對計算機(jī)在網(wǎng)球運(yùn)動中應(yīng)用的探討

李云縣 葉燎昆（昆明理工大學(xué) 云南 昆明 650500）

前言：目前，國內(nèi)在網(wǎng)球運(yùn)動中計算機(jī)的應(yīng)用并不多見，專門用于網(wǎng)球項(xiàng)目比賽的軟件寥寥無幾。反觀國外，在這些領(lǐng)域的產(chǎn)品、軟件研發(fā)已有長足發(fā)展，主要基于對運(yùn)動項(xiàng)目比賽過程的數(shù)字化分析。例如Sportsmotion、Smartsystem和Statsmaster等著名的視頻分析軟件。國內(nèi)類似產(chǎn)品的研究和開發(fā)起步較晚，目前還沒有較成熟的產(chǎn)品類軟件，僅有陜西師范大學(xué)和西安交通大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“體育運(yùn)動序列圖像的計算機(jī)輔助分析”工具；清華大學(xué)圖象圖形研究所提出的“基于全局運(yùn)動信息的視頻檢索技術(shù)”；“用于人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動仿真人體模型”以及北京科技大學(xué)開發(fā)的“基于數(shù)據(jù)倉庫和多媒體信息庫的體育經(jīng)濟(jì)輔助系統(tǒng)”在視頻運(yùn)動分析和統(tǒng)計領(lǐng)域都作了初步的嘗試。因此，開發(fā)研究該軟件系統(tǒng)為我國網(wǎng)球運(yùn)動員技術(shù)的自動化管理有很大的促進(jìn)作用。

1、計算機(jī)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，計算機(jī)技術(shù)在體育領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用：在競賽管理上，國際、國內(nèi)各種大型體育比賽的組織與管理，基本上都采用了計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，并提供廣泛的、可靠的比賽信息;在各個學(xué)科領(lǐng)域，如生物力學(xué)研究中采用計算機(jī)進(jìn)行技術(shù)動作圖像分析、技術(shù)動作圖像的三維動畫模擬、運(yùn)動心理學(xué)的問卷測量、計算機(jī)輔助訓(xùn)練等等;在訓(xùn)練管理與輔助決策上，出現(xiàn)了專業(yè)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)錄人系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，計算機(jī)軟件技術(shù)在體育領(lǐng)域?qū)⒈粡V泛應(yīng)用。

1.1、體育領(lǐng)域計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在體育領(lǐng)域，計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的方式很多，大致有如下幾個方面：

（1）信息化管理系統(tǒng):一是辦公自動化系統(tǒng):辦公中各種文件的編輯、打印等文檔處理工作；二是體育管理信息系統(tǒng):體育科技情報數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)、專項(xiàng)運(yùn)動、人事、資料等各種信息存儲、加工和處理;Internet的應(yīng)用:體育競賽、體育政策、體育運(yùn)動新聞等信息在局域網(wǎng)和國際互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布、瀏覽及電子商務(wù)等。

（2）仿真技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用：利用仿真的方法研究體育領(lǐng)域問題的綜合集成的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。仿真技術(shù)包括模型描述的規(guī)范及處理、仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行與控制、仿真結(jié)果的分析與演示、模型和數(shù)據(jù)的存儲與檢索。根據(jù)功能仿真軟件可以分為仿真程序包、仿真語言及仿真環(huán)境三大類。采用仿真技術(shù)可以更深人、更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確地把握體育運(yùn)動中動力學(xué)的問題，并可以在電子計算機(jī)上反復(fù)模擬，求得最佳參數(shù)，從而制定出準(zhǔn)確的技術(shù)指標(biāo)，更加有效地指導(dǎo)訓(xùn)練。

（3）體育圖像視頻處理系統(tǒng):對體育運(yùn)動圖像的采、編、播，以及進(jìn)行特殊處理加工等。隨著多媒體計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的提高，以及新的有效的圖像/視頻壓縮技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多媒體信息的共享成為可能，它的研究目標(biāo)是提供在沒有人類參與的情況下能自動識別或理解圖像重要特征的算法，通過計算機(jī)多媒體處理技術(shù)，將體育比賽視頻進(jìn)行處理、分解，科學(xué)的分析對手情況，找到自己的不足和對手的缺陷，做到知己知彼，百戰(zhàn)不殆。

（4）體育決策支持系統(tǒng):體育運(yùn)動訓(xùn)練、體育選材和體育管理等的應(yīng)用。現(xiàn)階段，涉及體育領(lǐng)域的研究越來越需要科學(xué)的技術(shù)數(shù)據(jù)，廣泛的資料，先進(jìn)的算法進(jìn)行分析判斷，提供完善的數(shù)據(jù)報表可以使教練員和管理人員在最短的時間內(nèi)做出科學(xué)的決策。

