基于智慧籃球訓練設備的設計與開發研究

董延豐 張睿旸 徐雯雯

（鄭州大學 河南 鄭州 450001）

1、研究目的

籃球作為一項備受矚目的體育運動，一直以來都對運動員的技術要求提出了挑戰。其中，投籃姿勢的準確性和效率對于命中率的提高至關重要。然而，如何提高籃球運動員的投籃技術一直是一項復雜的任務，需要深入的分析和專業的訓練。在過去的幾年中，隨著科技的快速發展，智能設備和計算機視覺技術的應用為應對這一挑戰提供了新的機會。本研究旨在探索一種創新的籃球技術訓練方法，通過結合視覺處理算法和外骨骼捕捉技術，開發一種名為“籃球基礎技術捕捉對比輔助訓練系統”的工具，這個系統不僅可以捕捉運動員在投籃過程中的關鍵點位，還可以分析其姿勢與標準數據集的差異，并提供專項訓練報告，旨在改進投籃動作并提高命中率。

2、研究價值

首先，智慧籃球訓練設備可以利用傳感器和算法，捕捉到運動員的籃球操作細節，記錄運動軌跡、投籃力度、球速等信息，通過數據分析為運動員提供精準的訓練反饋和建議，使訓練更加高效；其次，智慧籃球訓練設備可以通過視頻分析技術，為運動員提供全面的籃球操作表現評估，包括投籃命中率、失誤次數、助攻次數等數據，使教練員能夠更加全面地了解運動員的表現，及時調整訓練計劃，提高訓練質量；再次，智慧籃球訓練設備可以減少教練員的工作量，減輕他們的負擔，讓他們有更多的時間和精力投入到高水平籃球運動員的培養中。同時，通過智慧籃球訓練設備進行訓練也可以減少場地租賃和器材消耗等成本，提高訓練的效益。并且，智慧籃球訓練設備的開發是科技與體育深度融合的體現，它不僅可以提高籃球訓練的效率和水平，還可以為其他體育項目的訓練提供借鑒和參考，推動體育事業的快速發展。而且，智慧籃球訓練設備的開發涉及到傳感器、算法、數據分析等多個領域的技術，其產業鏈上下游也將因此得到發展。例如，傳感器制造商、數據分析公司、軟件開發企業等都將受益于智慧籃球訓練設備的發展，進一步推動相關產業的發展和壯大。這項研究具有潛在的價值，可以為籃球運動員提供更有效的技術改進和培訓工具。本文將詳細介紹我們的研究方法和系統設計，以及其在籃球技術改進方面的應用。這一創新性方法將有助于解決訓練資源有限、人員聚集不便以及實時技術指導等問題，從而為籃球運動員提供更多機會提高其技能水平。

3、研究現狀分析

3.1、關于籃球技術訓練的研究

籃球技術提高一直是教練和運動員們不懈追求的目標。過去的研究已經強調了正確的投籃姿勢和動作對于提高投籃命中率的重要性。然而，傳統的籃球訓練方法在提供實時反饋和精確數據分析方面存在一些限制。隨著計算機科學和計算機視覺技術的迅速發展，研究人員開始嘗試將智能技術應用于籃球技術訓練中。其中一個關鍵領域是視覺處理算法的應用。以往的研究表明，這些算法可以用于捕捉運動員在運動過程中的關鍵點位，從而提供寶貴的數據用于分析投籃姿勢。例如，使用計算機視覺技術來跟蹤手部運動軌跡。這種方法為運動員提供了實時反饋，但仍然需要進一步的發展，以提供更精確的數據和分析。另一個重要的領域是外骨骼捕捉技術的應用。外骨骼捕捉技術可以用于跟蹤運動員的身體姿勢，包括關節的運動。一些研究已經展示了外骨骼捕捉技術在分析運動員投籃姿勢方面的潛力。例如，王珂在《基于動作捕捉系統的下肢骨骼步態規劃研究》一文中提到捕捉運動員的關節運動，以幫助改進步態規劃中適配性差、穩定性不強等問題。這種技術提供了更詳細的身體姿勢數據，但仍然需要與其他技術結合使用。綜合這兩個領域的優勢，本研究旨在開發一種名為“籃球基礎技術捕捉對比輔助訓練系統”的設備。這個系統結合了視覺處理算法和外骨骼捕捉技術，以提供更全面的數據分析，幫助運動員改進其投籃姿勢，并提高命中率。此外，系統還集成了微信小程序，以提供方便的訓練和虛擬動作捕捉技術，為運動員創造沉浸式的多人協作訓練環境?？傊?，過去的研究強調了籃球技術訓練的重要性，并已經探索了一些智能技術的應用。本文的研究在這些工作的基礎上，通過結合視覺處理算法和外骨骼捕捉技術，提供了一種全面的訓練系統，為籃球運動員提供更多機會改進其技能水平。

