基于VR 技术对短道速滑奥运冠军武大靖出弯道技战术的研究

王 杨,周继和,王 帅,刘国辉

短跑道速度滑冰(short track speed skating)简称短道速滑,19 世纪80 年代起源于加拿大,1992 年被列为冬奥会正式比赛项目[1]。短道速滑是我国冬季运动的优势项目,曾为我国夺得冬奥会历史上的首枚金牌,也是目前获金牌和奖牌数量最多的冬奥会项目[2],已成功跻身世界一流梯队。500 m 是短道速滑距离最短的比赛项目,出发后运动员需沿111.12 m 的跑道(两个半圆弧长为53.42 m,双边直道长度为57.70 m,直道长于弧道)逆时针方向滑行4 圈半,弯道滑行路程加上出弯道的过渡段也是沿弧线滑行,实际运动员滑行1 圈路程可达116.49 m[3],远多于111.12 m,意味着弯道滑行路程比直道路程还要长。其中,主要是运动员出弯道(从弧顶开始计算)不能够沿着圆弧赛道滑行,这和运动员受到离心力有很大的关系。众所周知,运动员出弯道滑行时在离心作用下一旦不能控制好动作和路线,从技术上既会降低滑行速度,还难以维持身体平衡,大部分的犯规和失误均发生在出弯道滑行阶段[4];从战术上在出弯道滑行过程中跟滑运动员容易利用领滑运动员身体滑离赛道的空当或因维持身体平衡而降速的机会进行主动超越[5],因此出弯道滑行在技术和战术上都有着举足轻重的地位,也是运动员获得优异成绩的关键。

武大靖是我国现役男子短道速滑的领军人物,他在平昌冬奥会上以绝对优势赢得了短道速滑男子500 m 金牌,是奥运会纪录和世界纪录的双料保持者,希冀武大靖在北京冬奥会再创辉煌。本文采用三维录像解析法对2017-2018 赛季国际滑联短道速滑世界杯上海站男子500 m 决赛进行现场拍摄,解析出武大靖本场比赛夺冠的出弯道滑行动作技术的运动学参数,利用三维虚拟现实技术再现法(3D VR 技术)对出弯道滑行动作技术进行三维重建,探究世界级优秀男子短道速滑运动员出弯道技战术的运动学特征,以期为武大靖改进和优化出弯道技战术提供建设性意见,并为短道速滑运动员提供值得借鉴的出弯道滑行动作模式,助力我国短道速滑运动的技战术训练。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

以2017-2018 赛季国际滑联短道速滑世界杯上海站男子500 m 冠军武大靖为研究对象。武大靖出生于1994 年7 月24 日,身高182 cm,体重73 kg,以40.010 s 的成绩获得本场比赛冠军,截止到2019年12 月31 日最好成绩为39.505 s(世界记录)。

1.2 研究方法

1.2.1 三维录像解析法

在2017-2018 赛季国际滑联短道速滑世界杯上海站比赛现场使用两台日本JVC GC-PX10AC高速摄像机对男子500 m 决赛进行定点定机同步三维拍摄,拍摄频率为50 帧/s,两台摄像机主光轴夹角约为60°。使用星高钛(型号:081103)24 点星型辐射框架在比赛场地进行空间标定,通过直接线性变换(Direct Linear Transformation,DLT) 建立像点坐标与物点空间坐标关系式。采用3D-Signa1Tec三维录像解析系统对武大靖单圈用时最短(8.18 s)的一次出弯道滑行动作技术进行解析。选用日本松井秀治Male 人体模型(21 个关节点,16 个环节),根据研究需要解析时添加了3 个冰面测试点和肩-髋环节。运用低通数字滤波器对录像解析后的数据进行平滑处理,截断频率为8 Hz。

