基于紅外技術的乒乓球裁判輔助系統關鍵技術研究

江茹莉 蘇振陽

【摘要】由于乒乓球比賽中“擦邊、擦網和發球”是運動員和裁判員發生爭議最多的狀況，為此，本研究利用比較成熟的紅外線技術，采用紅外線反射式，主動探測乒乓球比賽中發球是否擦網。該系統主要由中央處理模塊、紅外收發模塊和報警模塊組成。所設計的系統具有低成本、結構簡單、工作可靠、實用性強等優點。

【關鍵詞】乒乓球;紅外線;擦網

1.引言

有爭議的比賽，觀眾看著熱鬧，飯后討論熱烈，而臨場裁判確判斷困難，仲裁委員會協調顯得力不從心。獲利隊員沾沾自喜，非獲利隊員氣憤不已，這是體育比賽中，依靠裁判主觀的比賽中，普遍存在的現象。

乒乓球比賽亦是如此。通過多年的乒乓球基層裁判比賽經驗和走訪國家級乒乓球裁判得知，乒乓球裁判員普遍認為乒乓球比賽最難判斷的狀況就是“擦邊、擦網和發球”。乒乓球擦網球判斷時，主裁判正對球網，通常無法正確判斷，只有側身或者偏頭才能看的清楚一些。就這樣，也會發生從運動員的角度（球臺端線外）看是擦網，而從裁判椅上的裁判角度看好像又沒有擦網;或者是從裁判的角度看，擦網了，網子動了，而運動員又不承認的現象，這主要是觀察者所處的角度不同而已。對于較為激烈的比賽，只要裁判對擦網球稍微反應遲鈍一下，已經兩個來回過去了，且有隊員失誤了，這時候就更難判斷。判斷稍有不慎，就會引發爭議，中斷比賽，影響比賽的連續性和公平性。

本研究試圖借助目前研究技術比較成熟，且應用成本較低的紅外線技術，對乒乓球比賽中擦網球進行輔助裁判研究，協助主裁判做出公正的判決，還比賽以公平、公正。

2.研究現狀

近年來，紅外線以其優異的性能得到人們的青睞，越來越廣泛的應用于軍事、醫療、工業和家電產品等許多領域，在個別體育賽事中也有了紅外線的應用。紅外裝置具有體積小、微功耗、功能強、線路簡單、保密性好、成本低等特點，具有探測距離遠、抗干擾能力強等優點。具體應用如：紅外線開關，紅外線開關有主動式和被動式;常見的紅外感應龍頭也是應用了這種原理。還有如醫療保健，遙控器，不少家用電器都配有紅外線遙控裝置。紅外接口，越來越多的電子設備裝配了紅外端口，支持無線傳輸，避免了通過電纜連接的累贅。防盜裝置，由紅外線發射機和紅外接收機組成，紅外遙感，在漆黑的夜晚應用紅外遙感設備可以探測各種礦藏。紅外偵察，偵察衛星攜帶紅外成像設備可獲得更多地面目標的情報信息，并能識別偽裝目標和在夜間對地面的軍事行動進行監視;導彈預警衛星利用紅外探測器可探測到導彈發射時發動機尾焰的紅外輻射并發出警報，為攔截來襲導彈提供一定的預警時間。紅外制導，紅外制導就是利用目標本身的紅外輻射來引導導彈自動接近目標，以提高命中率等。

苗葳，畢克奇在《基于PC控制的皮劃艇激流回旋比賽判罰系統》一文中，提出利用紅外線特性，開發出撞線檢測裝置，這種設計由紅外線發射電路和紅外線接收電路兩部分組成，其輸出的方波信號使三極管交替地飽和與截止。利用這個特性，我們將紅外發射管和接收頭

安裝在起跑線水門和終點線水門的兩側。當沒有運動員出現在兩者之間時，紅外脈沖光不斷地照射接收頭，un輸出為高電平。但當有運動員經過時，擋住了紅外光，輸出端沒有信號輸出;在運動員通過之后，接收頭又被紅外光照射，輸出端又輸出高電平。因此這一過程中輸出端un就會出現一個負脈沖。通過脈沖的變化值，就可以判斷出運動員到達終點的先后順序。

