基于多手段融合的原位体育运动性能分析系统

梁园

(宝鸡职业技术学院 体育部， 宝鸡 721000)

0 概述

体育运动分析对于运动员和教练员来说至关重要，随着各种科技技术地发展，利用多手段技术进行融合，如通过可穿戴技术实时采集运动员地运动状态，如惯性测量传感器在运动性能分析中具有潜在用途，此外，为了运动的完整性，使用传感器进行运动性能分析必须在原地或其原始位置，因为运动员的心态和环境条件在实验室环境中是完全不同的[1]。

关于数据分析本身，相关研究已经证明实时发布是不实际的，因为教练仍然更愿意在看数据之前用自己的眼睛观察运动员的表现。因此，性能分析仅在分析到后阶段期间以近实时和可呈现的方式需要；此外，由于惯性传感器数据纯粹是定量的，因此建议将数据与视频集成以支持惯性传感器使用[2]。本文提出了一个关于惯性传感器用于运动性能分析的系统，该系统旨在提供可操作的数据，以协助教练和运动员监测和改善运动员地训练，并且通过录制的训练数据和同步视频，利用可视化手段进行细节回放，为教练和运动员地定性评估提供数据依据。

1 系统设计

该系统由三部分组成，如图1所示。图1即用于运动和定向数据采集的惯性测量单元，用于视觉数据采集的高FPS视频摄像机，以及基于Android操作系统ASSESSOR(Assistive Sensor System for Sports and Rehabilitation)应用程序(用于数据记录、分析和存储)。

图1 运动和康复辅助传感器系统组成图

ASSESSOR应用程序负责通过无线控制IMU和FPS视频摄像机以开始和停止录制，一旦表演完成记录，应用程序可以以同步的方式加载运动数据和视频数据，其中每个运动数据样本基于其时间戳从视频中显示其对应的帧；然后，运动数据的图形可以容易地归因于它们各自的运动[3-5]。

1.1 硬件组件

1)惯性测量单元

系统中使用的MEMS IMU由3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计组成。这些无线传感器通过蓝牙进行通信，传感器通过Android库用于访问原始运动数据(加速度，角速率，磁场)和方向数据等。

该测量单位尺寸设置为45*37*20 mm，重量为37 g，当连接到运动员的身体时，由于该单元地尺寸较小不会影响运动员地表现。此外，使用内部800 mAh锂电池为IMU供电约10小时，在整个训练过程中不会成为问题。

2)高FPS摄像机

系统中使用的高FPS相机是拍摄行动相机，即使具有微型尺寸，它也可以录制高帧率视频，而不会影响视频分辨率。同时FPS置Wi-Fi模块，用于连接相机并进行无线控制，最初打算在极限运动中使用甚至佩戴，其便携性是保持ASSESSOR移动配置的关键。

3)平板电脑

目前在该系统中使用的平板电脑配置Android系统，具有蓝牙和Wi-Fi，用于与IMU和FPS摄像头通信。

1.2 系统算法设计

ASSESSOR的执行过程如图2所示。

图2 ASSESSOR循环

其中最终产品是在审查和分析运动和视频数据之后的必要行动过程，该过程可以肯定运动员正确完成的事情或教练所教导的事情，这些事情可以改善运动员，在这种运动中，必要的行动方案将继续，甚至可以改进。另一方面，它还可以识别运动员表现中的错误，或者教练目前的方法不适用于运动员。利用该手段可以对必要的训练方案进行纠正或改变，一旦确定了必要的行动方案，就可以重复整个过程以监测下一次的表现[6-7]。

实现过程设计如下：

1)设置

系统设置较为简单，只需要将装有ASSESSOR程序地电脑连接到IMU和摄像机，并将摄像机连接到三脚架，将三脚架放到所需位置，将传感器连接到运动员，然后校准IMU。之后，只需要填写数据捕获屏幕中的一些信息，应用程序就可以记录性能。

