乒乓球技、戰術分析統計軟件（關鍵2.0）的開發與應用

胡水清，肖丹丹，馮葆欣，米奕翔

China Institute of Sport Science，Beijing 100061，China.

1 研究背景

技、戰術是體育比賽中取得勝利的重要因素之一，田麥久在對不同運動項目戰術重要性的5級判別中，將球類比賽歸為戰術重要性要求最高一類的項目［6］，其成功運用與否，往往會成為比賽勝負的決定因素。在統計學規律上研究項目的技、戰術特點更是體育科技工作者和教練員常用的手段之一。通過統計分析研究不同項目國內、外優秀運動員的技、戰術特點，可以把握項目的技、戰術發展趨勢，找到技、戰術運用方面與世界先進水平的差別，挖掘技、戰術潛力，開展相應的備戰對策研究，篩選和優化項目的技、戰術訓練方法，研究項目相應的技、戰術訓練方法，為備戰重大國際比賽提供技術支持。

中國乒乓球長盛的事實，已為世界所公認［7］。乒乓球也是我國體育科研人員長期以來一直研究的運動項目之一，在技、戰術研究方面積累了大量經驗。吳煥群、張曉篷等人從20世紀80年代后期開始，長期運用分段指標評估法［1］；在新的乒乓球競技條件下，中國乒乓球隊科研團隊引進了德國Simi Scout視頻技、戰術分析軟件，在繼承乒乓球技、戰術“三段分析法”的基礎上，根據教練員與訓練實踐的需求，進一步豐富了乒乓球技、戰術分析指標體系，不斷完善和建立了適應快速反饋和詳細反饋的不同技、戰術分析模型［5］。視頻技、戰術分析所包含的信息量要遠大于文字統計數據，數字視頻資料能快速查閱并調出，靈活性更大、存儲空間更小，便于教練員和運動員在大賽前和大賽中隨時隨地快速方便地對將要遇到的對手進行分析與研究。

視頻技、戰術分析在國內、外的運動訓練和比賽中應用都非常廣泛，國外在專業的技、戰術分析軟件上應用更加 先 進，德 國 SIMI Reality Motion Systems公 司 的 SIMI Scout、澳大利亞的Sports Code、瑞士的 Dartfish TeamPro 都是較為成熟的技、戰術分析軟件，功能穩定性較強；新加坡的Match Notes訓練輔助軟件是針對乒乓球、羽毛球和網球設計的中文技、戰術統計軟件，但功能設計比較簡單，僅能進行簡單的技術分類及計數等類似分析。國內的學者在長期的體育科研工作中也根據自身工作需要建立了自己的技、戰術分析軟件［3，4，10］，如趙傳杰等人開發了擊劍的視頻管理軟件，上海體育學院張輝等人則編制了乒乓球比賽 臨 場 統 計 分 析 系 統［8，9］。

Simi Scout、Sports Code等國外比賽分析軟件的基礎功能強大，開放性和靈活性較強，大都適用于常用的技、戰術指標統計與分析。但對于沒有太多專項技、戰術分析經驗的科研人員以及不精通英文和該軟件的教練員來說，很難在運動訓練實踐和比賽中應用這些軟件。這些較為成熟的國外軟件大多價格不菲，軟件加密、文件格式等方面的版權保護又常常讓使用者經常受限，功能上也無法根據用戶需求做相應改動。國內科研人員開發的軟件基本上只針對一個或幾個項目，功能相對較少，軟件使用穩定性不高。這些技、戰術統計分析軟件中大多是針對一場比賽視頻的分析，對于一個賽季或者多場比賽技、戰術的統計分析功能欠缺。有的技、戰術軟件在分析前視頻處理耗時較長，不能適應世界大賽期間教練員、運動員對比賽準備的需求。

