三維攝影攝像法在網球教學中的應用

張 峰

（陜西中醫學院體育部,咸陽,712000）

三維攝影攝像法在網球教學中的應用

張 峰

（陜西中醫學院體育部,咸陽,712000）

網球教學中應用了三維攝影攝像法，提高了網球的教學效果。本文對簡單介紹了三維攝像法的概念，闡述了CMOS攝像機的結構和工作原理，闡述了基于攝像機的圖像采集系統的組成，最后分析了三維攝影攝像法在網球教學中的應用研究。

三維攝影攝像法；CMOS攝像機；網球教學

0 引言

網球這種運動項目的技術要求比較高，比如用球拍擊球的這個動作，如果動作出現細微的變化，擊出的球就相差很多。網球擊球的技術多達十幾種，比如高壓球、截擊球、抽球、發球等。發球也有多種動作，比如上旋發球、削擊發球、平擊發球等，技術都不相同，性能也不同及手拿器械的運動方式，這些都是學習網球技術的難點，增大了學習的難度。

在現在的網球教學中，主要采取傳統的教學方法，比如講解、示范動作，教師糾正錯誤動作的教學方法，沒有自我動作分析的環節，所以動作在學生中的印象不深刻，難以真正掌握技術的要領。三維攝影攝像方法正好解決了這個難題，突破和創新了網球教學方法，提高了網球的教學效果。

1 三維攝影攝像法

三維攝影攝像法采用兩臺以上的攝像機對研究的對象從不同的角度進行同步拍攝，將拍攝得到的視頻或者是平面影片進行數字化處理，然后計算相關的運動學的參數。三維攝影攝像法目前廣泛應用在運動技術的分析和診斷領域，采用這種方法可以對技術動作進行直觀、快捷、簡單的三維立體分析，可以對技術動作進行科學的改進及糾正。這種方法應用在網球教學中，一定會提高網球教學的質量。

2 攝像機

2.1 攝像機的工作原理

攝像機的種類很多，外形也不同，但它們的基本組成和內部結構都是相似的。從外形上看，一般都是由光學鏡頭、光電轉換電路、錄像機、尋像器、輸入輸出單元及附件組成。其中光電轉換器件（感光芯片）是攝像機的核心部件。目前，攝像機常用的感光芯片有CCD和CMOS兩種。按感光芯片可將攝像機劃分為CCD攝像機和CMOS攝像機；按輸出圖像信號格式可劃分為模擬攝像機和數字攝像機；按像元排列方式可劃分為面陣攝像機和線陣攝像機。

由于CMOS器件具有非常高的輸入阻抗和非常低的靜態功耗，電源電壓范同寬，驅動與抗干擾能力強，便于集成，讀出方式靈活并采用標準工藝制作，且其品質可隨著半導體技術的進步而提升，所以目前均采用CMOS作為圖像傳感器。CMOS攝像機的最大特點是在單塊CMOS傳感器芯片上能集成所有攝像功能的電路。與CCD攝像機相比，CMOS攝像機具有幀速高、讀取速度快的優點，但在圖像質量與靈敏度方面卻低于CCD攝像機。CMOS攝像機按輸圖像信號格式可以分為CMOS模擬攝像機和CMOS數字攝像機。CMOS模擬攝像機主要應用在閉路監控、工業監控、可視門鈴、汽車后視、視覺玩具和消防類電子產品方面，這類器件連接監控的AV端口即可看到圖像，通過圖像捕捉卡也可將圖像輸入到計算機；而CMOS數字攝像機主要應用在圖像識別、可視電話、數碼相機、PC多媒體技術等方面。

2.2 CMOS圖像傳感器

典型的CMOS圖像傳感器通常包括單一時鐘、時序邏輯、一個圖像傳感器核心、芯片內的可編程功能，比如增益調節、integration time、windowing、模數轉換器。CMOS圖像傳感器典型結構如圖3所示。和傳統的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像集成在一塊芯片上，具有降低功耗、減少空間占用、總體價格更低等優點。CMOS在ASIC的半導體技術、閃存、微處理器中占有十分重要的地位。

如果光敏二極管上沒有圖像光信號照射，源極和漏極兩極之間無電流通過，沒有圖像信號輸出。如果光敏二極管上有圖像光信號照射，源極和漏極兩極之間會形成電流通路，輸出圖像電信號。由此可見，入射圖像的光信號越強，源極、漏極之間的電流越大，輸出的圖像信號就越大，反之亦然。因此，輸出圖像信號的大小可以反映了入射光信號的強弱。由此可見，CMOS圖像傳感器的工作原理基于電荷存儲，即，PN結反向充電，然后在光照條件下擴增，放電率隨不同的光強度而不同。經過放電后，保留在每個像素中的電荷是不同的，所以實現了PN結面的圖像信號的的光電轉換，由光學系統轉換到像素陣列表面，每一個像素陣列被掃描時，就可以得到一個圖像的電信號。其工作條件必須是P型硅基底，負電源極和源極、正電源極和漏極分別相連。

