原创《视觉运动追踪与其在体育运动中的应用和》
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摘 要：运动员的视觉运动追踪能力是众多运动项目获得优异比赛成绩的关键因素,也是近些年运动心理学研究的重要问题.运用文献综述法对国内外关于视觉运动追踪的基本理论、研究范式及其在体育运动中的应用进行剖析,总结以往研究所取得的成果和存在的不足,探讨视觉运动追踪研究对体育运动成绩的影响与启示,为后续相关研究提供一定的思路与方法借鉴,为运动员心理选材及心理技能训练方法与策略提供理论参考和实证依据.
关键词：视觉运动追踪；研究范式；心理训练；运动决策；运动表现
视觉跟踪技术是计算机视觉领域的一个重要课题,在军事制导、视频监控、机器人视觉导航、人机交互以及医疗诊断等许多方面有着广泛的应用前景.当客观环境中运动的物体被个体长时间稳定注意,此时个体的视觉始终追随视觉目标运动,便形成视觉运动追踪.视觉运动追踪能力其实质是个体视觉注意集中能力（专注力）和抗外界干扰能力的体现.体育运动情境中,运动员必须排除一切外界干扰,全神贯注于运动竞赛任务.其中,视觉运动追踪单目标（乒乓球、网球、羽毛球、射击等）和多目标（篮球、排球、足球等）,并对目标的空间位置、接触时间、运动速度、运动轨迹以及运动物体的身份信息等进行加工和预测,做出合理、优化的运动决策是体育运动情境中极其常见的情境任务.近些年,视觉运动追踪引起了国内外运动心理学者的高度关注,并取得了一定的研究成果.与此同时,体育运动领域中的视觉运动追踪研究还存在着诸如“如何对不同水平运动员的视觉运动追踪能力进行有效的评价？”、“运动员的视觉运动追踪能力与运动表现关系密切吗？如果关系密切,如何进行有效的干预？”、“什么类型的干预效果最好？”等一系列亟待解决的问题.基于此,本研究对视觉运动追踪的加工过程、研究范式、神经机制以及目前在体育运动领域的应用进行了凝练和综述分析,为研究者更好的在体育运动领域开展相关研究提供理论依据和方法借鉴.
1视觉运动追踪理论及研究范式
1.1视觉运动追踪的加工过程
个体的视觉运动追踪的前提是获取追踪目标,即将追踪目标从环境背景中分离出来,这一分离的过程受背景的运动特征和身份信息的影响显著[3-4]；当个体通过选择性注意筛选出追踪目标并进行加工时,视觉系统对追踪目标的锁定加工是自上而下和自下而上共同作用的结果.一旦个体的视觉系统对目标进行运动追踪,便启动眼动系统（平滑追踪眼动和追赶性眼跳）用以匹配眼睛速度和目标速度,保证追踪目标的视网膜图像始终落在窝附近.在这个过程中,个体头部和身体的运动由于准确性不高,只能作为补偿.
人类在视觉追踪缓慢而平稳运动的目标时一般采用平滑追踪眼动.平滑追踪眼动是比较缓慢的眼睛运动,速度通常不超过50./s(或30m／s),主要由视觉反馈控制,可分为开环(目标呈现后的前140ms)和闭环两个阶段[6-7].开环阶段的眼动追踪是视觉系统对运动目标的初始反应,由运动目标在视网膜上的成像信息驱动,受追踪目标运动信息的影响；而闭环阶段的眼动追踪个体已经形成了对目标运动特征（速度、加速度、方向等）的表征,受视觉运动信息和眼动反馈性补偿的影响.在平滑追随过程中,大脑需要同时加工物体的运动速度和方向,还要整合头部和身体的转动以及物体在三维空间运动时双眼视轴的辐合.研究表明,平滑追随眼动中所追踪的是对运动对象的知觉而非视网膜刺激.当视觉运动追踪目标的运动速度加快或运动轨迹突然发生改变时,眼动速度明显慢于目标速度,追踪增益（眼动速度与目标速度的比率）降低,位置误差不断加剧,平滑追踪系统由于无法补偿不断加剧的空间误差,便会迅速启动追赶性眼跳使眼睛快速追赶追踪目标.追赶性眼跳通过不同的眼跳幅度来减小眼动追踪的误差,增大追踪增益,甚至可以使视觉达到目标之前的某个位置.视觉运动系统是否启动追赶性眼跳主要取决于眼睛与目标之间的交汇时间(eye crossing time,TⅫ),只有当TⅫ小于40ms或大于180ms时,追赶性眼跳才会被启动,潜伏期约125ms[12].人类视觉准确地追踪一个运动目标需要平滑追踪眼动和追赶性眼跳二者协同配合进行[13-14].