本研究的目標是，利用乒乓球項目的多年總結的技、戰術統計分析模板，在國家體育總局體育科學研究所《體育訓練和比賽視頻數據庫管理軟件》自主研發軟件的基礎上［2］，針對乒乓球比賽視頻開發出專用、便捷的技、戰術分析統計軟件。開發的軟件要求：能夠根據乒乓球快速反饋、技術、戰術、雙打技戰術等不同分析要求建立相應的模板，視頻和分析數據能夠共享，能夠實現科研人員和教練員在技、戰術分析中迫切需要的功能——比賽視頻管理、多場比賽技、戰術分析統計、視頻片斷自動截取和合成導出、計時和比分、插入字幕和圖像等功能。

2 研究方法

2.1 研究技術路線

本研究的實施過程是軟件研究開發與乒乓球比賽視頻技、戰術分析相結合的過程，目的是滿足科研人員在應用技、戰術分析軟件中迫切需要實現的功能要求，實現比賽視頻管理、技、戰術統計分析、視頻圖像標記等綜合分析功能。本研究以乒乓球現有的技、戰術分析模板為基礎進行改進和完善，建立了一個基于開放條件下的乒乓球專項的視頻技、戰術分析軟件，其主要技術路線見圖1。

2.2 軟件編程

乒乓球技、戰術分析統計軟件（以下簡稱關鍵2.0）開發采用 C＃（Visual Studio 2008）語言和SQL數據庫（Microsoft SQL Server 2005）進行開發；主要完成需求分析、概要設計、詳細設計（美工等）、編碼、單體測試、結合測試、系統測試、現場測試等過程。

圖1 本研究技術路線圖Figure 1. Technical Route Map

關鍵2.0底層數據庫包含11個相互關聯的表，這使得數據庫中各類信息和數據邏輯關系更為清晰，同時也為將來開發其他項目使用預留了開放格式（表1）。

表1 本研究底層數據庫設計一覽表Table 1 Underlying Database Design

2.3 測試與應用

軟件測試用例的設計方法采用等價類劃分、邊界值劃分、場景分析和錯誤猜測等；測試方法運用黑盒測試和白盒測試，進行手工測試、數據庫測試。

以2011年第51屆世界乒乓球錦標賽的48場比賽視頻為應用研究對象，對軟件功能進行檢驗和修正；對其中14場重要比賽進行了詳細的技、戰術分析。

表2 本研究數據庫收錄比賽視頻一覽表Table 2 The Database Included Video Game

3 研究結果

3.1 乒乓球技、戰術分析統計軟件的開發

3.1.1 關鍵2.0的特點和功能

比賽視頻管理：對每場比賽的信息進行數據庫方式管理，并與視頻對應，對所有的比賽視頻可以快速進行查詢、排序、篩選和播放；能夠準確對應到每個視頻的相應時刻點。

技、戰術分析、統計：關鍵2.0軟件可以對一場或多場進行技、戰術分析，分析后可以對一場或多場比賽的不同運動員，不同技、戰術，成功率等進行統計。

視頻標記：可以在關鍵的視頻畫面上插入計時器、比分器、字幕以及點、圈、直線等標記，用來標注關鍵視頻畫面上的關鍵比分、位置、技術點等。

視頻剪輯合成：數據庫查訊后的視頻片段，可以自動截取、合成新視頻并存儲和導出。

數據庫數據及視頻共享：技、戰術數據、技、戰術模板、視頻資料的開放和共享模式，快速導入導出。

3.1.2 關鍵2.0測試結果

針對關鍵2.0軟件上述5個方面的功能進行了為期4周的測試，功能測試點310個。軟件編程人員、第三方程序員，主要對程序內部邏輯結構（即是否有數據結構錯誤）進行了白盒測試；軟件設計者、軟件使用人員，主要對軟件的性能是否滿足要求（即是否有遺漏和不正確的功能）進行了黑盒測試。