1.2.2 三维虚拟现实技术再现法

三维虚拟现实技术再现法(3D VR 技术)是一门综合性信息技术,它融合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能技术、传感技术等多个信息技术分支的最新发展成果[6]。3D VR 技术的虚拟现实交互性、构想性、沉浸感对动作技术分析的深度和细致度已超过三维录像解析所获得的运动学参数。本研究在三维录像解析基础上将武大靖出弯道滑行的运动学参数调入三维虚拟现实系统再现,运用3D VR 技术的桌面虚拟现实,针对动作时间函数进行360°的旋转观察,可以有效的解决比赛现场裁判员对三维高速录像有部分遮挡的问题,利于准确的诊断和分析武大靖出弯道滑行的技战术特征[7-8]。

2 研究结果

2.1 出弯道滑行的时刻和阶段划分

本研究的拍摄区域是运动员从弯道弧顶滑行至出弯道最后一个黑色标志块,研究的技战术动作范围是一个出弯道滑行复步。为了方便运用3D VR技术动画再现形式进行运动学分析,将武大靖的出弯道滑行划分为5 个时刻和4 个阶段。5 个时刻:T1:弧顶双脚支撑时刻(左脚着冰时刻);T2:右脚蹬离冰面时刻;T3:右脚着冰时刻(弧中双脚支撑时刻);T4:左脚蹬离冰面时刻;T5:左脚着冰时刻(出弯道最后时刻)。

4 个阶段。T1-T2:第一次双脚支撑阶段;T2-T3:左脚单支撑阶段;T3-T4:第二次双脚支撑阶段;T4-T5:右脚单支撑阶段。

2.2 出弯道滑行轨迹和内倾角的运动学分析

2.2.1 滑行轨迹的运动学分析

出弯道滑行是入弯道滑行和直道滑行的衔接,运动员沿圆弧赛道滑行到弧顶开始进入出弯道滑行过程,该过程起着承上启下的作用。运动员出弯道时均是没有沿着圆弧赛道滑行,从生物力学分析,运动员从入弯道一直加速到弧顶,由于受到离心力的作用,运动员身体姿势、脚踝刚性、冰鞋与地面夹角、冰刀与冰面接触状态、冰刀与冰面的摩擦力等多种融合因素已不能构成较好的平衡作用,运动员只能降低离心力的作用——开始偏离圆弧赛道。关键问题是偏离圆弧赛道多少距离是由滑行速度决定的。可用一个数学表达式来说明:

根据国际滑联对短道速滑场地的规定可知,短道速滑场地的圆弧赛道轨迹(半径8 m)可以用圆的方程表示(一象限),即由圆弧赛道画法可知,其方程为(一象限)

实际运动员的滑行轨迹是三维录像解析已知的,即在平面滑行轨迹的坐标(x,y)是已知量,则可以得到对应赛道的坐标 (x′,y′) 。由此,可以得出武大靖出弯道滑行轨迹各坐标点与对应赛道坐标点的距离d(见图1,为方便验证计算,将滑行轨迹和赛道在坐标0 点重合),即

图1 赛道和滑行轨迹示意Figure 1 Schematic diagram of the track and skating track

根据上述计算原理和三维录像解析数据得知,武大靖在出弯道最后时刻(T5)的d 为4.59 m,速度为13.13 m/s。同时注意到,此时刻(T5)武大靖作出了抬高躯干的动作,减小了内倾程度,为接下来的直道蹬滑做准备。这说明此时刻(T5)的速度、滑行轨迹与赛道的距离实现了武大靖既保持滑行速度继续领滑又尽可能减少滑行路程的需求。

从力学原理和3D VR 重建动作来看,所有运动员都呈现出弯道滑行轨迹偏离赛道的情况。滑行速度和偏移距离是由运动员的技战术能力决定的。通过3D VR 重建动作得知,武大靖达到了速度和偏离距离的最优组合,即出弯道滑行轨迹偏离赛道距离大于其他选手,但由于保证了速度上的优势,因此,始终处于领滑地位。

