CN104998393A - 一种网球运动员动作技术综合分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种网球运动员动作技术综合分析系统及方法，包括采集运动参数的无线传感器网络和一组视频摄像设备，无线传感器网络和视频摄像设备连接一个综合分析服务器；无线传感器网络包括控制主机，控制主机通过无线网关连接安装在运动员和球拍上的运动参数无线传感器节点，视频摄像设备与所述无线传感器网络之间通过一个同步触发装置连接，传感器节点的运动信号经无线传感器网络启动同步触发装置触发视频摄像设备同步摄像。本发明联合使用无线传感器和视频设备进行数据采集，并实现两种设备的同步采集，并充分发挥每种设备的优势，提升所获取信息的精确性和全面性。

Description

一种网球运动员动作技术综合分析系统及方法

技术领域

   本发明属于体育活动技术参数采集分析技术领域，具体为一种网球运动员动作技术综合分析系统及方法。

背景技术

现代网球比赛对运动员的体能、技术、心理等诸多素质等提出了很高的要求。在网球项目的训练中，应用科学的训练手段和先进的训练器材，对于取得好的训练效果具有非常重要的意义。但是，目前国内比较缺乏适用的训练手段和训练器材，尤其是缺乏在训练现场给出精确运动参数的智能化的器材，制约了运动员技术水平的进一步提高。

网球项目的训练对于训练器械的要求主要有： 1）可以实时在线采集人体各环节和相关器械的精确的运动学参数；2）在采集相关运动学参数后，可以在现场进行分析，并给出分析结果；系统对运动员的各种技术动作无干扰或基本无干扰。因此单独的力量参数或动作参数的采集不能满足运动参数智能化采集的要求，无法所获取精确、全面性的信息。然而现有技术采用多种手段对运动参数采集后再进行分析，同步性较差，且方案的技术风险和总成本的情况都比较高，限制了运动参数采集器材的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网球运动员动作技术综合分析系统及方法，能够充分发挥每种设备的优势，提升所获取信息的精确性和全面性。

一种网球运动员动作技术综合分析系统，包括采集运动参数的无线传感器网络和一组视频摄像设备，所述无线传感器网络包括控制主机，视频摄像设备的视频信号有线连接至控制主机，控制主机通过无线网关连接安装在运动员和球拍上的运动参数无线传感器节点，所述视频摄像设备的快门控制与所述无线传感器网关之间通过一个同步触发装置连接，传感器节点的运动信号经控制主机和无线传感器网关启动同步触发装置触发视频摄像设备同步摄像。

进一步的，所述视频摄像设备为具有外部触发功能的高速相机。

进一步的，所述高速相机至少为2个，各个所述高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，所有高速相机连接至同一个同步触发装置。

进一步的，所述运动参数无线传感器节点包括惯性传感器或应变片传感器，惯性传感器或应变片传感器连接一个无线传输芯片形成惯性传感器节点或应变片传感器节点，所述惯性传感器节点设置在运动员身体和网球拍的网框上，所述应变片传感器设置在网球拍网框与手柄之间V字形的连接臂上，其中，惯性传感器节点用于采集运动员和网球拍的三维运动信息，应变片传感器节点用于采集运动员发力信息。

进一步的，所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器。

进一步的，所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体和网球拍的网框上。

进一步的，所述应变片传感器至少有一个，一个应变片传感器粘贴安装在球拍所述连接臂上，在所述手柄的防滑缠绕带内安装有与应变片传感器连接的无线传输芯片。

一种网球运动员动作技术综合分析测量方法，包括组织网球运动信息采集网络步骤、同步信息采集步骤和分析步骤；其中，

所述组织网球运动信息采集网络步骤是：

第一步：将具有惯性传感器的网络节点分别设置在运动员身体和网球拍的网框上，用于采集运动员和网球拍的三维运动信息；将具有应变片传感器的网络节点设置在网球拍网框与手柄之间V字形连接臂上，用于采集运动员发力信息，上述的网络节点统称为无线传感器网络节点；

