足球裁判员最佳跑位教学示范系统的设计与实现

成建强，李丹萍，胡九川*



足球裁判员最佳跑位教学示范系统的设计与实现

成建强1，李丹萍2，胡九川2*

(1. 北京市自动化工程学校，北京 100192；2. 北京交通大学计算机与信息技术学院，北京 100044)

现代足球的发展对裁判员提出了更高的要求，而足球裁判员判罚的准确性很大程度上依赖于其跑位意识。一款智能化、数字化、易用、便携的多媒体演示系统可以很好地帮助裁判理解各种情况下的推荐跑位。为此，本文实现了一款跑位教学示范系统。系统围绕跟踪跑、直线跑、大S形跑、助理裁判与拖后后卫跑四种跑位规则进行讨论，充分考虑了足球与裁判速度差异、边界值判定等功能要求，避免生搬硬套跑位规则，以求尽可能地符合人脑思维。在对已有的经典跑位规则进行总结提炼的基础上，利用知识库技术形成了跑位规则所对应的知识库。最后利用Tcl/Tk绘制系统界面，结合它提供的图形交互技术，参照知识库完成了跑位录制、演示、回放等主要功能，还对诸如开球、踢角球、踢球门球、罚任意球、球点球等特殊情况下裁判员的跑位进行模拟。本系统为裁判员教学工作提供了一种新的方法和参考。

足球裁判员；跑位规则；知识库；模拟演示；图形交互；人工智能

引言

对于足球裁判员的培养，传统是通过自主学习与现场锻炼的方式进行的，主要为试听法、情景教学法、观摩法、实践法。这就使得裁判员、球员、裁判培训之间的矛盾日益凸显，具体体现在：裁判员观摩机会少；裁判员实践机会少；国内缺乏专业的裁判员培训机构或团体组织，导致普通裁判员与经验丰富的裁判员接触机会少。这些方面制约着我国足球事业的进步。

现代足球比赛，通常都是在迅速、激烈的转换和争夺中进行的，这就对裁判员的体能和跑位技巧提出了严峻的考验。随着计算机技术的成熟，设计一款智能化、数字化、便携、易用的足球裁判员跑位教学演示系统将为裁判员教学提供极大的支持和帮助。

在运动仿真方面，国内外研究机构已经进行了一系列相关研究工作，致力于开发田径、拳击、滑雪、乒乓球等一些体育运动的仿真系统[4-8][10-11]。这些系统的使用可以极大地方便运动员的训练。

运动仿真在国外起步较早，程度较深，规模较大。例如，Jim Rodnunsky开发的滑雪橇和滑雪板仿真器能够模拟科罗拉多州的著名滑雪场地，使体验者不用到山上的真实滑雪场地，就能够体验到震荡、摇摆、起伏、俯仰和偏航等真实的滑雪感受[7]。

国内的研究也取得了较大成果。国家体育总局体育科技研究所与中国科学院计算机研究所联手在我国的优势项目跳水、举重等和准优势项目体操、蹦床等上成功地研制开发了具有知识产权的基于计算机虚拟仿真技术的“数字化三维人体运动仿真系统”[7]。

不难看出，此类仿真多针对动作类项目进行仿真，而针对策略型（即对于运动员动作规范要求较少，对于运动员配合、策略等要求较多）的仿真较少。

我们发现传统的裁判员培养、培训是通过讲师对规则讲述及白板分析、比赛录像的讲解、实战演练等途径，目前还缺乏一种智能化、数字化的教授方式。此外，对裁判员培养也不需要使用高还原度仿真，因为对裁判员姿势、动作等基本没有要求，反之，对裁判员的跑位策略存在较高的要求。所以急需设计实现一款2D层面的、可以模拟裁判员跑位的跑位演示软件来辅助裁判员教学、培训等。

1 跑位规则

足球裁判员最佳跑位教学示范系统核心功能为跑位演示。如何根据总结出来的跑位规则，形成知识，再根据知识抽象成对应的跑位算法是我们重点研究的部分。主流的裁判员跑位方式主要包括大S形跑、直线跑、跟踪跑[1][2][3][9]。结合实际情况，将助理裁判和拖后后卫的跑位方式也考虑进去。

1.1 大S形跑

大S形跑的特点是裁判员沿两边线的对角线活动，纵深距离长、活动范围大，路线大致呈S形，但又不拘泥于S形。

大S形路线可以看作是一系列点的组合，将点的坐标记录下来就形成了大S跑位坐标库。而计算点线中最短距离的算法，则可转换成点到点之间的距离问题。把推荐路线上的点与足球的位置结合起来，计算足球落点与大S路线坐标库中所有点的距离，等把所有的大S形路线上的点都计算完毕，用任何一个排序算法都可以计算出最新的点的位置。