在真实的视觉运动追踪过程中,目标运动轨迹会不定时地发生改变或被遮挡,为了更有效地追踪运动目标,视觉系统必须通过对追踪目标的时空特征和身份特征进行加工,建立连续性客体表征,用以克服追踪目标运动轨迹的改变或遮挡.客体表征连续性是人类视觉运动追踪系统发挥预测功能的基础,这种预测包括三个层面：一是行为层面上对追踪目标空间位置或接触时间的预测；二是眼动层面上对目标经历遮挡后重新出现位置的预测；三是神经活动层面上的预测,为平滑追踪眼动和追赶性眼跳提供空间位置和速度参照[15].Dodye(1903)也曾指出,人类视觉运动追踪眼动依赖于注意与目标持续保持眼动同步性,而这种能力必须建立在4种属性之上：一是眼动跟踪速度与目标速度一致；二是眼动跟踪的惯性特征；三是眼动跟踪没有静息期；四是跟踪过程中的视觉清晰[16].
1.2视觉运动追踪的研究范式
1.2.1 平滑追踪任务范式
平滑追踪任务范式( ooth pursuit task)较早提出的视觉运动追踪研究范式,是指视觉系统跟随一个缓慢而平稳运动目标的过程,此时眼球运动与目标物体的运动之间保持一种固定关系.平滑追踪任务中,追踪目标运动速率一般不超过50.／s,通常介于10.／s与50.／s之间.平滑追踪任务要求被试在保持头部和身体不动的情况下,通过眼球的运动来追踪目标,并尽可能保持眼睛注视位置与运动目标位置同步.
1. 2.2 时间遮蔽任务范式
现实生活中,视觉运动追踪目标经常会被其他物体遮挡,人类视觉系统便缺乏追踪目标的反馈信息,这时大脑启动内部预测机制,为接下来的平滑追踪眼动和补偿性眼跳提供速度和空间位置参照.时间遮蔽范式(temporal occlusion paradigm)就是针对追踪目标时常会被其他物体遮挡而从视野中短暂消失的情况设计,可以有效地考察大脑的预测机制.当个体视觉追踪运动目标物体一段时间后,视线被遮挡一定的距离（距离可长可短）,此时让被试预测目标物体经过遮挡物后再次出现的位置或时间.实验设计过程中,可根据不同的实验目的,调整运动目标的运动轨迹、运动速度以及遮挡距离等.
1. 2.3 多目标追踪任务范式
现实生活中,人们除了要对单个的运动目标进行视觉运动追踪,还会经常出现同时对多个运动目标进行追踪的情况.早在1988年,心理学家Pylyshyn首先进行了多目标追踪的研究.多目标追踪任务范式(multiple-object-tracking task)首先向被试呈现多个完全相同的物体（如圆点、“+”字、任意字母等）,告知（如闪烁数次或标注提示）被试其中的部分物体为追踪目标,其余物体则为干扰物；此后,所有物体无规则地进行运动(运动时间大约5—15s),要求被试对目标物进行视觉运动追踪；最后,要求被试辨别回答某一个或几个物体是既定目标物还是干扰物,并对被试回答的正确率进行记录.
1.2.4 立体知觉任务范式
经典的立体知觉范式中( Yang,2006),实验呈现两种刺激,一种是运动的刺激(如图l-a),呈现一个西洋格,然后西洋格以lOOms的匀速向前或向后运动,此过程西洋格由小到大或由大到小的进行变化.另一种刺激(如图l-b),呈现一个西洋格500ms,随后呈现另一种形态的刺激,这种刺激包括三种刺激形态：(1)西洋格每个窗户大小改变,西洋格旋转角度45.；(2)西洋格的图案和每个窗口的大小都发生变化,但是不进行任何旋转；(3)窗口大小变了但是西洋格大小、角度不变.实验流程如图1.
我国学者王玲,尧德中(2007)在经典的立体知觉范式基础上设计了一种新的立体知觉实验范式,以模拟真实物体的逼近过程口7].这种实验范式与Yang等(2006)的实验范式相似但又有区别,它比目前通用的动态随机点立体图( dRDK/RDS)实验范式更逼近于人真实的视觉经验.视觉刺激用3DMax计算机软件生成,视觉刺激模式为一个80cm(初始视角为2.47.)的三维立体球,从距离屏幕15m处以特定的匀速(500cm/s或800cm/s)向被试者逼近,做1500ms的连续平滑运动.为保证整个视野的亮度一致且均匀,三维立体球与背景均采用相同的黑白棋盘格纹理.实验过程要求被试固视图像中心并想象真实的物体逼近.实验流程如图2.