測試結果表明，軟件基本涵蓋既定設計功能，所測試功能點通過或修正后通過；軟件整體功能正常、邏輯正常、流程正常。

3.2 乒乓球技、戰術分析統計軟件的應用

3.2.1 比賽視頻管理

應用關鍵2.0軟件，建立了的乒乓球比賽視頻（第51屆世乒賽）的數據庫，該數據庫包含48場比賽，對應83個視頻文件。使用關鍵2.0管理比賽視頻，不僅可以節約編輯視頻文件的時間，而且能夠更迅速、更全面的查詢到比賽視頻。圖2為應用關鍵2.0查詢數據庫中張繼科參加的第51屆世乒賽的比賽，雙擊每條比賽信息可以看到所對應的視頻。

圖2 比賽視頻查詢（比賽／訓練信息查詢）圖Figure 2. The Game Video Query

關鍵2.0以每場比賽（或者每節訓練課）為單元管理視頻文件，一場比賽的可以對應多個分散的視頻文件，而無需編輯為一個視頻，也無需剪輯掉視頻文件中的無用片段。圖2也可以看到，查詢比賽視頻時，可以通過比賽名稱、比賽性質、運動員姓名等信息快速查詢，而且可以按照需要對查詢到的比賽進行排序、篩選，不僅可以迅速的查找并播放相關視頻，而且可以直接看到該場比賽的較全面的信息。

關鍵2.0軟件對視頻的管理，不僅限于查找并播放相關視頻，而且可以準確定位到所需的視頻時刻點。圖3是對陳玘在第51屆世乒賽中所有比賽中每一分視頻的精確定位查找；在“查詢及篩選分析數據”窗口的查詢內容（屬性列表內容）中，直接輸入“陳玘”，就可以直接查詢到數據庫中所有包含“陳玘”的視頻，并準確對應到視頻的相應時刻點（精確到毫秒），實現了快速查詢、準確定位功能。

圖3 關鍵視頻精確定位查詢（分析數據查詢）圖Figure 3. Accurate Positioning Query of Key Game Video

3.2.2 技、戰術統計分析

結合以往工作經驗和研究成果［5］，本研究設計了關鍵2.0軟件的乒乓球技、戰術分析模板（圖4）。該模板是開放式的模板，使用者可以根據需要設計出適用于快速反饋、技術、戰術、雙打技戰術等不同分析要求的分析模板。

圖4 開放式建立乒乓球技、戰術分析模板（新建分析屬性列表）圖Figure 4. Openning up Table Tennis Tactical and Technical Template

運用關鍵2.0，對第51屆世乒賽的14場比賽進行了技、戰術分析。下面以張繼科對波爾的半決賽為例，介紹技、戰術分析的過程和結果。

圖5 乒乓球技、戰術分析過程圖Figure 5. Process of Technical and Tactical Analysis

圖6 乒乓球技、戰術分析數據圖Figure 6. Data of Technical and Tactical Analysis

針對以上張繼科技、戰術分析的數據結果，運用關鍵2.0中的統計、統計表格導出等功能進行數據統計。

表3 發球輪、接發球輪得失分統計一覽表Table 3 Statistical Table of Losing and Winning Score in Serving and ReceivingRound

表4 乒乓球三段統計一覽表Table 4 Statistics of Three Stages

從整場比賽三段數據來看，張繼科發搶段得分率70%，接搶段得分率66.67%，均達到優秀水平［7］；相持段使用率最高，得分率51.43%，也說明張繼科在相持段沒有明顯的優勢，與波爾不分上下。發搶段和接搶段的優秀發揮，是張繼科取得這場比賽勝利的基礎。

1.發搶段

全場比賽張繼科前三板共發生得失分共20分，除去2個意外球得失分共18分。其中，發球（＋3），第三板（＋9，-6）。

1）第一局張繼科第三板共搶攻4分，均為失分。2分為發中路偏正手不轉短球，波爾挑到張繼科的反手，張繼科反手搶攻下網失分。1分為發中路偏正手不轉短球，波爾劈到張繼科的反手，張繼科反手搶攻出界失分。1分為張繼科發球出臺，波爾上手，張繼科擋出界失分。通過與其他幾局數據對比分析，可以看出，張繼科本局發搶段的發揮失常是張繼科輸掉第一局的關鍵原因。分析原因：張繼科不適應波爾第二板的旋轉或張繼科進入狀態較慢。

