羽毛球数据采集与决策分析系统设计

刘颖华

羽毛球数据采集与决策分析系统设计

刘颖华

介绍了羽毛球数据采集与决策分析系统，其系统实现了智能交互式的多媒体技战术数据采集与分析，使得比赛数据与技战术数据能够相互关联，能够依据技战术指标数据对相应视频进行查询操作，从而实现了比赛训练过程中的数据分析与视频演示的统一化。决策分析部分实现了大量隐性数据的挖掘，能够将技战术特征分析数据从隐含的原始信息中提取出来，便于教练员找出对比赛进程有决定性作用的技战术分析数据与比赛得失分之间的关系，从而能够及时调整战略战术，进行科学决策。

技战术；数据采集；智能分析；决策支持

0 引言

羽毛球项目是一种全身运动项目，运动员通过在规定的场地上脚步的移动、身体的跳跃、各种转体动作的灵活运用、挥拍动作的组合运用、将各种击球技术、步法与战术进行配合，在场上进行多回合的往返对击，是一项具有很强对抗性的运动项目。羽毛球项目技战术体系复杂，变化迅速，随机性大，力量、速度、节奏和成功率等是主要的技术指标，同时，也是战术的重要组成因素。比赛中球的飞行速度极快，线路和落点变化多，技战术变幻无穷，因此，熟练掌握各种技战术手段并能够敏锐的观察和预判场上的比赛形势，选取正确的技战术手段是赢得比赛的关键所在。

当前，对羽毛球比赛进行技战术分析的主流方法主要依靠传统的比赛观察和统计分析，这种方法费时费力，而且，对比赛中的重要细节和技战术特征信息很难进行全面的统计和分析，运用计算机辅助数据采集和分析手段将极大地减少人工数据采集的工作量，并且能够运用数据挖掘技术对数据进行自动分析，从而实现初步的训练分析决策自动化[1]。

本文研究的羽毛球数据采集与决策分析系统是在羽毛球技战术特点的基础上，运用数据库技术、视频处理技术、数据挖掘技术进行系统分析和设计。根据羽毛球技战术分析的需要，采集最底层、最详细的信息如采集比赛中每一拍的击球技术、位置、路线和战术等信息[2]。信息的采集最小单位为每一次击球的所有技战术信息。在此基础上，对采集到的信息运用改进的AGNES层次聚类算法进行数据挖掘，构建出一个决策支持系统[3]。通过决策支持系统的使用可以找出有价值的技战术特征线索如比赛过程中运动员的动态技术路线，帮助教练员和运动员认识、理解主要对手的技战术特征，为制定科学的比赛战略和战术提供可靠的数据支持。

1 系统总体架构

1.1 系统总体设计

由于单打和双打比赛采集数据的指标有所不同，本系统分别对单打比赛和双打比赛设计了相应的数据采集界面。基于羽毛球比赛过程中技战术的要求，在进行具体的采集过程时，详细地记录每一拍的相应技战术指标、得失分情况以及相关的视频资料[4]。在此基础上设定要分析的条件即可得到智能化的分析结果，智能分析模块包含以下一些功能：对符合特定技战术特征的击球编号的分析处理；相应特征视频的预览、导出与合并；一场球内各阶段所用技术得失分总数的分析处理；多场比赛联合分析处理功能[4]。决策支持系统是在羽毛球技战术智能分析的基础上，对某些前后具有关联关系的单个技术，依据一定的规则来实现关联，并能够对系统动态关联生成的技术路线自动地采取转换、抽取以及挖掘分析等操作。该系统能够对以下3种情况进行决策分析：队员在相应比赛中的得失分情况的决策、队员在相应比赛中的机会球情况的决策、队员在相应比赛中的被动球情况的决策。系统总体架构如图1所示：

图1 系统总体架构图

1.2 系统开发和运行环境

开发环境采用Windows XP SP2、Visual C++6.0,视频处理采用Windows Media Format 9.5 SDK组件进行开发，数据库采用Microsoft SQL 2000进行存储，图表控件使用MSCHART 2.0。系统运行环境为Windows操作系统，客户端软件能够支持Windows 2000、Windows XP等操作系统的各版本。

2 系统功能

羽毛球数据采集与决策分析系统主要模块包括：比赛信息的管理模块、运动员的基本信息管理模块、采集比赛数据模块、对视频数据的处理模块、技战术数据的智能化分析模块以及决策支持等模块组成，如图2所示：

