羅明

摘 要 將傳感裝置集成到籃球等體育器材中，在測(cè)量成績(jī)、訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員和鼓勵(lì)參與方面具有巨大潛力。這些創(chuàng)新的交互式工具提供實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，用于收集和分析體育數(shù)據(jù)，并可為教練員和運(yùn)動(dòng)員提供有效的支持。本文設(shè)計(jì)了一種裝備了新型傳感器的智能籃球，其規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)籃球相同，僅添加了一個(gè)傳感器，通過(guò)智能手機(jī)或平板電腦設(shè)備應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)提供有關(guān)投籃弧度、投籃速度和運(yùn)球次數(shù)的數(shù)據(jù)。本研究的目的是確定傳感器的準(zhǔn)確性，并結(jié)合了投籃弧度和帶球視頻分析軟件。這項(xiàng)新技術(shù)可以重新定義球員的訓(xùn)練方式，并可以用鼓勵(lì)創(chuàng)造性的方法來(lái)練習(xí)和實(shí)施計(jì)劃。

關(guān)鍵詞 視頻分析 傳感器 性能分析 實(shí)時(shí)反饋 智能籃球

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）05-0001-03

1 前言

體育運(yùn)動(dòng)在很大程度上由于先進(jìn)技術(shù)的融合而不斷變化[1]。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展允許運(yùn)動(dòng)員走得更高，走得更快，更重要的是更安全。技術(shù)創(chuàng)新不僅改進(jìn)了各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所使用的產(chǎn)品和服裝，而且在運(yùn)動(dòng)員研究自己（和對(duì)手）的表現(xiàn)以及如何從教練那里獲得反饋方面也有了重大發(fā)展[2]。運(yùn)動(dòng)技術(shù)是運(yùn)動(dòng)員為提高整體運(yùn)動(dòng)成績(jī)而努力改善訓(xùn)練和比賽環(huán)境的科學(xué)手段。實(shí)時(shí)、快速的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)收集和分析反饋系統(tǒng)為教練員和運(yùn)動(dòng)員提供了創(chuàng)新、有效的支持[3]。運(yùn)動(dòng)的成功促使教練員不斷尋找新的技術(shù)和工具來(lái)提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。這導(dǎo)致了技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的普及和應(yīng)用。然而，“虛擬教練”的概念只是隨著對(duì)教練反饋要求的不斷提高而發(fā)展的[4]。

籃球技術(shù)中的智能因素會(huì)隨著籃球傳感器的推出而上升，例如InfoMotion公司制造的世界上第一款智能籃球在2014年的消費(fèi)電子展上獲獎(jiǎng)。此后其他嵌入儀表的各類球也加入了市場(chǎng)，例如阿迪達(dá)斯智能球以及智能保齡球等[5]。本研究旨在驗(yàn)證投籃弧度測(cè)量的有效性和可靠性以及運(yùn)球計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 智能籃球總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能籃球具有與標(biāo)準(zhǔn)籃球相同的規(guī)格，并包含一個(gè)傳感器，該傳感器提供有關(guān)藍(lán)球弧度（角度）的數(shù)據(jù)、投籃速度、射弧與速度復(fù)合以及運(yùn)球次數(shù)。通過(guò)藍(lán)牙連接到智能設(shè)備、平板電腦或智能手機(jī)，操作系統(tǒng)則使用Android或IOS。通過(guò)智能設(shè)備，球員可以看到自己的表現(xiàn)，并在投籃或運(yùn)球后收到簡(jiǎn)短的提示和評(píng)論。反饋包括對(duì)弧度數(shù)據(jù)的評(píng)論和對(duì)運(yùn)球測(cè)試的反饋，然后使用視頻分析系統(tǒng)來(lái)比較結(jié)果。Dartfish視頻分析系統(tǒng)是一個(gè)視頻計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，允許參賽者從數(shù)碼相機(jī)捕獲視頻片段，逐幀播放視頻，并分析視頻。

3 智能籃球設(shè)計(jì)

3.1 智能籃球

智能籃球如圖1所示，智能籃球是一個(gè)室內(nèi)/室外橡膠球，里面有9個(gè)加速計(jì)且放在一塊重量不到20克的電路板上。傳感器可以檢測(cè)力（360度視圖）、速度、球旋轉(zhuǎn)和球弧。此外，傳感器還可以測(cè)量充氣物體（球）與表面接觸的角度，智能籃球中的傳感器幾乎不會(huì)影響球的重量或旋轉(zhuǎn)。此外，傳感器能夠承受運(yùn)球、籃板和籃圈投籃以及傳給其他球員的沖擊。球打起來(lái)時(shí)的感覺(jué)和就像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的籃球。這些傳感器可與Android和IOS協(xié)同工作。

