視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展

苑廷剛，王國(guó)杰，何 衛(wèi)，姜自立，程泓人，劉 平，韓鵬鵬，鄭富強(qiáng)

體育科研領(lǐng)域中，運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)研究與視頻圖像處理技術(shù)密不可分并協(xié)同發(fā)展。有研究表明，人類(lèi)從外界獲得的所有信息中視覺(jué)信息約占80%以上，可見(jiàn)視頻圖像信息對(duì)人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的重要性和主導(dǎo)性（朱秀昌 等，2016）。同樣，視頻圖像信息對(duì)運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)和掌握運(yùn)動(dòng)技術(shù)具有重要促進(jìn)作用（方興，1995）。在某種意義上，運(yùn)動(dòng)視頻圖像是運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)、掌握和提高運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)的有效途徑和工具（李?lèi)?ài)東 等，2005；苑廷剛，2005）。隨著智能手機(jī)視頻技術(shù)的發(fā)展，使得視頻圖像分析技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用更加普及。因此，本研究結(jié)合應(yīng)用視頻圖像處理技術(shù)幫助運(yùn)動(dòng)員提高競(jìng)技能力的研究成果，對(duì)體育科研領(lǐng)域中視頻圖像多重處理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述和展望。

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)資料調(diào)研

本研究文獻(xiàn)主要來(lái)源于國(guó)家圖書(shū)館、北京體育大學(xué)圖書(shū)館、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、EBSCO數(shù)據(jù)庫(kù)、超星期刊及Google學(xué)術(shù)等搜索引擎。在文獻(xiàn)查閱中使用的中文檢索詞包括：視頻圖像處理、視頻解析、視頻全景、視頻標(biāo)注、技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)、視頻裁判助理、鷹眼技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)、體育視頻大數(shù)據(jù)、冠軍模型和電子裁判等；英文檢索詞包括：video processing in sport、video analysis tech‐nique、computer vision in sport、sport cameras tagging、team video analysis、video referee、video deep learning in sport等。文獻(xiàn)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前鮮見(jiàn)關(guān)于視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。

1.2 專(zhuān)家訪(fǎng)談

訪(fǎng)談對(duì)象主要為國(guó)家隊(duì)教練員和運(yùn)動(dòng)員、單項(xiàng)體育協(xié)會(huì)主要負(fù)責(zé)人、國(guó)家體育總局訓(xùn)練局主要負(fù)責(zé)人、國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所科研人員和外籍教練員等（表1）。專(zhuān)家訪(fǎng)談總?cè)藬?shù)為84人，均為碩/博士學(xué)歷，具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)視頻圖像處理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。專(zhuān)家一致性意見(jiàn)和建議均為加大視頻圖像處理技術(shù)在體育科學(xué)研究和技戰(zhàn)術(shù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

表1 專(zhuān)家訪(fǎng)談信息Table 1 Interview Information of Experts n=84

1.3 調(diào)查

根據(jù)對(duì)國(guó)家田徑隊(duì)、游泳隊(duì)、跳水隊(duì)、花樣游泳隊(duì)、體操隊(duì)、足球隊(duì)、籃球隊(duì)、排球隊(duì)、網(wǎng)球隊(duì)、羽毛球隊(duì)、乒乓球隊(duì)、舉重隊(duì)、曲棍球隊(duì)、棒球隊(duì)、冰球隊(duì)、賽艇隊(duì)和皮劃艇隊(duì)等的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用視頻圖像處理技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)分析和研究的比例為100%，可見(jiàn)視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科學(xué)訓(xùn)練和研究中應(yīng)用廣泛，應(yīng)用前景廣闊。

1.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

使用多種視頻圖像處理技術(shù)軟硬件工具，對(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)能力進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)性的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究。比如，對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)技術(shù)、撐竿跳高運(yùn)動(dòng)員的持竿助跑技術(shù)、CBA運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)能力和技戰(zhàn)術(shù)特征、足球運(yùn)動(dòng)員比賽跑動(dòng)距離特征、跳躍遠(yuǎn)度項(xiàng)目成績(jī)的視頻測(cè)量、8機(jī)位的視頻形體識(shí)別和質(zhì)心CM合成、運(yùn)動(dòng)視頻全景分析技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、手機(jī)版（Andriond、iOS系統(tǒng)）視頻圖像多重處理技術(shù)Coach Eye系列軟件等的實(shí)驗(yàn)研發(fā)和應(yīng)用。

2 視頻圖像處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用概況

2.1 目的和意義

視頻圖像是運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)技能和研究運(yùn)動(dòng)技術(shù)直接的信息源。運(yùn)動(dòng)員對(duì)運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)的學(xué)習(xí)是建立在對(duì)視頻圖像的觀察和感知的基礎(chǔ)上，然后在大腦中建立正確的動(dòng)作模式，經(jīng)過(guò)對(duì)視頻圖像不斷模仿和學(xué)習(xí)從而逐漸掌握（蘭彤，2017）。有研究表明，運(yùn)動(dòng)員和教練員采用視頻圖像觀察和分析自身和對(duì)手的技戰(zhàn)術(shù)能力（邰峰，2008）及團(tuán)隊(duì)技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)等關(guān)鍵信息（陶焜 等，2005），并快速對(duì)其產(chǎn)生積極的應(yīng)對(duì)和反饋。

視覺(jué)處理在某些運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中起著關(guān)鍵的主導(dǎo)作用。有研究證明，某些運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目視覺(jué)處理起到了主導(dǎo)作用，視覺(jué)是以視頻圖像信息處理為主要來(lái)源。視頻圖像分析和觀察是運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平的有效手段之一，也是運(yùn)動(dòng)員和教練員日常訓(xùn)練和比賽中最常用的監(jiān)控技術(shù)手段之一（潘雪峰 等，2006）。例如，球類(lèi)項(xiàng)目的組織后衛(wèi)或控球運(yùn)動(dòng)員都是視覺(jué)處理能力的主導(dǎo)者。