2.2.2 内倾角的运动学分析

出弯道滑行运动员必须向左前方倾斜使得左肩低于右肩[9],才能维持身体平衡和高速滑行。内倾角是指运动员在弯道滑行为平衡离心作用内倾后重心和左脚踝关节中心的连线与冰面之间的夹角。短道速滑500 m 比赛中运动员弯道滑行经常出现摔倒,主要因为内倾角和滑行速度两者没有合理匹配。运动员进入弯道后滑行速度变快,离心力也加大了,为了抵抗这种离心力,在出弯道滑行过程中运动员必须保持恰当的内倾角,这样才能产生相应的向心力以维持在高速滑行时身体的动态平衡[10]。由表1 可知,武大靖在弧顶双脚支撑时刻(T1)的内倾角最小为26.4°,并用左手触摸冰面直到右脚着冰时刻(T3)左手离开冰面,即在弧中双脚支撑时刻无需再借助左手触摸冰面的方式来维持身体平衡,这一时刻内倾角稍增大为37.4°,在左脚着冰时刻(T5)内倾角最大为43.3°,可见在出弯道滑行过程中武大靖的内倾角呈逐渐增大的趋势,这是因为出弯道滑行过程中运动员难以对抗沿圆弧赛道高速滑行下的离心力,尤其是在单脚支撑阶段承受这种离心力是相当困难的。所以,武大靖一方面采用左手触摸冰面的方式来保持身体平衡,另一方面五个时刻的内倾角逐渐增大,依次为26.4°、29.1°、37.4°、41.9°、43.3°(见表1),衔接直道滑行,避免人体摔倒并尽量减缓速度下降,保持领先位置。

表1 武大靖不同时刻内倾角(°)Table 1 Internal inclination angle of Wu Dajing at different moments (°)

2.3 出弯道滑行躯干角的运动学分析

在弯道滑行过程中,为了减少空气阻力(主要分析压差阻力)运动员应选择流线型的滑行姿势,表现为下肢蹲屈,躯干下压,身体向圆心倾斜的姿势。滑行时的空气阻力是指运动员遇到的迎截面空气阻力,是由于运动员身后出现空气旋涡(低压区),身体前后的压力不相等而形成的[11]。空气阻力的公式是(c 为阻力系数,ρ 为空气密度,s 为物体迎截面积,v 为滑行速度)。空气阻力的大小与物体迎截面积、速度平方成正比。c(实验值)和ρ(1.293 g/l)是两个常量,s 和v 是两个变量,要想减小空气阻力只能改变物体迎截面积和滑行速度。对于短道速滑运动员来说滑行速度是获胜的唯一指标[12],因此只有采用压低上体的姿势来减小身体迎截面积的方法切实可行,由此引入了躯干角的概念。躯干角是指两肩关节连线中点和两髋关节连线中点的连线与冰面之间的夹角,可以反映运动员躯干下压的程度,对滑行过程中运动员身体迎截面积的大小起着尤为重要的作用。左右腿的交替蹬冰以及从右脚着冰时刻(T3)开始右手由背在腰后变为前后摆臂,下肢和手臂的动态动作使得武大靖的躯干角在出弯道滑行过程中有小幅度变化,表现为在右脚蹬离冰面时刻(T2)和左脚蹬离冰面时刻(T4)躯干有下压动作,躯干角分别为22.3°、22.9°(见表2);在右脚着冰时刻(T3)和左脚着冰时刻(T5)躯干姿势较高,躯干角分别为24.6°、23.8°(见表2)。总的来说,武大靖出弯道滑行躯干角的平均值为23.7°,在单脚支撑阶段躯干角较小即躯干姿势较低,双脚支撑阶段躯干角较大即躯干姿势较高。文献资料显示,我国男子短道速滑运动员在500 m 比赛第一次出弯道滑行过程中左脚单支撑阶段的躯干角为32.6°[13],武大靖入弯道滑行过程躯干角的平均值为23.4°[14],综合以上数据和反复观察3D VR 重建动作认为武大靖出弯道滑行的躯干角合理且出弯道滑行的躯干角略大于入弯道滑行的躯干角。Van I S 等[15]的研究显示,躯干角增加到15°以上,空气阻力几乎呈线性增长,即躯干姿势越高,空气阻力越大。但在双脚支撑阶段如果运动员躯干角过小,躯干向前向下,而蹬冰腿留在身后会破坏身体平衡;在单脚支撑阶段蹬冰腿完成蹬冰动作后快速抬起,然后向前迈步,躯干必须为蹬冰腿着地预留一定的空间,因此出弯道滑行过程中受动作结构的制约躯干角很难小于15°(表2)。

