“乒乓军师”专项技战术视频分析系统的研发

肖丹丹，刘 帅，刘国正，孙 晶*，周星栋

计算机技术应用于体育比赛的技战术分析已经屡见不鲜（赵会群 等，2004）。比如，鹰眼技术在羽毛球落点识别中的应用（兰彤 等，2017），视频回放技术在篮球、排球技术仲裁中的应用（王耀东 等，2010），数据库技术在统计篮球运动员体能数据中的应用（赵述强，2015）。不仅如此，计算机技术也大量应用于比赛的技战术分析之中。比如，SIMI Reality Motion System公司开发的Simi Scout视频技战术分析软件，可以对球类项目中的运动员行为、球的运行参数等体育指标进行采集与分析（肖丹丹，2016）。Data Volley软件在排球技战术分析中的应用（陈贞祥 等，2017），对排球中技战术进行了采集与分析。

中国乒乓球长盛不衰有很多制胜因素，其中科技手段的介入功不可没。对于乒乓球项目而言，对运动员技战术的分析与诊断是奥运科研攻关与科技服务的核心。1988年吴焕群建立的三段指标评估法是乒乓球技战术定量分析的基础（张晓蓬，2004）。从计算机辅助乒乓球技战术分析的角度，由于乒乓球有速度快、旋转强、回合多等特点，技战术分析人员很难通过肉眼一次性记录1分球中所有的关键信息，需要重复多次观看，这为根据视频直接分析乒乓球技战术提出了巨大的挑战（乔云萍，2008）。为解决这些问题，中国乒乓球队引进了德国SIMI Reality Motion System公司的Simi Scout视频技战术分析软件，并且已大量投入使用。其他运动队所运用的软件也多为国外软件，如澳大利亚开发的Sports Code，瑞士的Dart fish Teampro等。这些软件在功能上只能满足技战术分析的基本操作，且技战术分析人员与开发公司也有交流不便等问题，不能及时根据我国技战术分析人员的实际需求进行改善。近年来，国内科研人员也开始对乒乓球技战术分析软件进行开发，如胡水清等（2013）、虞丽娟等（2008）和王应强等（2009），他们的技战术分析软件可以实现基本的技战术采集工作，并且在功能上均有创新与便捷之处，为技战术分析系统的研究提供了宝贵的设计思路，但这些系统只是按传统的技战术采集需求实现了采集功能，并没有实现灵活智能的视频自动截取以及自动生成报告的功能。本研究旨在设计和开发一套智能化乒乓球专项技战术视频分析系统（“乒乓军师”专项技战术视频分析系统），以满足乒乓球运动实践的需求。

1 系统设计与实现

根据国家乒乓球队技战术视频分析的具体需求，查阅文献资料，运用Visual Studio 2015开发环境，采用C++开发语言，MFC框架结合MYSQL数据库和XML，在Windows 10系统环境下，开发“乒乓军师”专项技战术视频分析系统。该系统主要由3个模块组成：1）技战术指标信息采集模块；2）技战术指标信息处理模块；3）报告生成模块。

1.1 技战术指标信息采集设计与实现

技战术信息采集设计与实现模块由模板的设计与建立、时间信息采集、技战术信息采集3部分组成（图1）。

图1 技战术信息采集功能结构图Figure 1. Structure of Technical and Tactical Information Collection Function

1.1.1 模板的设计与建立

在进行技战术信息采集时，首先要根据采集需求设计技战术模板。技战术模板包含有针对乒乓球项目专项的多个常用的技战术分析模板，同时也需留有开放式的应用环境，可以根据不同教练员和运动员的需求，方便自由地设立统计分析内容模型以及内容之间的逻辑关系。依据不同需求，模板可繁可简，简单模板可达到现场实时反馈。系统可对复杂的事件进行精确的定义和描述分析。分析内容的模型采用树状结构，并引入了层的概念，比赛的技战术统计结果的逻辑层次清晰。

每一套模板都是一个技战术体系，模板内容由局信息、比分信息、段信息、技术信息、得失分信息等详细指标组成。乒乓球技战术数据采集与技战术的模板内容有直接关系。模板的设计和建立包括数据项定义、属性定义和模板建立3部分。

1.1.1.1 数据项定义

模板数据项的具体名称举例如表1所示。新建模板时，可以根据需要选择表中数据项，也可根据需要增加新的数据项。模板的数据表项是1分球的基本信息和比赛过程，基本信息就是这1分球所在的局数和比分，比赛过程是这1分球中所用的技术动作、板数信息以及得失分情况。

