击剑技、战术多媒体交互式数据采集系统的研究与应用

2013-12-03费正伟赵传杰刘颖华

中国体育科技 2013年2期

费正伟，赵传杰，刘颖华

1.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China.

1 前言

传统的多媒体技、战术数据是科研人员根据录像等资料，人工进行数据统计和分析并且记录下来，随着计算机技术在各行各业的应用，通过数据采集系统来获取数据成为可能。为了对这些数据进行计算机系统采集，我们首先要研究这些数据的表示方法，目前击剑项目技、战术多媒体信息的表示只是某个单一技、战术指标的数据，信息的获取还仅仅停留在单一技、战术指标的人工采集和统计，并且各个指标之间是相互独立的、不连续的，难以进行综合分析；还没有一套完整的、科学的技、战术多媒体交互式数据表示方法及科学的、准确、简便的知识获取方法，这些问题严重制约了击剑项目技、战术分析及研究。

本文根据击剑项目的技、战术特点，在计算机技术、人工智能理论基础上，研究开发了击剑技、战术多媒体交互式数据采集系统。

2 系统设计思想

击剑技、战术多媒体信息结构复杂，包括文字信息、视频信息、数字编码和解码信息等多种数据类型，各种信息类型具有一定的相关性，并且通过一定的方式组合在一起，如视频信息与技、战术编码信息就具有相关性，某个视频文件中可以包含多种技、战术信息，通过编码进行关联。视频信息还具有动态性，是随着时间的变化而变化的。通过对击剑技、战术多媒体信息及传统的数据采集方法的研究，我们设计了交互式智能化的采集技术。

2.1 依据击剑比赛的特点，记录每一分的技、战术属性

根据击剑不同剑种的规则与交锋特点，在系统的设计过程中，只记录击剑比赛过程中每一分得、失的最后一个比赛行为的技、战术属性。其宗旨是技、战术指标最终能够反映出各剑种技、战术运用的特征及教练员的需求。通过有效部位的得失分来反映技术动作攻击的点与面的成功与失败，并运用成功率与使用率的比例来评价某一技术运用的贡献率。通过对运动员的技、战术进行诊断与分析，探讨高水平击剑比赛的制胜模式。

2.2 根据高水平击剑比赛分析的要求，建立技、战术观察指标体系

击剑技、战术分析观察指标主要分为技术性指标和身体部位指标。技术性指标主要为：1）进攻技术；2）防守技术；3）反攻技术，在不同剑种相对应细分技术指标依据剑种特点会出现不同。身体部位的指标是根据不同剑种的有效部位而建立：1）佩剑（头部、躯干内侧、躯干外侧、前臂）；2）花剑（躯干、腰部、肩部、背部）；3）重剑（躯干、头部、上肢、下肢、手、脚）。

2.3 根据软件工程方法对击剑技、战术多媒体数据进行了E－R模型数据结构设计

系统数据包括以下实体：视频控制信息、视频播放信息、比赛状态信息、比赛场地信息、比赛双方技术信息、得失分部位信息、比赛结果信息、录入控制信息。运用E－R模型图对数据进行关系模式转化以确定数据结构。

该系统开发是在多次征求国家队教练员意见的基础上，由击剑专业和运动训练专家设计数据结构，最后由计算机专业编程人员用VC实现，并经多次测试后完成。

3 系统结构

击剑技、战术多媒体交互式数据采集系统主要由运动员信息管理子模块、队伍信息管理子模块、比赛信息管理子模块、系统用户信息管理子模块、视频管理子模块、技战术信息采集子模块、数据查询子模块等组成，如图1所示。

图1 本研究系统结构图Figure 1. System structure

系统主界面如图2所示。

图2 本研究系统主界面Figure 2. System main interface

3.1 运动员信息管理子模块

运动员信息管理子模块可以对击剑运动员的基本信息进行管理，包括对运动员信息的添加、修改、删除等，运动员基本信息包括：姓名、性别、惯用手、国籍、出生日期、身份证号码、联系电话等。每一位添加进运动员信息模块的运动员都有独立的ID，在进行视频采集的时候，系统自动将同一位运动员的比赛视频全部归入运动员所属的ID下，使得在后期技术查询分析过程当中，只要选择这一位运动员的名字，就能够将该运动员的所有录入比赛技术视频查询出来。

