足球裁判員最佳跑位教學示范系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

成建強，李丹萍，胡九川*

?

足球裁判員最佳跑位教學示范系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

成建強1，李丹萍2，胡九川2*

(1. 北京市自動化工程學校，北京 100192；2. 北京交通大學計算機與信息技術(shù)學院，北京 100044)

現(xiàn)代足球的發(fā)展對裁判員提出了更高的要求，而足球裁判員判罰的準確性很大程度上依賴于其跑位意識。一款智能化、數(shù)字化、易用、便攜的多媒體演示系統(tǒng)可以很好地幫助裁判理解各種情況下的推薦跑位。為此，本文實現(xiàn)了一款跑位教學示范系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞跟蹤跑、直線跑、大S形跑、助理裁判與拖后后衛(wèi)跑四種跑位規(guī)則進行討論，充分考慮了足球與裁判速度差異、邊界值判定等功能要求，避免生搬硬套跑位規(guī)則，以求盡可能地符合人腦思維。在對已有的經(jīng)典跑位規(guī)則進行總結(jié)提煉的基礎(chǔ)上，利用知識庫技術(shù)形成了跑位規(guī)則所對應的知識庫。最后利用Tcl/Tk繪制系統(tǒng)界面，結(jié)合它提供的圖形交互技術(shù)，參照知識庫完成了跑位錄制、演示、回放等主要功能，還對諸如開球、踢角球、踢球門球、罰任意球、球點球等特殊情況下裁判員的跑位進行模擬。本系統(tǒng)為裁判員教學工作提供了一種新的方法和參考。

足球裁判員；跑位規(guī)則；知識庫；模擬演示；圖形交互；人工智能

引言

對于足球裁判員的培養(yǎng)，傳統(tǒng)是通過自主學習與現(xiàn)場鍛煉的方式進行的，主要為試聽法、情景教學法、觀摩法、實踐法。這就使得裁判員、球員、裁判培訓之間的矛盾日益凸顯，具體體現(xiàn)在：裁判員觀摩機會少；裁判員實踐機會少；國內(nèi)缺乏專業(yè)的裁判員培訓機構(gòu)或團體組織，導致普通裁判員與經(jīng)驗豐富的裁判員接觸機會少。這些方面制約著我國足球事業(yè)的進步。

現(xiàn)代足球比賽，通常都是在迅速、激烈的轉(zhuǎn)換和爭奪中進行的，這就對裁判員的體能和跑位技巧提出了嚴峻的考驗。隨著計算機技術(shù)的成熟，設(shè)計一款智能化、數(shù)字化、便攜、易用的足球裁判員跑位教學演示系統(tǒng)將為裁判員教學提供極大的支持和幫助。

在運動仿真方面，國內(nèi)外研究機構(gòu)已經(jīng)進行了一系列相關(guān)研究工作，致力于開發(fā)田徑、拳擊、滑雪、乒乓球等一些體育運動的仿真系統(tǒng)[4-8][10-11]。這些系統(tǒng)的使用可以極大地方便運動員的訓練。

運動仿真在國外起步較早，程度較深，規(guī)模較大。例如，Jim Rodnunsky開發(fā)的滑雪橇和滑雪板仿真器能夠模擬科羅拉多州的著名滑雪場地，使體驗者不用到山上的真實滑雪場地，就能夠體驗到震蕩、搖擺、起伏、俯仰和偏航等真實的滑雪感受[7]。

國內(nèi)的研究也取得了較大成果。國家體育總局體育科技研究所與中國科學院計算機研究所聯(lián)手在我國的優(yōu)勢項目跳水、舉重等和準優(yōu)勢項目體操、蹦床等上成功地研制開發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的基于計算機虛擬仿真技術(shù)的“數(shù)字化三維人體運動仿真系統(tǒng)”[7]。

