對(duì)計(jì)算機(jī)在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用的探討

李云縣 葉燎昆（昆明理工大學(xué) 云南 昆明 650500）

前言：目前，國內(nèi)在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中計(jì)算機(jī)的應(yīng)用并不多見，專門用于網(wǎng)球項(xiàng)目比賽的軟件寥寥無幾。反觀國外，在這些領(lǐng)域的產(chǎn)品、軟件研發(fā)已有長足發(fā)展，主要基于對(duì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目比賽過程的數(shù)字化分析。例如Sportsmotion、Smartsystem和Statsmaster等著名的視頻分析軟件。國內(nèi)類似產(chǎn)品的研究和開發(fā)起步較晚，目前還沒有較成熟的產(chǎn)品類軟件，僅有陜西師范大學(xué)和西安交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“體育運(yùn)動(dòng)序列圖像的計(jì)算機(jī)輔助分析”工具；清華大學(xué)圖象圖形研究所提出的“基于全局運(yùn)動(dòng)信息的視頻檢索技術(shù)”；“用于人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真人體模型”以及北京科技大學(xué)開發(fā)的“基于數(shù)據(jù)倉庫和多媒體信息庫的體育經(jīng)濟(jì)輔助系統(tǒng)”在視頻運(yùn)動(dòng)分析和統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域都作了初步的嘗試。因此，開發(fā)研究該軟件系統(tǒng)為我國網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員技術(shù)的自動(dòng)化管理有很大的促進(jìn)作用。

1、計(jì)算機(jī)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在體育領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用：在競賽管理上，國際、國內(nèi)各種大型體育比賽的組織與管理，基本上都采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，并提供廣泛的、可靠的比賽信息;在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如生物力學(xué)研究中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行技術(shù)動(dòng)作圖像分析、技術(shù)動(dòng)作圖像的三維動(dòng)畫模擬、運(yùn)動(dòng)心理學(xué)的問卷測量、計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練等等;在訓(xùn)練管理與輔助決策上，出現(xiàn)了專業(yè)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)錄人系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在體育領(lǐng)域?qū)⒈粡V泛應(yīng)用。

1.1、體育領(lǐng)域計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在體育領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的方式很多，大致有如下幾個(gè)方面：

（1）信息化管理系統(tǒng):一是辦公自動(dòng)化系統(tǒng):辦公中各種文件的編輯、打印等文檔處理工作；二是體育管理信息系統(tǒng):體育科技情報(bào)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)、專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)、人事、資料等各種信息存儲(chǔ)、加工和處理;Internet的應(yīng)用:體育競賽、體育政策、體育運(yùn)動(dòng)新聞等信息在局域網(wǎng)和國際互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布、瀏覽及電子商務(wù)等。

（2）仿真技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用：利用仿真的方法研究體育領(lǐng)域問題的綜合集成的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。仿真技術(shù)包括模型描述的規(guī)范及處理、仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行與控制、仿真結(jié)果的分析與演示、模型和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索。根據(jù)功能仿真軟件可以分為仿真程序包、仿真語言及仿真環(huán)境三大類。采用仿真技術(shù)可以更深人、更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確地把握體育運(yùn)動(dòng)中動(dòng)力學(xué)的問題，并可以在電子計(jì)算機(jī)上反復(fù)模擬，求得最佳參數(shù)，從而制定出準(zhǔn)確的技術(shù)指標(biāo)，更加有效地指導(dǎo)訓(xùn)練。

（3）體育圖像視頻處理系統(tǒng):對(duì)體育運(yùn)動(dòng)圖像的采、編、播，以及進(jìn)行特殊處理加工等。隨著多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高，以及新的有效的圖像/視頻壓縮技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多媒體信息的共享成為可能，它的研究目標(biāo)是提供在沒有人類參與的情況下能自動(dòng)識(shí)別或理解圖像重要特征的算法，通過計(jì)算機(jī)多媒體處理技術(shù)，將體育比賽視頻進(jìn)行處理、分解，科學(xué)的分析對(duì)手情況，找到自己的不足和對(duì)手的缺陷，做到知己知彼，百戰(zhàn)不殆。

（4）體育決策支持系統(tǒng):體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、體育選材和體育管理等的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，涉及體育領(lǐng)域的研究越來越需要科學(xué)的技術(shù)數(shù)據(jù)，廣泛的資料，先進(jìn)的算法進(jìn)行分析判斷，提供完善的數(shù)據(jù)報(bào)表可以使教練員和管理人員在最短的時(shí)間內(nèi)做出科學(xué)的決策。

