董延豐 張睿旸 徐雯雯

（鄭州大學(xué) 河南 鄭州 450001）

1、研究目的

籃球作為一項備受矚目的體育運動，一直以來都對運動員的技術(shù)要求提出了挑戰(zhàn)。其中，投籃姿勢的準(zhǔn)確性和效率對于命中率的提高至關(guān)重要。然而，如何提高籃球運動員的投籃技術(shù)一直是一項復(fù)雜的任務(wù)，需要深入的分析和專業(yè)的訓(xùn)練。在過去的幾年中，隨著科技的快速發(fā)展，智能設(shè)備和計算機視覺技術(shù)的應(yīng)用為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)提供了新的機會。本研究旨在探索一種創(chuàng)新的籃球技術(shù)訓(xùn)練方法，通過結(jié)合視覺處理算法和外骨骼捕捉技術(shù)，開發(fā)一種名為“籃球基礎(chǔ)技術(shù)捕捉對比輔助訓(xùn)練系統(tǒng)”的工具，這個系統(tǒng)不僅可以捕捉運動員在投籃過程中的關(guān)鍵點位，還可以分析其姿勢與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的差異，并提供專項訓(xùn)練報告，旨在改進投籃動作并提高命中率。

2、研究價值

首先，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以利用傳感器和算法，捕捉到運動員的籃球操作細節(jié)，記錄運動軌跡、投籃力度、球速等信息，通過數(shù)據(jù)分析為運動員提供精準(zhǔn)的訓(xùn)練反饋和建議，使訓(xùn)練更加高效；其次，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以通過視頻分析技術(shù)，為運動員提供全面的籃球操作表現(xiàn)評估，包括投籃命中率、失誤次數(shù)、助攻次數(shù)等數(shù)據(jù)，使教練員能夠更加全面地了解運動員的表現(xiàn)，及時調(diào)整訓(xùn)練計劃，提高訓(xùn)練質(zhì)量；再次，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以減少教練員的工作量，減輕他們的負(fù)擔(dān)，讓他們有更多的時間和精力投入到高水平籃球運動員的培養(yǎng)中。同時，通過智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備進行訓(xùn)練也可以減少場地租賃和器材消耗等成本，提高訓(xùn)練的效益。并且，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)是科技與體育深度融合的體現(xiàn)，它不僅可以提高籃球訓(xùn)練的效率和水平，還可以為其他體育項目的訓(xùn)練提供借鑒和參考，推動體育事業(yè)的快速發(fā)展。而且，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)涉及到傳感器、算法、數(shù)據(jù)分析等多個領(lǐng)域的技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)鏈上下游也將因此得到發(fā)展。例如，傳感器制造商、數(shù)據(jù)分析公司、軟件開發(fā)企業(yè)等都將受益于智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的發(fā)展，進一步推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。這項研究具有潛在的價值，可以為籃球運動員提供更有效的技術(shù)改進和培訓(xùn)工具。本文將詳細介紹我們的研究方法和系統(tǒng)設(shè)計，以及其在籃球技術(shù)改進方面的應(yīng)用。這一創(chuàng)新性方法將有助于解決訓(xùn)練資源有限、人員聚集不便以及實時技術(shù)指導(dǎo)等問題，從而為籃球運動員提供更多機會提高其技能水平。