2）第三板搶攻位置也是本場比賽轉折的關鍵。

表5 第三板搶攻位置統計一覽表Table 5 Statistics of Third Attack

第一局張繼科以搶攻波爾反手為主，效果差。波爾反手防守能力較強，并且近臺借力反撕過來的球弧線低平，旋轉強，對張繼科的威脅很大。后幾局張繼科加大了進攻波爾正手和中路的比例，效果不錯，波爾正手只有1分反拉得分，其余球全為正手擋防，擋防過來的球張繼科第五板的反手銜接或側身銜接，均能起到較好的效果，即使進入相持，張繼科也是上風球。

3）從整場比賽來看，張繼科反手搶攻后銜接正手失分較多。

表6 反手搶攻后銜接正手統計一覽表Table 6 Statistics on Forehand Cohesion after Backhand Attacking

2.接搶段

接搶段共發生得失分27分，除去波爾發球失誤1分，和三個意外球外共23分。張繼科（＋17，-6）占據明顯優勢，有效地遏制了波爾的發球輪，張繼科的球非常主動。臺內側擰加側擰后的第四板銜接是張繼科接搶段的主要得分點。

張繼科第二板如果能上手，將球擰起，其得分的可能性將會大大增加。由數據也可以看出，張繼科的臺內側擰技術非常成熟，擰起后效果好，自己失誤少，并且得分率很高。因此在與波爾的比賽中張繼科在接搶段應以主動上手擰為主。由比賽過程中可以看出，當張繼科連續使用臺內側擰回接第二板短球時，波爾會稍退臺后進行反拉，此時張繼科在處理短球時，如能擺個短球，將會打亂波爾的戰術，第四板往往會出現機會。

表7 張繼科接臺內球使用技術統計一覽表Table 7 Statistics on Receiving Ball over the Table of ZHANG Ji-ke

3.相持段

張繼科與波爾的比賽相持段得球數最多，共發生得失分35分，相持段整場比賽的使用率為42.68%。其中得18分，失17分，得分率為51.43%，從得分率來看，張繼科在相持中并沒有明顯優勢。

表8 相持段板數與得失分統計一覽表Table 8 Statistics on Winning and Losing Score during Stalemate Stage

由相持段板數與得失分統計表可以看出，張繼科五六板的失分多于得分，七八板后的得分多于失分。從比賽錄像中可以看出，張繼科五六板回擊的球多為波爾中近臺反撕反拉的球，這板球對張繼科的威脅較大，張繼科如果能扛過這一板球，進入中遠臺相持后，將會占有優勢。另外，他在與波爾的相持過程中，當波爾站位偏近臺時，要多進攻波爾正手位，當波爾退臺后則應以進攻反手位為主。

3.2.3 技、戰術分析標記

運用關鍵2.0軟件，在技、戰術分析的同時，在視頻的關鍵畫面上插入了比賽計時、比分、字幕以及點、圈、直線等標記圖像。這些標記可以使教練員、運動員觀看視頻時更加準確和便捷地獲得更多信息。如圖7所示，在1／4決賽張繼科對王勵勤的比賽中，在關鍵分（10∶7）的畫面上，插入了比賽時間、關鍵比分和發球動作標記。

3.2.4 視頻文件剪輯合成

關鍵2.0能夠對不同視頻文件中所需的視頻片段進行篩選，并且能夠合并為一個視頻文件。使用關鍵2.0軟件分析張繼科對波爾的比賽后，將張繼科接發球技術的視頻片段自動排序分類（圖8），然后可以將所選視頻片段合成輸出為一個新的視頻文件“張繼科接發球.mpg”。“張繼科接發球.mpg”是張繼科對波爾這場比賽中張繼科接發球技術動作的視頻片段集錦，教練員和運動員可以用其他電腦或手機、電視等播放觀看。

