运动视觉及视觉训练的研究进展
范伟, 何芬, 张晴, 李伟力
1.518000 深圳爱视视觉科学研究所(范伟、何芬、李伟力)
2.518000 深圳爱视眼科医院(范伟、张晴、李伟力)

通讯作者:范伟(ORCID:0000-0003-3022-5967),Email:fw0101@126.com

摘要

运动视觉也称运动视力,是人在运动过程中通过观察环境和事物的变化后,对自己的动作及时做出反馈调整的能力。运动视觉是视觉领域的一个新学科,主要包括评价和提高视觉表现力,对视觉问题进行诊断,并提供必要的视觉训练帮助。视觉训练是一种眼睛和大脑的训练方式,是对大脑视觉神经认知系统的刺激与训练。目前该研究在很多体育运动项目中受到广泛关注,已成为一个新兴热点。运动员的运动视觉能力基本上是在长期的训练和比赛实践中得到增长的,现就其国内外的研究成果作一综述。

关键词: 运动视觉; 基本视觉-运动能力; 视觉信息加工能力; 视觉训练
Research Progress in Sports Vision and Vision Training
Wei Fan1,2, Fen He1, Qin Zhang2, Weili Li1,2
1.Shenzhen Eyeis Vision Science Institute, Shenzhen, 518000, China
2.Shenzhen Eyeis Ophthalmology Hospital, Shenzhen, 518000, China
Corresponding author:Wei Fan, Shenzhen Eyeis Vision Science Institute, Shenzhen 518000, China; Shenzhen Eyeis Ophthalmology Hospital, Shenzhen 518000, China (Email: fw0101@126.com)
Abstract

Sports vision is the ability of people to adjust their movements appropriately when they observe changes in the performance environment. It is a new discipline in the field of vision, and it includes evaluating and improving visual expression, diagnosing visual problems, and providing necessary visual training. Visual training is a way of training the eyes and the brain, and the stimulation and training of the brain's visual neurocognitive system. At present, sports vision has attracted extensive attention in many sporting events. The visual abilities of the athletes are fundamentally increased by long-term training and competition practice. This article reviews the research on the current understanding of the role of vision training in sports.

Keyword: sports vision; basic vision-motion ability; visual information processing ability; visual training

运动视觉的系统研究起源于1978年的美国, 由美国视力鉴定医师集团的视力鉴定师协会(American Optometric Association, AOA)开始启动对运动视觉的研究。随后于1986年美国将运动视觉应用于运动员训练中, 1987年的日本和加拿大、1989 年的意大利、1992年的澳大利亚和荷兰, 以及1993年的英国也都相继开始成立专业的运动视觉研究与训练机构对其进行研究, 我国也于2007年由国家体育总局训练局成立 “ 运动视觉研究中心” , 但目前为止运动视觉在中国并没有得到普及。美国一直是致力于运动视觉研究最为有力的国家之一, 特别是美国太平洋大学, 对运动视觉的探索一直在进行中; 而中国在运动视觉方面的研究尚处于起步阶段, 还需要进一步研究和推广。

视觉训练, 也叫视觉治疗, 可作为眼睛和大脑的物理治疗, 视觉能力的训练对于保持优秀的表现是非常重要的。运动视觉训练主要依据光学或心理物理学等方法, 使运动员在传统的体育运动训练中增加相关的视觉能力训练, 提高运动员眼睛的视觉系统的视觉功能。本文就运动视觉的相关概念和国内外对运动视觉能力及视觉训练的研究进展及成果进行综述。

1 运动视觉的相关概念

运动视觉直接翻译过来就是运动的视力, 即运动中的观看能力, 而运动视觉训练是指在一段时间内进行的特定运动的应用, 这种训练会导致大脑皮层和脑干通路的神经重构, 使人能够最大限度地发挥效率, 同时执行视觉感知任务, 从而提高视觉运动能力。

运动视觉研究主要包括基本视觉-运动能力的研究和视觉信息加工能力研究。基本视觉-运动能力一般包括静态视力、动态视力、对比敏感度、眼球运动、聚焦调节能力、深度知觉、视觉反应时间、眼-手-身体协调能力等。视觉信息加工能力主要指在不断变化的环境中, 对重要视觉信息的提取、判断、分析和行动的能力, 即视觉搜索能力和视觉预测能力。