（5）體育專家系統(tǒng):人工智能在體育領(lǐng)域的具體應(yīng)用，來完成運(yùn)動員的選材、輔助訓(xùn)練和評價等;體育專家系統(tǒng)體育現(xiàn)了人工智能在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用于，體育專家系統(tǒng)必須具備的三個要素:體育專家級知識、模擬體育專家的思維和達(dá)到專家級的水平。一般來說，專家系統(tǒng)是知識與推理的集合，因此，專家系統(tǒng)也被稱為基于知識的系統(tǒng)。專家系統(tǒng)一般采用字符式、菜單式交互方式，把計算機(jī)技術(shù)，訓(xùn)練規(guī)則，專家經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合起來，通過現(xiàn)有的技術(shù)資料和訓(xùn)練方法，對運(yùn)動員綜合信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，對技術(shù)指標(biāo)與運(yùn)動員的體能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并將兩者有機(jī)結(jié)合，智能化的產(chǎn)生針對個體運(yùn)動員的下一步訓(xùn)練計劃，為運(yùn)動員提供完整的訓(xùn)練計劃。

由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)圖形技術(shù)在體育中的應(yīng)用也十分廣泛。但是許多年來，體育工作者在進(jìn)行圖像處理工作時，往往是在計算機(jī)中簡單定義和操作，然后再在屏幕或硬拷貝設(shè)備上將圖像顯示輸出，僅僅局限在簡單的圖像輸入和輸出處理上，動態(tài)影像處理較少。而計算機(jī)圖形處理作為一項(xiàng)現(xiàn)代科技手段已經(jīng)在各行各業(yè)得到極快的應(yīng)用和發(fā)展。

2、網(wǎng)球運(yùn)動中計算機(jī)的應(yīng)用

2.1、計算機(jī)應(yīng)用于網(wǎng)球運(yùn)動的訓(xùn)練

體育訓(xùn)練是一個系統(tǒng)的工程，很復(fù)雜。涉及到很多學(xué)科，節(jié)跑學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、運(yùn)動學(xué)和生物力學(xué)等等學(xué)科，訓(xùn)練過程主要包括選材、高水平的控制和安排，技術(shù)診斷、機(jī)能評定、營養(yǎng)衛(wèi)生等等。計算機(jī)技術(shù)里要解決什么問題呢？影響運(yùn)動員成績的原因有很多種，主要列出五種，一個是體能、心理能力、戰(zhàn)術(shù)能力、運(yùn)動智能，另外就是技能，計算機(jī)主要輔助運(yùn)動員改變運(yùn)動技能。

計算機(jī)輔助運(yùn)動訓(xùn)練面臨的主要問題，在運(yùn)動訓(xùn)練領(lǐng)域，主要分兩個路線，第一是人體運(yùn)動的測量，第二是人體運(yùn)動的分析，測量就是把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提取出來。怎么分析人體運(yùn)動，以前的方法要人眼來觀察，而我們希望基于視頻的跟蹤方法，人眼觀察就是教練員的經(jīng)驗(yàn)判斷這個動作做的好不好，但不能量化。這是一個常見的應(yīng)用模式，首先比較多使用的是現(xiàn)場反饋，這個技術(shù)不是很高深，就是視頻的采集和視頻編解碼技術(shù)。現(xiàn)在看到的是訓(xùn)練的場景，把網(wǎng)球運(yùn)動員訓(xùn)練一個動作的場景記錄下來，為什么說這個技術(shù)不是很高深但很實(shí)用呢？做一個技術(shù)動作的時候可能非常快，肉眼看可能知道那個地方錯了，但過后就忘了，我們用電腦記錄下來就可以回放，讓他自己也可以看到這個動作。我們網(wǎng)球運(yùn)動員做這些動作，自己很難發(fā)現(xiàn)自己犯了什么錯誤，教練員跟你講起來有一種找不到證據(jù)的感覺，但有了視頻采集就可以馬上找到你的錯誤動作。第二個就是全景圖技術(shù)，在訓(xùn)練當(dāng)中非常實(shí)用的技術(shù)，以前拍了膠片放在一起看，但現(xiàn)在用電腦做就是自動的，用人體運(yùn)動輪廓提取技術(shù)把人提取出來就可以看到這樣的全景圖。

