（运动人体科学专业论文）铅球运动技术运动学评价软件的理论框架的设计.pdf

摘要 计算机技术的迅猛发展，大大增强了利用数学工具解决实际问题的能力，并已逐渐 渗透到各个领域。自1 9 7 3 年美国应用数学家凯尔勒和计算机专家艾斯特把数学及计算 技术引入竞技体育以来，竞技体育便被带入了一个新的发展阶段。利用数学建模和计算 技术，对运动过程进行优化，分析训练中的影响因素，从而以科学的方法指导训练。 在早期的体育科研中，由于人的行为模型难以建立，所以在体育科研领域仿真技术 应用的不是太多。随着现代数学的发展，为人的行为仿真在模型上提供了算法上的可能， 诸如模糊神经网络、遗传算法等，在人工智能领域得到了很好的验证；另一方面，面向 对象可视化编程技术的出现，在开发友好的人一机接口方面提供了有利的工具。这一切 都为利用系统仿真技术解决体育领域的问题提供了理论上和技术上的保证。 作为运动技术可视化实时生物力学诊断与运动仿真指导系统课题下的子课题， 考虑到体育运动包含多个不同的项目，本研究主要从铅球运动入手，来建立“教练员一 运动员专家评价系统。 该系统主要运用现代计算机技术，以科技奥运和提高我国体育科研与运动员的训练 水平为背景，以目前运动技术诊断三维录像分析系统为平台，来构造基于运动员三维运 动信息和运动参数数据库、知识库，以系统的观念来分析人体运动行为，通过人体运动 行为的输入输出关系来研究运动员技术动作，利用模糊数学、数理统计、人工智能等研 究手段，综合和借鉴运动生物力学、图形图像学、人体解剖学以及专家系统等学科的研 究方法，解决从信息提取、推理、到多目标参数融合与决策等一系列理论与应用的关键 问题，设计开发铅球运动技术的运动学评价系统。 本研究采用文献资料法、测量法、专家访谈法、软件工程法和数学建模等研究方法， 以河北女子铅球运动员为研究对象，利用遗传算法的参数适应性和随机权重方法，对铅 球运动员的技术动作进行建模。 本论文主要从软件的构建与使用、系统构建模块、软件的设计以及软件开发的可行 性等方面进行了论述。 关键字：铅球评价系统计算机d l t 算法遗传算法 h i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ea b i l i t yo fu s i n gm a t h e m a t i c a lt o o l st o s o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m sh a sb e e ne n h a n c e dg r e a t l y , a n di th a si n f i l t r a t e di n t oe a c hf i e l d s i n c em a t h e m a t i c sa n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yh a db e e na p p l i e d + t ot h es p o r t sf i e l d sb yk e l l e r , a na m e r i c a nm a t h e m a t i c i a n ，a n de s t e r , ac o m p u t e re x p e r ti n19 7 3 ，t h es p o r t sh a sb e e n b r o u g h ti n t oan e wp h a s e u s i n gm a t h e m a t i c sm o d e l i n ga n dt h ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yt o o p t i m i z et h em o t i o np r o c e s sa n da n a l y z et h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so ft r a i n i n gp r o v i d e s a s c i e n t i f i cw a yt od i r e c tt h et r a i n 。 i nt h ee a r l ys c i e n t i f i cr e s e a r c ho fs p o r t s ，t h e r ea r ef e wa r t i f i c i a lt e c h n i c a lt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n sb e c a u s ep e o p l e sb e h a v i o r a lm o d e l i sd i f f i c u l tt os e tu p o no n eh a n d ，t h e d e v e l o p m e n to fm o d e mm a t h e m a t i c ss u c ha sf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，h e r e d i t a r ya l g o r i t h ma n d s oo nm a k e si tp o s s i b l et ob u i l dp e o p l e sb e h a v i o r a lm o d e li nt h ea l g o r i t h m 。