计算机可视化技术在当代体育变革中的作用

王彩平

(太原师范学院 体育系，山西 晋中 030619)

计算机可视化技术在当代体育变革中的作用

王彩平

(太原师范学院 体育系，山西 晋中 030619)

计算机可视化技术在体育运动中有着广泛的应用.这种技术为竞技者，组织者， 观赏者提供了各种便利.文章通过文献研究法，总结了可视化技术在体育运动中的各个方面的应用.

计算机可视化技术;体育训练;体育教育;应用

计算机可视化技术是现代高科技产物.它包含数据获取，处理，分析，理解影像资料的各种方法，尤其是利用这种技术可以从真实事件中获取高维数空间中的数据.所以利用这种技术可以得到数值，符号等信息，再根据这些信息作出相应的决策.这种技术也可以看做是感知理解图像的一种方式.可视化技术作为解释大量数据最有效的手段而率先被科学与工程计算领域采用，并发展为当前热门的研究领域——科学可视化.可视化把数据转换成图形，给予人们深刻与意想不到的洞察力，使得在很多领域的研究方式发生了根本变化.可视化技术的应用大至高速飞行模拟，小至分子结构的演示，无处不在.科学可视化的主要过程是建模和渲染.建模是把数据映射成物体的几何图元.渲染是把几何图元描绘成图形或图像.渲染是绘制真实感图形的主要技术.严格地说，渲染就是根据基于光学原理的光照模型计算物体可见面投影到观察者眼中的光亮度大小和色彩的组成，并把它转换成适合图形显示设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色和光照效果，最终生成具有真实感的图形.

随着高科技的发展，体育运动也发生着巨大的变化.越来越多的科学技术融入到体育运动中.这是体育业发展的必经之路.因为体育运动本身包含了各种快速又准确的动作.这些动作的特性使得学员很难掌握，教练很难分析.大多数体育项目中无法给运动员安装固定的探测器之类的设备去记录他们的动作.随着计算机技术的发展，可视化技术解决了这样的难题.就可以把运动员的运动过程以图像的形式记录下来，这样给教练，学员，以及观众都提供了便利.本文全方位地讲述可视化技术在体育运动的应用.

1 计算机可视化技术在体育训练中的应用

在体育运动中，运动员和教练都需要有效的方法指导训练.可视化技术就是其中一种最有效的方法.它通过搜集数据，处理，呈现图像给运动员和教练提供一个近乎真实的反馈.使用这样的技术，运动员可以获得对自己运动过程中的一个高质量的反馈，这样可以更加准确深入了解自身动作的特点及不足，从而调整自己.对于教练来说，利用这样的影响资料进行分析，及时发现运动员运动过程中问题的普遍性和个别性，这样使得教学针对自己的学员更好组织开展训练.而且，教练可以利用这种技术测出不同学员在运动过程中的不同参数，使得教练准确分析训练效果，制定更有效的训练方法.无论是在个体或者是团体训练中，可视化技术都起着非常重要的作用.

1.1个人训练

为了使运动员处于最佳的状态，需要各个方面的知识.比如，要懂得并应用生物力学原理，尤其是要理解人类活动中相关的力学，运动学.为了深入了解这些知识，利用各种技术衡量人们在运动过程中力的使用和运动情况.比如在跳远，赛跑中利用测力版来测量底板的反弹力.这些传统的方法已无法满足体育运动的进一步发展.在现在的体育发展中，希望得到更多更准确的数据来进行分析从而得到更好的训练方法.因此可视化技术必然走进体育世界.以兵乓球运动为例来分析可视化技术对体育训练的影响.

众所周知，在乒乓球运动中，球的运动轨迹起着至关重要的作用.然而，乒乓球运动运员和教练很少进行运动分析,由于缺乏有效的方法，做这样的分析需要高强度的工作去收集相关的数据,从而导致消耗大量的时间和金钱.为了解决这个难题，好多研究者做了其中研制解决的方法[1,2].其中最突出的工作是用在2012年伦敦奥运会上的一个不是可视化的系统，该系统利用图形用户界面有效地搜集数据.但是这个系统无法解决搜集关于球的位置的数据.最近，S.Tamaki and H.Saito[3]利用了可视化技术解决这个问题.他们利用平面近似算法重构三维空间中球的运动轨迹.根据这个算法发明了一个由两个RGB摄像机构成的系统.这个系统能够准确获得三维空间中球在某一时间点的位置,这样使得训练者能够获得准确的数据.可以深入分析在每一个环节的运动情况，从而进行针对性的训练.

