鄭 超，郭曉培

（北京交通大學(xué)體育部，北京 100044）

運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)

音頻分析用于羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的可行性研究

鄭 超，郭曉培

（北京交通大學(xué)體育部，北京 100044）

科學(xué)高效的技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計方法是羽毛球技戰(zhàn)術(shù)研究的有力保障，尤其是臨場比賽中，教練員和運(yùn)動員及時獲取比賽過程的技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計結(jié)果可能成為接下來贏得比賽的關(guān)鍵。以李在福的教學(xué)視頻作為研究對象，通過錄像分析法、專家訪談法、文獻(xiàn)資料法，對視頻中的技術(shù)聲音進(jìn)行頻譜分析，利用Video converter軟件將wmv格式的視頻轉(zhuǎn)換為支持頻譜分析的wav格式的音頻，對照視頻資料，利用Audacity軟件對音頻資料進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而建立羽毛球技術(shù)聲波數(shù)據(jù)庫，利用Sigmal plot對數(shù)據(jù)庫中的聲波主頻率進(jìn)行綜合對比分析，研究發(fā)現(xiàn)，殺球的頻譜段在1100赫茲以上，抽球的頻譜段在900～1100赫茲之間，撲球的頻譜段在500～600赫茲之間，搓球則主要分布在300～400赫茲之間，可見，殺球、抽球、撲球、搓球的音頻主頻率存在明顯差異，因此，在技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計分析過程中，我們可以將擊球聲音的主頻率分析作為擊球種類快速識別的工具，達(dá)到了數(shù)據(jù)輸入自動化，結(jié)果輸出快速化。

羽毛球； 擊球聲音； 音頻

體育運(yùn)動的數(shù)字化在世界范圍內(nèi)的發(fā)展日益廣泛深入，鑒于羽毛球運(yùn)動在全民健身計劃中具有突出作用，因此，開展羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的數(shù)字化具有極為重要的意義。兵家有云“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”。競技體育也是如此，只有做到知己知彼，在比賽場上才能揚(yáng)長避短、游刃有余。羽毛球這一項目中，要想了解對手的情況，那么就需要對他進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計，了解他的技術(shù)特點(diǎn)和打法、進(jìn)攻手段和主要得分技術(shù)等，唯有這樣，才能全面了解對手，通過采取相應(yīng)對策，揚(yáng)長避短，進(jìn)而取得比賽勝利。在羽毛球項目之外，技術(shù)統(tǒng)計已經(jīng)成為了籃球、足球、網(wǎng)球等賽事運(yùn)作的關(guān)鍵，甚至已經(jīng)形成了數(shù)字化體育的風(fēng)潮。這無論對臨場指揮比賽的教練員和運(yùn)動員及時獲取比賽數(shù)據(jù)，還是對體育科研工作者研究比賽與訓(xùn)練等都可以提供較大的便利。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 以音頻分析用于羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的可行性研究為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 錄像分析法 選取李在福的公開教學(xué)視頻進(jìn)行分析，利用Video converter軟件將wmv格式的視頻轉(zhuǎn)換為支持頻譜分析的wav格式的音頻，對照視頻，進(jìn)行頻譜分析。

1.2.2 專家訪談法 就本研究采訪了國內(nèi)外有關(guān)專家，以獲取建設(shè)性的意見和建議，為本研究的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

1.2.3 文獻(xiàn)資料法 從中國知網(wǎng)、北京體育大學(xué)圖書館、北京交通大學(xué)圖書館查閱了約80篇與本研究相關(guān)的文獻(xiàn)資料，為本文研究奠定理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的背景

