李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

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基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App設(shè)計(jì)

李大偉，杜洪波，岳 賽，周孝林，盧宇成

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

乒乓球訓(xùn)練是一個(gè)由多種因素構(gòu)成的多層次的復(fù)雜體系, 需要通過(guò)科學(xué)的訓(xùn)練，才能使運(yùn)動(dòng)員全面、準(zhǔn)確、熟練地掌握乒乓球運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)技術(shù)?；凇皵?shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)App是以數(shù)據(jù)分析為核心，智能設(shè)備為基礎(chǔ)的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括訓(xùn)練中心、熱點(diǎn)中心、個(gè)人中心等功能，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可視化，技術(shù)水平評(píng)價(jià)的定量化，讓球員訓(xùn)練更加專(zhuān)業(yè)有效。

數(shù)據(jù)智能；數(shù)據(jù)分析；數(shù)學(xué)模型；移動(dòng)應(yīng)用

0 引言

乒乓球訓(xùn)練是一個(gè)由多種因素構(gòu)成的多層次的復(fù)雜體系[1]，需要通過(guò)科學(xué)的訓(xùn)練，才能使運(yùn)動(dòng)員全面、準(zhǔn)確、熟練地掌握乒乓球運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)技術(shù)。智能設(shè)備應(yīng)用廣泛，先進(jìn)的智能設(shè)備可以直接獲取關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[2]，在體育運(yùn)動(dòng)方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于乒乓球個(gè)人訓(xùn)練，采用智能設(shè)備與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方式，使數(shù)據(jù)獲取更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)分析更有效。

1 智能設(shè)備設(shè)計(jì)

（1）搭建運(yùn)動(dòng)傳感器的硬件平臺(tái)

智能設(shè)備[3]運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)模型包含終端節(jié)點(diǎn)和主機(jī)節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)主要包括四個(gè)部分：微處理器單元（MCU），IMU單元，電源管理模塊和無(wú)線收發(fā)模塊。需要實(shí)現(xiàn)包括傳感數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信、姿態(tài)角度解算和電量監(jiān)測(cè)的功能；MCU控制IMU單元的數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)角解算、鋰電池電量監(jiān)測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；電源管理模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后提供各模塊所需的電壓；無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

主機(jī)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與后臺(tái)的接口，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)主機(jī)節(jié)點(diǎn)傳給后臺(tái)，從數(shù)據(jù)量上來(lái)看，主機(jī)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是最重的。

（2）對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

傳感器存在噪聲大的缺點(diǎn)影響捕捉精度，必須有相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法來(lái)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括加速度計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、陀螺儀數(shù)據(jù)預(yù)處理、磁力計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖1 終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)框圖

圖2 主機(jī)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)框圖

（3）對(duì)傳感器進(jìn)行誤差建模，標(biāo)定和校準(zhǔn)

為了提高傳感器數(shù)據(jù)精度和可靠程度，需要對(duì)傳感器誤差進(jìn)行標(biāo)定[4]。標(biāo)定數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此標(biāo)定為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定后，可得到傳感器相應(yīng)誤差模型參數(shù)，根據(jù)傳感器誤差模型，便可對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)過(guò)程稱為校準(zhǔn)，通過(guò)該過(guò)程可提高傳感器的精度。

（4）傳感器姿態(tài)解算

傳感器目的是采集球拍在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)，需要對(duì)獲得的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到其姿態(tài)角數(shù)據(jù)，根據(jù)該角度數(shù)據(jù)便可得到傳感器在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。需要對(duì)傳感器姿態(tài)矩陣進(jìn)行解算，常用歐拉角法和四元數(shù)法兩種方法來(lái)進(jìn)行姿態(tài)解算[5]。

圖3 傳感器實(shí)現(xiàn)流程圖

2 數(shù)據(jù)分析過(guò)程

（1）描述性分析：用戶的特點(diǎn)

通過(guò)傳感器測(cè)量得到每個(gè)用戶的初始數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。其為訓(xùn)練系統(tǒng)提供了重要指標(biāo)和評(píng)價(jià)的衡量方法[6]。

（2）診斷性分析：用戶特點(diǎn)形成原因

對(duì)傳感器得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)混亂的數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，鉆取數(shù)據(jù)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)用戶的初步評(píng)估。

（3）預(yù)測(cè)性分析：用戶經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的成效

對(duì)診斷分析得到的初步評(píng)估進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出用戶經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的可能性以及可能的能力提高，得到一個(gè)預(yù)測(cè)值。該預(yù)測(cè)能夠幫助系統(tǒng)做出更好決定，得到一個(gè)更適合該用戶的訓(xùn)練方案。

（4）指令性分析：用戶的需求

指令模型基于對(duì)“用戶有什么特點(diǎn)”、“為什么有這種特點(diǎn)”和“訓(xùn)練后會(huì)提高什么技能”的分析，依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)選定最佳的方案和策略，采用數(shù)據(jù)分析技術(shù)得到更加精確的決策。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程圖

3 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)層次分析法[7]建立一個(gè)對(duì)用戶乒乓球水平的評(píng)價(jià)體系，對(duì)傳感器得到的每個(gè)三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行診斷性分析。再根據(jù)每個(gè)三級(jí)指標(biāo)對(duì)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重和二級(jí)指標(biāo)對(duì)綜合能力的權(quán)重，得到對(duì)用戶的乒乓球水平的評(píng)價(jià)；從而進(jìn)行指令性分析，用得到的評(píng)價(jià)來(lái)選定最佳的訓(xùn)練方案和方法。

