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中国游泳首金诞生！解密奥运冠军背后的运动科学

北京时间8月1日凌晨，巴黎奥运会男子100米自由泳决赛，潘展乐游出46秒40，打破世界纪录的同时赢得冠军，这也是中国游泳队本届奥运会的首枚金牌。除了赛场上光芒万丈的运动员，先进的技术与装备也是运动员夺金路上非常重要的存在。科技为运动员提供了更加精准、细微的技术调整，帮助他们在细节处战胜对手。

图源：CCTV5体育频道

游泳是一项非常复杂的全身协调运动，重大游泳比赛中胜负仅在毫厘之间，任何一毫秒的进步不仅涉及游泳过程中每个动作的精巧掌握，更是运用技术手段对每次训练和比赛数据进行分析而改进。为了提高成绩，运动员与研究员必须了解游泳的力学原理以及游泳时身体的肌肉活动，本文将介绍在游泳训练常用的三种科研设备并解释它们的具体应用。

图源：中国青年报

Qualisys光学运动捕捉系统

精准捕捉，调整姿态

对于游泳运动员来说，掌握正确的姿势和技巧对提高竞技水平至关重要，运动捕捉技术能够有效帮助游泳运动员更好地理解和改善他们的技术。那么运动捕捉是如何应用在体育训练中的呢？

首先，运用高速摄像机拍摄运动人员的标准示范动作，通过系统平台采集运动数据,建立运动数据库，利用分割策略分离后运用动态时间规划算法计算运动轨迹，然后根据追踪的人体各个关节点形成人体骨骼系统，以此数据为基础,结合系统获得包含动作表现的三维信息模型，实现3D建模。同时，再依据动作演示功能，获取360°全方位观察角度并同时记录相关数据信息,建立仿真系统，通过不同对象的比对，增强对每个动作的直观视觉效果，便于进行有针对性的运动训练和训练成绩的提高。目前，运用动作捕捉技术研究体育运动类项目的训练也主要集中在这方面，即通过演示者标准动作的建模，建立系统，与学习训练者通过动捕技术获取的数据图像等数据相比对，得出进一步改进提升的方法。

挪威体育科学学院利用Qualisys系统研究肌肉激活和蛙泳速度的相关性测试现场

Qualisys运动捕捉系统可以结合水下摄像机和陆上摄像机，研究游泳运动员运动的每个阶段，包括出发、转身、滑行时运动员的技术动作。Qualisys运动捕捉系统采用双系统进行测试，全面捕捉游泳运动员在游泳过程中的水上、水下及水面所有动作，能提供游泳动作技术分析全套解决方案。同时，该解决方案还包括QTM软件，能同时追踪、修复、计算和分析游泳运动员的动作技术。帮助科研人员对游泳运动进行深入研究，协助教练改进运动员的运动表现、预防运动损伤。

这些动作技术可能有效地缩短1/10秒，这足以改变金银牌得主。使用水下系统可以研究转身的每个细节，使用水上水下双系统可以研究一个往返的所有阶段，包括出发、入水、水中等阶段，一直到15米处。

Qualisys为瑞典国家青少年游泳队进行自由泳出发测试。研究人员为游泳运动员贴上反光标记点后，运动员进行动捕数据采集，游泳距离为15米。结束后，研究人员为运动员解读Qualisys生成的数据分析报告，每一个运动员的测试时间约为30分钟。

根据场地情况、所测试项目的具体要求，选择不同型号的摄像机，以满足特定的测试需求。

水下光学运动捕捉系统Arqus Underwater

Arqus Underwater 装备了24颗大功能深蓝色LED灯珠，LED功率高，光强分布好，足够照亮30m远的标记点。同时，LED灯通过热连接到防护外罩，冷却效果极佳，适合长时间工作而又保持良好的运行状态。定制的防护外罩由不锈钢/聚碳酸酯塑造而成，具有超强抗冲击性、耐腐蚀性、透光性好等特点，并且通过了40m深度的水压测试。

水下光学运动捕捉系统Miqus Underwater

更小巧精致的Miqus Underwater摄像机开辟了密闭空间的水下测量的新天地。Miqus重量仅为2kg，为Arqus Underwater的一半重量，视场角广，更容易在较小的水槽和水池进行短距离测量。

水下视频摄像机Miqus Underwater Video

Miqus Underwater Video是一款视频摄像机，可以与运动捕捉摄像机同步和校准，以实现3D视频叠加。它可以用作独立的视频解决方案，弥补了小型手持设备与昂贵相机之间可选方案的空缺。Miqus Underwater通过标准千兆以太网以85fps速度传输MJPEG压缩全高清视频，提供高清参考资料。

