足球運(yùn)動員視覺搜索策略研究

吳 殷，劉圣陽，張 劍

（上海體育學(xué)院，上海 200438）

?體育教育訓(xùn)練學(xué)

足球運(yùn)動員視覺搜索策略研究

吳 殷，劉圣陽，張 劍

（上海體育學(xué)院，上海 200438）

足球是一項(xiàng)攻防轉(zhuǎn)換速度非常快的運(yùn)動項(xiàng)目，良好的預(yù)測能力對足球運(yùn)動員非常重要。足球比賽中，運(yùn)動員比非運(yùn)動員有更好的預(yù)測能力，這種差異可能是因?yàn)樵谝曈X搜索過程中，運(yùn)動員注意到了關(guān)鍵線索，而非運(yùn)動員根本沒有注視到。本研究通過不同時(shí)間阻斷點(diǎn)、放映速度的足球罰點(diǎn)球視頻分析不同水平運(yùn)動員的預(yù)測能力和中樞資源占用程度，發(fā)現(xiàn)在觸球瞬間，運(yùn)動員組預(yù)測準(zhǔn)確率較非運(yùn)動組高。通過眼動儀分析視覺停留區(qū)域時(shí)間序列特征，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員組采用了有規(guī)律的視覺搜索模式提取有效特征值進(jìn)行預(yù)測。本研究認(rèn)為運(yùn)動員可以通過反復(fù)觀看和分析不同場景下的比賽過程，提高視覺搜索能力，進(jìn)而提高預(yù)測能力，結(jié)果對運(yùn)動訓(xùn)練實(shí)踐有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

足球;預(yù)測能力;視覺搜索;預(yù)測準(zhǔn)確率;視覺停留區(qū)域

足球運(yùn)動員較非運(yùn)動員對比賽畫面的預(yù)測能力更強(qiáng)［1］。研究發(fā)現(xiàn)，足球運(yùn)動員可以在早期準(zhǔn)確預(yù)測點(diǎn)球射門的方向，而非運(yùn)動員卻預(yù)測不到［2］。這是什么原因造成的呢?一種可能是知覺能力水平的不同，注視到了但沒有注意到關(guān)鍵線索;另一種可能是視覺搜索能力的不同，沒有注視到關(guān)鍵線索，即特征值［3－6］。那么，是不是足球運(yùn)動員注意到了目標(biāo)，而非足球運(yùn)動員根本沒有注視到這種變化?

運(yùn)動員預(yù)測能力研究一般采用時(shí)間阻斷范式進(jìn)行分析。時(shí)間阻斷范式是讓被試觀看有選擇剪輯的視頻片段，視頻播放結(jié)束后，被試根據(jù)刺激內(nèi)容做出判斷［7］。通過反應(yīng)準(zhǔn)確性和不同時(shí)間阻斷點(diǎn)的關(guān)系，可以分析被試的預(yù)測能力［8－14］。

心理資源是有限的，心理資源在任何時(shí)候集中處理的信息量也是有限的［15］。注意這一心理現(xiàn)象使人們能理性地利用有限的心理資源。中樞信息處理量的大小可能影響處理速度，造成預(yù)測能力的差異。通過同樣刺激內(nèi)容，不同放映速度，可以研究預(yù)測準(zhǔn)確性的變化，探討不同水平被試對心理資源的占用情況。

運(yùn)動員的預(yù)測能力主要是和視覺搜索能力相關(guān)［16］。搜索是指個(gè)體掃描環(huán)境中特定的特點(diǎn)，在不確定事物出現(xiàn)的時(shí)候，努力去尋找它的特征值。視覺搜索能力研究主要是借助眼球運(yùn)動測定裝置（眼動儀），對眼球停留狀態(tài)時(shí)的停留區(qū)域進(jìn)行分析，來推測運(yùn)動員的視覺搜索策略。例如，在足球罰球點(diǎn)球時(shí)，守門員總是搜尋可能的特征值，并通過這些特征值去判斷可能的射門方向。預(yù)測能力的關(guān)鍵在于注意到運(yùn)動場景的特征值，并且根據(jù)注意到的特征值就可以對場景進(jìn)行判斷。已有的研究［17，18］都是從注視到特征值的次數(shù)和時(shí)間等停留特征來分析，而沒有考慮特征出現(xiàn)的時(shí)間序列。也就是說，視頻內(nèi)容的不一樣，特征值以及出現(xiàn)次序發(fā)生了變化，被試在搜索過程中的搜索方式也會發(fā)生相應(yīng)改變。只從停留特征，而不考慮刺激內(nèi)容次序的改變，這樣的分析是不夠的。