3.2、籃球技術發展和訓練方法的演進

（1）我國籃球水平的現狀。

籃球在世界上一直是備受矚目的體育項目，職業聯賽如NBA吸引了眾多球迷。然而，我國的籃球總體水平相對滯后，表現在國際賽事中的表現不如其他國家突出。這一差距部分源于我國在籃球技術和戰術方面的基礎不足。傳統籃球技術培訓方法強調基礎動作的練習，但在提供個性化、實時反饋和科學指導方面存在不足。

（2）傳統的籃球技術培訓方法。

傳統的籃球技術培訓方法通常涵蓋基礎動作的練習，如傳球、運球、投籃和防守。這些方法強調了球員的體能訓練和基本技術的反復練習。然而，這種方法通常缺乏實時反饋和個性化指導，因此在改進球員的技術水平方面存在限制。教練員通常依賴于肉眼觀察，難以捕捉和分析球員的細微動作。

（3）技術創新在體育領域的作用。

技術創新在體育領域中的作用逐漸嶄露頭角。傳感技術、數據分析軟件和虛擬現實等工具已經成功地用于改進運動員的訓練和表現。這些技術可以提供實時數據，有助于球員更好地理解自己的動作和技術問題。在籃球領域，一些國際球隊和聯賽已經開始采用先進的技術來提高球員的技術水平。這些案例為我們的研究提供了寶貴的參考和啟發。

綜上所述，通過對籃球技術培訓領域的文獻綜述，我們明確了技術創新在我國籃球技術培訓領域的重要性。我們的研究將嘗試應用這些先進的技術，設計和開發一種智慧籃球訓練設備，以改進我國球員的技術水平，提高整體籃球水平，從而彌補我國在國際籃球舞臺上的不足。

4、核心技術支持

4.1、基本組成

本項目基于yolov5+openpose 視覺處理算法進行進一步開發人體點位捕捉算法建立起籃球投籃動作糾正系統，并結合相關的機械結構，實現本項目開發意義。本項目通過三維設計軟件solidworks 設計了一種可折疊方便攜帶的拉桿式機械結構，將整個系統機器設計為拉箱式，方便在訓練場上攜帶和移動，且不使用的時候可以折疊收納，減小機器的占用空間，以及防止機器被外力所破壞。此外，為了更好地收集相關數據和處理數據，我們團隊決定使用英特爾顯卡處理核心，將編寫好的視覺處理系統編入電腦主機，通過系統中搭載的高頻運動視覺攝像頭對訓練者的投籃過程身體重要點位的信息進行全程收錄，并自動對視頻每幀圖片進行打標簽處理，提取相關的數據，通過算法系統將提取出來的重要點位信息與已經采集好的標準重要點位信息庫相對比，找出訓練者在籃球投籃練習中，手部姿勢、角度等與專業球員之間的差異，并形成相應的錯誤報告，同時再根據這些錯誤，生成相關的分析報告，對使用者提出相關的修改建議，通過微信小程序向使用者推送相關的正確籃球投籃視頻，進一步糾正使用者的投籃動作。

本項目的核心是通過python 語言基于yolov5 的IDM 開發環境以及以C++為頂層的可視化API 的openpose 視覺算法搭建一個籃球動作識別系統，通過系統對訓練人員的動作進行評定和打分，幫助用戶對動作進行糾正。并且通過大量的使用者的使用數據進行深度學習，自動收錄一部分的關鍵數據集，建立起相關的數據庫，方便教練員通過數據集中的數據去判定整個隊伍中，每一位隊員存在的相關問題和大多數隊員都會出現的問題，方便教練員進行下一步的講解教學。

