羽毛球杀球动作眼动特征研究

张彤彤，支二林

(1.山东理工大学体育学院，山东淄博255000;2.东北师范大学体育学院，吉林长春130000)



羽毛球杀球动作眼动特征研究

张彤彤1，支二林2

(1.山东理工大学体育学院，山东淄博255000;2.东北师范大学体育学院，吉林长春130000)

为了解羽毛球运动员视觉搜索特征，采用ASL Eye Tracker 6000型眼动记录仪，以18名高水平羽毛球运动员和18名羽毛球初学者为被试者，以杀球动作为素材，将杀球动作分为三个阶段10张图片。比较两组被试者在观察杀球动作时的眼动特征。实验结果表明：(1)在观看图片材料时，高水平者动作判断的正确率明显高于新手；(2)高水平者首注视时间及平均注视时间显著短于新手，注视点个数显著多于新手，瞳孔直径显著大于新手，表明高水平者具有更高效的信息加工能力；(3)高水平者采用了更合理的视觉搜索策略，注视点更集中，主次更分明，信息提取效果更好；(4)杀球队员的躯干、持拍手臂、球拍是决定杀球方向的主要注视点。

羽毛球；杀球；视觉搜索；眼动

一、 引言

观众在观看羽毛球比赛时不禁感叹，运动员为什么反应如此迅速，在零点几秒的时间里就能快速判断来球并进行应对。对这种现象科研人员也给予关注。经过分析，科研人员提出两种推测：一种为先天因素，运动员具有超出常人的视觉；另一种为后天因素，即运动员视觉搜索及分析能力比普通人更有效。通过对两种假设的研究发现，运动员与普通人的视觉系统在生理结构方面没有差异，所以研究更多的关注后天因素，即运动员的运动认知和视觉搜索特征。眼动仪是非常有效的视觉认知研究工具，是探索人在各种不同条件下视觉信息加工机制的仪器。眼动技术通过对眼动轨迹的记录从中提取各种眼动数据，从而研究个体的内在认知过程。眼动的时空特征反映了视觉信息提取过程中的生理和行为表现，它与人的心理活动有密切关系。在各种体育活动中，视觉信息是运动员信息来源的主要途径，视觉认知高度依赖眼睛对外界信息的选择，通常我们只能高清地看到落在视网膜中心凹区域的信息，眼睛通过眼球的运动来实现与信息的在线联系[1]910。羽毛球作为速度最快的球类运动，运动员在高速激烈的对抗中能进行多个回合较量，应该与运动员多年系统的专项训练密切相关。本研究采用“专家—新手”范式研究羽毛球专业运动员视觉搜索特征，从而了解专业运动员视觉搜索的认知规律。

二、 研究对象与方法

(一)研究对象

研究对象包括高水平的专家组和新手组。专家组选取某省羽毛球专业队运动员18人，平均训练年限8.3年，平均年龄21.4±2.08岁，其中男9人，女9人。新手组选取某高校羽毛球普修课的大学生18人，平均年龄为20.8±1.32岁，其中男9人，女9人，所有被试视力或矫正视力均正常。被试者事先了解实验内容，并积极配合实验，实验结束后给予一定报酬。

(二) 研究方法

1.实验仪器。本实验采用ASL Eye Tracker 6000型眼动记录仪，两台电脑，一台电脑向被试者呈现刺激材料，另一台电脑用于主试观察和记录眼动数据。要求被试者的眼位与显示器中心位置等高，眼睛距显示器60cm，实验的屏幕为三星19英寸液晶显示器，分辩率为1024×768，刷新率为90Hz，整个实验在光线适度的隔音实验室内完成，无外界环境干扰。

2.实验材料。用每秒120帧的高速摄影机拍摄羽毛球运动员正面杀球动作。示范队员有10年专业训练经历，具备准确完成杀球动作的能力。拍摄的杀球动作包括两种：一种为正手杀直线球；另一种为正手杀对角线球，直线和对角线各拍摄三组视频。拍摄完成后用Ulead VideoStudio10.0软件对拍摄录像进行截图，将录像以每10帧截图一次的方式完成图片采集，录像截成10张图片。这10张图片包括杀球动作的三个阶段：起跳阶段3张、击球准备阶段4张、击球阶段3张。按照羽毛球杀球动作要领，起跳阶段为运动员屈膝下降重心、侧身、往右上方提肩带动上臂、前臂和球拍上举这一连贯动作；击球准备阶段为运动员起跳后、身体后仰挺胸成反弓形、右上臂往右后上摆起、前臂自然后摆手腕后伸、前臂带动球拍由上往后下挥动这一系列动作；击球阶段为凌空转体收腹带动右上臂往右上摆起、肘部领先、前臂全速往前上挥动、击球时前臂内旋、腕前屈微收、闪腕发力这一系列动作。