3、研究現(xiàn)狀分析

3.1、關(guān)于籃球技術(shù)訓(xùn)練的研究

籃球技術(shù)提高一直是教練和運動員們不懈追求的目標(biāo)。過去的研究已經(jīng)強調(diào)了正確的投籃姿勢和動作對于提高投籃命中率的重要性。然而，傳統(tǒng)的籃球訓(xùn)練方法在提供實時反饋和精確數(shù)據(jù)分析方面存在一些限制。隨著計算機科學(xué)和計算機視覺技術(shù)的迅速發(fā)展，研究人員開始嘗試將智能技術(shù)應(yīng)用于籃球技術(shù)訓(xùn)練中。其中一個關(guān)鍵領(lǐng)域是視覺處理算法的應(yīng)用。以往的研究表明，這些算法可以用于捕捉運動員在運動過程中的關(guān)鍵點位，從而提供寶貴的數(shù)據(jù)用于分析投籃姿勢。例如，使用計算機視覺技術(shù)來跟蹤手部運動軌跡。這種方法為運動員提供了實時反饋，但仍然需要進一步的發(fā)展，以提供更精確的數(shù)據(jù)和分析。另一個重要的領(lǐng)域是外骨骼捕捉技術(shù)的應(yīng)用。外骨骼捕捉技術(shù)可以用于跟蹤運動員的身體姿勢，包括關(guān)節(jié)的運動。一些研究已經(jīng)展示了外骨骼捕捉技術(shù)在分析運動員投籃姿勢方面的潛力。例如，王珂在《基于動作捕捉系統(tǒng)的下肢骨骼步態(tài)規(guī)劃研究》一文中提到捕捉運動員的關(guān)節(jié)運動，以幫助改進步態(tài)規(guī)劃中適配性差、穩(wěn)定性不強等問題。這種技術(shù)提供了更詳細的身體姿勢數(shù)據(jù)，但仍然需要與其他技術(shù)結(jié)合使用。綜合這兩個領(lǐng)域的優(yōu)勢，本研究旨在開發(fā)一種名為“籃球基礎(chǔ)技術(shù)捕捉對比輔助訓(xùn)練系統(tǒng)”的設(shè)備。這個系統(tǒng)結(jié)合了視覺處理算法和外骨骼捕捉技術(shù)，以提供更全面的數(shù)據(jù)分析，幫助運動員改進其投籃姿勢，并提高命中率。此外，系統(tǒng)還集成了微信小程序，以提供方便的訓(xùn)練和虛擬動作捕捉技術(shù)，為運動員創(chuàng)造沉浸式的多人協(xié)作訓(xùn)練環(huán)境?？傊?，過去的研究強調(diào)了籃球技術(shù)訓(xùn)練的重要性，并已經(jīng)探索了一些智能技術(shù)的應(yīng)用。本文的研究在這些工作的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合視覺處理算法和外骨骼捕捉技術(shù)，提供了一種全面的訓(xùn)練系統(tǒng)，為籃球運動員提供更多機會改進其技能水平。

3.2、籃球技術(shù)發(fā)展和訓(xùn)練方法的演進

（1）我國籃球水平的現(xiàn)狀。

籃球在世界上一直是備受矚目的體育項目，職業(yè)聯(lián)賽如NBA吸引了眾多球迷。然而，我國的籃球總體水平相對滯后，表現(xiàn)在國際賽事中的表現(xiàn)不如其他國家突出。這一差距部分源于我國在籃球技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)方面的基礎(chǔ)不足。傳統(tǒng)籃球技術(shù)培訓(xùn)方法強調(diào)基礎(chǔ)動作的練習(xí)，但在提供個性化、實時反饋和科學(xué)指導(dǎo)方面存在不足。

（2）傳統(tǒng)的籃球技術(shù)培訓(xùn)方法。

傳統(tǒng)的籃球技術(shù)培訓(xùn)方法通常涵蓋基礎(chǔ)動作的練習(xí)，如傳球、運球、投籃和防守。這些方法強調(diào)了球員的體能訓(xùn)練和基本技術(shù)的反復(fù)練習(xí)。然而，這種方法通常缺乏實時反饋和個性化指導(dǎo)，因此在改進球員的技術(shù)水平方面存在限制。教練員通常依賴于肉眼觀察，難以捕捉和分析球員的細微動作。

（3）技術(shù)創(chuàng)新在體育領(lǐng)域的作用。

技術(shù)創(chuàng)新在體育領(lǐng)域中的作用逐漸嶄露頭角。傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析軟件和虛擬現(xiàn)實等工具已經(jīng)成功地用于改進運動員的訓(xùn)練和表現(xiàn)。這些技術(shù)可以提供實時數(shù)據(jù)，有助于球員更好地理解自己的動作和技術(shù)問題。在籃球領(lǐng)域，一些國際球隊和聯(lián)賽已經(jīng)開始采用先進的技術(shù)來提高球員的技術(shù)水平。這些案例為我們的研究提供了寶貴的參考和啟發(fā)。

