基于數(shù)據(jù)挖掘的排球動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型研究

摘要：為了提高排球運(yùn)動(dòng)發(fā)展水平，使運(yùn)動(dòng)員取得更好的成績，科學(xué)、系統(tǒng)的訓(xùn)練是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最基礎(chǔ)保障，而訓(xùn)練強(qiáng)度大，動(dòng)作不規(guī)范易發(fā)生損傷，運(yùn)動(dòng)員潛藏的小動(dòng)作影響技術(shù)水平發(fā)揮等問題，在一定程度上影響著訓(xùn)練效果。針對(duì)以上問題，提出基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型研究，通過深度成像的方式建立運(yùn)動(dòng)員的三維數(shù)據(jù)信息庫，以數(shù)據(jù)挖掘算法分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過和排球運(yùn)功員動(dòng)作特征庫的對(duì)比評(píng)價(jià)分析，得出評(píng)價(jià)結(jié)果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)評(píng)估，證明設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)模型可實(shí)時(shí)采集排球運(yùn)動(dòng)員的速度，力量，技術(shù)等信息，以數(shù)據(jù)信息為依據(jù)規(guī)范動(dòng)作，適合在排球運(yùn)動(dòng)的長期訓(xùn)練中使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘;排球運(yùn)動(dòng)員;訓(xùn)練;動(dòng)作評(píng)價(jià)模型

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0274-02

收稿日期：2019-10-25

作者簡介：張東兵（1967—），女，湖北武漢人，本科，副教授，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與訓(xùn)練。

排球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)受眾廣泛的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，排球運(yùn)動(dòng)自誕生以來已有一百多年的歷史，從一項(xiàng)娛樂活動(dòng)演變?yōu)橛忻鞔_的規(guī)則，競爭激烈的比賽運(yùn)動(dòng)。排球運(yùn)動(dòng)員肩負(fù)著國家的榮譽(yù)，，他們長期處于高強(qiáng)度的訓(xùn)練中，并且要保持體能，速度，技術(shù)，心理等多方面因素的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此急需科學(xué)、先進(jìn)的訓(xùn)練技術(shù)。但排球運(yùn)動(dòng)員和教練難以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中動(dòng)作的問題，若問題長期存在，則會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員造成身體機(jī)能的損傷和體能的變化等，加大了制定訓(xùn)練計(jì)劃的難度。針對(duì)以上問題，采用數(shù)據(jù)挖掘處理算法對(duì)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的動(dòng)作規(guī)范性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期及早發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員深層次的動(dòng)作缺陷，實(shí)現(xiàn)科學(xué)訓(xùn)練。

1 基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型

基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型的基本流程如圖1所示：

模型需要的原始數(shù)據(jù)是排球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作特征數(shù)據(jù)，是評(píng)價(jià)的參考數(shù)據(jù)。被測(cè)試的排球運(yùn)動(dòng)員首先注冊(cè)賬號(hào)，登錄模型，錄入基本信息，包括性別，年齡，身高和體重，場(chǎng)上位置等等，建立運(yùn)動(dòng)員的檔案，有利于長期的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)分析。之后在測(cè)試過程中自動(dòng)導(dǎo)入通過硬件設(shè)備獲取的訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)，經(jīng)過模型評(píng)價(jià)分析，排球運(yùn)動(dòng)員可以查詢自己的評(píng)價(jià)結(jié)果。用戶設(shè)定部分有權(quán)限設(shè)置，教練可以查看所有運(yùn)動(dòng)員的評(píng)價(jià)結(jié)果，以此調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃。

1.1 排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)采集設(shè)備配有1個(gè)廣角彩色攝像頭，1個(gè)紅外投影機(jī)（紅外發(fā)射器），1個(gè)深度攝像頭，4個(gè)麥克風(fēng)陣列等部件。廣角彩色攝像頭可以360度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)人群的距離自動(dòng)調(diào)整。麥克風(fēng)陣列可以準(zhǔn)確地定位聲源，并且可以起到抑制噪聲的作用2。紅外投影機(jī)和深度攝像頭的結(jié)合構(gòu)成了設(shè)備的深度傳感器，在運(yùn)行時(shí)，每一個(gè)像素點(diǎn)上的灰度值可以得出該點(diǎn)代表的深度值，就是被測(cè)的排球運(yùn)動(dòng)員對(duì)應(yīng)點(diǎn)到深度攝像頭的垂直距離。這些設(shè)備的組合可以準(zhǔn)確地把排球運(yùn)動(dòng)員和場(chǎng)景分割開，使排球訓(xùn)練場(chǎng)的前后景分離，從運(yùn)動(dòng)的排球運(yùn)動(dòng)員中捕捉訓(xùn)練動(dòng)作：三維數(shù)據(jù)信息。深度圖像獲取使用的是光子飛行時(shí)間技術(shù)，獲取運(yùn)動(dòng)員到紅外發(fā)射器的平面距離s計(jì)算公式為：

公式（1）中，k表示為光速，約等于3x 10*m/s，m是調(diào)制光頻率（紅外投影機(jī)），4β代表發(fā)射光信號(hào)和反射光信號(hào)間的相位差。通過這個(gè)公式計(jì)算可以得到的訓(xùn)練場(chǎng)空間的深度值，獲取運(yùn)動(dòng)員三維位置信息。這個(gè)技術(shù)相對(duì)穩(wěn)定，抗光線干擾的能力強(qiáng)，獲取精度比傳統(tǒng)設(shè)備有很大提高。