表1 模板数据项的名称举例Table 1 The Example of the Template Data Entry

1.1.1.2 属性定义

模板数据各项的属性是描述乒乓球的1分球技战术的基本组成单元，是用于乒乓球技战术建立的数据项和属性，也是系统进行乒乓球技战术采集的基础。对于局数、比分、发、接项、板数、手段、落点、得失分等技战术指标的属性均进行了定义和说明（表2）。

1.1.1.3 乒乓球技战术模板的建立

可以根据数据项定义和属性定义创建新的技战术模

表2 手段项的属性定义Table 2 Attribute De finition for Means Items

本系统是在MFC单文档框架下实现的，模板建立在View窗体之上，可添加各种数据项控件。首先在该文档下定义两个列表控件（C List Ctrl），一个列表控件加载一个数据项和该数据项的现有属性，用于选取需要加入的技战术数据项和属性；另一个列表控件，定义为指针数组，用于选取属性之间的关系。

模板信息的存储和读取通过XML（可扩展标记语言Extensible Markup Language）设计用来传输和存储数据。其中的标记（markup）是关键部分，本系统采用微软提供的MSXML组件来操作XML文件。板，模板内容既包括上述各类属性的取值内容，还包括各类属性之间的顺序关系（图2）。

图2 模板建立的过程流程图Figure 2. The Process of Template Construction

由于采集的属性众多，为保证采集过程中的连贯性，在设计模板时添加了属性关系列，每一列属性都可以任意连接到其他属性列，当采集完一个属性时会根据属性关系跳到该属性连接的下一个属性。

由于在采集时，模板可能出现重复使用的情况，为避免重复创建相同模板，本软件设计了模板库来保存使用率高的模板。

在设计模板库时，根据技战术分析领域常用的方法总结并整理了常用模板添加到了模板库中，如普通三段模板（图3）和动态三段模板。

图3 普通三段模板Figure 3. Template of Three-phase Method

1.1.2 技战术信息采集

在技战术模板创建完成后，软件根据模板中的属性列，生成一个技战术指标点选界面（输入表）和一个技战术指标显示界面（显示表）。当选择好输入表中的内容后，所标记的每个球的技战术指标会在显示表中出现（图4）。

图4 技战术信息采集界面Figure 4. Operation Interface of Technical and Tactical Information Collection

1.1.3 时间信息采集

在传统的乒乓球技战术采集系统中，为实现视频的回看与定位，一般采用基于视频时间的采集方式。原有方法只能依靠第三方视频截取软件进行手动截取，手动截取不但会消耗大量时间还会出现截取错误的情况。为解决该问题，本研究采用同时记录开始和结束时间的方案，更加方便的截取视频。软件记录了每1分球的开始时间和终止时间并和技战术数据绑定，结合视频非线性编辑技术，实现视频片段的自动截取与合成。

本研究提出了同时记录开始和结束时间的方案，可以更加方便地截取视频，时间信息提取算法如下：

算法1：时间信息提取算法

输入：视频流信息

输出：视频时间信息

算法第（2）行判断点击视频的次数若为偶数，则新添加新数据行，第（4）行获取当前视频时间，并添加到开始时间中，第（5）行若点击视频界面次数为奇数，则获取视频当前时间，并添加到结束时间中。

当要对时间进行删除时，由于每行有开始时间和结束时间两个时间信息，系统无法确定删除的信息是该行的开始时间还是结束时间，对此，提出了针对这种情况的时间信息删除算法，因为开始时间的信息存在StartTime数组中，结束时间存在EndTime数组中，当确定要修改的具体时间信息时，根据时间所在行数i和数组中的时间信息，判断时间为开始时间还是结束时间，具体算法如下：

算法2：时间信息删除算法

输入：要修改的时间信息所在行数

输出：视频时间信息

算法第（2）行表示若删除行为最后一行并且只存放了开始时间时，将开始时间置为空，时间总数减1。第（5）行表示若删除行为最后一行并且存放了开始时间和结束时间，时间总数减2，并将开始时间和结束时间都置为空。第（8）行表示若删除行不为最后一行时，时间总数减2，开始时间和结束时间都置为空，且（10）～（14）行表示将删除行后面的时间信息统一向前移动一行。

采用如上两个算法后，软件就记录了每1分球的开始时间和终止时间并和技战术数据绑定，根据开始时间和结束时间结合视频非线性编辑技术可以很容易实现视频片段的自动截取与合成，形成新的视频。