不難看出，此類仿真多針對動作類項目進行仿真，而針對策略型（即對于運動員動作規(guī)范要求較少，對于運動員配合、策略等要求較多）的仿真較少。

我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的裁判員培養(yǎng)、培訓是通過講師對規(guī)則講述及白板分析、比賽錄像的講解、實戰(zhàn)演練等途徑，目前還缺乏一種智能化、數(shù)字化的教授方式。此外，對裁判員培養(yǎng)也不需要使用高還原度仿真，因為對裁判員姿勢、動作等基本沒有要求，反之，對裁判員的跑位策略存在較高的要求。所以急需設(shè)計實現(xiàn)一款2D層面的、可以模擬裁判員跑位的跑位演示軟件來輔助裁判員教學、培訓等。

1 跑位規(guī)則

足球裁判員最佳跑位教學示范系統(tǒng)核心功能為跑位演示。如何根據(jù)總結(jié)出來的跑位規(guī)則，形成知識，再根據(jù)知識抽象成對應的跑位算法是我們重點研究的部分。主流的裁判員跑位方式主要包括大S形跑、直線跑、跟蹤跑[1][2][3][9]。結(jié)合實際情況，將助理裁判和拖后后衛(wèi)的跑位方式也考慮進去。

1.1 大S形跑

大S形跑的特點是裁判員沿兩邊線的對角線活動，縱深距離長、活動范圍大，路線大致呈S形，但又不拘泥于S形。

大S形路線可以看作是一系列點的組合，將點的坐標記錄下來就形成了大S跑位坐標庫。而計算點線中最短距離的算法，則可轉(zhuǎn)換成點到點之間的距離問題。把推薦路線上的點與足球的位置結(jié)合起來，計算足球落點與大S路線坐標庫中所有點的距離，等把所有的大S形路線上的點都計算完畢，用任何一個排序算法都可以計算出最新的點的位置。

算法以足球位置坐標為算法輸入，通過在大S形路徑上選擇距離足球落點最近的點作為裁判員目標位置，并將此目標位置作為輸出。

圖1 大S跑算法流程圖

1.2 直線跑

圖2 直線跑算法流程圖

直線跑是基本處于兩個罰球區(qū)之間的直線活動。

足球場上的四個邊界點，兩個點球點對于系統(tǒng)來說，都是定值。所以，直線跑所遵循的直線就是兩個點球點之間的這條隱性的直線。而從足球到直線上的最短距離，就是計算足球到直線的垂直投影點的位置。

算法以足球落點為輸入數(shù)據(jù)，通過模擬得到裁判員在分量運動（將每一次位置變化分為多個小的分量）中的落點位置。

1.3 跟蹤跑

跟蹤跑是圍繞足球進行跑位的一種跑位方式。特點是裁判員主要以足球為中心進行跑位，跑位時不必遵循固定路線。

裁判和足球在運動過程中保持著裁判始終處于足球左后方10-20米處。同時必須考慮兩者速度的差異。

將相鄰的兩組坐標視為階段運動的軌跡，利用數(shù)學公式，計算出足球運動方向的角度，再由兩者角度具有一致性，即可得到裁判員的運動方向的角度。因為裁判員始終處于足球左后方固定距離位置，所以可以根據(jù)足球起始位置和終止位置計算出裁判員的起始位置和終止位置，結(jié)合裁判員速度，即可計算出下一時刻裁判員的運動方向和距離了。再將距離投射到橫、縱軸上，即可獲得裁判員在橫、縱軸上的增量，結(jié)合當前位置坐標，就可以確定裁判員的位置。

圖3 跟蹤跑算法流程圖

1.4 助理裁判與拖后后衛(wèi)跑

在正規(guī)的比賽中，除了主裁判以外，還有兩個助理裁判。裁判培養(yǎng)不光只培養(yǎng)主裁判，也要培養(yǎng)邊線上的助理裁判。助理裁判的職責就是為主裁判的判罰提供參考依據(jù)。判罰項目為犯規(guī)、界外球和越位等。助理裁判的位置通常由拖后后衛(wèi)決定。故系統(tǒng)引入兩個助理裁判（邊裁）和兩個拖后后衛(wèi)，分別位于兩個半場。助理裁判跑位路線較簡單，他的位置往往由最后一個后衛(wèi)的位置來決定。

