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1、电脑辅助分析起跑反应的软体设计与应用摘要 目的：提出一個電腦輔助分析起跑反應的軟體設計方法，藉由程式計算與連續視覺影像以觀察受測者的起跑模式。方法：同步分析四通道壓力感測器訊號值與影像資料，以此軟體計算受測者的一些特定時間參數。結果：分析十位大專田徑校隊男子選手起跑資料，受測者的平均反應時間為0.300.02秒，手部離開地面的平均時間為0.390.02秒，踏板受力達最大值的平均時間為0.540.03秒，平均起跑時間為0.590.04秒。結論：此方法可方便且有效率的提供研究者一個簡單的工具，對選手起跑特性作技術分析，但較完整的評估尚需包含離開瞬間的速度、加速度、跨步大小和力量的協調傳遞，將來需再
2、外接如力板、加速規或影像辨識方能得到更多的分析參數。關鍵詞：電腦輔助分析、起跑、反應壹、緒論 在田徑百公尺徑賽項目中，選手需在十秒間將體能發揮到極限，甚至超越極限。對人體極限徑賽影響的因素有起跑反應、身體協調性、肌爆發力、肌耐力與其它跑步技巧等等。以百公尺短跑為例，人體的極限速度究竟為何？在1936年歐文斯(Jesse Owens)以10秒2的成績奪冠時，就有人預測人體的極限約在10秒左右；到了1988年劉易士(Frederick Carlton Lewis)以9. 92秒問鼎奧運金牌時，又有人認為人體的極限約在9.90秒左右。此後，陸續有短跑明星締造新的世界記錄，直到最近，世界新飛人波爾特(
3、Usain Bolt)在2008北京奧運男子100公尺決賽跑出最新世界記錄9.69秒，這是許多人當初所無法預期的。當然，影響短跑成績的因素很多，如天氣溫度、風向、場地、比賽頻率、訓練計畫、適應裁判鳴槍、起跑反應、起跑時協調性、肌爆發力、肌耐力與其它跑步技巧等等。即使是科技進步的今日，教練和研究學者誰也不知道極限在哪裡，人類在不斷地靠近極限，任一因素都有可能造成人類記錄的改變。 在過去，許多學者致力於起跑的相關研究。選手起跑反應影響成績多少？起跑時協調性又如何影響成績？起跑的反應時間與短跑的最終成績由正式比賽的分析統計結果來看，是有相關性的（曾凡輝等人，1992；鄭毓全，1996），陳劍興和余麗
4、華(2006)指出，根據第十屆世界男子田徑錦標賽大會提供之數據，劉翔在半決賽的起跑反應時間為0.174秒，而同組第一的美國選手特拉維爾(Terrence Trammell)0.159秒，另外美國名將約翰遜(Benjamin Sinclair Johnson)的起跑反應時間為0.161秒，由此可知短跑成績要達到頂峰，起跑的反應是相當重要的關鍵之一，有好的起跑反應與協調性，才能在開始取得領先。邱華(1993)研究以一位受試者改變不同足間距，對蹲距式與摩威勢式起跑的生物運動學分析。結果以0.35公尺足間距離配合蹲距起跑的蹬地，完成時間為0.384秒最短，水平速3.21公尺秒最快，而以0.50公尺足間
5、距離配合蹲距起跑的蹬地，完成時間以0.432秒最短、水平速3.53公尺/秒最快。建明(1998)指出在1972慕尼黑奧運，所有優秀短跑者的起跑反應時間在0.16到0.18秒之間，且Borsow在三次競賽中的起跑反應時間皆為0.12秒。因此起跑反應訓僅是縮短反應時間，也是讓反應時間維持穩定失常。Luis & Wolfgang(1993)在訓練的過程中，使用生物力學回饋訓練方法來幫助起跑的表現。研究中解釋起跑動作可分為反應與起跑架動作兩階段，好的短跑選手蹬離起跑架的水平速度較大，影響的因素包括作用在起跑架的力量與作用時間。實驗中找來八名優秀的高中選手成績在10.40到10.80秒間，以通過10公尺