綜上所述，通過對籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域的文獻綜述，我們明確了技術(shù)創(chuàng)新在我國籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域的重要性。我們的研究將嘗試應(yīng)用這些先進的技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)一種智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備，以改進我國球員的技術(shù)水平，提高整體籃球水平，從而彌補我國在國際籃球舞臺上的不足。

4、核心技術(shù)支持

4.1、基本組成

本項目基于yolov5+openpose 視覺處理算法進行進一步開發(fā)人體點位捕捉算法建立起籃球投籃動作糾正系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)的機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)本項目開發(fā)意義。本項目通過三維設(shè)計軟件solidworks 設(shè)計了一種可折疊方便攜帶的拉桿式機械結(jié)構(gòu)，將整個系統(tǒng)機器設(shè)計為拉箱式，方便在訓(xùn)練場上攜帶和移動，且不使用的時候可以折疊收納，減小機器的占用空間，以及防止機器被外力所破壞。此外，為了更好地收集相關(guān)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，我們團隊決定使用英特爾顯卡處理核心，將編寫好的視覺處理系統(tǒng)編入電腦主機，通過系統(tǒng)中搭載的高頻運動視覺攝像頭對訓(xùn)練者的投籃過程身體重要點位的信息進行全程收錄，并自動對視頻每幀圖片進行打標(biāo)簽處理，提取相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過算法系統(tǒng)將提取出來的重要點位信息與已經(jīng)采集好的標(biāo)準(zhǔn)重要點位信息庫相對比，找出訓(xùn)練者在籃球投籃練習(xí)中，手部姿勢、角度等與專業(yè)球員之間的差異，并形成相應(yīng)的錯誤報告，同時再根據(jù)這些錯誤，生成相關(guān)的分析報告，對使用者提出相關(guān)的修改建議，通過微信小程序向使用者推送相關(guān)的正確籃球投籃視頻，進一步糾正使用者的投籃動作。

本項目的核心是通過python 語言基于yolov5 的IDM 開發(fā)環(huán)境以及以C++為頂層的可視化API 的openpose 視覺算法搭建一個籃球動作識別系統(tǒng)，通過系統(tǒng)對訓(xùn)練人員的動作進行評定和打分，幫助用戶對動作進行糾正。并且通過大量的使用者的使用數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)，自動收錄一部分的關(guān)鍵數(shù)據(jù)集，建立起相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，方便教練員通過數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)去判定整個隊伍中，每一位隊員存在的相關(guān)問題和大多數(shù)隊員都會出現(xiàn)的問題，方便教練員進行下一步的講解教學(xué)。

本項目采用最新型樹莓派4B 開發(fā)板搭載運動視覺攝像頭，通過solidwork 設(shè)計產(chǎn)品外觀及實物，做成可折疊方便攜帶的拉箱式結(jié)構(gòu)。采用樹莓派4B 的優(yōu)點是更完美地運行數(shù)據(jù)處理與收集工作，并且具有巨大的后續(xù)升級潛力。通過攝像頭對訓(xùn)練者投球姿勢進行每3 幀拍照取樣一次，將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpenCV 中，通過openpose 提供的25 個骨骼關(guān)節(jié)點，全身18 個骨骼數(shù)據(jù)，以及手部姿勢的圖片對比，與收集好的專業(yè)投球姿勢深度學(xué)習(xí)模型進行對比，通過預(yù)估投球者姿勢判斷投球的不足，并且通過幀數(shù)截取獲得投球脫手的速度與角度。通過骨骼點定位更能準(zhǔn)確地對比使用者與專業(yè)球員姿勢之間的差異，根據(jù)差異提出相應(yīng)的調(diào)整建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據(jù)投球姿勢的數(shù)據(jù)我們可以初步得到數(shù)據(jù)處理以及設(shè)計輔助公式。