視頻圖像處理技術(shù)是在對(duì)運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)監(jiān)控中無(wú)干擾狀態(tài)下進(jìn)行的。實(shí)踐表明，視頻圖像處理技術(shù)能夠在對(duì)運(yùn)動(dòng)員無(wú)干擾、無(wú)需穿戴設(shè)備的情況下再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員真實(shí)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，尤其是多機(jī)位的視頻采集和反饋，能夠全方位展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員的真實(shí)運(yùn)動(dòng)技術(shù)表現(xiàn)（苑廷剛 等，2019），是體育科研人員、運(yùn)動(dòng)員和教練員常用的運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)分析工具（周曉東 等，2008），同時(shí)在視頻圖像解析的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技術(shù)的量化解析，再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)的真實(shí)表現(xiàn)，是教練員和運(yùn)動(dòng)員較容易接受和經(jīng)常使用的工具，在體育科研領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值（孫義良，2003）。

視頻圖像是體育科研領(lǐng)域中對(duì)技戰(zhàn)術(shù)研究較為直接和常用的工具。對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目、運(yùn)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的視頻圖像采集，并利用專(zhuān)業(yè)視頻圖像處理軟、硬件進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)分析研究，在訓(xùn)練中和比賽現(xiàn)場(chǎng)提供有價(jià)值的技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)分析，以達(dá)到優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員個(gè)人技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)和團(tuán)隊(duì)技戰(zhàn)術(shù)水平的目的。目前，視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)能力和水平起到了重要的支撐和保障作用。隨著計(jì)算機(jī)視頻圖像技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，視頻圖像畫(huà)質(zhì)增強(qiáng)至4K/8K、由常速向高速、由簡(jiǎn)單向智能、由昂貴向普及進(jìn)步，未來(lái)的運(yùn)動(dòng)視頻圖像將會(huì)以超高清、全方位、多維度和沉浸式的視角展現(xiàn)，使視頻圖像多重處理技術(shù)成為體育科研領(lǐng)域中較為直觀、基礎(chǔ)和科學(xué)、有效的實(shí)用工具。

2.2 常用視頻圖像處理軟件

視頻圖像多重處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用體育科研領(lǐng)域中，成為全世界運(yùn)動(dòng)員和教練員進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)學(xué)習(xí)、分析和研究的常用工具（表2）。比如，SportCode視頻技戰(zhàn)術(shù)編輯系統(tǒng)、Dartfish視頻處理系統(tǒng)和Simi三維解析系統(tǒng)、英國(guó)的網(wǎng)球Hawk-eye鷹眼系統(tǒng)（Hawk-eye company，2010；Stensland et al.，2014）、法國(guó)的 Amisco技戰(zhàn)術(shù)和跑動(dòng)距離追蹤系統(tǒng)（Castellano et al.，2014）、美國(guó)NBA的Sports VU技戰(zhàn)術(shù)分析系統(tǒng)、德國(guó)的Simi Shape 3D人體輪廓識(shí)別和自動(dòng)解析系統(tǒng)、足球的視頻裁判助理（video assistant refer‐ee，VAR）系統(tǒng)等，都在不同的體育競(jìng)技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用（Amisco company，2013；Bartoli et al.，2002）。

表2 視頻圖像處理軟件及其應(yīng)用情況Table 2 The Application of Video Image Processing Systems in the Field of Sports Skills， Tactics Analysis and Research

3 視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的主要應(yīng)用

視頻圖像處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中應(yīng)用主要包括：多種形式的視頻采集和播放、同步疊加比較、同步分屏比較、多機(jī)位拼接和三維場(chǎng)景合成、全景圖合成、二維和三維解析、標(biāo)志點(diǎn)Mark自動(dòng)追蹤、視頻測(cè)量、計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)、鷹眼技術(shù)、視頻裁判助理、視頻標(biāo)注、球類(lèi)項(xiàng)目技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)和跑動(dòng)距離測(cè)量等。

3.1 運(yùn)動(dòng)視頻采集技術(shù)

運(yùn)動(dòng)視頻采集是進(jìn)行多重技術(shù)處理、技戰(zhàn)術(shù)分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)拍攝速度可分為常速采集和高速采集（因?yàn)橐曨l制式的不同決定了Pal制常速為25 fps，奇數(shù)場(chǎng)在前；Ntsc制常速為29.97 fps，偶數(shù)場(chǎng)在前），單幀畫(huà)面都包含了奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)2場(chǎng)，因此常速采集頻率為50 Hz或60 Hz。超過(guò)常速的均為高速采集，高速采集根據(jù)研究目的不同而選擇不同采集頻率，通常除子彈擊發(fā)和終點(diǎn)攝像（如短跑項(xiàng)目）需要10 000 Hz的拍攝速度外，其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目采用200 Hz的拍攝速度即可滿(mǎn)足研究需要。常用視頻采集形式可分為定點(diǎn)定焦、定點(diǎn)變焦、定點(diǎn)定焦掃描、定點(diǎn)變焦掃描、移動(dòng)定焦、滑軌跟蹤、無(wú)人機(jī)跟蹤和智能攝像頭跟蹤等；根據(jù)機(jī)位數(shù)量不同可分為單機(jī)位、雙機(jī)位和多機(jī)位；根據(jù)同步性可分為獨(dú)立采集和同步采集。

3.2 運(yùn)動(dòng)視頻播放控制功能

運(yùn)動(dòng)視頻圖像可根據(jù)研究需要按時(shí)間序列進(jìn)行播放控制、加速回放和快進(jìn)、任意慢速度控制、逐幀或逐場(chǎng)播放、逐幀或逐場(chǎng)暫停和畫(huà)面定格、雙屏播放或多屏同步播放；分屏、畫(huà)中畫(huà)和疊加等多種形式的播放控制?？梢詫?duì)視頻圖像的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注和直接定位，直接獲取所需的時(shí)間點(diǎn)和關(guān)鍵畫(huà)面。例如，用100 m比賽終點(diǎn)沖刺瞬間的名次判定需要使用視頻圖像標(biāo)注（終點(diǎn)線(xiàn)和胸前緣）和關(guān)鍵畫(huà)面點(diǎn)定格計(jì)時(shí)來(lái)判決運(yùn)動(dòng)員的名次（圖1）。

圖1 100 m比賽終點(diǎn)視頻圖像沖刺畫(huà)面定格和名次判決Figure 1. The Freeze Frame of the Sprint and Ranking Judgment in the Video Image of 100 m Competition

