羽毛球數據采集與決策分析系統設計

劉穎華

羽毛球數據采集與決策分析系統設計

劉穎華

介紹了羽毛球數據采集與決策分析系統，其系統實現了智能交互式的多媒體技戰術數據采集與分析，使得比賽數據與技戰術數據能夠相互關聯，能夠依據技戰術指標數據對相應視頻進行查詢操作，從而實現了比賽訓練過程中的數據分析與視頻演示的統一化。決策分析部分實現了大量隱性數據的挖掘，能夠將技戰術特征分析數據從隱含的原始信息中提取出來，便于教練員找出對比賽進程有決定性作用的技戰術分析數據與比賽得失分之間的關系，從而能夠及時調整戰略戰術，進行科學決策。

技戰術；數據采集；智能分析；決策支持

0 引言

羽毛球項目是一種全身運動項目，運動員通過在規定的場地上腳步的移動、身體的跳躍、各種轉體動作的靈活運用、揮拍動作的組合運用、將各種擊球技術、步法與戰術進行配合，在場上進行多回合的往返對擊，是一項具有很強對抗性的運動項目。羽毛球項目技戰術體系復雜，變化迅速，隨機性大，力量、速度、節奏和成功率等是主要的技術指標，同時，也是戰術的重要組成因素。比賽中球的飛行速度極快，線路和落點變化多，技戰術變幻無窮，因此，熟練掌握各種技戰術手段并能夠敏銳的觀察和預判場上的比賽形勢，選取正確的技戰術手段是贏得比賽的關鍵所在。

當前，對羽毛球比賽進行技戰術分析的主流方法主要依靠傳統的比賽觀察和統計分析，這種方法費時費力，而且，對比賽中的重要細節和技戰術特征信息很難進行全面的統計和分析，運用計算機輔助數據采集和分析手段將極大地減少人工數據采集的工作量，并且能夠運用數據挖掘技術對數據進行自動分析，從而實現初步的訓練分析決策自動化[1]。

本文研究的羽毛球數據采集與決策分析系統是在羽毛球技戰術特點的基礎上，運用數據庫技術、視頻處理技術、數據挖掘技術進行系統分析和設計。根據羽毛球技戰術分析的需要，采集最底層、最詳細的信息如采集比賽中每一拍的擊球技術、位置、路線和戰術等信息[2]。信息的采集最小單位為每一次擊球的所有技戰術信息。在此基礎上，對采集到的信息運用改進的AGNES層次聚類算法進行數據挖掘，構建出一個決策支持系統[3]。通過決策支持系統的使用可以找出有價值的技戰術特征線索如比賽過程中運動員的動態技術路線，幫助教練員和運動員認識、理解主要對手的技戰術特征，為制定科學的比賽戰略和戰術提供可靠的數據支持。

1 系統總體架構

1.1 系統總體設計

由于單打和雙打比賽采集數據的指標有所不同，本系統分別對單打比賽和雙打比賽設計了相應的數據采集界面。基于羽毛球比賽過程中技戰術的要求，在進行具體的采集過程時，詳細地記錄每一拍的相應技戰術指標、得失分情況以及相關的視頻資料[4]。在此基礎上設定要分析的條件即可得到智能化的分析結果，智能分析模塊包含以下一些功能：對符合特定技戰術特征的擊球編號的分析處理；相應特征視頻的預覽、導出與合并；一場球內各階段所用技術得失分總數的分析處理；多場比賽聯合分析處理功能[4]。決策支持系統是在羽毛球技戰術智能分析的基礎上，對某些前后具有關聯關系的單個技術，依據一定的規則來實現關聯，并能夠對系統動態關聯生成的技術路線自動地采取轉換、抽取以及挖掘分析等操作。該系統能夠對以下3種情況進行決策分析：隊員在相應比賽中的得失分情況的決策、隊員在相應比賽中的機會球情況的決策、隊員在相應比賽中的被動球情況的決策。系統總體架構如圖1所示：

圖1 系統總體架構圖

1.2 系統開發和運行環境

開發環境采用Windows XP SP2、Visual C++6.0,視頻處理采用Windows Media Format 9.5 SDK組件進行開發，數據庫采用Microsoft SQL 2000進行存儲，圖表控件使用MSCHART 2.0。系統運行環境為Windows操作系統，客戶端軟件能夠支持Windows 2000、Windows XP等操作系統的各版本。

2 系統功能

羽毛球數據采集與決策分析系統主要模塊包括：比賽信息的管理模塊、運動員的基本信息管理模塊、采集比賽數據模塊、對視頻數據的處理模塊、技戰術數據的智能化分析模塊以及決策支持等模塊組成，如圖2所示：