2.3 CMOS攝像機工作原理

CMOS攝像機能把拍攝物的光信號轉變為電信號后進行處理輸出，工作原理如圖5所示。

圖1 CMOS攝像機工作原理框圖

在拍攝一個物體時，此物體上反射的光被攝像機鏡頭收集，使其聚焦在CMOS圖像傳感器的受光面上，同時把光能轉變為電能，即得到了“視頻信號”，但信號很微弱，需通過預放電路進行放大，再經過各種電路進行處理和調整，得到標準信號，再將標準信號送到錄像機等記錄媒介上記錄下來，或通過傳播系統傳播或送到監視器上顯示出來。

3 基于攝像機的圖像采集系統

基于攝像機的圖像采集系統可以采集圖像，并通過計算機顯示圖像信息，該系統由攝像機、計算機、數據采集卡、串行口等構成。攝像機攝取圖像后，通過串行口USB接口，將圖像信息傳輸到計算機進行處理。USB總線已經成為PC標準接口之一，它可以減少PC機上過多的I/O端口，用串行通道代替，使PC機和外部設備設之間的連接變得容易。

4 網球教學中的應用

在網球教學中應用三維攝影攝像法，首先要采用三維定點立體測量方法對教學實驗現場進行布置，需要的設備有2臺JVC9800攝像機，2個三腳架，1臺筆記本電腦，1個1394采集卡，1個數碼相機， 1臺監視器。兩臺JVC9800攝影機分別放置在投擲現場的正側方及正后方，拍攝頻率設置為50Hz，對學生的網球動作進行全方位拍攝。三維拍攝的示意圖如圖2所示。

由于網球教學的特點，比如教師一邊講解一邊演示動作，學生不能清楚的觀看，再加上場地、教學器材的限制，學生的學習速度很緩慢，嚴重影響了網球教學的質量。采用三維攝影攝像法可以有效解決以上問題，提高網球的教學效果。比如在學習正手上旋球技術動作時，先對動作要領進行講解并觀看正手上旋球的教學錄像，學生對這個動作形成表觀的認識。然后組織學生正手上旋球技術動作并把他們的動作拍攝下來，然后再播放正手上旋球技術動作的示范視頻，加深對這個動作的印象，并進一步掌握技術的要領，再次拍攝學生的動作視頻，可以根據標準動作視頻進行練習，找出不足，對動作形成清晰、理性的認識，真正掌握技術要點，最后結合學生自身的風格，形成自己風格的技術動作，從而提高教師的教學效果。

圖2 三維拍攝示意圖

5 結束語

在網球教學過程中，采用三維攝影攝像法，是教學方法的改革創新，通過獲得的學生的動作進行分析，可以看出提高了學生的網球基本的技能。

在網球技術教學中應用三維攝影攝像教學方法，可以更加直觀的反映學生的動作和教師的降解動作，該種方法具有科學性及高效性，學生可以在短時間內形成正確的技術動作，提高了技術動作的分析水平，加快了學生的掌握。它的應用不僅縮短了學生對技術動作的掌握時間，并對技術動作進行了深度的剖析，利于動作的矯正，使動作的掌握更加精確，提高了網球教學的質量，突破了傳統的教學方法。這種方法還提高了學生對網球學習的主觀能動性，提高了教學的滿意程度。

[1] 潘正坤,呂淼.錄像反饋在網球教學中的實驗研究[J].內蒙古民族大學學報,20 07,(3)．

[2] 李天琦.CMOS圖像傳感器像素光敏器件研究[D].哈爾濱工程大學,2013.

[3] 王旭東,葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發展趨勢[J].電子設計工程,2010,11:178-181.

張峰，男，1985年11月，河南，助教，研究方向：體育教育

Three-dimensional photographic camera in Tennis Teaching

Zhang Feng
(Shaanxi College Sports，Xianyang，712000)

Tennis teaching method applied to three-dimensional photographic camera,improve the teaching effect of tennis.This paper introduces the concept of a simple three-dimensional imaging method,described the structure and working principle of CMOS cameras,describes the camera's image acquisition system based on the composition of the final analysis of the application of three-dimensional photographic camera in Tennis Teaching.

three-dimensional photographic camera Act;CMOS camera;tennis teaching