静态视力是指在不同的距离分辨静止状态物体的能力, 一般利用标准视力表来检测。动态视力是指可以清晰地辨别移动中物体的能力, 包括纵向和横向的动态视力。对比敏感度是指辨别色彩或明暗微小差别的能力。眼球运动是指将两眼聚焦在一起, 同时注视某一静止或是移动中物体的能力。聚焦调节能力是指快速地改变视觉焦点, 从空间的一处移至另外一处, 包括从近端移至远端或从远端移至近端。深度知觉是指快速且正确地判断眼前的事物距离及空间位置的关系。视觉反应时间是指接收到视觉刺激到做出反应所需要的时间。周边视觉是指转动其眼球观察周边事物的能力。眼-手-身体协调是指整合双眼、双手及身体成为一个单位的能力。视觉搜索能力和视觉预测能力的重要方面就是视觉化能力, 它是指在大脑中预演比赛的情境、动作或情绪反应等的能力, 在各种运动项目中起着重要作用。

2 运动视觉的研究内容

视觉是人体最重要的特殊感官之一, 是外部信息的主要来源, 约占85%。视觉在我们日常生活中的作用是巨大的, 对于阅读和写作等简单的任务, 都需要足够的视觉技巧。多项有关运动视觉的研究都在确定运动视觉训练是否能提高运动员的视觉技能, 从而提高运动和认知能力[1, 2, 3]

人的视觉在运动中的应用主要包括运动视野范围、运动视觉反应能力和运动视觉搜索能力, 其体现在各种运动中, 不同的人通过运动训练获得的效果也不一样。有研究表明, 运动员比非运动员具有更佳的视觉能力; 优秀的运动员比一般的运动员具有更佳的视觉能力; 视觉能力可以通过训练而得到提升[4]。运动员的基础视觉特征, 如静态和动态视觉、视敏度、深度知觉、外周视觉、简单反应时间和眼动技能等, 都是研究热点[5]。所有人的视觉能力并不是处于同样的水平, 换句话说, 这种能力具有个体差异性。在运动的情境中, 透过感官接收到外界的信息固然重要, 但如何将接收到的信息予以选择性地注意与处理显得更加重要。如果在传统的运动训练过程中, 科学地安排相关视觉训练内容, 则可以更有效地提高运动视觉水平, 从而提升运动员的运动表现能力, 最终提高专业运动水平。

不同的运动所需的视觉能力重点不一, AOA对不同种类运动项目(包括射箭、棒球、篮球、足球等16项运动项目)的视觉能力进行了重要性评分[6], 见表1

表1 不同运动项目的视觉能力重要性评分 Table 1 The importance score of visual ability for different sports

每一项运动都涉及各种视觉能力, 且同一种视觉能力在不同的运动项目中的重要性也不同, 这使得这项研究工作很复杂。黄兰珍和吴红雨[7]为使运动视觉的研究更详细明确, 将视觉参数对应主要的相关运动项目做了个列表, 见表2

表2 运动视觉的机制与项目关系 Table 2 The relationship between the mechanism of sports vision and the sports

对运动视觉的主要内容进行研究发现, 任何运动项目都涉及不同的视觉能力[7]。运动视觉各方面的内容都与运动项目息息相关, 如果能结合视觉训练来进行常规的运动训练, 可以大大提高各种运动项目中运动员的运动技能, 提高他们的综合素质, 进而提高运动成绩。

3 运动视觉和视觉训练的研究进展

不同的运动所需的视觉能力不一, 运动视觉训练的研究内容是根据其视觉能力来进行的, 主要包括视觉灵敏度、调节与辐辏、双眼深度感知、眼-手协调、眼球运动等视觉能力[2]。最佳的视觉表现是在最短的时间内根据最少的信息来作出最适当的反应。运动员需要出色的视力才能在运动中表现出色, 许多运动员已经开展视觉训练项目, 以此来提高他们的传统训练的效果。运动视觉训练的干预, 本质上是为了提高运动效果。不同的运动和(或)位置, 可能有完全不同的视觉需求。运动视觉训练的实践越来越多地依赖于这样一种观念:视觉感知、认知或动眼任务的练习能提高对所见事物的处理和反应能力, 从而提高运动成绩[8]。国内外的一些研究者就这些视觉能力进行了探讨研究, 他们发现某些视觉能力更有利于运动员运动表现的进步。