表2 武大靖不同时刻躯干角(°)Table 2 Torso angle of Wu Dajing at different moments (°)

2.4 出弯道滑行髋膝关节、蹬冰角的运动学分析

2.4.1 髋膝关节的运动学分析

髋膝关节的角度大小可以反映运动员出弯道滑行的下肢姿势和蹬冰效果,并会在一定程度上影响躯干角的大小,最终影响滑行的速度。蹬冰腿的蹬冰动作呈现出髋膝关节依次发力蹬冰的顺序特点。由表3 可知,右髋关节和左髋关节角度最大值为129.8°、140.7°,分别出现在右脚蹬离冰面时刻(T2)和左脚蹬离冰面时刻(T4),可见武大靖在脚蹬离冰面时刻蹬冰腿的髋关节角度增大且左髋关节伸展更充分;右髋关节和左髋关节角度最小值分别为77.6°、78.3°,分别出现在右脚着冰时刻(T3)和左脚着冰时刻(T5),以此来尽量保持较低的身体姿势,有利于减小空气阻力。有研究认为运动员在弯道滑行时应尽量减小膝关节角度以减小空气阻力[11],但是运动员在低姿势出弯道滑行的过程中,蹬冰腿膝关节向右蹬伸是提高滑行速度的主要力量来源[14],即膝关节角度会极大影响蹬冰效果。在第一次双脚支撑阶段蹬冰腿向右完成了小幅快速的蹬冰动作,右膝关节伸展了30.8°;第二次双脚支撑阶段蹬冰腿向右蹬冰,左膝关节伸展了41.4°,可见第一次双脚支撑阶段蹬冰腿蹬伸幅度较小,武大靖是通过有意识的加快蹬冰频率来保持出弯道滑行速度和领先位置,第二次双脚支撑阶段蹬冰腿蹬伸更充分,蹬冰效果好;在右脚单支撑阶段左髋关节和左膝关节的角度都明显减小,右髋关节和右膝关节的角度都稍有增加,为下一个双脚支撑阶段右腿蹬冰做好了准备。

表3 武大靖不同时刻髋关节、膝关节的角度(°)Table 3 Hip and knee joint angles of Wu Dajing at different moments (°)

2.4.2 蹬冰角的运动学分析

除髋膝关节以外,踝关节也是运动员完成蹬冰动作、保持滑行速度不可缺少的一部分。蹬冰角是指蹬冰腿的膝关节中心和踝关节中心的连线与冰面之间的夹角,可以反映运动员小腿的姿势和蹬冰的效果。出弯道滑行过程中武大靖的身体以恰当的内倾角度向圆心倾斜,身体重心主要在左腿,因此左腿的蹬冰角始终小于右腿的蹬冰角且左腿蹬冰角的变化幅度小于右腿蹬冰角。由表4 可知,左腿蹬冰角最小值22.6°出现在右脚着冰时刻(T3),右腿蹬冰角最小值32.7°出现在左脚着冰时刻(T5),支撑腿的蹬冰角较小有利于抵抗离心作用,保持脚着冰时刻人体相对的稳定;出弯道滑行具有高频蹬冰的特点,右腿作为外侧腿,在右脚蹬离冰面时刻(T2)右腿蹬冰角为33.2°大于左脚蹬离冰面时刻(T4)的左腿蹬冰角(23.1°),蹬冰动作不如左腿充分,目的是为了提高蹬冰频率。

表4 武大靖不同时刻蹬冰角(°)Table 4 Ice pedalling angle of Wu Dajing at different moments (°)