3.2 無(wú)線充電

智能籃球使用無(wú)線充電，充電板如圖2所示，電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)，用來(lái)收集信息的任何設(shè)備都有90英尺的距離。無(wú)線充電器基于磁感應(yīng)原理，無(wú)線充電技術(shù)可使電力在短距離內(nèi)有效傳輸至設(shè)備。

3.3 應(yīng)用程序

iOS和Android版本適用于智能籃球，該應(yīng)用程序分為“技能培訓(xùn)”和“鍛煉”模式（如圖3所示）。投籃訓(xùn)練模式的重點(diǎn)是釋放時(shí)間和準(zhǔn)確性。它從最基本的層面開(kāi)始，球員們每一步都更難實(shí)現(xiàn)目標(biāo)（投籃更多，釋放更快）。運(yùn)動(dòng)員在一次練習(xí)中站立不動(dòng)，在下一次練習(xí)中移動(dòng)，一次從15英尺（4.6米）開(kāi)始，另一次從20英尺（6.1米）開(kāi)始;每個(gè)練習(xí)由10次投籃組成。對(duì)于弧線、后旋和釋放速度，在觀察和測(cè)量?jī)?yōu)秀選手后，為每一位選手校準(zhǔn)了一個(gè)最佳范圍。對(duì)于射弧，最佳射程估計(jì)在42到48度之間（45度被認(rèn)為是完美的）。對(duì)于后旋，理想的情況是在130到150轉(zhuǎn)/分之間。對(duì)于投籃釋放，小于0.7秒被認(rèn)為是非常好的，球幾乎能提供即時(shí)反饋，一次一個(gè)球或每次運(yùn)球都是基于技能的水平訓(xùn)練，隨著自身提高難度會(huì)更大。

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)收集于2021年3月6日開(kāi)始。數(shù)據(jù)收集工具可以使用DartfishTeampro軟件用于視頻分析、下載了軟件應(yīng)用程序的iPad、速度為每秒20幀的單反相機(jī)和本文設(shè)計(jì)的智能籃球。為了測(cè)量投籃弧度，記錄了5名籃球運(yùn)動(dòng)員在140次試射中，從不同位置投籃28次。運(yùn)球260次被錄像做了記錄。我們用分析軟件和Dartfish視頻分析之間的鏡頭角度可靠性系數(shù)α=0.998。在視頻分析和籃球比賽中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)運(yùn)球計(jì)數(shù)的差異。雖然鏡頭角度可靠性系數(shù)的α對(duì)于投籃弧度非常高，但詳細(xì)的分析顯示，在140個(gè)角度中有78個(gè)相同，59個(gè)在+/-1度范圍內(nèi)，3個(gè)在+/-3.5度范圍內(nèi)，單個(gè)投籃的弧度存在差異。參與者普遍喜歡收到關(guān)于他們表現(xiàn)的反饋。

4.1 運(yùn)球分析

運(yùn)球有兩種方式：站立和跑步。在比賽中，每個(gè)球員都被要求站著或跑著運(yùn)球10秒鐘。每一次運(yùn)球都被記錄在視頻中，并記錄了以下信息：球員的名字、試球次數(shù)、運(yùn)球次數(shù)和運(yùn)球類型。在Dartfish中，視頻以慢動(dòng)作播放，研究人員通過(guò)點(diǎn)擊Dartfish計(jì)數(shù)器手動(dòng)計(jì)算每次試驗(yàn)的運(yùn)球次數(shù)。

4.2 拍攝角度分析

基本上有兩種拍攝角度：釋放角度和進(jìn)入角度。投籃角度受投籃運(yùn)動(dòng)員身高、距籃圈距離等多種因素的影響。投入角變化較小，尤其是在遠(yuǎn)距離投籃時(shí)，進(jìn)入角是用來(lái)計(jì)算投籃角度的。傳感器用來(lái)測(cè)量一個(gè)充氣物體（球）與一個(gè)表面（籃球圈）接觸的角度，如圖4所示。

4.3 測(cè)量進(jìn)入角

用數(shù)碼單反相機(jī)記錄了五名籃球運(yùn)動(dòng)員在140次試射中從場(chǎng)地上的不同位置進(jìn)行的28次投籃。這些視頻隨后被導(dǎo)入了Dartfish軟件。在Dartfish軟件中，可以放大和縮小，逐幀查看視頻，并應(yīng)用角度測(cè)量工具來(lái)計(jì)算事件的角度。當(dāng)球接近邊緣時(shí)，可以暫停視頻并測(cè)量球和邊緣中間之間的角度。

