胡水清，馮葆欣，蔡宇輝，吳成亮

1 前言

反復觀看比賽及訓練錄像，利用視頻進行圖像反饋和錄像解析，是教練員、體育科研人員在訓練和科研工作中常用的重要手段，視頻圖像資料在現場反饋和技術分析等方面，都發(fā)揮了相當重要的作用。在長期工作中，體育工作者們積累了大量的比賽、訓練、技術分析等視頻資料，保存形式從最初的照片、電影膠片、模擬磁帶，到目前的數碼磁帶、光盤、硬盤等。我們仔細地記錄了每盒膠片和每盤錄像帶的拍攝時間、拍攝者、拍攝內容等資料，錄制視頻過程中，會同時將一些比賽具體信息錄音。但是，除非你把整個比賽看完，否則，具體到每個運動員、成績等等具體信息還是無從查起。有著長期相關工作經驗的人，或許可以憑記憶想到一些內容可以應用，但對于新投入這項工作的人就毫無頭緒了。即使能夠記得某年、某月的某些資料，但常常都是懶于或者不便于在資料堆里查找那些不確定是否有價值的視頻片段，甚至可能忘記所需視頻是在哪張光盤里、哪個硬盤的文件夾里，或者由于錄像帶重復使用丟掉一些有價值的資料等等。從大量的資料中分類查找到錄像帶或視頻文件后，還需要查看整個錄像才可以定位到所需內容，而且可能還要把視頻資料轉換成所需視頻格式，因而，幾乎大部分拍攝的資料當時用過之后就永遠躺在角落里了。即使是近年來我們拍攝的比賽錄像，也很少有人肯花時間在視頻上清楚地插入字幕或者制作檢索表格等，這樣的視頻只能當作及時反饋應用，重復利用的次數和可能性很低。前期花費大量人力物力進行的拍攝、視頻分析、錄像解析等工作，卻由于沒有便捷的管理和有效的查找調用手段而無法充分發(fā)揮作用。

隨著數字成像技術、計算機技術和通信技術的進步，以影片、模擬磁帶為資料保存的方式顯然已不再適應數字時代的要求，而以數碼磁帶、光盤為保存形式，在使用時受到格式限制、存儲占用的空間大，而且經過多次編輯會造成較大的損耗，影響視頻質量。因此，硬盤存儲影像資料的優(yōu)勢就凸現出來。針對現有視頻資料管理缺乏快速查詢手段，致使管理、使用效率低下等問題，本研究提出了構建體育比賽及訓練影像資料分類管理數據庫，以體育訓練和比賽數字視頻資料為主要研究對象，建立其有效的管理辦法，充分挖掘各種體育比賽和訓練視頻資料的價值，并使其能夠得到重復、有效利用。體育比賽和訓練視頻的主要內容著重于運動員的運動技術表現、運動戰(zhàn)術組織和配合表現以及體育器械的運動行為表現，從屬于視頻圖像概念。本研究主要目標是根據體育比賽及訓練視頻的特點，使視頻資料能夠根據其主要內容信息在需要時快速分類查詢、準確定位并輸出，從而為運動員、教練員提供更多、更有效的視頻圖像資料，為科研人員在視頻反饋、圖像處理、圖像解析和視頻資料管理提供更加有效的系統(tǒng)支持。視頻資料數據量龐大、種類繁多、結構復雜[4]，影像資料數據庫分類管理軟件提供系統(tǒng)內設置復雜數據和文件的定義、構造及使用，主要實現視頻文件搜索、分類管理，所需視頻片斷定位、重組、備份功能；同時，針對體育比賽和運動項目的特點，除了實現基本的比賽信息檢索功能外，還可以根據比賽中關鍵技術動作進行檢索，并可進行分類篩選工作。