总之,4种研究范式中平滑追踪任务范式、时间遮蔽任务范式和立体知觉任务范式可用来研究视觉系统对单个运动目标的追踪情况,而多目标追踪任务范式则用于考察视觉追踪多个运动物体的策略、能力评价以及影响因素等.体育运动领域中有众多运动项目要求个体的视觉系统在复杂的运动环境中对视觉目标进行提取并保持精确的追踪,如乒乓球、羽毛球、壁球、网球、棒球、高尔夫球、射击等,也有如足球、篮球等这些需要个体同时注意多个视觉目标的运动项目,同时众多运动项目均要求个体具有良好的视知觉能力.因此,上述视觉运动追踪研究范式为这些运动项目在人才的选拔、训练策略的制定、专项心理训练系统的研发等方面提供了较为成熟的研究思路与方法借鉴.
2视觉运动追踪在体育运动中的应用
2.1运动员视觉运动追踪的特征研究
视觉运动追踪研究早在上世纪八十年代便已经引起了国外运动心理学者的关注,他们大多运用经典的专家新手范式寻找不同水平运动员在视觉运动追踪中的运动专长差异,而运动项目也更多的集中于开放性的运动项目.
平滑追踪任务能够反映个体感知和利用运动信息、预测运动物体时空特征表征以及视敏度等方面的能力18],也是测量视觉注意机制的重要部分[19],并可用于运动脑震荡的诊断.Vickers等人(1997)运动眼动技术对专家和次专家排球运动的视觉运动追踪进行研究,结果发现：专家运动员比次专家运动员更早的跟踪来球,且对球的视觉跟踪时间更长.Lafont( 2007)研究发现,精英网球运动员(eliteplayers)在击球阶段的视觉注视控制(gaze control)有别于其他高水平选手(top players),他们的视线会跟踪球很长时间,并且对球以及击球点的注视时间也更长.此外,国外研究者通过对棒球[23]、羽毛球‘24]、网球[25]、攀岩[26]等运动员的研究发现,视觉运动追踪能力是影响高水平运动员击球准确性和预判效果的重要因素.
研究者除了运用眼动技术对运动员的视觉运动追踪特征进行研究的同时,时间遮蔽任务研究范式也是运动心理学者常用的研究范式.William等(1993)运用4个相继时间点（射门运动员脚触球前后）的时间遮蔽范式研究足球守门员的预测能力,结果发现：当时间遮蔽点在脚触球前较早时间点时,专家级运动员比经验少的运动员能够更好地利用视觉情景信息对球的飞行方向做出更准确的预测.Muller等(2006)运用时间遮蔽范式对不同技能水平的板球击球手进行研究,结果发现：高水平击球手比水平较低的击球手更易从投球手的手臂和手的位置等视觉信息中预测球的飞行情况.
我国学者对体育运动情境中的视觉运动追踪研究起步较晚,更多地运用多目标视觉运动追踪研究范式考察运动员的视觉运动追踪能力及其影响因素.我国学者廖彦罡、张学民和葛春林(2006)采用多目标视觉运动追踪任务范式考察分心物数量、目标颜色和目标运动形式变化对运动员视觉注意追踪任务的影响,结果显示：随着分心物数量的增加,运动员对目标追踪的反应速度明显加快；目标颜色变化对运动员视觉运动追踪影响不显著；无论目标运动形式是否改变,运动员在视觉运动追踪过程中均存在明显的群组效应[29].此后,该研究团队(2008)运用同样的研究范式考察了运动员与普通大学生在视觉注意追踪任务中的表现差异,结果显示：在多目标视觉注意追踪任务中,运动员反应速度明显优于普通大学生,反应速度快90～200ms；男女运动员在完成多目标追踪任务中存在显著的性别差异,男运动员视觉注意追踪表现优于女运动员[30].在系列研究成果的基础上,研究者提出运动员的视觉注意追踪任务加工规律可以作为运动员选拔和训练的心理评价指标之一；此外,李军(2012)采用多目标视觉运动追踪和变化检测范式考察篮球运动员在多目标视觉运动追踪任务中的视觉目标追踪正确率,结果显示：随着追踪目标数的增加,专家组（后卫、中锋和前锋）的视觉运动追踪正确率均显著优于新手组,后卫的多目标视觉运动追踪能力最强,中锋略好于前锋；专家组组块化的效率高于新手组[31].马晓(2014)以多目标视觉运动追踪任务为基本任务,通过3个混合实验设计,探讨篮球运动员与普通大学生在视觉运动追踪线索加工与利用的差异以及线索加工的特异性,结果表明：客体特征加工的特征捆绑在线索阶段就已完成,具有特征定向性；个体对追踪客体的形状和颜色加工优先于位置加工；篮球运动员的加工更具特征性,自动化特征明显[32].