Cometa水下无线表面肌电系统

实时监测，完美状态

随着人们对于不同环境下身体机能表现的探索，水下空间内对机体肌肉进行实时监测的需要也增加。肌电图(electromyography，EMG)是一项用于采集、记录和分析神经、肌肉兴奋发放和传播的生物电信号的实验技术。

基于水下环境的特殊性，目前国内对游泳技术的分析研究绝大部分是运动学分析，即通过摄影分析运动员游泳动作的划频、划幅以及技术动作本身存在的优缺点，这种方法能直接反映运动员的动作情况，但停留在技术动作表象分析上。肌肉活动的强弱、协调性直接关系到技术动作的完成质量。而水下无线表面肌电可以补充水下环境运动学研究相对不足，尝试将水下肌电与运动学研究相结合，可分析例如不同水平自由泳运动员不同度下各种泳姿动作技术差异。为教练员制定有针对性的训练计划提供理论支撑，以及为其动作技术的改进和优化提供参考依据。可以利用水下无线表面肌电探究不同划水时相中何种肌肉用力更加合理有效，避免过多肌肉产生不必要的收缩，能够更好的实现能耗的节省化。

Cometa水下无线表面肌电可以通过记录水中情况下，机体肌肉组织的电生理活动从而直接反映机体运动时神经和肌肉水中运动的实时状态(局部的机体状态、参与运动的贡献率和顺序、收缩速度和力量、疲劳程度等)，因其无损伤性的特征，在人体研究中特别是运动肌肉评估、疲劳度评测等领域具备广阔的应用前景。与传统评价方式相比，可以更加准确的量化肌肉变化值，不受使用者主观影响，操作方便且安全性高，有较高的应用价值。

基于miniWave Infinity线表面肌电传感器的内置存储器技术以及多传感器数据同步技术，Cometa为水下应用场景开发了水下表面肌电传感器 miniWave Infinity WaterProof，它与 miniWave Infinity 传感器一样支持 8 小时本地数据存储，进行了特殊防水工艺处理，达到了 IP68 防水等级，可以应用于游泳、跳水、水下训练、水下康复等应用场景。MiniWave Infinity防水系统是目前市场上可以用于游泳运动的肌电系统，不会影响尺寸、主题或数据质量。

miniWave Infinity WaterProof无线表面肌电传感器

通过可客观分析水中运动时肌电活动和其他运动生理、生物力学指标的检测，通过Cometa水下无线表面肌电对水中人体生理运动参数进行科学、定量、综合的分析和干预。为水中运动生理研究、水疗康复评估、游泳动作训练等方面，提供重要研究工具，从而更好地发展和利用水中运动、水疗康复。

Kistler游泳成绩分析系统

定格瞬间，迅速入水

在游泳项目中，每毫秒或更少的时间都是决定比赛结果的关键，特别是在国际泳坛竞争更加激烈。在顶尖的比赛中，竞技成绩主要区别往往表现在入水和转身上，一个转身就可以超过对方，比如罗切特，他在2016年的喀山奥运会自由泳的最后一个转身超过了他的竞争对手。为达到更好的成绩，研究人员开始对游泳比赛中入水与转身进行量化研究，以期使游泳选手的运动能力得到进一步的提升。

Kistler KiSwim游泳成绩分析系统

Kistler KiSwim游泳成绩分析系统就是一套便携式游泳入水和转身技术分析研究系统，适用于各种游泳运动表现分析。针对游泳项目的出发与转身环节，可综合分析、对比和提高游泳出发、身和接力交接技术，设备安装在大多数标准的游泳池中，进行力学测量、高速视频采集以及软件分析和比较不同测试，对游泳时的出发和转身动作进行分析并作出针对性的优化。该系统将力测量和速度测量、高速视频采集和软件结合在一起，分析和比较多次试出发结果或不同运动员的表现。KiSwim系统部件包括带压电三维传感器的出发台、带压电三维传感器的转板、防水高压摄像机、DAQ 5695B数据采集系统和KiSwim软件。

Kiswim系统配备五个摄像头，可全方位捕捉运动员的水上和水下动作。同时，这些摄像头还能够记录入水角度、入水深度、首次划手时间点、水花直径等多个参数Kistler游泳成绩分析系统Kiswim能够针对日常训练中的关键瞬间提供全面分析，协助游泳运动员和教练员优化动作表现。