基于內容的視頻搜索是當前多媒體數據庫領域的一個重要研究方向，它通過對非結構化的視頻數據進行分析處理，轉換成結構化信息并進行標記，視頻中的文本信息和當前視頻內容緊密相關，對內容的理解起提示作用，同時，結合文本信息，能夠大大提高視頻搜索的準確率[9]。建立體育比賽及訓練視頻分類管理數據庫首先要滿足數據庫對視頻文件的處理要求，視頻數據包含的信息量龐大，包含了文本、圖像、聲音等多種數據類型，要對各種數據進行統(tǒng)一管理需要解決好數據的組織與存儲方法，要保證各種復雜數據之間對象的一致性和完整性，保證圖像和聲音信息的同步性[5]。同時，體育比賽的視頻具有自身的特點，大多數體育項目的一場比賽視頻中所包含的關鍵點較多。以體操比賽為例，一場跳馬比賽有十幾名隊員出場，每個人跳2次，1 h左右的視頻中至少要標記20～30個時刻點，需要記錄該時刻的運動員名字、動作、得分等信息，自由體操等其他項目還要記錄每套動作的動作組合，關鍵時刻標記點可能多達上百個，而其他類型的視頻文件很少需要在同一視頻中標記這么多關鍵點。影像資料管理方面的軟件和數據庫在諸多領域應用廣泛，尤其是媒體管理和各類安全監(jiān)控等方面。市場上現有的大部分視頻數據庫軟件基本上是按時間或文件名、文件屬性等檢索的，把視頻文件幾乎當作普通文檔一樣數據庫管理的，如百度視頻、Youtube、土豆網、酷6、優(yōu)酷等視頻網絡以及醫(yī)學影像[1]等；安全監(jiān)控錄像則是按照視頻的時間線性、發(fā)生地點等進行管理的。這些視頻數據庫管理和檢索方式不適用體育訓練和比賽復雜、多樣的特點。體育比賽的視頻數據庫，要求除了按照以上要求檢索之外，還應該能按照視頻所記錄的比賽項目、時間、地點、級別、運動員姓名、成績、關鍵的技戰(zhàn)術動作等具體內容信息進行檢索并準確定位到視頻文件上的所在時刻。

在長期應用視頻資料的工作中，一些體育工作者利用Access或 Excel等常用軟件來管理資料。將連續(xù)的視頻流劃分為具有特定語義的視頻片段并將其作為檢索的基本單元，記錄下視頻名稱、路徑以及視頻相關信息，然后，通過Access或 Excel表格建立超鏈接形成簡單的數據庫。比如，將某場比賽的每個運動員、每個動作單獨截成一個視頻，逐一錄入數據庫比賽信息、運動員、動作名稱、視頻路徑等并建立超鏈接。這種方法簡單但非常耗費時間，而且拷貝后由于視頻路徑變化，視頻鏈也必須重新更改路徑，所以，很難長期應用。還有一些研究人員開發(fā)了一些項目的單項數據庫軟件，張輝等對乒乓球技、戰(zhàn)術視頻數據庫管理系統(tǒng)進行了研究[2，6，7]，趙傳杰等建立了擊劍比賽視頻數據庫管理系統(tǒng)[8]，孫若漁探析了冰球運動視頻資源管理的語義化索引和檢索方法[3]。這些研究，對于各自所研究項目的科研和訓練起到了一定的作用。然而，以單項體育項目為目標進行研發(fā)的軟件又限制了其應用的廣泛性；他們的研究中，技、戰(zhàn)術應用情況是重點，著重于單場比賽的技、戰(zhàn)術分析。在以往的研究中，幾乎都是針對關鍵視頻片段的收集、處理和管理，很少有基于比賽或訓練視頻進行視頻管理、查詢和輸出關鍵視頻片段的。前者收集和處理關鍵視頻片段時往往會過濾和遺漏一些信息，而后者則能夠建立包含比賽和訓練視頻所有信息的數據庫。分割視頻增加了大量處理視頻的工作，視頻文件存儲空間增大，同時還破壞了整場觀看比賽的連續(xù)性。對于視頻查詢結果，以往研究基本上是用軟件播放或者單獨拷貝視頻片段的方式，本研究除了可以根據查詢結果播放視頻序列之外，還可以對所需視頻集錦合成輸出為一個視頻文件，即使沒有任何運動專業(yè)基礎、沒有該軟件操作基礎的人，也可以在任何電腦上播放觀看。

