СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ И АНАЛИЗА СОРЕВНОВАТЕЛЬНЫХ ИГРОВЫХ ДЕЙСТВИЙ СПОРТСМЕНОВ
METHOD OF DETECTING AND ANALYSING COMPETITION GAME ACTIVITIES OF ATHLETES

Способ относится к области физической культуры и спорта и предназначен для регистрации и анализа соревновательных игровых действий спортсменов.
Среди современных средств регистрации действий спортсменов известны оптические устройства, которые принимают сигнал с электромагнитных датчиков, прикрепленных на спортсменах. Изображение обрабатывают «пассивными» методами анализа не в реальном времени соревнования с использованием видеоповторов. Данные средства представлены в патентах США (№5,513,854 - http://www.google.com/patents/US 5513854; №6124862 - http://www.google.com/patents/US 6124862; №6483511 - http://www.google.com/patents/US 6483511).
Известна система отслеживания, идентификации и захвата движений спортсменов и других объектов в режиме реального времени спортивных соревнований с использованием «неинтрузивных» периферических методов (получения изображения на основе гамма излучения). Регистрацию действий осуществляют при помощи видеокамер, расположенных по периметру игровой площадки, и оперативно обрабатывают полученную информацию в компьютерной среде (патент США №20080192116 A1 - http://www.google.de/patents/US 20080192116, являющийся прототипом настоящего изобретения).
Основным недостатком среди известных средств и систем регистрации является отсутствие интегральных параметров оценки игровых действий, которые позволяют оперативно определять эффективность игрока и спортивной команды.
Среди известных способов анализа, расчета и экспресс оценки количественных и качественных параметров соревновательных игровых действий, определения структуры соревновательной деятельности можно выделить методики попарного сравнения реальных значений игровых показателей с их модельными характеристиками (Амалин М.Е. Методика оценки соревновательной деятельности в спортивных играх // Теория и практика физической культуры. - 1980. - №9. - С. 19-22; Цимбалюк В.А. Оценка эффективности соревновательной деятельности в процессе управления технико-тактической подготовкой команды высокой квалификации (на примере команды высшей лиги): автореф. дисс.… канд. пед. наук. - Омск, 1985. - 24 с.; Суворов В.В. Техническая подготовка юных футболистов на основе учета структуры соревновательной деятельности: автореф. дисс.… канд. пед. наук. - Краснодар, 1996. - 24 с.). Данные методики выявляют процент брака технико-тактических действий за игру, и при сравнении их с модельными показателями игры команд возникает сложность с качественной оценкой индивидуальных и командных действий в динамике.
Известна шкала Сэндса (Яхонтов Е.Р. Шкала Сэндса // Спортивные игры. - 1971. - №5. - С. 32), основанная на анализе статистических показателей игровых действий. При расчете каждый фиксированный игровой показатель оценивают единицей. Результативность штрафных и бросков с игры сравнивают со среднекомандным показателем. Однако в данном случае не предусмотрено выявление взаимосвязей между частными показателями действий игроков, что исключает качественный анализ соревновательной игровой деятельности.
Известны способы анализа и оценки игровых действий по Фрэнку Мак Гуайру (Линдеберг Ф. Баскетбол. - М.: ФиС, 1971. - С. 82-85), а также по Оливеру Дину (Oliver, Dean. Basketball on paper: rules and tools for performance analysis. - Brassey′s, Inc. - 376 p). Данные способы имеют много общего с индексом Фурукавы (Портных Ю.М. Индекс Фурукавы // Спортивные игры. - 1982. - №6. - С. 24-25) и методом определения индекса надежности (Ляпин Н. Индекс надежности // Спортивные игры. - 1983. - №4. - С. 20-21). Данные подходы определения эффективности действий спортсменов и команд суммируют значение частных игровых показателей и подтверждают итоговые результаты игр.
В представленных способах анализа и оценки соревновательных игровых действий на объективность интерпретации результатов отрицательно влияет отсутствие интегральных параметров, учитывающих специфику и динамику преобразования игровых ситуаций, что не позволяет в полной мере установить причинно-следственные связи между деятельностью спортсменов и результатом. В итоге неизвестно, какой из параметров важнее в определенный момент игры и какова величина их вклада в эффективность соревновательной игровой деятельности.
