大數(shù)據(jù)背景下可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球運動中的應(yīng)用進展

米宏偉 王緩

摘 要：本文目的是了解可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球項目中的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)其價值并找到問題，以綜述的形式對網(wǎng)球項目中智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用進展進行了總結(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)可穿戴設(shè)備對網(wǎng)球項目監(jiān)測的產(chǎn)品類別很多且形式多樣，可以實現(xiàn)對外在表現(xiàn)形式和內(nèi)在心理和生理活動的雙重監(jiān)測，網(wǎng)球項目中可穿戴設(shè)備在技術(shù)動作分類、技能評估、身體狀態(tài)監(jiān)測、比賽監(jiān)控方面的應(yīng)用價值很大，但在實施過程中不同的產(chǎn)品形態(tài)自身仍存在一系列有待完善的潛在問題。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球;可穿戴設(shè)備;應(yīng)用情況;存在問題

中圖分類號：G845;G818.3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）02-0088-05

引言

可穿戴設(shè)備的思想和雛形是在20世紀60年代由美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室提出的，是指采用具有先進的功能、特點的技術(shù)制造可以佩戴在用戶身上的產(chǎn)品和電子設(shè)備[1]?？纱┐骷夹g(shù)的提出是源于量化自我概念的提出，兩者之間關(guān)系密切，傳統(tǒng)意義上來講可穿戴技術(shù)不出現(xiàn)也可以完成手動的數(shù)據(jù)量化，但可穿戴設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)較為便捷、高效的數(shù)據(jù)收集。據(jù)On World研究機構(gòu)的相關(guān)預(yù)測未來五年內(nèi)全球智能設(shè)備的市場規(guī)模將達到500億美元和數(shù)量將增至7億臺，并且NPD Display Search的研究報告也顯示，14年智能設(shè)備的出貨總量達到4800萬臺，預(yù)計2020年會升至1.53億臺，此外，國內(nèi)從2013年開始也陸續(xù)出臺了相關(guān)文件對國內(nèi)可穿戴設(shè)備的發(fā)展予以支持[2]。大數(shù)據(jù)背景下量化自我的發(fā)展已然成為趨勢，2007沃爾夫和凱文兩人首次提出“量化自我”概念（quantified self）指通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)可視化、交叉引用分析和數(shù)據(jù)相關(guān)性等技術(shù)手段，來獲取個人生活中有關(guān)生理吸收、當(dāng)前狀態(tài)和身心表現(xiàn)等方面的數(shù)據(jù)[3]。簡而言之，就是對人所產(chǎn)生的內(nèi)在心理機制和外在行為表現(xiàn)進行數(shù)據(jù)量化處理并給予實時反饋。數(shù)據(jù)信息化時代的到來使得可穿戴設(shè)備在體育運動領(lǐng)域的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛尤其是競技體育和大眾健身方面較為成熟。人們在不同的運動過程中佩戴可穿戴設(shè)備，通過設(shè)備傳感器所輸出的數(shù)據(jù)信息來獲取自己在運動過程中的生理狀況、心理波動、技術(shù)動作等方面的情況，以此更加科學(xué)合理地記錄技術(shù)動作和身體狀態(tài)。網(wǎng)球作為世界第二大球，在全球范圍內(nèi)有眾多的喜愛者和追捧者，將可穿戴設(shè)備運用到網(wǎng)球運動中無論對運動本身還是參與者都有較大的數(shù)據(jù)參考價值，不僅可以讓運動員隨時監(jiān)控自己的身體狀態(tài)，也使教練員對其技術(shù)的分析更加科學(xué)全面，有利于提高運動員的競技水平。相比較國內(nèi)對于可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球運動方面的研究國外的研究更早且深入，可穿戴設(shè)備傳感器的劃分類別更細致而國內(nèi)還僅是停留在理論層面，關(guān)于實證方面的研究較少。本文主要是搜集和整理國內(nèi)外關(guān)于可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球運動中應(yīng)用情況的文獻，旨在了解國內(nèi)外對于可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球運動中的認可程度和應(yīng)用情況，探究在實踐應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的潛在問題。