第二步：将所设置的无线传感器网络节点根据不同的位置分别赋予标号；

第三步：将至少二部具有外部触发功能的高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，高速相机的触发信号线连接一个具有触发功能的同步触发装置，同步触发装置由无线传感器网络控制高速相机的同步触发；

第四步：用一个控制主机调试通过无线网关与所述无线传感器网络节点和同步触发装置连通形成一个网球运动信息采集网络，将高速相机的视频信号连接控制主机；

所述同步信息采集步骤包括同步信息采集和数据管理：

所述同步信息采集是用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作，进行所述三维运动信息、运动员发力信息和图像信息的同步采集；

所述数据管理是将同步采集的三维运动信息、运动员发力信息和图像信息作为具有共同属性的多个捕捉文件形成一个层级结构保存；

所述分析步骤是将保存的同属性的多个捕捉文件通过对图像的播放控制和对三维运动信息、运动员发力信息的辅助作图进行运动参数分析。

进一步的，所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器，所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体以及网球拍的网框上。

进一步的，所述用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作的方法是：启动同步采集命令，第一个无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机，或者，根据设定无线传感器网络节点产生的有效信息触发高速相机；之后，连续同步采集各无线传感器网络节点的信息和相机的图像信息，直到发出停止同步采集命令。

本发明的有益效果是：联合使用无线传感器和视频设备进行数据采集，并实现两种设备的同步采集，并充分发挥每种设备的优势，提升所获取信息的精确性和全面性。系统中有很多不同类型的检测设备同时工作，系统智能化程度高。技术风险和总成本的情况都好，容易被广泛推广和接受。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明工作原理示意图。

具体实施方式

实施例1

一种网球运动员动作技术综合分析系统，如图1所示，所述系统包括采集运动参数的无线传感器网络和一组视频摄像设备1，所述无线传感器网络包括控制主机2，视频摄像设备的视频信号有线连接至控制主机，将所获取的图像和视频实时地传输至控制主机；控制主机通过无线网关3连接安装在运动员和球拍上的运动参数无线传感器节点4，所述视频摄像设备的快门控制与所述无线传感器网关之间通过一个同步触发装置5连接，传感器节点的运动信号经控制主机和无线传感器网关启动同步触发装置触发视频摄像设备同步摄像。所述视频摄像设备为具有外部触发功能的高速相机。由于运动员全场跑动，为了接收信息稳定可靠，因此，其中的网关有一个或者在不同的位置设置多个，所述高速相机有3个、4个或更多，但至少为2个，各个所述高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，所有高速相机连接至同一个同步触发装置。

如图2所示，无线传感器节点4分布在运动员6和球拍7上，即感应的位置，用来实时感应这些位置的运动。其中同步触发装置包括一个相机触发器401和一个无线型号接收器（同步节点）402。相机触发器与高速相机连接，它在收到一个外部使能信号后，可以瞬时（<1微秒）启动周期性脉冲输出，该脉冲输出用于控制所有高速相机的同步曝光。无线型号接收器在传感器网络和相机触发器之间起桥接作用，在数据采集以及与整个无线网络保持时钟同步等方面，无线型号接收器与其他无线传感器节点是相同的，独特之处在于无线型号接收器具备输出触发电平的能力。当整个无线网络真正开始数据采集的时刻，无线型号接收器输出一个触发电平给相机触发器，启动高速相机的视频采集。

采集运动参数的无线网络用于实时在线地获取相关测点的定量的运动参数，方便现场进行各次动作的精确的定量分析。硬件设备主要包括无线网关和运动参数无线传感器节点，在应用中这些器件会自动形成一个无线传感器网络。该网络可接入节点数量最大为255个，若使用协调器可增至65535个。