2.1.1 我國羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的發(fā)展情況 傳統(tǒng)的羽毛球統(tǒng)計方法是，比賽后，采用一邊通過播放軟件慢放羽毛球比賽錄像、一邊在統(tǒng)計表相應(yīng)的技術(shù)選項中劃“正”字的方式進(jìn)行統(tǒng)計輸入，最后再數(shù)清各項技術(shù)的“正”字并輸入電腦，一場比賽通常要花費(fèi)4～5h，然后將這些數(shù)據(jù)以電子表格的形式表現(xiàn)出來，繼而進(jìn)行分析研究。這種統(tǒng)計手段存在耗時、耗力、滯后、誤差大等問題，阻礙了羽毛球技術(shù)統(tǒng)計結(jié)果的應(yīng)用。更為重要的是，在臨場比賽中，由于手工統(tǒng)計的限制，只能進(jìn)行簡單的發(fā)球、接發(fā)球或最后得失分等情況統(tǒng)計，幾乎不可能將每拍的具體情況統(tǒng)計出來。這些簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與教練員、運(yùn)動員臨場指揮應(yīng)變所需要的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。

2012 年在青島的蘇迪曼杯的比賽直播時，首次使用了由北京體育大學(xué)羽毛球團(tuán)隊研發(fā)的“羽毛球比賽數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，此系統(tǒng)輸入的信息量較大，將雙方運(yùn)動員的擊球技術(shù)、擊球位置、落點(diǎn)、線路、最后得分等進(jìn)行統(tǒng)計分析。這樣的輸出結(jié)果能得到雙方選手每拍擊球的擊球位置、技術(shù)、線路、落點(diǎn)、得分等信息，能較全面地反映出場上雙方運(yùn)動員的比賽過程，較之前有了較大的進(jìn)步。作者在做碩士論文《世界優(yōu)秀羽毛球女子雙打選手技戰(zhàn)術(shù)特征對比分析》時就使用了此系統(tǒng)，較全面地分析了世界排名前5名的女子雙打運(yùn)動員的技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)。

2.2.2 國際羽聯(lián)官網(wǎng)采用的羽毛球技術(shù)統(tǒng)計方法 目前國際羽聯(lián)官網(wǎng)使用的統(tǒng)計方法是人工統(tǒng)計運(yùn)動員的得分技術(shù)，包括后場進(jìn)攻得分（smash winner）、網(wǎng)前得分（net winner）、控球得分（clear winner）、其他（other）、最多連續(xù)得分（most consecutive points）、局點(diǎn)數(shù)（game points）、總分（total points played）、總得分（total points won）等，以表格的形式表現(xiàn)出來。表1是2013年的世界錦標(biāo)賽上女單的決賽統(tǒng)計表格，我國的奧運(yùn)冠軍李雪芮對陣泰國的拉特查諾（Ratchanok Inthanon）。由下表可以看出拉特查諾的凈勝分為6分，李雪芮在網(wǎng)前得分和進(jìn)攻得分方面都落后于對手，控球得分等方面雙方基本一致。通過此表格得出的結(jié)論是李雪芮要加強(qiáng)網(wǎng)前得分和進(jìn)攻得分的能力。

2.2 音頻分析用于羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的可行性研究 研究初始，選取了公開教學(xué)視頻作為音頻資料，對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為可以被音頻分析軟件使用的wav格式，然后對照視頻資料，將擊球的聲音截取出來，利用Audacity軟件對該音頻資料進(jìn)行頻譜分析。將數(shù)種技術(shù)進(jìn)行歸類匯總，建立不同技術(shù)的頻譜庫。然后分別對這些頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，統(tǒng)計每段音頻的的主頻率和分貝數(shù)，最后利用Sigmal plot軟件進(jìn)行匯總分析，以箱型圖表現(xiàn)出來。

表1 2013年世界錦標(biāo)賽女單決賽統(tǒng)計

在本研究中，選取了羽毛球技術(shù)中比較有代表性的4項技術(shù)：殺球、抽球、撲球、搓球。通過直觀分析，認(rèn)為這4項技術(shù)的聲音不同，最明顯的就是殺球聲音最大，搓球聲音最小，抽球、撲球居中。同時作者利用聲波來分析他們的頻譜，以期發(fā)現(xiàn)其中的主頻率的不同。