根据人体解剖学特征，将被试注视动作图示的兴趣区域划分为：运动员的头部Head(H)；运动员的躯干Trunk(T)；运动员的持拍手臂Arm(A)；运动员的下肢Low Body(LB)；球拍Racket(R)；球Shuttle(S)。

3． 实验程序。主试先向被试说明实验的相关要求及流程，然后被试坐在桌子前，头放在U型托架上，调整托架高度保证被试的眼位与显示器中心等高，眼睛距离屏幕60cm，保持被试不动。主试给被试带上头盔，识别瞳孔，打开Fixation Analysis软件，进行定标。然后向被试呈现预备实验材料，确保被试正确理解实验要求后，实验正式开始。被试注视显示器，眼动仪开始对被试的各项眼动指标进行记录。一共6组图片，每组图片10张，每张图片在显示器上停留1秒，一组图片呈现结束后显示花岗岩图片5秒再呈现下一组图片，在每组图片间隔期对上一组图片球的落点进行判断。

4．数据处理。使用Eye-Tracker 6000 Data Analysis数据处理软件导出眼动数据，运用SPSS15.0软件采用t检验这一统计学方法进行数据处理。

三、 结果与分析

(一) 不同水平被试注视特征的眼动分析

表1 不同水平被试者眼动特征对比分析

注：*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001

从表1可知，不同水平被试动作判断正确率差异显著，专家动作判断正确率达到90.7%，新手只有59.3%。不同水平被试首注视时间差异不显著，专家的首注视时间比新手首注视时间更短。不同水平被试平均注视时间差异非常显著，专家的平均注视时间比新手的平均注视时间更短。不同水平被试者在注视图片时瞳孔直径差异显著，专家的瞳孔直径较新手大。不同水平被试的注视点个数差异显著，专家的注视点个数多于新手。对注视点个数进行分阶段t检验，发现三个阶段注视点个数差异都非常显著，见表2。

表2 不同水平被试分阶段注视点个数对比分析

注：*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001

(二)不同水平被试同一期段不同兴趣区注视点特征比较

1． 起跳期不同兴趣区注视点个数变化特点。可见表3。通过数据分析发现在起跳阶段专家与新手除对LB的注视点个数差异不显著，其他兴趣区的注视点个数差异都非常显著。在H和S两个兴趣区，专家注视点个数少于新手；在T、A、R这三个兴趣区专家注视点个数多于新手。

表3 不同水平被试起跳期注视点数量对比分析

2.击球准备期不同兴趣区注视点个数变化特点。可见表4。统计结果显示，击球准备期专家与新手各兴趣区注视点个数差异都非常显著。在H、LB、S三个兴趣区新手注视点个数多于专家。在T、A、R三个兴趣区专家注视点个数多于新手。

表4 不同水平被试者击球准备期注视点数量对比分析

3.击球期不同兴趣区注视点个数变化特点。可见表5。统计结果显示，击球期专家与新手除

表5 不同水平被试击球期注视点数量对比分析

对T的注视点个数差异不显著，对其他兴趣区注视点个数差异都显著。在H、LB、S三个兴趣区新手的注视个数多于专家；在A、R两个兴趣区专家的注视点个数多于新手。

四、分析与讨论

(一)两组被试视觉信息加工效率对比分析

视觉信息加工效率主要体现在动作判断正确率、注视时间、注视点个数及瞳孔直径四个方面。对动作判断正确率的分析显示，专家显著高于新手，这可能是专家具有优秀的选择性注意能力，这种能力可以引导视觉的加工偏向，使其能够在众多信息中排除无关信息干扰，更有效地提取关键信息，并将这些信息与长时记忆中的模式进行匹配，所以做出较准确判断。新手由于没有工作记忆可以匹配，所以提取关键信息的能力弱，因此判断的正确率低。