t h ep o s s i b i l i t y h a so b t a i n e dg o o dc o n f i r m a t i o ni nt h ef i e l do fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c eo nt h eo t h e rh a n d ，a f a v o r a b l et o o li sp r o v i d e di nd e v e l o p i n gt h ef r i e n d l yp e r s o n m a c h i n ei n t e r f a c ew i 凌t h e a p p e a r a n c eo fo b j e c to r i e n t e d v i s u a lp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y a l lo ft h e s ep r o v i d e t h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a lg u a r a n t e et os o l v et h ep r o b l e m si nt h ef i e l do fs p o r t sb yu s i n g s y s t e m a t i ca r t i f i c i a lt e c h n o l o g y a sap a r to fm yt u t o r sr e s e a r c hs u b j e c tn a m e dg u i d a n c es y s t e mf o rm o v e m e n t t e c h n o l o g y v i s u a l i z a t i o nr e a l t i m e b i o l o g y m e c h a n i c s d i a g n o s i s a n dm o v e m e n t s i m u l a t i o n ，c o n s i d e r i n g t h a ts p o r t si n c l u d em a n yd i f f e r e n tp r o j e c t s ，t h i sr e s e a r c hf o c u s e s o nt h es h o tm o v e m e n tt oe s t a b l i s h t h et r a i n e r - a t h l e t e t h ee x p e r te v a l u a t i o ns y s t e m 。 t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st os e tu pt h ek i n e m a t i c se v a l u a t i o ns y s t e mf o rt h e t e c h n i q u e so fs h o tp u t o nt h ec a l l i n go fs c i e n t i f i co l y m p i c sa n di m p r o v i n gt h el e v e l so f n a t i o n a ls p o r t ss c i e n t i f i cr e s e a r c ha n da t h l e t e s t r a i n i n g , t h i ss y s t e ma p p l i e sm o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t a k i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lv i d e oa n a l y t i c a ls y s t e ma sp l a t f o r m ，t oc o n s t r u c t k n o w l e d g ed a t a b a s e t h a tb a s e do nt h et h r e e - d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o na n dk i n e m a t i c s p a r a m e t e r so fa t h l e t e s m o v e m e n t t h ec o n c e p to fs y s t e m st h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h e a t h l e t e s t e c h n i q u et h r o u g ht h er