2.2.1 研究資料的選取 首先選取公開視頻作為研究對象，主要基于以下幾個理由：

1）擊球示范的教練一般技術(shù)比較好，同一技術(shù)動作每次擊球的質(zhì)量變化較小。

2）公開的教學(xué)視頻中，教練員基本在定點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)示范動作、定點(diǎn)擊球，而且對于同一個技術(shù)動作會進(jìn)行多次示范。

3）錄音設(shè)備和攝像機(jī)的位置相對擊球位置固定。

4）一般選擇wmv格式的公開教學(xué)視頻，即微軟視頻格式，此格式音頻保真較好。

2.2.2 利用Video converter軟件將wmv格式的視頻轉(zhuǎn)換為支持頻譜分析的wav格式的音頻 在Video converter軟件中將視頻導(dǎo)入后，將預(yù)置方案設(shè)為wav輸出格式，將視頻軟件轉(zhuǎn)換為音頻wav格式。

2.2.3 對照視頻資料，利用Audacity軟件對音頻資料進(jìn)行頻譜分析 音頻信號的頻譜分析主要是對音頻信號的進(jìn)行傅里葉變換（FT），對音頻信號在頻率域內(nèi)的特征進(jìn)行分析。如，在頻域內(nèi)，主頻率主要反映音頻信號的頻率范圍內(nèi)，信號中能量釋放最大的信號頻率，該特征參數(shù)可以主要和音頻的源特征相關(guān)。

基于以上目的，通過對比國內(nèi)外的各種頻譜分析軟件，比較專業(yè)、經(jīng)濟(jì)、有效率等，選擇了Audacity這一軟件，Audacity是1款跨平臺的音頻編輯軟件，用于錄音和編輯音頻，是自由、開放源代碼的軟件，它是由一群志愿者開發(fā)，在GNU通用公用許可證 （GPL）下發(fā)布的自由軟件，可在Mac OS X、Microsoft Windows、GNU/ Linux和其他操作系統(tǒng)上運(yùn)作。它可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場錄音；將磁帶和錄音帶轉(zhuǎn)錄為數(shù)字錄音或CD；編輯Ogg Vorbis、MP3及wav音頻文件；剪切、拷貝、接合及混音；改變錄音的速率或音高。Audacity在2004年7月獲選為SourceForge.net當(dāng)月最佳推薦項目，2007年7月選多媒體類的SourceForge.net 2007 社區(qū)選擇大獎。

基于此軟件是開放源代碼、易于現(xiàn)場錄音、格式轉(zhuǎn)換、剪切拷貝等理由，選擇了Audicity做為本課題的頻譜分析軟件，將wav格式的音頻資料導(dǎo)入Audacity軟件。

對照視頻，根據(jù)時間，將擊球時的音頻截取出來（圖1、圖2）。

圖1 Audacity頻譜分析—?dú)⑶?/p>

圖2 Audacity 頻譜分析截取—?dú)⑶?/p>

對該段音頻進(jìn)行頻譜分析，讀取主頻率的峰值，即擊球的最高頻率值，和分貝數(shù)，圖3可以看出該次殺球的最高頻率為1162HZ，分貝數(shù)為-24.3dB。

圖3 頻譜分析——主頻率峰值讀取

2.2.4 羽毛球技術(shù)聲波數(shù)據(jù)庫的建立

1）按照上述方法將每項技術(shù)的聲音頻譜數(shù)據(jù)做成表格列出來進(jìn)行分析（表2）。

表2 殺球頻譜分析數(shù)據(jù)

2）將頻譜分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

各項羽毛球擊球技術(shù)中選取具有代表性的殺球、抽球、撲球、搓球作為研究對象進(jìn)行分析，據(jù)經(jīng)驗，殺球的主頻率應(yīng)該是最高的，搓球應(yīng)該是最低的（表3）。

3）對殺球、抽球、撲球及搓球技術(shù)的數(shù)據(jù)分析。

對4項技術(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)分析，將均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差、誤差、置信區(qū)間等進(jìn)行分析對比（表4）。