3.1 拦截运动中的应用

Sillero等[9]对473名西班牙青少年篮球运动员进行了视觉能力的评估, 主要是远视力、双眼水平视野、视觉反应时间及立体视等能力, 他们发现篮球运动员在远视力和立体视觉方面表现突出, 视觉反应时间和水平视野良好。Ward和Williams[10]也对9~17岁的精英和次精英的足球运动员进行静态视力、动态视力、立体深度敏感度、周边意识感知和认知能力等视觉功能进行测量, 发现9岁的精英足球运动员表现出卓越的感知和认知能力。这2项研究都解释了运动员的视觉能力比一般人要好。不同的视觉能力在不同的运动中所发挥的作用也不一样, 若是能在一项运动中综合这些视觉能力, 那么是否会提高这些运动人员的表现呢?

Jafarzadehpur和Yarigholi[11]提出“ 体育是综合学科研究法” , 监视和拦截快速接近的物体是许多运动的一项关键技能。Paul等[12]评估了运动视觉和手眼协调训练对45名普通高校乒乓球运动员感觉和运动能力的影响, 结果显示, 视觉训练计划提高了基本的视觉技能, 而这些技能又可以转化为特定于运动的表现, 这说明阻击任务成功的表现取决于视觉信息的方法采集。Jafarzadehpur等[13]在女子羽毛球运动员和非运动员中进行蓝-黄对手渠道的对比敏感度功能检测, 发现运动员都有较好的视觉表现, 因为视觉能力是一个多学科问题, 比如羽毛球挥拍运动的感受和运动能力是一起发展的, 经过训练后羽毛球运动员应该具有更好的感觉和运动能力。在截断类的体育运动中, 运动员的视觉运动技能优于非运动员。运动员有更广泛的访问不同的视觉和复杂的视觉运动能力, 比如篮球运动员需要有很好的视觉能力, 在篮球、队员及篮筐的空间位置和运动态势中收集到有用的视觉信息, 并加工处理后做出相对应的动作反应。运动员通过训练, 在苛刻条件下能更有效地协调视觉-眼动活动的能力, 这与“ 运动视觉金字塔” 相一致[14, 15], 即运动视觉表现取决于一系列的视觉和运动能力, 而这些能力包括基本的视觉能力和复杂的视觉运动能力。这是Kirschen和Laby[16]为解释运动视觉能力如何促进或制约运动成绩而提出的概念, 即在金字塔的底层基础上, 运动员可以比非运动员获得更广泛的视觉和运动能力。因此, 通过训练和改进某种技巧, 可以消除瓶颈并提高整体的性能。

我们可以根据不同运动所需的视觉技能来进行训练, 提高运动员的视觉-运动能力和视觉信息加工能力, 以提高其运动成绩。有研究清楚地表明, 正确的运动视觉训练可以改善某些视觉技能, 并能提高运动员的运动表现和认知学习表现[17]。这项研究是对169名二年级生理学学生(18~22岁)分组并进行运动视觉的测试, 包括视力、优势眼、聚焦、聚散、顺序、手眼协调、可视化及反射等, 而后对试验组进行15 min的运动视觉训练。研究得出, 运动视觉训练是一种有效的方法, 可以改善某些视觉技能。而另一项对运动视觉训练计划是否改善12~16岁的青年男子曲棍球运动员的视觉表现的研究发现, 试验组在视动训练和视野功能方面有显著提高, 而在多目标跟踪任务上无显明改变[18]。这说明视觉训练可影响基本认知技能, 涉及到学习任务、选择反应时间和周边视觉, 但在传球任务中无差异, 而人们直观上认为不同水平运动员间可能存在基本视觉能力的差异, 尤其是在受视觉影响较大的项目上, 比如射击。但Abernethy和Neal[19]的研究显示优秀的射击运动员只需具备一般的基本视觉特征, 不需要较高的视觉能力。

3.2 运动视觉能力训练在运动中的应用

一般认为球类项目的运动状况分为2个阶段。第1阶段是运动准备阶段, 即对比赛状况的分析和评价。运动员首先需要对比赛的状况进行认知, 而后进行预测。第2阶段是在预测基础上的施行动作。在运动准备阶段, 运动员是通过视觉搜索策略, 更快、更准确地找到线索进行预测。运动员的预测能力主要是和视觉搜索能力相关。