Техническая задача: повышение эффективности соревновательных игровых действий каждого игрока и спортивной команды на основе их регистрации и анализа.
v
f
i
p
ip
vi
vp
fi
fp
Сущность изобретения заключается в том, что способ регистрации и анализа соревновательных игровых действий спортсменов включающий применение видеокамер в реальном времени, регистрирующих объекты (игроков, мяч, шайбу), и последующий оперативный анализ полученного изображения в информационной среде в центральном модуле обработки изображения, в который входят статистический, аналитический и графический модули, данные от которых поступают на сервер оперативных приложений, где происходит индексация, хранение и поиск видеофайлов с играми или отдельными игровыми эпизодами, отличается тем, что регистрируют и анализируют соревновательные игровые действия на основе интегрального параметра - командная площадь игры (далее по тексту - CS), включающего обобщенные динамические характеристики: скорость изменения командной площади игры (далее по тексту - CS); фигура командной площади игры (далее по тексту - CS), и частные динамические характеристики: командная площадь игры нападения (далее по тексту - CS); командная площадь игры защиты (далее по тексту - CS); площадь перекрытия (далее по тексту - CS); скорость изменения командной площади игры нападения (далее по тексту - CS); скорость изменения командной площади игры защиты (далее по тексту - CS); фигура командной площади игры нападения (далее по тексту - CS); фигура командной площади игры защиты (далее по тексту - CS), далее динамические характеристики преобразовывают в графические игровые схемы, игровые ситуации, а также во взаимодействия и соотношения объектов (игроков, мяча, шайбы) в графическом модуле с последующей индексацией, хранением и поиском статистической, аналитической и графической информации на сервере оперативных приложений.
Краткое описание чертежей и схем.
На фиг. 1 дана схема расположения видеокамер над баскетбольной площадкой, где 1 - камера №1; 2 - камера №2; 3 - камера №3; 4 - камера №4.
На фиг. 2 приведена схема информационной среды, которая состоит из следующих модулей: 5 - центральный модуль обработки изображения; 6 -статистический; 7 - аналитический; 8 - графический; 9 - сервер оперативных приложений. На схеме изложена последовательность обработки данных, полученных в результате регистрации видеокамерами соревновательных игровых действий спортсменов.
i
i
i
На фиг. 3 изображена CS в проекции на поверхность площадки, где i1; i2; i3; i4; i5 - игроки нападения; 2 - видеокамера №2; 10 - CS; 11 - линия нападения, проводящаяся через игрока внутри CS со стороны кольца; 12 - баскетбольное кольцо.
i
p
ip
i
p
ip
На фиг. 4 продемонстрировано взаимодействие CS и CS с образованием CS, где i1; i2; i3; i4; i5 - игроки нападения; p1, p2, p3, p4, p5 - игроки защиты; 2 - видеокамера №2; 10 - CS; 13 - CS; 14 - CS.
fi
На фиг. 5 изображены типовые CS: 15 - треугольник; 16 - прямоугольник; 17 - трапеция; 18 - пятиугольник.
На фиг. 6 изображен график, по которому можно проследить изменение скорости CS команд 1 и 2 (К1, К2) с отображением технико-тактических параметров в виде условных информационных маркеров.
На фиг. 7 приведена последовательность определения эффективности соревновательных игровых действий спортсменов в аналитическом модуле информационной среды.
Настоящий способ может использоваться для следующих командных игр: баскетбол, гандбол, мини-футбол, футбол, хоккей, хоккей с мячом и др. Представленное далее по тексту его описание выполнено на примере баскетбола.
Способ осуществляют следующим образом.
Регистрацию соревновательных игровых действий проводят в режиме реального времени с помощью четырех видеокамер, расположенных над игровой площадкой по периметру спортивного сооружения. Две видеокамеры (1) и (2) располагают над баскетбольными кольцами и две (3) и (4) в зоне пересечения центральной и боковых линий на разных сторонах игровой площадки (фиг. 1). Это позволяет захватить в кадр все действия спортсменов.
После регистрации видеокамерами соревновательных игровых действий спортсменов осуществляют их анализ на основе интегрального параметра, включающего обобщенные и частные динамические характеристики. Данный анализ направлен на определение эффективности соревновательных игровых действий спортсменов.
Регистрацию и анализ соревновательных игровых действий спортсменов осуществляют в режиме реального времени во время проведения матча и (или) после него.
v
f
i
p
ip
vi
vp
fi
fp
Интегральный параметр - CS включает в себя обобщенные динамические характеристики: CS; CS, и частные динамические характеристики: CS; CS; CS; CS; CS; CS; CS. Таким образом, в заявленном способе регистрации и анализа соревновательных игровых действий исходят из континуума частных динамических характеристик интегрального параметра.