3.3 高速視頻電子計(jì)時(shí)功能

目前，世界田徑聯(lián)合會(huì)（World Athletics）在徑賽項(xiàng)目上統(tǒng)一采用高速視頻電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)計(jì)算比賽成績(jī)。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐表明，高速視頻電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)是較為精確的科學(xué)計(jì)時(shí)工具，由發(fā)令槍傳感器啟動(dòng)視頻計(jì)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行時(shí)間記錄，使用精度為0.000 1 s的高速視頻記錄運(yùn)動(dòng)員通過(guò)的終點(diǎn)時(shí)間，快速顯示比賽成績(jī)（圖2）。

圖2 短跑比賽視頻計(jì)時(shí)系統(tǒng)示意圖Figure 2. Schematic Diagram of Video Timing System for Sprint Competition

3.4 視頻測(cè)量技術(shù)

視頻測(cè)量技術(shù)通過(guò)對(duì)場(chǎng)地的二維或三維空間進(jìn)行空間標(biāo)定測(cè)量運(yùn)動(dòng)員或者器械的落地距離，給出成績(jī)。跳遠(yuǎn)比賽前使用高清高速攝像機(jī)在沙坑的兩側(cè)進(jìn)行每隔1 m長(zhǎng)度的場(chǎng)地標(biāo)定，比賽中可直接標(biāo)注出運(yùn)動(dòng)員的落地點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)視頻測(cè)量程序給出成績(jī)數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以節(jié)省裁判的人力需求，提高效率和判罰公平性，并能夠與電視轉(zhuǎn)播信號(hào)進(jìn)行同步，方便觀眾觀賽和了解比賽排名（圖3）。

圖3 跳躍遠(yuǎn)度項(xiàng)目視頻測(cè)量和前3名成績(jī)排名Figure 3. Video Measurement of Distance Jumping Event and Ranking Status of the Top 3

3.5 視頻同步疊加比較技術(shù)

視頻同步疊加比較技術(shù)可以比對(duì)運(yùn)動(dòng)員技戰(zhàn)術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。視頻同步疊加技術(shù)包括：同場(chǎng)地定點(diǎn)背景下的直接疊加、同場(chǎng)地掃描背景消除后疊加、不同場(chǎng)地定點(diǎn)背景的疊加、不同場(chǎng)地定點(diǎn)（或掃描）背景消除后疊加、掃描圖像的直接疊加、掃描圖像的背景消除后疊加等。視頻同步疊加比較技術(shù)是在體育科學(xué)訓(xùn)練和研究中的常用手段。例如，在110 m跨欄項(xiàng)目中對(duì)劉翔和史冬鵬下欄后左腳著地角度的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，劉翔的著地角度為25.0°±2.5°，史冬鵬的著地角度為 5.0°±2.2°，存在顯著性差異（n=10，P＜0.001；圖4）。

3.6 視頻同步分屏比較技術(shù)

視頻同步分屏比較技術(shù)主要包括雙屏、三屏、四屏和多屏的視頻同步分屏比較，同一運(yùn)動(dòng)員的多機(jī)位和多角度視頻同步分屏比較等。視頻同步分屏比較需要首先確立同一運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵畫(huà)面（如田徑跳躍類(lèi)的起跳離地瞬間），然后通過(guò)播放控制鍵進(jìn)行關(guān)鍵畫(huà)面的逐幀、逐場(chǎng)播放，查詢(xún)和定位好全部視頻的同步點(diǎn)，即完成視頻的同步分屏比較。通過(guò)視頻同步分屏對(duì)比，可以較為直觀地觀察和分析運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)術(shù)差異，對(duì)比技戰(zhàn)術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.7 視頻全景分析技術(shù)

視頻全景分析技術(shù)是由瑞士Dartfish公司于2000年開(kāi)發(fā)的視頻圖像凍結(jié)功能（Cassirame et al.，2019），主要原理是從復(fù)雜背景中直接提取運(yùn)動(dòng)前景，并按照時(shí)間序列進(jìn)行連續(xù)的運(yùn)動(dòng)前景排列和背景融合。該技術(shù)使運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析更加連貫和接續(xù)，有助于全面、綜合地把握運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。視頻全景分析技術(shù)是運(yùn)動(dòng)技術(shù)特征研究的優(yōu)質(zhì)技術(shù)和工具，是運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)分析評(píng)價(jià)的“金鑰匙”。

視頻全景圖包含運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的全局性和完整性特征信息（圖5）。

圖5 跳高項(xiàng)目最后助跑和起跳階段視頻全景圖及身體質(zhì)心CM軌跡Figure 5. The Video Panorama of the Final Approach and Take-off Stages of the High Jump Event and the CM Trajectory of the Body’s Center of Mass

1）全面反映運(yùn)動(dòng)員的連續(xù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)特征。視頻全景圖包含運(yùn)動(dòng)技術(shù)的連續(xù)動(dòng)作時(shí)序和完整結(jié)構(gòu)信息，是連續(xù)技術(shù)動(dòng)作時(shí)間序列圖像的有機(jī)展示，是運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)畫(huà)面或時(shí)相的科學(xué)集合。根據(jù)需要對(duì)運(yùn)動(dòng)員或運(yùn)動(dòng)前景進(jìn)行完整的形體識(shí)別和提取，同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)背景進(jìn)行連續(xù)的融合固定，將運(yùn)動(dòng)前景圖按照時(shí)間序列和空間位置進(jìn)行線(xiàn)性拼接和直接合成。視頻全景合成可以進(jìn)行連續(xù)固定時(shí)間隔間生成和不固定時(shí)間間隔生成，制作視頻全景圖包括特征點(diǎn)提取、特征畫(huà)面匹配、圖像拼接和背景融合，全景圖像合成和輸出等技術(shù)手段（Varzakas，2011）。將一個(gè)動(dòng)作視頻轉(zhuǎn)化為靜態(tài)的動(dòng)作全景圖像從而達(dá)到技術(shù)動(dòng)作凍結(jié)效果，并可以靜態(tài)分析技術(shù)動(dòng)作的連續(xù)變化過(guò)程與軌跡，研判動(dòng)作的完整性和全局性。