3.2 队伍信息管理子模块

队伍信息管理子模块是对各个击剑队信息进行管理。包括击剑队信息的添加、修改、删除等，击剑队基本信息包括：队伍名称、运动员信息、主教练、助理教练等。在列出的队伍信息中，可以直接查看比赛相关的队伍信息。

3.3 比赛信息管理子模块

比赛信息管理子模块是对各种比赛信息进行管理，包括比赛信息的添加、修改、删除等（图3）。在添加比赛信息时，若比赛信息已经存在，双击“退出”按钮，返回系统控制界面。若该比赛信息不存在，则双击“增加”按钮，进入添加比赛信息界面。

图3 本研究比赛信息管理界面Figure 3. Competition information interface

3.4 技、战术数据采集子模块

技、战术数据采集子模块通过观看击剑比赛视频，同步地对其中的技、战术信息进行采集，将技、战术信息及视频信息存入数据库，并进行关联。技、战术数据采集模块主要由主界面上不同的按键来进入佩剑采集模块、花剑采集模块和重剑采集模块。

3.4.1 系统研究及流程设计

根据击剑技、战术分析的需要，技、战术信息采集最底层、最详细的信息，击剑项目比赛采用计分制，每一次得分，双方选手都需要回到开始线重新进行比赛。所以，我们将击剑比赛中每一次交锋（有效得分）作为采集基本单元。采集数据包括交峰回合中的场地区域、运用技术、刺中部位、得失分，比分状态等信息，再将每一个采集单元的所有相关技、战术信息导入系统数据库。

3.4.2 数据库

该系统的数据库是整个软件系统的核心部分，它为击剑技、战术分析提供详细的相关数据。击剑技、战术数据库的内容包括运动员基本信息、队伍信息、比赛基本信息、技战术信息、击剑比赛技术指标等，各个内容之间独立并存，但又相互关联。使数据库数据能够更好地体现击剑技、战术特征，用户可以从不同角度和自身需求来进行分析查询所需要的数据。

3.4.3 场地设计

击剑场地的有效区域是一块14m长，1.6～1.8m宽的金属板，另外加上端线两侧各2m的缓冲区。我们根据击剑比赛特点对比赛现场进行模拟，经过深入研究和实践，设计了击剑比赛模拟场地。击剑场地区域一共分为6个区域，双方选手都有相对应的场地区域，以选手“A”为例，从左至右分别为选手端线区域、中间区域、中端区域；对手中端区域、中间区域、端线区域（图4）。

图4 本研究击剑技、战术模拟场地Figure 4. Fencing tactics simulate site

3.4.4 采集流程设计

如图5所示，用户根据条件（比赛时间，比赛运动员信息等）从数据库中查找到需要采集的比赛信息，用户选定以后，进入技、战术数据采集界面，系统将在指定的系统视频目录下查找比赛对应的视频，若存在，系统将自动开始播放该比赛的视频文件。若不在指定目录下，需用户手动指定相应的比赛视频，系统将提示按照相应的编码规则将该比赛的视频文件拷贝到系统指定的视频位置。

3.4.5 数据采集界面及功能

用户通过观看击剑比赛视频，同步地对其中的技、战术信息进行采集，将有关数据存入数据库，供统计分析模块使用。击剑技、战术数据采集界面如图6所示。采集界面大致可分为8个区域，分别是视频播放区、视频控制区、状态信息区、场地区、双方技术选择区、部位选择区、得分选择区、录入控制区。基本上左半区是提供信息的，而右半区是录入信息的。

图5 本研究技、战术数据采集的流程图Figure 5. Tackics data collection process system

3.4.5.1 视频播放

播放系统具备打开，播放，暂停，停止，拖曳，设定播放开始位置，结束位置等基本播放功能。击剑比赛中由于交锋速度快，用户在正常播放速度下，第一时间不能判断交锋信息，就可以分别设1／8，1／4，1／2，1（正常速度），2倍速度播放设置，视频播放的单帧回退，可以保证视频采集信息的准确性。对常用功能允许用户自定义快捷键设置，同时允许用户改变播放速度，单帧回退，从而方便用户观看比赛视频。