表1 不同項目視頻資料收集及分析情況一覽表

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

以體育比賽及訓練的數字視頻文件為主要研究對象，確定以舉重、體操、乒乓球、摔跤4個項目為重點項目編寫視頻數據庫管理軟件，建立這4個項目的視頻管理數據庫模板（表1)。同時，本研究以舉重、體操項目為例，收集大量該項目的視頻資料并建立其視頻數據庫。

2.2 技術路線

圖1 視頻資料收集及分析技術路線示意圖

2.3 研究方法

系統(tǒng)分析法：綜合分析體育比賽和訓練視頻文件與普通視頻文件的共性和其自身特點，完成視頻分類管理數據庫軟件的整體設計思路和數據分析方式。體育比賽和訓練視頻文件中，關鍵信息點眾多，提取、標記和歸類關鍵信息點，從而使視頻文件所包含的關鍵信息文本化。深入分析各類關鍵信息的遞呈、因果、相同、排斥等邏輯關系，按照不同邏輯關系建立文本信息的聯(lián)系，使大量具有時間線性的視頻文件轉化成一個具有不同聯(lián)系的結構化信息網絡——數據庫。

通過文獻查閱、專家咨詢以及運動現場實踐等方法，分別建立適用于舉重、體操、乒乓球和摔跤項目特點的視頻管理模板，并建立相應數據庫。

采用C語言編程，基于SQL（Microsoft SQL Server)數據庫技術進行數據庫軟件開發(fā)。

3 視頻數據庫的應用

3.1 軟件運行環(huán)境

硬件要求：Intel奔騰IV以上處理器；最少1 GB內存；硬盤空間：200 G以上；獨立顯卡；1394視頻采集卡；聲卡及音箱。計算機配置的越高處理速度越快，因為處理大量的視頻文件用內存和CPU較多，而且視頻文件占用計算機存儲空間較多，隨著視頻資料的增多對硬盤空間要求較大，最好能夠使用海量存儲設備。

軟件要求：Window s XP SP1以上操作系統(tǒng)，Microsoft SQL Sever2000簡體中文企業(yè)版數據庫軟件；Nero光盤刻錄軟件和Snagit截圖軟件等相關軟件（以上2種軟件的版本不限)。

3.2 舉重視頻數據庫的建立過程

應用 TacAnalysis體育比賽視頻資料數據庫管理軟件，初步建立了舉重項目近年來的視頻資料數據庫，共收集了舉重2004年至2009年十運會、奧運會模擬賽、奧運會、隊內模擬賽等14次國內、國際重要賽事的84場比賽視頻。初步建立了體操、乒乓球、摔跤3個項目的數據庫模型，為這幾個項目建立視頻資料數據庫提供了較好的平臺。下面以舉重項目為例，說明 TacAnalysis體育比賽視頻資料數據庫管理軟件的使用。

軟件安裝：使用 TacAnalysis軟件，硬件設備和軟件操作環(huán)境必須滿足軟件運行要求，加載 TacAnalysis對應的“TacData_Data.MDF”和“TacData_log.LDF”數據庫文件， Microsoft SQL Sever2000簡體中文企業(yè)版的安裝以及數據庫加載過程按照Microsoft SQL Sever2000軟件操作說明進行，不再一一贅述。直接將執(zhí)行程序“TacAnalysis.exe”拷貝到硬盤安裝 TacAnalysis軟件。

新建項目：雙擊“TacAnalysis.exe”打開軟件，選擇菜單選項“文件”中的“新建項目”選項或者直接點擊第一個快捷工具“新建項目”，輸入新建項目相關信息，這些信息最終會進入數據庫中。目前，數據庫當中已建立舉重、體操、田徑、摔跤和乒乓球5個項目的數據庫模板，如果數據庫中沒有列出所分析的運動項目，可以選擇其他運動項目，分析數據將全部進入所選項目的數據庫，但不會影響數據庫的最終結果。