2）直接測(cè)量和反饋關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。通過(guò)對(duì)視頻全景圖中單個(gè)時(shí)相的時(shí)間為位置節(jié)點(diǎn)，按照?qǐng)龅貙?shí)際距離進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定，可以在視頻全景圖上測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)時(shí)間、跑動(dòng)距離、角度、步長(zhǎng)、質(zhì)心CM平均速度和步平均速度等參數(shù)（圖6），實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析和演示功能。對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的分析和改善達(dá)到“所見(jiàn)即所得”的效果。

圖6 短跑項(xiàng)目時(shí)間、距離、角度、步長(zhǎng)和質(zhì)心CM參數(shù)的視頻全景圖解析Figure 6. Video Panoramic Analysis of Time， Distance， Angle， Step Length and Centroid CM Parameters of the Sprint Events

3）更加清晰地反映運(yùn)動(dòng)員全局性運(yùn)動(dòng)技術(shù)的差異。對(duì)不同運(yùn)動(dòng)員的全景圖進(jìn)行同畫(huà)面的同步對(duì)比，有助于全局性直觀比較不同運(yùn)動(dòng)員之間技術(shù)動(dòng)作的差異，以及技術(shù)結(jié)構(gòu)差異點(diǎn)的畫(huà)面，更有利于運(yùn)動(dòng)員發(fā)現(xiàn)技術(shù)問(wèn)題，從而更有針對(duì)性地改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的薄弱環(huán)節(jié)。例如，對(duì)中外男子跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員的關(guān)鍵時(shí)相畫(huà)面進(jìn)行的全景圖同步對(duì)比（圖7），能夠更加清晰地觀察到2名運(yùn)動(dòng)員的助跑階段、踏跳階段、騰空階段和落地階段的技術(shù)差異，幫助運(yùn)動(dòng)員更好地對(duì)比分析技術(shù)動(dòng)作。

圖7 跳遠(yuǎn)項(xiàng)目中外優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員跳躍技術(shù)過(guò)程全景圖同步對(duì)比Figure 7. Synchronous Comparison of Panorama of Jumping Technology Process of Chinese and Foreign Elite Athletes in Long Jump Events

4）有效提高視頻二維解析的數(shù)據(jù)精度。視頻解析中常見(jiàn)因有阻擋不能精準(zhǔn)定位解析點(diǎn)，這是視頻解析技術(shù)中的一個(gè)不足。通過(guò)對(duì)解析點(diǎn)的視頻全景合成，利用相鄰畫(huà)面在同一個(gè)視頻里進(jìn)行解析點(diǎn)的判定，按照關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡更加清晰地進(jìn)行圖像解析和自動(dòng)追蹤，使得二維解析更加科學(xué)。將關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)集中標(biāo)注在視頻全景圖內(nèi)，有助于運(yùn)動(dòng)員和教練員更加清晰地掌握運(yùn)動(dòng)技術(shù)整體特征。例如，對(duì)撐竿跳高項(xiàng)目全程助跑距離、助跑時(shí)間、步數(shù)、步長(zhǎng)和步速度等（圖8）、跨欄（起跨距離、落地距離、質(zhì)心高度、騰空時(shí)間和軀干角度等）（圖9）、花樣滑冰起跳速度、飛行距離和騰起高度（圖10）的視頻全景圖數(shù)據(jù)解析和標(biāo)注，獲取帶有參數(shù)結(jié)果的技術(shù)全景圖像，可以幫助運(yùn)動(dòng)員全面和準(zhǔn)確解析運(yùn)動(dòng)技術(shù)特征。

圖8 撐竿跳高助跑全程步長(zhǎng)、步速度和時(shí)間等變化視頻全景圖解析Figure 8. Video Panoramic Analysis of the Changes of Step Length， Step Speed and Time in the Whole Run-up of Pole Vault

圖9 跨欄關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的視頻全景圖解析Figure 9. Video Panoramic Analysis of Key Technical Parameters of Hurdle

圖10 花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員飛行距離、起始速度、落地速度和飛行高度參數(shù)的視頻全景解析示意圖Figure 10. Video Panorama Analysis Diagram of Figure Skaters’ Flight Distance， Initial Speed， Landing Speed and Flight Altitude Parameters

5）更清晰地展現(xiàn)旋轉(zhuǎn)技術(shù)動(dòng)作的連續(xù)動(dòng)作特征。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)視頻全景背景變換和前景平拉開(kāi)體育運(yùn)動(dòng)中存在大量旋轉(zhuǎn)技術(shù)動(dòng)作，比如田徑中的鉛球投擲動(dòng)作和棒球的投球動(dòng)作等，均既有平動(dòng)又有轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行視頻全景圖合成時(shí)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)前景圖像的相互遮擋現(xiàn)象，不利于對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的連續(xù)性觀察。為了更好地觀察和分析旋轉(zhuǎn)技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)技術(shù)視頻全景圖，可以通過(guò)視頻全景序列圖像的前景提取平拉開(kāi)技術(shù)使遮擋的視頻全景圖像按照特定的時(shí)間和空間順序有序排列和清晰展示（圖11、圖12）。視頻全景平拉開(kāi)技術(shù)也可以根據(jù)研究需要進(jìn)行特定排列，方便對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行觀察。

圖11 鉛球項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)技術(shù)視頻全景圖折疊和平拉開(kāi)圖像處理技術(shù)示意圖Figure 11. Shot Put Sports Technology Video Panorama Folding and Translating to Image Processing Technology Diagram

圖12 棒球投球過(guò)程運(yùn)動(dòng)技術(shù)視頻全景圖折疊和平拉開(kāi)排列圖像處理技術(shù)示意圖Figure 12. Panorama of Baseball Throwing Process Motion Technology Folding and Spreading Image Processing Technology

3.8 視頻圖像運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)Marks的識(shí)別和軌跡追蹤技術(shù)