2.1 运动员信息管理模块与对比赛信息的管理模块

运动员信息管理模块的主要作用是管理羽毛球运动员的基本信息。对比赛信息的管理操作主要有：对各种羽毛球比赛如：奥运会、世锦赛、尤伯杯等大赛数据的新增、编辑、删除等维护操作。

2.2 数据采集模块

在数据采集模块中通过调用羽毛球比赛视频文件，可以同步地对其中的比赛技战术信息进行采集，将技战术指标数据存储到数据库中，并将此数据和相应的视频剪辑文件进行关联处理。

在系统控制界面上单击“技战术信息录入”按钮，在打开窗口中选择要进行采集的比赛信息，然后用户选定比赛以后，点击“数据采集”按钮，出现技战术数据采集对话框，此时系统将会在事先设好的视频数据目录中自动开始查找这场比赛相应视频的操作，如果找到了，系统会自动进行该场比赛视频文件的播放，如果比赛不在设定的目录下，此时用户需要点击“打开”按钮，手动打开指定的相应比赛文件，并单击“将本次比赛视频移动到系统目录”按钮来进行视频文件位置的移动，系统将出现提示如下“请根据设好的编码规则把比赛视频文件复制到指定的文件位置”，该位置可通过点击“设定系统视频位置”按钮来完成设置。具体流程如图3所示：

图3 数据采集流程图

在比赛视频开始播放以后，系统将自动初始化比赛的基本信息，用户可以开始采集比赛的技战术数据并记录到数据库中。因为单、双打项目采用的技战术分析指标有所差异故而数据采集界面也会有所不同，具体的界面如图4和图5所示：

图4 单打数据采集界面

图5 双打数据采集界面

2.3 视频数据的处理

羽毛球的视频数据处理模块的功能主要有：进行视频数据的播放操作、对视频数据进行视频片断的剪辑操作、以及对相关的视频剪辑数据进行合成操作。在视频播放时，系统可以调用windows media player 组件进行利用该组件的控制键可以对播放进程进行控制，视频剪辑的过程与技战术数据采集过程二者是同时进行的，用户通过观察比赛视频中运动员的技战术使用情况将相应的技战术指标记录下来并将它存储到数据库中，用于技战术分析和研究。视频剪辑数据的合成操作是一个文件合成的操作，能够完成相关文件的合成。[4]

2.4 智能分析模块

在数据采集模块获得的技战术信息基础上，用户通过设定运动员击球的落点、位置、技术、效果以及通过对比赛的战术态势进行设定，就可以实现智能化的对数据进行分项或是综合分析。系统可以对分析处理的数据以简明的表格形式进行显示，并且系统实现了分析数据与相关视频文件的关联，对符合相关检索条件的视频文件可以分别做文件的导出与合并操作。

用户选择要分析的条件，系统可以查询出相应的结果反馈给用户，通过有选择的进行分析条件的设定，如设定包括比赛、局数、态势、击球选手、得失分情况、拍数、区域、技术动作、线路、方法、等条件可以实现不同的分析精度。设定的条件越多，相应得到的处理结果就越详细，与此同时对相关的视频文件进行同样的查询处理、合并或是剪切最后进行文件的导出得到相应的视频剪辑文本。

2.5 决策支持系统模块

羽毛球技战术决策支持系统模块是在智能分析的基础上，对羽毛球技战术决策支持方法进行探索，运用凝聚的层次聚类算法，构建了基于数据挖掘的系统，用于支持教练员指导运动员进行训练和比赛。

羽毛球技战术决策支持分为3个模块，在比赛过程中的得失分球的决策、在比赛过程中的机会球的决策、在比赛过程中的被动球的决策。以单打为例，点击“单打技战术决策支持”，进入单打技战术决策支持系统界面如图6所示：

图6 羽毛球技战术决策支持系统界面

在此界面的“选择比赛”栏中点击“添加”按钮，进入比赛选择界面，选择将要进行数据挖掘的比赛，可以同时选择多场比赛数据。在“请选择挖掘目标”的下拉列表中选择这些比赛中出现的队员，然后对其在这些比赛中的表现情况进行决策分析。在“设置生成/查看条件”栏设定决策分析的条件，此时可以设定由得失分、被动球、机会球与不同拍数组合的决策分析条件，系统将对该运动员在所选定的比赛中表现的情况进行决策。一次最多可以同时进行20个组合的决策分析。点击“生成关联数据”按钮，开始数据挖掘过程。由于数据决策分析涉及的数据量一般都很大，故而需要耐心等待，共设计了以下不同技术之间的关联数据决策：出现得失分、机会球、被动球等结果后与前6拍之间的关联；发接发前4拍与得失分、被动球、机会球之间的关联；出现得失分、机会球、被动球等结果后与前3拍之间的关联；出现x技术后与前n拍、后n拍之间的关联；出现得失分、得胜球等结果后与前n拍之间的关联；前4拍技术与出现得失分频率较高的技术之间的关联。