將后衛(wèi)的行為設(shè)定為后衛(wèi)始終處于球門中心和足球之間，阻止射門得分。當足球在一對起始坐標和終止坐標之間移動時，計算球門中點到起始坐標和終止坐標連線的垂直距離，稱為防守半徑。后衛(wèi)將在以球門中點為圓心，防守半徑為半徑的半圓上運動，稱為防守半圓。并且在單位時間移動時，計算球門中點和足球連線與防守半圓的交點作為后衛(wèi)的目標位置，這樣就做到了后衛(wèi)始終處于球和球門之間，同時對應在水平方向移動助理裁判的位置。

圖4 拖后后衛(wèi)和邊裁跑位算法流程圖

2 知識庫設(shè)計

在本系統(tǒng)中，知識庫中記錄著跑位規(guī)則對應的知識，屬于系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)要求跑位應具有足夠的合理性和智能性。在本系統(tǒng)中，基于知識庫技術(shù)，將足球裁判員跑位規(guī)則轉(zhuǎn)換為具體的知識庫，根據(jù)不同的跑位規(guī)則形成對應的知識庫中的知識。在跑位演示過程中，根據(jù)不同的跑位情況，在知識庫中找到對應的知識策略，就好像一個有經(jīng)驗的裁判員在現(xiàn)場指導一樣，從而跑位系統(tǒng)更加智能，更加專業(yè)，可以滿足裁判員教學的要求。知識庫技術(shù)為本系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了實現(xiàn)的可能性，也是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是本系統(tǒng)必不可少的部分。

在實際比賽中，各種因素交叉復雜，裁判員跑位沒有固定量化的規(guī)則，對精確度要求不高。所以我們認為可以利用一些標志線來代替一個區(qū)域的所有情況，將標志線作為該區(qū)域中的跑位位置的代表，這樣既符合跑位演示的要求，也降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。

在此知識庫設(shè)計過程中，我們對足球的運動情況和裁判員對應的跑位進行了模擬。在模擬過程中，我們發(fā)現(xiàn)，足球裁判員跑位過程中需要考慮的首要因素為足球的位置。在跟蹤跑跑位方式前提下，足球行進過程中，裁判的理想跑位位置是位于足球左后方一定距離內(nèi)，這樣可以有利地觀察到足球運動情況，拼搶情況，并能很好地與邊裁形成配合。據(jù)此，我們需要在足球運動過程中時刻掌握其方向，這樣才可能模擬得到裁判員的方位，形成跟蹤跑。為了掌握足球運動的方向，我們需要借助足球運動中相鄰的兩個落點坐標來確定足球的行進方向。在足球運動過程中，方向變幻莫測，如果對于每一次方向改變都進行方向計算，則會導致過大的計算量和很小的現(xiàn)實意義，所以選擇具有代表性的方向（成為“代理方向”）進行模擬一個區(qū)域的所有情況，據(jù)此，我們建立知識庫，不同的區(qū)域?qū)煌呐芪徊呗浴?/p>

跑位規(guī)則形成知識庫的過程如圖5所示。

圖5 知識庫形成示意圖

為了讓計算機程序能夠最大程度地模擬出現(xiàn)場足球動向和裁判員的跑位，我們需要建立較完備的知識庫進行跑位模擬。在知識庫設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)可以將足球的行進方向模擬在一個圓周（我們稱其為“發(fā)展圓”）上，我們借助圓的半徑方向來表示足球的運動方向，我們將圓以22.5度劃分為16個部分，圖6中只表示出了其中的第一部分，命名為區(qū)域①，起始標號和結(jié)束標號分別為1和2。選擇區(qū)域①對應的扇形的圓心角的角平分線作為該區(qū)域的標準方向，用這個標準方向來表示整個區(qū)域的方向。換言之，足球落在此范圍時，都認為是與角平分線同方向。我們就可以采取同一種跑位方式。以圖6區(qū)域①為例。

