一種具有新型傳感器的智能籃球設(shè)計

羅明

摘 要 將傳感裝置集成到籃球等體育器材中，在測量成績、訓(xùn)練運動員和鼓勵參與方面具有巨大潛力。這些創(chuàng)新的交互式工具提供實時反饋系統(tǒng)，用于收集和分析體育數(shù)據(jù)，并可為教練員和運動員提供有效的支持。本文設(shè)計了一種裝備了新型傳感器的智能籃球，其規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)籃球相同，僅添加了一個傳感器，通過智能手機(jī)或平板電腦設(shè)備應(yīng)用程序?qū)崟r提供有關(guān)投籃弧度、投籃速度和運球次數(shù)的數(shù)據(jù)。本研究的目的是確定傳感器的準(zhǔn)確性，并結(jié)合了投籃弧度和帶球視頻分析軟件。這項新技術(shù)可以重新定義球員的訓(xùn)練方式，并可以用鼓勵創(chuàng)造性的方法來練習(xí)和實施計劃。

關(guān)鍵詞 視頻分析 傳感器 性能分析 實時反饋 智能籃球

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0001-03

1 前言

體育運動在很大程度上由于先進(jìn)技術(shù)的融合而不斷變化[1]?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展允許運動員走得更高，走得更快，更重要的是更安全。技術(shù)創(chuàng)新不僅改進(jìn)了各項運動所使用的產(chǎn)品和服裝，而且在運動員研究自己（和對手）的表現(xiàn)以及如何從教練那里獲得反饋方面也有了重大發(fā)展[2]。運動技術(shù)是運動員為提高整體運動成績而努力改善訓(xùn)練和比賽環(huán)境的科學(xué)手段。實時、快速的運動數(shù)據(jù)收集和分析反饋系統(tǒng)為教練員和運動員提供了創(chuàng)新、有效的支持[3]。運動的成功促使教練員不斷尋找新的技術(shù)和工具來提高運動員的成績。這導(dǎo)致了技術(shù)在體育運動中的普及和應(yīng)用。然而，“虛擬教練”的概念只是隨著對教練反饋要求的不斷提高而發(fā)展的[4]。

籃球技術(shù)中的智能因素會隨著籃球傳感器的推出而上升，例如InfoMotion公司制造的世界上第一款智能籃球在2014年的消費電子展上獲獎。此后其他嵌入儀表的各類球也加入了市場，例如阿迪達(dá)斯智能球以及智能保齡球等[5]。本研究旨在驗證投籃弧度測量的有效性和可靠性以及運球計數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 智能籃球總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的智能籃球具有與標(biāo)準(zhǔn)籃球相同的規(guī)格，并包含一個傳感器，該傳感器提供有關(guān)藍(lán)球弧度（角度）的數(shù)據(jù)、投籃速度、射弧與速度復(fù)合以及運球次數(shù)。通過藍(lán)牙連接到智能設(shè)備、平板電腦或智能手機(jī)，操作系統(tǒng)則使用Android或IOS。通過智能設(shè)備，球員可以看到自己的表現(xiàn)，并在投籃或運球后收到簡短的提示和評論。反饋包括對弧度數(shù)據(jù)的評論和對運球測試的反饋，然后使用視頻分析系統(tǒng)來比較結(jié)果。Dartfish視頻分析系統(tǒng)是一個視頻計算機(jī)軟件系統(tǒng)，允許參賽者從數(shù)碼相機(jī)捕獲視頻片段，逐幀播放視頻，并分析視頻。

3 智能籃球設(shè)計

3.1 智能籃球

智能籃球如圖1所示，智能籃球是一個室內(nèi)/室外橡膠球，里面有9個加速計且放在一塊重量不到20克的電路板上。傳感器可以檢測力（360度視圖）、速度、球旋轉(zhuǎn)和球弧。此外，傳感器還可以測量充氣物體（球）與表面接觸的角度，智能籃球中的傳感器幾乎不會影響球的重量或旋轉(zhuǎn)。此外，傳感器能夠承受運球、籃板和籃圈投籃以及傳給其他球員的沖擊。球打起來時的感覺和就像一個標(biāo)準(zhǔn)的籃球。這些傳感器可與Android和IOS協(xié)同工作。

3.2 無線充電

智能籃球使用無線充電，充電板如圖2所示，電池續(xù)航時間長達(dá)8小時，用來收集信息的任何設(shè)備都有90英尺的距離。無線充電器基于磁感應(yīng)原理，無線充電技術(shù)可使電力在短距離內(nèi)有效傳輸至設(shè)備。

3.3 應(yīng)用程序

iOS和Android版本適用于智能籃球，該應(yīng)用程序分為“技能培訓(xùn)”和“鍛煉”模式（如圖3所示）。投籃訓(xùn)練模式的重點是釋放時間和準(zhǔn)確性。它從最基本的層面開始，球員們每一步都更難實現(xiàn)目標(biāo)（投籃更多，釋放更快）。運動員在一次練習(xí)中站立不動，在下一次練習(xí)中移動，一次從15英尺（4.6米）開始，另一次從20英尺（6.1米）開始;每個練習(xí)由10次投籃組成。對于弧線、后旋和釋放速度，在觀察和測量優(yōu)秀選手后，為每一位選手校準(zhǔn)了一個最佳范圍。對于射弧，最佳射程估計在42到48度之間（45度被認(rèn)為是完美的）。對于后旋，理想的情況是在130到150轉(zhuǎn)/分之間。對于投籃釋放，小于0.7秒被認(rèn)為是非常好的，球幾乎能提供即時反饋，一次一個球或每次運球都是基于技能的水平訓(xùn)練，隨著自身提高難度會更大。

