張 峰

（陜西中醫(yī)學(xué)院體育部,咸陽,712000）

三維攝影攝像法在網(wǎng)球教學(xué)中的應(yīng)用

張 峰

（陜西中醫(yī)學(xué)院體育部,咸陽,712000）

網(wǎng)球教學(xué)中應(yīng)用了三維攝影攝像法，提高了網(wǎng)球的教學(xué)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(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了基于攝像機(jī)的圖像采集系統(tǒng)的組成，最后分析了三維攝影攝像法在網(wǎng)球教學(xué)中的應(yīng)用研究。

三維攝影攝像法；CMOS攝像機(jī)；網(wǎng)球教學(xué)

0 引言

網(wǎng)球這種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的技術(shù)要求比較高，比如用球拍擊球的這個(gè)動(dòng)作，如果動(dòng)作出現(xiàn)細(xì)微的變化，擊出的球就相差很多。網(wǎng)球擊球的技術(shù)多達(dá)十幾種，比如高壓球、截?fù)羟?、抽球、發(fā)球等。發(fā)球也有多種動(dòng)作，比如上旋發(fā)球、削擊發(fā)球、平擊發(fā)球等，技術(shù)都不相同，性能也不同及手拿器械的運(yùn)動(dòng)方式，這些都是學(xué)習(xí)網(wǎng)球技術(shù)的難點(diǎn)，增大了學(xué)習(xí)的難度。

在現(xiàn)在的網(wǎng)球教學(xué)中，主要采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法，比如講解、示范動(dòng)作，教師糾正錯(cuò)誤動(dòng)作的教學(xué)方法，沒有自我動(dòng)作分析的環(huán)節(jié)，所以動(dòng)作在學(xué)生中的印象不深刻，難以真正掌握技術(shù)的要領(lǐng)。三維攝影攝像方法正好解決了這個(gè)難題，突破和創(chuàng)新了網(wǎng)球教學(xué)方法，提高了網(wǎng)球的教學(xué)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(jī)對研究的對象從不同的角度進(jìn)行同步拍攝，將拍攝得到的視頻或者是平面影片進(jìn)行數(shù)字化處理，然后計(jì)算相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)。三維攝影攝像法目前廣泛應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)技術(shù)的分析和診斷領(lǐng)域，采用這種方法可以對技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行直觀、快捷、簡單的三維立體分析，可以對技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行科學(xué)的改進(jìn)及糾正。這種方法應(yīng)用在網(wǎng)球教學(xué)中，一定會提高網(wǎng)球教學(xué)的質(zhì)量。

2 攝像機(jī)

2.1 攝像機(jī)的工作原理

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

由于CMOS器件具有非常高的輸入阻抗和非常低的靜態(tài)功耗，電源電壓范同寬，驅(qū)動(dòng)與抗干擾能力強(qiáng)，便于集成，讀出方式靈活并采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作，且其品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而提升，所以目前均采用CMOS作為圖像傳感器。CMOS攝像機(jī)的最大特點(diǎn)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(jī)相比，CMOS攝像機(jī)具有幀速高、讀取速度快的優(yōu)點(diǎn)，但在圖像質(zhì)量與靈敏度方面卻低于CCD攝像機(jī)。CMOS攝像機(jī)按輸圖像信號格式可以分為CMOS模擬攝像機(jī)和CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。CMOS模擬攝像機(jī)主要應(yīng)用在閉路監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控、可視門鈴、汽車后視、視覺玩具和消防類電子產(chǎn)品方面，這類器件連接監(jiān)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(jì)算機(jī)；而CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)主要應(yīng)用在圖像識別、可視電話、數(shù)碼相機(jī)、PC多媒體技術(shù)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(shí)鐘、時(shí)序邏輯、一個(gè)圖像傳感器核心、芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、integration time、windowing、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。CMOS圖像傳感器典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。和傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)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(jià)格更低等優(yōu)點(diǎn)。CMOS在ASIC的半導(dǎo)體技術(shù)、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(qiáng)，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(qiáng)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(jié)反向充電，然后在光照條件下擴(kuò)增，放電率隨不同的光強(qiáng)度而不同。經(jīng)過放電后，保留在每個(gè)像素中的電荷是不同的，所以實(shí)現(xiàn)了PN結(jié)面的圖像信號的的光電轉(zhuǎn)換，由光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到像素陣列表面，每一個(gè)像素陣列被掃描時(shí)，就可以得到一個(gè)圖像的電信號。其工作條件必須是P型硅基底，負(fù)電源極和源極、正電源極和漏極分別相連。

2.3 CMOS攝像機(jī)工作原理

CMOS攝像機(jī)能把拍攝物的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡筮M(jìn)行處理輸出，工作原理如圖5所示。