載入視頻文件。選擇菜單選項“視頻”中的“載入視頻”選項或者直接點擊“載入視頻”快捷工具，出現下面的對話窗口。目前，軟件兼容avi、rm、mpg、asf等 Window s Media Player播放器能夠播放的視頻格式。

創(chuàng)建屬性列表：在列表標題欄中，依次選上每個標題，并鍵入相應的列表項，如選“姓名”時，在列表項名稱內鍵入所分析的視頻的所有運動員姓名；快捷鍵是利用鍵盤進行快速分析的，可以選擇不用。列表標題有比較開放的刪除和添加功能，可以根據需要任意設置模板，但數據庫列表標題確定以后，最好不要隨意修改，否則會造成數據庫內數據混亂；分析數據時要導入模板，要先確定數據庫使用的模板列表標題相同；如果需要更改或重新建立數據庫要使用原始空白的數據庫文件“TacData_Data.MDF”。建好屬性列表后，單擊“完成”。建立好屬性列表之后，可以將其保存為模板，以便分析其他視頻文件使用。對于同一項目不同場次的比賽，只需調入模板并對模板中列表屬性中不同的內容進行更改即可。

圖2 新建項目文件截圖

圖3 載入視頻文件截圖

圖4 舉重項目視頻資料數據庫屬性列表建立截圖

圖5是使用 TacAnalysis分析舉重比賽視頻的過程，分析視頻時只需鼠標點擊選擇不同類別的信息即可，也可以使用快捷鍵，熟練后只需用快捷鍵幾個字母就可以對某一視頻的關鍵時刻點進行記錄，大大減少了文字錄入的工作量。重量是個初步預輸入值，在分析視頻之前，我們不可能把所有涉及到的重量都輸入進去，預設一些已知重量數值，在分析過程中，沒有的重量值可以先任意選擇一個然后點擊右鍵修改為實際重量。當播放到某一需要標記的視頻點時，依次點擊該視頻點每一個相應的屬性，然后單擊視頻畫面，相應的分析結果就會顯示在結果列表中。開始不熟練時，可以先將視頻暫停，再進行分析。

圖5 舉重數據庫視頻分析過程截圖

保存：視頻分析的結果直接保存到數據庫當中。單擊“保存”快捷鍵或“文件”中的“保存”，可以保存項目；通過“導入數據庫”、“從數據庫導出”可以導入/導出不同項目文件的數據，便于數據庫合并。

查詢數據和視頻：單擊“數據庫查詢”快捷鍵或數據庫菜單中的查詢選項。選查詢字段，關鍵字為空白，單擊“查詢”顯示所有結果。雙擊數據所在行，相應的視頻就會播放。

圖6 項目文件保存截圖

圖7 舉重項目數據庫結果查詢截圖

SQL Sever底層數據查詢：打開SQL的“企業(yè)管理器”，按圖8所示，單擊“TacData”中的“表”，并在“表”項目中找到相應的項目“l(fā)ift”或“gym”等。然后單擊右鍵，選擇“返回所有行”，將顯示數據庫中所有數據。

視頻的導出功能：目前，軟件設計的視頻導出主要是利用潛入軟件的方式，有2種方法：第：1種是利用 Snagit抓圖軟件，先雙擊視頻全屏播放，選取屏幕錄制選項后播放所需視頻，將視頻直接錄制保存；第2種是利用Nero刻錄軟件，根據篩選結果中的文件路徑和時間點信息，調入不同視頻并設置所需片段始末點，將所需視頻片段集錦刻錄成光盤。

圖8 數據庫底層數據截圖

3.3 視頻管理軟件的技、戰(zhàn)術統(tǒng)計功能

視頻管理軟件的“屬性列表”有非常開放的功能，如果我們把相應的視頻屬性變成技、戰(zhàn)術的屬性名稱，那么，視頻管理軟件就變成了一個技、戰(zhàn)術分析的軟件（圖9)。這樣分析后的視頻，在回放視頻時，就不僅僅只是播放某人某場比賽的視頻了，而是可以對某個人很多場次比賽的不同技術分類播放，同時，也可以導出分析數據用 Excel或SPSS做一些統(tǒng)計分析。