1 可穿戴技術(shù)在網(wǎng)球訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)量化

1.1 技術(shù)動作劃分

量化自我理念的不斷深入，使得可穿戴設(shè)備逐漸成為訓(xùn)練中不可或缺的幫助教練和運動員量化數(shù)據(jù)的工具。在訓(xùn)練中智能設(shè)備能夠清晰的劃分每個運動員的技術(shù)動作以及量化在擊球技術(shù)中不同技術(shù)類型的擊球力量、速度和旋轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù)結(jié)果，如Marko kos等人使用一個微型的Inertial Measure Unit（IMU）設(shè)備定位在運動員的前臂上用來檢測和分類三種最為常見的擊球技術(shù)：正手、反手、發(fā)球，這一設(shè)備是基于傳感器的手勢識別方法，使用一個低成本的相機用于視頻捕捉試圖從系統(tǒng)內(nèi)12個不同的手勢和3360個手勢樣本中進行檢測和分類三種常見的技術(shù)動作，研究結(jié)果表示系統(tǒng)能夠做出精確的分類且擊球檢測的性能較好，雖不能進行單獨的評估但其網(wǎng)球技術(shù)動作劃分的準確率從整體上來講達到了98.1%[4]。另外，拉爾斯·布泰等人在此基礎(chǔ)上提出了一個由三個IMU組成的可穿戴傳感器，用來捕捉網(wǎng)球運動員的手臂揮拍動作和腳步運動，分別將三個帶有慣性測量的傳感器附著在手臂、球拍和腿上，記錄的數(shù)據(jù)可用于獨立的分類鏡頭以及播放器類型，通過每個部分的時間顯示建立一個簡單的網(wǎng)球助理，因此教練可根據(jù)新手和高手之間的實際訓(xùn)練數(shù)據(jù)差距給予相關(guān)建議，無需教練進行其他外部的分析[5]。Connaghan D等人在文中描述了一種使用單個低成本相機自動識別網(wǎng)球擊球的方法，作者開發(fā)了一套精確的識別系統(tǒng)（Tennis Sense）它可以搜集大量視頻自動將其定義為有意義的網(wǎng)球視頻片段且該識別系統(tǒng)包括培訓(xùn)數(shù)據(jù)和動作的統(tǒng)計比較，最初的網(wǎng)球識別實驗中作者創(chuàng)建了所有擊球的運動歷史圖像（MEI）和運動能量圖像（MHI）而這些圖像是通過背景扣除和前臺后處理等方法進行實時提取，而后通過視覺觀察對鏡頭中運動員的不同姿勢進行了關(guān)鍵技術(shù)分類包括發(fā)球風(fēng)格、正手和反手[6]。

