receiving time more accurately，their contact point far in front，and have a high efficien⁃cy of receiving.

experts-novice paradigm；ecological theory；virtual tennis serving situation；perception-action coupling；receiving performance

G 804.8

A

1005-0000（2014）05-427-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.05.011

2014-03-26；

2014-08-27；录用日期：2014-08-28

杨勇涛（1982-），男，河南漯河人，博士，讲师，研究方向为运动认知和决策、运动员心理技能训练。

1.天津体育学院竞技运动心理与生理调控重点实验室，天津300381；2.国家体育总局体育科学研究所，北京100061。