基于多手段融合的原位體育運動性能分析系統

梁園

(寶雞職業技術學院 體育部， 寶雞 721000)

0 概述

體育運動分析對于運動員和教練員來說至關重要，隨著各種科技技術地發展，利用多手段技術進行融合，如通過可穿戴技術實時采集運動員地運動狀態，如慣性測量傳感器在運動性能分析中具有潛在用途，此外，為了運動的完整性，使用傳感器進行運動性能分析必須在原地或其原始位置，因為運動員的心態和環境條件在實驗室環境中是完全不同的[1]。

關于數據分析本身，相關研究已經證明實時發布是不實際的，因為教練仍然更愿意在看數據之前用自己的眼睛觀察運動員的表現。因此，性能分析僅在分析到后階段期間以近實時和可呈現的方式需要；此外，由于慣性傳感器數據純粹是定量的，因此建議將數據與視頻集成以支持慣性傳感器使用[2]。本文提出了一個關于慣性傳感器用于運動性能分析的系統，該系統旨在提供可操作的數據，以協助教練和運動員監測和改善運動員地訓練，并且通過錄制的訓練數據和同步視頻，利用可視化手段進行細節回放，為教練和運動員地定性評估提供數據依據。

1 系統設計

該系統由三部分組成，如圖1所示。圖1即用于運動和定向數據采集的慣性測量單元，用于視覺數據采集的高FPS視頻攝像機，以及基于Android操作系統ASSESSOR(Assistive Sensor System for Sports and Rehabilitation)應用程序(用于數據記錄、分析和存儲)。

圖1 運動和康復輔助傳感器系統組成圖

ASSESSOR應用程序負責通過無線控制IMU和FPS視頻攝像機以開始和停止錄制，一旦表演完成記錄，應用程序可以以同步的方式加載運動數據和視頻數據，其中每個運動數據樣本基于其時間戳從視頻中顯示其對應的幀；然后，運動數據的圖形可以容易地歸因于它們各自的運動[3-5]。

1.1 硬件組件

1)慣性測量單元

系統中使用的MEMS IMU由3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計組成。這些無線傳感器通過藍牙進行通信，傳感器通過Android庫用于訪問原始運動數據(加速度，角速率，磁場)和方向數據等。

該測量單位尺寸設置為45*37*20 mm，重量為37 g，當連接到運動員的身體時，由于該單元地尺寸較小不會影響運動員地表現。此外，使用內部800 mAh鋰電池為IMU供電約10小時，在整個訓練過程中不會成為問題。

2)高FPS攝像機

系統中使用的高FPS相機是拍攝行動相機，即使具有微型尺寸，它也可以錄制高幀率視頻，而不會影響視頻分辨率。同時FPS置Wi-Fi模塊，用于連接相機并進行無線控制，最初打算在極限運動中使用甚至佩戴，其便攜性是保持ASSESSOR移動配置的關鍵。

3)平板電腦

目前在該系統中使用的平板電腦配置Android系統，具有藍牙和Wi-Fi，用于與IMU和FPS攝像頭通信。

1.2 系統算法設計

ASSESSOR的執行過程如圖2所示。

圖2 ASSESSOR循環

其中最終產品是在審查和分析運動和視頻數據之后的必要行動過程，該過程可以肯定運動員正確完成的事情或教練所教導的事情，這些事情可以改善運動員，在這種運動中，必要的行動方案將繼續，甚至可以改進。另一方面，它還可以識別運動員表現中的錯誤，或者教練目前的方法不適用于運動員。利用該手段可以對必要的訓練方案進行糾正或改變，一旦確定了必要的行動方案，就可以重復整個過程以監測下一次的表現[6-7]。

實現過程設計如下：

1)設置

系統設置較為簡單，只需要將裝有ASSESSOR程序地電腦連接到IMU和攝像機，并將攝像機連接到三腳架，將三腳架放到所需位置，將傳感器連接到運動員，然后校準IMU。之后，只需要填寫數據捕獲屏幕中的一些信息，應用程序就可以記錄性能。

2)數據捕獲

數據捕獲過程較為簡單，用戶按下“開始”按鈕命令ASSESSOR應用程序記錄IMU數據并告訴攝像機也開始記錄。該應用程序播放模擬在田徑場中開槍的聲音，以向運動員發出錄音開始的信號。演奏完成后，按“停止”按鈕可停止IMU和攝像機地錄像。

