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体育技术动作分析系统 |
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陈铭富 梁铭林 陈英红 国家体委电子信息中心 陈铭富 梁铭林 陈英红 国家体委电子信息中心 随着我国体育事业的蓬勃发展，科学化、规范化地训练运动员，迅速地提高他们的运 动水平是迫切需要解决的问题。谁在体育训练上辅助运用先进的科技手段，谁就可以超前 一步。利用生物力学方法，从运动学的角度对运动员的技术动作进行分析和评价，提出改 进技术的建议和措施，以帮助运动员提高成绩，在国内外运动训练中得到了广泛的应用。 过去，主要利用影片解析方法进行生物力学分析。该方法能提供大量科学的、精确的数据 ，但存在着两个实际问题：从获取原始信息到分析信息需要较长时间；胶片价格高；难以 成为一种理想的技术手段。近年，摄录像技术的发展，设备精度的提高，价格的下降，使 摄录像方法逐渐取代了摄影方法。借助录像，观看和分析体育动作是教练员和运动员常用 的定性分析手段。但它远远满足不了教练员、运动员和科研人员形态分析和定量分析的需 要。 将摄录像技术与近年飞速发展的计算机、图像处理技术、计算机图形学、数据库以及 生物力学分析方法结合起来，构成有效的分析手段是国内外普遍使用的技术措施。国外已 有商品化专用微机图像分析系统，国内也有一些单位研制和使用类似的分析系统。我们研 制的技术动作分析系统是在ＳＧＩ图形工作站和Ｓｕｎ－Ｖｉｃｏｍ专用图像处理系统平 台上进行的。其原因有三：（１）ＳＧＩ图形工作站和Ｓｕｎ－Ｖｉｃｏｍ图像处理系统 是未来体育运动仿真系统的主体，仿真软件的开发需要时间；（２）仿真分析需要技术动 作分析过程中形成的数据文件，技术动作分析是仿真分析工作的前期工作；（３）争取时 间，为参加１９９２年巴塞罗那奥运会的国家游泳队运动员做些技术分析，为他们提高成 绩做些有益的工作。下面简单介绍一下系统的情况，同时提出一个三维技术分析系统的功 能要求。 一、系统特点 系统配置如图所示。主要特点： @@482-93T1.PCX;图一@@ １．多个分析主机网络化。主要分析设备ＳＧＩ图形工作站、Ｓｕｎ－Ｖｉｃｏｍ专 用图像处理系统、ＭＶＰ－ＡＴ微机图像系统用以太网联结起来，以便资源共享。可多机 同时使用也可单独使用。 ２．多输入手段。系统提供两路图像输入：（１）Ｓｕｎ－Ｖｉｃｏｍ图像处理系统 的ＶＩＣＯＭ，能连续多幅图像输入。（２）ＭＶＰ－ＡＴ微机图像处理系统的ＭＶＰ－ ＡＴ图像卡，它提供逐帧图像输入功能。 ３．分析结果录制。在ＳＧＩ图形工作站上将原始图像和分析结果的混合画面送入录 像带，为教练员和运动员提供一种方便的分析手段。 ４．设置远程查询终端。在运动队的训练场地可直接查询运动员动作的分析结果，是 一种实用、方便的手段。 二、系统主要功能 １．接受摄、录像机体育图像的输入、存储、检索、查询。数据采集有三种方式，即 键盘输入、文件输入和录像采点。键盘输入的数据可以是实际空间位置值，也可以是所取 屏幕坐标，经比例尺转化为实际值。文件输入是对已存入的数据文件的处理，便于“回顾 ”与比较。录像采点目前还是人工采集，提供键盘和鼠标器二种方式控制采集屏幕上的点 。采集可在ＳＧＩ、ＶＩＣＯＭ、ＭＶＰ－ＡＴ的屏幕进行。 ２．二维生物力学分析。对人体采用了我国生物力学界广泛采用的松井模型。根据教 练、运动员的要求，逐帧采下相应关节点的坐标值。对采集的关节点运动进行位移、速度 、加速度分析及对各关节、人体重心进行上述分析，对关节点与水平线夹角及关节间的夹 角进行角度、角速度、角加速度分析，分析的结果用曲线或数值在屏幕上显示，也可用打 印机打印。 ３．三维生物力学分析。