李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

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基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App設(shè)計

李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

（沈陽工業(yè)大學 理學院，遼寧 沈陽 110870）

乒乓球訓(xùn)練是一個由多種因素構(gòu)成的多層次的復(fù)雜體系, 需要通過科學的訓(xùn)練，才能使運動員全面、準確、熟練地掌握乒乓球運動的各項技術(shù)。基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)App是以數(shù)據(jù)分析為核心，智能設(shè)備為基礎(chǔ)的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括訓(xùn)練中心、熱點中心、個人中心等功能，實現(xiàn)了個人訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可視化，技術(shù)水平評價的定量化，讓球員訓(xùn)練更加專業(yè)有效。

數(shù)據(jù)智能；數(shù)據(jù)分析；數(shù)學模型；移動應(yīng)用

0 引言

乒乓球訓(xùn)練是一個由多種因素構(gòu)成的多層次的復(fù)雜體系[1]，需要通過科學的訓(xùn)練，才能使運動員全面、準確、熟練地掌握乒乓球運動的各項技術(shù)。智能設(shè)備應(yīng)用廣泛，先進的智能設(shè)備可以直接獲取關(guān)鍵的運動數(shù)據(jù)[2]，在體育運動方面有巨大的應(yīng)用價值。對于乒乓球個人訓(xùn)練，采用智能設(shè)備與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式，使數(shù)據(jù)獲取更加準確，數(shù)據(jù)分析更有效。

1 智能設(shè)備設(shè)計

（1）搭建運動傳感器的硬件平臺

智能設(shè)備[3]運動捕捉系統(tǒng)模型包含終端節(jié)點和主機節(jié)點，終端節(jié)點將節(jié)點姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到主機節(jié)點。

終端節(jié)點主要包括四個部分：微處理器單元（MCU），IMU單元，電源管理模塊和無線收發(fā)模塊。需要實現(xiàn)包括傳感數(shù)據(jù)采集、無線通信、姿態(tài)角度解算和電量監(jiān)測的功能；MCU控制IMU單元的數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)角解算、鋰電池電量監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)收發(fā)；電源管理模塊進行電平轉(zhuǎn)換后提供各模塊所需的電壓；無線收發(fā)模塊負責完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

主機節(jié)點是整個傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與后臺的接口，所有節(jié)點的數(shù)據(jù)都經(jīng)過主機節(jié)點傳給后臺，從數(shù)據(jù)量上來看，主機節(jié)點的任務(wù)是最重的。

（2）對傳感器原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理

傳感器存在噪聲大的缺點影響捕捉精度，必須有相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法來對原始數(shù)據(jù)進行去噪。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括加速度計數(shù)據(jù)預(yù)處理、陀螺儀數(shù)據(jù)預(yù)處理、磁力計數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖1 終端節(jié)點運動框圖

圖2 主機節(jié)點移動框圖

（3）對傳感器進行誤差建模，標定和校準

為了提高傳感器數(shù)據(jù)精度和可靠程度，需要對傳感器誤差進行標定[4]。標定數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，因此標定為靜態(tài)和動態(tài)標定后，可得到傳感器相應(yīng)誤差模型參數(shù)，根據(jù)傳感器誤差模型，便可對傳感器進行補償，這個過程稱為校準，通過該過程可提高傳感器的精度。

（4）傳感器姿態(tài)解算

傳感器目的是采集球拍在三維空間的運動軌跡等數(shù)據(jù)，需要對獲得的傳感器數(shù)據(jù)進行解算，得到其姿態(tài)角數(shù)據(jù)，根據(jù)該角度數(shù)據(jù)便可得到傳感器在三維空間中的運動軌跡。需要對傳感器姿態(tài)矩陣進行解算，常用歐拉角法和四元數(shù)法兩種方法來進行姿態(tài)解算[5]。

圖3 傳感器實現(xiàn)流程圖

2 數(shù)據(jù)分析過程

（1）描述性分析：用戶的特點

通過傳感器測量得到每個用戶的初始數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。其為訓(xùn)練系統(tǒng)提供了重要指標和評價的衡量方法[6]。

（2）診斷性分析：用戶特點形成原因

對傳感器得到的原始數(shù)據(jù)進行分析，對混亂的數(shù)據(jù)進行分離，鉆取數(shù)據(jù)的核心，實現(xiàn)對每個用戶的初步評估。

（3）預(yù)測性分析：用戶經(jīng)過訓(xùn)練后的成效

對診斷分析得到的初步評估進行預(yù)測，得出用戶經(jīng)過訓(xùn)練后的可能性以及可能的能力提高，得到一個預(yù)測值。該預(yù)測能夠幫助系統(tǒng)做出更好決定，得到一個更適合該用戶的訓(xùn)練方案。

（4）指令性分析：用戶的需求

指令模型基于對“用戶有什么特點”、“為什么有這種特點”和“訓(xùn)練后會提高什么技能”的分析，依據(jù)預(yù)測結(jié)果來選定最佳的方案和策略，采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)得到更加精確的決策。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程圖

3 數(shù)學模型

通過層次分析法[7]建立一個對用戶乒乓球水平的評價體系，對傳感器得到的每個三級指標進行診斷性分析。再根據(jù)每個三級指標對二級指標的權(quán)重和二級指標對綜合能力的權(quán)重，得到對用戶的乒乓球水平的評價；從而進行指令性分析，用得到的評價來選定最佳的訓(xùn)練方案和方法。