2.2.5 利用Sigmal plot對主頻率進(jìn)行綜合對比分析 Systat SigmaPlot是1款專業(yè)的科學(xué)繪圖軟件，且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能：從簡單描述統(tǒng)計到復(fù)雜回歸分析、從基本假設(shè)檢驗到復(fù)雜的重復(fù)測量方差分析。具體如雙單側(cè)t檢驗、F檢驗、曲線線性、非線性擬合、殘留曲線、高斯累積分布等，非線性擬合包括多項式擬合、峰形擬合、S型擬合、指數(shù)衰減、增加擬合、波形擬合、冪函數(shù)擬合、對數(shù)擬合、三維擬合。

基于本研究目的，我們選擇了利用Sigmal plot對4項技術(shù)以箱型圖的形式表現(xiàn)出來。根據(jù)圖4可以看出不同技術(shù)所屬的頻譜段明顯不同，頻率最高的為殺球，其次為抽球和撲球，最低的是搓球。由此可得出，在今后的技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計中，我們可以建立每項技術(shù)的數(shù)據(jù)庫，即每項技術(shù)所屬的頻譜段，如圖4所示的殺球的頻譜段在1 100赫茲以上，抽球的頻譜段在900～1 100赫茲之間，撲球的頻譜段在500～600赫茲之間，搓球則主要分布在300～400赫茲之間，在比賽時，當(dāng)擊球聲音出現(xiàn)時，該聲音的頻譜歸屬為哪一頻譜段即為哪項技術(shù)，這樣省去了大量繁瑣的統(tǒng)計程序。如，當(dāng)某一擊球聲音顯示為600赫茲，則該聲音則為撲球（見圖4）。

2.3 音頻分析與羽毛球技術(shù)統(tǒng)計結(jié)合的可行性分析 羽毛球比賽是由運(yùn)動員千變?nèi)f化的技術(shù)和技術(shù)的組合構(gòu)成，羽毛球技術(shù)統(tǒng)計也正是統(tǒng)計這些技術(shù)。目前世界上幾乎所有的技術(shù)統(tǒng)計都還是人工統(tǒng)計階段，在前面對國內(nèi)外羽毛球技術(shù)統(tǒng)計現(xiàn)狀的研究中發(fā)現(xiàn)，“羽毛球比賽數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)”能得到雙方每拍擊球的擊球位置、技術(shù)、線路、落點(diǎn)等信息，同時能得到雙方選手的每拍的技術(shù)對應(yīng)情況，能較全面地反映出場上雙方運(yùn)動員的比賽過程，但是該系統(tǒng)的信息反饋不夠及時，只能在賽后得出結(jié)果。國際羽聯(lián)使用的統(tǒng)計方法信息量小，只能看到最后得分情況，很難反映出比賽過程。無論哪種統(tǒng)計方法，基本上都是人工統(tǒng)計，存在效率較低、有差錯等問題，造成無法進(jìn)行臨場分析或者無法統(tǒng)計出更多的信息。因此，迫切需要對自動、全面、高效技術(shù)統(tǒng)計展開研究。

表3 羽毛球技術(shù)主頻率和分貝數(shù)

表4 羽毛球技術(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析

圖4 Systat SigmaPlot箱形

從事羽毛球活動時，經(jīng)驗豐富的運(yùn)動員和教練員可以根據(jù)擊球的聲音對擊球的質(zhì)量進(jìn)行基本的判斷給了作者以啟發(fā)。任何羽毛球擊球的聲音的出現(xiàn)都是由球拍和球互相作用而產(chǎn)生的。借鑒音頻分析，每次擊球的聲音都應(yīng)該有它的聲音波形，并且可以進(jìn)行相對應(yīng)的強(qiáng)度和主頻率等參數(shù)分析。聲音強(qiáng)度的分貝值取決于聲音的大小，分貝數(shù)一般受聲音記錄的距離影響；而主頻率則主要取決于聲音的能量釋放方式，個體特征比較明顯，基本不受聲音記錄影響。因此，可以說每種擊球技術(shù)的聲音不同，主要體現(xiàn)在了每種技術(shù)的聲音的主頻率不同。