对二组不同方位拍摄的体育运动录像，采集人体关节点，把 其转换为实际空间坐际，在三个正交平面投影，同时连续、叠加、步进显示，也可在某一 平面内连续、叠加、步进显示，对人体关节点在三维空间的运动位移、速度、加速度（各 分量、空间合成量、各平面投影量）及有关角度、角速度、角加速度进行分析。 ４．形态与生物力学相关分析。可对人体运动动作形态进行分析比较。在同一屏幕上 显示原始图像和生物力学参数所需的数据、曲线，以及附上文字说明，提供可能的相关分 析条件。 ５．向查询终端传送动作分析数据。 三、一个实用三维技术分析系统的功能要求 经过我们的实践证明，运动队也好，体育科研单位也好，特别需要一个比较实用又便 宜的技术动作分析系统。现把对系统的具体要求介绍如下。 １．快速反馈。图像处理技术是一种非接触式的测量方法，由于对比赛和训练无直接 影响，深受欢迎。随着摄录像分辨率、帧频的提高，价格的下降，图像处理技术迅速地成 为比赛和训练现场采集和分析的重要手段。加快分析周期，形成快速还反馈，是摄录像分 析的重要环节，是为国家运动队提供技术服务的重要保证。 影响快速反馈结果的主要环节是人工采集关节点。采集关节点的工作在图像监视器上 进行。由操作员用鼠标或键盘移动大“＋”字标到人体关节点的中心位置上，然后按动键 盘或鼠标的采集键取下该点的坐标值，俗称数字化。人体模型有２０个关节点，要求每幅 图像进行上述过程２０次。每一百幅图像由需要２０００次。为了简化此过程，通常使用 一种称为“半自动数字化”办法，即第一幅图像关节点的数字化完全由操作员完成，从第 二幅开始，大“＋”字标自动地跳到上一幅相应点的位置，然后由操作员做调整。此法还 要求操作员选择每幅图像的每一个分析点，一个技术熟练的操作员，每一百幅图像花费大 约３０分钟。 更进一步的办法是“全自动数字化”。“全自动数字化”分有标志与无标志两种：（ １）有标志数字化。此法是国外颇为流行的一种办法。它要求在运动员的关节点处贴上反 光物，拍摄动作时有灯光要求。计算机用对比度判据取得亮点的位置坐标。为了帮助计算 机识别跟踪不同关节点的轨迹，头三幅图像关节点数字化由操作员进行。此法只能分析在 训练环境下拍摄的动作图像。（２）无标志数字化。此法不必在运动员身上附上任何东西 。操作员人工数字化第一幅图像的关节点位置，计算机根据关节点附近的特征自动识别后 续帧图像的关节点坐位置。此法应用范围广，但它要求不低于１００帧频，以一定数量的 帧间隔地进行人工轨迹跟踪校正。 ２．快速视频信号输入。视频信号的输入速度也是影响快速反馈的一个重要因素，它 取决于录像机和微处理机的性能。图像数据捕获时，要求每帧图像存入计算机，但因没有 足够的帧存或内存容量而直接存入硬盘，造成速度不够。目前解决的办法是使用录像机的 停格功能，但它带来了图像的抖动，影响质量。更严重的是，一序列图像还未采集完，录 像机可能自动停止了停格功能，导致了后续帧图像捕获的困难。 ３．具有足够的空间信息和时间信息。技术动作的拍摄要求有一定分辨率，以满足图 像精度要求。分析高速动作要求有一定的帧频。目前的５０帧速率在许多场合下是不够用 的。例如，跳远脚踏地的时间只有１２０ｍｓ，在５０帧系统，只有６幅图像。如果研究 的目标是跑动时，脚踏地的速度变化，６幅图像远远不够。如果把帧频放在１００Ｈｚ， 又保证５１２×５１２的分辨率，应用范围会大大地增加。 ４．训练现场应用要求实用、可靠和操作方便。 据此，我们一直寻求解决上述问题的办法，有些技术问题正在逐步摸索。希望能构成 一个具有如下功能的微机系统：（１）采集分辨率超过５１２×５１２；（２）使序列图 像实时数字化并存入硬盘；（３）关节点自动识别；（４）接受录像机／摄像机的输入， 黑白系统即可满足应用要求；（５）最重要的方面是价格要便宜，实用可靠，操作简便。 （计算机世界报 1994年 第10期） |
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