（5）體育專家系統(tǒng):人工智能在體育領(lǐng)域的具體應(yīng)用，來完成運(yùn)動(dòng)員的選材、輔助訓(xùn)練和評(píng)價(jià)等;體育專家系統(tǒng)體育現(xiàn)了人工智能在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用于，體育專家系統(tǒng)必須具備的三個(gè)要素:體育專家級(jí)知識(shí)、模擬體育專家的思維和達(dá)到專家級(jí)的水平。一般來說，專家系統(tǒng)是知識(shí)與推理的集合，因此，專家系統(tǒng)也被稱為基于知識(shí)的系統(tǒng)。專家系統(tǒng)一般采用字符式、菜單式交互方式，把計(jì)算機(jī)技術(shù)，訓(xùn)練規(guī)則，專家經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合起來，通過現(xiàn)有的技術(shù)資料和訓(xùn)練方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)員綜合信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)動(dòng)員的體能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并將兩者有機(jī)結(jié)合，智能化的產(chǎn)生針對(duì)個(gè)體運(yùn)動(dòng)員的下一步訓(xùn)練計(jì)劃，為運(yùn)動(dòng)員提供完整的訓(xùn)練計(jì)劃。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)在體育中的應(yīng)用也十分廣泛。但是許多年來，體育工作者在進(jìn)行圖像處理工作時(shí)，往往是在計(jì)算機(jī)中簡單定義和操作，然后再在屏幕或硬拷貝設(shè)備上將圖像顯示輸出，僅僅局限在簡單的圖像輸入和輸出處理上，動(dòng)態(tài)影像處理較少。而計(jì)算機(jī)圖形處理作為一項(xiàng)現(xiàn)代科技手段已經(jīng)在各行各業(yè)得到極快的應(yīng)用和發(fā)展。

2、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

2.1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練

體育訓(xùn)練是一個(gè)系統(tǒng)的工程，很復(fù)雜。涉及到很多學(xué)科，節(jié)跑學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和生物力學(xué)等等學(xué)科，訓(xùn)練過程主要包括選材、高水平的控制和安排，技術(shù)診斷、機(jī)能評(píng)定、營養(yǎng)衛(wèi)生等等。計(jì)算機(jī)技術(shù)里要解決什么問題呢？影響運(yùn)動(dòng)員成績的原因有很多種，主要列出五種，一個(gè)是體能、心理能力、戰(zhàn)術(shù)能力、運(yùn)動(dòng)智能，另外就是技能，計(jì)算機(jī)主要輔助運(yùn)動(dòng)員改變運(yùn)動(dòng)技能。

計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練面臨的主要問題，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域，主要分兩個(gè)路線，第一是人體運(yùn)動(dòng)的測量，第二是人體運(yùn)動(dòng)的分析，測量就是把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提取出來。怎么分析人體運(yùn)動(dòng)，以前的方法要人眼來觀察，而我們希望基于視頻的跟蹤方法，人眼觀察就是教練員的經(jīng)驗(yàn)判斷這個(gè)動(dòng)作做的好不好，但不能量化。這是一個(gè)常見的應(yīng)用模式，首先比較多使用的是現(xiàn)場反饋，這個(gè)技術(shù)不是很高深，就是視頻的采集和視頻編解碼技術(shù)?，F(xiàn)在看到的是訓(xùn)練的場景，把網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練一個(gè)動(dòng)作的場景記錄下來，為什么說這個(gè)技術(shù)不是很高深但很實(shí)用呢？做一個(gè)技術(shù)動(dòng)作的時(shí)候可能非常快，肉眼看可能知道那個(gè)地方錯(cuò)了，但過后就忘了，我們用電腦記錄下來就可以回放，讓他自己也可以看到這個(gè)動(dòng)作。我們網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員做這些動(dòng)作，自己很難發(fā)現(xiàn)自己犯了什么錯(cuò)誤，教練員跟你講起來有一種找不到證據(jù)的感覺，但有了視頻采集就可以馬上找到你的錯(cuò)誤動(dòng)作。第二個(gè)就是全景圖技術(shù)，在訓(xùn)練當(dāng)中非常實(shí)用的技術(shù)，以前拍了膠片放在一起看，但現(xiàn)在用電腦做就是自動(dòng)的，用人體運(yùn)動(dòng)輪廓提取技術(shù)把人提取出來就可以看到這樣的全景圖。