排球運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中，身體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)因?yàn)樯砀唧w重而受到影響，則本文模型選取關(guān)節(jié)的三維空間數(shù)據(jù)來識(shí)別運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)情況，選取了左肘、右肘、左膝、右膝為主的15個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)來作為動(dòng)作跟蹤。模型中設(shè)置了三種狀態(tài)來表示數(shù)據(jù)獲取情況，如表1所示。

三種狀態(tài)在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上有提示燈顯示，綠色是正常跟蹤，黃色代表推測(cè)，紅色代表跟蹤失敗，使用時(shí)可以根據(jù)提示燈及時(shí)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)。

1.2 排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)的主要參照數(shù)據(jù)是排球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作特征庫的內(nèi)容。排球比賽是隔網(wǎng)對(duì)抗型運(yùn)動(dòng)，和武術(shù)、體操等有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)不同，排球動(dòng)作的規(guī)定，主要是根據(jù)人體生物學(xué)等原理，以最省力的技術(shù)完成有效扣球[3]。排球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作特征庫判定合理的技術(shù)動(dòng)作，要綜合發(fā)力順序，發(fā)力規(guī)律等諸多技術(shù)要領(lǐng)來設(shè)定。由于每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作幅度不同，排球技術(shù)動(dòng)作，姿態(tài)沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作在完成上會(huì)有一定范圍的差異，這些差異不會(huì)影響發(fā)球的質(zhì)量，動(dòng)作連貫性，所以同樣是合理有效的。對(duì)不同的技術(shù)動(dòng)作要分類進(jìn)行提取，建立相應(yīng)的動(dòng)作特征表，形成動(dòng)作特征數(shù)據(jù)庫。

以攔網(wǎng)為例，副攻準(zhǔn)備好攔網(wǎng)后，以右腳離地為開始，中間使用交叉步做攔網(wǎng)動(dòng)作，最后以雙腳落地為結(jié)束[4]。對(duì)這個(gè)動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、解剖學(xué)的分析，結(jié)果如下表所示。

根據(jù)分析結(jié)果查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行專家訪談，了解有可能破壞動(dòng)作合理性，流暢性的關(guān)鍵性指標(biāo)。有了方向之后，以實(shí)際獲取的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的動(dòng)作數(shù)據(jù)做分析，選取20名優(yōu)秀排球運(yùn)動(dòng)員，20名普通排球運(yùn)動(dòng)員，做左髖，左膝，右踝，右髖，右膝，右踝關(guān)節(jié)角度測(cè)試數(shù)據(jù)的分析。分析結(jié)果與預(yù)測(cè)-致，優(yōu)秀排球運(yùn)動(dòng)員這個(gè)啟動(dòng)動(dòng)作的所有關(guān)節(jié)角度都要小于普通運(yùn)動(dòng)員，由此可知，啟動(dòng)動(dòng)作的角度直接影響了動(dòng)作速度，合理的啟動(dòng)角度有利于身體的協(xié)調(diào)和能量的傳遞[5]。在這個(gè)結(jié)論的基礎(chǔ)上調(diào)取大量優(yōu)秀排球運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，分析得出數(shù)據(jù)區(qū)間，作為排球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作特征庫的數(shù)據(jù)，并把這些影響動(dòng)作的因素錄入動(dòng)作特征庫中，做評(píng)價(jià)分析的參考。

2 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

為了測(cè)試本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估。在訓(xùn)練場(chǎng)地的相同位置安裝本文的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳統(tǒng)的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型相關(guān)設(shè)備。

被測(cè)試的排球運(yùn)動(dòng)員分別在兩個(gè)模型中錄入個(gè)人基本信息。測(cè)試時(shí)間為四天，測(cè)試期間排球運(yùn)動(dòng)員保持正常訓(xùn)練。被測(cè)試的排球運(yùn)動(dòng)員分別用傳統(tǒng)的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型和本文提出的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型對(duì)所獲得的左前臂、右前臂、左小腿、右小腿四個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)軌跡信息進(jìn)行誤差率分析對(duì)比，實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果曲線如圖2所示。

由圖中可以看出本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型比傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)模型誤差率低，而且保持平穩(wěn)0，不受時(shí)間長度影響，基本維持在2.42%左右，完全符合動(dòng)作評(píng)價(jià)模型對(duì)誤差率的要求。

同樣的條件，選取左髖，左膝，右踝，右髖，右膝，右踝六個(gè)關(guān)節(jié)，做關(guān)節(jié)角度的評(píng)價(jià)結(jié)果測(cè)試，圖3是本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，圖4是傳統(tǒng)的訓(xùn)練動(dòng)作評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)結(jié)果。

由兩種模型的評(píng)價(jià)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果只有分?jǐn)?shù)，本文的模型評(píng)價(jià)結(jié)果很詳細(xì)，對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)都有分析[7]，并且有專家和教練對(duì)訓(xùn)練動(dòng)作的指導(dǎo)，往期訓(xùn)練結(jié)果多方面分析比較的數(shù)據(jù)等。

3 結(jié)束語

本文模型以先進(jìn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備來獲取運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并得出動(dòng)作評(píng)價(jià)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)評(píng)估表明，本文提出的模型有極高的適用性，對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練很有幫助。其中排球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作特征庫的數(shù)據(jù)，希望有關(guān)專業(yè)人士幫助進(jìn)行填充。模型的很多細(xì)節(jié)需要繼續(xù)完善，評(píng)價(jià)結(jié)果還可以輸出很多不同的數(shù)據(jù)，有待進(jìn)一步研究。

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[通聯(lián)編輯：張薇]