圖5 評價模型圖

在用戶使用量不斷增大的過程中，數(shù)據(jù)量也不斷增大，對大數(shù)據(jù)進行分析處理，不斷優(yōu)化模型權(quán)重參數(shù)，最終得到更好的合適的評價模型。數(shù)學模型與移動應(yīng)用相結(jié)合，使用戶的個人評價更加準確，讓用戶對自己的水平有一個準確的認知。

4 App總體設(shè)計

（1）訓(xùn)練中心：功能包含統(tǒng)計分析、查看歷史數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測、今日評價。

首先，用戶當日的訓(xùn)練量將在統(tǒng)計分析功能中顯示出來，主要分發(fā)球、弧圈球、推撥球三類[8]。每一項的訓(xùn)練數(shù)量和完成度百分比將顯示在界面上，用戶還可點擊查看每一項的具體情況。

其次，用戶可以隨時查詢個人的歷史記錄，其中有近期訓(xùn)練時間的折線圖、累計訓(xùn)練時間和訓(xùn)練分析。此外，用戶可以實時查詢訓(xùn)練情況，比如用戶剛打完一場比賽，可以利用此功能查詢每一球的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用智能設(shè)備采集，其中包括能量消耗、擊球角度、揮拍速度及3D模擬軌跡。

最后，用戶一天的訓(xùn)練結(jié)束后，根據(jù)統(tǒng)計分析中的數(shù)據(jù)給出當日的訓(xùn)練評價并呈現(xiàn)出來，供用戶參考。

（2）熱點中心：熱點中心模塊將相關(guān)乒乓球的推薦內(nèi)容結(jié)合在一起，可以讓用戶更加了解乒乓球這項運動，具體功能包括及時發(fā)布乒乓球比賽信息、分享優(yōu)質(zhì)比賽視頻、推薦高手教學視頻、提供精品球技文章。用戶可以通過該模塊獲取大量有關(guān)乒乓球的信息。

（3）個人中心：該模塊主要包含個人資料、周計劃和好友比拼三個部分。

個人資料用來記錄用戶的個人數(shù)據(jù)，周計劃讓用戶自己設(shè)定自己的周訓(xùn)練量，起到督促訓(xùn)練的作用。

好友比拼：該部分主要實現(xiàn)了三個功能。一是將用戶與好友進行排名，讓用戶了解到自身的訓(xùn)練排名；二是查看他人數(shù)據(jù)并提供關(guān)注好友的功能，讓用戶有選擇性地挑選自己感興趣的好友進行關(guān)注；三是為用戶提供聊天平臺，讓他們可以交流心得、體會。

5 UI設(shè)計

基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App不僅在算法上進行研究，同時對界面進行詳細設(shè)計，設(shè)計出善于操作的界面，下面就部分界面進行介紹。

熱點中心：通過用TextView和ImageView控件將圖文信息顯示在文章和公告中，用VideoView控件實現(xiàn)教學視頻和比賽視頻的播放，見圖6。

訓(xùn)練中心：將從智能設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計，用圖表控件MPAndroidChart制成折線圖，更加直觀的記錄用戶數(shù)據(jù)，見圖7。

圖6 熱點中心

圖7 訓(xùn)練中心

圖8 個人中心

個人中心：用listView控件顯式個人可操作的功能，點擊查看各種信息。

6 結(jié)論

本文通過智能設(shè)備+數(shù)據(jù)分析，數(shù)學建模+移動應(yīng)用，提出新的乒乓球訓(xùn)練方式，建立一套高效的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)。通過智能設(shè)備的高靈敏度，完整記錄用戶數(shù)據(jù)，用高效的數(shù)據(jù)處理方法，對初始數(shù)據(jù)進行分析處理。通過數(shù)學模型建立用戶水平評價體系，在App上，展示數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，實現(xiàn)了個人訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可視化，技術(shù)水平評價的定量化，讓球員訓(xùn)練更加專業(yè)有效。

[1] 劉健. 乒乓球訓(xùn)練中諸關(guān)系研究[J]. 南京體育學院學報(自然科學版), 2008(03): 49-50.

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Table Tennis Training App Design Based on "Data Intelligence"

LI Da-wei, DU Hong-bo, YUE Sai, ZHOU Xiao-lin, LU Yu-cheng

(School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Table tennis training is a multi-level complex system composed of many factors. Only through scientific training can athletes comprehensively, accurately and skillfully master all the techniques of table tennis. Table tennis training system based on data "smart" App is based on the data analysis as the core, the intelligent device on the basis of table tennis training system, the system includes training center, hot spot center, personal, and other functions, to achieve the personal training data visualization, technology level in the quantification of evaluation, let the player more professional and effective training.

Data intelligence; Data analysis; Mathematical model; Mobile application

TP31

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.006

遼寧省教育科學“十三五”規(guī)劃項目(JG16DB336)；2019年沈陽工業(yè)大學“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目(2019018)

李大偉(1998-)，男，沈陽工業(yè)大學理學院本科生；杜洪波(1977-)，男，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與應(yīng)用；岳賽(1997-)，男，沈陽工業(yè)大學理學院本科生；周孝林(1998-)，男，沈陽工業(yè)大學理學院本科生；盧宇成(1998-)，男，沈陽工業(yè)大學理學院本科生。

李大偉，杜洪波，岳賽，等. 基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App設(shè)計[J]. 軟件，2018，39（12）：23-27