2.1 運動員信息管理模塊與對比賽信息的管理模塊

運動員信息管理模塊的主要作用是管理羽毛球運動員的基本信息。對比賽信息的管理操作主要有：對各種羽毛球比賽如：奧運會、世錦賽、尤伯杯等大賽數據的新增、編輯、刪除等維護操作。

2.2 數據采集模塊

在數據采集模塊中通過調用羽毛球比賽視頻文件，可以同步地對其中的比賽技戰術信息進行采集，將技戰術指標數據存儲到數據庫中，并將此數據和相應的視頻剪輯文件進行關聯處理。

在系統控制界面上單擊“技戰術信息錄入”按鈕，在打開窗口中選擇要進行采集的比賽信息，然后用戶選定比賽以后，點擊“數據采集”按鈕，出現技戰術數據采集對話框，此時系統將會在事先設好的視頻數據目錄中自動開始查找這場比賽相應視頻的操作，如果找到了，系統會自動進行該場比賽視頻文件的播放，如果比賽不在設定的目錄下，此時用戶需要點擊“打開”按鈕，手動打開指定的相應比賽文件，并單擊“將本次比賽視頻移動到系統目錄”按鈕來進行視頻文件位置的移動，系統將出現提示如下“請根據設好的編碼規則把比賽視頻文件復制到指定的文件位置”，該位置可通過點擊“設定系統視頻位置”按鈕來完成設置。具體流程如圖3所示：

圖3 數據采集流程圖

在比賽視頻開始播放以后，系統將自動初始化比賽的基本信息，用戶可以開始采集比賽的技戰術數據并記錄到數據庫中。因為單、雙打項目采用的技戰術分析指標有所差異故而數據采集界面也會有所不同，具體的界面如圖4和圖5所示：

圖4 單打數據采集界面

圖5 雙打數據采集界面

2.3 視頻數據的處理

羽毛球的視頻數據處理模塊的功能主要有：進行視頻數據的播放操作、對視頻數據進行視頻片斷的剪輯操作、以及對相關的視頻剪輯數據進行合成操作。在視頻播放時，系統可以調用windows media player 組件進行利用該組件的控制鍵可以對播放進程進行控制，視頻剪輯的過程與技戰術數據采集過程二者是同時進行的，用戶通過觀察比賽視頻中運動員的技戰術使用情況將相應的技戰術指標記錄下來并將它存儲到數據庫中，用于技戰術分析和研究。視頻剪輯數據的合成操作是一個文件合成的操作，能夠完成相關文件的合成。[4]

2.4 智能分析模塊

在數據采集模塊獲得的技戰術信息基礎上，用戶通過設定運動員擊球的落點、位置、技術、效果以及通過對比賽的戰術態勢進行設定，就可以實現智能化的對數據進行分項或是綜合分析。系統可以對分析處理的數據以簡明的表格形式進行顯示，并且系統實現了分析數據與相關視頻文件的關聯，對符合相關檢索條件的視頻文件可以分別做文件的導出與合并操作。

用戶選擇要分析的條件，系統可以查詢出相應的結果反饋給用戶，通過有選擇的進行分析條件的設定，如設定包括比賽、局數、態勢、擊球選手、得失分情況、拍數、區域、技術動作、線路、方法、等條件可以實現不同的分析精度。設定的條件越多，相應得到的處理結果就越詳細，與此同時對相關的視頻文件進行同樣的查詢處理、合并或是剪切最后進行文件的導出得到相應的視頻剪輯文本。

2.5 決策支持系統模塊

羽毛球技戰術決策支持系統模塊是在智能分析的基礎上，對羽毛球技戰術決策支持方法進行探索，運用凝聚的層次聚類算法，構建了基于數據挖掘的系統，用于支持教練員指導運動員進行訓練和比賽。

羽毛球技戰術決策支持分為3個模塊，在比賽過程中的得失分球的決策、在比賽過程中的機會球的決策、在比賽過程中的被動球的決策。以單打為例，點擊“單打技戰術決策支持”，進入單打技戰術決策支持系統界面如圖6所示：

圖6 羽毛球技戰術決策支持系統界面

在此界面的“選擇比賽”欄中點擊“添加”按鈕，進入比賽選擇界面，選擇將要進行數據挖掘的比賽，可以同時選擇多場比賽數據。在“請選擇挖掘目標”的下拉列表中選擇這些比賽中出現的隊員，然后對其在這些比賽中的表現情況進行決策分析。在“設置生成/查看條件”欄設定決策分析的條件，此時可以設定由得失分、被動球、機會球與不同拍數組合的決策分析條件，系統將對該運動員在所選定的比賽中表現的情況進行決策。一次最多可以同時進行20個組合的決策分析。點擊“生成關聯數據”按鈕，開始數據挖掘過程。由于數據決策分析涉及的數據量一般都很大，故而需要耐心等待，共設計了以下不同技術之間的關聯數據決策：出現得失分、機會球、被動球等結果后與前6拍之間的關聯；發接發前4拍與得失分、被動球、機會球之間的關聯；出現得失分、機會球、被動球等結果后與前3拍之間的關聯；出現x技術后與前n拍、后n拍之間的關聯；出現得失分、得勝球等結果后與前n拍之間的關聯；前4拍技術與出現得失分頻率較高的技術之間的關聯。