圖6 知識庫建立示意圖

根據(jù)跟蹤跑的跑位規(guī)則，選取足球落點（圓心角平分線與圓周交點）左后方一定距離的點A為裁判推薦跑位。對于A點坐標的計算，可以通過角α的正弦，余弦值與足球落點坐標根據(jù)公式（1）進行計算獲得，其中，(targetX, targetY)代表裁判員推薦落點位置，(x, y)代表足球當前落點位置，L表示裁判員與足球保持的距離。所以知識庫中需要記錄角α的正弦值和余弦值以及區(qū)域①的判定條件，我們w以設(shè)計類似表1的知識庫。

表1 知識庫示例

系統(tǒng)中始終保留著前一個位置的坐標，當系統(tǒng)接收到用戶輸入的一組位置坐標后，系統(tǒng)將計算兩組坐標的位置關(guān)系，即將前一位置放置在圖6圓心處，觀察當前落點落在發(fā)展圓的哪一個區(qū)間。我們將落點所處區(qū)間作為知識庫條件，選取此種情況下的cos、sin兩個值，代入公式（1）中進行運算，從而獲得當前足球落點和運動方向下的裁判員推薦位置。對于不同情況的應對策略的推理規(guī)則如下：如果發(fā)現(xiàn)當前落點落在發(fā)展圓的①號區(qū)域時，我們認為符合該運動方向的情況，我們應該采?、偬枀^(qū)域?qū)牟呗詠泶_定裁判的位置，即將-0.83147，0.55557兩個數(shù)值分別賦值給公式（1）的cos和sin值，計算獲得裁判員位置。

總的說來，我們針對落入不同的區(qū)間有不同的處理數(shù)據(jù)，根據(jù)實際足球落點所處的區(qū)間在知識庫中進行查詢，得到這種位置變化情況下裁判員應該行進的目標位置相對于足球目標位置的位置信息，通過知識庫中的偏移角度的三角函數(shù)，計算得到裁判員的目標位置。跑位規(guī)則推理流程圖如下圖7所示。

圖7 知識庫推理示意圖

例如，系統(tǒng)中存儲前一位置坐標F(570,172)，我們接收到用戶輸入的新的位置坐標S(573 163)，通過處理我們發(fā)現(xiàn)，將F點設(shè)置為圓心后，S點落在了區(qū)域①，根據(jù)這個條件，我們在知識庫檢索對應的結(jié)論。我們發(fā)現(xiàn)應該根據(jù)第一條規(guī)則中提供的cos，sin值對裁判員位置進行模擬處理，我們用獲得的cos，sin值代入公式（1）計算得到裁判員的推薦位置坐標，并將裁判員模型移動到該位置。

可見，用某一個區(qū)域中的代表方向來代表這個區(qū)域的方向后，我們可以設(shè)計出上面的跑位知識庫來進行模擬。當足球下一個落點位置確定以后，我們利用它與前一個位置的關(guān)系確定足球的位置，并在知識庫中找到對應的情況和相應的對策，從而給出一個裁判員的推薦跑位。

3 圖形交互

本文的研究目的是形成一款可視性好，操作簡單，直觀，界面友好的裁判員跑位演示系統(tǒng)，所以在系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)過程中，一個重要的部分就是圖形繪制和圖形交互。使用Tcl/Tk可以輕松繪制出想要的圖形，比如足球場邊界、裁判員、足球等界面主要圖形部分，也可以繪制按鈕，列表等功能組件[12]。按鈕、列表、單選框、復選框等組件實現(xiàn)怎樣的邏輯功能，界面數(shù)據(jù)如何傳輸，后臺邏輯如何反饋到界面，如何在功能組件和圖形之間進行通信，是我們需要研究的地方。