本項目采用最新型樹莓派4B 開發板搭載運動視覺攝像頭，通過solidwork 設計產品外觀及實物，做成可折疊方便攜帶的拉箱式結構。采用樹莓派4B 的優點是更完美地運行數據處理與收集工作，并且具有巨大的后續升級潛力。通過攝像頭對訓練者投球姿勢進行每3 幀拍照取樣一次，將收集的數據導入OpenCV 中，通過openpose 提供的25 個骨骼關節點，全身18 個骨骼數據，以及手部姿勢的圖片對比，與收集好的專業投球姿勢深度學習模型進行對比，通過預估投球者姿勢判斷投球的不足，并且通過幀數截取獲得投球脫手的速度與角度。通過骨骼點定位更能準確地對比使用者與專業球員姿勢之間的差異，根據差異提出相應的調整建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據投球姿勢的數據我們可以初步得到數據處理以及設計輔助公式。

4.2、設備工作原理流程圖

圖1

本項目通過高頻運動攝像頭對訓練者的投籃姿勢進行全程錄制采樣，用算法對其每幀圖片自動進行取樣和打標簽，收集照片中人體重要點位的相關數據并將收集到的數據導入opencv 中，對其數據進行相關的處理，通過openpose 算法對人體的12-16個骨骼關節點以及運動員手部姿勢點位與收集到的專業運動員的數據庫之間進行對比，從中找到差異點，通過預估訓練者姿勢判斷投球的不足，并且通過每幀圖片中的姿勢模型與深度學習模型相對比，判斷姿勢的合理性，最終產生綜合性分析報告，并提出相關的建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據投球姿勢的數據可以初步得到數據處理以及設計輔助公式。

通過采用攝像頭對訓練者投球姿勢進行每3 幀拍照取樣一次，將收集的數據導入OpenCV 中，通過openpose 提供的12-16個骨骼關節點，以及手部姿勢的圖片對比，與收集好的專業投球姿勢深度學習模型進行對比，通過預估投球者姿勢判斷投球的不足，并且通過幀數截取獲得投球脫手的速度與角度。通過骨骼點定位更能準確地對比使用者與專業球員姿勢之間的差異，根據差異提出相應的調整建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據投球姿勢的數據可以初步得到數據處理以及設計輔助公式。

5、智慧籃球訓練設備的應用

5.1、實驗設計

（1）實驗安排。

為了驗證智慧籃球訓練設備的訓練效果，研究采用實驗法，選取某體育院校籃球專業學生60 人，隨機分為實驗組（30 人）和對照組（30 人）。實驗組使用智慧籃球訓練設備進行訓練，對照組則采用傳統訓練方法。兩組訓練時間均為4 周，每周3 次，每次1h。

（2）實時反饋。

智慧籃球訓練設備可以在訓練過程中實時監測和反饋運動員的表現，讓運動員和教練員能夠及時了解訓練效果，調整訓練策略。研究主要對兩組學生在實驗前后的籃球技能水平進行評估。

（3）量化評估。

通過大數據分析，智慧籃球訓練設備可以對運動員的投籃命中率、投籃難度、技術動作等多個方面進行量化和評估，為運動員和教練員提供更客觀的訓練依據。

5.2、實驗結果

（1）投籃命中率。

智慧籃球訓練設備可以通過對運動員投籃數據的分析，發現投籃命中率的影響因素，并提供針對性的訓練建議。經過一段時間的訓練，運動員的投籃命中率普遍得到提高。其中，實驗組的投籃命中率由原來的65%提高到80%，而對照組的投籃命中率僅由原來的60%提高到68%?？梢钥闯?，實驗組在投籃命中率方面的提升明顯高于對照組。

（2）傳球準確率。

實驗組和對照組在傳球準確率方面也表現出了一定的差異，實驗組傳球準確率明顯高于對照組。實驗組通過智慧籃球訓練設備能夠實時監測運動員的傳球姿勢、發力技巧，通過及時發現調整，運動員能夠掌握準確的傳球姿勢、更好的傳球力度、更快的傳球速度等。這些都可以提高球員的傳球準確率。