2.2、網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析

網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)功能，應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)國外優(yōu)秀網(wǎng)球雙打組合的技戰(zhàn)術(shù)特征進(jìn)行分析。認(rèn)為：網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)能加速網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)采集與比賽分析流程，使信息反饋更加及時(shí)、準(zhǔn)確，幫助教練員和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練與比賽的針對(duì)性和科學(xué)性。競技網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)是對(duì)技戰(zhàn)術(shù)要求很高的一類項(xiàng)目，技戰(zhàn)術(shù)在網(wǎng)球比賽中起決定性作用。傳統(tǒng)的網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)分析主要是依靠教練員、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員或科研人員觀看比賽，并對(duì)比賽的一方或雙方進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)。由于受到球速、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員擊球拍數(shù)、比賽時(shí)間、觀察指標(biāo)等因素的影響，往往不能完全反映雙方網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)信息，其統(tǒng)計(jì)與分析的結(jié)果不能滿足教練員和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的需要。另外，由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料反饋給教練員和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的信息量較少，難以從深層次上對(duì)各項(xiàng)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解讀，對(duì)教練員和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員制訂正確的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)所起作用并不明顯。網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)信息采集與分析系統(tǒng)能夠采集網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)底層數(shù)據(jù)，并與比賽視頻位置相關(guān)聯(lián)，較好地解決了技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)少、信息不系統(tǒng)等問題。可以使教練員、網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員更加詳細(xì)、準(zhǔn)確地分析雙方的技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，做到在比賽中知已知彼、揚(yáng)長避短，從而提高訓(xùn)練與比賽的針對(duì)性和科學(xué)性。

3、結(jié)論

針對(duì)體育運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，研制的體育模擬訓(xùn)練測試系統(tǒng)可最大限度地模擬體育運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)作、數(shù)字化運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而且能充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練潛能和避免運(yùn)動(dòng)損傷，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和身體參數(shù)的測試與評(píng)價(jià)，為體育運(yùn)動(dòng)及科學(xué)訓(xùn)練提供了運(yùn)動(dòng)診斷和針對(duì)性訓(xùn)練的平臺(tái)，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員的基本體能、專項(xiàng)體能、專項(xiàng)技能以及體育水平、能力和改善訓(xùn)練效果都將產(chǎn)生積極作用?？傊?，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中能夠精確快速地提取運(yùn)動(dòng)員人體輪廓并進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，為運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的視頻分析提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)；為運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行動(dòng)作對(duì)比分析，找出差距提供了有效工具。

目前，此方向的研究得到了國家973、國家自然科學(xué)基金、科技部奧運(yùn)科技專項(xiàng)、北京市科技計(jì)劃、國家863計(jì)劃以及中科院計(jì)算技術(shù)研究所知識(shí)創(chuàng)新課題資助。本方向的研究不僅具有基礎(chǔ)性和前瞻性，而且具有很好的應(yīng)用前景。研究成果可以廣泛應(yīng)用于虛擬主持人、虛擬角色、人機(jī)交互、視頻壓縮、游戲娛樂、虛擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。

[1]郝衛(wèi)亞.網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬與仿真.第十一屆全國運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會(huì),2006.

[2]迪特里?！す字骶?蔡俊五等(譯).訓(xùn)練學(xué)[M].北京:人民體育出版社,1985,9.

[3]網(wǎng)冠科技.人體三維動(dòng)畫師-Poser.0[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4]銳思創(chuàng)作室.Poser4.0三維造型設(shè)計(jì)與動(dòng)畫制作[M],北京:人民郵電出版社,2000.

[5]漢生科技.Poser4.0 cool!3D人型百科[M],北京:中國青年出版社,2000.

[6]宋慶文等.一種基于模型的人體建模系統(tǒng),計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,1:57-60.

[7]劉鵬程.基于Java3D的網(wǎng)球比賽場景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):科技風(fēng),2009,24.

[8]夏時(shí)洪.面向體育訓(xùn)練的三維人體運(yùn)動(dòng)模擬與視頻分析系統(tǒng),中國技術(shù)專家網(wǎng),2008,9.

[9]帆板搖帆模擬訓(xùn)練測試系統(tǒng)的研究與開發(fā),首屆全國體育系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì),2004.

[10]史芙英.網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)的研究,上海體育學(xué)院學(xué)報(bào),2009,6.