在本系統(tǒng)的實現(xiàn)中，我們認為選定的技術(shù)手段要能夠做到以下幾點：

(1) 任何時刻都可以檢測焦點或者鼠標墊所在的位置，獲得它們的坐標?？梢苑奖愕孬@得鼠標的位置坐標等，并且及時地、方便地反饋給后臺程序。

(2) 可以檢測到鼠標位置變化，響應點擊事件；檢測鍵盤輸入，獲取輸入內(nèi)容。利用程序代碼完成圖形的動態(tài)繪制，圖像位置移動等操作。

(3) 對特定的鼠標點擊事件、鍵盤按鍵事件進行響應，實現(xiàn)使用者和程序交互以及及時反饋的功能，使程序或系統(tǒng)可以隨時接受使用者的命令控制。利用事件響應功能實現(xiàn)程序邏輯功能。

Tcl/Tk提供了豐富的方法來實現(xiàn)上述功能，程序代碼可以綁定當前鼠標點的坐標，隨時在程序中獲得鼠標的位置坐標，傳遞給后臺代碼。同時，Tcl腳本可以與一些組件關(guān)聯(lián)，這樣在一些事件發(fā)生時（如在組件上發(fā)單擊鼠標），就會調(diào)用腳本。Tk提供了一個更通用的機制，稱為綁定(bind)，來進行人機交互。在本系統(tǒng)中，我們利用Tk提供的圖形交互技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯，實現(xiàn)按鈕、列表等組件的業(yè)務功能，將界面捕捉到的位置數(shù)據(jù)等傳遞給后臺程序，將后臺邏輯反饋到前端界面進行圖形變化，位置移動，實現(xiàn)組件間通信等功能。

圖8展示了用Tcl/Tk實現(xiàn)的拖動錄制功能界面。

圖8 拖動錄制方案演示效果

拖動錄制在畫布上任意位置點擊確定足球起始位置，此時系統(tǒng)會為用戶繪制一個“足球”，用戶可以任意拖動足球，系統(tǒng)會在一定的時間間隔時選取一個點作為足球落點，系統(tǒng)將方案進行保存；此外，系統(tǒng)還將繪制過程中產(chǎn)生的裁判員的位置保存下來。

4 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計如圖9所示。我們將本系統(tǒng)應用到體育教學中，利用它的錄制、回放、演示等功能，在教學工作中的記錄、演示、重復學習等環(huán)節(jié)為教練員或?qū)W員提供一定的輔助功能。

圖9 系統(tǒng)模塊設(shè)計圖

圖10展示了系統(tǒng)的主界面，用戶對系統(tǒng)功能一目了然，全部操作由鼠標點擊就可以完成。

圖10 系統(tǒng)界面

圖11展示了跟蹤跑跑位演示效果，紅色圓、黃色圓、綠色圓、藍色圓分別代表足球、主裁判、拖后后衛(wèi)和助理裁判。

圖11 跟蹤跑演示效果

由于Tcl/Tk語言具有良好的跨平臺性，系統(tǒng)可以在Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等多種操作系統(tǒng)中運行。還可以安裝在智能手機、平板電腦等移動設(shè)備端，使學員隨時隨地進行學習，具有較高的社會、經(jīng)濟價值和良好的市場前景。

5 結(jié)語

現(xiàn)代足球比賽越來越激烈，對裁判員的要求也越來越高。本文實現(xiàn)了一款智能化、數(shù)字化、易用、便攜的多媒體演示系統(tǒng)，可以很好的幫助足球裁判員理解各種情況下的推薦跑位。

下一步我們需要解決在實際比賽中，影響跑位位置的其他諸多因素，以逐漸擴展系統(tǒng)的功能。例如，在考慮視線可能被遮擋的情況下，跑位的位置會有所不同，且系統(tǒng)的需求也會不一樣，更重要的是，計算推薦位置的算法會更復雜。

[1] GANG J. The Referee's Movement and position-selection in the modern football competition[C]// Lecture Notes in Management Science 2011 International Conference on Physical Education and Society Management. 2011: 3.