总之,现有研究结果证实了不同水平运动员在视觉运动追踪能力方面的专长差异,并提出了视觉运动追踪在不同运动项目中的重要性以及在运动选材中的价值,但由于研究成果并不丰富,正处于剂量——反应(dose response)的证据积累阶段,致使运动员的视觉运动追踪能力没有得到教练员和运动员的广泛重视和关注.今后,研究者应在此前研究的基础上采用更加丰富的研究范式有针对性地深入探讨运动员的视觉运动追踪能力及其影响因素,同时结合科学的评价方法,使其在早期运动选材中发挥应有的作用和价值.
2.2运动员视觉运动追踪的干预研究
大量的研究从不同的方面证实[33-37],人类大脑具有一定的可塑性,并认为通过设计有针对性的训练方法和手段对人类大脑的特定区域进行训练,可以改善大脑特定区域的功能,开发大脑的潜能,从而培养与选拔专业人才.大脑接受外界信息中,80%的信息来自视觉,而大量的科学研究把以微秒计的眼睛扫视运动看作决策过程[8].早在1965年,Haskins通过对网球运动员视知觉进行训练,发现运动员对网球发球的方向预判反应时缩短,对网球落点的判断准确率提高[39].Burroughs(1984)基于视觉刺激的知觉训练后发现,棒球运动员的知觉预测水平也有所提高.Singer等(19 94)运用知觉训练和具体提示知觉线索相结合方法对羽毛球运动员进行训练,结果实验组运动员对羽毛球发球的反应决策和判断准确率显著优于对照组.Williams及其课题组(19 95,2003)对足球罚球动作的判断与预期能力进行系统研究,提出了许多提高守门员视知觉判断能力的建设性意见[42-43].
国内外大量实验研究表明,人类的视觉能力能够通过学习和训练得到提高和强化.王向博,丁锦红( 2011)对平滑追踪眼动对运动物体时空特征表征和预测的影响进行综述分析,提出平滑追踪眼动受个体视觉信息和眼动反馈信息等感知觉因素以及心理表征和期待等高水平认知因素的影响,同时平滑追踪眼动也影响着个体的预测性眼动追踪、追赶性眼跳、空间位置和接触时间等涉及运动物体时空特征表征和预测的行为[45].Caserta等(2007)将27名高水平网球运动员随机分为3组（知觉技能训练组、技术步法训练组和对照组）探讨知觉认知技能训练（决策、情境意识和预测）对运动员球场表现（击球与步法）的影响,结果发现：接受知觉认知技能训练的运动员比其他2组运动员反应速度更快,判断正确率更高,而且在后测中表现出更多的决策活动,从而认为运动员的知觉认知技能（如：运动决策等）是可以通过训练提高的[46].Jimenez Sanchez等(2009)对12名精英篮球运动员进行研究,考察“视觉知觉性训练”对篮球运动员临场表现的影响.研究者要求运动员完成决策任务测试以及现场决策测试,其中7名运动员在完成常规训练计划后附加完成3项知觉训练,另外5名运动员作为控制组,实验持续6周,结果发现：实验前侧两组运动员无显著性差异,而经过附加知觉训练的实验组的视频决策任务正确率显著高于控制组,且现场决策测试成绩同样优于控制组.研究者认为6周的现场训练附加视觉知觉性训练有利于优秀篮球运动员现场表现的提升.Hung研究团队(2014)对高尔夫运动员进行神经反馈干预训练,结果发现：1次大约40min的神经反馈训练便可以使高尔夫运动员大脑额中叶的theta波降低,同时推杆成绩明显提高48].Deveau等(2014)研究者通过长期的研究发现,对棒球运动员进行综合性视觉训练[49-52],不仅可以提高棒球运动员的视敏度和视觉对比敏感度(acuity andcontrast sensitivity),同时提高运动员比赛中的专注度和知觉预测能力,显著降低“三振出局( strikeout)”的百分比[53],提升击球手的击球率[54].Mazyn(2007)研究发现,运用立体知觉范式对网球运动员进行2周的立体视觉运动追踪训练可以有效提高网球运动员接发球表现[55].刘洋,漆昌柱(2016)运用平滑追踪范式、立体知觉范式,结合真实场景模拟研发针对网球运动的视觉运动追踪训练系统[56],并对网球运动员和新手进行实验干预,行为学以及脑电指标均显示此训练系统对训练者的运动决策能力产生积极的影响,提高了训练者运动决策的准确性[57].