因此，作者考慮將音頻分析引入羽毛球技術(shù)統(tǒng)計中，利用不同擊球技術(shù)的聲音頻率不同來區(qū)別他們，并進(jìn)行擊球點(diǎn)定位。在技術(shù)統(tǒng)計中嘗試自動統(tǒng)計代替人工統(tǒng)計，改進(jìn)人工輸入所帶來的數(shù)據(jù)結(jié)果滯后、臨場統(tǒng)計信息量不足的弊病。可以讓教練員、運(yùn)動員以及現(xiàn)場媒體可以及時的得到數(shù)據(jù)，便于教練員和運(yùn)動員進(jìn)行下一步的戰(zhàn)略部署和調(diào)整，現(xiàn)場的電視直播工作人員也可以及時拿到更詳盡的數(shù)據(jù)對比賽進(jìn)行分析講解。因此，作者對音頻分析用于羽毛球技術(shù)統(tǒng)計的可行性進(jìn)行研究，以期為技術(shù)統(tǒng)計帶來新的突破。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1）實(shí)驗表明，殺球、抽球、撲球、搓球的音頻主頻率存在明顯差異。殺球的頻譜段在1 100赫茲以上，抽球的頻譜段在900～1 100赫茲之間，撲球的頻譜段在500～600赫茲之間，搓球則主要分布在300～400赫茲之間。

2）可以預(yù)見在技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計分析過程中，可以將擊球聲音的主頻率分析作為擊球種類快速識別的工具。

3.2 建議

1）在本研究中，作者意識到了擊球音頻質(zhì)量有限，統(tǒng)計分析過程比較復(fù)雜等不足。

2）在之后的研究中建議考慮采用專業(yè)的音頻設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，專業(yè)的音頻分析軟件，提高統(tǒng)計分析的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)簡單有效快速的羽毛球技術(shù)統(tǒng)計方法，為羽毛球?qū)崟r技術(shù)統(tǒng)計開辟新方向。

［1］郭曉培.世界優(yōu)秀羽毛球女子雙打運(yùn)動員技戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用特征的分析研究［D］.北京：北京體育大學(xué)， 2012.

［2］郭曉培.二元分析在羽毛球技戰(zhàn)術(shù)統(tǒng)計方法中的應(yīng)用［C］.第十屆全國高校羽毛球論文報告會，2013.

［3］林立文.我國高校高水平羽毛球隊的可持續(xù)發(fā)展的對策性研究［D］.北京： 北京體育大學(xué)，2010.

［4］Audicity.sourceforge.Project of the Month［J］.july 2004，44：96-106.

［5］倪寧，盧剛.基于音頻分析的視頻場景檢測［J］.計算機(jī)仿真， 2006，8：184-187.

［6］苗耀鋒.基于音頻分析的足球視頻摘要系統(tǒng)分析研究［J］.西北大學(xué)， 2010，36（2）：66-68.

Feasibility Study on Audio Analysis Application in Badminton Technique Statistics

ZHENG Chao， GUO Xiao-pei
（Physical Education Department， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Scientific and effective technique and tactic statistical method is a powerful guarantee for badminton technique research， especially in competition. Coach and player's timely obtaining of technique and tactic statistics of competition process may be key to coming competition victory. With Li Zaifu's teaching video as research object， transferring wmv format video to wav format audio supporting spectral analysis through video analysis software， contrasting with video literature， adopting Audacity software spectrum analysis to set up badminton acoustic database， using Sigmal plot comprehensive comparison and analysis of main frequency of sound wave in database， this thesis finds out that spectrum of smash is over 100 hertz， drive is between 900-1100 hertz， catching is between 500-600 hertz， chop is between 300-400 hertz， obvious audio main frequency difference exists among smash， drive， catching and chop. Therefore， in process of technique and tactic statistics analysis， hit ball sound main frequency analysis can be tool of hit type quick identification， reaching data input automation and result output rapidness.

badminton； hit ball sound； audio

G847

A

1004-7662（2015 ）06- 0051- 05

2015-02-25

教育部優(yōu)秀青年教師資助計劃項目（項目編號：O13JB00100）。

鄭超，教授，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。