1.2 技战术信息管理设计与实现

技战术信息管理模块由技战术信息存储和技战术信息处理两部分组成，技战术信息管理功能结构如图5所示。

图5 技战术信息管理模块结构图Figure 5. Technical and Tactical Information Management Module

1.2.1 技战术信息存储

为解决技战术信息管理及保存的合理性，本软件在设计时采用MYSQL数据库和XML双重存储方法。通过使用MYSQL数据库，将每1场比赛按技战术分析指标进行标记后，按照每场信息、每分信息和模板信息进行存储，增强了数据存储的安全性。提高了最终的整体数据汇总，查询统计的效率，使实现按不同技战术指标有针对性的查询、统计数据更为便捷。

为实现数据共享，本软件使用了XML的存储方式。在XML中保存了模板的属性关系信息，模板信息及比赛信息，实现了不同电脑中的数据互通，弥补了本地数据库数据不互通的缺点。

1.2.2 技战术信息处理

随着比赛数据采集量的增加，若处理方法不当会使庞大的数据混乱，所以，技战术数据的处理方法就显得尤为重要。本研究采用了多条件筛选和多条件排序的方法处理技战术信息。

多条件筛选，为用户提供了按不同条件筛选数据的方法，算法3如下：

算法3：数据筛选算法

输入：技战术数据筛选条件

输出：筛选后的技战术数据信息

算法第（3）行表示若该行数据与筛选条件不相等，则删除该行，应用该算法可以将与筛选条件不符的数据行删除条剩下的就是符合该筛选条件的行数。

多条件排序，提供了按不同技战术指标升序排序的方法，实现了最多3个属性的排序功能，排序算法如下：

算法4：技战术信息排序算法

输入：需要排序的属性

输出：按升序排序的技战术信息

算法第（1）行表示若只排序一个属性，则按该属性进行升序排序。第（3）行表示若按2个属性排序，则先以第1个属性排序，再在第1个属性排序的基础上给第2个属性排序。第（6）行表示若按3个属性排序，则先以第1个属性排序，然后在第1个属性的基础上排序第2个属性，最后在已经排好的第1、2个属性的基础上排序第3个属性。第（9）行，若选择的属性大于3个，则按最后点击的3个属性为条件进行排序。

为方便核对不同技战术的统计结果，软件根据当前筛选后的信息，统计了总球数和得失分球数并在显示表中出现。应用以上算法，科研人员可以更加准确快速的处理技战术数据。

1.3 数据分析与报告生成设计与实现

在对运动员进行技战术分析与诊断的过程中，对一场比赛技战术的标记只是完成了数据的采集工作，要在原始数据的基础上进一步形成技战术分析报告。在以往的技战术分析软件中，没有技战术分析报告生成的功能，科研人员需要手动计算各项分析指标数据，并拷贝至word文档中，再进行排版，耗时较多。为解决上述问题，本软件添加了自动计算数据和生成报告的功能，功能结构图如图6所示。

图6 报告生成功能结构图Figure 6. Structure of Report Generation Function

根据国家乒乓球队的实际需求，开发了常用报告模板，分为普通三段模板和动态三段模板。普通三段模板中又可分为1、3板为发抢和1、3、5板为发抢两种类型。当科研人员选择对应的模板后，系统根据如下算法将结果填入模板中，并自动生成分析报告。

2 系统应用

近1年来，在多次大赛备战的过程中，本软件为国家乒乓球队提供了技战术采集分析支持。通过应用本软件对我国运动员训练中的比赛录像以及主要对手的技战术进行了采集与分析，并提供了在线交流与敏捷维护的服务。应用过程中对其中百余场比赛进行了详细的技战术分析。所测试功能均经过检验和修正，软件整体功能正常，使用流畅、便捷。本软件取得了较好的效果，得到了国家乒乓球队的充分肯定。

2.1 在线修改与维护

在软件的使用过程中，不断找出软件的不足之处和待完善的功能。通过在线修改与敏捷维护，结合在国家乒乓球队中对软件使用的反馈，第一时间修改程序，并对功能进行改进，使本软件更加适用于乒乓球技战术的采集与分析。并根据使用情况，完善了操作的不便之处，使软件操作更加快捷、简便。在与队伍交流和敏捷维护的过程中共为本软件添加了7项功能，调整了17项功能，修复了8个漏洞。

2.2 软件应用实例

以2018年德国公开赛1/4决赛马龙与波尔比赛的技战术视频分析过程为例，介绍本软件的使用情况和效果。该场比赛比分为4：1（7，7，-8，9，15），马龙胜。

2.2.1 模板的设计

根据马龙主管教练员和马龙本人个性化技战术的需求，针对该场比赛设计了模板（图7），该模板在普通三段模板的基础上添加了新的属性，并设置了一对多的属性关系。结果表明，本软件可以根据实际需求，灵活地建立不同技战术模板。