本研究通過不同時(shí)間阻斷點(diǎn)、放映速度的足球罰點(diǎn)球視頻分析不同水平運(yùn)動員的預(yù)測能力和中樞資源占用程度，通過眼動儀分析被試視覺停留區(qū)域的時(shí)間序列，探討優(yōu)秀運(yùn)動員的預(yù)測能力的決定性因素，為科學(xué)訓(xùn)練提供理論指導(dǎo)。

1 研究對象與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

本研究根據(jù)被試足球訓(xùn)練水平，分為實(shí)驗(yàn)組（足球運(yùn)動員）和對照組（非足球運(yùn)動員），均為男性。實(shí)驗(yàn)組共27人，為國家足球二級運(yùn)動員，平均年齡為20.15±0.99歲，平均訓(xùn)練年限為9.33±4.03年，平均每周訓(xùn)練3次，每次練習(xí)時(shí)間80分鐘;對照組共25人，平均年齡為18.30±2.66歲，他們從沒有參加過足球或者其他項(xiàng)目專項(xiàng)訓(xùn)練。所有被試矯正視力在1.0以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)視頻的制作

5名國家足球二級運(yùn)動員（非實(shí)驗(yàn)組和對照組被試）作為罰點(diǎn)球視頻的拍攝對象。攝像機(jī)（SONYHDV1080i）放在球門線中部，架設(shè)高度為170cm。每人各罰球數(shù)次。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，最后選擇5個(gè)視頻作為正式實(shí)驗(yàn)刺激材料，并逐幀進(jìn)行編輯，編輯軟件采用繪聲繪影12軟件。每個(gè)罰球點(diǎn)球的視頻均進(jìn)行了5個(gè)時(shí)間阻斷點(diǎn)的剪輯，包括觸球前200ms、觸球前100ms、觸球瞬間、觸球后100ms和觸球后200ms。將剪輯好的正常速度視頻進(jìn)行減慢50%速度的編輯。最后確定的實(shí)驗(yàn)刺激視頻片段包括點(diǎn)球正常速度25個(gè)、減慢50%速度25個(gè)，共50個(gè)視頻片段。

1.3 實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)前要求被試端坐在顯示器前，身體調(diào)整到最舒服的姿勢。采用眼動儀（TobbiT60）采集視覺停留區(qū)域數(shù)據(jù)，每秒鐘采集60個(gè)數(shù)據(jù)。在定標(biāo)結(jié)束后，啟動練習(xí)程序，向被試講解實(shí)驗(yàn)要求和進(jìn)行練習(xí)。在被試確認(rèn)沒有問題后，正式實(shí)驗(yàn)開始。被試在視頻播放完畢后3秒鐘之內(nèi)對罰球方向做出預(yù)測，不能預(yù)測則不需要回答。

1.4 數(shù)據(jù)采集

1.4.1 預(yù)測回答率 指被試回答數(shù)量占應(yīng)該回答數(shù)量的百分比。

1.4.2 預(yù)測準(zhǔn)確率 指被試正確回答數(shù)量占應(yīng)該回答數(shù)量的百分比。

1.4.3 視覺停留區(qū) 指觀看視頻時(shí)，被試注視點(diǎn)的停留區(qū)域。借鑒Savelsbergh等人［19］的研究，我們將被試觀看點(diǎn)球射門時(shí)的視覺停留區(qū)域進(jìn)行編碼:頭部（1）、肩部（2）、手臂（3）、軀干（4）、髖部（5）、支撐腿（6）、踢球腿（7）、人與球之間的區(qū)域（8）、球（9）和無意義區(qū)（10）。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