點擊“查看關聯數據”按鈕可以進入詳細信息的查看界面，如圖7所示：

圖7 數據挖掘結果顯示界面

其中第一列“擊打路線”是決策分析結果的數據表示，本例中即為球的運動線路場地區域表示，第二列是對第一列數據關于技術上的文字描述，第三列是對第二列數據的數字描述，第四到第六列為該運動員利用該線路的總的得失分情況以及該條線路被此運動員使用的總的次數。第七到第八列為該線路的得失分比例。第九列是該條線路具體出現在哪些比賽的哪幾局中，最后一列是此運動員的比賽編號。選中結果列表中的一條或是多條記錄，點擊“失分預覽”或“得分預覽”按鈕，可以查看此記錄相應的得失分視頻剪輯，此時可以做相應視頻的剪輯操作，以及選中相關數據進行導出excel報表文件的操作。

3 系統關鍵技術

3.1 視頻文件的處理技術

本系統將比賽視頻文件進行分別的剪輯處理，然后根據技戰術指標數據打上標記再進行存儲，從而實現技戰術數據與相應視頻文件的關聯處理。具體實現技術是利用微軟公司的SDK插件Windows Media Format來完成視頻文件數據的處理，該SDK是面向對象的程序設計組件，開發時只需要設定生成器、讀取器、編輯器等對象的數據，Windows Media Format SDK組件會自動實現相應的視頻數據處理，而不需要開發者了解過多的流媒體處理技術[5]。

具體實現方式如下：

比賽視頻的播放：定義一個Player對象，將該對象與Media Player控件進行關聯，利用該Player對象包含的子對象Controls的相應功能接口就可以實現對嵌入系統中的Media Player播放器的視頻播放和控制功能。

比賽視頻的編輯：通過對每條技戰術分析數據相應的視頻數據時間起點和終點進行記錄的方式，可以將技戰術分析數據與比賽視頻數據進行關聯。

視頻數據的合并：對于多段視頻數據的合并，實現過程中采用多次將兩個視頻數據進行合并的方式來進行，合成視頻數據的流程大致是：創建一個Writer對象和兩個Reader對象，將這兩個對象分別和要合并的源文件與目標文件進行關聯，然后對這兩個對象就可以做讀寫的操作。

3.2 數據分析技術

技戰術智能分析的任務主要是要從數據庫中抽取出相關的羽毛球技戰術數據，主要涉及到以下幾個方面技術：

數據的抽取：完成從羽毛球技戰術信息數據庫和羽毛球視頻數據庫中提取羽毛球技戰術數據的功能。

數據格式的轉換：完成對抽取出來數據的格式轉換操作，從而使得數據能夠在類型、格式、單位、編碼規則等形式上進行統一。

數據的集成：主要是依據數據詞典的定義，將數據進行集成處理，使得數據挖掘與決策推理機能夠用統一的方式進行技戰術分析數據的處理。

數據的預處理：完成數據庫中異常數據的分析和處理。自動對數據進行異常檢查，并能夠給出用戶提示信息進行數據的校正。

數據分析：運用關聯分析與數據統計等方法，選擇相應的數據挖掘工具進行數據的決策支持推理。從而方便用戶更好的了解數據的分布規律，幫助教練員了解技戰術指標數據與比賽進程的相互聯系。

3.3 利用AGNES層次聚類算法進行數據挖掘

AGNES層次聚類算法原理如下：

采用自底向上的策略，對數據集合進行層次分解，直到滿足設定的條件為止。假如簇C1中的某個對象減去C2中的某個對象的距離值是所有不同簇對象距離值中的最小值，則C1可以和C2進行合并操作。將所有的簇一一進行合并操作直到這些對象都在一個簇中，形成一個最大的簇[3]。

算法步驟如下：

input：含有n個對象的數據庫，設定終止條件為：簇的總數k

output：k個簇

設定每個對象為初始簇[2]