e l a t i o no fi n p u ta n do u t p u to f t h em o t i o nb e h a v i o rb yu s i n g t h ei n s t r u m e n t so ff u z z ym a t h e m a t i c s ，m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sa n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， i v i n t e g r a t i n gt h er e s e a r c hm e t h o d sa sb i o m e c h a n i c so fs p o r t s ，a n t h r o p o n o m y , g r a p h i c sa n d i c o n o l o g ya n df u r t h e rs o l v e sas e r i e so ft h ec r i t i c a lt h e o r e t i c a la n de m p i r i c a lp r o b l e m sf r o m t h ei n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ，r e a s o n i n gt od e c i s i o no fm u l t i p l ea i m sp a r a m e t e r s t h i ss t u d yu s e dl i t e r a t u r e ，m e a s u r e m e n t , e x p e r ti n t e r v i e w s ，s o , w a r ee n g i n e e r i n ga n d m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fr e s e a r c hm e t h o d s ，a n dt a k ew o m e n ss h o tp u ta t h l e t e si nh e b e ia s o b j e c to fs t u d y , a n dm a d eu s eo fg e n e t i ca l g o r i t h mp a r a m e t e r sa d a p t a b i l i t ya n dr a n d o m w e i g h tm e t h o dt om o d e l i n gf o rt h es h o tp u ta t h l e t e st h et e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , i ti sd i s c u s s e df r o mt h ec o n s t r u c t i o na n du s eo fs o f t w a r e , s y s t e mb u i l d i n g b l o c k s ，s o f t w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ee x p o s i t i o n a l g o r i t h m s h o tp u t ；t h ee v a l u a t i o ns y s t e m ；c o m p u t e r ；d l ta r i t h m e t i c ；g e n e t i c v 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文铅球运动技术运动学评价软件的理论框架的设计，是在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任鹰其谴令人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者乎气) 移地 伊0 年6 月6 日 指导教师 切一 4 注：该工作属于2 0 0 4 年河北省自然科学基金资助项圈( f 2 0 0 4 0 0 0 1 7 9 ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向困家有关部门绒机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权河= | 艺师蒗大学可以将学位论 文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 伊9 辫r 务烈蔗g 绪论 随着体育科学的发展和运动实践的逐步深入，在运动训练中运用科学的训练方法和 监测手段来增强运动训练的效果，提高运动成绩，已成为体育的一个重要发展方向。特 别是2 0 0 8 年奥运会在北京举办，“向科技要金牌”已成为时代的呼唤。 以计算机技术、通讯技术、网络技术为代表的现代信息技术的迅猛发展正改变着人 们的时空观，改变着组织的结构及管理理念，甚至于改变着人们的工作方式、生活方式 和思维方式。