1.2团体训练

在团体项目中，比如足球项目，为了提高整个团队的整体水平，教练不仅分析每个队员的运动情况，而且更要知道整个团队的合作情况.在团体训练中，每个队员的训练也是不一样的，根据他们在团体中的角色进行训练，还要联系归位的速度等等.因此，每个队员和整体团队的信息都很重要.理想中，在整个训练中，教练应该每时每刻都应该完全了解团队中每个成员的位置.但是实际上是不可能.计算机可视化技术可以帮助完成这个艰巨的任务.

商用多镜头追踪仪是一种半自动半人工的系统.这种系统有两种类型.第一种安装8-10个摄像机在一个运动场的角落里，通过一个IP地址把所记录下来的影像资料传送到到一个监控中心[4].场上的队员的位置及如何移动可以分别录制下来.比赛之后，这种设备以10 Hz的速度对记录下来的影响进行半自动分析.这些现场录制的数据对于广播员也很重要，可以为现场直播提供数据.然而，更重要的是，这些影像资料中记录的每个队员的位置可以用来深入分析，这样的分析帮助教练更深刻地了解队员的表现情况.另一种是来自STATS的SportVU系统[5].这个系统 把三个镜头设置成一组，一共有三组.以篮球为例说明这种系统的强大潜力.这种系统能够记录球员在合理冲撞区的触球次数、每回合的传球次数、内传外的三分投篮次数、潜在助攻(指的真正助攻发生之前的那次传球)、造犯规次数等.这一系列数据和比赛息息相关，但是在任何传统意义上的数据统计单上，你都无法查到相关的统计.作为追踪球员、分析数据之用，这套系统将会对球队产生颠覆性的影响.

实际上，在某些场合，对每个队员的情况都进行分析是没有必要的.教练只关心某一个重要的环节或者某一个重要的队员的情况.如何在大量的记录数据中快速辨别出重要的环节，进而发现记录中重要的关键信息[6].另一方面，如何利用全自动可移动镜头捕捉重要的环节或者最关注的运动员的信息至关重要[7].

这些技术的应用，提供给教练不仅有团队整体的表现，还有每个队员的表现，特殊队员的表现.对数据分析处理，为进行下一步的训练提供了有利的依据，从而会极大地提高训练效率和运动成绩.

2 计算机可视化技术在体育赛事中的应用

在体育比赛过程中，计算机可视化技术可以帮助裁判员或者其他官方人员实时了解比赛进展及其现场情况，也可以让电视机前的观众不仅能观赏到整个比赛的全景还可以看到某些精彩的瞬间.

2.1计算机可视化技术在体育赛事中对裁判的意义

第一批应用可视化技术的商业多镜头系统是用在板球比赛中，用于跟踪板球运动.2001年开始使用.随后就应用到网球比赛中.这种系统由最初只是利用广播摄像机录像发展到如今的由若干专用的高帧率摄像机同步检测比赛现场[8].如今的系统不需要从主要的广播摄像机上提取相关的录像.事实上，比赛现场有很多地方可以安装这样的系统设备，通常安装在屋顶.由于这些设备是固定的，所以容易操作，而且具有快门时间短，帧速率高的优势.这种系统还可以利用已知信息，比如球的大小，外形，球的运行轨迹(球一旦发出去，可以利用运动学理论预测它的运行轨迹)，比赛场地的情况.摄像机和比赛场地的几何图形也可以事先准确地标定出来.该系统首先通过识别在预期的大小范围的椭圆区域来确定在每个摄像机图像中可能的球.这些可能的球通过跨越多个帧的轨迹相连成猜测轨迹，这些猜测轨迹在多个摄像机之间匹配以产生三维轨迹.该系统足够准确.裁判可以用它确定球是否出界，2005年第一次使用该系统.把这种系统应用于板球比赛中，它可以用来预测当击球手没有击中球时或者球反弹时没有被挡回的时球的路径.最近，各种系统被研制出来用来确定足球比赛中球是否已越过球门.例如，国际足联认证的球门线技术(GLT)安装在29个足球场[9].其中，22个使用是基于由鹰眼开发的多摄像头的可视化视觉系统，6个使用类似的Goal Control研发的可视化视觉系统，1个使用由Fraunhofer IIS研发的RF系统.由GoalControl研发的这种系统应用在2014年的世界杯比赛中.

2.2计算机可视化技术对于电视讲解体育比赛的意义

计算机可视化技术在许多运动图形系统中起着重要作用，有助于在电视上的体育节目主持人讲解体育事件给观众.这种利用计算机可视化技术中的可视技术的系统被广泛应用于体育比赛中，例如足球比赛，这样可以被成千上万的观众观赏.