（3）優化技術動作。

智慧籃球訓練設備可以監測和分析運動員的投籃姿勢、手腕動作等細節，發現技術動作的問題，并提出改進建議。通過調整技術動作，運動員的投籃穩定性和命中率得到了進一步提高。經過4 周的訓練，實驗組的傳球準確率由原來的70%提高到85%，而對照組的傳球準確率僅由原來的65%提高到72%。這表明，智慧籃球訓練設備在提高傳球準確率的同時也能夠培養運動員專業技術動作，為今后進步打下基礎。

（4）提高訓練效率。

智慧籃球訓練設備可以實時反饋訓練數據，讓運動員和教練員能夠及時了解訓練效果，調整訓練計劃。準確率方面具有顯著優勢。通過優化訓練計劃，訓練效率得到了提高。

5.3、結果分析

本研究結果表明，智慧籃球訓練設備在提高學生的籃球技能水平方面具有顯著優勢。未來，智慧籃球訓練設備將會在體育領域發揮更大的作用，為運動員和教練員提供更全面、精準、個性化的指導和建議。這可能是因為智慧籃球訓練設備能夠實時監測學生的訓練數據，提供個性化的訓練建議和反饋，從而幫助學生更有效地進行訓練。此外，智慧籃球訓練設備還可以通過數據分析，發現學生在訓練中的不足之處，進而提出針對性的改進方案。這些優勢都是傳統訓練方法所無法比擬的。然而，本研究仍存在一定的局限性。首先，樣本量較小，可能無法全面反映智慧籃球訓練設備的效果；其次，本研究僅為短期干預，未來可以對長期干預的效果進行探討。此外，還可以進一步研究智慧籃球訓練設備在不同年齡段、技能水平的籃球運動員中的適用性。

6、總結與展望

6.1、面臨的挑戰

盡管本項目有望為籃球技術培訓領域帶來不錯的效應，但仍面臨一些挑戰。其中包括：技術挑戰，項目的成功依賴于先進的技術手段，包括視覺處理算法和外骨骼捕捉技術。因此，技術的不斷更新和改進是一個持續的挑戰。普及與應用，將項目的成果廣泛推廣和應用于不同訓練場地和人群也是一個挑戰。需要制定相應的普及計劃和培訓教材。隱私和數據安全，項目涉及大量的運動員數據，隱私和數據安全是一個重要的考慮因素。需要建立嚴格的數據保護機制。在未來的發展中，可以考慮以下方向：國際合作。與國際籃球組織和技術公司合作，分享經驗和資源，推動項目的國際化發展。綜合性培訓平臺，將項目與其他籃球培訓資源和平臺相結合，創建更全面的培訓生態系統。研究與開發，持續進行研究和開發，不斷提升項目的性能和功能，以滿足不同用戶的需求。通過克服挑戰和不斷發展，本項目有望為我國籃球技術培訓領域帶來重要的變革，提高我國籃球水平，為籃球事業的發展貢獻力量。

6.2、展望

綜上所述，本研究致力于探索并實施一種創新的籃球技術培訓方法，結合了視覺處理算法、外骨骼捕捉技術和虛擬動作捕捉技術。通過成功捕捉和分析運動員的姿勢，為籃球技術培訓領域帶來了新的思路和機會。項目的重要性不僅在于提高運動員的技能水平，還在于提高培訓質量，為教練員提供更好的指導，以及潛在地提升我國的籃球水平。盡管在項目中取得了顯著的進展，但我們也面臨著技術挑戰、普及與應用難題以及隱私和數據安全問題。然而，我們相信這些挑戰是可以克服的，并且有著巨大的潛在影響。通過國際合作、綜合性培訓平臺的建設以及持續的研究與開發，有望為籃球技術培訓領域帶來革命性變革。最后，期待未來的研究和合作，可以進一步推動籃球事業的蓬勃發展。通過技術創新、教育培訓，以及籃球水平的提高，我們可以為更多年輕人提供更好的籃球技術培訓機會，為我國的籃球事業注入新的活力。