室內(nèi)籃球跟蹤系統(tǒng)精度分析

姜志軍

（廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

1 前言

采取慣性測(cè)量單元（IMU）來量化和監(jiān)控性能現(xiàn)在已成為訓(xùn)練師和健身教練的基本工具[1]。在籃球運(yùn)動(dòng)中，跟蹤系統(tǒng)目前被用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和戰(zhàn)術(shù)分析[2]。這些系統(tǒng)需要一定的最低精度標(biāo)準(zhǔn)，不同射頻跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)通過驗(yàn)證。由于技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者采用了不同的驗(yàn)證方案：Frencken、Lemmink和Delleman[5]驗(yàn)證了一個(gè)局部位置測(cè)量（LPM）跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)與光電管和卷尺記錄的距離和速度有關(guān)。雖然該系統(tǒng)已在足球比賽中得到驗(yàn)證，但它可以用于室內(nèi)籃球比賽。同一系統(tǒng)在室外和室內(nèi)條件下進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比，但僅限于特定和確定的比賽區(qū)域。Ogris和coleagues[7]在分析LPM系統(tǒng)相對(duì)于應(yīng)用紅外技術(shù)的VICON攝像機(jī)系統(tǒng)的精度時(shí)也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題，但該方案僅在現(xiàn)場(chǎng)的一側(cè)進(jìn)行測(cè)試。后來，Leser、Schleindlhuber、Lyons和 Baca[6]驗(yàn)證了一種超寬帶（UWB）跟蹤系統(tǒng)Ubisense對(duì)滾輪測(cè)量距離的影響，假設(shè)距離有效。Luteberget和colleagues[9]驗(yàn)證了一個(gè)關(guān)于VICON的LPM系統(tǒng)，但該測(cè)試是在特定和確定的比賽場(chǎng)地區(qū)域進(jìn)行，因?yàn)閂ICON系統(tǒng)在測(cè)量總場(chǎng)地[10-11]方面存在一定局限性。

目前，環(huán)境對(duì)射頻信號(hào)的干擾是主要問題之一。在室內(nèi)條件下，不同的元素及其排列方式，例如從場(chǎng)地到墻壁的距離、標(biāo)記位置和其他，它們都可能導(dǎo)致報(bào)告的值存在顯著差異和準(zhǔn)確性偏差[4]。因此，同一個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)給出與所放置室內(nèi)球場(chǎng)相關(guān)的球員跟蹤儀位置的不同評(píng)估產(chǎn)生指標(biāo)誤差，因?yàn)樾枰褂靡粋€(gè)獨(dú)立于球場(chǎng)位置的標(biāo)準(zhǔn)化方案來進(jìn)行精度評(píng)估。因此，文章旨在設(shè)定一個(gè)特定室內(nèi)籃球場(chǎng)地的軌跡精確定位方案。

2 研究方案

在比賽區(qū)域內(nèi)進(jìn)行3次不同的移位，每一次重復(fù)3次。在移位的過程中，兩個(gè)裝置安放在背部以上的位置（肩胛骨間線），用一個(gè)特殊安全帶牢固地固定。在不同的距離、方向和強(qiáng)度下，以不同的距離、方向和強(qiáng)度來模擬比賽的實(shí)際條件，完成高達(dá)15km/h的位移。設(shè)計(jì)用于評(píng)價(jià)位置精度的軌道包括：不同運(yùn)動(dòng)行程側(cè)邊和軸線；球場(chǎng)的周界標(biāo)記；球場(chǎng)中線；球場(chǎng)線的外部周界；中心圓；6.75m線。具體見圖1～圖6。尺寸如下：球場(chǎng)長(zhǎng)28m、寬15m；球場(chǎng)中線長(zhǎng)15m；涂漆線的外部長(zhǎng)5.8m、寬4.9m；中心圓半徑為1.8m；6.75m線質(zhì)心長(zhǎng)3.8m，其尺寸符合現(xiàn)行國(guó)際籃聯(lián)籃球規(guī)則。實(shí)際距離可以通過腳輪測(cè)量。所有的任務(wù)必須從站著的位置開始，并在標(biāo)記線的后面。

3 研究結(jié)果

3.1 準(zhǔn)確度

X和Y坐標(biāo)的位置平均差和差值百分比的精確度見表1。表1總結(jié)了不同方向位置估計(jì)誤差的平均差。所有位置估計(jì)的平均絕對(duì)誤差可以用各軸的差值和差值百分比的總平均值±SD來計(jì)算。在不同場(chǎng)合和使用的設(shè)備之間可以計(jì)算出顯著性差異。

3.2 元素間可靠性

X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的ICC和TEM的元素見表2。表2顯示了X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的ICC和TEM的元素間可靠性。

4 研究結(jié)果分析與討論

文章所設(shè)計(jì)的方案僅使用同一跟蹤系統(tǒng)的工具（WIMU-PROTM慣性器件和S-PROTM軟件）。目前，在體育科學(xué)研究中，驗(yàn)證的參考方法是同時(shí)進(jìn)行有效性分析和視頻分析[7]。首先是經(jīng)濟(jì)成本高，其次是系統(tǒng)的安裝和使用困難。基于這些原因，在這個(gè)意義上使用它似乎不夠。此外，所有可用的研究都分析了場(chǎng)地的縮小面積，這限制了在全場(chǎng)正式比賽登記期間對(duì)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際評(píng)估[7-9]。

為此，文章提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的低成本方案，該方案易于報(bào)告估計(jì)偏差。有人認(rèn)為最佳估計(jì)偏差，在每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻，它必須小于物體重心自然位置（15～20cm）的誤差[15]。因此，在分析過程中每個(gè)坐標(biāo)（x，y）的值小于15cm時(shí)，可以假設(shè)跟蹤系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)間運(yùn)動(dòng)分析。這項(xiàng)方案的評(píng)估進(jìn)行了每秒2個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，這一過程比其他研究（光電管、手動(dòng)測(cè)量等）將其數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比過程更為詳盡[3,5,6]。即使如此，數(shù)據(jù)的對(duì)比頻率也可以配置為增加或減少。因此，如果能開發(fā)出組成跟蹤裝置的更高數(shù)據(jù)頻率芯片組，這個(gè)電子表格將來就可以使用了。另一方面，籃球場(chǎng)的特點(diǎn)也存在一定程度的差異。故對(duì)室內(nèi)條件下跟蹤系統(tǒng)的相應(yīng)精度標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。這一方面很重要，當(dāng)計(jì)算一個(gè)過程或一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)比較時(shí)，要想知道是否有變化，那么一個(gè)測(cè)量值與另一個(gè)測(cè)量值的差值必須大于系統(tǒng)誤差和重測(cè)信度。

圖1 室內(nèi)條件下的跟蹤定位精度

5 結(jié)束語

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化室內(nèi)籃球場(chǎng)定位評(píng)估方案，可為體育科學(xué)專業(yè)人員提供一種有用的工具，用以分析所有跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，且其結(jié)果可以在球場(chǎng)內(nèi)與外進(jìn)行比較。

表1 X和Y坐標(biāo)的位置平均差（cm）和差值百分比的精確度

表2 X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的ICC和TEM的元素