基于紅外技術(shù)的乒乓球裁判輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

江茹莉 蘇振陽

【摘要】由于乒乓球比賽中“擦邊、擦網(wǎng)和發(fā)球”是運動員和裁判員發(fā)生爭議最多的狀況，為此，本研究利用比較成熟的紅外線技術(shù)，采用紅外線反射式，主動探測乒乓球比賽中發(fā)球是否擦網(wǎng)。該系統(tǒng)主要由中央處理模塊、紅外收發(fā)模塊和報警模塊組成。所設(shè)計的系統(tǒng)具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、實用性強等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】乒乓球;紅外線;擦網(wǎng)

1.引言

有爭議的比賽，觀眾看著熱鬧，飯后討論熱烈，而臨場裁判確判斷困難，仲裁委員會協(xié)調(diào)顯得力不從心。獲利隊員沾沾自喜，非獲利隊員氣憤不已，這是體育比賽中，依靠裁判主觀的比賽中，普遍存在的現(xiàn)象。

乒乓球比賽亦是如此。通過多年的乒乓球基層裁判比賽經(jīng)驗和走訪國家級乒乓球裁判得知，乒乓球裁判員普遍認(rèn)為乒乓球比賽最難判斷的狀況就是“擦邊、擦網(wǎng)和發(fā)球”。乒乓球擦網(wǎng)球判斷時，主裁判正對球網(wǎng)，通常無法正確判斷，只有側(cè)身或者偏頭才能看的清楚一些。就這樣，也會發(fā)生從運動員的角度（球臺端線外）看是擦網(wǎng)，而從裁判椅上的裁判角度看好像又沒有擦網(wǎng);或者是從裁判的角度看，擦網(wǎng)了，網(wǎng)子動了，而運動員又不承認(rèn)的現(xiàn)象，這主要是觀察者所處的角度不同而已。對于較為激烈的比賽，只要裁判對擦網(wǎng)球稍微反應(yīng)遲鈍一下，已經(jīng)兩個來回過去了，且有隊員失誤了，這時候就更難判斷。判斷稍有不慎，就會引發(fā)爭議，中斷比賽，影響比賽的連續(xù)性和公平性。

本研究試圖借助目前研究技術(shù)比較成熟，且應(yīng)用成本較低的紅外線技術(shù)，對乒乓球比賽中擦網(wǎng)球進(jìn)行輔助裁判研究，協(xié)助主裁判做出公正的判決，還比賽以公平、公正。

2.研究現(xiàn)狀

近年來，紅外線以其優(yōu)異的性能得到人們的青睞，越來越廣泛的應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)和家電產(chǎn)品等許多領(lǐng)域，在個別體育賽事中也有了紅外線的應(yīng)用。紅外裝置具有體積小、微功耗、功能強、線路簡單、保密性好、成本低等特點，具有探測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等優(yōu)點。具體應(yīng)用如：紅外線開關(guān)，紅外線開關(guān)有主動式和被動式;常見的紅外感應(yīng)龍頭也是應(yīng)用了這種原理。還有如醫(yī)療保健，遙控器，不少家用電器都配有紅外線遙控裝置。紅外接口，越來越多的電子設(shè)備裝配了紅外端口，支持無線傳輸，避免了通過電纜連接的累贅。防盜裝置，由紅外線發(fā)射機和紅外接收機組成，紅外遙感，在漆黑的夜晚應(yīng)用紅外遙感設(shè)備可以探測各種礦藏。紅外偵察，偵察衛(wèi)星攜帶紅外成像設(shè)備可獲得更多地面目標(biāo)的情報信息，并能識別偽裝目標(biāo)和在夜間對地面的軍事行動進(jìn)行監(jiān)視;導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星利用紅外探測器可探測到導(dǎo)彈發(fā)射時發(fā)動機尾焰的紅外輻射并發(fā)出警報，為攔截來襲導(dǎo)彈提供一定的預(yù)警時間。紅外制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)就是利用目標(biāo)本身的紅外輻射來引導(dǎo)導(dǎo)彈自動接近目標(biāo)，以提高命中率等。