算法以足球位置坐标为算法输入，通过在大S形路径上选择距离足球落点最近的点作为裁判员目标位置，并将此目标位置作为输出。

图1 大S跑算法流程图

1.2 直线跑

图2 直线跑算法流程图

直线跑是基本处于两个罚球区之间的直线活动。

足球场上的四个边界点，两个点球点对于系统来说，都是定值。所以，直线跑所遵循的直线就是两个点球点之间的这条隐性的直线。而从足球到直线上的最短距离，就是计算足球到直线的垂直投影点的位置。

算法以足球落点为输入数据，通过模拟得到裁判员在分量运动（将每一次位置变化分为多个小的分量）中的落点位置。

1.3 跟踪跑

跟踪跑是围绕足球进行跑位的一种跑位方式。特点是裁判员主要以足球为中心进行跑位，跑位时不必遵循固定路线。

裁判和足球在运动过程中保持着裁判始终处于足球左后方10-20米处。同时必须考虑两者速度的差异。

将相邻的两组坐标视为阶段运动的轨迹，利用数学公式，计算出足球运动方向的角度，再由两者角度具有一致性，即可得到裁判员的运动方向的角度。因为裁判员始终处于足球左后方固定距离位置，所以可以根据足球起始位置和终止位置计算出裁判员的起始位置和终止位置，结合裁判员速度，即可计算出下一时刻裁判员的运动方向和距离了。再将距离投射到横、纵轴上，即可获得裁判员在横、纵轴上的增量，结合当前位置坐标，就可以确定裁判员的位置。

图3 跟踪跑算法流程图

1.4 助理裁判与拖后后卫跑

在正规的比赛中，除了主裁判以外，还有两个助理裁判。裁判培养不光只培养主裁判，也要培养边线上的助理裁判。助理裁判的职责就是为主裁判的判罚提供参考依据。判罚项目为犯规、界外球和越位等。助理裁判的位置通常由拖后后卫决定。故系统引入两个助理裁判（边裁）和两个拖后后卫，分别位于两个半场。助理裁判跑位路线较简单，他的位置往往由最后一个后卫的位置来决定。

将后卫的行为设定为后卫始终处于球门中心和足球之间，阻止射门得分。当足球在一对起始坐标和终止坐标之间移动时，计算球门中点到起始坐标和终止坐标连线的垂直距离，称为防守半径。后卫将在以球门中点为圆心，防守半径为半径的半圆上运动，称为防守半圆。并且在单位时间移动时，计算球门中点和足球连线与防守半圆的交点作为后卫的目标位置，这样就做到了后卫始终处于球和球门之间，同时对应在水平方向移动助理裁判的位置。

图4 拖后后卫和边裁跑位算法流程图

2 知识库设计

在本系统中，知识库中记录着跑位规则对应的知识，属于系统的核心部分，系统要求跑位应具有足够的合理性和智能性。在本系统中，基于知识库技术，将足球裁判员跑位规则转换为具体的知识库，根据不同的跑位规则形成对应的知识库中的知识。在跑位演示过程中，根据不同的跑位情况，在知识库中找到对应的知识策略，就好像一个有经验的裁判员在现场指导一样，从而跑位系统更加智能，更加专业，可以满足裁判员教学的要求。知识库技术为本系统的实现提供了实现的可能性，也是系统实现的基础，是本系统必不可少的部分。

在实际比赛中，各种因素交叉复杂，裁判员跑位没有固定量化的规则，对精确度要求不高。所以我们认为可以利用一些标志线来代替一个区域的所有情况，将标志线作为该区域中的跑位位置的代表，这样既符合跑位演示的要求，也降低了系统的实现难度。

在此知识库设计过程中，我们对足球的运动情况和裁判员对应的跑位进行了模拟。在模拟过程中，我们发现，足球裁判员跑位过程中需要考虑的首要因素为足球的位置。在跟踪跑跑位方式前提下，足球行进过程中，裁判的理想跑位位置是位于足球左后方一定距离内，这样可以有利地观察到足球运动情况，拼抢情况，并能很好地与边裁形成配合。据此，我们需要在足球运动过程中时刻掌握其方向，这样才可能模拟得到裁判员的方位，形成跟踪跑。为了掌握足球运动的方向，我们需要借助足球运动中相邻的两个落点坐标来确定足球的行进方向。在足球运动过程中，方向变幻莫测，如果对于每一次方向改变都进行方向计算，则会导致过大的计算量和很小的现实意义，所以选择具有代表性的方向（成为“代理方向”）进行模拟一个区域的所有情况，据此，我们建立知识库，不同的区域对应着不同的跑位策略。