信息化已成为一个国家经济和社会发展的关键环节，信息化水平的高低已 经成为衡量一个国家、一个地区现代化水平和综合国力的重要标志。在传统体育中，人 们对信息的认识和利用具有很大的局限性，在体育活动中只是靠经验法、观察法，并结 合手工测量和记录获得信息；在体育研究中，多数是利用文献资料法检索信息。信息时 代的发展，对传统体育产生了巨大的冲击，现代体育逐渐取代了传统体育，特别是进入 9 0 年代以来，电子技术、传感技术、遥感技术的应用使体育信息的采集更加多样化、 现代化、科学化，传统的文献检索也因计算机和电子设备的应用而加快了科学化的进程。 互联网的兴起和数字化技术的进步，管理信息系统、决策支持系统、专家系统、神经网 络、计算机仿真、网络技术等技术的出现，使信息科学发生了革命性的变化，这些变化 也给体育信息化带来了发展的契机”1 。 在早期的体育科研中，由于人的行为模型难以建立，所以在体育科研领域仿真技术 应用的不是太多。现代数学的发展为人的行为仿真在模型上提供了算法上的可能，诸如 模糊神经网络、遗传算法等，在人工智能领域得到了很好的验证；另一方面，面向对象 可视化编程技术的出现，在开发友好的人一机接口方面提供了有利的工具口1 。这一切都 为利用系统仿真技术解决体育领域的问题提供了理论上和技术上的保证。 计算机技术的迅猛发展，大大增强了利用数学工具解决实际问题的能力，并已逐渐 渗透到各个领域。自1 9 7 3 年美国应用数学家凯尔勒和计算机专家艾斯特把数学及计算 技术引入竞技体育以来，竞技体育便被带入了一个新的发展阶段。利用数学建模和计算 技术，对运动过程进行优化，分析训练中的影响因素，从而以科学的方法指导训练j ”。 本研究采用文献资料法、测量法、专家访谈法、软件工程法和数学建模等研究方法， 以河北女子铅球运动员为研究对象，采用中国人的人体参数模型，利用遗传算法的参数 适应性和随机权重方法，对铅球运动员的技术动作进行建模。 本论文主要从软件的构建与使用、系统构建模块、软件的设计以及软件开发的可行 性等方颟进行了论述。 2 1 前言 1 1研究背景 体育运动经历了漫长的自然发展阶段、大运动量高强度的成长阶段、科学训练探索 阶段。目前，已经发展成为现代体育，历史也赋予它更多的使命和内涵h 1 。高科技理论 与技术对运动训练领域全面、深入的渗透和介入已成为当今竞技体育发展的主要趋势。 现代竞技体育正在迅速地向高、难、精、尖发展，这就使得体育训练更多地借助于现代 科技手段畸1 。为了最大限度地挖掘人的潜能，现代体育需要科学技术不断地介入。这就 需要综合地运用与体育科学相关的学科知识，并采用系统科学随1 ( 如系统仿真学) 的方 法对体育运动的内在规律进行研究。 竞技体育的目的之一是获取最好的运动成绩( 效果) 。随着体育科学的发展和运动 实践的逐步深入，在运动训练中运用科学的训练方法和监测手段来增强运动训练的效 果、提高运动成绩，已成为体育的一个重要发展方向。科学的运动训练是建立在以机能 监控指标和技术监控指标为反馈信息来控制运动训练强度的一种运动训练模式，运动生 物力学是从技术监控的角度对运动训练实行监控，而监控的主要手段是通过实时测定运 动员运动时的运动学参数和动力学参数，并及时做出对运动技术的诊断和评价。因此， 建立一套快速、准确的技术监测系统是十分必要的。 当前竞技体育趋向高、精、难、尖的方向发展，这就要求我们必须用信息论的技术 手段、系统的观点和方法对运动员的训练、比赛和日常生活进行系统化的管理，从而揭 示和把握运动训练中的复杂的动态联系、变化和发展，发现更多的科学规律和定量的准 确结论来科学的指导运动训练盯1 。因此，利用先进的信息管理技术对竞技体育运动及其 训练方法进行科学的分析研究来指导运动训练，是提高运动员成绩的有效途径。 随着计算机信息技术的迅猛发展，训练水平和训练手段也在不断的更新，提出“向 科技要金牌 的战略口号，所以体育科研越来越受到各专业队的高度重视，以前一些传 统的训练思想已跟不上发展的步伐，如今对运动员潜力的挖掘显得尤为重要。从总体上 讲，运动员的技战术水平、身体素质等方面各专业队各运动员之间已相差无几，所以微 细环节的挖掘是提高专项成绩的关键。 由于计算机的迅猛发展，大大增强了数学解决实际问题的能力，并已渐渐渗透到各 个领域。自1 9 7 3 年美国应用数学家j b k e l l e r 和计算机专家艾斯特把数学及计算技术 3 号l 入竞技体育以来，它们便发挥了越来越重要的作用，促使竞技体育进入一个新阶段。 利用数学分析和计算技术，分析训练中的影响因素，以科学的方法指导训练；在训练中， 运动员应注意扬长避短，充分发挥自身的特长，才能取得更为理想的成绩斓。 2国内铃研究概况 旱在2 0 世纪7 0 年代初期，美国就已经把计算机技术应用于运动员的训练。经过十 几年的摸索，到8 0 年代后期不仅已经有声有色，而且已经十分规范，十分谨慎了。美 国是世界头号田径强国，也是世界头号计算机强国。它把计算机技术应用予改进田径训 练似乎不足为奇。傻实际上，这是一个世界性的趋势。在这个趋势中，计算机技术对体 育训练的“入侵”是全方位的，它渗入到训练计划的制定、训练器械的改进、训练负荷 的安排、训练工作的管理、新动作的设计、训练成果的量化评定以至训练成绩的预测之 中嘲。 迄今为止，从我们学院所购买的仪器就可以看出：美国、德国、意大利等国家在体 育计算机应用方面已经颇舆规模。