任何一种要把实际东西以图像的形式展示出来的系统都需要某种摄像机标定.第一批这样的系统依靠机械传感器测量固定镜头的摇摄和倾斜，用在镜片上的感应器来衡量变焦和聚焦设置.从来自镜片编码器的“原始”数据到焦距的长度，这些标定的数据是必须的.镜片变形和“节点移动”都需要标定过程衡量直到成像.安装在运动场所中固定在相关支架上的摄像机的位置也是要测量的，例如，利用经纬仪或测距仪测量.但是，这种方法是昂贵的，也不是总是可行，例如，如果一个摄像机的安装和操作是另一个人控制，他只提供录像，这样，传感器数据必须通过该方案生产链传输，其中包括从所述布线相机到外部转播车，录音在磁带或磁盘，及传输演播室.此外，依赖于传感器数据的任何系统不能用于记录,因为没有数据可用.

目前，大多数需要镜头标定的运动图形系统都已经在使用计算机可视化技术，这样充分利用当时场景中的特点.从而就避免了对特殊镜片和镜头支架的要求，也避免了从感应器中提取数据的问题.在类似足球这样的体育项目中，整个场地的线是固定不变的，线的跟踪器是必须的.在另外一些诸如冰球或竞技的体育项目中，线的跟踪器很少用，而需要更一般的特征点跟踪器.对于现场直播的几乎没有固定特点的体育项目，传感器系统仍在使用.

如果背景的颜色是相对统一的，那么加入一些相对简单的图像处理可以让图形看起来好像画在地面上，而不是在人或者其他物体的上面.例如，对于足球，用于检测绿色的基于颜色的分割算法可用于阻止画不是草地颜色的地方，这样这些不是草地颜色的图形就显示在运动员的后方.这种算法可以画出一个带有诸如泥块有特征的图片.只要区域不是很大，这样使得人们感觉到图片是画在草地上的.这种系统应用在美国足球比赛，例如‘1st and TenTM’ 比赛和 ‘First Down Line’比赛.

这种方法的扩展形式应用到同时记录在一个有连续轮数赛事中的几个竞技者的表现.例如，在滑雪比赛中，可以用这个方法同时记录每个运动员的情况.这种技术要求不断地对移动摄像机进行标定，这样背景才能把相邻的两轮合在一起，也可能要求同步摄像,这样才能保证所有竞技者的表现从每一轮的开始同时被显示出来.对于草地来说，需要更先进的分割技术，因为基于一个颜色的技术对一般的场景是不够的.

以上方法增强了现有摄像机图像的视觉感.然而，在某些情况下，当讲解一个比赛的时候，最好的观察点并不一定是摄像机所在的位置.例如，在讲解类似足球这样的团体比赛中，运动员的相对位置更加重要.有时候能够移动的摄像机对这样的比赛更加实用.比如一个摄影师肩膀上扛着摄像机在场地的四周到处取景.但是，这个方法不能提供一些至关重要的图像地以便生动地讲解.

从一个新的角度合成图像不仅对体育解说员很有帮助,而且也是计算机可视化技术中一个典型的问题.在一定的假设下，前景物体分割和摄像机标定的结合可以从一个简单的摄像头角度来推断出运动员的位置.例如，假设在场地上的最低点是运动员和地面接触的地方，这样很容易推断出运动员在三维空间中的位置.这个简单的方法通过把分割的运动员放在一个运动场的三维模型中来初步构成一个比赛场景的三维模型.这样讲解一个运动时，可以从实际需要的角度而不只是从摄像机的角度.例如，在讲解一个边线裁判员在做越位的裁定时，不是从摄像机角度看这个问题,而是要从裁判员所在的位置去讲解.

2.3计算机可视化技术的自动转换视野对体育赛事电视的意义

现今在体育电视产业研究中有一块是关于基于可视化技术的摄像自动控制.这是一个非常具有挑战性的任务.因为他同时牵涉到快速动作捕捉和获取有助于介绍发生的事件及具有美感的瞬间.现在看来即使如今的网络定向视频投送能力日益增强，无法获得大量资源的小范围受众事件的报道所导致的大量使用自动摄像机会的增加，都无法完全取代在一些需要高品质摄像的比赛，例如足球比赛等中摄像师的地位.

一种自动化控制摄像机的方法是让一个摄像师控制一个主要带有传感器或计算机可视化系统的摄像机的姿态，它的姿态数据又可用于控制一系列其他不同位置的随从摄像机，这样可以以不同角度拍摄同一区域.

