CN109173205B - 一种足球阵型时空变化的可视化分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种足球阵型时空变化的可视化分析系统，包括：数据获取及处理模块，数据中的属性包括：球员每帧的位置数据、两队每帧的阵型数据、球每帧的位置数据、两队每秒对球的压迫值数据、整场比赛的事件数据和两队每帧的球权数据；还包括比赛事件可视化模块、阵型变化可视化模块、球权转换可视化模块、阵型站位可视化模块和球员位置变化可视化模块；本发明的足球阵型时空变化的可视化分析系统，适用于细粒度的足球比赛分析，考虑多种属性变化，加入阵型变化时的多种环境信息，可理解性高，可以快速找出阵型的时空变化特征。

Description

一种足球阵型时空变化的可视化分析系统

技术领域

本发明设计足球阵型变化分析领域，特别涉及一种足球阵型时空变化的可视化分析系统。

背景技术

足球分析技术在过去的几年被广泛研究过，其中出现过许多优秀的工作，如基于距离的统计方法，基于区域的统计方法以及基于轨迹的统计方法。其中，球队阵型分析一直受到相当大的关注，因为阵型对球队的整体表现有着显著的影响。

有人曾用最小熵数据划分方法来检测球队在不同时间段的阵型以及球队行为的主客观模式。也有人根据检测到的阵型发现了一场比赛中表现最好的进攻和防守。然而这些工作都忽略了阵型的时空特性，因此不能直接用于阵型的连续模式的分析与探索。

此外，还有人开发了一系列阵型分析工具，他们分别使用统计表和折线图来显示并说明阵型的分布和连续变化。而唯诺图则被用于显示每个队伍的覆盖空间，来评估阵型的质量。这些分析工具解决了部分阵型变化分析中的问题。但是，它们将阵型格式化为折线图中的类别数据，从而使其丢失了固有的空间信息。而且这些工具不能支持阵型与其他多元足球数据之间的关系分析。因此需要提出了一种新颖的时空设计来可视化阵型变化，可供全面的阵型变化分析。

可视化技术在过去几年已经陆陆续续被广泛运用到体育分析中，像乒乓球、篮球、网球、冰球等。而在足球方面，可视化技术也被应用于各类可视化分析系统中。例如，有将球员的运动运动轨迹集成到比赛视频中的可视化工作，有在不同比赛阶段使用新颖视图观看足球比赛的可视化系统，也有针对球或球员所受压迫值的可视化工作等等。这些工作都从不同方面提升了足球分析的效果和效率。

然而，在这些足球的可视化工作中，很少有人关注队伍阵型这一团队战术中最重要的部分。

发明内容

本发明是一种足球阵型时空变化的可视化分析系统，可以查看阵型在时空两个维度的关联变化模式，同时提供不同的比赛事件和球员行为的环境信息，配合特定的交互方式，便于阵型的解读和分析。

一种足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，包括：

数据获取及处理模块，数据中的属性包括：

球员每帧的位置数据：两队的每位球员每帧在场上的位置信息；

两队每帧的阵型数据：每个阵型中各个球员所担任的位置；该数据根据两队每帧的位置数据通过最小熵数据划分法计算得到。

球每帧的位置数据：球每帧在场上的位置信息；

两队每秒对球的压迫值数据：计算两队每秒钟离球最近的四个人所围成的面积大小；面积越小，对球压迫效果越好。该数据根据球员每帧的位置数据和球每帧的位置数据计算所得。

整场比赛的事件数据：红牌、黄牌、换人、死球以及进球；其中进球进一步分为：运动战进球和定点球进球。

两队每帧的球权数据：队伍内的人员传球数据和对队伍间的球权转换数据；

比赛事件可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每秒对球的压迫值数据和整场比赛的事件数据，通过在时间轴上放置对应的特定图标，来展示比赛中发生的事件在时间上的分布，同时使用条形图展示队伍对球的压迫效果；从而为分析阵型变换提供环境信息。