雖然紅外線技術在各行各業應用十分廣泛，技術也比較成熟，但在體育領域的應用卻十分有限。特別是本研究提及的紅外線在乒乓球裁判系統的中的應用事項，國內外更是鮮有研究。雖然有基于機器視覺技術在網球、羽毛球、足球等領域的應用、研究，但都因為其高昂的使用費用而難以在基層推廣。所以本研究擬利用紅外裝置具有的體積小、微功耗、功能強、線路簡單、保密性好、成本低等特點，開發研究一種乒乓球裁判輔助系統，對于紅外線在體育領域的應用研究進一步拓展，以期得到更好的實際應用價值，為體育比賽的公平、公正順利進行提供更好的技術支撐。

3.系統總體概述

基于紅外技術的乒乓球擦網輔助裁判系統，可克服裁判員長期盯著球網和比賽，容易造成的眼睛疲勞，視覺誤差，精神疲勞等狀況，同時能克服人為判斷的主觀性對比賽的影響，克服眼睛分辨能力有限等實際問題。為乒乓球比賽的公平、公正、順利進行提供一種客觀的裁判輔助方法，讓現代科學技術更好的為體育比賽服務。

3.1 系統工作原理

如圖1所示，在乒乓球網柱的兩端立柱上，安裝紅外線發射、接收對管，且發射出的紅外線要緊貼網帶上沿（球網中間弧度忽略不計）。紅外收發模塊以紅外發光二極管作為信號源，以光敏三極管作為紅外接收裝置，組成對射式收發系統。正常情況下，紅外接收管不間斷地接收來自紅外發射管的紅外光。當有物體通過紅外線發射管及紅外線接收管所構成的警戒線時，在鎖相環的控制下產生報警信號。由于鎖相環對自身產生的信號鎖相，因此具

有自適應功能，工作穩定可靠。

本系統工作開始，當主裁判發出“準備”發球口令時，副裁判打開電路開關，使得系統處于通電工作狀態。當發球沒有擦網，即沒有切斷網帶上沿的紅外線時，系統不工作;當發球擦網后，乒乓球必然切斷網柱之間的紅外線，這時系統工作，把切斷的電信號傳出至PC機，PC機收到這個脈沖信號后并及時處理，做出乒乓球擦網的判斷后，立即向報警器發出信號，報警器接收到信號后，可以以聲、光等形式向主裁判和觀眾發出提示信號，最終由主裁判做出判罰。另外，由于乒乓球比賽規則規定，只有發球擦網才需要重發球，而比賽過程中的乒乓球擦網則為好球。所以如果發球結束后乒乓球沒有擦網，則副裁判要立即關閉系統電源，讓系統停止工作，否則比賽過程中的乒乓球擦網，報警器也會報警，這樣會影響比賽的正常進行。

圖1 系統工作原理圖

3.2 系統電路工作原理

如圖2所示，控制箱內設置有電源41，控制主板42，在控制箱上設置有報警器43、電源開關44、啟動開關45，所述電源41通過電源快關44及導線連接至220v，電源44給控制主板42供電，紅外發射器及紅外接收器通過導線連接控制主板42，啟動快關45及控制主板42的控制端連接，報警器43及控制主板42的驅動連接。

圖2 系統電路工作原理圖

3.3 警示系統

通過對紅外線系統傳回的脈沖信號進行處理后，再將判斷是否擦網的結果傳輸到警示系統。如果判斷沒有擦網，則系統不工作，也不輸出結果，比賽順利進行;如果判斷為“擦網球”，則系統需快速做出反應，并將判斷結果快速及時的傳輸到警示系統，警示系統則通過聲、光等形式通知主裁判和現場觀眾，輔助主裁判判定結果，做出擦網球的手勢，判斷重發球。

4.結論與展望

本設計成功地將紅外線技術和體育比賽的乒乓球裁判工作結合，通過計算機和合理的電路設計，將紅外線脈沖信號及時的傳出、放大、變換，成為更直觀的聲音信號和光信號，使臨場主裁判能很好的看到發球是否合法的結果，為比賽的公平、公正、順利進行提供了可靠的技術保障。同時，由于該系統設計的紅外線應用成本較低，且技術比較成熟，所以具有較好的市場推廣應用價值。但是，由于紅外線的特點限制，無法識別外界的風、飛蟲等非比賽因素的干擾，所以該系統的實際應用還具有相當的提升空間，完善該系統還需要進一步的實驗研究。

參考文獻

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作者簡介：江茹莉（1979—），女，安徽利辛人，碩士，副教授，研究方向：體育教育訓練學。