2.5 出弯道滑行重心高度、速度、滑行时间的运动学分析

武大靖在出弯道滑行5 个时刻(T1-T5)的重心高度分别为0.46 m、0.50 m、0.57 m、0.60 m、0.66 m,由图2 可知,武大靖出弯道滑行的重心是逐渐增高的,以防止摔倒,减小内倾角、抬高躯干;武大靖的重心高度没有出现大幅度的波动,说明其对身体姿态的控制能力强。由表5 可知,武大靖在出弯道滑行5 个时刻(T1-T5)的瞬时速度分别为13.28m/s、13.49 m/s、13.12 m/s、13.71 m/s、13.13 m/s。在弧顶双脚支撑时刻(T1)武大靖较好的保持了入弯道滑行所获得的速度;右脚蹬离冰面时刻(T2)蹬冰腿小幅快速蹬冰,瞬时速度有所加快;右脚着冰时刻(T3)蹬冰所获得的力量减小,瞬时速度下降;而后左腿变为蹬冰腿向右蹬冰动作充分,在左脚蹬离冰面时刻(T4)瞬时速度最快,随后逐渐下降。以上运动学参数表明武大靖在右脚蹬离冰面时刻(T2)和左脚蹬离冰面时刻(T4)瞬时速度较大,在右脚着地时刻(T3)和左脚着地时刻(T5)瞬时速度较小。在短道速滑比赛中弯道平均速度大于直道平均速度[3],国内外男子运动员在500 m 直道中一个单步的平均速度分别为10.23 m/s、11.05 m/s[16],武大靖出弯道滑行4 个阶段的平均速度为13.33 m/s、13.24 m/s、13.49 m/s、13.30 m/s,通过比较得到的结果和前人研究一致;武大靖在双脚支撑阶段的平均速度大于单脚支撑阶段,这是因为双脚支撑阶段运动员有蹬冰动作,单脚支撑阶段是惯性滑行阶段。对弯道滑行各阶段速度的研究不尽相同,文献资料显示,在双脚支撑阶段浮腿着冰增大了冰面的摩擦阻力,使得单脚支撑阶段的平均速度大于双脚支撑阶段的平均速度[11,17]。另外也有研究认为运动员左脚单支撑蹬冰阶段的平均速度小于双脚支撑阶段的平均速度[13-14],与本研究结果有相同之处。武大靖在出弯道滑行四个阶段的用时分别为0.14 s、0.28 s、0.12 s、0.28 s(见表5),双脚支撑阶段用时更短、滑行速度较快,单脚支撑阶段用时更长、滑行速度较慢。双脚支撑阶段是武大靖出弯道滑行保持速度的优势阶段,在比赛中可以充分利用双脚支撑阶段的速度优势拉开与身后运动员的差距,避免陷入出弯道滑行的混乱局面,逃离“被犯规”的无奈。

图2 重心高度曲线Figure 2 Curve of gravitational height

表5 武大靖不同时刻和阶段的速度和用时Table 5 Speed and time of Wu Dajing at different moments and stages

3 研究结论

通过以上分析,得出如下主要结论:(1)武大靖出弯道的滑行轨迹逐渐偏离赛道,在出弯道最后时刻(T5)距离赛道4.59 m,速度为13.13 m/s,实现了既保持滑行速度继续领滑又尽可能减少滑行路程的要求。(2)武大靖出弯道滑行内倾角呈逐渐增大的趋势,可以避免摔倒并尽量减缓速度下降,保持领先位置。(3)武大靖在右脚蹬离冰面时刻(T2)和左脚蹬离冰面时刻(T4)躯干角较小,在右脚着冰时刻(T3)和左脚着冰时刻(T5)躯干角较大,即在单脚支撑阶段姿躯干势较低,双脚支撑阶段躯干姿势较高。(4)武大靖第一次双脚支撑阶段的右腿蹬冰幅度小于第二次双脚支撑阶段的左腿蹬冰幅度。(5)武大靖左腿蹬冰角始终小于右腿蹬冰角且左腿蹬冰角的变化幅度小于右腿蹬冰角。(6)武大靖出弯道滑行重心逐渐增高,对身体姿态的控制能力强;4个阶段的平均速度保持较好;双脚支撑阶段比单脚支撑阶段用时更短。综上所述,武大靖具备较好的出弯道技战术能力,出弯道动作值得借鉴。建议他在不破坏动作结构和比赛节奏的前提下尽量保持较小的躯干角,有利于减小空气阻力,保持高速滑行。另外,要适当减小右脚蹬离冰面时刻(T2)右腿蹬冰角的角度,有利于增强蹬冰效果。