篮球运动中AR技术运用探索及辅助训练系统的设计_孟超杰.pdf

当代体育科技(Contemporary Sports Technology)2023年(第13卷)第1期运动训练学篮球运动中AR技术运用探索及辅助训练系统的设计孟超杰1 黄卓2 彭勃宇3(1.江西交通职业技术学院 江西南昌 330013;2.南昌大学 江西南昌 330031;3.中国人民解放军95429部队 云南昆明 650100)摘 要：该文针对篮球运动缺乏专业训练辅助手段的实际，对AR及相关技术在篮球训练和实战对抗中的运用进行了理论和实践探索。首先从篮球运动员、教练员、裁判员的视角，综合分析AR应用在训练氛围营造、训练模式拓展、信息表达反馈、认知负荷降低等方面可发挥的作用和独特优势；其次，结合篮球中AR应用特点，分析位姿注册、运动跟踪、人机交互、分布式计算4种关键应用技术的可行性、适用性和优缺点；最后，设计了基于AR的辅助篮球训练系统，确立了系统整体框架和技术路线，研究了关键功能模块的实现方案，完成了系统样机的开发，为AR技术在篮球等运动专业应用中的理论发展和实践运用提供了参考模式和经验借鉴，从而有力支撑篮球教学训练活动。关键词：增强现实 篮球运动 辅助训练 位姿注册 运动跟踪中图分类号：G841 文献标识码：A文章编号：2095-2813(2023)01-0076-07Application of AR Technology in Basketball and Design of Auxiliary Training SystemMENG Chaojie1 HUANG Zhuo2 PENG Boyu3(1.Jiangxi V&T College of Communications,Nanchang,Jiangxi Province,330013 China；2.Nanchang University,Nanchang,Jiangxi Province,330031 China；3.95429 Unit of the Chinese Peoples Liberation Army,Kunming,Yunnan Province,650100 China)Abstract:In view of the lack of professional training auxiliary means in basketball,this paper makes a theoretical and practical exploration on the application of AR and related technologies in basketball training and actual combat.First of all,from the perspective of basketball players,coaches and referees,this paper comprehensively analyzes the role and unique advantages of AR application in training atmosphere building,training mode expansion,information expression feedback,cognitive load reduction,etc;Secondly,combined with the characteristics of AR application in basketball,the feasibility,applicability,advantages and disadvantages of four key application technologies,namely position registration,motion tracking,human-computer interaction and distributed computing,are analyzed;Finally,we designed the auxiliary basketball training system based on AR,established the overall framework and technical route of the system,studied the implementation scheme of key functional modules,completed the development of the system prototype,and provided a reference model and experience for the theoretical development and practical application of AR technology in basketball and other sports majors,which strongly supported basketball teaching and training activities.Key Words:Augmented reality;Basketball;Auxiliary training;Posture registration;Motion trackingDOI：10.16655/ki.2095-2813.2206-1579-9469作者简介：孟超杰（1992），女，硕士，助教，研究方向为篮球教学。黄卓（1960)，男，硕士，教授，研究方向为体育人文社会学。彭勃宇（1992），男，硕士，工程师，研究方向为增强现实、机器视觉。76当代体育科技(Contemporary Sports Technology)运动训练学2023年(第13卷)第1期增强现实（Augmented Reality，AR）技术，是一种将计算机合成的虚拟信息按照人类认知规律叠加在真实场景上的信息呈现方法，具有信息呈现友好、沉浸感强、交互高效等特点。