截止到2 0 0 0 年底，仅国产的爱捷运动图像图形测量 分析系统在体育暴的用户就有2 5 家n 蝣。大型图像数字采集与处理分析系统进口的也不 少，如：美国m o t i o na n a l y s i s ，p e a km o t u s ，a r i e l ( 艾里尔) ，瑞典的o u a l i s i s ，德 国的s i m i ，b a s 等。 在人体运动分析方面，国内外的很多科学家已进行了大量的研究和探索，对人体运 动分析提供了很大的帮助。几个比较有代表性的研究成果有： 美国a r i e ld y n a m i c s 公司研制的艾里尔运动生物力学分析系统( a p a s ) 广泛 应用在竞技体育运动和康复医疗等领域； 德国s i m i 。m o t i o n 录像解析系统是基于w i n d o w s 操作系统的运动录像分析 系统，可应用于体育运动，运动医学，人机工程和动画制作等领域的2 d 和3 d 运 动数据的采集和分析。 瑞士d a r t f i s h ，世界先进的运动技术录像分析系统。 北京爱捷人体信息研究所研究开发的一套体育运动图像分析系统爱捷运 动图像图形测量分析仪。该系统可以计算出运动员在谢练比赛中的运动参数( 坐 ，标、距离、速度、相对距离、相对速度、焦度、角速度等) ，薨哥以图像和数据叠 加的形式反馈给教练员和运动员。国内有多家单位采用此系统。 根据计算机化发展阶段“诺兰模型 理论，我国体育信息系统基本上仍属于诺兰模 牵 型的计算机时代，尚未真正进入信息时代1 。随着我国体育事业、体育产业的快速发展， 随着北京奥运的临近，体育信息化应该、必须、也完全有条件着手进行体育系统信息资 源规划和建设工作，促进我国体育走向信息时代的高级阶段。 实际上，随着运动成绩的不断提高，不仅破纪录越来越难了，而且破纪录的幅度也 越来越小了。西方体育科研人员倾向于认为，短距离和中短距离跑步已经接近极限，在 现代人种的水平上，跳跃和投掷项目也正在向极限靠拢n 羽。要“更高、更快、更强”， 人的先天因素仍然起主导作用。而要达到这一目的，不仅需要摸索从选材开始的训练结 构，而且要促使运动员掌握自我分析的能力，提高反馈在“教练员一运动员”系统中的 作用。而从训练设计角度来说，必须加强训练的科学性，依靠综合的办法来解决训练问 题。所说的科学的综合性，重要的一环是运用计算机技术监督运动员的身体能力水平和 训练水平，这是找到能够打开运动员有机体活动机理的“钥匙”的必由之路。 在体育运动中，人体的运动是复杂的三维空间运动，若要准确反映运动的特征，必 须进行三维立体摄影或摄像分析。立体摄影( 像) 测量方法是采用两台或多台摄影( 像) 机，从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台机所拍摄的平面影片 或录像带进行数字化，从而获得所需的人体三维运动的空间坐标，计算有关的运动学参 数。人体运动的三维影像分析是将影片、录像带上的二维坐标转换成实际空间的三维坐 标而实现的。目前，主要采用直接线性变换( d l t ) 算法n h 蝴( 直接建立坐标系坐标与 物方空间坐标的关系式的一种算法) ，这种线性变换是通过对标定框架的拍摄，然后求 出摄影系数来实现的。由于影片解析费用昂贵，反馈周期长，目前录像解析以其造价低 廉，反馈周期短，取代影片解析已成必然。录像解析是将录像带上的图像信息进行模数 转换的仪器。采集图像信息的方法基本有三种：一是录像机停帧采集，目前已较少使用； 二是小容量图像板动态图像实时采集，三是大容量图像存储器动态实时采集或图像存储 器采集，如美国的p e a k 系统、德国的s i m i 系统与我国的爱捷系统，图像存储一次可连 续采集1 0 秒以上的连续图像，可以满足大部分运动项目的立体解析。目前国内产品主 要通过对录像带进行采集、处理、分析，不能实时监控、采集、分析、诊断，国外虽然 有此类产品，但价格昂贵( 百万元以上) ，且尚无仿真、模拟功能。 常速录像拍摄系统，是指拍摄的录像信号和通常电视信号的拍摄速度一样，即2 5 帧s ，二般的家用录像机和工业摄像机都是常速录像摄影机。n 刀高速录像拍摄系统，凡 是拍摄速度高于常速的都称为高速录像拍摄系统。当前进口的红外数字解析系统中，高 速拍摄速度均能达到2 0 0 帧s ，如美国的m o t i o n 、瑞典的q u a l i s i s ，这些专业设备适 合在实验室的条件下进行运动分析。室外运动普遍采用j v cp a n a s o n i c9 6 0 0 或9 8 0 0 数 码摄像机，它采取了拆分像素和减少图像解像力的方法，将常速下拍摄的2 5 帧s 提高 到1 0 0 帧s 或2 0 0 帧s 。因其具有较合理的性能价格比，所以有不少学校和科研单位 采纳。 随着新技术的不断深入，尤其是计算机技术和图像处理技术的不断发展，录像解析 系统将不断改进，并趋于成熟。录像分析系统在运动生物力学研究领域中的普及已经实 现，蔼高速摄影仅仅在特殊场合下使用疆刳。 