阵型变化可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据和整场比赛的事件数据，使用流的形态表示阵型中不同位置(前锋、中场(进攻型中场、防守型中场)、后卫)的人员变化；从而表现出不同阵型之间的变化趋势。

球权转换可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的球权数据，将球权用球的图标表示，通过将球的图标放在阵型变化可视化模块中对应的位置上来表现球权在队内不同位置之间的转换，以及球权在不同队之间的轮换，同时使用虚线表示同一队的连续控球时间，从而使得用户更容易观察到两队在控球上的时间长短；

阵型站位可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据，按照选中时间段的阵型，将该阵型中每个球员的相对位置展示在各自半场上；

球员位置变化可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据，通过使用一条贯穿在阵型变化可视化模块中的高亮的曲线，来表现特定球员所担任的位置在整场比赛中的变化，从而为队员在队伍中的个人表现提供评价参考。

为了帮助用户快速联想事件的具体内容，优选的，所述时间轴上对应的事件图标都是根据具体事件内容定制的，利用了事件隐喻的来进行可视化图标设计，将事件本身所涉及的代表性的事物抽象到图标中。使用户能够在看到图标的同时进行同步联想，快速反应出某个图标代表的具体事件。当然，如果用户不能立刻反应过来的话，可以将鼠标悬浮到特定的图标上，此时会有提示框弹出，来提示用户该图标表示的具体事件信息，尤其是进球图标，提示框会显示该进球的来源，是运动战进球还是定点球进球。

由于阵型的变化比较频繁，原始形态的阵型流无法支持持续时间较短的阵型流的详细查看，优选的，当在比赛事件可视化模块和阵型变化可视化模块中使用鼠标滚轮操作时，横向的伸长或压缩视图模块内的展示内容，用来支持阵型流在不同观察尺度(宏观与微观)的探索和分析。

为了帮助用户快速理解阵型流，优选的，当鼠标悬停在阵型变化可视化模块中的某一队的某一段阵型上时，该段阵型以及与其对抗的阵型会高亮显示每条流所代表的人数。除此之外，阵型站位可视化模块也会同时显示该阵型中两队队员的相对站位，帮助用户进一步理解该时段的阵型。

当出现换人情况时，会存在两种情况：对位换人和非对位换人，当换人是对位换人时，阵型不会因此改变，但当换人是非对位换人时，阵型会根据换人情况进行调整，优选的，当出现换人情况时，会在阵型变化可视化模块中对应流的位置放置定制的换人图标，提醒换人的信息。该图标使用分流的隐喻，体现了人员流动对阵型造成的影响。

优选的，当鼠标悬停在阵型变化可视化模块中的某一队的某一段阵型上时，阵型站位可视化模块会同时显示该阵型中两队队员的相对站位。

由于阵型流只展示了队伍阵型的变化，并没有提供球员在阵型变化中的行为变化模式，优选的，当鼠标点击阵型站位可视化模块中的球员时，对应球员的球员位置变化可视化模块会显示出来。

优选的，当多个球员的球员位置变化可视化模块同时展现时，会自动使用不同颜色的曲线来高亮显示，且同一队的球员的颜色色调与其所属队伍的颜色相似。

除了球员和球队的时空变化信息之外，还需要配合球权的信息，当鼠标点击绘有曲线的按钮时，球权转换可视化模块会显示出来。

本发明的有益效果：

本发明的足球阵型时空变化的可视化分析系统，适用于细粒度的足球比赛分析，考虑多种属性变化，加入阵型变化时的多种环境信息，可理解性高，可以快速找出阵型的时空变化特征。

本发明的足球阵型时空变化的可视化分析系统，可以快速掌握比赛概览；可以快速定位需要分析的阵型变化时间段；可以找出阵型变化的时空特征；可以评估具体阵型的表现效果；可以找出球员在阵型变化中的行为变化特征；可以查看球权的时空变化特征；探寻找到的模式的原因，寻求可能的解释和假设；发现以上了这些模式以及现象以后，利用交互进行更细致的挖掘，还可以结合自身经验，提出一些假设。