点击“查看关联数据”按钮可以进入详细信息的查看界面，如图7所示：

图7 数据挖掘结果显示界面

其中第一列“击打路线”是决策分析结果的数据表示，本例中即为球的运动线路场地区域表示，第二列是对第一列数据关于技术上的文字描述，第三列是对第二列数据的数字描述，第四到第六列为该运动员利用该线路的总的得失分情况以及该条线路被此运动员使用的总的次数。第七到第八列为该线路的得失分比例。第九列是该条线路具体出现在哪些比赛的哪几局中，最后一列是此运动员的比赛编号。选中结果列表中的一条或是多条记录，点击“失分预览”或“得分预览”按钮，可以查看此记录相应的得失分视频剪辑，此时可以做相应视频的剪辑操作，以及选中相关数据进行导出excel报表文件的操作。

3 系统关键技术

3.1 视频文件的处理技术

本系统将比赛视频文件进行分别的剪辑处理，然后根据技战术指标数据打上标记再进行存储，从而实现技战术数据与相应视频文件的关联处理。具体实现技术是利用微软公司的SDK插件Windows Media Format来完成视频文件数据的处理，该SDK是面向对象的程序设计组件，开发时只需要设定生成器、读取器、编辑器等对象的数据，Windows Media Format SDK组件会自动实现相应的视频数据处理，而不需要开发者了解过多的流媒体处理技术[5]。

具体实现方式如下：

比赛视频的播放：定义一个Player对象，将该对象与Media Player控件进行关联，利用该Player对象包含的子对象Controls的相应功能接口就可以实现对嵌入系统中的Media Player播放器的视频播放和控制功能。

比赛视频的编辑：通过对每条技战术分析数据相应的视频数据时间起点和终点进行记录的方式，可以将技战术分析数据与比赛视频数据进行关联。

视频数据的合并：对于多段视频数据的合并，实现过程中采用多次将两个视频数据进行合并的方式来进行，合成视频数据的流程大致是：创建一个Writer对象和两个Reader对象，将这两个对象分别和要合并的源文件与目标文件进行关联，然后对这两个对象就可以做读写的操作。

3.2 数据分析技术

技战术智能分析的任务主要是要从数据库中抽取出相关的羽毛球技战术数据，主要涉及到以下几个方面技术：

数据的抽取：完成从羽毛球技战术信息数据库和羽毛球视频数据库中提取羽毛球技战术数据的功能。

数据格式的转换：完成对抽取出来数据的格式转换操作，从而使得数据能够在类型、格式、单位、编码规则等形式上进行统一。

数据的集成：主要是依据数据词典的定义，将数据进行集成处理，使得数据挖掘与决策推理机能够用统一的方式进行技战术分析数据的处理。

数据的预处理：完成数据库中异常数据的分析和处理。自动对数据进行异常检查，并能够给出用户提示信息进行数据的校正。

数据分析：运用关联分析与数据统计等方法，选择相应的数据挖掘工具进行数据的决策支持推理。从而方便用户更好的了解数据的分布规律，帮助教练员了解技战术指标数据与比赛进程的相互联系。

3.3 利用AGNES层次聚类算法进行数据挖掘

AGNES层次聚类算法原理如下：

采用自底向上的策略，对数据集合进行层次分解，直到满足设定的条件为止。假如簇C1中的某个对象减去C2中的某个对象的距离值是所有不同簇对象距离值中的最小值，则C1可以和C2进行合并操作。将所有的簇一一进行合并操作直到这些对象都在一个簇中，形成一个最大的簇[3]。

算法步骤如下：

input：含有n个对象的数据库，设定终止条件为：簇的总数k

output：k个簇

设定每个对象为初始簇[2]