1.5.1 預(yù)測回答率和預(yù)測準(zhǔn)確率 數(shù)據(jù)采用3因素重復(fù)方差分析（three-way repeated measures analysis of Variance，ANOVA）。運(yùn)動水平（2）作為組間差異，放映速度（2）和時(shí)間阻斷點(diǎn)（5）作為組內(nèi)差異。各主效果和交互作用的多重比較采用TukeyHSD分析法進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.5.2 視覺搜索策略視覺搜索策略通過視覺停留區(qū)域的特征進(jìn)行分析。視覺停留區(qū)域運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的Apriori算法，對運(yùn)動員的注視點(diǎn)進(jìn)行挖掘。根據(jù)注意線索自然時(shí)間序列特點(diǎn)，運(yùn)用時(shí)間序列模式，考察比賽過程中的注視點(diǎn)的變化情況，以找到不同運(yùn)動員的注視規(guī)律。

2 結(jié)果

2.1 預(yù)測回答率

運(yùn)動員組和非運(yùn)動員組觀看正常和減慢速度的罰點(diǎn)球視頻時(shí)，五個(gè)時(shí)間阻斷點(diǎn)的預(yù)測回答率均沒有顯著性差異。

2.2 預(yù)測準(zhǔn)確率

從表1可以看出，運(yùn)動水平主因素存在顯著性差異，運(yùn)動員組的預(yù)測準(zhǔn)確率較高;不同時(shí)間阻斷點(diǎn)存在顯著性差異，播放時(shí)間越大，預(yù)測難度越大;時(shí)間阻斷點(diǎn)、運(yùn)動水平交互因素存在顯著性差異，在觸球瞬間運(yùn)動員組較對照組預(yù)測準(zhǔn)確性高（圖1）。

表1 兩組被試觀看點(diǎn)球視頻時(shí)預(yù)測準(zhǔn)確率的3因素重復(fù)方差分析

圖1 兩組被試觀看不同時(shí)間阻斷點(diǎn)視頻時(shí)預(yù)測準(zhǔn)確率的比較

2.3 視覺停留區(qū)域

運(yùn)動員組在視頻1、2、4、5以及5個(gè)視頻綜合分析中發(fā)現(xiàn)視覺搜索規(guī)律，但是運(yùn)動員組在視頻3以及對照組關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘中沒有發(fā)現(xiàn)搜索規(guī)律。表2是運(yùn)動員組被試觀看點(diǎn)球視頻時(shí)視覺停留區(qū)域關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的結(jié)果，從中可以看出運(yùn)動員組開始時(shí)注視無意義區(qū)（10），隨后搜索軀干（4）、支撐腿（6）、踢球腿（7）或者人與球之間的區(qū)域（8）區(qū)域信息，最后分析球（9）周圍區(qū)域特征值。

停留區(qū)域的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘結(jié)果

表2 運(yùn)動員組被試觀看點(diǎn)球視頻時(shí)視覺

3 討論

預(yù)測回答率探討的是在限定的時(shí)間內(nèi)（視頻播放時(shí)間）是否可以提取足夠多的特征值進(jìn)行判斷。運(yùn)動員的預(yù)測回答率與非運(yùn)動員相比沒有顯著性差異。點(diǎn)球射門場景的視覺信息主要來自畫面中運(yùn)動員的射門動作，視覺搜索范圍相對較小，信息量較少，對點(diǎn)球方向的判斷不需要提取特別多的特征值進(jìn)行判斷。運(yùn)動員組和非運(yùn)動員組都可以在限定的時(shí)間提取到自身認(rèn)為足以進(jìn)行判斷的信息量，所以預(yù)測回答率不存在差異。

點(diǎn)球射門場景中發(fā)現(xiàn)不同水平運(yùn)動員在射門瞬間無論什么播放速度都存在差異。也就是說，射門瞬間的信息十分關(guān)鍵，它們決定了兩組被試預(yù)測能力的不同。通過預(yù)測回答率結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩組被試信息提取量不存在差異;結(jié)合預(yù)測準(zhǔn)確率結(jié)果可以推測，兩組被試提取的有效特征值存在差異。也就是說，他們注視到的信息數(shù)量相同，但是注視到的信息內(nèi)容不同。運(yùn)動員組注視到更多有效信息，所以預(yù)測準(zhǔn)確率較高;非運(yùn)動員組注視到許多無效信息，所以預(yù)測準(zhǔn)確率較低。由此，本研究認(rèn)為兩組被試因?yàn)橐曈X搜索模式的不同導(dǎo)致了預(yù)測準(zhǔn)確性的差異。