6、的時間當作研究起跑表現的指標。Antti Mero and Paavo V. Komi(1990)研究8名男運動員的起跑動作前後腳的反應時間，結果發現前腳的整體反應時間為0.121秒，標準差是0.014秒，而後腳為0.119秒，標準差是0.011秒。翁梓林(2000)指出短距離跑乃是透過起跑姿勢，把處在靜止的人體，在最短暫的時間內產生最快的速度。而田徑比賽中100m、200m 及400m 的短距離跑項目，是田徑運動的根本；所以，短距離跑的選手必須具備有速度(speed)、肌力(strength)、肌耐力(muscular endurance)、瞬發力(power)、協調性(coordinati
7、on)及敏捷(agility)等運動能力。從技術的觀點來說，選手應注重起跑、加速跑、等速跑、速度性的耐力及衝線等基本技術。而短距離賽跑的起跑技巧，對選手而言是相當重要的一環，亦是獲得好表現的主要依據之一。張博智(2004)利用Redlake高速攝影機和Kwon 3D動作分析系統進行8名國內優秀男子百公尺起跑出發運動學分析，包括起跑出發反應時間、重心速度與步幅對加速階段成績之影響，研究結果顯示起跑出發反應時間與步幅對百公尺加速階段成績沒有相關，起跑出發起蹬速度與重心速度會影響加速階段的成績。許樹淵(1994)也以生物學為理論基礎研究選手以同起跑法起跑之間的差異，結果發現在優秀短跑員中，不同起跑姿
8、勢間的速差並沒有太大。所以起跑僅要考慮速的快慢，同時也要考慮到速與之乘積的瞬發，因此瞬發的大小決定起跑的優。 基於以上背景因素，可以了解許多學者利用實驗研究設計進行起跑動作的運動生物力學分析，提出客觀量化的研究結果。然而，在進行數據計算時，需要花費大量人力時間投入處理，才能獲得所要的時間空間參數或運動學參數。令人可惜的是，一般市面上商業分析軟體有時無法完整分析實驗所記錄資料，或無法同時讀入不同設備所記錄資料進行計算分析，研究者常常因為沒有特定設備，被迫修改或簡化實驗程序或資料處理，這對學術研究或是應用價值都是一種莫大損失。所以本研究之目的在於以電腦程式設計一個輔助分析軟體用於分析起跑反應，可同
9、步顯示外部擷取之數位訊號（本研究中以時間軸上壓力感測器訊號為例）與影像資料，可以方便並有效分析起跑反應。貳、方法 本研究主要為設計起跑反應之電腦輔助分析系統（如圖1），此系統可以同步讀入受測者影像檔與壓力感測器訊號資料，讓使用者可以方便進行起跑反應動作觀察與分析。本系統之使用介面以Visual Basic（6.0版本，Microsoft Corp., USA）電腦程式語言設計，此介面主要功能有三部份，包括：一、讀入受測者影像檔與壓力感測器訊號資料，同步播放；二、快速自動計算四個通道壓力感測器訊號特徵點（壓力開始作用點與壓力作用最高點）；三、使用者以手動方式回播每一個畫格，此時四個通道壓力感測器
10、訊號同步回播。 使用者一開始將要分析的壓力感測器訊號資料檔打開，並指定受測者影像檔所在資料夾路徑，然後按右上方控制板中的Start功能鍵，即可看到壓力感測器訊號資料與受測者影像資料同步播放。當資料處理到完時，藉由所撰寫之資料快速演算法，可立刻顯示四通道壓力開始作用點與壓力作用最高點（操作介面右下方）。然後使用者要觀察起跑反應的變化時，可以手動使用左下方的捲軸，同步回播受測者影像畫面與四通道壓力感測器訊號。右踏板作用力作用力起始值時間點作用力最大值時間點播放控制板播放控制捲軸影像左踏板作用力圖1 起跑反應之電腦輔助分析系統操作介面 本研究中收集選手起跑資料所使用的整合系統，為本實驗室先前所開發設
11、計的隨機亂數鳴槍之起跑訓練系統（林培堯、何金山、鄭俊良、黃泰源，2008；黃泰源、何金山、陳欣宏、郭政茂，2008），包括硬體電路與使用者操作介面，簡介如下： 在硬體電路設計部份，前端壓力感測器類比訊號先經由儀表放大器(Instrumentation Amplifiers)放大後，再經過60Hz陷波濾波器(Notch Filter)電路將電源雜訊濾除，後傳送到核心晶片。此系統的訊號控制與處理核心採用省電型微控制器MSP430晶片(F149, Texas Instruments Inc., USA)，負責主要輸入輸出(I/O)控制與擷取壓力感測器訊號作類比轉換數位(Analog to Digit