Repeat

查找距离最近的两个簇

进行两个簇的合并同时生成新的簇的集合

Until达到预先设定的簇的总数

该算法在羽毛球技战术分析中的应用如下：

首先设定技术数据结构为一个集合对象，然后将动态技术路线数据结构也设定为一个集合对象。

具体算法实现为：

1）将技术分析数据在每一比赛的回合中进行动态组合生成技术路线数据结构。

其中动态技术路线生成原则为：

每个回合中，某种技术出现后就对之前的n拍技术和当前技术的得失分情况进行关联

每个回合中，当赢球出现后，就生成前n拍技术的关联

2）根据生成的动态技术路线数据中的拍数对动态技术路线数据做箱排序，再根据该技术路线的编号做插入排序。

3）进行技术路线的合并数据挖掘

Input：经过步骤2得到的技术路线集合，并设定该总数k为生成的技术路线的数目。

Output：该技术路线在进行数据挖掘后计算出来的总的使用次数和相应的得失分率。

4 总结

该系统可以根据教练员和运动员的需求，进行技战术的综合分析，既可以对选定的某个运动员的某场比赛独立的进行分析也可以联合该运动员的多场比赛数据进行分析，能够对运动员的击球特点如：技术、战术、落点、线路、得失分情况等进行分别分析也可以综合多个特点进行关联分析，不仅能够提供分析数据而且能够随机调取相应的视频剪辑，为教练员进行比赛技战术视频数据的观察提供了极大的方便。

技战术决策是依据数据采集系统的数据来进行分析决策的，它实现了大量隐性数据的挖掘，能够将技战术特征分析数据从隐含的原始信息中提取出来，便于教练员找出对比赛进程有决定性作用的技战术分析数据与比赛得失分之间的关系，从而能够及时调整战略战术，科学化的指导运动员采用合理的技战术手段来赢取比赛的胜利。

此外，在数据的输出上设计了多种图表来进行形象的显示，使得数据能够一目了然的呈现在教练员的面前。综上所述，羽毛球技战术数据采集与决策分析系统将数据挖掘与决策支持技术应用于羽毛球比赛分析，本系统已经在国家羽毛球队、乒羽中心、全国羽毛球培训基地等单位得到了应用，特别是国家羽毛球队长期使用本系统对场上运动员的击球技术、位置、落点、效果，战术势态等进行分项分析和综合分析，及时准确地为国家羽毛球队做好技战术数据的采集、统计和分析工作，为国家队备战08北京奥运、12伦敦奥运及汤姆斯杯和尤伯杯比赛提供了科技支撑服务，为备战比赛制定战略战术、取得良好的比赛成绩，提供了强有力的支持[6-7]。

[1]虞丽娟,张辉,凌培亮.隔网对抗项目技战术分析的系统研究[J].体育科学.2008,(10):43-50.

[2]王菁.乒乓球技战术分析决策支持系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2010(2):64-67.

[3]曾佳军.改进的AGNES算法在羽毛球技战术分析中的应用[J].电脑知识与技术.2009,(33):239-241.

[4]费正伟，赵传杰，刘颖华.击剑技战术多媒体交互式数据采集系统的研究与应用[J].中国体育科技.2013,(2):104-111.

[5]袁敏.足球技战术信息采集分析系统的研究与应用[J].计算机与现代化,2010(9):182-185.

[6]戴金彪,虞丽娟,蒋健,等.中国羽毛球队奥运攻关研究报告——我国参赛队员与国外主要对手技战术特征分析[J].体育科研.2008,6:29-32.

[7]虞丽娟，凌培亮，章建成等.竞技体育对抗性项目技战术分析与诊断系统研究[R].上海市科委重点科技攻关计划课题,2007.

Design on Date Collection & Decision-making Analysis System for Badminton

Liu Yinghua
(Laboratory of Sport Skill and Tactic Diagnosis and Analysis, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438,China)

This paper introduces the date collection & decision-making analysis system for badminton. This system realizes intelligent and interactive data collection and analysis for multimedia technical and tactical game data .It can make the game data relate to the technical and tactical data. The system can do query operation on related video data according to the technical and tactical index data. Thus it achieves a unified data analysis and video demo on race training process. The decision analysis module realizes data mining of large number of hidden data. It can extract the analysis data with technical and tactical characteristics from the original information so as to facilitate coaches to find the relationship from the technical and tactical analytic data and the gain or loss point data of the game which has decisive influence on the match process. The system helps coaches timely adjust strategy and tactics to make scientific decision.

Technical and Tactical; Data Collection; Intelligent Analysis; Decision-Making Support

TP273

A

2015.02.02）

1007-757X(2015)04-0023-04

“十一五” 国家科技支撑计划基金资助项目“科技奥运专项”（2006BAK12B03）

刘颖华（1973-），女，上海体育学院运动技战术诊断与分析国家重点实验室，讲师，硕士，研究方向：运动项目数据库应用，上海，200091