无线网关负责组网，并实现控制主机与运动参数无线传感器节点的数据转发。它使用USB接口与主机通信，以无线方式与各个无线节点通信。

运动参数无线传感器节点负责实际的信号检测和数据生成。其特征在于体积小、重量轻，对运动员的技术动作没有影响。

高速相机选择了Basler PIA640-210gc。该型相机是一款采集功能很全面的在线式高速相机，且使用了较高规格的感光芯片。在满分辨率的情况下，也能达到较高的采样帧率，从而保证了所采集的视频具有足够高的分辨力。在系统开发试制过程中，选择了一台图形工作站作为控制主机（联想E20， Intel Pentium 4 2.8GHz CPU，3G内存，操作系统为Windows XP Professional）。

  本发明同步原理：

对于无线传感器网络，所有无线同步节点是内在同步的。

高速相机均具有外部触发功能，即可由外部脉冲信号控制曝光采集一张图片。相机从收到外部脉冲信号到形成图片的时间间隔（deltaT）极短，因此可以看作是瞬时的。在连续收到脉冲信号时刻连续曝光，并形成一个视频文件。对于同一种高速相机，它们的deltaT是相对固定的，因此当多个同型号相机收到同相位的外部脉冲信号时，它们的图片的采样时间完全相同。对于不同类型的高速相机（均有外触发功能），由于同类型相机的deltaT是固定的，不同类型的相机之间的deltaT的差别，可以用实验的方法确定，最后在视频时间轴上加减一个常数来消除。因此视频系统也是内在同步的。

高速相机和无线传感器网络之间的同步。在无线传感器网络和视频子系统，由无线同步节点和相机触发器连接起来，并完成时间同步。要点是相机触发器能够将同步节点发来的触发电平转变为能使高速相机工作的曝光控制脉冲。另外“开始采集”信号传递的时延极短，因此对整个系统的数据采集和分析不构成影响。

实施例中，所述运动参数无线传感器节点包括惯性传感器或应变片传感器，惯性传感器或应变片传感器连接一个无线传输芯片形成惯性传感器节点或应变片传感器节点，所述惯性传感器节点设置在运动员身体和网球拍的网框上，所述应变片传感器设置在网球拍网框与手柄之间V字形的连接臂上，其中，惯性传感器节点用于采集运动员和网球拍的三维运动信息，应变片传感器节点用于采集运动员发力信息。

实施例中，所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器。使用加速度感应器采集一个测点在三个维度上的加速度。根据牛顿公式F = m * a，加速度数据反映了各测点所表现出来的力量大小。

实施例中，所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体和网球拍的网框上。

实施例中，所述应变片传感器至少有一个，一个应变片传感器粘贴安装在球拍所述连接臂上，在所述手柄的防滑缠绕带内安装有与应变片传感器连接的无线传输芯片。

或者，所述应变片传感器至少有两个，优选为4个，各个应变片传感器分别粘贴安装在球拍所述两个连接臂上，在所述手柄的防滑缠绕带内安装有与应变片传感器连接的无线传输芯片。在球拍的两侧立柱上对称布置应变片传感器（四个应变片），它能够同步检测两个立柱的变形。在动能从运动员身体向网球传输的通路中，立柱是很关键的环节。立柱变形的情况反映其受力的大小及方向。因此监测立柱的变形可以帮助观察运动员的发力情况。

实施例2

一种网球运动员动作技术综合分析测量方法，是基于实施例1所述系统的方法，因此，实施例1中的内容也应是本实施例中的内容，所述方法包括组织网球运动信息采集网络步骤、同步信息采集步骤和分析步骤；其中，

所述组织网球运动信息采集网络步骤是：

第一步：将具有惯性传感器的网络节点分别设置在运动员身体和网球拍的网框上，用于采集运动员和网球拍的三维运动信息；将具有应变片传感器的网络节点设置在网球拍网框与手柄之间V字形连接臂上，用于采集运动员发力信息，上述的网络节点统称为无线传感器网络节点；

第二步：将所设置的无线传感器网络节点根据不同的位置分别赋予标号；

第三步：将至少二部具有外部触发功能的高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，高速相机的触发信号线连接一个具有触发功能的同步触发装置，同步触发装置由无线传感器网络控制高速相机的同步触发；