5 結(jié)果

5.1 運(yùn)球測(cè)驗(yàn)的信度和效度

結(jié)果比較了從運(yùn)球計(jì)數(shù)與手動(dòng)計(jì)數(shù)開(kāi)始，使用軟件視頻回放和計(jì)數(shù)器，相關(guān)系數(shù)為1.0，計(jì)數(shù)相同。唯一的問(wèn)題是確定10秒的計(jì)數(shù)何時(shí)結(jié)束，此軟件提供了準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)。

5.2 投籃角度測(cè)驗(yàn)的信度和效度

對(duì)于拍攝角度，軟件被用來(lái)比較由智能籃球生成的角度和用Dartfish角度計(jì)算器得到的角度α=0.998。這被認(rèn)為是投射弧的一個(gè)非常高的相關(guān)性。然而，一個(gè)詳細(xì)的分析揭示了個(gè)別鏡頭在弧角上的一些差異。在測(cè)量的140個(gè)角度中，有78個(gè)角度完全匹配。140個(gè)角中有59個(gè)角在+/-1度范圍內(nèi)，其余三個(gè)角相差+/-3.5度。

6 討論

運(yùn)球是所有運(yùn)動(dòng)員都要練習(xí)的一項(xiàng)基本技能，無(wú)論是初學(xué)者還是精英。一個(gè)可以通過(guò)精確測(cè)量運(yùn)球次數(shù)和速度來(lái)提高球員表現(xiàn)的工具可能是一筆巨大的財(cái)富。智能籃球還根據(jù)45度的最佳弧角給出了角度測(cè)量的反饋。許多研究試圖確定最佳弧度。其中一些研究發(fā)現(xiàn)，最佳運(yùn)球角度會(huì)隨著運(yùn)球位置的變化而變化[6]。其他的研究試圖通過(guò)測(cè)量籃球的軌跡來(lái)確定球的最佳旋轉(zhuǎn)和角度[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]和杜文獻(xiàn)[9]對(duì)10000多名不同年齡和技能水平的籃球運(yùn)動(dòng)員的測(cè)量，最佳弧度是45度。智能籃球在投籃弧度測(cè)量中具有較高的精度。接收這些信息可能對(duì)教練和球員有好處，特別是如果實(shí)時(shí)提供。因此，智能籃球提供了可靠和準(zhǔn)確的信息以及即時(shí)反饋，包括球員在運(yùn)球和投籃角度。使用該工具是否真的能提高參與度和績(jī)效還有待觀察。

7 結(jié)論

智能籃球有許多分析工具，可以在實(shí)踐中用來(lái)激勵(lì)球員，特別是初學(xué)者。需要做更多的研究來(lái)檢驗(yàn)其他工具的信度和效度。此外，重要的是要確保所提供的反饋是相關(guān)的和有用的，包括記錄和呈現(xiàn)績(jī)效的能力。需要對(duì)這些工具的有效性進(jìn)行更多的研究，以吸引運(yùn)動(dòng)員并提高成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] J.M. Palao，P.A. Hastie，P.G. Cruz，E. Ortega，The impact of video technology on student performance in physical education，Technol Pedagogy Educ，2013：1-13.

[2]F.K. Fuss，Design of an instrumented bowling ball and its application to performance analysis in tenpin bowling，Sports Technol，2009，02：97-110.

[3]L. Wong，L.Katz，C. Chisamore，K. Huang，Virtual coaching： A new approach to athlete development through collectiong，storing，retrieving and effective utilization of visual databases over distance，in： 6th IACSS，2007，pp. 146，Calgary，Canada.

[4]M.J. Crowley，M. Maziarz，K. King，Electronic component enclosure for an inflated object，in，Google Patents，2014.

[5]C.M. Tran，L.M. Silverberg，Optimal release conditions for the free throw in mens basketball，J Sports Sci，2008，26：1147-1155.

[6] S. Miller，R. Bartlett，The relationship between basketball shooting kinematics，distance and playing position，J Sports Sci ，1996，14：243-253.

[7] H. Okubo，M. Hubbard，Identification of basketball parameters for a simulation model，Proc Eng，2010，02：3281-3286.

[8] M. Austin，Building the perfect arc，in： Winning Hoops，Sparta，MI，2010.

[9] D. Knudson，F(xiàn)undamentals of biomechanics，Springer Science & Business Media，2007.