附图说明

图1是本发明的足球阵型时空变化的可视化分析系统的展示示意图。

图2是图1中B部分的放大示意图。

图3是图1中C部分的放大示意图。

图4是本发明系统中的可视设计对比示意图。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施例的足球阵型时空变化的可视化分析系统包括：

数据获取及处理模块，其中的所有的数据都是通过一个半自动的数据采集系统从原始的比赛视频中采集，数据属性包括：

两队每帧的位置数据：两队每位球员每帧在场上的位置信息。

球每帧的位置数据：球每帧在场上的位置信息。

整场比赛的事件数据：红牌、黄牌、换人、死球以及进球，其中进球进一步分为：运动战进球和定点球进球。

两队每帧的球权数据：队伍内的人员传球数据，和对队伍间的球权转换数据。

数据整理和数据清洗，数据采集完整后，需要进行整理和清洗。从视频中采集出来的原始位置数据无法直接应用于可视化系统开发，需要进一步进行数据整理，统一数据格式，从而符合系统能够处理的数据格式。此外，从视频中采集出来的位置数据具有一定的抖动，因此需要进行平滑处理，去除不稳定的位置数据，使得可视化结果更稳定。

阵型数据计算和压迫值数据计算，采集到的数据还不能完全满足可视化分析系统的需求，因此，需要在之前所采集的数据的基础上，进一步计算出所需要的其他数据，其他数据属性包括：

两队每帧的阵型数据：利用最小熵数据划分法，将两队每帧的位置数据进行聚类，然后根据聚类的结果得到最符合其站位的阵型数据，其中包括每个阵型中各个球员所担任的位置。

两队每秒对球的压迫值数据：利用两队每帧的位置数据和球每帧的位置数据，计算两队每秒离球最近的四个人所围成的面积大小，面积却小，对球压迫效果越好。

数据转化为可视分析系统图像，拥有了完整数据之后，就可以将数据绑定可视分析系统中，可视化部分包括以下几个模块：

比赛事件可视化模块：按照足球比赛的各类媒体报道的设计，用时间轴以叙事的方式依次展现比赛中发生的事件。如图1中的E部分所示，本模块的时间轴从左向右进行。时间轴分成两部分来表示比赛的前半部分和后半部分。其中，实线部分表示正常比赛时间，虚线表示伤停补时时间，如图1中的F部分所示。而关键事件的图标从左至右按照时间顺序放置在时间线上，这部分的数据来自整场比赛的事件数据，关键事件图标如图2所示。时间轴上的两个条形图(图1中的F部分)分别用于表示两队防守指标的变化。具体而言，在某个时间点的条形图高度将编码当时球队的防守效果(高度越高，效果越差)。这个防守指标的数据来自步骤3中计算所得的两队每秒的压迫值数据。

阵型变化可视化模块：使用流的形式来表现阵型在时空上的变化，根据专家指出，每个阵型可以分为三个或四个空间区域：前锋，中场(有时可以细分为进攻型中场和防守型中场)和后卫。阵型的变化可以被看作是球员从一个区域到另一个区域的流动，这个过程和桑基图类似，可以揭示阵型随时间的整体变化模式，同时保持阵型中空间区域之间的连续流动过程。

如图3所示，此处截取阵型流中的部分流来说明其具体编码原理。在t1时刻，此模块使用三条支流来表示当时阵型的三个空间区域(4-4-2)。每条支流的垂直坐标编码阵型中空间区域的位置。因此，在这种情况下，支流(a)，(b)和(c)分别代表前锋，中锋和后卫的阵型。每条支流的厚度与在相应空间区域中的球员的数量成比例。阵型变化由流的分开和合并来表示。例如，支流(a)在t2分裂成两条支流，其中一条支流与支流(b)合并。该模式意味着中场球员在t2时刻向后移动，导致阵型从4-4-2变为4-5-1。此外，支流(b)在t3分裂成两条支流，从而产生四条单独的支流。这个模式代表了从4-5-1到4-2-3-1的阵型变化。图1中的G部分中下方阵型流的编码和图3相同，而上方阵型流的编码则只在垂直方向的编码上与图3相反，为了强调两队的对抗关系，其余编码均相同。此外，支流之间可能会有重叠(图3中的A区域)。为了解决这个问题，为支流添加了白色边框(图4中的B区域)，以帮助用户区分支流的流动过程。