視頻圖像處理軟件如Peak motus、Simi motion和Dart‐fish等提供了視頻圖像的自動(dòng)追蹤識(shí)別功能（Castellano et al.，2014；Wang et al.，2000）。進(jìn)行視頻圖像解析時(shí)需要對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，圖像識(shí)別的原理是像素點(diǎn)集合形成的輪廓清晰度、色彩飽和度、色溫和色差等基本構(gòu)成要素。對(duì)圖像Mark點(diǎn)識(shí)別后可以進(jìn)行軌跡追蹤，以軌跡的形式顯示關(guān)鍵點(diǎn)Mark的變化特征，反映運(yùn)動(dòng)技術(shù)情況。目前，視頻圖像識(shí)別技術(shù)主要有手動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別兩種，手動(dòng)識(shí)別能夠較為精確地在圖像上做出標(biāo)記，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)精度還需進(jìn)一步改善和提高。對(duì)運(yùn)動(dòng)員的髖、膝、踝等關(guān)鍵關(guān)節(jié)進(jìn)行視頻圖像的識(shí)別和追蹤，可以很好的分析運(yùn)動(dòng)員身體主要環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡特征等（圖13）。

圖13 短跑項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別和軌跡追蹤技術(shù)Figure 13. The Trajectory of the Key Links of the Sprinter

3.9 運(yùn)動(dòng)技術(shù)的二維和三維視頻解析技術(shù)

二維和三維視頻解析技術(shù)是運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析和研究中常用和經(jīng)典的研究方法，是需要按照特定的視頻拍攝要求和測(cè)試規(guī)范進(jìn)行的視頻圖像處理技術(shù)。二維視頻解析是對(duì)1臺(tái)攝像機(jī)拍攝的平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)提?。蝗S視頻解析技術(shù)是對(duì)至少2臺(tái)攝像機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)解析。二維和三維視頻解析技術(shù)需要在賽前或訓(xùn)練前進(jìn)行空間標(biāo)定，然后使用直接線(xiàn)性變換法線(xiàn)性轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)解析人體關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，合成人體關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，獲得二維或三維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

由于該技術(shù)需要運(yùn)用特定的人體參數(shù)模型建立和求解人體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行身體各環(huán)節(jié)標(biāo)志點(diǎn)的手動(dòng)解析，耗時(shí)較長(zhǎng)，反饋速度較慢，因此計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)的智能化解析技術(shù)必將成為未來(lái)視頻圖像處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)之一。

3.10 三維視頻定點(diǎn)變焦大范圍掃描解析技術(shù)

Simi Motion等軟件實(shí)現(xiàn)了三維大范圍掃描解析功能，可以使傳統(tǒng)三維定點(diǎn)解析范圍從7 m擴(kuò)大到約30 m。其工作原理是對(duì)攝像機(jī)的Pan/Tilt/Zoom掃描拍攝視頻進(jìn)行坐標(biāo)量化，實(shí)現(xiàn)三維大范圍的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集。三維大范圍掃描解析技術(shù)可以在理論上實(shí)現(xiàn)多臺(tái)攝像機(jī)任意掃描視場(chǎng)范圍內(nèi)的三維空間數(shù)據(jù)解析，如對(duì)三級(jí)跳遠(yuǎn)全程范圍的大范圍解析。

在進(jìn)行三維大范圍掃描解析過(guò)程中需要對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)三維坐標(biāo)測(cè)定和三維直接線(xiàn)性轉(zhuǎn)換，同時(shí)需保證攝像機(jī)拍攝的每幅畫(huà)面至少出現(xiàn)2個(gè)控制點(diǎn)（圖14）。

圖14 三級(jí)跳遠(yuǎn)全程三維大范圍錄像掃描示意圖Figure 14. Schematic Diagram of Three-Dimensional Large-Scale Video Scanning Throughout the Triple Jump

3.11 運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)

運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)可以在幫助運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技術(shù)、模擬身臨比賽場(chǎng)景、再現(xiàn)比賽環(huán)境、重塑比賽行為和優(yōu)化比賽策略等方面具有重要的作用，同時(shí)也可以幫助運(yùn)動(dòng)員實(shí)現(xiàn)心靈感應(yīng)和放松，促進(jìn)疲勞恢復(fù)和睡眠。利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)優(yōu)化、身心機(jī)能調(diào)整、競(jìng)技能力再現(xiàn)和輔助改善運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)等功能。

運(yùn)動(dòng)仿真（motion simulation，MS）技術(shù)是使用仿真技術(shù)模擬真實(shí)情景下人體或物體運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作形式，達(dá)到再現(xiàn)和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作的目的。運(yùn)動(dòng)仿真可以揭示神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)內(nèi)在規(guī)律、神經(jīng)肌肉控制原理、探討運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生機(jī)制，以及進(jìn)行難新動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)技術(shù)模擬和訓(xùn)練，幫助運(yùn)動(dòng)員打破極限等都具有較強(qiáng)的科技助力作用。運(yùn)動(dòng)仿真涉及到人體或物體建模，需要達(dá)到與人體或物體結(jié)構(gòu)、密度、粘彈性、活性、功能和自由度等對(duì)應(yīng)的仿真體才能進(jìn)行客觀和科學(xué)的仿真和優(yōu)化。

3.12 視頻多機(jī)位立體沉浸式無(wú)縫拼接和場(chǎng)景合成技術(shù)

單一攝像機(jī)采集的視頻信息不能完整地展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員個(gè)體或群體的運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)過(guò)程，需要使用多個(gè)攝像機(jī)或攝像機(jī)矩陣對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的全程進(jìn)行采集，因此需要將多個(gè)攝像機(jī)或攝像機(jī)矩陣的視頻圖像進(jìn)行無(wú)縫的完整拼接，或使用攝像機(jī)矩陣對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)物合成。如實(shí)現(xiàn)對(duì)100 m短跑、跳遠(yuǎn)和三級(jí)跳遠(yuǎn)的多機(jī)位視頻圖像的無(wú)縫拼接，球類(lèi)比賽場(chǎng)地的三維場(chǎng)景的真實(shí)合成，以便整體性和全局性觀察和分析運(yùn)動(dòng)員的全程技戰(zhàn)術(shù)特征。

3.13 關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作視頻標(biāo)注技術(shù)