注视时间包括首注视时间和平均注视时间。首注视时间是被试在观看实验材料形成的第一个注视点所用时间[2]59。以往研究表明，首注视时间是注视加工的重要初始阶段，它可以形成对图像的初始表征，为随后的视觉搜索提供有效线索。首注视时间反映视觉搜索早期阶段注意的自动偏向，反映了被试信息加工的初级阶段，与视觉搜索早期阶段的注视引导效应关系密切。有研究发现，任务难度对首注视时间有显著影响，简单任务的信息整合可以即时进行，相对较难的任务信息，被试无法在首注视点上实现好的信息加工，必须迅速转移注视点到更有效的图像位置进行视觉搜索。本研究的任务难度较大，被试需要搜索其他线索来完成任务，所以在首注视点停留的时间较短，两组被试都意识到了这一点，所以首注视时间差异不显著，这也说明在注意的初始阶段，运动水平的高低对注意引导效应的影响不显著。

平均注视时间是在一个注视点持续的平均时间，反映了被试的信息加工能力。对不同被试者来说，平均注视时间越长，表明信息加工速度越慢[2]60。已经公开的一些研究对专家与新手的平均注视时间存在分歧。黄宏远的研究结论是专家比新手的注视时间短；王恒的研究结论是专家比新手的注视时间长。本研究与黄宏远的研究结果一致。注视时间研究结果不同的原因可能来源于两方面：第一，实验材料；第二，项目特点。视频材料比图片材料呈现的信息量大，有用、无用信息参杂在一起，要想做出正确判断必须对大量信息进行整合、加工，所以对每一个注视点的加工时间更长。手持器械项目和无器械项目也存在差别。本研究与黄宏远的研究分别为羽毛球和网球，王恒研究的是排球，所以研究结果不同。本研究的结果表明专家使用了更为经济有效的视觉搜索方式，在有限的时间内得到更多线索，这是因为专家技能已经趋向自动化，并且储存了丰富的技术、战术知识，在这些知识中，特定模式将激发某一固定系列的反应[3]13。观看杀球动作图片有效地激发了运动员的专业反应，所以信息加工速度快；新手无法快速发现图片中有效线索，更做不到对信息进行有效加工，所表现出的结果就是加工时间长，加工效率低。

注视点个数能反映被试对动作的理解能力和信息加工特征，还反映了被试的信息加工熟练程度、注视加工策略和材料的难易程度[2]61。注视点越多表示收集到的信息越多，专家具有丰富的专业知识，并且这些知识已经形成结构化特点，所以，在动作判断时专家对一些重要的视觉信息进行了更精细加工，这可能也是专家与新手动作判断正确率差异的又一原因。在动作的不同阶段专家与新手的注视特征也存在差异。专家从动作的开始阶段视觉就进入高速搜索模式，在起跳期和击球准备期注视点个数多是为了收集大量的信息，为击球期信息的深入加工奠定了基础；在击球期运动员的注视点个数减少，加工深度增加，动作判断的准确率大大提高。新手的注视点个数是随着动作的深入不断提高，说明新手并没有在动作的开始阶段收集到足够信息，为了能够对动作进行判断，不断地增加注视的范围，这反而增加了信息加工的负荷，由于没有专业知识和储备的工作记忆，无法在短时间内处理大量信息，反倒影响了动作判断的准确率。

瞳孔直径是测量认知加工活动中资源分配和加工负荷的灵敏指标[4]304[5]276。瞳孔直径的变化是信息加工时心理负荷的量化指标[6]133，与进行信息加工时的心理努力程度密切相关。已有的一些运动领域里关于专家与新手在观察运动图片时瞳孔直径差异的研究并未达成一致。黄宏远在研究网球运动员观看静态图片时得出专家组的瞳孔直径显著小于新手组。王恒在研究不同水平男大学生观察排球扣球视频的眼动特征得出，高水平男生的瞳孔直径显著大于低水平男生[7]77。本研究的结果与王恒的研究结果一致，说明专家在观看动作图片或视频时更认真，由于他们工作记忆中有大量与图片内容相似的动作结构，所以更多地唤起了他们的注意，而且专家由于长期的训练已经建立了自己的动作编码模式，对信息加工注意力更集中，所以瞳孔直径更大。在不同研究中，瞳孔直径之所以有差别，可能与不同项目有关，也可能与个体差异有关，希望在以后研究中进行深入探讨。