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對同一視頻運(yùn)動員組有相對統(tǒng)一的搜索模式，而對照組沒有發(fā)現(xiàn)視覺搜索規(guī)律。結(jié)合預(yù)測準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)，本研究認(rèn)為運(yùn)動員組正是通過這些有一定搜索模式規(guī)律的特征值，準(zhǔn)確地預(yù)測了罰球方向。也就是說，這些特征值是有效特征值。對不同視頻的搜索策略研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動員組的搜索也存在一定的規(guī)律，可以認(rèn)為通過長期訓(xùn)練，運(yùn)動員對同一類型視頻存在一定的模式搜索。Cave和Wolfe提出了引導(dǎo)式搜索論［20］。按照他們的理論，在球類項(xiàng)目預(yù)測過程中，存在一個(gè)視覺搜索模式。在視覺搜索的開始階段，優(yōu)秀運(yùn)動員對多個(gè)潛在目標(biāo)進(jìn)行搜索，在選擇真正的目標(biāo)以后，按照時(shí)間和空間上的規(guī)律，以一定的模式進(jìn)行搜索。

在運(yùn)動實(shí)踐中，運(yùn)動員通過反復(fù)觀看和分析比賽視頻，研究攻防的得失點(diǎn)和關(guān)鍵部位。在這樣的觀察中，運(yùn)動員對同樣場景下不同時(shí)間點(diǎn)的特征值有了越來越清晰的認(rèn)識，而且隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，可以準(zhǔn)確預(yù)測的特征值量會越來越多。通過對同樣場景下比賽視頻的觀察，運(yùn)動員可以形成一個(gè)固定而且有效的視覺搜索模式，并通過較少特征值的提取準(zhǔn)確做出預(yù)測。通過不同場景的觀察，運(yùn)動員可以積累更多有效的搜索模式，而且特征值的提取量會逐步減少。反過來說，球類項(xiàng)目運(yùn)動員應(yīng)該加強(qiáng)對比賽視頻的觀察與分析，進(jìn)而提高預(yù)測能力。

4 結(jié)論

1）通過預(yù)測準(zhǔn)確率的變化可以發(fā)現(xiàn)，不同運(yùn)動水平運(yùn)動員有效信息即特征值提取量不同。

2）通過關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動員通過模式搜索提取特征值進(jìn)行預(yù)測。

3）運(yùn)動員可以通過反復(fù)觀看和分析不同場景下的比賽過程，提高視覺搜索能力，進(jìn)而提高預(yù)測能力，該結(jié)果對運(yùn)動訓(xùn)練實(shí)踐有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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A Study on Visual Search Strategy of Soccer Players

WU Yin，LIU Shengyang，ZHANG Jian
（Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China）

The soccer is an offensive and defensive sport with fast conversion speed.It is important for soccer athletes to predict accurately.Predictive ability of athletes was better than that of non-athletes in soccer match.The difference is probably that，in the visual search process，athletes watch while non-athletes do not look at a key clue.This research analyzes the predictive ability and level of central resource consumption of different levels of athletes through the penalty video blocked at different time points and with different showing speeds.Use eye tracking instrument to analysis time series characteristics of fixation area to discuss the visual search strategy of elite athletes.In the ball moment，prediction accurate rate in athletes is higher than non-sports group.Athletes group used a regular pattern of visual search to extract effective features value and predict.Athletes can view and analyze race under different scenarios repeatedly to improve the capacity of visual search，so that to improve the capacity of prediction.This result has some real practical significance to training practice.

soccer;predictive ability;visual search;prediction accurate rate;fixation area

G804.86

A

1004－0560（2012）02－0106－03

2012-01-16;

2012-03-08

國家自然科學(xué)基金（編號:30970896）;上海市浦江計(jì)劃資助（編號:9J［2007］00136）。

吳 殷（1979－），男，講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動心理學(xué)。

張 劍（1972－），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樯硇睦韺W(xué)。

責(zé)任編輯:劉紅霞