3.4.5.2 设定视频开始位置

该系统支持击剑项目3个剑种的采集，由于3个剑种在交锋时间存在差异，重剑交锋过程较长，花剑次之，佩剑交锋时间短的特点，我们设计了不同的播放位置设定方式。

在视频播放的过程中，看到本剑开始位置时，按下“设定开始位置”按钮（或按S键）。若按钮上的文字是“播放”或者“设定结束位置”，请多按几次，使文字变为“设定开始位置”，然后调整视频位置（通过拖拉播放进度条，或者快进，快退，单帧回退等按钮调节），再按下按钮。按下按钮以后，按钮上文字变为“播放”，并且视频暂停播放。此时可以观察是否视频位置选择正确。若需要调整，多按几次此按钮，使文字重新变为“设定开始位置”，调整位置后再按下按钮。确认正确后，可以再次按下按钮（或按S键）使视频继续播放。

3.4.5.3 设定视频结束位置

在视频播放过程中，看到本剑的结束位置时，按下“设定结束位置”按钮（或按S键）。（花剑和重剑是“暂停”按钮）若需要调整位置，可以直接在暂停的状态进行调整。在本剑录入完毕前，不会使视频继续播放。

不同的播放结束位置设定方式保证了3个剑种所采集的技术视频能够充分反应交锋技术信息，避免了2个不同交锋过程在同1条视频中出现。

3.4.5.4 视频剪辑

视频剪辑的业务流程，用户通过观察视频中运动员的技、战术，来把相应视频的时间点信息录入数据库，用于击剑技、战术研究和分析。同时，将每一剑的相应视频放在指定的系统视频位置下。视频剪辑主要是根据前面设定视频位置，通过后台视频处理软件程序，在原始技术视频上根据设定的开始位置和结束位置剪辑下来，并根据用户需要进行合并和处理。

3.4.5.5 选择交峰场地位置

在击剑技、战术信息采集过程中，用户通过直接观看视频，来确定双方运动员在剑道上的位置，然后，在场地采集区域点击相应的场地区域，即完成对该交锋回合的场地信息采集，并自动记录到后台数据库。

如果在采集击剑视频过程中发现，视频图像中双方运动员的位置与比赛信息里面设定的位置，出现位置不符合（A方和B方），我们就可以通过“交换场地”按钮，将按垂直中轴翻转方式交换场地区的按钮位置。按钮的逻辑对应关系并没有改变。意即，若交换前，从左至右按钮编号为123456，则交换后从左至右变为654321。再次交换又重新变回123456。故可以随意在任何时候交换场地，只需注意选对了场地按钮即可。

3.4.5.6 选择相关技术和部位

在击剑技术动作和部位信息采集是采集模块的重要部分，该部分延续了之前的操作方式。首先查看视频，然后根据双方选手采用的不同技术动作及击中和被击中身体部位，在技术采集界面上直接点击A方和B方选择使用的技术，以及双方刺中的部位。若有一方没有刺中，选择其本来欲刺中的部位，就可完成信息采集，当未完成该部分的采集，将不能进入下一回合的采集，系统将发出提示音，提醒用户完成采集信息。

3.4.5.7 得分选择和进入下一回合

根据视频中现场裁判的判罚，选择得分方。重剑比赛时若双方均得分，选择均得分。若此剑是决一剑的状态，将“决一剑”单选框选中。“决一剑”是指在击剑比赛中在正常时间结束后，双方比分都未达到15分，且比分相同的情况，采用双方打1剑的方式来决出胜者及击剑中的“突然死亡”。击剑比赛中经常出现“决一剑”的情况，而这种方式对比赛结果产生直接重大影响，运动员往往是采用自身最擅长或特定的技、战术，所以，有很重要的研究价值，故单独设置了“决一剑”按键，另外，还有“连续得分”和“连续失分”条件供用户查询。

在进入下一回合前，首先要确认本交锋的录入是否正确。此时本剑的所有录入均可以修改，若有错误可及时修改。确认后点击“下一回合”按钮（或按N键），进入下一回合。进入下一回合后，可以按“播放”按钮继续播放视频。

3.4.5.8 结束一局

击剑比赛采用“计分制”和“计时制”的双轨制来进行比赛。击剑比赛每局为3min，共3局，时间到比分领先者获胜为计时制；比赛过程中有一方选手在3局比赛中的任意时间得分满15分，比赛也结束。当一局比赛因时间结束而完毕时，请直接按“结束本局”按钮结束一局并进入下一局，当第三局比赛结束时，或一方选手得分满15分，系统自动记录本场比赛结束。