(二)两组被试视觉搜索策略分析

视觉搜索策略是被试注视图片时采用的信息搜索方式，主要指注视点的分配，它反映了被试的专项认知水平。对重要区域注视点越多，说明对动作的认识越深刻。

起跳期是运动员蹬地起跳以获得尽可能高击球点的阶段。羽毛球是手持器械的隔网对抗性项目，下肢所传递动作信息相当有限，两组被试对下肢的注视点个数差异不显著，说明专家和新手对羽毛球动作的基本认识没有差异，对动作判断的差异更多来源于对细节的精细加工。专家对躯干、持拍手臂、球拍的注视点个数显著多于新手，说明运动员的视觉注意更多集中在线索丰富的位置，对球拍的注视点个数较少，因为在起跳期球拍能够提供的信息并不多，所以高水平组对球拍的注视较少。新手对运动员的头部和球的注视较多，对头部的注视更多集中在对运动员眼睛的关注，这是新手经常采用的思维方式，他们觉得运动员眼睛注视的方向应该就是杀球的方向。专家的运动经验使他们知道眼睛具有欺骗性，运动员身体传递的的信息才是最准确的，所以对躯干及持拍手臂注视较多，对头部注视较少。

根据对注视轨迹的观察发现，新手的注视点比较分散，没有哪个部位能够被集中注视，这主要是因为他们对技术动作不熟悉，无法抓住关键的信息点；专家则不同，他们将大部分注视集中在躯干和手臂这些能够传递重要信息的部位。在击球准备阶段，运动员身体呈反弓形，杀球力量的积蓄主要通过此阶段完成。专家的注视位置更加集中，将58.8%的注视点都落在躯干和持拍手臂位置，对头部、下肢、球的注视点都较少。新手组被试虽然也将注视点集中在手臂、躯干，但没有专家那样突出，新手将47.6%的注视点集中在躯干和手臂。根据Desimone和Duncan提出的偏向竞争模型，当前保持在工作记忆中的表征会以自上而下的方式增强视觉皮层中与之相似的知觉表征的激活程度，从而使得视场中与工作记忆内容相似的物体取得竞争优势，并最终获得注意[8]193。工作记忆是执行任务过程中用于信息暂时存储和加工的资源有限系统[9]1899。注意是对有关信息的选择，对无关信息的抑制，工作记忆可以有助于有关信息的保持及无关信息的抑制[10]139。专家记忆中被工作记忆激活的部分通过偏向竞争，将注意力更多集中在能够提供信息的关键区域。

击球期是杀球动作的最后环节，杀球线路的确定就是在这个阶段确定的。此阶段专家将注视点集中在躯干、持拍手臂以及球拍这三个部位，这三个区域占据注视点的80%，对头部与下肢的注视点个数急剧减少。低水平组的注视点依然比较分散，对每个身体部位的注视点都在一个以上，说明低水平组的视觉图片加工没有什么策略，只是对呈现在眼前的图片进行了一般性视觉搜索。已有研究发现，专家的空间知觉判断优势主要是因为视觉搜索策略来源于存储在长时记忆中的特殊任务结构[11]305，本研究支持了这一结论，由于专家组长期的专业训练使长时记忆中形成了特殊的动作编码方式，这样特殊的编码方式使运动员在信息加工过程中可以根据需要合理分配注意，从而达到简化信息加工过程，改善操作效率的目的。Williams等人指出，专业运动员比新运动员的视觉搜索策略更恰当和更有效率[12]55。这与本研究的结果一致。本研究的结果同时证实了以往研究中的观点：在杀球动作中，躯干、持拍手臂及球拍三个区域包含运动员动作方向的大部分信息，是视觉搜索的重要区域。通过对专家与新手眼动特征的分析，发现长期专业的训练可以有效提高运动员的专项视觉搜索策略。

但由于研究条件所限，本研究也存在一些不足，眼动记录了视觉加工的外部特征，但无法了解内隐的信息加工方式是否也对动作的判断有影响。外部特征对揭示大脑对动作的分析解码能力有限。所以后续的研究应尽量将眼动与大脑的内部加工研究相结合，这样可以得出更深层的研究结论。

五、结论

第一，在观看图片材料时，专家动作判断的正确率显著高于新手。

第二，专家首注视时间及平均注视时间显著短于新手，注视点个数显著多于新手，瞳孔直径显著大于新手，表明专家具有更高效的信息加工能力。

第三，专家采用了更合理的视觉搜索策略，注视点更集中，主次更分明，信息提取效果更好。

第四，杀球队员的躯干、持拍手臂、球拍是决定杀球方向的主要注视点。

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(责任编辑 鲁守博)

2016-05-21

张彤彤，女，辽宁铁岭人，山东理工大学体育学院讲师，教育学硕士。

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