12、al)。MSP430內建8個12位元類比數位轉換通道，在此硬體電路設計中，將左右起跑架踏板上各安裝兩個壓力感測器（如圖2），接線到前四個類比數位轉換通道，以晶片韌體中設定4個通道訊號皆為500Hz的取樣頻率，訊號解析度設為12位元，並經由MSP430晶片的串列傳輸模式透過RS-232介面傳送到電腦端作即時顯示與資料儲存動作。圖2 起跑架踏板安裝壓力感測器 在使用者操作介面部份，也是使用Visual Basic（6.0版本，Microsoft Corp., USA）電腦程式語言設計，此操作介面設計了一個亂數產生器和硬體訊號處理核心晶片MSP430間數位訊號的顯示與儲存畫面（如圖3）。此介面的亂數
13、產生器是特別針對測試選手的反應時間所設計的，它會隨機亂數選擇一個介於37秒間的數值作為槍鳴聲發出的時間，等時間到達亂數時會發出一聲槍鳴聲，此時選手全力起跑，此系統都會將RS232介面所傳來的壓力感測器的數位資料儲存起來，以便再作進一步的後端訊號分析。槍鳴聲時間系統啟動計時器右腳作用力左腳作用力圖3 起跑訊號收集之使用者操作介面 本研究中所分析的研究資料為十位大專田徑校隊男子選手，受測者均為志願參與並配合本研究者，在過往並無重大神經骨骼肌肉系統方面重大病史，且在實驗前一周無服用任何藥物。受測者進行實驗前，需先進行熱身與全身拉筋，待其達到比賽狀態時，可先試跑35次，熟悉場地與設備後，才正式進行實驗
14、資料收集。實驗中，每位受測者需全力跑過20公尺處之標的物後方可減速，模擬比賽情形；實驗全程由數位攝影機錄影，其中三次將列入統計分析，兩次備用。為能客觀評估並記錄量化的數據，本實驗設計定於戶外標準比賽PU跑道進行，受測者腳著比賽用釘鞋，並使用標準起跑架，儘量使其心理狀態能接近真正比賽，本實驗觀察重點有二：起跑反應時間與反作用力。在起跑反應評估方面，為能客觀並評估受測者的反應，當系統在準備狀態時，由田徑教練以口頭發出預備聲同時並按下開始鈕啟動系統，此時系統電腦程式語言進行隨機亂數演算（預設37秒），將演算所得時間（即槍鳴器發出聲音的時間）顯示在螢幕上右方第一個七段顯示器。於此同時系統亦開始計時，左
15、方二個七段顯示器將顯示目前經過的時間。參、結果 在此次實驗中，雖然外部擷取之數位訊號（四通道的壓力感測器訊號）取樣頻率設定為500Hz顯示存取，但因影像資料是以新力數位液晶攝錄放影機（PC350，新力公司，日本）進行影像錄影，所以畫面畫質呈現為720*480，轉出後的畫格速率為30畫格秒。 當載入四個通道壓力感測器訊號和影像資料後，首先可以觀察到的是一般受測者聽到槍鳴響後，起跑反應幾乎是兩腳同時作用，且後腳作用時間較前腳作用時間來的短。另外，四個通道壓力感測器訊號會有一個具有較長力量作用時間且較大作用力量，通常是受測者的前腳下方的壓力感測器訊號。因為，通常受測者在起跑瞬間後腳會先跨出，此時將前
16、腳當作為作用力支點，且前腳足部此時對足踝關節作一快速蹠屈(Plantarflexion)動作所致，直到前腳足部前端離開起跑踏板。 其次，利用影像資料可以知道兩個訊息：槍鳴聲響時間和受測者的動作時間；與此同時，電腦程式會自動計算且標示出四個通道壓力感測器訊號用力起始點和最大值（如圖4和圖5中的圓圈處），將計算的時間數值標示在軟體的右下方區域。然後，利用最左下方的捲軸，可以以1/30秒的時間間隔，手動回播所觀察的受測者反應，四個通道壓力感測器訊號的時間點以一條垂直線標示出現在的位置，影像資料時間則出現在Time區塊中的軟體七段顯示器數值區，如圖4和圖5所示。目前時間位置軟體七段顯示器數值區圖4 開
17、始用力時間點圖5 用力最大值時間點 以上述電腦輔助分析方法與觀察時間點定義，以槍鳴聲響起為時間參考原點，可以觀察到受測者四個起跑時間參數：反應時間（槍鳴聲響至起始用之間的時間）、手部離地時間、踏板受力達最大值時間與起跑時間（槍鳴聲響至足部踏板之間的時間）。其實驗數據如下表：表1 受測者所觀察時間點數值受測者反應時間手部離地踏板受力達最大值起跑時間10.27(0.01)0.37(0.01)0.52(0.01)0.57(0.02)20.29(0.01)0.38(0.02)0.53(0.02)0.59(0.02)30.31(0.02)0.40(0.02)0.56(0.03)0.61(0.04)40.