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)收集于2021年3月6日開始。數(shù)據(jù)收集工具可以使用DartfishTeampro軟件用于視頻分析、下載了軟件應(yīng)用程序的iPad、速度為每秒20幀的單反相機(jī)和本文設(shè)計的智能籃球。為了測量投籃弧度，記錄了5名籃球運動員在140次試射中，從不同位置投籃28次。運球260次被錄像做了記錄。我們用分析軟件和Dartfish視頻分析之間的鏡頭角度可靠性系數(shù)α=0.998。在視頻分析和籃球比賽中沒有發(fā)現(xiàn)運球計數(shù)的差異。雖然鏡頭角度可靠性系數(shù)的α對于投籃弧度非常高，但詳細(xì)的分析顯示，在140個角度中有78個相同，59個在+/-1度范圍內(nèi)，3個在+/-3.5度范圍內(nèi)，單個投籃的弧度存在差異。參與者普遍喜歡收到關(guān)于他們表現(xiàn)的反饋。

4.1 運球分析

運球有兩種方式：站立和跑步。在比賽中，每個球員都被要求站著或跑著運球10秒鐘。每一次運球都被記錄在視頻中，并記錄了以下信息：球員的名字、試球次數(shù)、運球次數(shù)和運球類型。在Dartfish中，視頻以慢動作播放，研究人員通過點擊Dartfish計數(shù)器手動計算每次試驗的運球次數(shù)。

4.2 拍攝角度分析

基本上有兩種拍攝角度：釋放角度和進(jìn)入角度。投籃角度受投籃運動員身高、距籃圈距離等多種因素的影響。投入角變化較小，尤其是在遠(yuǎn)距離投籃時，進(jìn)入角是用來計算投籃角度的。傳感器用來測量一個充氣物體（球）與一個表面（籃球圈）接觸的角度，如圖4所示。

4.3 測量進(jìn)入角

用數(shù)碼單反相機(jī)記錄了五名籃球運動員在140次試射中從場地上的不同位置進(jìn)行的28次投籃。這些視頻隨后被導(dǎo)入了Dartfish軟件。在Dartfish軟件中，可以放大和縮小，逐幀查看視頻，并應(yīng)用角度測量工具來計算事件的角度。當(dāng)球接近邊緣時，可以暫停視頻并測量球和邊緣中間之間的角度。

5 結(jié)果

5.1 運球測驗的信度和效度

結(jié)果比較了從運球計數(shù)與手動計數(shù)開始，使用軟件視頻回放和計數(shù)器，相關(guān)系數(shù)為1.0，計數(shù)相同。唯一的問題是確定10秒的計數(shù)何時結(jié)束，此軟件提供了準(zhǔn)確的計數(shù)。

5.2 投籃角度測驗的信度和效度

對于拍攝角度，軟件被用來比較由智能籃球生成的角度和用Dartfish角度計算器得到的角度α=0.998。這被認(rèn)為是投射弧的一個非常高的相關(guān)性。然而，一個詳細(xì)的分析揭示了個別鏡頭在弧角上的一些差異。在測量的140個角度中，有78個角度完全匹配。140個角中有59個角在+/-1度范圍內(nèi)，其余三個角相差+/-3.5度。

6 討論

運球是所有運動員都要練習(xí)的一項基本技能，無論是初學(xué)者還是精英。一個可以通過精確測量運球次數(shù)和速度來提高球員表現(xiàn)的工具可能是一筆巨大的財富。智能籃球還根據(jù)45度的最佳弧角給出了角度測量的反饋。許多研究試圖確定最佳弧度。其中一些研究發(fā)現(xiàn)，最佳運球角度會隨著運球位置的變化而變化[6]。其他的研究試圖通過測量籃球的軌跡來確定球的最佳旋轉(zhuǎn)和角度[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]和杜文獻(xiàn)[9]對10000多名不同年齡和技能水平的籃球運動員的測量，最佳弧度是45度。智能籃球在投籃弧度測量中具有較高的精度。接收這些信息可能對教練和球員有好處，特別是如果實時提供。因此，智能籃球提供了可靠和準(zhǔn)確的信息以及即時反饋，包括球員在運球和投籃角度。使用該工具是否真的能提高參與度和績效還有待觀察。

7 結(jié)論

智能籃球有許多分析工具，可以在實踐中用來激勵球員，特別是初學(xué)者。需要做更多的研究來檢驗其他工具的信度和效度。此外，重要的是要確保所提供的反饋是相關(guān)的和有用的，包括記錄和呈現(xiàn)績效的能力。需要對這些工具的有效性進(jìn)行更多的研究，以吸引運動員并提高成績。

參考文獻(xiàn)：

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