1.2 技能水平評估

可穿戴技術(shù)能夠幫助教練員和個人量化在訓(xùn)練過程中形成相關(guān)數(shù)據(jù)，但由于訓(xùn)練需求和設(shè)備的局限性使得產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)處理起來工作量大且枯燥，由此一種虛擬的陀螺儀傳感器被有效應(yīng)用于網(wǎng)球運動員技術(shù)動作監(jiān)測與評估中，它與其他可穿戴技術(shù)相比使用起來效率更高且更加適應(yīng)大數(shù)據(jù)的量化處理。這種虛擬的陀螺儀傳感器是在光學(xué)監(jiān)控動作捕捉系統(tǒng)的幫助下運行工作，基于標記的方法模擬陀螺儀行為，使用Vicon標準插件步態(tài)標記放置，進行手腕彎曲、上臂旋轉(zhuǎn)的速度測量，可以幫助不同技能水平的運動員進行真實環(huán)境下的實時監(jiān)控與評估，在訓(xùn)練期間直接獲取實時反饋，Amin Ahmadi和David Rowlands等相關(guān)學(xué)者利用這一虛擬的陀螺儀傳感器對四名男性不同運動水平的網(wǎng)球運動員的上手發(fā)球技能進行了評估，能夠有效地測量其手腕彎曲度和上臂旋轉(zhuǎn)的速度，結(jié)果表明，運動員身體上的陀螺儀和基于標記的方法的輸出結(jié)果是一致的，計算并繪制不同技能水平的運動員的上臂內(nèi)旋、腕屈曲和肩部旋轉(zhuǎn)的角速度值，使其與拍頭的速度進行比較，得出更高水平的運動員產(chǎn)生更大的上臂內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手腕彎曲和肩部旋轉(zhuǎn)，因此產(chǎn)生更大的拍頭速度，通過所有數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果來調(diào)整某些變量從而提高運動員的技能水平，結(jié)論中表明，陀螺儀傳感器可以用于技能評估和第一次網(wǎng)球發(fā)球的技能改進[7]。Ahmadi使用三個加速度計測量系統(tǒng)來測試技術(shù)水平與第一次發(fā)球揮拍特點的相關(guān)性，文中將三個加速度計分別安裝在膝、腿和手腕處，以此觀察發(fā)球的運動學(xué)模型，此外還研究了手的側(cè)向運動以及運動員腰部向前運動用作評估運動員的指標技能等級，實驗表明，加速度計可以用來監(jiān)控運動學(xué)模型且給出評估技能水平的結(jié)果[8]。Yang D等人基于IMU傳感器的在線反饋系統(tǒng)對網(wǎng)球訓(xùn)練過程中受試者進行在線評估，為網(wǎng)球愛好者提高他們的技能水平提供科學(xué)的專業(yè)指導(dǎo)，這是一種新穎的在線服務(wù)提取方法，為實現(xiàn)準確的在線評估，提出了一種基于服務(wù)分割的新型分層評估方法對性能進行深入評估，使用馬爾可夫模型（HMM）將服務(wù)分為8個階段，最后用回歸模型對服務(wù)進行最后評分，實驗結(jié)果表明Tennis Master系統(tǒng)在網(wǎng)球發(fā)球的識別和性能評估上有極高的準確性，可以實現(xiàn)96.0%的服務(wù)探測精度和系統(tǒng)分類精度，此外服務(wù)評估準確性的平均絕對誤差為0.398，是一個可信度極高的結(jié)果[9]。