圖9 乒乓球技術分析列表截圖

圖10 2007年世界青年摔跤錦標賽女子比賽技術動作分析截圖

4 功能及特點

針對性強，視頻分析速度快：TacAnalysis針對同一項目的不同場次的比賽和訓練中運動員、技術動作、得分等信息重復的特點，分析不同運動項目的關鍵時刻點信息特征，并根據這些文本信息中的相同、相似、遞呈、因果等邏輯關系使文本信息結構化。針對不同運動項目建立相應模板和視頻數據庫，使同一個項目的不同場次比賽中重復出現的關鍵信息不需要重復輸入，關鍵視頻片段不需要分割，從而節(jié)約了數據存儲空間、減少視頻處理步驟，在快捷查詢關鍵視頻片段的同時又不破壞整場比賽的連續(xù)性觀看，查詢獲得相關信息也較為全面。

開放性：TacAnalysis視頻管理軟件提供了一個開放式的工具。其“屬性列表”具有開放性特點，可以根據所有不同體育項目的特點建立相應的模板，同一項目也可以建立適應不同應用需求的模板及數據庫，例如乒乓球項目，可以建立視頻文件管理的數據庫，也可以建立技術統(tǒng)計數據庫。TacAnalysis視頻管理軟件開放性的特點，也可以應用到其他領域數字視頻的管理中。

查詢快速分類、準確定位：查找視頻時，直接輸入某一信息，就可以直接查詢到數據庫中所有包含同一信息的視頻并準確對應到每個視頻的相應時刻點，查詢到的所有視頻可按照內容分類、排序，實現了快速準確、分類查找功能。

數據庫共享：數據庫視頻的分析數據能夠導入、導出，不同科研人員分析的視頻資料和數據能夠分享或組合成統(tǒng)一的數據庫。數據庫中的視頻資料查詢后，可直接給教練員、運動員回放各種不同分類組合的視頻系列，也可以把不同文件中所需的視頻片段直接合成并輸出。

技、戰(zhàn)術統(tǒng)計功能：建立分析模板時，添加技術動作類屬性并輸入關鍵技術動作名稱，然后，進行相應的視頻分析，視頻分類管理數據庫就可以對不同技戰(zhàn)術進行查找、篩選和分類。

視頻格式兼容性強：視頻處理編程基于 Window s Media Player解碼器，能夠兼容 avi、rm、mpg等 Window s Media Player能夠播放的所有視頻格式。

5 研究結論

TacAnalysis可以應用于各種體育項目數字視頻資料的管理，甚至可以擴展應用到其他領域數字視頻管理。建立影像資料數據庫，改變圖像資料管理水平較低、利用效率不高的情況。加強圖像反饋、錄像解析等科研手段在運動實踐中的作用。使比賽、訓練和科研工作中所獲得的視頻資料得以長期有效的保存。其簡單、便捷的視頻分析和查詢功能，能方便教練員、運動員使用。視頻資料在采集、編輯、加工處理以及導出的形式更適用于體育項目訓練和比賽的視頻。針對不同項目的開放性以及數據庫共享等功能，使 TacAnalysis在體育訓練和科研領域內具有廣泛應用的可能。

項目所開發(fā)的視頻數據庫管理軟件在一些細節(jié)上還有待完善，軟件界面的美化以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要提高，數據庫軟件的數據導入、導出、統(tǒng)計分析、視頻合成輸出等功能需要進一步改進，軟件的應用范圍有待進一步擴大。在下一步的研究中，將逐步增強該軟件的分類統(tǒng)計功能，添加圖示標記、字幕插入等新的功能，在加強視頻數據庫管理軟件的管理、查詢和輸出功能的同時，開發(fā)其分析、統(tǒng)計功能。

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