視頻標(biāo)注技術(shù)主要是對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)關(guān)鍵時(shí)相點(diǎn)進(jìn)行語(yǔ)義的定義和分類(lèi)，方便后期進(jìn)行視頻圖像的統(tǒng)計(jì)、歸類(lèi)、剪輯和合成等。如對(duì)三級(jí)跳遠(yuǎn)項(xiàng)目的踏板瞬間、第1跳起跳瞬間、第2跳起跳瞬間、第3跳起跳瞬間和落地瞬間等進(jìn)行關(guān)鍵畫(huà)面的定義，為后期研究分析三級(jí)跳遠(yuǎn)的3次起跳關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行畫(huà)面點(diǎn)的直接查詢(xún)和定位，方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技術(shù)的分析和評(píng)價(jià)。視頻標(biāo)注技術(shù)在球類(lèi)項(xiàng)目的中的應(yīng)用較為廣泛，主要為后期進(jìn)行的技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告做好準(zhǔn)備。比如，對(duì)籃球比賽中的2分球、3分球、罰球等得分情況進(jìn)行標(biāo)注，方便后期統(tǒng)計(jì)得失分情況；對(duì)搶斷、籃板、擋拆、助攻、失誤、犯規(guī)和有效進(jìn)攻等進(jìn)行視頻標(biāo)注，方便后期技戰(zhàn)術(shù)報(bào)告的快速生成和技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)以及為臨場(chǎng)指揮作出科學(xué)決策提供依據(jù)。

3.14 球類(lèi)項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)能力特征參數(shù)視頻解析

在對(duì)球類(lèi)項(xiàng)目的研究中，使用Simi Scout等視頻解析軟件按照特定拍攝規(guī)范要求可以精確解析跑動(dòng)速度和跑動(dòng)距離等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。使用2臺(tái)攝像機(jī)分別拍攝2個(gè)半場(chǎng)（圖15），利用已知的場(chǎng)地長(zhǎng)度和寬度等數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行二維標(biāo)定，每臺(tái)攝像機(jī)中的4個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)可根據(jù)所拍攝的籃球場(chǎng)地的半場(chǎng)長(zhǎng)度和寬度的交叉點(diǎn)坐標(biāo)確定。以左邊攝像機(jī)拍攝球場(chǎng)圖像的近端邊線(xiàn)和底線(xiàn)的交點(diǎn)定義XY坐標(biāo)系的原點(diǎn)（0，0），則左邊攝像機(jī)二維標(biāo)定的4個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（0，0）、（14，0）、（14，15）和（0，15），右邊攝像機(jī)二維標(biāo)定的4個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)分別為（14，0）、（28，0）、（28，15）和（14，15），對(duì)整個(gè)場(chǎng)地完成標(biāo)定程序即可進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離視頻解析原理相同。

圖15 使用2臺(tái)攝像機(jī)采集和測(cè)量籃球運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離參數(shù)特征示意圖Figure 15. Using Two Cameras to Collect and Measure the Characteristics of Basketball Players’ Running Distance Parameters

3.15 網(wǎng)球Hawk-eye鷹眼技術(shù)

鷹眼技術(shù)即為“即時(shí)回放系統(tǒng)”，是由8～10個(gè)高速攝像頭、4臺(tái)電腦和大屏幕組成。首先借助電腦的計(jì)算把比賽場(chǎng)地內(nèi)的立體空間分隔成以mm計(jì)算的測(cè)量單位；然后利用高速攝像頭從不同角度同時(shí)捕捉網(wǎng)球飛行軌跡的基本數(shù)據(jù)；再通過(guò)軟件計(jì)算生成三維圖像；最后利用即時(shí)成像技術(shù)，由大屏幕呈現(xiàn)出網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)及落點(diǎn)。從數(shù)據(jù)采集到結(jié)果演示全過(guò)程時(shí)間不超過(guò)8 s。鷹眼技術(shù)可以快速判決界內(nèi)/界外（in/out）、球速、運(yùn)行軌跡，對(duì)發(fā)球落點(diǎn)、Ace球、回球落點(diǎn)、球點(diǎn)頻譜統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，并且在網(wǎng)球賽事中廣泛應(yīng)用。

3.16 足球VAR技術(shù)

國(guó)際足球聯(lián)合會(huì)（Fédération Internationale de Football Association，F(xiàn)IFA）在2018年俄羅斯世界杯上首次采用了足球的VAR系統(tǒng)。VAR技術(shù)對(duì)于比賽的公平性判罰，減少錯(cuò)判、漏判、過(guò)判和少判等產(chǎn)生了積極的作用，給足球比賽的公平性帶來(lái)重大的技術(shù)變革，也證明了視頻圖像處理技術(shù)對(duì)于運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目發(fā)展的重要影響和價(jià)值。

3.17 視頻技戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)控技術(shù)

美國(guó)NBA的SportVU和澳大利亞的SportCode是視頻技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的重要應(yīng)用，集視頻剪輯、編碼和技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計(jì)功能于一體。通過(guò)使用6臺(tái)高速攝像機(jī)不僅可以實(shí)時(shí)捕捉球員的技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)和團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)，還可以與心率表等儀器進(jìn)行體能變化同步監(jiān)控，計(jì)算運(yùn)動(dòng)員在球場(chǎng)上的跑動(dòng)距離、跑動(dòng)速度和跑動(dòng)位置，得失分點(diǎn)頻譜分布和得失球比例等。

3.18 深度攝像機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

深度攝像機(jī)除能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對(duì)象的深度信息，即三維的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。深度攝像機(jī)可分為3類(lèi)技術(shù)：結(jié)構(gòu)光、雙目視覺(jué)和TOF飛行時(shí)間法。深度攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以很準(zhǔn)確地采集低速（3 m/s）的直線(xiàn)平動(dòng)軌跡、角度和距離等參數(shù)，達(dá)到快速采集、分析和評(píng)價(jià)物體或者人體運(yùn)動(dòng)信息的目的。但深度攝像機(jī)的采樣頻率為30 Hz，因此只能獲得低速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的有關(guān)深度、距離和時(shí)間參數(shù)，在二維平面3點(diǎn)的角度參數(shù)和旋轉(zhuǎn)類(lèi)運(yùn)動(dòng)物體數(shù)據(jù)較難準(zhǔn)確采集。