1.3 身體功能狀態(tài)監(jiān)測

人的身體功能狀態(tài)有內(nèi)隱的反應(yīng)途徑同時也存在外在的反應(yīng)方式。相關(guān)研究人員使用這些具備身體功能監(jiān)測功能的可穿戴設(shè)備對實驗對象進行的生理檢測主要包括心電、呼吸、體溫、脈搏、血壓、血氧飽和度及血糖等一系列反應(yīng)實質(zhì)問題的生理參數(shù)進行監(jiān)控，而后通過參數(shù)反映出來的相關(guān)生理信息判斷受試者當(dāng)時狀態(tài)下的身體情況，拉夫˙勞倫在美網(wǎng)公開賽中推出了polo tech智能襯衫，這項技術(shù)是由OMSignal一家生物識別智能設(shè)備公司提供并通過胸前一根彈性的生物傳感線可以捕捉用戶的生命體征，包括心率、呼吸等，并將其數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c之相匹配的iphone和ipad的相關(guān)APP上，經(jīng)過檢驗測量的結(jié)果相比智能手表和健身腕帶等設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果更加精準，從而對人們的運動健康實施有效監(jiān)督[10]。Patrick Kugler等人將表面肌電圖（EMG）的可穿戴設(shè)備應(yīng)用于網(wǎng)球中用以分析和預(yù)防網(wǎng)球運動肩肘膝關(guān)節(jié)損傷，此設(shè)備有三個主要部分組成：能夠獲取原始數(shù)據(jù)的可穿戴傳感器節(jié)點、接收和處理數(shù)據(jù)的移動設(shè)備以及在設(shè)備上運行的實際分析算法，通過使用移動肌電圖分析技術(shù)對運動過程中的疲勞情況進行分類顯示創(chuàng)建實時反饋，將該系統(tǒng)運用到網(wǎng)球的訓(xùn)練中能幫助運動員更好的協(xié)調(diào)技術(shù)動作和疲勞監(jiān)控，盡可能的避免運動損傷的發(fā)生，以此對運動員的訓(xùn)練計劃作出合理的調(diào)整[11]。Connaghan D等人等人在文中詳細描述了一個正在開發(fā)的傳感平臺，該平臺由可穿戴（身體傳感器：基于T恤的流動生理監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以為教練員和運動員提供最高心率的百分比還能夠測量動態(tài)的呼吸頻率）和固定的基礎(chǔ)構(gòu)件（9臺IP攝像機和Ubisense的空間定位系統(tǒng)）組成，能夠為網(wǎng)球教練員和運動員提供情境和生理反饋，作者在多種傳感器模式組合的初步實驗中，對兩名有經(jīng)驗的網(wǎng)球運動員的進行相對較少量的傳感器讀數(shù)，使用所有傳感器模式捕獲兩次21分鐘的競賽培訓(xùn)課程，每個課程又分為7個三分鐘內(nèi)容的節(jié)段，該平臺用于提供網(wǎng)球運動中不同性能因素的反饋，文中詳細的描述了正在構(gòu)建的基于內(nèi)容的搜索和分析引擎，產(chǎn)生的反饋以可訪問的方式呈現(xiàn)給教練[12]。

2 可穿戴技術(shù)對網(wǎng)球競技比賽的數(shù)據(jù)量化

2.1 計分功能

比分是唯一判別網(wǎng)球比賽中雙方選手勝負的關(guān)鍵，比分的準確與否根本上決定著一方運動員的最終排名，比賽過程中雙方的比分對彼此之后的技戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用都有較大的影響，隨之可穿戴技術(shù)在比賽中的應(yīng)用有效地緩解了因比分錯誤所引起的尷尬局面。Play sight通過四個全景攝像裝置的交互作用進行實時監(jiān)控不僅可以對運動員的訓(xùn)練和比賽進行3D錄像回放，還同樣具有“鷹眼”的功能對比賽進行判罰使用者可直接獲取數(shù)據(jù)并進行管理使用，甚至可以為教練員進行技戰(zhàn)術(shù)的反饋，此外，另一個由網(wǎng)球大滿貫冠軍Andy Ram設(shè)計的名為pulse play的智能手環(huán)裝備同樣能成為各類網(wǎng)球賽事的好幫手，它內(nèi)置50多位解說員的聲音，比賽開始按下start按鈕，在整場比賽過程中幫助雙方計分的同時也在對方的pulse play上進行顯示，經(jīng)驗證它能夠很準確的幫助雙方隊員算好成績和分數(shù)并被廣泛的應(yīng)用于俱樂部和賽場中[13]。