圖7 視頻技、戰術分析標記Figure 7. Marker of Video Technical and Tactical Analysis

圖8 視頻文件合成Figure 8. Video Synthesis

3.2.5 數據庫數據及視頻共享

數據共享：能夠對數據庫中任意一場或幾場比賽的分析數據導入、導出（圖9），而不需要拷貝整個數據庫。這樣，可以將不同運動員的分析數據分別給到各自教練和運動員自己手中。在數據導入時，每條數據都有惟一編碼，數據庫自動查重，如果導入的N條數據中有重復數據，則只導入不同編號的數據，避免了重復數據。

數據庫的統計結果也可以導出，3.2.2中的技、戰術分析就是根據關鍵2.0中導出的統計結果，使用Excel等軟件進一步統計后進行分析的。

圖9 王皓分析數據導出Figure 9. Analysis of Data Derived of WANG Hao

視頻共享：

移動硬盤視頻共享。在圖3中，視頻文件路徑為“G：＼2011荷蘭世乒賽＼…”，移動硬盤盤符為“G”，但移動硬盤連接到另一臺電腦時移動硬盤的盤符可能變為“F”、“H”或其他，視頻文件路徑發生變化。關鍵2.0軟件在設計時，視頻路徑查找不受移動硬盤盤符變化影響，軟件將自動查找視頻并連接數據庫。因此，在使用關鍵2.0軟件時，移動硬盤上存儲的視頻文件不需要拷貝到電腦硬盤上。

局域網視頻共享。視頻文件較大，視頻的合成和拷貝速度較慢，關鍵2.0實現了局域網或工作組內的視頻共享。通過識別和查找共享文件夾內的視頻文件路徑，視頻可以在另一客戶端查找到并播放。應用這一功能，將第51屆世乒賽的比賽視頻放到實驗室的一臺電腦上進行共享，加入實驗室工作組的所有用戶都能夠直接在自己的計算機上查找并播放視頻。

4 結論

關鍵2.0軟件能夠滿足乒乓球比賽視頻的技、戰術分析統計的需求，在初步實現了技、戰術分析的基礎功能外，還實現了一些科研人員和教練員在技、戰術分析中迫切需要的新功能。與其他的技、戰術分析軟件相比，其優勢和特點主要在于：

1.能夠對一場比賽的技、戰術進行詳細分析和統計，也能夠對多次大賽的多場比賽視頻進行統一管理，并能夠對多場比賽的技、戰術數據進行統計分析。

2.技、戰術與視頻播放關聯，并結合了計時、比分、字幕、圖像標記等綜合性功能。

3.開放式的技、戰術分析模板，可以方便不同的分析需求和不同運動項目使用。

4.中文操作界面、快捷鍵操作模式和低成本，方便教練員和運動員使用。

5.關鍵2.0為自主研發的軟件，預留了開放式功能接口，能夠根據使用者需要進行二次開發。

關鍵2.0功能較為強大、成本較低，具有非常廣泛的應用空間和前景。但是，關鍵2.0是一個自主研發的涉及到視頻、數據庫等多方面知識的多功能性復雜軟件，與很多自主研發的軟件一樣，一些程序錯誤相對于成熟商業軟件多，軟件的操作細節設置及穩定性有待加強。軟件還需要在以下幾個方面繼續加強：

1.分析速度更快、操作界面更加人性化，特別是一些常用功能在界面上能夠通過菜單命令、快捷鍵和右鍵操作等多途徑實現。

2.繼續完善軟件代碼，關鍵2.0軟件需要在不斷地應用中發展，長期的應用才能發現和改善更多的操作細節、改正一些不預期出現的錯誤。

3.需要進行長期、系統的開發、研究以及應用，不斷增加新的功能，如視頻采集、場地標定、圖表顯示等，才能取得更加理想的效果。

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