总之,对运动员进行视觉运动追踪训练后,其视觉搜索能力、专注度、手眼协调性、反应速度以及知觉预测能力均有显著提升[58-60].近些年,随着韦恩扫描注视器、频闪观测仪、耐克蒸汽闪光灯眼镜等新型训练工具的诞生,研究者在曲棍球[61]、足球[62]、篮球[63]等运动项目中也得到了相同的研究结论.虽然以往研究表明,对运动员进行专门的视知觉训练可以提高运动员的知觉预测和专注力,有利于比赛中运动表现的提升,但对于视觉运动追踪训练的方法和手段以及如何提高训练效果等具体问题则涉及较少,这就需要研究者在探索有针对性的视觉运动追踪训练方法的同时,对训练频率、强度、持续时间、最佳训练敏感阶段等具体问题进行深入研究.
3启示与展望
3.1 启示
(1)由于不同水平运动员的视觉运动追踪能力和特征存在差异,且同一运动项目不同位置的运动员也存在差异.因此,提示广大教练员在运动选材的过程中,可以通过考察运动员的视觉运动追踪能力和特征,选取更加符合运动项目特征和位置特征的运动员,从而为心理选材提供参考,提高科学选材成功率.
(2)-定时间周期专门的视觉运动追踪训练可有效提高运动员的知觉预测能力和运动表现.因此,提示广大运动心理学工作者可以根据运动项目的视觉运动追踪特征研制开发针对不同运动项目的视觉运动追踪训练系统对运动员进行专项心理技能训练,并运用视觉运动追踪的经典实验范式进行训练效果的评价.
(3)视觉运动追踪能力其实质是专注力的反映,而专注能力的提升将有利于运动员在激烈的竞赛中情绪状态的调节.因此,视觉运动追踪训练不仅能够提高运动员平滑追踪眼动和追赶性眼跳的准确性,同时对于运动员的专注力和情绪控制力等均具有良好的效果.
3.2展望
(1)虽然视觉运动追踪的理论与研究范式为体育运动领域中人才的选拔、训练策略的制定、专项心理训练模式的研发等提供了较为成熟的研究范式,但由于体育运动的特殊性以及不同运动项目的视觉运动追踪差异,导致已有的研究范式在运动领域应用时与真实运动情境相差甚远,生态效度不够理想.因此,运动心理工作者势必需要在原有研究范式的基础上有针对性地进行研究范式的改进与创新,同时结合虚拟现实技术、人机交互技术等高科技手段,不断丰富视觉运动追踪在体育运动领域的研究成果.
(2)基于视觉运动追踪训练对运动员运动决策的积极影响,未来研究者应综合应用多种方法和技术,针对不同运动项目的特征设计研发视觉运动追踪训练及测评系统,同时结合自我报告、行为学以及认知神经科学等方面对适动员训练和比赛效果进行评价.
(3)随着认知神经科学在体育运动领域研究的不断深入,眼动、脑电和功能性核磁共振技术在揭示视觉运动追踪训练效果的脑机制及加工时程方面独具价值.未来运动心理工作者应加大视觉运动追踪训练对运动决策积极影响的神经机制研究,为后续的神经反馈训练及经颅磁刺激( TMS)等干预手段提供有力的理论依据.
(4)目前关于干预的实验研究中,干预手段与干预持续时间差异较大,评价方式也是各不相同.未来针对运动员视觉运动追踪训练的研究还要解决诸如“什么类型的干预效果最佳？”、“干预频率、单次干预时间、干预强度如何制定？”、“干预效果的持续时间及强化最佳间隔时间究竟多长？”等一系列亟待解决的问题.
体育运动论文参考资料：
本文总结:本文是一篇关于体育运动方面的大学硕士和本科毕业论文以及运动追踪和视觉运动追踪和体育运动相关体育运动论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料。