另一个更先进的方法是先用计算机可视化技术来确定一个兴趣区域，再自动全覆盖地拍摄该区域.需要解决的一个本质问题是：已有的低反应时间的算法和摄像机都很难去匹敌一个人预测将要发生什么的能力.解决这个问题的方法是，使用一个固定广角高分辨率的摄像机来获取可以展示主要事件的一部分数据.但是它需要一些时间用于处理数据，同时也需要有一些可以在跟踪中能预测的因素和一些镜头帧算法.还有一些方法是用来控制短曝光拍摄.

3 计算机可视化技术对赛后分析的应用

比赛结束之后有大量的录像材料.这些材料不仅对电视应用提供丰富的选材，更重要的是可以让运动员和裁判从这些材料中学到很多东西.

3.1对于确认某一体育项目的意义

广播或者其他一些专业媒体制作公司制作体育项目时，需要在一大堆的原始材料中确认需要的某一个项目，并且要确定它的种类，时间，地点，参赛对及其人员等详细信息.然而，在非结构化的视频数据库或者视频记录中，一个程序包含了大量的体育信息，从而无法获得想要的信息.计算机可视化技术就是为了解决这个棘手的问题.应用这个技术分析在一个录像中的各种行动.行为的定位和辨认是这个技术最突出的两个特点[10].

3.2对于确定关键事件的意义

在一个体育比赛中确定一个关键性的动作是必须的.这个问题有大量的应用，比如在制作体育视频中，要制作闪亮点强化那些关键性的动作或者在时间线作标记,这样使得观众能很快注意到感兴趣的事件中.目前的电视制作需要制作团队的某一个人或者雇佣第三方来记录发生的事件.一般来说,第三方需要用大量的人工来手动输入事件数据.当这些信息没有的话，可视化技术可以对事件的记录进行处理得到有效信息.描述一种在网球比赛中跟踪球的方法，这个方法可以用来确定比赛的状态[10].

4 结论与展望

体育运动是一个巨大的商业，好多事实已经证明.例如，欧洲足球市场在2011-2012年间具有194亿欧元的价值，从2009-2012年奥林匹克运动产生的价值超过80亿美元.这样促使人们不断提高体育运动的需求.

本文介绍了计算机可视化技术在体育比赛中各个方面的应用，从赛事前的训练到赛事中的状况，再到赛事后的分析.可以看出计算机可视化在当前体育赛事的重要性.然而，尽管计算机可视化技术为体育比赛解决了好多问题，但是还有很多更加严峻的问题需要进一步研究.

[1] HUI Z,LI Juan Y,JIN Ju H.Computer-aided Game Analysis of Net Sports in Preparation of Chinese Teams for Beijing Olympics[J].International Journal of Computer Science in Sport,2010,9(3):1684-4769

[2] IVAN M L,ROCCO D,FRANCO M.Performance indicators in table tennis:a review of the literature[C].Proceedings of the 12th ITTF Sports Science Congress,F,2011:71-75

[3] TAMAKI S,SAITO H.Plane Approximation-Based Approach for 3D Reconstruction of Ball Trajectory for Performance Analysis in Table Tennis[M].Computer Vision in Sports.Springer,2014:47-66

[4] LTD P S.Prozone post-match analysis[M].Available:http://www.prozonesports.com,2014-03-23

[5] Stats.SportVU Player Tracking Technology[M].Available:http://www.stats.com/sportvu/sportvu.asp,2014-05-05

[6] BIALKBOWSKI A,LUCEY P,CARR P,et al.Representing team Behaviours from Noisy Data Using Player Role[M].Computer Vision in Sports.Springer International Publishing,2014:247-69[7] ATMOSUKARTO I,GHANEM B,SAADALLA M,et al.Recognizing team formation in American football[M].Computer Vision in Sports.Springer International Publishing,2014:271-291

[8] MCLLROY P.Hawk-Eye:augmented reality in sports broadcasting and officiating[C].Proceedings of the Mixed and Augmented Reality,7th IEEE/ACM International Symposium on,2008

[9] Federation of International Football Associations.FIFA certified GLT installations[M].Available:http://quality.fifa.com/en/Goal-Line-Technology/FIFACertifiedGLTInstallations

[10] MOESLUND T B,THOMAS G,HILTON A.Computer vision in sports[M].Springer,2014

Pplication of Computer Vision Technique in Sportstoday

WANG Caiping

(Department of Physical Education, Taiyuan Normal University, Jinzhong 030619, China)

Computer vision technique has been widely used in sport.All athletics,organizers,and viewers have befitted from the technique.The paper conducts a deep review of the literature and summarizes the application of the technique in all fields of sports.

computer vision technique; physical training; physical education; application

2015-08-14

王彩平(19743-)，男，山西太原人，硕士,太原师范学院体育系副教授,主要从事体育教学训练学研究.

1672-2027(2015)03-0089-04

G819

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