4.2、設(shè)備工作原理流程圖

圖1

本項目通過高頻運動攝像頭對訓(xùn)練者的投籃姿勢進行全程錄制采樣，用算法對其每幀圖片自動進行取樣和打標(biāo)簽，收集照片中人體重要點位的相關(guān)數(shù)據(jù)并將收集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入opencv 中，對其數(shù)據(jù)進行相關(guān)的處理，通過openpose 算法對人體的12-16個骨骼關(guān)節(jié)點以及運動員手部姿勢點位與收集到的專業(yè)運動員的數(shù)據(jù)庫之間進行對比，從中找到差異點，通過預(yù)估訓(xùn)練者姿勢判斷投球的不足，并且通過每幀圖片中的姿勢模型與深度學(xué)習(xí)模型相對比，判斷姿勢的合理性，最終產(chǎn)生綜合性分析報告，并提出相關(guān)的建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據(jù)投球姿勢的數(shù)據(jù)可以初步得到數(shù)據(jù)處理以及設(shè)計輔助公式。

通過采用攝像頭對訓(xùn)練者投球姿勢進行每3 幀拍照取樣一次，將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpenCV 中，通過openpose 提供的12-16個骨骼關(guān)節(jié)點，以及手部姿勢的圖片對比，與收集好的專業(yè)投球姿勢深度學(xué)習(xí)模型進行對比，通過預(yù)估投球者姿勢判斷投球的不足，并且通過幀數(shù)截取獲得投球脫手的速度與角度。通過骨骼點定位更能準(zhǔn)確地對比使用者與專業(yè)球員姿勢之間的差異，根據(jù)差異提出相應(yīng)的調(diào)整建議，并通過語音播放投放給正在做動作的使用者。根據(jù)投球姿勢的數(shù)據(jù)可以初步得到數(shù)據(jù)處理以及設(shè)計輔助公式。

5、智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的應(yīng)用

5.1、實驗設(shè)計

（1）實驗安排。

為了驗證智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的訓(xùn)練效果，研究采用實驗法，選取某體育院?；@球?qū)I(yè)學(xué)生60 人，隨機分為實驗組（30 人）和對照組（30 人）。實驗組使用智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備進行訓(xùn)練，對照組則采用傳統(tǒng)訓(xùn)練方法。兩組訓(xùn)練時間均為4 周，每周3 次，每次1h。

（2）實時反饋。

智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以在訓(xùn)練過程中實時監(jiān)測和反饋運動員的表現(xiàn)，讓運動員和教練員能夠及時了解訓(xùn)練效果，調(diào)整訓(xùn)練策略。研究主要對兩組學(xué)生在實驗前后的籃球技能水平進行評估。

（3）量化評估。

通過大數(shù)據(jù)分析，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以對運動員的投籃命中率、投籃難度、技術(shù)動作等多個方面進行量化和評估，為運動員和教練員提供更客觀的訓(xùn)練依據(jù)。

5.2、實驗結(jié)果

（1）投籃命中率。

智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以通過對運動員投籃數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)投籃命中率的影響因素，并提供針對性的訓(xùn)練建議。經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練，運動員的投籃命中率普遍得到提高。其中，實驗組的投籃命中率由原來的65%提高到80%，而對照組的投籃命中率僅由原來的60%提高到68%?？梢钥闯?，實驗組在投籃命中率方面的提升明顯高于對照組。

（2）傳球準(zhǔn)確率。

實驗組和對照組在傳球準(zhǔn)確率方面也表現(xiàn)出了一定的差異，實驗組傳球準(zhǔn)確率明顯高于對照組。實驗組通過智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測運動員的傳球姿勢、發(fā)力技巧，通過及時發(fā)現(xiàn)調(diào)整，運動員能夠掌握準(zhǔn)確的傳球姿勢、更好的傳球力度、更快的傳球速度等。這些都可以提高球員的傳球準(zhǔn)確率。

（3）優(yōu)化技術(shù)動作。

智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以監(jiān)測和分析運動員的投籃姿勢、手腕動作等細節(jié)，發(fā)現(xiàn)技術(shù)動作的問題，并提出改進建議。通過調(diào)整技術(shù)動作，運動員的投籃穩(wěn)定性和命中率得到了進一步提高。經(jīng)過4 周的訓(xùn)練，實驗組的傳球準(zhǔn)確率由原來的70%提高到85%，而對照組的傳球準(zhǔn)確率僅由原來的65%提高到72%。這表明，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備在提高傳球準(zhǔn)確率的同時也能夠培養(yǎng)運動員專業(yè)技術(shù)動作，為今后進步打下基礎(chǔ)。