苗葳，畢克奇在《基于PC控制的皮劃艇激流回旋比賽判罰系統(tǒng)》一文中，提出利用紅外線特性，開發(fā)出撞線檢測裝置，這種設(shè)計由紅外線發(fā)射電路和紅外線接收電路兩部分組成，其輸出的方波信號使三極管交替地飽和與截止。利用這個特性，我們將紅外發(fā)射管和接收頭

安裝在起跑線水門和終點線水門的兩側(cè)。當(dāng)沒有運動員出現(xiàn)在兩者之間時，紅外脈沖光不斷地照射接收頭，un輸出為高電平。但當(dāng)有運動員經(jīng)過時，擋住了紅外光，輸出端沒有信號輸出;在運動員通過之后，接收頭又被紅外光照射，輸出端又輸出高電平。因此這一過程中輸出端un就會出現(xiàn)一個負(fù)脈沖。通過脈沖的變化值，就可以判斷出運動員到達(dá)終點的先后順序。

雖然紅外線技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)也比較成熟，但在體育領(lǐng)域的應(yīng)用卻十分有限。特別是本研究提及的紅外線在乒乓球裁判系統(tǒng)的中的應(yīng)用事項，國內(nèi)外更是鮮有研究。雖然有基于機器視覺技術(shù)在網(wǎng)球、羽毛球、足球等領(lǐng)域的應(yīng)用、研究，但都因為其高昂的使用費用而難以在基層推廣。所以本研究擬利用紅外裝置具有的體積小、微功耗、功能強、線路簡單、保密性好、成本低等特點，開發(fā)研究一種乒乓球裁判輔助系統(tǒng)，對于紅外線在體育領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)一步拓展，以期得到更好的實際應(yīng)用價值，為體育比賽的公平、公正順利進(jìn)行提供更好的技術(shù)支撐。

3.系統(tǒng)總體概述

基于紅外技術(shù)的乒乓球擦網(wǎng)輔助裁判系統(tǒng)，可克服裁判員長期盯著球網(wǎng)和比賽，容易造成的眼睛疲勞，視覺誤差，精神疲勞等狀況，同時能克服人為判斷的主觀性對比賽的影響，克服眼睛分辨能力有限等實際問題。為乒乓球比賽的公平、公正、順利進(jìn)行提供一種客觀的裁判輔助方法，讓現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)更好的為體育比賽服務(wù)。

3.1 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，在乒乓球網(wǎng)柱的兩端立柱上，安裝紅外線發(fā)射、接收對管，且發(fā)射出的紅外線要緊貼網(wǎng)帶上沿（球網(wǎng)中間弧度忽略不計）。紅外收發(fā)模塊以紅外發(fā)光二極管作為信號源，以光敏三極管作為紅外接收裝置，組成對射式收發(fā)系統(tǒng)。正常情況下，紅外接收管不間斷地接收來自紅外發(fā)射管的紅外光。當(dāng)有物體通過紅外線發(fā)射管及紅外線接收管所構(gòu)成的警戒線時，在鎖相環(huán)的控制下產(chǎn)生報警信號。由于鎖相環(huán)對自身產(chǎn)生的信號鎖相，因此具

有自適應(yīng)功能，工作穩(wěn)定可靠。

本系統(tǒng)工作開始，當(dāng)主裁判發(fā)出“準(zhǔn)備”發(fā)球口令時，副裁判打開電路開關(guān)，使得系統(tǒng)處于通電工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)球沒有擦網(wǎng)，即沒有切斷網(wǎng)帶上沿的紅外線時，系統(tǒng)不工作;當(dāng)發(fā)球擦網(wǎng)后，乒乓球必然切斷網(wǎng)柱之間的紅外線，這時系統(tǒng)工作，把切斷的電信號傳出至PC機，PC機收到這個脈沖信號后并及時處理，做出乒乓球擦網(wǎng)的判斷后，立即向報警器發(fā)出信號，報警器接收到信號后，可以以聲、光等形式向主裁判和觀眾發(fā)出提示信號，最終由主裁判做出判罰。另外，由于乒乓球比賽規(guī)則規(guī)定，只有發(fā)球擦網(wǎng)才需要重發(fā)球，而比賽過程中的乒乓球擦網(wǎng)則為好球。所以如果發(fā)球結(jié)束后乒乓球沒有擦網(wǎng)，則副裁判要立即關(guān)閉系統(tǒng)電源，讓系統(tǒng)停止工作，否則比賽過程中的乒乓球擦網(wǎng)，報警器也會報警，這樣會影響比賽的正常進(jìn)行。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