1 3 研究特色及应用前景 作为2 0 0 4 年河北省自然科学基金资助项网运动技术可视化实时生物力学诊断与 运动仿真指导系统的子课题，本研究以科技奥运和提高我国体育科研与运动员的训练 水平势背景，戬臣前运动技术诊断三维录像分柝系统为平台，以铅球运动为切入点，构 造基于运动员三维运动信息和运动参数数据库、知识库，以系统的观念来分析人体运动 行为，通过人体运动行为的输入输出关系来研究运动员技术动作，利用模糊数学、数理 统计、人工智麓等研究手段，综合和借鉴运动生物力学、图形图像学、入体解剖学以及 专家系统等学科的研究方法，解决铅球教练员光靠自身经验来判断铅球运动员技术好坏 的问题，研制铅球运动技术的生物力学评价系统。 它的基础是以入体运动生物力学信息获取作为实验平台，以系统科学的观念来分析 人体的力学行必，通过人体力学行为的输入输出关系研究运动员的技术动作，建立运动 员训练和比赛现场的运动学实测数据和人体惯性参数等实验数据库。它可帮助教练员现 场分析和评价运动员的动作合理性，使训练和比赛科学亿、数字化、理论化，有效提高 运动成绩；它可以针对不同运动员的不同特点给予训练意见和建议，从而达到提高训练 成绩的目的；另外，通过训练信息的获取，可为运动员选材提供有价值的参考依据。 该项研究有利予提高我国运动生物力学的研究水平，为我省运动员在全运会取得好 成绩，为我国运动员在北京奥运会上夺念做贡献。 、 1 。4 研究任务 2 0 世纪8 0 年代以来，我国女子推铅球运动水平迅速提高，并跻身于世界先进水平 之列。现已成为中国田径参加世界大赛的支柱项目之一，我豳女子铅球运动经过几代入 的努力，不但运动水平是世雾级的，而且其技术也具有自己很突出的特点。， 2 0 0 8 年奥运即将在北京举行，为了最大限度地挖掘运动图像中的数据资料，更简 6 洁、准确和快速地为体育工作服务，本文以铅球为切入点，对铅球运动技术生物力学评 价系统的框架进行了理论性的设计，以期最有效地解决实际工作中的困难。这种系统的 研制成功，对推铅球技术动作分析大有裨益。 通过对铅球运动可视化连续图像的处理来获得教练员和运动员迫切需要的资料信 息，是目前运动技术分析中较为有效的手段和方法之一。 1 5 主要思路 为了实现以上目标，我们运用计算机软件工程学的方法，在计算机上设计了一个实 用性强、操作简单、画面清晰、信息处理准确可靠、运行速度快的铅球运动技术的生物 力学评价系统，这就是本课题设计的主要思路。 7 2 研究方法 2 。1 文献资料法 通过检索中国学术期刊题录数据库( 网址：w w w c n k i n e t ) 和优秀硕博论文数据库； 通过检索国际生物力学学会i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fb i o m e c h a n i c s ( h t t p ： i s b 。r i 。c c f 。o r g ) 、国际运动生物力学学会i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fb i o m e c h a n i c s i ns p o r t s ( h t t p ：w w w u n i s t u t t g a r t d e e x t e r n a l i s b s ) ，查阅了大量与体育信 息科学、铅球运动、数学建模、系统仿真、遗传算法以及计算机评价系统等方面相关的 文献资料、论文，共1 0 0 余篇，并阅读了相关的书籍，共4 余部。 2 。2 测量法 采集人体的运动技术图像，对人体的运动技术图像进行三维解析，即进行直接线性 变换，以获得人体运动的运动学参数。例如：铅球在出手瞬间的角度、初速度以及出手 时铅球距离地匦的垂直高度等。 2 3 专家访谈法 在2 0 0 4 年1 2 月至2 0 0 6 年3 月期间，对河北省著名的铅球教练员、老师( 主要有 河北省队铅球教练何增生教练、李梅素教练，河北师范大学体育学院刘建国教授等) 进 行专家访谈。 访谈的内容主要目的是用来确定反映影响铅球运动技术因素的指标，反映运动员现 状的指标以及评定运动员的专项能力和技术能力水平的指标n 铂。 2 4 软件工程法 本研究利用面向对象可视化编程语畜v i s u a lb a s i c6 。o 、e + 、图象处理软件o p e n g l 以及统计软件m a t l a b 等作为开发工具，采用工程的概念、原理、技术和方法，严格遵 循软件的生存周期理论，沿着问题定义、可行性研究、需求分析、总体设计、详细设计、 编码等思路进行设计。 2 5 数学建模 本研究采用中国人的人体参数模型，利用北京的爱捷运动图像图形测量分析仪进行 图像解析所得到的运动员的运动学指标以及利用仪器测得的运动员的动力学指标，根据 8 专家访谈得到的影响运动成绩的主要因素，利用遗传算法的参数适应性和随机权重方法 对运动员建模，即建立决策模型。 9 3系统分析 3 。1软件开发的可行性分析 3 1 1 硬件支持 从硬件上来看，在图像的采集部分，需要两部或多部摄像机或摄像头，以及一个内 置的图像采集卡。著需要实现实时功能，电脑的配置则需要好一点。建议操作系统采用 w i n d o w s2 0 0 0 x p ，c p u 选择p i i i8 5 0 m n z 或以上；内存2 5 6 m b 或以上，最低1 6 m b 显示 内存( 分辨率最低1 0 2 4 x7 6 8 ) ；至少要有一个i e e e1 3 9 4 接口连接数码摄像设备，应 有并隧或u s b 接口连接招密设备。 