3.4.5.9 撤销与恢复

在采集过程中难免出现采集失误，“撤销”功能是指采集过程中，进入下一回合后，发现前一回合采集信息出现错误，那么，我们可以点击“撤销”键，使系统撤销上一回合的记录，并对上一回合重新采集。系统支持有限次的撤销和恢复，其中恢复的意思是，若撤销后发现不需要撤销，可以直接按“恢复”按钮来取消撤销。

3.4.5.10 退出录入与自动恢复

在录入过程中可以随时点击“退出”按钮，或者右上角的“X”来退出录入。系统会自动保存当前录入状态，并在下次进入时恢复当前录入状态。

3.5 数据查询子模块

在数据采集系统获得的技、战术信息的基础上，用户根据特定的技、战术条件进行查询，系统将查询处理结果以简明的形式呈现给用户，并与采集部分得到的视频文件关联起来，用户可以将符合技术特征的记录视频进行合并与导出，同时系统可对用户采集的技、战术信息按要求进行统计和查询分析。

3.5.1 数据查询子模块功能介绍

数据查询子模块主要包括击剑比赛技、战术查询分析功能，技、战术视频的基本播放和剪辑、合成功能。用户可以有选择地输入查询条件，查询条件包括比赛及相关信息、比赛运动员、技术信息、战术信息等。可以有不同的查询精度，查询条越多，查出的结果越精确。同时用户还可以对分析结果对应的视频进行二次处理，添加、删除、合并和导出所有具有相同特征的视频集合。

3.5.2 数据查询子模块界面介绍

分析智能分析界面可分为3个部分，如图7所示，分别是查询条件选择区、查询结果显示区及视频剪辑区。查询条件选择区中的技术列表和击中位置列表将随选中的比赛剑种的不同，而自动列出对应的技术和击中位置。在修改记录的状态下，查询条件选择区将变成修改区。

3.5.2.1 对需要分析的击剑比赛的管理

首先把要查的比赛全部添加进来，可以分几次添加，不在“比赛列表”中列出的比赛将不予查询，列出的比赛都会查询。

3.5.2.2 对需要分析的运动员的管理

若只要查某一个或几个运动员，则在A方或B方的下拉框中选择，如图8所示。选中的运动员自动显示在左边的运动员列表中。若左边的运动员列表不空，则只查询A方或B方为列表中运动员的记录。左边的运动员列表中列出的运动员都会查询。

图7 本研究系统重剑数据查询界面Figure 7. fencing data query interface

图8 本研究系统比赛选手选择界面Figure 8. Competition selection

3.5.2.3 设定分析的条件

分析条件包括局数、技术、站位、击中位置、得分、特殊条件等，如图9所示。这些条件若没有选中，则不做限制，否则只查符合选中条件的记录。

如图9所示，以技术为例，若点击“全不选”或保持原来的空白默认状态，则所有技术均搜索。而点击“全选进攻技术”只搜索使用上述选中技术的记录。另外，“只查A”，“只查B”，“AB均查”则表示选中的技术是谁使用。若选中“只查A”，则只有A使用了选中技术的记录才会被搜索。

图9 本研究系统技术选择Figure 9. Technology selection

点击分析按钮，如图10所示，查询结果区将显示查询结果。

图10 本研究系统查询结果Figure 10. Query results

3.5.2.4 相关视频分析

根据查询条件，查询出相应结果，就可以进行视频剪辑与合并。在查询结果区选中一条或多条记录，按“＞”按钮添加到右边待剪辑列表中，可以反复添加记录。若有记录所属比赛的视频文件位置没有记录，或者现在无法找到，将要求进行选择。也可以手动点击“选中待剪切文件”按钮修改视频文件位置，如图11所示。

图11 本研究系统信息选择Figure 11. information selection

3.5.2.5 相关技、战术数据导出

该系统除了对击剑视频的剪辑合并以及检索以外，还可以给用户提供研究对象的具体技术运用情况的数字和图表。同时结合视频的生动体现，使得教练员和运动员更加深刻地理解自身优势及缺点，有助于训练水平的提高。

运动员比赛数据的输出，在原先查询条件设置好的情况下，直接点击“统计”按键，即可完成对该运动员的技、战术数据的导出。

导出数据，利用Excel预先设计统计表格，表格分为3个工作表：技术运用得失分汇总统计表；技术运用场地区域统计表，如图12所示；得失分部位统计表，如图13所示。

图12 本研究系统技术运用场地区域统计界面Figure 12. technique application site summary

图13 本研究系统得失分部位统计界面Figure 13. Scoring and losing points position summary

3.5.3 数据查询子模块的特点

数据查询子模块具体的功能实现主要体现在以下几个方面：能够对某一选手的一场比赛进行单独分析，也可对多场比赛联合分析；可以根据技、战术分析的需求，对运动员击中的技术、战术、部位、位置、得分率、使用率进行分项分析或综合分析；系统还可以按连续得分3剑和最后一剑的技术运用情况进行分析；能够对每局比赛的比分进行分析；可以对技、战术视频剪辑重新进行合成，以供教练员和运动员使用。