（4）提高訓(xùn)練效率。

智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備可以實時反饋訓(xùn)練數(shù)據(jù)，讓運動員和教練員能夠及時了解訓(xùn)練效果，調(diào)整訓(xùn)練計劃。準(zhǔn)確率方面具有顯著優(yōu)勢。通過優(yōu)化訓(xùn)練計劃，訓(xùn)練效率得到了提高。

5.3、結(jié)果分析

本研究結(jié)果表明，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備在提高學(xué)生的籃球技能水平方面具有顯著優(yōu)勢。未來，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備將會在體育領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為運動員和教練員提供更全面、精準(zhǔn)、個性化的指導(dǎo)和建議。這可能是因為智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測學(xué)生的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提供個性化的訓(xùn)練建議和反饋，從而幫助學(xué)生更有效地進行訓(xùn)練。此外，智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備還可以通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在訓(xùn)練中的不足之處，進而提出針對性的改進方案。這些優(yōu)勢都是傳統(tǒng)訓(xùn)練方法所無法比擬的。然而，本研究仍存在一定的局限性。首先，樣本量較小，可能無法全面反映智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備的效果；其次，本研究僅為短期干預(yù)，未來可以對長期干預(yù)的效果進行探討。此外，還可以進一步研究智慧籃球訓(xùn)練設(shè)備在不同年齡段、技能水平的籃球運動員中的適用性。

6、總結(jié)與展望

6.1、面臨的挑戰(zhàn)

盡管本項目有望為籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域帶來不錯的效應(yīng)，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中包括：技術(shù)挑戰(zhàn)，項目的成功依賴于先進的技術(shù)手段，包括視覺處理算法和外骨骼捕捉技術(shù)。因此，技術(shù)的不斷更新和改進是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。普及與應(yīng)用，將項目的成果廣泛推廣和應(yīng)用于不同訓(xùn)練場地和人群也是一個挑戰(zhàn)。需要制定相應(yīng)的普及計劃和培訓(xùn)教材。隱私和數(shù)據(jù)安全，項目涉及大量的運動員數(shù)據(jù)，隱私和數(shù)據(jù)安全是一個重要的考慮因素。需要建立嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保護機制。在未來的發(fā)展中，可以考慮以下方向：國際合作。與國際籃球組織和技術(shù)公司合作，分享經(jīng)驗和資源，推動項目的國際化發(fā)展。綜合性培訓(xùn)平臺，將項目與其他籃球培訓(xùn)資源和平臺相結(jié)合，創(chuàng)建更全面的培訓(xùn)生態(tài)系統(tǒng)。研究與開發(fā)，持續(xù)進行研究和開發(fā)，不斷提升項目的性能和功能，以滿足不同用戶的需求。通過克服挑戰(zhàn)和不斷發(fā)展，本項目有望為我國籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域帶來重要的變革，提高我國籃球水平，為籃球事業(yè)的發(fā)展貢獻力量。

6.2、展望

綜上所述，本研究致力于探索并實施一種創(chuàng)新的籃球技術(shù)培訓(xùn)方法，結(jié)合了視覺處理算法、外骨骼捕捉技術(shù)和虛擬動作捕捉技術(shù)。通過成功捕捉和分析運動員的姿勢，為籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域帶來了新的思路和機會。項目的重要性不僅在于提高運動員的技能水平，還在于提高培訓(xùn)質(zhì)量，為教練員提供更好的指導(dǎo)，以及潛在地提升我國的籃球水平。盡管在項目中取得了顯著的進展，但我們也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)、普及與應(yīng)用難題以及隱私和數(shù)據(jù)安全問題。然而，我們相信這些挑戰(zhàn)是可以克服的，并且有著巨大的潛在影響。通過國際合作、綜合性培訓(xùn)平臺的建設(shè)以及持續(xù)的研究與開發(fā)，有望為籃球技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域帶來革命性變革。最后，期待未來的研究和合作，可以進一步推動籃球事業(yè)的蓬勃發(fā)展。通過技術(shù)創(chuàng)新、教育培訓(xùn)，以及籃球水平的提高，我們可以為更多年輕人提供更好的籃球技術(shù)培訓(xùn)機會，為我國的籃球事業(yè)注入新的活力。