IMU數據存儲在逗號分隔值(.csv)文件中，文件名通過先前填充的信息以及日期和時間獲得，.csv文件在電腦的文件夾結構中使用相同的填寫信息進行組織，以便于后期系統訪問；IMU數據記錄頻率為為50 Hz，而攝像機以720 F分辨率以50FPS記錄，以便在IMU數據和視頻數據之間一一對應。

3)數據分析

在繼續分析收集的數據之前，通過下載視頻數據通過數據分析屏幕進行。

在“數據分析”屏幕中，通過集成文件瀏覽器選擇文件可以輕松填寫所分析的文件。一旦選擇了特定的數據集，按下“分析”按鈕將獲取這些數據并將其與圖形顯示的IMU數據一起呈現，同步視頻數據。然后，教練和運動員可以繼續觀察表演并從數據中學習。

4)社交分享

如果教練或運動員想要共享同步數據的一部分，則存在專用屏幕截圖按鈕以在電腦上保存屏幕截圖。除此之外，還會出現一個選擇菜單，允許將所述屏幕截圖分享到社交媒體以及電子郵件和云端。

1.3 數據分析

該應用程序的數據分析部分也是由多個開源庫和代碼(如CSV庫)構建的，用于讀取記錄的IMU數據，可通過其他應用程序訪問的文件瀏覽器應用程序和圖形/圖表庫可視化IMU數據。這些內容與一些ADT應用程序編程接口(API)相結合，提供了一個簡單直觀的交互式分析屏幕，供最終用戶使用。數據分析可以是一個數據集的指標分析，也可以是兩個數據集的比較分析。

1)指標分析

指標分析地屏幕被設計為同時顯示IMU數據的圖形可視化和所選樣本的相應幀。這樣做是為了通過視頻數據容易地將IMU數據與其相應的運動相關聯。

2)比較分析

在使用兩個數據集進行比較分析時，使用相同地屏幕，在顯示兩個圖形和兩個視頻時必須采用不同的方法。這樣，可以將兩個圖形與易于訪問的視頻幀進行比較，以便快速參考。

1.4 實驗驗證

使用該系統進行的實驗包括但不限于田徑和籃球。這些實驗證明了ASSESSOR如何收集和分析運動表現數據。

A.系統啟動反應時間

為了讓運動員在起跑線上有反應時間，通過將IMU連接到運動員的起始腿，特別是腳踝，IMU將在相對平坦的開始后記錄尖峰，表示從起始腿快速移動，表示ASSESSOR應用程序在開始時對槍開始的反應。

B.籃球旋轉移動轉速

該實驗用同一運動員進行兩次，以比較兩個獨立試驗中運動員的反應時間。籃球旋轉移動轉速在籃球中，躲避防守的基本方法之一就是進行旋轉移動，為了成功超越防守，旋轉移動的要求之一是速度。在這個實驗中，將一個IMU連接到運動員的軀干上，以測量運動員旋轉運動的最高轉速。

C.結果和討論

加載來自兩個試驗的兩組數據進行沖刺反應時間對比分析，如圖3所示。

圖3 兩個試驗沖刺反應時間的比較分析

可以看出，在第一次試驗中，圖表開始在0.37秒處達到峰值，表明反應時間為相同的區間；將其與底部的第二次試驗相比較，可以看出第二次試驗的反應時間更快，約為0.32秒。

加載用于籃球旋轉移動獨奏分析的數據集，如圖4所示，可以看出旋轉移動期間的峰值在大約743度/秒。

圖4 對峰值旋轉移動轉速的試驗測試的獨立分析

這兩個實驗演示了系統如何幫助收集性能數據，尤其是通過單獨觀察運動員無法收集的量化數據。

2 總結

本文使用可穿戴慣性測量單元、高FPS相機和應用程序構成體育運動分析系統—ASSESSOR，可通過記錄和可視化同步運動數據和視頻數據，以協助教練和運動員評估他們的表現和發現可操作的數據。此外，數據可以在線分享，以便繼續在培訓之外進行討論。ASSESSOR不僅限于用于捕捉和分析運動表現，主要可適用于運動分析。