第四步：用一个控制主机调试通过无线网关与所述无线传感器网络节点和同步触发装置连通形成一个网球运动信息采集网络，将高速相机的视频信号连接控制主机；

所述同步信息采集步骤包括同步信息采集和数据管理：

所述同步信息采集是用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作，进行所述三维运动信息、运动员发力信息和图像信息的同步采集；

所述数据管理是将同步采集的三维运动信息、运动员发力信息和图像信息作为具有共同属性的多个捕捉文件形成一个层级结构保存；是将具有对应关系的多个数据文件进行关联组合，并加以记录；典型的记录方式为：同时采集的对应同一名受试者同一个技术动作的三维运动数据文件、球拍受力数据文件和图像视频文件，被组织为一个捕捉文件。具有内部联系的多个捕捉文件，形成一个工程；例如：某个工程含有特定运动员的多个捕捉文件，对应该名运动员在不同时间采集的多批数据；或者某个工程含有特定运动队的多个捕捉文件，对应该运动队多名运动员在某个训练课上采集的多批数据。捕捉文件和工程形成一个层级结构；

所述分析步骤是将保存的同属性的多个捕捉文件通过对图像的播放控制和对三维运动信息、运动员发力信息的辅助作图进行运动参数分析；即是将保存的视频文件、传感器数据文件进行单独的或联合的播放，并通过软件中的各种辅助分析功能，对已记录的技术动作进行深入分析。上述的辅助分析功能可能包含：数字图像处理（画面叠加、画中画等）、辅助图形（绘制直线、曲线、圆弧等）、数字信号处理（滤波、功率谱计算等）。

实施例中，所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器，所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体以及网球拍的网框上。

实施例中，所述用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作的方法是：启动同步采集命令，第一个无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机，或者，根据设定无线传感器网络节点产生的有效信息触发高速相机；之后，连续同步采集各无线传感器网络节点的信息和相机的图像信息，直到发出停止同步采集命令。也就是可以根据需要可以设定任意一个无线传感器网络节点为第一个发出有效信号无线传感器网络节点，即无线同步节点，所以可以选择运动员和球拍上任意一个节点作为无线同步节点，同步触发高速相机。

更进一步所述用无线触发节点的电气信号控制高速相机开始工作的方法的说明是：在主机向网络中的各个无线节点发布同步采集命令后，各个无线传感器节点开始以彼此一致的采样时刻同步采集数据，同时相机触发器的无线型号接收器向相机控制器发出特定的电气信号（通常为电平上升沿），触发相机控制器瞬时启动，向与其连接的各台高速相机输出规定频率和规定相位的周期性的电气信号（通常为电平脉冲），控制各台高速相机以相同的帧频进行连续曝光，需要注意各台高速相机的各个采样时刻均一致，此后各无线传感器节点和高速相机将持续进行同步的信息采集。当控制主机发出“停止同步采集”命令时，所有无线传感器节点停止数据采集，同时无线触发节点向相机控制器发出特定的电气信号（通常为电平下降沿），相机控制器停止输出周期性电气信号，所有高速相机的视频采集过程停止，整个同步采集过程终止。

本实施例使用该系统对3名受试者（北京体育大学，网球专业）进行了6次实际测试。在每次测试中，同步采集这些受试者的右肘部和右腕部的三轴加速度、网球拍立柱的应变数据，以及受试者右侧和后侧两个方位的高速视频。对所采集的数据进行了分析。发现该系统工作比较顺畅，没有发生无线网络阻塞或高速视频丢帧的现象。

受试者完成了一次发球动作。将肘部和腕部测点的加速度达到最大值的时刻进行对比，发现肘关节对应的时刻比腕关节对应的时刻要早0.1秒左右，反映该受试者的上臂的发力要早于前臂的发力，这也是正确的发球动作所表现出来的特征。