图7 技战术模板Figure 7. Technical and Tactical Template

2.2.2 技战术数据的采集与统计

根据创建的模板，自动生成了输入表和显示表，并采集了模板中相关指标的数据，数据采集情况如图8所示。

图8 采集过程图Figure 8. Collection Process Diagram

当采集完比赛相关数据后，运用筛选功能，筛选出在相持段产生得失分的球，筛选出的总球数和得失分情况出现在显示表的左下方，总球数38个，其中得18分，失20分。最后根据采集的数据，以局信息和比分信息为条件，计算出每局总比分，由图8可知，这场比赛共打了5局，总得分58分，总失分49分（其中，意外球1分），应用此功能可以检查采集结果是否正确。

2.2.3 分析报告的自动生成

当采集完一场比赛相关数据，并检查完采集是否正确以后，根据教练员的需求，应用本软件的数据分析与导出功能，直接生成该场比赛的马龙普通三段数据分析报告（word文件）。分析报告中，包含了比赛信息、本分信息、三段统计局表、发抢段细节、接抢段细节、相持段细节等数据和表格（图9）。

图9 数据分析报告生成Figure 9. Data Analysis Report Generation Diagram

2.3 软件应用效果

国家乒乓球队科研团队运用本软件对百余场比赛进行了数据采集与分析，并以这些比赛建立了比赛信息数据库。在采集百余场比赛的过程中，分别对模板库、视频自动截取和报告自动生成3个创新功能进行了效果测试。

2.3.1 模板库应用效果

在百余场比赛数据采集的过程中，随着比赛采集场数的增加，相同模板被多次使用。应用模板库的功能，在采集有相同技战术指标需求的比赛时，避免了重复建立模板。因此，在整个技战术采集过程中模板库的设计与使用为模板的设计提供了方便，节省了时间。

2.3.2 视频自动截取应用效果

在应用其他技战术软件采集时，需要借助第三方视频截取工具截取视频并需要观看每1分球比赛进行手动截取。手动截取视频消耗的时间远大于比赛视频本身的总时长，同时手动截取还存在截取错误的可能（图10）。本软件添加了自动截取视频的功能，在视频截取时不需要科研人员手动截取，自动截取耗时明显低于比赛视频本身的总时长，且排除了截取错误的可能，提高了技战术处理的效率。

图10 视频自动截取应用效果Figure 10. Technical and Tactical Information Processing

2.3.3 报告自动生成应用效果

由百余场比赛报告生成的结果来看，在自动生成报告时，因为减少了计算数据的时间，并且提前设计好了报告模板，所以降低了生成报告的时间（图11）。

图11 自动/人工生成报告生成所需时间对比Figure 11. Report Generation

2.3.4 软件应用效果小结

针对以上3个创新功能的应用效果来看，在整个技战术采集与分析的工作中消耗时间会比同类软件有所减少，其中，视频自动截取功能和自动生成报告功能的添加明显减少了技战术采集分析的耗时。

3 结论与展望

3.1 结论

应用“乒乓军师”专项技战术分析系统能够满足对乒乓球技战术采集、统计与分析的基本需求，在完成一些技战术采集与分析中的基本功能以外，还完成了当前技战术分析领域迫切需要的新功能。并根据目前国家乒乓球队的实际需求对软件进行了流程上的改进，使软件操作更加连贯。

与其他的技战术分析软件相比，本软件拥有如下4个优势和特点：1）针对乒乓球专项特色，在模板建立时本软件不但保留了开放式设计模板的方法，还添加了模板库功能保存常用模版；2）提供了检查采集正确与否的功能，方便了技战术分析报告的生成；3）应用非线性编辑技术，使软件完成了视频自动截取的功能，提高了技战术数据处理的效率；4）通俗易懂的中文界面，方便了我国教练员与运动员对本软件的运用，更增强了本软件在我国群众层面的普及性。

3.2 展望

“乒乓军师”专项技战术分析系统还存在以下6个方面的问题需继续加强：1）截取的视频压缩率低，导致视频文件体积大，需要提高压缩率；2）使本软件兼容更多视频播放和保存格式；3）继续研究技战术自动识别技术，从而增加技战术采集与分析效率；4）在不断使用软件的过程中，继续完善代码，改正预期外出现的错误；5）使本软件产品化，推广到基层，如乒乓球省队和地方体育院校；6）使本软件技战术分析方法推广并应用于其他球类的技战术分析中。