2)数据捕获

数据捕获过程较为简单，用户按下“开始”按钮命令ASSESSOR应用程序记录IMU数据并告诉摄像机也开始记录。该应用程序播放模拟在田径场中开枪的声音，以向运动员发出录音开始的信号。演奏完成后，按“停止”按钮可停止IMU和摄像机地录像。

IMU数据存储在逗号分隔值(.csv)文件中，文件名通过先前填充的信息以及日期和时间获得，.csv文件在电脑的文件夹结构中使用相同的填写信息进行组织，以便于后期系统访问；IMU数据记录频率为为50 Hz，而摄像机以720 F分辨率以50FPS记录，以便在IMU数据和视频数据之间一一对应。

3)数据分析

在继续分析收集的数据之前，通过下载视频数据通过数据分析屏幕进行。

在“数据分析”屏幕中，通过集成文件浏览器选择文件可以轻松填写所分析的文件。一旦选择了特定的数据集，按下“分析”按钮将获取这些数据并将其与图形显示的IMU数据一起呈现，同步视频数据。然后，教练和运动员可以继续观察表演并从数据中学习。

4)社交分享

如果教练或运动员想要共享同步数据的一部分，则存在专用屏幕截图按钮以在电脑上保存屏幕截图。除此之外，还会出现一个选择菜单，允许将所述屏幕截图分享到社交媒体以及电子邮件和云端。

1.3 数据分析

该应用程序的数据分析部分也是由多个开源库和代码(如CSV库)构建的，用于读取记录的IMU数据，可通过其他应用程序访问的文件浏览器应用程序和图形/图表库可视化IMU数据。这些内容与一些ADT应用程序编程接口(API)相结合，提供了一个简单直观的交互式分析屏幕，供最终用户使用。数据分析可以是一个数据集的指标分析，也可以是两个数据集的比较分析。

1)指标分析

指标分析地屏幕被设计为同时显示IMU数据的图形可视化和所选样本的相应帧。这样做是为了通过视频数据容易地将IMU数据与其相应的运动相关联。

2)比较分析

在使用两个数据集进行比较分析时，使用相同地屏幕，在显示两个图形和两个视频时必须采用不同的方法。这样，可以将两个图形与易于访问的视频帧进行比较，以便快速参考。

1.4 实验验证

使用该系统进行的实验包括但不限于田径和篮球。这些实验证明了ASSESSOR如何收集和分析运动表现数据。

A.系统启动反应时间

为了让运动员在起跑线上有反应时间，通过将IMU连接到运动员的起始腿，特别是脚踝，IMU将在相对平坦的开始后记录尖峰，表示从起始腿快速移动，表示ASSESSOR应用程序在开始时对枪开始的反应。

B.篮球旋转移动转速

该实验用同一运动员进行两次，以比较两个独立试验中运动员的反应时间。篮球旋转移动转速在篮球中，躲避防守的基本方法之一就是进行旋转移动，为了成功超越防守，旋转移动的要求之一是速度。在这个实验中，将一个IMU连接到运动员的躯干上，以测量运动员旋转运动的最高转速。

C.结果和讨论

加载来自两个试验的两组数据进行冲刺反应时间对比分析，如图3所示。

图3 两个试验冲刺反应时间的比较分析

可以看出，在第一次试验中，图表开始在0.37秒处达到峰值，表明反应时间为相同的区间；将其与底部的第二次试验相比较，可以看出第二次试验的反应时间更快，约为0.32秒。

加载用于篮球旋转移动独奏分析的数据集，如图4所示，可以看出旋转移动期间的峰值在大约743度/秒。

图4 对峰值旋转移动转速的试验测试的独立分析

这两个实验演示了系统如何帮助收集性能数据，尤其是通过单独观察运动员无法收集的量化数据。

2 总结

本文使用可穿戴惯性测量单元、高FPS相机和应用程序构成体育运动分析系统—ASSESSOR，可通过记录和可视化同步运动数据和视频数据，以协助教练和运动员评估他们的表现和发现可操作的数据。此外，数据可以在线分享，以便继续在培训之外进行讨论。ASSESSOR不仅限于用于捕捉和分析运动表现，主要可适用于运动分析。