Под CS подразумевают площадь фигуры, образованной многоугольником, вершины которого соответствуют позициям пяти игроков нападения или защиты в проекции на поверхность игровой площадки (фиг. 4). При этом линии нападения или защиты (11) (фиг. 3) со стороны кольца (12) всегда проводят через игрока, находящегося внутри периметра фигуры из оставшихся четырех игроков. Принятие данного условия продиктовано тем, что в ограниченной зоне площадки (трехсекундной зоне) происходит до 60-70% атак, из них 40-45%) являются результативными (Kozin V. Simulation of competitive activity basketball players // Материали за 8-a международна научна практична конференция, «Бъдещето въпроси от света на науката», 2012. - С. 41-46). Соответственно, для игроков защиты данная зона является наиболее «уязвимой» и приоритетной, что побуждает тренеров строить тактические схемы в защите с акцентом на концентрацию игроков в ограниченной зоне площадки.
i
p
ip
i
p
ip
ip
ip
В результате передвижения игроков по площадке, CS (10) и CS (13) «накладываются» друг на друга, образуя CS (14) - общую площадь для CS и CS (фиг. 4). С уменьшением CS делают вывод о снижении активности защитных и нападающих действий и взаимодействий и, напротив, с увеличением CS - о повышении активности вместе с количеством используемых игровых приемов. Уменьшение CS приводит к увеличению свободных (без сопротивления) бросков по кольцу.
i
p
f
При передвижении игроков по площадке, CS и CS образуют геометрические фигуры - треугольник (15), прямоугольник (16), трапеция (17), пятиугольник (18) (фиг. 5). Отсюда CS - это взаимное расположение границ (линий) фигуры, а также взаимное расположение точек линии. Нестандартной CS считается, когда она непохожа ни на одну из простых геометрических фигур.
f
f
f
fi
fp
При регистрации CS в виде треугольника отмечают низкую результативность соревновательных игровых действий. При этом игроки более часто используют групповой отбор мяча и подстраховку другого защитника. Такие CS, как трапеция, прямоугольник и многоугольник, обеспечивают рациональное использование и сочетание индивидуальных и командных взаимодействий. Нестандартные CS рассматривают как частные случаи и по мере формирования базы данных и систематизации информации о них группируют отдельно. Одновременно с регистрацией CS и CS в информационной среде рассчитывают их величины.
p
i
i
p
При постоянном значении CS и одновременном увеличении CS эффективность защитных действий уменьшается. Напротив, при постоянной величине CS и одновременном увеличении CS результативность защитных действий возрастает. Отдаление от кольца игрока нападения или защиты, действующего пассивно внутри периметра фигуры из четырех игроков, уменьшает размер CS и отрицательно сказывается на результативности действий команды.
v
v
v
v
2
2
2
Согласно данным (http://stats.nba.com/tracking/#!/player/?ls=iref:nba:gnav), представленным на сайте Национальной Баскетбольной Ассоциации, средняя скорость передвижения игрока по площадке составляет 1,4-2,3 м/с, при этом максимальные значения достигают 8,3 м/с. Отсюда возможные диапазоны изменения CS составляют от 0 м/с (игроки находятся в статичном положении, не перемещаются по игровой площадке) до 27 м/с (равномерно расположенные на линии центрального круга 5 игроков команды перемещаются от центра круга по направлению соответствующего радиуса с одинаковой скоростью 2 м/с) или до 102 м/с (равномерно расположенные на линии центрального круга 5 игроков команды перемещаются от центра круга по направлению соответствующего радиуса с одинаковой скоростью 5 м/с). Компьютер после проведения необходимых вычислений строит графики изменения показателей соревновательной деятельности, на которых отображаются посредством информационных маркеров количественные показатели соревновательной игровой деятельности (количество передач, бросков, остановок и др.), что позволяет исследовать влияние CS на их реализацию (фиг. 6). Команды с высокой CS в течение игры показывают большую результативность действий и чаще соперников одерживают победы. Необходимо отметить корреляционную зависимость между CS и эффективностью индивидуальных, групповых и командных соревновательных игровых действий.
Данные, полученные в результате регистрации соревновательных игровых действий спортсменов, обрабатывают в центральном (5), статистическом (6), аналитическом (7) и графическом (8) модулях информационной среды (фиг. 2). Полученные данные используют для выявления эффективности и совершенствования соревновательных игровых действий спортсменов, команды; разработки и совершенствования ситуационных упражнений, создания игровых схем в графической среде, а также создания базы данных на основе индексации, хранения и поиска видеособытий с последующим сохранением их в базе данных на веб-сервере или в персональном архиве.