2.2 追蹤球的落點

伴隨著職業(yè)運動員技術(shù)水平的不斷改進和提高，在網(wǎng)球競技比賽過程中很難用肉眼去識別和判斷球的落點，為了保證比賽的公平公正，量化自我技術(shù)成為各大賽事網(wǎng)球裁判的好幫手。然而例數(shù)各大網(wǎng)球賽事場地與競賽智能的發(fā)展現(xiàn)狀，我們所熟知和被有效使用具有權(quán)威的智能設(shè)備就是鷹眼系統(tǒng)和智能邊線?！苞椦邸痹诰W(wǎng)球比賽中能夠有效追蹤球的落點，保證比賽公平公正的前提下提高比賽的觀賞性，該系統(tǒng)于2006年在邁阿密納斯達克100大師賽上首次應(yīng)用，運動員可以在爭議球上對裁判提出回放要求，現(xiàn)場的所有人可以在大屏幕的模擬回放中看出爭議球壓線與否[14]。目前，智能邊線技術(shù)對判球出界具備的兩種原理一是球觸線時顏色和紋理發(fā)生的化學(xué)變化;二是球觸線依靠電子感應(yīng)技術(shù)產(chǎn)生的警示;這項智能技術(shù)改善了傳統(tǒng)的網(wǎng)球邊線判罰的不足可以對網(wǎng)球競賽進行實時的監(jiān)控和精準的邊線判罰[15]。

2.3 監(jiān)控比賽進行數(shù)據(jù)反饋

運動員在各種比賽中的技術(shù)動作的相關(guān)數(shù)據(jù)信息很難進行人工的簡單統(tǒng)計，量化自我技術(shù)在網(wǎng)球賽事中的合理應(yīng)用有效地解決了一系列復(fù)雜化的問題，運動員的技術(shù)動作的數(shù)據(jù)信息可以通過視頻錄像的方式記錄下來，可穿戴技術(shù)對比賽的數(shù)據(jù)量化將為下一代的體育教練系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)，如周翔增等人提出了一種用于網(wǎng)球追蹤的雙層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（TLDA）方法，其中球追蹤是處理和分析球類比賽的關(guān)鍵技術(shù)，這種方法是利用局部或全部信息幫助進行可能的軌跡搜索，作者對2010年澳網(wǎng)公開賽和2011年美網(wǎng)公開賽兩種網(wǎng)球賽事進行了比賽分析實驗設(shè)置：比賽錄像使用平底、傾斜和縮放（PTZ）的單鏡頭攝像機錄制，分辨率為1280*720，以每秒25幀的采樣速率從US2011FedeMon的游戲視頻、AUS2010FedeTson和24363中提取37260幀圖像，實驗結(jié)果顯示，作者提出的方法相比其他三種方法有更好的追蹤性能和US2011FedMon受攝像的動作影響較為明顯[16]。

3 網(wǎng)球中新智能技術(shù)應(yīng)用

我們生活在被數(shù)據(jù)信息包裹的時代，大數(shù)據(jù)背景下網(wǎng)球項目的發(fā)展離不開“技術(shù)”二字，網(wǎng)球運動類可穿戴技術(shù)理念的不斷成熟成為“量化自我”在網(wǎng)球運動類項目中應(yīng)用的催化劑。網(wǎng)球項目中可穿戴技術(shù)的形態(tài)類別主要有三大類球拍類、傳感器類、手環(huán)類，下面我將從這三類對智能網(wǎng)球穿戴設(shè)備進行介紹，見表1。

3.1 可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球運動中的問題與挑戰(zhàn)

智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展是建立在大數(shù)據(jù)背景下，云處理和云儲存為這些智能設(shè)備提供了便捷條件，后臺的數(shù)據(jù)處理能力也不斷提高[17]。而作為智能設(shè)備分支的網(wǎng)球可穿戴設(shè)備也同樣作為一種新興科技正逐漸的融入到人們的生活之中。但隨著智能設(shè)備的普及，越來越多的問題也隨之出現(xiàn)。近些年，網(wǎng)球智能可穿戴設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用雖產(chǎn)品形態(tài)不斷增多、功能類別不斷完善，但在實際應(yīng)用過程中仍存在很多需要不斷完善和改進的問題。

3.1.1 網(wǎng)球智能可穿戴設(shè)備手環(huán)類

手環(huán)類的產(chǎn)品類別主要有護腕、腕帶、手表等，這些產(chǎn)品形態(tài)小且便于攜帶佩戴者在使用過程中較為方便，相比其他智能設(shè)備價格便宜適合大眾消費，但在使用過程中其產(chǎn)品本身耗電量大且電池蓄電能力較弱需要使用者經(jīng)常充電來維持正常工作。