对于重剑技、战术分析的结果，系统可进行视频演示，以便教练员、运动员更加清楚、直观、形象地观察对手的技、战术特点，只要选中查询出来的技术条目，在点击“预览”按键，就可马上观看选中技术条目的视频。

4 系统的实际应用

该系统具有时效性强、效率高、快捷、易于操作等特点，其最大优势是比赛结束后即可得到所有技、战术统计数据，及时反馈给教练员和运动员。在此界面中，根据录入的数据，用表格和饼图的形式直观给出各种技、战术得失分和各部位得失分的统计分析数据。

该系统已在国家击剑队备战2008年奥运会过程中得到了实际应用，为国家击剑队提供了大量的准确的技、战术分析资料，主要包括对463场世界比赛进行了技、战术信息采集，在备战不同阶段制作了49案例分析，其中包括2008年奥运会的我国佩剑主力选手8人和佩剑我国选手主要对手32人，案例分析主要从进攻技术，防守技术，反攻技术，个人特点等方面分析概括了运动员的主要技、战术特征，为我国击剑项目2008年奥运会夺金做出了贡献，得到了击剑项目管理中心领导，教练员和运动员的认可，获得了国家体育总局奥运科技攻关突出贡献奖。该系统也为备战2012年奥运会的我国击剑选手提供了技、战术分析的资料。为了让教练员和运动员更方便地观看分析结果，我们将分析结果以多媒体PPT的形式进行体现。

图14 击剑技、战术多媒体资料的制作流程图Figure 14. Fecing tactics multi－media making process

实际案例：这是我们对日本男子花剑选手奥塔的比赛技、战术多媒体数据进行采集后再根据相应的数据分析，将技术数据和技术视频结合得到的分析结果。

4.1 奥塔进攻得失分分析

奥塔，日本选手，2008年北京奥运会男子花剑个人亚军。

从奥塔进攻得分技术运用数据看（图15），进攻得分部位主要为躯干和肩部分别为54.2%和25%，占总进攻得分的80%。奥塔进攻的特点有：奥塔的进攻主要是通过向前紧逼后——后拉——在对手注意力放松刹那——突然起动进攻；进攻准、快，距离较近；进攻得分点主要是躯干上部分；动作之间衔接流畅。从奥塔进攻失分数据看，进攻失分的技术动作较分散，没有什么特别突出的技术动作失分。从奥塔的比赛观察看，进攻失分主要是在准备进攻时，被对手抢攻或反攻。其次是进攻后的补剑失分。

图15 奥塔进攻得分部位统计数据界面Figure 15. Orta attacking score positions data interface

图16 奥塔进攻得分部位视频界面Figure 16. Orta attacking score positions video interface

4.2 奥塔反攻得失分分析

从奥塔反攻得分技术运用数据看（图17、图18），各项技术运用的得分均较平均，奥塔反攻特点：奥塔主要是通过后退中干扰对手，抓住对手在准备进攻时进行反攻；奥塔的反攻刺出较准，以侧身反攻击中对方的腰部为主。从奥塔反攻失分的数据看，反攻的失分也是相对于对手的进攻，而导致失分的。从奥塔比赛视频观察看，反攻的失分主要是在对攻或对手发动进攻后的被动进攻上。因此，在判罚上是一种被动的进攻而失分。

4.3 奥塔防守还击得失分分析

从奥塔防守得分技术运用数据看，如图19，图20所示，防守得分技术的运用主要是组合防守和反还击。奥塔最大的特点就是交锋能力强。因此，在交锋的多个回合中始终处于优势，这也是奥塔反还击得分的原因所在；在防守中善于运用击剑线等假动作来配合防守还击，使对手落入圈套，达到防守的目的。从奥塔防守失分数据看，防守失分主要是对手转移刺和反还击分别为33%，和50%。总体上说，奥塔的防守能力较强。防守失分主要是防守动作过小，而产生防守不良失分。