3 。1 2 软件开发 从软件开发上讲，由于该系统利用模糊数学、数理统计、人工智能等研究手段，综 合和借鉴运动生物力学、图形图像学、人体解剖学以及专家系统等学科，复杂程度较高， 需要较多的专业开发人员，但就其预期效益将大大超过开发成本。 从技术上讲，通过调查、访谈教练员和有关专家对该系统的要求、特点及性能等， 根据开发人员的配备情况，证瞬了在现有技术条件下能保证该系统的实现。 3 。l 。3系统的使用 该系统的操作对象( 用户) 主要是教练员，计算机水平不高，因此该系统的操作界面 设计的简单易懂，全部采用汉语形式。只要稍稍具有计算机操作知识的教练员就可准确 无误的使用该系统。 3 2 需求分析 该系统是通过采集人体的运动技术图像并对人体的运动技术图像进行三维解析，以 获得人体运动的运动学参数；通过对参数数据的分析与处理，快速、准确地找出动作技 术规律，来评定动作技术的优劣，为运动员改进技术、提高运动技术水平提供理论依据。 3 3 系统的工作流程 1 ) 确定诊断对象( 该研究中的诊断对象为河北省优秀女子铅球运动员) ，明确需 要解决的问题。 2 ) 设计研究方案。制定规范化实验方案、初级数据处理内容、评定指标、诊断指 标、决策方案、反馈形式以及执行进度等。 1 0 3 )该研究中运动信息采集主要是动作过程中的运动学信息采集。 4 ) 规范化量测初级数据处理。 5 ) 数据处理和分析铅球运动拘束指标体系的确定和计算。 6 ) 相关资料归库。 7 ) 执行规范化诊断指标筛选程序。 8 ) 执行决策方案。 9 ) 提供反馈意见。 1 0 ) 观察诊断对象反应情况，修改、研究方案或调整需要解决的问题重点，重复执 行以上过程。 系统的具体工作模式，如图1 所示。 图1系统工作模式图 3 4 系统的构建与使用 根据系统的层次性原理，系统的构建过程与使用啪1 ，如图2 所示。 图2系统的构建过程与使用 系统构建之初，程序员需要对软件进行需求分析。教练员等人类专家将自己多年积 累下来经验、方法以及策略等告诉程序员，程序员为了能够充分的理解教练员等人类专 家所表达的意图，就需要不断的询问人类专家，然后利用专家系统的建立工具来建立专 家系统，并对其进行测试与改进。 专家系统建立好以后，它并不是一成不变的，它还需要不断地进行知识的扩充和软 件的更新测试，不断地完善功能。 在专家系统的使用过程中，它主要用于“解答用户的“提阀弦。篇户将自己的闯 题按照一定的模式输入到计算机中。这里的模式是指程序员在编写程序过程中为了能让 用户便于操作而编写的人一机交互性较强的友好界面。然后计算机根据用户的要求给与 材解答。这里的“解答包括图像演示或数据表格等形式。 3 。5 系统总体设计 根据专家系统的主要结构，拟本研究中的系统模块结构示意图，如图3 所示。 图3系统基本属性结构示意图 3 5 。1意识储存功能 该功能主要包括录入模块、修改模块、查询模块和打印模块。 1 ) 录入模块 其主要功能是诖教练员可以直接新增运动员的基本情况和运动生物力学指标或参 数等一系列的信息。 2 ) 修改模块 其主要功能是对某运动员的基本情况及其运动生物力学指标或参数进行修改，包括 文字、图像的增加和删除。 3 ) 查询模块 其主要功能是教练员对运动员历史资料的查询。教练员可以按照运动员的姓名或运 动员编号进行查询。若是满足所查条件的信息不唯一的话，则将符合条件的项全部列出， 由教练员自行选择。例如，当运动员有重名时，则系统将符合该姓名的运动员资料罗列 出来，然后教练员可根据需要选择要查询的运动员资料。 4 ) 打印模块 其主要功能是将教练员所需要的资料打印出来。 3 5 2推理功能 该功能主要包括技术分析模块、技术改进模块、竞技潜力分析模块。 1 ) 技术分析模块 、 推铅球运动是最早发现的投掷项目之一，它作为一个田径项目首先出现在比赛场上 是在1 9 世纪6 0 年代乜。由于投掷技术的多样性和器械轻重等级有许多种类，再者，其 练习场地也比较容易选取，因此这种运动适合不同年龄人群运动的需要，深受群众的喜 爱；同时运动者可以根据自己的特点，选取符合于自己的投掷技术，既尊重了运动者的 个性发展，也起到了提高参加者的身体素质，增强体质的作用，所以是一项较为普及的 体育运动。 推铅球运动同其它田径项目一样，经历了漫长的发展过程。当今，这一项目的开展 及其运动水平的提高都超过了历史上任何时期。专家们预测，今后推铅球运动的发展有 以下几个特点幽哟3 ： 技术向着更深层次发展 目前，世界优秀铅球运动员采用的技术为背向滑步和旋转推铅球两种技术。背向滑 步推铅球仍为多数运动员所采用。 a 重视运动员早期的技术训练 合理有效的技术是取得高水平运动成绩重要的条件之一。根据青少年的特点，对他 们进行早期专项技术训练和发展运动协调性对达到优异成绩是非常重要的。在早期的训 练阶段，教练员不仅要使运动员学习和掌握基本技术，还要使他们很好的掌握完整技术， 尤其是技术中的“速度一节奏结构”。在技术练习时可采用徒手辅助器材或轻器械投掷。 b 对技术速度结构的深入研究和运用 铅球运动在各运动项圈中属于体能类的竞距型项目。阱3 该类项圈运动员的速度能力 主要表现为起跳和器械出手的速度，它取决于运动员的移动速度、最后用历史的速度和 动作结束时的速度。而其技术动作最重要的目的是在最后用力出手时能使铅球获得最高 的出手速度。出手速度的获得取决予滑步速度和最后用力的速度。