跑位规则形成知识库的过程如图5所示。

图5 知识库形成示意图

为了让计算机程序能够最大程度地模拟出现场足球动向和裁判员的跑位，我们需要建立较完备的知识库进行跑位模拟。在知识库设计过程中，我发现可以将足球的行进方向模拟在一个圆周（我们称其为“发展圆”）上，我们借助圆的半径方向来表示足球的运动方向，我们将圆以22.5度划分为16个部分，图6中只表示出了其中的第一部分，命名为区域①，起始标号和结束标号分别为1和2。选择区域①对应的扇形的圆心角的角平分线作为该区域的标准方向，用这个标准方向来表示整个区域的方向。换言之，足球落在此范围时，都认为是与角平分线同方向。我们就可以采取同一种跑位方式。以图6区域①为例。

图6 知识库建立示意图

根据跟踪跑的跑位规则，选取足球落点（圆心角平分线与圆周交点）左后方一定距离的点A为裁判推荐跑位。对于A点坐标的计算，可以通过角α的正弦，余弦值与足球落点坐标根据公式（1）进行计算获得，其中，(targetX, targetY)代表裁判员推荐落点位置，(x, y)代表足球当前落点位置，L表示裁判员与足球保持的距离。所以知识库中需要记录角α的正弦值和余弦值以及区域①的判定条件，我们w以设计类似表1的知识库。

表1 知识库示例

系统中始终保留着前一个位置的坐标，当系统接收到用户输入的一组位置坐标后，系统将计算两组坐标的位置关系，即将前一位置放置在图6圆心处，观察当前落点落在发展圆的哪一个区间。我们将落点所处区间作为知识库条件，选取此种情况下的cos、sin两个值，代入公式（1）中进行运算，从而获得当前足球落点和运动方向下的裁判员推荐位置。对于不同情况的应对策略的推理规则如下：如果发现当前落点落在发展圆的①号区域时，我们认为符合该运动方向的情况，我们应该采取①号区域对应的策略来确定裁判的位置，即将-0.83147，0.55557两个数值分别赋值给公式（1）的cos和sin值，计算获得裁判员位置。

总的说来，我们针对落入不同的区间有不同的处理数据，根据实际足球落点所处的区间在知识库中进行查询，得到这种位置变化情况下裁判员应该行进的目标位置相对于足球目标位置的位置信息，通过知识库中的偏移角度的三角函数，计算得到裁判员的目标位置。跑位规则推理流程图如下图7所示。

图7 知识库推理示意图

例如，系统中存储前一位置坐标F(570,172)，我们接收到用户输入的新的位置坐标S(573 163)，通过处理我们发现，将F点设置为圆心后，S点落在了区域①，根据这个条件，我们在知识库检索对应的结论。我们发现应该根据第一条规则中提供的cos，sin值对裁判员位置进行模拟处理，我们用获得的cos，sin值代入公式（1）计算得到裁判员的推荐位置坐标，并将裁判员模型移动到该位置。

可见，用某一个区域中的代表方向来代表这个区域的方向后，我们可以设计出上面的跑位知识库来进行模拟。当足球下一个落点位置确定以后，我们利用它与前一个位置的关系确定足球的位置，并在知识库中找到对应的情况和相应的对策，从而给出一个裁判员的推荐跑位。

3 图形交互

本文的研究目的是形成一款可视性好，操作简单，直观，界面友好的裁判员跑位演示系统，所以在系统设计和实现过程中，一个重要的部分就是图形绘制和图形交互。使用Tcl/Tk可以轻松绘制出想要的图形，比如足球场边界、裁判员、足球等界面主要图形部分，也可以绘制按钮，列表等功能组件[12]。按钮、列表、单选框、复选框等组件实现怎样的逻辑功能，界面数据如何传输，后台逻辑如何反馈到界面，如何在功能组件和图形之间进行通信，是我们需要研究的地方。