3.2 系統(tǒng)電路工作原理

如圖2所示，控制箱內(nèi)設(shè)置有電源41，控制主板42，在控制箱上設(shè)置有報警器43、電源開關(guān)44、啟動開關(guān)45，所述電源41通過電源快關(guān)44及導(dǎo)線連接至220v，電源44給控制主板42供電，紅外發(fā)射器及紅外接收器通過導(dǎo)線連接控制主板42，啟動快關(guān)45及控制主板42的控制端連接，報警器43及控制主板42的驅(qū)動連接。

圖2 系統(tǒng)電路工作原理圖

3.3 警示系統(tǒng)

通過對紅外線系統(tǒng)傳回的脈沖信號進(jìn)行處理后，再將判斷是否擦網(wǎng)的結(jié)果傳輸?shù)骄鞠到y(tǒng)。如果判斷沒有擦網(wǎng)，則系統(tǒng)不工作，也不輸出結(jié)果，比賽順利進(jìn)行;如果判斷為“擦網(wǎng)球”，則系統(tǒng)需快速做出反應(yīng)，并將判斷結(jié)果快速及時的傳輸?shù)骄鞠到y(tǒng)，警示系統(tǒng)則通過聲、光等形式通知主裁判和現(xiàn)場觀眾，輔助主裁判判定結(jié)果，做出擦網(wǎng)球的手勢，判斷重發(fā)球。

4.結(jié)論與展望

本設(shè)計成功地將紅外線技術(shù)和體育比賽的乒乓球裁判工作結(jié)合，通過計算機和合理的電路設(shè)計，將紅外線脈沖信號及時的傳出、放大、變換，成為更直觀的聲音信號和光信號，使臨場主裁判能很好的看到發(fā)球是否合法的結(jié)果，為比賽的公平、公正、順利進(jìn)行提供了可靠的技術(shù)保障。同時，由于該系統(tǒng)設(shè)計的紅外線應(yīng)用成本較低，且技術(shù)比較成熟，所以具有較好的市場推廣應(yīng)用價值。但是，由于紅外線的特點限制，無法識別外界的風(fēng)、飛蟲等非比賽因素的干擾，所以該系統(tǒng)的實際應(yīng)用還具有相當(dāng)?shù)奶嵘臻g，完善該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的實驗研究。

參考文獻(xiàn)

[1]乒乓球競賽規(guī)則[S].北京體育大學(xué)出版社，2012.

[2]蘇振陽，邵曉鵬，張少輝.基于機器視覺的羽毛球線審輔助系統(tǒng)研究[J].電子世界.2013，11：119-120.

[3]苗葳，畢克奇.基于PC控制的皮劃艇激流回旋比賽判罰系統(tǒng)[J]武漢體育學(xué)院學(xué)報，2010（9）：25-27.

[4]羅慶生，羅洪堅，王耀練.紅外線傳感器及其導(dǎo)引技術(shù)在自動導(dǎo)向車中的應(yīng)用研究[J].計算機測量與控制，2003，11（10）：818-820.

[5]田亮，何培祥等.新型智能紅外線防盜設(shè)計[J].激光與紅外，2006，7：580-581.

[6]羅慶生，韓寶玲.一種基于超聲波與紅外探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2005，13（4）：304-307.

作者簡介：江茹莉（1979—），女，安徽利辛人，碩士，副教授，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。