从视觉搜索能力上, 球类运动项目分为封闭性项目和开放性项目。封闭性项目是指外界环境安定、比较容易预测的项目, 例如, 网球的发球、篮球的投篮等项目。研究发现在封闭性项目的动作最后阶段, 球类运动员的眼球能保持长时间的停留状态, 而开放性项目视觉搜索能力的研究主要是以集体性项目为主。Helsen和Pauwels[20]让运动员试看一段足球录像, 并让他们从防守队员的角度预测对手的行动。他们发现足球运动员停留点很少、停留时间很长, 特别是在传球的一瞬间。Williams等[21]发现在11对11和一对一的足球运动中, 被试者的停留点很多、停留时间很短, 在3对3的对抗中, 数据也无变化。而Martell和Vickers[22]在冰球3对3的对抗中, 对防守队员的视觉搜索能力进行了研究, 结果表明防守的前半部分停留点很多、停留时间很短; 后半部分停留点很少、停留时间很长。运动员采用了选择性的视觉搜索策略, 在复杂的视觉信息处理条件下, 通过很少的停留点和很长的停留时间减轻了视觉信息处理的负荷; 由于注意到的视觉信息相对增多, 因此预测正确性也就较高。

总的来说, 这些研究指出视觉训练和运动训练的结合能够大大提高运动技能的有效性。在对棒球运动的大专生进行的一系列训练的研究中, 对视觉敏感度基础方面进行知觉训练学习, 发现非运动员和运动员均有视力和对比敏感度的提高, 击球和投球的表现也有提高[23, 24], 而对42项运动员知觉识别能力研究的Meta分析显示, 体育专家或精英在决策中的速度比不熟练的运动员快35%左右, 准确率也高出31%[25]。这也表明专家或运动精英能够更好地提取和解释视觉信息, 便于他们在比赛中表现得更好[26]

3.3 运动视觉和视觉训练在我国的应用

我国有学者也有对运动视觉进行了研究, 且将运动视觉训练运用到运动员的日常训练中, 取得了一些显著的进展。运动训练学习的好处是可以转移到新的、未经训练的地方, 同时使视觉训练学习成为一个强大的工具[27, 28]。黄宏远[29]对武汉体育学院的网球专项学生进行专项知觉训练, 发现专项知觉训练在一定程度上提高了网球运动员的视觉搜索效率, 对其视觉搜索策略也有一定的提高。安忠鑫[30]也对羽毛球运动员进行视觉训练的研究, 发现运动视觉训练可以有效地提高羽毛球运动员的追踪能力、聚焦能力、深度感知能力、周边意识感知能力, 以及眼-手、眼-脚的协调能力。

运动视觉训练除了在运动训练中适用, 在某些疾病中其效果也很突出。有研究发现运动视觉反馈训练在脑卒中偏瘫患者治疗过程中能给予患者丰富的视觉、听觉刺激, 显著提高了训练的趣味性, 能充分调动患者参与康复治疗的积极性和主动性, 有助于患者长期坚持训练, 对抑制废用综合征形成及加速上肢运动功能的恢复具有重要意义[31]; 同时与传统治疗师一对一为患者进行治疗比较, 运动视觉反馈训练不仅降低了治疗师工作强度, 还能有效地提高治疗效率。在常规康复治疗脑卒中偏瘫患者的基础上, 采用运动视觉反馈技术对其肘关节屈伸功能及前臂旋转功能进行强化训练, 并观察治疗前、后患者上肢功能的改善情况。在常规康复干预基础上辅以运动视觉反馈训练, 能进一步减轻脑卒中偏瘫患者肌痉挛, 改善肢体运动功能。且相关研究发现, 反复训练对中枢性瘫痪肌群具有直接治疗效应, 通过进行有意识反复收缩练习, 有助于肢体运动功能恢复[32]

4 展望

运动视觉目前在国外, 尤其是在美国的运动员中应用较广, 且现在运动视觉训练在运动员的常规训练中陆陆续续占据了重要的地位, 今后在各个领域中的运用也会越来越多。目前, 神经影像和神经电生理技术的发展, 为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。有研究者利用功能磁共振成像和事件相关电位等新技术, 在已有的实验基础上通过比较运动员和非运动员大脑兴奋性的不同, 以及视觉搜索行为与大脑皮层电生理活动的对应关系, 从神经生理学的角度探讨运动员知觉优势的内在神经生理机制, 这使得运动视觉训练的优势越来越明显, 科学地选择相关的运动视觉训练项目, 能更有效地辅助运动员提高相关的运动技能水平。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

The authors have declared that no competing interests exist.

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