Repeat

查找距離最近的兩個簇

進行兩個簇的合并同時生成新的簇的集合

Until達到預先設定的簇的總數

該算法在羽毛球技戰術分析中的應用如下：

首先設定技術數據結構為一個集合對象，然后將動態技術路線數據結構也設定為一個集合對象。

具體算法實現為：

1）將技術分析數據在每一比賽的回合中進行動態組合生成技術路線數據結構。

其中動態技術路線生成原則為：

每個回合中，某種技術出現后就對之前的n拍技術和當前技術的得失分情況進行關聯

每個回合中，當贏球出現后，就生成前n拍技術的關聯

2）根據生成的動態技術路線數據中的拍數對動態技術路線數據做箱排序，再根據該技術路線的編號做插入排序。

3）進行技術路線的合并數據挖掘

Input：經過步驟2得到的技術路線集合，并設定該總數k為生成的技術路線的數目。

Output：該技術路線在進行數據挖掘后計算出來的總的使用次數和相應的得失分率。

4 總結

該系統可以根據教練員和運動員的需求，進行技戰術的綜合分析，既可以對選定的某個運動員的某場比賽獨立的進行分析也可以聯合該運動員的多場比賽數據進行分析，能夠對運動員的擊球特點如：技術、戰術、落點、線路、得失分情況等進行分別分析也可以綜合多個特點進行關聯分析，不僅能夠提供分析數據而且能夠隨機調取相應的視頻剪輯，為教練員進行比賽技戰術視頻數據的觀察提供了極大的方便。

技戰術決策是依據數據采集系統的數據來進行分析決策的，它實現了大量隱性數據的挖掘，能夠將技戰術特征分析數據從隱含的原始信息中提取出來，便于教練員找出對比賽進程有決定性作用的技戰術分析數據與比賽得失分之間的關系，從而能夠及時調整戰略戰術，科學化的指導運動員采用合理的技戰術手段來贏取比賽的勝利。

此外，在數據的輸出上設計了多種圖表來進行形象的顯示，使得數據能夠一目了然的呈現在教練員的面前。綜上所述，羽毛球技戰術數據采集與決策分析系統將數據挖掘與決策支持技術應用于羽毛球比賽分析，本系統已經在國家羽毛球隊、乒羽中心、全國羽毛球培訓基地等單位得到了應用，特別是國家羽毛球隊長期使用本系統對場上運動員的擊球技術、位置、落點、效果，戰術勢態等進行分項分析和綜合分析，及時準確地為國家羽毛球隊做好技戰術數據的采集、統計和分析工作，為國家隊備戰08北京奧運、12倫敦奧運及湯姆斯杯和尤伯杯比賽提供了科技支撐服務，為備戰比賽制定戰略戰術、取得良好的比賽成績，提供了強有力的支持[6-7]。

[1]虞麗娟,張輝,凌培亮.隔網對抗項目技戰術分析的系統研究[J].體育科學.2008,(10):43-50.

[2]王菁.乒乓球技戰術分析決策支持系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2010(2):64-67.

[3]曾佳軍.改進的AGNES算法在羽毛球技戰術分析中的應用[J].電腦知識與技術.2009,(33):239-241.

[4]費正偉，趙傳杰，劉穎華.擊劍技戰術多媒體交互式數據采集系統的研究與應用[J].中國體育科技.2013,(2):104-111.

[5]袁敏.足球技戰術信息采集分析系統的研究與應用[J].計算機與現代化,2010(9):182-185.

[6]戴金彪,虞麗娟,蔣健,等.中國羽毛球隊奧運攻關研究報告——我國參賽隊員與國外主要對手技戰術特征分析[J].體育科研.2008,6:29-32.

[7]虞麗娟，凌培亮，章建成等.競技體育對抗性項目技戰術分析與診斷系統研究[R].上海市科委重點科技攻關計劃課題,2007.

Design on Date Collection & Decision-making Analysis System for Badminton

Liu Yinghua
(Laboratory of Sport Skill and Tactic Diagnosis and Analysis, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438,China)

This paper introduces the date collection & decision-making analysis system for badminton. This system realizes intelligent and interactive data collection and analysis for multimedia technical and tactical game data .It can make the game data relate to the technical and tactical data. The system can do query operation on related video data according to the technical and tactical index data. Thus it achieves a unified data analysis and video demo on race training process. The decision analysis module realizes data mining of large number of hidden data. It can extract the analysis data with technical and tactical characteristics from the original information so as to facilitate coaches to find the relationship from the technical and tactical analytic data and the gain or loss point data of the game which has decisive influence on the match process. The system helps coaches timely adjust strategy and tactics to make scientific decision.

Technical and Tactical; Data Collection; Intelligent Analysis; Decision-Making Support

TP273

A

2015.02.02）

1007-757X(2015)04-0023-04

“十一五” 國家科技支撐計劃基金資助項目“科技奧運專項”（2006BAK12B03）

劉穎華（1973-），女，上海體育學院運動技戰術診斷與分析國家重點實驗室，講師，碩士，研究方向：運動項目數據庫應用，上海，200091