18、30(0.02)0.40(0.02)0.54(0.02)0.60(0.03)50.28(0.01)0.38(0.01)0.53(0.02)0.58(0.02)60.31(0.02)0.39(0.02)0.55(0.02)0.60(0.03)70.29(0.02)0.38(0.02)0.54(0.02)0.59(0.03)80.29(0.01)0.38(0.01)0.53(0.02)0.59(0.02)90.30(0.02)0.40(0.02)0.54(0.02)0.60(0.03)100.32(0.02)0.42(0.02)0.56(0.03)0.61(0.04)平均0.30(0.02)0.3
19、9(0.02)0.54(0.03)0.59(0.04)單位：秒（表內數值以槍鳴聲響起為參考點，括弧內為標準差）肆、討論 由表1中的數據和過往研究結果比較，在起跑反應時間方面，張博智（2004）碩士論文中以八位優秀的國內男子選手作為受測對象，研究結果指出起跑反應時間平均為0.313秒。游立樁、蔡虔祿、張家豪等學者（2007），以八位高中短距選手為研究對象，研究結果指出起跑反應時間約在0.28秒左右。此研究中所量測反應時間數據為0.3秒左右，區間為0.260.34秒間，在所有受測者觀察的時間參數中，算是變異較小的一個，一般來說，這可能和受測者的能力與專注力有相關。 從我們的實驗數據來看，可以看出受
20、測者的起跑動作特性。例如1號受測者是屬於起跑動作較穩定且時間較快的選手，其各時間點的變異性較小；而3號和10號受測者是屬於動作較不穩定的選手，而且起跑反應和起跑時間都較其它人慢。邱華（1995）研究指出每一種運動會因為預想達到不同目的，而改變肌肉所產生的機械能，例如以長距跑步而言，為避免無謂的消耗能，則較注重整體能分配。起跑則是要將能量瞬間爆發出來為主要目的，即是以最短時間內獲得最大的水平動能為首要考，最短時間內獲得最大的水平動能，依據動學的觀點來解釋，即是獲得最大的水平功。起跑的好壞，是依照表現在水平方向的能變化為參考指標，起跑效愈高的選手，表示起跑所獲得之水平加速或地面反作用愈大。所以只要
21、選手能獲得最大的速，已達成起跑之目的。 當然，本研究中所設計的軟體目前僅侷限於分析起跑動作的幾個時間點參數，是較不足以完整提供教練或選手訓練之用，整體的評估尚需包含離開瞬間的速度、加速度、跨步大小和力量的協調傳遞（游立樁，2007；游立樁、蔡虔祿、張家豪，2007；翁梓林，2000），將來需再外接如力板、加速規或影像辨識方能得到更多的分析參數。在本研究中利用電腦程式輔助分析起跑反應，可方便且有效率的提供研究者一個簡單的分析工具，並可利用回播功能反覆觀察受測者四通道壓力感測器訊號值與影像資料，計算受測者的一些特定時間參數，藉以了解受測者的起跑反應與動作特性。日後可以將壓力感測器的訊號數值標準化後
22、，得知選手起跑時的水平反作用力，可以增加分析起跑反應時間與推蹬力之間的關聯性，可以更清楚知道影響起跑的因素。參考文獻建明（1998）。短距速之探討。中華工商專校學報，16，216-224 頁。林培堯、何金山、鄭俊良、黃泰源（2008）。隨機亂數鳴槍之起跑訓練系統設計。 2008臺灣運動生物力學學會及臺灣生物力學學會聯合年會暨學術研討會論 文集，263-264。邱華（1993）。如何決定蹲踞式起跑之足間距。中華體育，7（3），36-43 頁。邱華（1995）。國手及短跑選手之起跑動作分析。興大體育學報，1，115-129 頁。翁梓林（2000）。影響短距離起跑之生物力學分析。國立臺北師範學院學報