艾康偉等（2015）應(yīng)用深度攝像機(jī)kinect-2結(jié)合視頻圖像mark點(diǎn)自動(dòng)追蹤技術(shù)在舉重項(xiàng)目的杠鈴桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)追蹤和計(jì)算，研制出基于深度攝像機(jī)應(yīng)用的舉重運(yùn)動(dòng)技術(shù)實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)。在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)功能性篩查（FMS）的自動(dòng)評(píng)價(jià)和打分應(yīng)用方面取得了較好的應(yīng)用效果。

4 視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

視頻圖像多重處理技術(shù)在客觀上促進(jìn)了競(jìng)技體育的發(fā)展和進(jìn)步，同時(shí)競(jìng)技體育科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了現(xiàn)代視頻圖像多重處理技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。二者相互促進(jìn)和共同發(fā)展，不斷幫助人類(lèi)打破競(jìng)技體育的運(yùn)動(dòng)極限。

視頻圖像多重處理技術(shù)在體育科研領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)主要包括：視頻拼接和三維場(chǎng)景合成、移動(dòng)端視頻圖像處理軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、個(gè)性化人體質(zhì)心CM的自動(dòng)合成、計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)和人工智能、技戰(zhàn)術(shù)全局性統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)、電子裁判、運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)和冠軍模型構(gòu)建等。

4.1 多機(jī)位視頻無(wú)縫拼接和三維場(chǎng)景合成

使用多機(jī)位攝像機(jī)矩陣將不同角度獲得的視頻圖像拼接，按照有序的排列方式合成到同一場(chǎng)景中，進(jìn)行多機(jī)位的無(wú)縫拼接和三維場(chǎng)景合成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員全部運(yùn)動(dòng)過(guò)程的技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)的監(jiān)控和分析，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員全部的技戰(zhàn)術(shù)的完整表現(xiàn)，避免單一攝像機(jī)和單一場(chǎng)景的局限性。例如，實(shí)現(xiàn)對(duì)100 m短跑、跳遠(yuǎn)和三級(jí)跳遠(yuǎn)項(xiàng)目的多機(jī)位視頻圖像的無(wú)縫拼接，以便教練員全局性觀察和分析運(yùn)動(dòng)全程的技術(shù)表現(xiàn)；對(duì)球類(lèi)項(xiàng)目使用攝像機(jī)矩陣進(jìn)行場(chǎng)地的三維合成，可以全局性監(jiān)控和評(píng)價(jià)自己和對(duì)手的技戰(zhàn)術(shù)表現(xiàn)，做到更加科學(xué)監(jiān)控和評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)全局性特征。

4.2 移動(dòng)端視頻圖像處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

隨著智能手機(jī)等移動(dòng)端視頻拍攝功能的迅猛發(fā)展，畫(huà)質(zhì)提升至4K/8K，高速拍攝速度達(dá)到500 fps。未來(lái)，在體育科研領(lǐng)域中智能手機(jī)可能會(huì)逐漸取代高清照相機(jī)、高清攝像機(jī)和高速攝像機(jī)，成為運(yùn)動(dòng)員和教練員分析運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)的主要工具。

基于智能手機(jī)（Andriond、iOS系統(tǒng)）開(kāi)發(fā)的移動(dòng)端“教練眼（Coach Eyes）”視頻技術(shù)分析系統(tǒng)（圖16），分別對(duì)應(yīng)定點(diǎn)拍攝和掃描拍攝2種主要形式，主要功能包括：多視頻圖像分屏同步比較、雙視頻疊加同步比較、全景圖生成、定點(diǎn)全景、角度測(cè)量、距離測(cè)量、速度測(cè)量、文字標(biāo)注和軌跡跟蹤等。

圖16 手機(jī)版“教練眼”軟件全景視頻播放、全景圖分析界面Figure 16. Mobile Version of the “Coach Eye” Software Panoramic Video Playback， Panoramic Image Analysis Interface

4.3 人體形態(tài)自動(dòng)識(shí)別和質(zhì)心CM的自動(dòng)合成技術(shù)

德國(guó)Simi公司研發(fā)了Motion 3D-shape形狀智能捕捉技術(shù)（圖17），使用6～8臺(tái)高速（100 Hz）攝像機(jī)同步采集在受試者周?chē)侠聿季?，視頻圖像為全高清（1 080 dpi以上）畫(huà)質(zhì)，進(jìn)行人體或器械的形體自動(dòng)識(shí)別和多維解析，實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)作捕捉質(zhì)心CM自動(dòng)合成。Simi Shape 3D在實(shí)驗(yàn)室和比賽現(xiàn)場(chǎng)均可使用，動(dòng)作捕捉的對(duì)象不需要佩戴任何Marks標(biāo)記點(diǎn)，動(dòng)作捕捉可以快速完成并輸出數(shù)據(jù)，可以同屏顯示Marks點(diǎn)的數(shù)據(jù)圖、數(shù)據(jù)表、動(dòng)態(tài)同步曲線(xiàn)、同步運(yùn)動(dòng)軌跡、人體模擬棍圖、模擬骨架圖和捕捉現(xiàn)場(chǎng)的視頻，快速輸出數(shù)據(jù)分析報(bào)告和技術(shù)反饋報(bào)告。

圖17 Simi Shape 3D人體形體識(shí)別和質(zhì)心CM的自動(dòng)合成示意圖Figure 17. Schematic Diagram of Automatic Synthesis of Simi Shape 3D Body Shape Recognition and Centroid CM

4.4 體育人工智能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

人工智能（artificial intelligence，AI）是研究用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的新技術(shù)。人工智能技術(shù)在體育科技領(lǐng)域中的應(yīng)用包括各種幫助運(yùn)動(dòng)員提高競(jìng)技能力的智能設(shè)備和計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)后的各種技術(shù)應(yīng)用。人工智能同樣能夠輔助運(yùn)動(dòng)員提高競(jìng)技運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，提高比賽成績(jī)和探索運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律。

4.5 視頻矩陣和球類(lèi)技戰(zhàn)術(shù)全局性監(jiān)測(cè)