[2] HARLEY RA, TOZER K, DOUST J. An analysis of movement patterns and physiological strain in relation to optimal positioning of association football referees [M]. London: Rutledge, 2002: 137-143

[3] MARIAS A, ARTURO Y, JESUS F. Simulation of American football gaming[C]//Hong Kong Education Society. Proceedings of 2013 International Conference on Sport Science and Computer Science (CCCS 2013). 2013:8.

[4] 王兆其, 夏時洪, 邱顯杰等. 數(shù)字化三維蹦床運動模擬與仿真系統(tǒng) –VHTrampoline[J]. 計算機學報, 2007, 30(3): 498-505

[5] O’BRIEN JF, ZORDAN VB, HODGINS JK. Combining active and passive simulations for secondary motion[J]. Computer Graphics and Application, 2002, 20(4): 86-96.

[6] 王兆其, 張勇東, 夏時洪. 體育訓練三維人體運動仿真與視頻分析系統(tǒng)[J]. 計算機研究與發(fā)展, 2005, 42(2): 334-736.

[7] 中國科學院. 數(shù)字化三維人體運動的計算機仿真研究進展[J]. 中國科學院院刊, 2004, 19(3): 205-206

[8] SWAISAENVAKON S, YONG PR, KELLY SW, et al. Comparison of 3D scanned human models for off-body communications using motion capture [C] //Proc of the Antennas and Propagation Conference (LAPC). Loughborough: IEEE, 2012: 1-4

[9] BIN X. Research on physical fitness training methods of football athletes[C]//Proceedings of the 2014 International Conference on Sport Science and Computer Science (SSCS 2014) & The 2014 International Conference on Biomechanics and Sports Engineering (BSE 2014). 2014:2.

[10] LI L. The Research on the teaching effectiveness of the new media sports teaching mode [C]//Proceedings of the 2015 International Conference on Economics, Management, Law and Education (EMLE 2015), 2015.

[11] YOUZHI Z, XUENI Y. The application of computer technology in modern sports development [C]//Proceedings of the 2014 Asia-Pacific Congress on Sports Technology and Engineering(STE 2014). 2014.

[12] FLYNT C. Tcl/Tk, A developer's guide. 3nd edition [M]. Morgan Kaufmann, 2012

The Design and Implement of a Display System for Referee’s Best Move

CHENG Jianqiang1, LI Danping2, HU Jiuchuan2*

(1. Beijing Automatic Engineering School, Beijing 100192, China;2. School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The development of modern football brings new challenges to football referees. The judging abilities of referees always have a complex relation with their movement directions in the football field. In this paper, we develop a well-designed teaching prototype system to help football referees to master running skills more easily. One of the key technologies used in our system is the knowledge base. With the consideration of the key elements that influence the referees’ move, a knowledge base is built. Our knowledge base is equipped with rules which can simulate the movement of referee, football, linesman and players. The second key technology used in our system is the moving rules we set at the very beginning. We summarize three mainstream moving rules and add an extra rule according to the actual conditions in football games. We have designed algorithms and realized these rules by Tcl. The third key technology is the Tcl/Tk. We build the graphical user interface (GUI) of our system with Tcl/Tk so that all the movements of the objects in the football field are effectively demonstrated in an easy way. The initial application of our system suggests a new exploring direction of designing equipment for training the football referees, football players, etc.

football referee; move rules; knowledge base; simulation; graphical user interface (GUI); artificial intelligence

1672-9129(2016)01-0057-06

TP 31

A

2016-06-11；

2016-06-22。

成建強，男，碩士，主要研究方向：軟件工程；李丹萍，女，碩士，主要研究方向：計算機體系結(jié)構(gòu)；胡九川，男，副教授，主要研究方向：計算機體系結(jié)構(gòu)。

(*通信作者郵箱：*jchhu@bjtu.edu.cn)