此外，该模块还标明了球员替换的情况。将球员替换的图标直接放在阵型流中相对应的位置。据专家介绍，球员替换和阵型的空间信息高度相关。当出现换人情况时，会存在两种情况：对位换人和非对位换人，当换人是对位换人时，阵型不会因此改变，但当换人是非对位换人时，阵型会根据换人情况进行调整，将这一信息直接放置在阵型流上。如图3中的D区域所示，放置两个箭头来编码替换行为。箭头从支流(a)流出表示该支流中的一个球员被一个新的球员所替换下场，其位置由另一箭头编码，并流入支流(a)。这样，这个图标展示了一个前锋的替换。

设计选择：如图4所示，除了阵型流之外，还根据以前的时空可视化创建了两种设计选择。时空方法可以分为两类，即分离视图和综合视图。根据这种分类法创建了一种替代设计，选择合适的设计来可视化阵型变化。具体而言，在图4的A区域中，线图(图4的A-1)用于可视化阵型的时间变化和俯仰图(图4的A-2)。在图4的B区域中，使用直观的图标表示阵型，并使用小型多重设计来表示阵型的时间变化，可以保留综合视图的空间和时间信息。

球权转换可视化模块：用户可以鼠标点击图1的D部分中的按钮，显示此模块。此模块中，将球权用球的图标表示，每个球的图标代表一个球权的转变。通过将球的图标放在阵型变化可视化模块中对应的位置上来表现球权在队内不同位置之间的转换，以及球权在不同队之间的轮换，同时使用虚线表示同一队的连续控球时间，从而使得用户更容易观察到两队在控球上的时间长短。例如，图3的C区域表示当时队中的一名前锋正在拿球。使用虚线链接来连接同一队的连续过渡球，以清楚地显示球队与球队之间的控球转换。因此，用户可以很快知道球队控制球的时间。

阵型站位可视化模块：如图1的A部分所示，按照选中时间段的阵型，将该阵型中每个球员的相对位置展示在各自半场上。

球员位置变化可视化模块：随着时间的推移，每个球员在阵型中展现的移动对于专家帮助确定关键球员并了解每个球员的特征非常重要。例如，一名球员总是呆在阵型的前锋位置意味着它是一名站桩性前锋。要查看队员在阵型中的移动情况，用户可以单击半球场内的相应的球员(图1的C部分)。通过使用一条贯穿在阵型变化可视化模块中的高亮的曲线(图3的E区域)，来表现特定球员所担任的位置在整场比赛中的变化，从而为队员在队伍中的个人表现提供评价参考。如图1的C部分所示，深色线按时间呈现球员11的位置。用户可以在半球场上点击多个球员来比较不同球员的移动。这些球员的线将以不同的风格显示(图1的C部分)以区分。

用户交互：平移和缩放：由于可视化空间有限，在阵型流中无法看到短期的阵型变化(小于15秒)。因此，采用平移和缩放交互以探索阵型流。用户可以在阵型流上滚动鼠标来放大x坐标并拖动阵型流进行平移。

鼠标悬停：当鼠标悬停在比赛事件可视化模块上的每个标志符上时，用户可以查看相应事件的详细信息。当鼠标悬停在阵型变化可视化模块中的某一队的某一段阵型上时，该段阵型以及其对抗的阵型会高亮显示每条流的人数，且阵型站位可视化模块会同时显示该阵型中两队队员的相对站位。

显示球员移动：要查看队员在阵型中的移动情况，用户可以单击半球场内的相应的球员(图1的C部分)。通过使用一条贯穿在阵型变化可视化模块中的高亮的曲线(图3中的E部分)，来表现特定球员所担任的位置在整场比赛中的变化，从而为队员在队伍中的个人表现提供评价参考。如图1的C部分所示，深色线按时间呈现球员11的位置。用户可以在半球场上点击多个球员来比较不同球员的移动。这些球员的线将以不同的风格显示(图1的C部分)以区分。