與網(wǎng)球的鷹眼技術(shù)和足球的VAR類(lèi)似，在排球、羽毛球和冰球等集體項(xiàng)目比賽中可使用多臺(tái)高速高清攝像機(jī)對(duì)比賽的全局性技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋。例如，在冰球比賽中使用10臺(tái)高速高清攝像機(jī)對(duì)冰球場(chǎng)地進(jìn)行全局性合成（圖18），并對(duì)場(chǎng)上所有運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)術(shù)情況進(jìn)行全局性監(jiān)控和反饋。其中，4臺(tái)頂部攝像機(jī)合成冰球比賽實(shí)時(shí)場(chǎng)地和監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)能力，6臺(tái)側(cè)面攝像機(jī)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼和監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)術(shù)能力。10臺(tái)攝像機(jī)的視頻流實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄苡?jì)算機(jī)視覺(jué)控制終端，可以對(duì)冰球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)速度、跑動(dòng)距離、跑動(dòng)時(shí)間、位置、角度、傳球、攔截、轉(zhuǎn)換等技戰(zhàn)術(shù)配合進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和反饋。在賽后實(shí)時(shí)發(fā)布比賽關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)，達(dá)到全局性監(jiān)控和評(píng)價(jià)比賽的目的。

圖18 冰球比賽全局性技戰(zhàn)術(shù)研究的計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)控示意圖Figure 18. Schematic Diagram of Computer Vision Monitoring for the Overall Technical and Tactical Analysis of Ice Hockey Matches

4.6 電子裁判

隨著人類(lèi)對(duì)體育比賽公平性判罰的追求和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，很多項(xiàng)目尤其是打分項(xiàng)目的裁判被電子裁判所取代，電子裁判是保障競(jìng)賽公平裁決的重要工具。電子裁判是使用全方位和多視角下的高清攝像機(jī)抓取運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)表現(xiàn)和難度表現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行客觀的評(píng)判。同時(shí)，電子裁判是運(yùn)動(dòng)技術(shù)大數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析和動(dòng)作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程，建立在高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作、嚴(yán)格專(zhuān)家評(píng)審和客觀真實(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)化基礎(chǔ)上的成果。在某種意義上，鷹眼技術(shù)、VAR技術(shù)和視頻回放技術(shù)均為電子裁判輔助功能的重要應(yīng)用。

4.7 結(jié)合運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建冠軍模型

視頻圖像多重處理技術(shù)可以獲得大量運(yùn)動(dòng)技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足建立優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的大數(shù)據(jù)庫(kù)的需要。同時(shí)，視頻圖像也是冠軍模型的主要展現(xiàn)形式。例如，通過(guò)運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)的收集、整理、分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)和深挖掘發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的冠軍成長(zhǎng)模型。比如，我國(guó)男子110 m欄運(yùn)動(dòng)員劉翔的成長(zhǎng)歷史具備了可以深挖掘的大數(shù)據(jù)規(guī)律和內(nèi)容，如劉翔的形態(tài)學(xué)視頻模型、身體結(jié)構(gòu)解剖學(xué)特征、神經(jīng)類(lèi)型、神經(jīng)-肌肉傳導(dǎo)速率、沖動(dòng)的興奮-抑制模型、肌肉力量素質(zhì)、爆發(fā)力素質(zhì)、加速能力素質(zhì)、欄間節(jié)奏速率等個(gè)人大數(shù)據(jù)，以及訓(xùn)練內(nèi)容、方法、手段、安排和計(jì)劃等，同時(shí)加上其教練員的科學(xué)化指導(dǎo)和訓(xùn)練，在劉翔個(gè)體成長(zhǎng)和培養(yǎng)的海量信息中客觀上存在的冠軍成長(zhǎng)模型和規(guī)律。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1）視頻圖像處理提供了運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)最真實(shí)的信息和資料，是體育科研領(lǐng)域中較為常用、直觀、有效、實(shí)用和科學(xué)的運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)分析工具，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2）視頻圖像多重處理技術(shù)是競(jìng)技體育視頻圖像數(shù)字化、精細(xì)化和個(gè)性化精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和科學(xué)反饋的得力助手，能夠幫助運(yùn)動(dòng)員提高和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)能力，促進(jìn)體育科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

3）視頻全景分析技術(shù)是運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)研究的“金鑰匙”，能夠展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的全局性結(jié)構(gòu)特征，幫助運(yùn)動(dòng)員全面掌握運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)的整體動(dòng)作過(guò)程，提高運(yùn)動(dòng)技戰(zhàn)術(shù)能力。

4）視頻圖像標(biāo)注和多維度數(shù)字化解析是運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)的重要來(lái)源和構(gòu)建冠軍模型的載體。

5）智能手機(jī)等移動(dòng)端視頻圖像處理技術(shù)是未來(lái)體育科研應(yīng)用的趨勢(shì)，基于手機(jī)端的運(yùn)動(dòng)技術(shù)視頻分析工具，將會(huì)更好地保障國(guó)家隊(duì)教練員和運(yùn)動(dòng)員的奧運(yùn)備戰(zhàn)和科技助力。

6）電子裁判將會(huì)給競(jìng)賽帶來(lái)更加公平裁決，也是競(jìng)技比賽技戰(zhàn)術(shù)監(jiān)控的重要工具。

5.2 展望

伴隨著手機(jī)等移動(dòng)端高清、高速視頻采集技術(shù)和多項(xiàng)新興視頻圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)，以及與體育科學(xué)研究技術(shù)的更好融合，建議加大視頻全景分析技術(shù)、視頻標(biāo)注技術(shù)、視頻多維解析技術(shù)、手機(jī)端視頻圖像處理技術(shù)和電子裁判等功能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為體育大數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)技術(shù)規(guī)律、冠軍模型構(gòu)建、全局性技戰(zhàn)術(shù)監(jiān)控和競(jìng)賽公平判罰等提供更加有力的科學(xué)工具。從某種意義上來(lái)說(shuō)，視頻圖像處理提供的科技助力、科技支撐和科技保障是當(dāng)今世界體育進(jìn)步的重要決定因素之一，對(duì)體育科學(xué)具有重要和深遠(yuǎn)的影響，并推動(dòng)了體育運(yùn)動(dòng)的健康發(fā)展和進(jìn)步，建議大力推廣和普及應(yīng)用視頻圖像處理技術(shù)。