2.2、網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析

網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)的設(shè)計原則、統(tǒng)計指標(biāo)及結(jié)構(gòu)功能，應(yīng)用該系統(tǒng)對國外優(yōu)秀網(wǎng)球雙打組合的技戰(zhàn)術(shù)特征進(jìn)行分析。認(rèn)為：網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)能加速網(wǎng)球技戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)采集與比賽分析流程，使信息反饋更加及時、準(zhǔn)確，幫助教練員和網(wǎng)球運(yùn)動員提高訓(xùn)練與比賽的針對性和科學(xué)性。競技網(wǎng)球運(yùn)動是對技戰(zhàn)術(shù)要求很高的一類項(xiàng)目，技戰(zhàn)術(shù)在網(wǎng)球比賽中起決定性作用。傳統(tǒng)的網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計分析主要是依靠教練員、網(wǎng)球運(yùn)動員或科研人員觀看比賽，并對比賽的一方或雙方進(jìn)行人工統(tǒng)計。由于受到球速、網(wǎng)球運(yùn)動員擊球拍數(shù)、比賽時間、觀察指標(biāo)等因素的影響，往往不能完全反映雙方網(wǎng)球運(yùn)動員系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)信息，其統(tǒng)計與分析的結(jié)果不能滿足教練員和網(wǎng)球運(yùn)動員的需要。另外，由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料反饋給教練員和網(wǎng)球運(yùn)動員的信息量較少，難以從深層次上對各項(xiàng)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解讀，對教練員和網(wǎng)球運(yùn)動員制訂正確的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)所起作用并不明顯。網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)信息采集與分析系統(tǒng)能夠采集網(wǎng)球運(yùn)動員技戰(zhàn)術(shù)底層數(shù)據(jù)，并與比賽視頻位置相關(guān)聯(lián)，較好地解決了技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計指標(biāo)少、信息不系統(tǒng)等問題。可以使教練員、網(wǎng)球運(yùn)動員更加詳細(xì)、準(zhǔn)確地分析雙方的技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，做到在比賽中知已知彼、揚(yáng)長避短，從而提高訓(xùn)練與比賽的針對性和科學(xué)性。

3、結(jié)論

針對體育運(yùn)動特點(diǎn)和運(yùn)動學(xué)特性，研制的體育模擬訓(xùn)練測試系統(tǒng)可最大限度地模擬體育運(yùn)動的基本動作、數(shù)字化運(yùn)動參數(shù)，而且能充分發(fā)揮運(yùn)動訓(xùn)練潛能和避免運(yùn)動損傷，以及對運(yùn)動參數(shù)和身體參數(shù)的測試與評價，為體育運(yùn)動及科學(xué)訓(xùn)練提供了運(yùn)動診斷和針對性訓(xùn)練的平臺，對提高運(yùn)動員的基本體能、專項(xiàng)體能、專項(xiàng)技能以及體育水平、能力和改善訓(xùn)練效果都將產(chǎn)生積極作用。總之，計算機(jī)應(yīng)用于網(wǎng)球運(yùn)動中能夠精確快速地提取運(yùn)動員人體輪廓并進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，為運(yùn)動員技術(shù)動作的視頻分析提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)；為運(yùn)動員訓(xùn)練時進(jìn)行動作對比分析，找出差距提供了有效工具。

目前，此方向的研究得到了國家973、國家自然科學(xué)基金、科技部奧運(yùn)科技專項(xiàng)、北京市科技計劃、國家863計劃以及中科院計算技術(shù)研究所知識創(chuàng)新課題資助。本方向的研究不僅具有基礎(chǔ)性和前瞻性，而且具有很好的應(yīng)用前景。研究成果可以廣泛應(yīng)用于虛擬主持人、虛擬角色、人機(jī)交互、視頻壓縮、游戲娛樂、虛擬訓(xùn)練等領(lǐng)域。

[1]郝衛(wèi)亞.網(wǎng)球運(yùn)動的計算機(jī)模擬與仿真.第十一屆全國運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會,2006.

[2]迪特里希·哈雷主編.蔡俊五等(譯).訓(xùn)練學(xué)[M].北京:人民體育出版社,1985,9.

[3]網(wǎng)冠科技.人體三維動畫師-Poser.0[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4]銳思創(chuàng)作室.Poser4.0三維造型設(shè)計與動畫制作[M],北京:人民郵電出版社,2000.

[5]漢生科技.Poser4.0 cool!3D人型百科[M],北京:中國青年出版社,2000.

[6]宋慶文等.一種基于模型的人體建模系統(tǒng),計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004,1:57-60.

[7]劉鵬程.基于Java3D的網(wǎng)球比賽場景的設(shè)計與實(shí)現(xiàn):科技風(fēng),2009,24.

[8]夏時洪.面向體育訓(xùn)練的三維人體運(yùn)動模擬與視頻分析系統(tǒng),中國技術(shù)專家網(wǎng),2008,9.

[9]帆板搖帆模擬訓(xùn)練測試系統(tǒng)的研究與開發(fā),首屆全國體育系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)術(shù)報告會,2004.

[10]史芙英.網(wǎng)球比賽技戰(zhàn)術(shù)信息采集與智能分析系統(tǒng)的研究,上海體育學(xué)院學(xué)報,2009,6.