基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)羽毛球訓(xùn)練輔助系統(tǒng)因簡(jiǎn)單的傳感器和圖像處理技術(shù)，難以捕捉到羽毛球擊球動(dòng)作的連續(xù)性，影響了動(dòng)作分析和訓(xùn)練反饋的精確性。為此，文章設(shè)計(jì)了基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的新型羽毛球訓(xùn)練輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用了動(dòng)作捕捉感應(yīng)裝置和雙控電源確保穩(wěn)定運(yùn)行；軟件部分精準(zhǔn)捕捉擊球動(dòng)作，提供詳細(xì)的技術(shù)分析和個(gè)性化訓(xùn)練建議，同時(shí)建立了教學(xué)資源庫(kù)以優(yōu)化訓(xùn)練。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)顯著提高了命中率和訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：動(dòng)作捕捉技術(shù)；羽毛球訓(xùn)練；輔助教學(xué)系統(tǒng)；命中率

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，羽毛球訓(xùn)練便是其中之一。羽毛球作為一項(xiàng)對(duì)技術(shù)和體能要求極高的運(yùn)動(dòng)，訓(xùn)練方法一直備受關(guān)注［1-2］。

李鈺田等［1］結(jié)合姿態(tài)估計(jì)和時(shí)序分段網(wǎng)絡(luò)分析，提出了識(shí)別羽毛球動(dòng)作的方法，用于改善輔助教學(xué)效果。系統(tǒng)通過(guò)視域特征檢測(cè)手臂擊球動(dòng)作，并利用時(shí)序分段網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類［3］。然而，數(shù)據(jù)處理速度跟不上實(shí)際動(dòng)作變化速度可能導(dǎo)致不連續(xù)現(xiàn)象。孫冬穎等［4］提出基于識(shí)別算法的輔助系統(tǒng)，但視角變化和光線等因素可能影響數(shù)據(jù)精確性。另一方面，孟莉［5］利用虛擬現(xiàn)實(shí)模塊獲取羽毛球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但傳感器準(zhǔn)確性和采樣頻率可能限制數(shù)據(jù)捕捉效果。周嫻瑋等［6］提出RFC-Net模型評(píng)估羽毛球動(dòng)作質(zhì)量，但在處理動(dòng)作特征時(shí)可能遺漏重要細(xì)節(jié)，影響實(shí)時(shí)準(zhǔn)確分析。

為了解決上述方法存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)，能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平和體能狀況制定并調(diào)整個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃，從而提高訓(xùn)練效率和準(zhǔn)確性。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)作捕捉感應(yīng)裝置

根據(jù)系統(tǒng)教學(xué)功能的需要，設(shè)定特定的捕捉區(qū)域。在人體關(guān)節(jié)位置貼上感應(yīng)裝置的傳感點(diǎn)，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)生成相應(yīng)的控制信號(hào)。此外，引入微處理器，以擴(kuò)展實(shí)際感知范圍，構(gòu)建一個(gè)由中央處理器和標(biāo)準(zhǔn)組合設(shè)備控制臺(tái)共同組成的系統(tǒng)。在方案調(diào)整過(guò)程中，將微處理器板設(shè)置為144P，并采用電編程存儲(chǔ)器（EEPROM）芯片，專門用于學(xué)生動(dòng)作的精準(zhǔn)捕捉。這樣的設(shè)計(jì)確保了系統(tǒng)在羽毛球訓(xùn)練中的準(zhǔn)確性和高效性，為教練和運(yùn)動(dòng)員提供了更為精確和實(shí)用的訓(xùn)練反饋。

1.2 雙控電源

在完成對(duì)動(dòng)作捕捉感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步開(kāi)展雙控電源的設(shè)計(jì)工作。為實(shí)現(xiàn)雙重控制方案，集成了一個(gè)小型方案，其中包含了電力接口。在校準(zhǔn)區(qū)域，安裝了警示燈，并為其配置了初始輸入容量為9 V DC/0.6 A的控制模式。控制終端分為8個(gè)Ru45端口。當(dāng)指示燈亮起時(shí)，系統(tǒng)接收學(xué)生羽毛球的運(yùn)動(dòng)，并顯示系統(tǒng)處理器的自動(dòng)數(shù)量擴(kuò)展。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球擊球動(dòng)作捕捉

本文通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)訓(xùn)練方法的科學(xué)化，還能夠提升訓(xùn)練效果，幫助運(yùn)動(dòng)員更快地提升技術(shù)水平。

羽毛球擊球動(dòng)作分為4個(gè)階段：準(zhǔn)備、舉臂、下蹲、伸展。以高中生擊球過(guò)程中的肩肘牽引關(guān)節(jié)為例，分別得出了t0、t1、t2、t3 4個(gè)階段的具體情況。具體如下。