近几年，AR技术在装备维修1、交通管控2、教育3、传媒4、军事训练5等众多领域得到了广泛运用。目前，体育运动领域的AR应用主要集中在体育传媒6、休闲娱乐和体育教育7-8方面，AR技术在各项专业运动领域的应用还处在探索和起步阶段。近年来，随着移动计算、无线通信、人工智能等支撑技术的发展，AR技术在专业运动领域的应用变得更加可行和实用。在篮球运动上，将AR技术与运动跟踪、分布式计算等技术结合，使其辅助球员、教练员、裁判员完成动作教学、数据统计、战术决策、团体协同等内容，可有效提高训练质量和实战效率。为此，该文结合篮球教学、训练、实战对抗中的关键环节，分析了AR技术在篮球运动中的应用潜力和优势所在，研究应用实现的关键技术和难点，设计了AR辅助篮球训练系统的整体架构和功能模块，以期为实现AR技术在篮球运动及其他专业运动项目中的实践应用提供模式参考和经验借鉴。1 AR技术在篮球项目中的应用需求分析 1.1 球员层面1.1.1 训练环境营造随着城市公共用地短缺与公民日益增长的体育运动需求之间的矛盾升级，专业的篮球运动场地正在逐步成为“稀缺资源”，给篮球、足球等对场地要求较高的“大球”类运动的集体合训带来了不小的困难，很多队伍常常在“找场地”问题上遇到困难。特别是在新冠肺炎疫情背景下，由于各地采取隔离防控措施，对于缺乏专用固定场地和运动员相对分散的非专业队伍来说，篮球训练受到了较大影响。为此，可使用AR系统进行辅助训练，将队友、场地、篮筐等训练资源通过AR影像的方式“虚拟”呈现，为运动员营造具备较强“沉浸感”的多人训练环境；通过多传感器采集球员动作数据，并通过无线网络和AR影像重建参训球员动作，以提供真实的协作训练效果，通过这样的方式可有效解决训练资源紧缺、人员聚集不便等现实问题。1.1.2 训练质量提升篮球训练对抗性强、体力消耗大，在日常训练中受到运动损伤风险、训练节奏把控、球员心理等因素限制，往往难以模拟真实比赛的激烈对抗环境，在球员训练方面受到了一定程度的限制。采用AR系统营造训练环境，相对于传统训练模式有几点优势。一是突破心理限制。球员在虚实结合的环境中能够采取比日常训练和实际比赛中更加“自由”的动作和决策，能够激发自身的自主性和创造性。同时，系统还能通过对动作的采集和分析，帮助球员对动作、决策的风险和价值进行判断，有助于帮助球员设计适合自己的动作风格和战术。二是模拟对手。结合采集到的先验模式，AR系统可为球员呈现虚拟“对手”，提供多种类型的对抗环境，帮助球员创新对抗方式方法。三是降低风险。AR系统以“虚拟影像”替代“肢体对抗”，可降低高强度对抗动作的风险，可在为球员营造逼真氛围的同时，最大程度减少激烈对抗中的运动损伤，尤其对赛前适应性训练有较大帮助。1.2 教练员层面1.2.1 高效信息传递采集支撑教学美国奥委会专家皮特温特博士曾强调，“练习 和反馈 这两件事情，对于技能发展和个人表现远比其他事情更为重要。9”“反馈”过程的关键，就在于教练教学意图的准确表达和对球员错误的及时发现、纠正。传统教学中使用理论讲学、媒体演示、亲身示范等方法实现教学意图表达和传递，存在动作呈现不生动完整、意图表达不准确高效等局限。将AR技术应用到篮球教学中，使其与传统教学过程有机结合，可以有效改善上述问题，提升篮球教学效率。如可使用叠加在真实运动场上的虚拟影像，直观展示篮球动作要领；可对比赛实况或录像添加标注和说明，准确强调比赛重点、分析战术打法。结合运动跟踪技术，教练员能够全面准确采集到每名球员运动数据，更加科学地监控球员运动状态，纠正和调整问题动作或行为，帮助使“反馈”过程更加准确高效。1.2.2 降低认知负荷辅助决策判断篮球是快节奏的攻防对抗运动，场上的形势瞬息万变。教练员需要关注每一名球员所扮演的角色、体能的储备、心理的变化等要素，并以此为依据及时调整战术策略、球员配置，并进行心理干预。教练员处于高认知负荷状态，容易因注意力分配不当、认知疲劳导致决策判断失误，从而影响比赛。AR系统可通过及时的信息采集记录、科学的诱导要素呈现、高效的人机工程设计，有效降低教练员在激烈比赛中的认知负荷，帮助其梳理纷繁复杂的信息，集中精力进行关键环节的分析判断和重要决策，从而提升篮球比赛的对抗效率和观赏性。日常训练中，AR系统还能够辅助教练员及时、高效记录和标注每名球员的训练进度、身体状态、技术特点等信息，为教练员科学调整训练计划、合理配置球员阵容提供有力支撑，有效提升训练水平。1.3 裁判员层面篮球规则内容庞杂、条目众多，国际篮联最新的篮球规则共有十章300余条，涉及内容点多面广，不同的赛事还会有差异，这对篮球裁判员的掌握提出较高要求。在激烈的快节奏对抗中裁判员需要建立起球员动作和篮球规则间的快速映射，迅速作出准确判罚。裁判员处于此种高认知负荷状态下，容易出现判决失误，使用AR技术根据固化的规则生成判决引导信息为裁判员提供指示，可帮助裁判员及时准确作出判罚，有效提升判罚的可信度和实时性，进一步确保比赛公平公正。77当代体育科技(Contemporary Sports Technology)2023年(第13卷)第1期运动训练学2 AR技术在篮球项目中运用关键技术及其适用性分析2.1 位姿注册技术AR技术实现的首要关键是各类图形和文字信息在正确的位置呈现，使虚拟影像与真实环境自然无缝融合。AR系统通过测量观察视角位姿，并变换显示坐标系的方式实现信息的正确显示，该过程称为位姿注册。现有的注册方案可分为三类，分别是基于计算机视觉的注册、基于硬件跟踪设备的注册、混合式注册。2.1.1 基于计算机视觉的注册由固连在观察者头部或固定在环境中的摄像头采集视频图像，利用计算机处理图像序列恢复观察者视角姿态。其硬件开销小、适应性强、注册精度高，被各类AR系统广泛采用。谷歌的ARCore、开源的ARtoolkit以及国内的EasyAR等平台和工具包都是基于计算机视觉实现位姿注册