23、，13， 569-588。張博智（2004）。國內優秀男子百公尺起跑出發運動學分析。未出版之碩士論文， 桃園縣，國立體育學院。許樹淵（1994）。運動生物學在短距跑上的應用。中華體育，8（2），196-201 頁。陳劍興和余麗華（2006）。短距離跑起跑技術訓練的探索。九江學院學報，第三期，108-111頁。曾凡輝、王路德；邢文華（1992）。運動員科學選材，北京：人民體育出版社，126-131頁游立樁（2007）。三種踏板距離蹲距式起跑之生物力學分析。未出版之碩士論文， 台北市，國立台灣師範大學。游立樁、蔡虔祿、張家豪（2007）。三種蹲距式踏板距離起跑之動力學分析。運動 教練科學，8，37
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26、alysis for Response of Sprint StartGuo-Chiuan Lin1 Cheng-Yu Chen1 Chin-Shan Ho1, 2 Tai-Yuen Huang31 Graduate Institute of Sports Science, National Taiwan Sport University 2 Department of Adapted Physical Education, National Taiwan Sport University3Department of Sport and Recreation Management, Chang
27、 Jung Christian UniversityAbstractPurpose: In the study, a software design of computer-aided analysis for response of sprint start. The subjects patterns of sprint start were investigated by program calculation and continuous images. Methods: Four channels signals of load cells and images data were
28、analyzed simultaneously. Several specific time-parameters were calculated by using the software program. Results: The data of ten college male players were analyzed in the study. The results showed that the mean reaction time is 0.300.02sec, mean time of hand-off from ground is 0.390.02 sec, the mea
29、n time of max-force reach is 0.540.03 sec, and mean time of sprint start is 0.590.04 sec. Conclusion: The convenient and efficient method can provide the researches a simple analysis tool. However, the complete evaluation should include instantaneous velocity, acceleration, and length of step and pass coordinately of force. To obtain the more analysis parameters, the additional data from force-plate, accelerometer or image recognition technology are necessary.Keywords: computer-aided analysis, sprint start, response