（1）在準(zhǔn)備階段t0時(shí)，學(xué)生的肩部垂直軸yA與肘部和手腕關(guān)節(jié)的垂直軸yB、yC之間存在一定的不平等關(guān)系。具體的不平等式如下：

yA>max｛yB，yC｝（1）

（3）在下蹲時(shí)刻幀時(shí)，t2幀位于t1和t3之間，此時(shí)肩關(guān)節(jié)yA的縱向協(xié)調(diào)小于肘部和手腕的yB、yC縱向協(xié)同。必要的不等式如下：

yA<min｛yB，yC｝（3）

（4）伸展時(shí)刻幀t3：由于羽毛球的已擊出，也稱為擊出幀。假設(shè)關(guān)節(jié)縱軸的變化時(shí)間為t0，使用以下公式計(jì)算關(guān)節(jié)縱軸的最大值點(diǎn)：

t=g（t0）·yA（4）

基于所得關(guān)節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)最大值點(diǎn)的幀，通過(guò)F臂基組的主動(dòng)過(guò)程完成縱軸最大值點(diǎn)，以及羽毛球中心和手腕之間的距離D計(jì)算出擊出集分量F的歐幾里得距離：

ΔDF=［ΔD0，ΔD1，ΔD2，ΔD3］（5）

根據(jù)上述方程可以確定方程組，以獲得與i對(duì)應(yīng)的出手幀t3：

通過(guò)上述計(jì)算過(guò)程，從羽毛球擊球動(dòng)作的準(zhǔn)備、舉臂、下蹲、伸展4個(gè)階段，分別開(kāi)展動(dòng)作捕捉，以提高輔助教學(xué)的效果。

2.2 建立教學(xué)輔助資源庫(kù)

在完成基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球擊球動(dòng)作捕捉后，有必要將其與在移動(dòng)捕捉技術(shù)基礎(chǔ)上建立的附加訓(xùn)練庫(kù)聯(lián)系起來(lái)。與傳統(tǒng)的類數(shù)據(jù)寄存器相比，該系統(tǒng)的訓(xùn)練資源可以有效地?cái)U(kuò)展到基于移動(dòng)捕獲技術(shù)平臺(tái)的相關(guān)領(lǐng)域。為了調(diào)整預(yù)設(shè)條件，需要修改用于調(diào)整預(yù)設(shè)條件的指令。教學(xué)輔助資源庫(kù)設(shè)計(jì)具體公式如下：

公式中，H表示教學(xué)中的數(shù)據(jù)量；ι表示鏈接的比率；b表示團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展的值。通過(guò)計(jì)算公式（7）可以得到實(shí)際訓(xùn)練數(shù)據(jù)量。然后，在獲得的指令基礎(chǔ)上擴(kuò)展條目值，以確定教育資源在數(shù)據(jù)庫(kù)中的傳輸范圍。

2.3 羽毛球輔助教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

在完成教學(xué)輔助資源庫(kù)的設(shè)計(jì)之后，須要對(duì)羽毛球輔助教學(xué)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，以建立一個(gè)基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練模塊。通過(guò)該模塊，系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平和體能狀況，為其制定個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃，提供定制化的訓(xùn)練建議和反饋。這樣能夠更好地滿足運(yùn)動(dòng)員的需求，提高訓(xùn)練效率和準(zhǔn)確性，幫助他們更快地提升羽毛球技術(shù)。羽毛球教學(xué)輔助模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提取的羽毛球擊球動(dòng)作結(jié)果如圖2所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)的有效性，采用誤差投影和擊球命中率作為評(píng)估指標(biāo)，并將本文系統(tǒng)與孫冬穎等［4］提出的羽毛球動(dòng)作訓(xùn)練步態(tài)識(shí)別分析系統(tǒng)以及孟莉［5］提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維體育輔助訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3的分析結(jié)果，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)后，訓(xùn)練人員在羽毛球擊球動(dòng)作訓(xùn)練中的命中率最高可達(dá)99%。與孫冬穎等［4］提出的羽毛球動(dòng)作訓(xùn)練步態(tài)識(shí)別分析系統(tǒng)以及孟莉［5］提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維體育輔助訓(xùn)練系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng)在羽毛球擊球命中率方面展現(xiàn)出更為卓越的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的羽毛球訓(xùn)練輔助教學(xué)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)新性研究。系統(tǒng)硬件配置精確可靠，確保了穩(wěn)定運(yùn)行；軟件部分實(shí)現(xiàn)了對(duì)擊球動(dòng)作的準(zhǔn)確捕捉，并提供了詳盡的技術(shù)分析和個(gè)性化訓(xùn)練建議。通過(guò)建立教學(xué)資源庫(kù)，系統(tǒng)全方位支持羽毛球訓(xùn)練，使訓(xùn)練更系統(tǒng)高效。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)顯著提升了命中率和訓(xùn)練效果，展示了動(dòng)作捕捉技術(shù)在羽毛球訓(xùn)練中的潛力，為未來(lái)訓(xùn)練和技術(shù)進(jìn)步提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

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［6］周嫻瑋，賴堅(jiān)，陳瑋濤，等.RFC-Net：基于殘差結(jié)構(gòu)的動(dòng)作質(zhì)量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2022（11）：146-153，163.

Design of badminton training auxiliary teaching system based on motion capture technology

Abstract： Traditional badminton training assistance systems are difficult to capture the continuity of badminton hitting movements due to simple sensors and image processing techniques， which affects the accuracy of motion analysis and training feedback. Therefore， this study designed a new badminton training assistance system based on motion capture technology. The system hardware adopts an action capture sensing device and dual control power supply to ensure stable operation. The software accurately captures hitting movements， provides detailed technical analysis and personalized training suggestions， and establishes a teaching resource library to optimize training. The test results show that the system significantly improves the hit rate and training effectiveness.

Key words： motion capture technology; badminton training; assisted teaching system; hit rate