随着运动生物力学研 究的不断深入和运动时间的发展，推铅球技术的速度结构( 推铅球过程的加速度节奏及 速度的传递) 将更加合理。 一 在铅球运动员的训练中，更加重视整体综合效益 现代推铅球训练中重要的一点是尽量将训练的主要内容和手段有机的结合在一起， 使训练体现出整体效益。训练是一个整体，在这个整体中任何一部分的变化都会相应的 弓| 起其它部分的变化。医此，在训练中不断优化它们之闻的组合，协调它们之闽的晓例， 集中体现在训练的设计和训练手段的选择与组合中。 选材“大型化 和成绩“模式化 从发展观点看，铅球运动员的选材有大型化的趋势。据不完全统计，世界优秀男子 铅球运动员的身高多在1 。9 0 米以上，体重多在1 2 0 千克以上；女子铅球运动员的身离 多在1 8 0 米以上，体重多在9 0 千克以上。 成绩模式是指模式训练的负荷、成绩以及运动素质与技术水平之闻的联系。成绩模 式的制定和运用使训练朝着高质量和定量化的方向发展。 。 训练质量尚需进一步提高 技术训练的系统性应得到进一步加强，在全年训练的不同时期和不同阶段，都要进 行技术训练；专项训练的课次增加、质量提高、强度增大。 在力量练习中更加重视动作的伸展幅度和动作速度以及动作的难度，并重视最佳的 训练负荷研究( 练习手段强度和次数的合理搭配) 。 推铅球是一个速度一力量型项目瞳朝，是一个以力量为基础，班速度为核心的圈径投 掷项目。 推铅球的技术原理，可以根据力学和生理学的观点来分析。从生理学上来看，它是 一种人体腮肉运动的结果；麸力学上来看，它是一种人体运动给予铅球的加速度、使铅 球得到加速度后，沿着一定的抛物线飞出去。铅球运动员的任务，是如何把铅球推得愈 远愈好( 这只是从成绩方面来说) 舢7 1 。决定铅球飞出远度的因素，就是铅球出手时的 初速度、高度和磊度。 铅球出手时的初速度：进入投掷方向的出手速度。 1 4 铅球出手时的高度：从地面引出，直至铅球与手指在出手相离瞬间的最高点。 铅球出手时的角度：铅球出手的飞行方向和铅球出手前最高点的水平线之间 的角度。 铅球出手的初速度主要是由最后用力推球的距离和时间( 铅球在力的方向上的移动 距离和时间) 决定的。用力距离越长，时间越短，则推铅球的瞬时爆发功率越大，出于 初速度就越大。成绩在1 5 米以上的优秀的推铅球运动员，用在从开始滑步时起至铅球 出手时止全部推球动作上的时间为0 5 0 6 秒钟，其中滑步的时间占2 8 , - - - , 3 0 9 6 ，做过 渡动作的时间( 从滑跳后右脚触地时起到左脚踏地时止) 占1 8 2 0 ，真正推球的时间 占4 8 , - - - , 5 2 嘲。也就是说，铅球的出手初速度1 5 2 0 来自滑步，8 0 - 8 5 来自最 后用力。最后用力的加速能力主要取决于运动员的专项力量发展水平，特别是速度一力 量的发展水平。另外，与掌握完善的推铅球技术也有密切的关系。 铅球出手时的角度是由最后用力的全部动作，特别是右臂推出的动作和自己主观愿 望形成和决定的。铅球运动员要想达到正确的出手角度，那么从最初学习推铅球时就应 特别注意，假若在初学时就形成了不正确的动力定型，在比赛中要想改变这个角度，就 会分散自己的注意力，影响其它动体的正确性，从而影响自己的成绩。出手点的高低是 决定于最后用力时上体向上提起的程度、两腿和右臂动作的正确性( 球离手是两腿和右 臂充分伸直) ，同时也与铅球离手时的时间有一定关系汹1 。 在投掷时全身各部肌肉都要积极参加活动，特别是腿部肌肉的工作更为重要，在推 铅球中不单是要求各部肌肉积极参与工作，而更重要的是要求它们快速地收缩。要达到 这点，在投掷前必须使工作的肌肉得到充分的拉长，在投掷过程中没有参与工作的肌肉 保持放松。投掷中肌肉工作最有效的方式是所谓“爆发式”，就是迅速地收缩放松了的 肌肉参加活动。因此要求没有参与工作的肌肉应该保持放松的状态，这是发挥速度的重 要条件之一。 技术就是完成某一个动作的正确性。技术的好坏就是指完成某个动作的正确程 度。 对铅球技术评定有许多方法，在教学中经常运用的有啪1 ： ( 1 ) 第一种方法是由专家或同类项目任课教师、教练组成评定小组，对运动员 技术进行评定；或以运动员技术与高级运动员的技术模式相比较，找出差距，这是技术 比较的效果鉴定。 ( 2 ) 第二种评定方法是确定自己运动能力的表现发挥程度，即教学、训练中的达 1 5 标测验。通过专项运动成绩来分析专项技术效果。这种方法可直观地反映专项技术的经 济性和实效性。 ( 3 ) 第三种方法是以实测的技术指标与生物力学分析所得的某些技术参数相比 较。如表1 列出的是经过实验与理论研究得到的有关技术评定要求。 本研究主要运用第一种方法( 专家访谈法) 和第三种方法( 录像解析、技术分析方 法) 对铅球运动员动作技术进行分析和评定。 应该看到，随着运动员水平的提高，在某些技术环节上必然发生一些相应的变化。例 如：最后用力身体各环节速度的提高，作用力加大；最后用力加速中增大右腿支撑地面 压力中的垂直分力，并且减小垂点分力的下降速度，增大水平分力的最大极限值，当运 动员左右腿相互作用时可见到垂直与水平分力双双呈峰形增长；开始加速时身体采取低 姿；加大了躯干的扭紧程度等。 优异成绩的获得是各种因素综合的结果。在诸因素中，身体训练水平是主要的，它 是提高运动技能和运动成绩的基础，特剃是铅球运动员