在完成发球时，专业选手与初学者的腕部的加速度数据曲线有一定差异，专业选手的加速度的总体水平要高于初学者的对应数值，其表现为：在腕部加速度曲线中，专业选手的腕部加速度超过10G的时间长度要大于初学者的。

Claims (10)

1.一种网球运动员动作技术综合分析系统，包括采集运动参数的无线传感器网络和一组视频摄像设备，其特征在于：所述无线传感器网络包括控制主机，视频摄像设备的视频信号有线连接至控制主机，控制主机通过无线网关连接安装在运动员和球拍上的运动参数无线传感器节点，所述视频摄像设备的快门控制与所述无线传感器网关之间通过一个同步触发装置连接，传感器节点的运动信号经控制主机和无线传感器网关启动同步触发装置触发视频摄像设备同步摄像。

2.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述视频摄像设备为具有外部触发功能的高速相机。

3.根据权利要求2所述的分析系统，其特征在于：所述高速相机至少为2个，各个所述高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，所有高速相机连接至同一个同步触发装置。

4.根据权利要求1所述的分析系统，其特征在于：所述运动参数无线传感器节点包括惯性传感器或应变片传感器，惯性传感器或应变片传感器连接一个无线传输芯片形成惯性传感器节点或应变片传感器节点，所述惯性传感器节点设置在运动员身体和网球拍的网框上，所述应变片传感器设置在网球拍网框与手柄之间V字形的连接臂上，其中，惯性传感器节点用于采集运动员和网球拍的三维运动信息，应变片传感器节点用于采集运动员发力信息。

5.根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于：所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器。

6.根据权利要求4或5所述的分析系统，其特征在于：所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体和网球拍的网框上。

7.根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于：所述应变片传感器至少有一个，一个应变片传感器粘贴安装在球拍所述连接臂上，在所述手柄的防滑缠绕带内安装有与应变片传感器连接的无线传输芯片。

8.一种网球运动员动作技术综合分析测量方法，包括组织网球运动信息采集网络步骤、同步信息采集步骤和分析步骤；其特征在于，

所述组织网球运动信息采集网络步骤是：

第一步：将具有惯性传感器的网络节点分别设置在运动员身体和网球拍的网框上，用于采集运动员和网球拍的三维运动信息；将具有应变片传感器的网络节点设置在网球拍网框与手柄之间V字形连接臂上，用于采集运动员发力信息，上述的网络节点统称为无线传感器网络节点；

第二步：将所设置的无线传感器网络节点根据不同的位置分别赋予标号；

第三步：将至少二部具有外部触发功能的高速相机从不同角度围绕拍摄对象设置，高速相机的触发信号线连接一个具有触发功能的同步触发装置，同步触发装置由无线传感器网络控制高速相机的同步触发；

第四步：用一个控制主机调试通过无线网关与所述无线传感器网络节点和同步触发装置连通形成一个网球运动信息采集网络，将高速相机的视频信号连接控制主机；

所述同步信息采集步骤包括同步信息采集和数据管理：

所述同步信息采集是用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作，进行所述三维运动信息、运动员发力信息和图像信息的同步采集；

所述数据管理是将同步采集的三维运动信息、运动员发力信息和图像信息作为具有共同属性的多个捕捉文件形成一个层级结构保存；

所述分析步骤是将保存的同属性的多个捕捉文件通过对图像的播放控制和对三维运动信息、运动员发力信息的辅助作图进行运动参数分析。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述惯性传感器是角速度感应器或加速度感应器或磁力计或由三者组合设置在一起的复合式传感器，所述惯性传感器与无线传输芯片连接固定在一个封闭的壳体中，壳体通过塑料绑扎带固定在运动员身体以及网球拍的网框上。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述用无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机开始工作的方法是：启动同步采集命令，第一个无线传感器网络节点的有效信息触发高速相机，或者，根据设定无线传感器网络节点产生的有效信息触发高速相机；之后，连续同步采集各无线传感器网络节点的信息和相机的图像信息，直到发出停止同步采集命令。