圖1 CMOS攝像機(jī)工作原理框圖

在拍攝一個(gè)物體時(shí)，此物體上反射的光被攝像機(jī)鏡頭收集，使其聚焦在CMOS圖像傳感器的受光面上，同時(shí)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，即得到了“視頻信號”，但信號很微弱，需通過預(yù)放電路進(jìn)行放大，再經(jīng)過各種電路進(jìn)行處理和調(diào)整，得到標(biāo)準(zhǔn)信號，再將標(biāo)準(zhǔn)信號送到錄像機(jī)等記錄媒介上記錄下來，或通過傳播系統(tǒng)傳播或送到監(jiān)視器上顯示出來。

3 基于攝像機(jī)的圖像采集系統(tǒng)

基于攝像機(jī)的圖像采集系統(tǒng)可以采集圖像，并通過計(jì)算機(jī)顯示圖像信息，該系統(tǒng)由攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、串行口等構(gòu)成。攝像機(jī)攝取圖像后，通過串行口USB接口，將圖像信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。USB總線已經(jīng)成為PC標(biāo)準(zhǔn)接口之一，它可以減少PC機(jī)上過多的I/O端口，用串行通道代替，使PC機(jī)和外部設(shè)備設(shè)之間的連接變得容易。

4 網(wǎng)球教學(xué)中的應(yīng)用

在網(wǎng)球教學(xué)中應(yīng)用三維攝影攝像法，首先要采用三維定點(diǎn)立體測量方法對教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行布置，需要的設(shè)備有2臺JVC9800攝像機(jī)，2個(gè)三腳架，1臺筆記本電腦，1個(gè)1394采集卡，1個(gè)數(shù)碼相機(jī)， 1臺監(jiān)視器。兩臺JVC9800攝影機(jī)分別放置在投擲現(xiàn)場的正側(cè)方及正后方，拍攝頻率設(shè)置為50Hz，對學(xué)生的網(wǎng)球動(dòng)作進(jìn)行全方位拍攝。三維拍攝的示意圖如圖2所示。

由于網(wǎng)球教學(xué)的特點(diǎn)，比如教師一邊講解一邊演示動(dòng)作，學(xué)生不能清楚的觀看，再加上場地、教學(xué)器材的限制，學(xué)生的學(xué)習(xí)速度很緩慢，嚴(yán)重影響了網(wǎng)球教學(xué)的質(zhì)量。采用三維攝影攝像法可以有效解決以上問題，提高網(wǎng)球的教學(xué)效果。比如在學(xué)習(xí)正手上旋球技術(shù)動(dòng)作時(shí)，先對動(dòng)作要領(lǐng)進(jìn)行講解并觀看正手上旋球的教學(xué)錄像，學(xué)生對這個(gè)動(dòng)作形成表觀的認(rèn)識。然后組織學(xué)生正手上旋球技術(shù)動(dòng)作并把他們的動(dòng)作拍攝下來，然后再播放正手上旋球技術(shù)動(dòng)作的示范視頻，加深對這個(gè)動(dòng)作的印象，并進(jìn)一步掌握技術(shù)的要領(lǐng)，再次拍攝學(xué)生的動(dòng)作視頻，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作視頻進(jìn)行練習(xí)，找出不足，對動(dòng)作形成清晰、理性的認(rèn)識，真正掌握技術(shù)要點(diǎn)，最后結(jié)合學(xué)生自身的風(fēng)格，形成自己風(fēng)格的技術(shù)動(dòng)作，從而提高教師的教學(xué)效果。

圖2 三維拍攝示意圖

5 結(jié)束語

在網(wǎng)球教學(xué)過程中，采用三維攝影攝像法，是教學(xué)方法的改革創(chuàng)新，通過獲得的學(xué)生的動(dòng)作進(jìn)行分析，可以看出提高了學(xué)生的網(wǎng)球基本的技能。

在網(wǎng)球技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用三維攝影攝像教學(xué)方法，可以更加直觀的反映學(xué)生的動(dòng)作和教師的降解動(dòng)作，該種方法具有科學(xué)性及高效性，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)形成正確的技術(shù)動(dòng)作，提高了技術(shù)動(dòng)作的分析水平，加快了學(xué)生的掌握。它的應(yīng)用不僅縮短了學(xué)生對技術(shù)動(dòng)作的掌握時(shí)間，并對技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行了深度的剖析，利于動(dòng)作的矯正，使動(dòng)作的掌握更加精確，提高了網(wǎng)球教學(xué)的質(zhì)量，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)方法。這種方法還提高了學(xué)生對網(wǎng)球?qū)W習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高了教學(xué)的滿意程度。

[1] 潘正坤,呂淼.錄像反饋在網(wǎng)球教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)研究[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào),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(xué),2013.

[3] 王旭東,葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢[J].電子設(shè)計(jì)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