显示球权转换，用户可以鼠标点击图1中D部分的按钮，显示此模块。此模块中，我们将球权用球的图标表示，每个球的图标代表一个球权的转变。通过将球的图标放在阵型变化可视化模块中对应的位置上来表现球权在队内不同位置之间的转换，以及球权在不同队之间的轮换，同时使用虚线表示同一队的连续控球时间，从而使得用户更容易观察到两队在控球上的时间长短。

本实施例的足球阵型时空变化的可视化分析系统进行的分析任务：

(1)快速掌握比赛概况，了解比赛中发生的重要事件。

(2)快速定位具有较大分析价值的阵型变化时间段。

(3)探索并找出阵型变化的时空特征。

(4)多方面评估评估具体阵型的表现效果。

(5)探索并找出球员在阵型变化中的行为变化特征。

(6)探寻找到的模式的原因，寻求可能的解释和假设。当分析师发现了这些模式以及现象以后，利用交互进行更细致的挖掘，还可以结合自身经验，提出一些假设。

Claims (8)

1.一种足球阵型时空变化的可视化分析系统，包括：

数据获取及处理模块，数据中的属性包括：

球员每帧的位置数据：两队的每位球员每帧在场上的位置信息；

两队每帧的阵型数据：每个阵型中各个球员所担任的位置；

球每帧的位置数据：球每帧在场上的位置信息；

两队每秒对球的压迫值数据：计算两队每秒钟离球最近的四个人所围成的面积大小；

整场比赛的事件数据：红牌、黄牌、换人、死球以及进球；

两队每帧的球权数据：队伍内的人员传球数据和对队伍间的球权转换数据；

其特征在于，还包括：

比赛事件可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每秒对球的压迫值数据和整场比赛的事件数据，通过在时间轴上放置对应的特定图标，来展示比赛中发生的事件在时间上的分布，同时使用条形图展示队伍对球的压迫效果；

阵型变化可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据和整场比赛的事件数据，使用流的形态表示阵型中不同位置的人员变化；

球权转换可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的球权数据，将球权用球的图标表示，通过将球的图标放在阵型变化可视化模块中对应的位置上来表现球权在队内不同位置之间的转换，以及球权在不同队之间的轮换，同时使用虚线表示同一队的连续控球时间；

阵型站位可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据，按照选中时间段的阵型，将该阵型中每个球员的相对位置展示在各自半场上；

球员位置变化可视化模块：根据所述数据获取及处理模块中的两队每帧的阵型数据，通过使用一条贯穿在阵型变化可视化模块中的高亮的曲线，来表现特定球员所担任的位置在整场比赛中的变化。

2.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，所述时间轴上对应的事件图标都是根据具体事件内容定制的，利用了事件隐喻的来进行可视化图标设计，将事件本身所涉及的代表性的事物抽象到图标中。

3.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当在比赛事件可视化模块和阵型变化可视化模块中使用鼠标滚轮操作时，横向的伸长或压缩视图模块内的展示内容。

4.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当鼠标悬停在阵型变化可视化模块中的某一队的某一段阵型上时，该段阵型以及与其对抗的阵型会高亮显示每条流所代表的人数。

5.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当出现换人情况时，会在阵型变化可视化模块中对应流的位置放置定制的换人图标，提醒换人的信息。

6.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当鼠标悬停在阵型变化可视化模块中的某一队的某一段阵型上时，阵型站位可视化模块会同时显示该阵型中两队队员的相对站位。

7.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当鼠标点击阵型站位可视化模块中的球员时，对应球员的球员位置变化可视化模块会显示出来。

8.如权利要求1所述的足球阵型时空变化的可视化分析系统，其特征在于，当多个球员的球员位置变化可视化模块同时展现时，会自动使用不同颜色的曲线来高亮显示，且同一队的球员的颜色色调与其所属队伍的颜色相似。