在本系统的实现中，我们认为选定的技术手段要能够做到以下几点：

(1) 任何时刻都可以检测焦点或者鼠标垫所在的位置，获得它们的坐标。可以方便地获得鼠标的位置坐标等，并且及时地、方便地反馈给后台程序。

(2) 可以检测到鼠标位置变化，响应点击事件；检测键盘输入，获取输入内容。利用程序代码完成图形的动态绘制，图像位置移动等操作。

(3) 对特定的鼠标点击事件、键盘按键事件进行响应，实现使用者和程序交互以及及时反馈的功能，使程序或系统可以随时接受使用者的命令控制。利用事件响应功能实现程序逻辑功能。

Tcl/Tk提供了丰富的方法来实现上述功能，程序代码可以绑定当前鼠标点的坐标，随时在程序中获得鼠标的位置坐标，传递给后台代码。同时，Tcl脚本可以与一些组件关联，这样在一些事件发生时（如在组件上发单击鼠标），就会调用脚本。Tk提供了一个更通用的机制，称为绑定(bind)，来进行人机交互。在本系统中，我们利用Tk提供的图形交互技术实现系统逻辑，实现按钮、列表等组件的业务功能，将界面捕捉到的位置数据等传递给后台程序，将后台逻辑反馈到前端界面进行图形变化，位置移动，实现组件间通信等功能。

图8展示了用Tcl/Tk实现的拖动录制功能界面。

图8 拖动录制方案演示效果

拖动录制在画布上任意位置点击确定足球起始位置，此时系统会为用户绘制一个“足球”，用户可以任意拖动足球，系统会在一定的时间间隔时选取一个点作为足球落点，系统将方案进行保存；此外，系统还将绘制过程中产生的裁判员的位置保存下来。

4 系统应用

系统功能模块设计如图9所示。我们将本系统应用到体育教学中，利用它的录制、回放、演示等功能，在教学工作中的记录、演示、重复学习等环节为教练员或学员提供一定的辅助功能。

图9 系统模块设计图

图10展示了系统的主界面，用户对系统功能一目了然，全部操作由鼠标点击就可以完成。

图10 系统界面

图11展示了跟踪跑跑位演示效果，红色圆、黄色圆、绿色圆、蓝色圆分别代表足球、主裁判、拖后后卫和助理裁判。

图11 跟踪跑演示效果

由于Tcl/Tk语言具有良好的跨平台性，系统可以在Windows系统、Linux系统等多种操作系统中运行。还可以安装在智能手机、平板电脑等移动设备端，使学员随时随地进行学习，具有较高的社会、经济价值和良好的市场前景。

5 结语

现代足球比赛越来越激烈，对裁判员的要求也越来越高。本文实现了一款智能化、数字化、易用、便携的多媒体演示系统，可以很好的帮助足球裁判员理解各种情况下的推荐跑位。

下一步我们需要解决在实际比赛中，影响跑位位置的其他诸多因素，以逐渐扩展系统的功能。例如，在考虑视线可能被遮挡的情况下，跑位的位置会有所不同，且系统的需求也会不一样，更重要的是，计算推荐位置的算法会更复杂。

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The Design and Implement of a Display System for Referee’s Best Move

CHENG Jianqiang1, LI Danping2, HU Jiuchuan2*

(1. Beijing Automatic Engineering School, Beijing 100192, China;2. School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The development of modern football brings new challenges to football referees. The judging abilities of referees always have a complex relation with their movement directions in the football field. In this paper, we develop a well-designed teaching prototype system to help football referees to master running skills more easily. One of the key technologies used in our system is the knowledge base. With the consideration of the key elements that influence the referees’ move, a knowledge base is built. Our knowledge base is equipped with rules which can simulate the movement of referee, football, linesman and players. The second key technology used in our system is the moving rules we set at the very beginning. We summarize three mainstream moving rules and add an extra rule according to the actual conditions in football games. We have designed algorithms and realized these rules by Tcl. The third key technology is the Tcl/Tk. We build the graphical user interface (GUI) of our system with Tcl/Tk so that all the movements of the objects in the football field are effectively demonstrated in an easy way. The initial application of our system suggests a new exploring direction of designing equipment for training the football referees, football players, etc.

football referee; move rules; knowledge base; simulation; graphical user interface (GUI); artificial intelligence

1672-9129(2016)01-0057-06

TP 31

A

2016-06-11；

2016-06-22。

成建强，男，硕士，主要研究方向：软件工程；李丹萍，女，硕士，主要研究方向：计算机体系结构；胡九川，男，副教授，主要研究方向：计算机体系结构。

(*通信作者邮箱：*jchhu@bjtu.edu.cn)