3.1.2 網(wǎng)球智能可穿戴設(shè)備傳感器類

網(wǎng)球智能設(shè)備中內(nèi)置傳感器的產(chǎn)品形式主要有PIVOT、智能T恤、手臂監(jiān)測傳感器和智能球場控制系統(tǒng)等，這些智能設(shè)備的技術(shù)和功能更加成熟和完善且數(shù)據(jù)信息反饋的可信度較高。但當(dāng)佩戴者在一定的特殊環(huán)境背景下使用智能穿戴設(shè)備時，設(shè)備的靈敏度是否會發(fā)生變化有待探究。例如，智能T恤和手臂監(jiān)測傳感器，汗水和手臂的抖動會影響傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，造成數(shù)據(jù)可信度降低。又如在網(wǎng)球比賽和訓(xùn)練中運動幅度過大時，使傳感器發(fā)生震蕩，信號源與傳感器不能很好的進行連接，這些都是需要研究者重新對可穿戴設(shè)備進行完善的方面。此外相比其他類別的網(wǎng)球智能設(shè)備，傳感器類的產(chǎn)品技術(shù)操作復(fù)雜且成本造價高，譬如鷹眼系統(tǒng)，它作為維護比賽順利進行的輔助工具其使用和造價成本非常高。

3.1.3 網(wǎng)球智能可穿戴設(shè)備球拍類

球拍類智能設(shè)備本身就是一種優(yōu)勢能夠?qū)崟r監(jiān)控選手的運動表現(xiàn)、數(shù)據(jù)信息反饋相對直觀，檢測和分類原理相對簡單，但在技術(shù)動作分類中處理性能低且存儲容量有限、內(nèi)置功能系數(shù)低缺乏關(guān)鍵技術(shù)的支撐、獨立評估的功能較弱缺乏獨立性在使用過程中需要與其他相關(guān)的智能客戶端相連接來實現(xiàn)實時的信息反饋。

4 結(jié)論與展望

科技時代催促人們需要更加認清自我，量化自我技術(shù)不斷被人們所熟知又同樣在網(wǎng)球項目中產(chǎn)生作用，在這場技術(shù)潮流中它的作用無非就是間接提升大眾的身體鍛煉效果和給相關(guān)領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)庫，可穿戴技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)球中無時無刻不在對訓(xùn)練、比賽中的運動人群量化數(shù)據(jù)，根據(jù)可穿戴設(shè)備在網(wǎng)球中的使用情況和發(fā)展趨勢來看，在未來幾年里可以預(yù)見，量化自我技術(shù)將出現(xiàn)在網(wǎng)球運動的方方面面并產(chǎn)生多角度的實用效益且在功能上也會更加貼近運動人群的需求，網(wǎng)球中使用人群的普適化也同樣會使得可穿戴設(shè)備的應(yīng)用逐步趨于普及化的態(tài)勢，基于量化自我技術(shù)下可穿戴技術(shù)將會給網(wǎng)球運動大環(huán)境帶來更數(shù)據(jù)化的全新環(huán)境，因為將可穿戴設(shè)備廣泛的應(yīng)用到網(wǎng)球運動中，不僅是科技的推動更是滿足網(wǎng)球事業(yè)更好發(fā)展的需要?？纱┐骷夹g(shù)量化數(shù)據(jù)的有效性對于提高和改善業(yè)余或職業(yè)網(wǎng)球運動員在訓(xùn)練或比賽中的身體狀態(tài)和技能水平有不同程度的影響，與此同時這些先進技術(shù)對提高運動員的競技水平也有重要的作用，未來將會在競技體育領(lǐng)域有更大的應(yīng)用價值。

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收稿日期：2021-10-23

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