В процессе наблюдения видеосигнал от видеокамер поступает в персональный компьютер, а именно в центральный модуль обработки изображения (5), параллельно происходит сегментация, локализация и идентификация 2D и 3D объектов (фиг. 2). Сегментацию и локализацию осуществляют с помощью алгоритмов, известных и описанных в исследовательских работах и ссылках в них (J. Pers and S. Kovacic, "A system for tracking players in sports games by computer vision", Electrotechnical Review 67: 281-288, 2000; T. Matsuyama and N. Ukita, "Real time multi target tracking by a cooperative distributed vision system", Dept. of Intelligent Science and Technology, Kyoto University, Japan). Определение расположения и отслеживания в реальном времени положения головы, рук и других частей тела, а также распознавание жестов отдельного человека на основе анализа видеоизображения описаны в исследованиях и ссылках в них (С. Wren et al. «Pfinder: real time tracking of the human body», IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 19: 780-785, 1997; A. Aagarwal and B. Triggs «3D human pose from silhouettes by relevance vector regression», International Conference on Computer Vision & Pattern Recognition, pages II 882-888, 2004). Идентификацию игроков осуществляют в автоматическом режиме или при помощи оператора (в случае технических проблем), на основе правил баскетбола и логики распознавания предметов, номера и других наносимых рисунков, логотипов на форме игрока с помощью методов, описанных в следующих патентах США (№5353392 - http://www.google.com/patents/ US 5353392; №5264933 - http://www.google.com/patents/US 5264933). В заявленном способе помимо идентификации игроков отслеживают перемещение в пространстве таких материальных объектов, как мяч, шайба.
От центрального модуля (5) обработанные данные поступают в статистический (6), аналитический (7) и графический (8) модули. В статистическом модуле (6) на основании результатов идентификации, сегментации и локализации происходит архивация игровых показателей - бросок мяча, способ броска, дистанция броска, расстояние между нападающим и защитником, скорость передвижения игроков, направление передвижения игроков и др., подробно описанных в работе (В.В. Козин. Предпосылки к созданию визуально-программного обеспечения соревновательной деятельности в баскетболе. Материалы конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность», С. 263-266, 2010) (фиг. 2).
В аналитическом модуле (7) происходит определение эффективности соревновательных игровых действий спортсменов на основе анализа CS. Последовательность определения эффективности соревновательных игровых действий спортсменов представлен на фиг. 7.
В модуле (8) происходит генерация графического изображения (фиг. 2) в режиме реального времени при помощи известных алгоритмов, представленных в работе (Н. Sidenbladh, М. Black and D. Fleet, «Stochastic tracking of 3D human figures using 2D image motion» in Proc. of the European Conference On Computer Vision, pages 702-718, 2000). Это позволяет получить графическое 2D и/или 3D изображение и представить схематически игровую площадку с частными динамическими характеристиками, расположением игроков, а также мяча или шайбы в виде значков и других пространственных объектов (линии, точки).
Полученные данные поступают от каждого модуля на сервер оперативных приложений (9), где происходит индексация, хранение и поиск отчетов, статистической, аналитической и графической информации, видеофайлов с играми или отдельными игровыми эпизодами.
Техническим результатом является: регистрация соревновательных игровых действий с последующим определением их эффективности на основе интегрального параметра - командная площадь игры; оценка (сравнение) частных динамических характеристик интегрального параметра с выявлением наиболее эффективных для отдельных игроков, команд различной квалификации, возраста и пола; возможность оперативной разработки рекомендаций в ходе соревнования по совершенствованию соревновательных игровых действий, взаимодействий спортсменов; возможность разработки ситуационных упражнений и новых тактических комбинаций на основе полученных данных об интегральном параметре; создание анимации с автоматическим графическим сопровождением игры, действий спортсменов в режиме реального времени; создание графических изображений с 2D и 3D моделями динамических характеристик для схематического разбора игровых ситуаций; создание отчетов, содержащих статистическую, аналитическую и графическую информацию о соревновательной игровой деятельности спортсменов; создание базы данных на основе индексации, хранения и поиска видеособытий (автоматическое индексирование и поиск отдельного видеофрагмента с игровой ситуацией) с последующим сохранением в базе данных на веб-сервере или в персональном архиве.