圖5 評(píng)價(jià)模型圖

在用戶使用量不斷增大的過(guò)程中，數(shù)據(jù)量也不斷增大，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，不斷優(yōu)化模型權(quán)重參數(shù)，最終得到更好的合適的評(píng)價(jià)模型。數(shù)學(xué)模型與移動(dòng)應(yīng)用相結(jié)合，使用戶的個(gè)人評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確，讓用戶對(duì)自己的水平有一個(gè)準(zhǔn)確的認(rèn)知。

4 App總體設(shè)計(jì)

（1）訓(xùn)練中心：功能包含統(tǒng)計(jì)分析、查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、今日評(píng)價(jià)。

首先，用戶當(dāng)日的訓(xùn)練量將在統(tǒng)計(jì)分析功能中顯示出來(lái)，主要分發(fā)球、弧圈球、推撥球三類(lèi)[8]。每一項(xiàng)的訓(xùn)練數(shù)量和完成度百分比將顯示在界面上，用戶還可點(diǎn)擊查看每一項(xiàng)的具體情況。

其次，用戶可以隨時(shí)查詢個(gè)人的歷史記錄，其中有近期訓(xùn)練時(shí)間的折線圖、累計(jì)訓(xùn)練時(shí)間和訓(xùn)練分析。此外，用戶可以實(shí)時(shí)查詢訓(xùn)練情況，比如用戶剛打完一場(chǎng)比賽，可以利用此功能查詢每一球的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將用智能設(shè)備采集，其中包括能量消耗、擊球角度、揮拍速度及3D模擬軌跡。

最后，用戶一天的訓(xùn)練結(jié)束后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中的數(shù)據(jù)給出當(dāng)日的訓(xùn)練評(píng)價(jià)并呈現(xiàn)出來(lái)，供用戶參考。

（2）熱點(diǎn)中心：熱點(diǎn)中心模塊將相關(guān)乒乓球的推薦內(nèi)容結(jié)合在一起，可以讓用戶更加了解乒乓球這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，具體功能包括及時(shí)發(fā)布乒乓球比賽信息、分享優(yōu)質(zhì)比賽視頻、推薦高手教學(xué)視頻、提供精品球技文章。用戶可以通過(guò)該模塊獲取大量有關(guān)乒乓球的信息。

（3）個(gè)人中心：該模塊主要包含個(gè)人資料、周計(jì)劃和好友比拼三個(gè)部分。

個(gè)人資料用來(lái)記錄用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)，周計(jì)劃讓用戶自己設(shè)定自己的周訓(xùn)練量，起到督促訓(xùn)練的作用。

好友比拼：該部分主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)功能。一是將用戶與好友進(jìn)行排名，讓用戶了解到自身的訓(xùn)練排名；二是查看他人數(shù)據(jù)并提供關(guān)注好友的功能，讓用戶有選擇性地挑選自己感興趣的好友進(jìn)行關(guān)注；三是為用戶提供聊天平臺(tái)，讓他們可以交流心得、體會(huì)。

5 UI設(shè)計(jì)

基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App不僅在算法上進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)界面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出善于操作的界面，下面就部分界面進(jìn)行介紹。

熱點(diǎn)中心：通過(guò)用TextView和ImageView控件將圖文信息顯示在文章和公告中，用VideoView控件實(shí)現(xiàn)教學(xué)視頻和比賽視頻的播放，見(jiàn)圖6。

訓(xùn)練中心：將從智能設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用圖表控件MPAndroidChart制成折線圖，更加直觀的記錄用戶數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖7。

圖6 熱點(diǎn)中心

圖7 訓(xùn)練中心

圖8 個(gè)人中心

個(gè)人中心：用listView控件顯式個(gè)人可操作的功能，點(diǎn)擊查看各種信息。

6 結(jié)論

本文通過(guò)智能設(shè)備+數(shù)據(jù)分析，數(shù)學(xué)建模+移動(dòng)應(yīng)用，提出新的乒乓球訓(xùn)練方式，建立一套高效的乒乓球訓(xùn)練系統(tǒng)。通過(guò)智能設(shè)備的高靈敏度，完整記錄用戶數(shù)據(jù)，用高效的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立用戶水平評(píng)價(jià)體系，在App上，展示數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可視化，技術(shù)水平評(píng)價(jià)的定量化，讓球員訓(xùn)練更加專(zhuān)業(yè)有效。

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Table Tennis Training App Design Based on "Data Intelligence"

LI Da-wei, DU Hong-bo, YUE Sai, ZHOU Xiao-lin, LU Yu-cheng

(School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Table tennis training is a multi-level complex system composed of many factors. Only through scientific training can athletes comprehensively, accurately and skillfully master all the techniques of table tennis. Table tennis training system based on data "smart" App is based on the data analysis as the core, the intelligent device on the basis of table tennis training system, the system includes training center, hot spot center, personal, and other functions, to achieve the personal training data visualization, technology level in the quantification of evaluation, let the player more professional and effective training.

Data intelligence; Data analysis; Mathematical model; Mobile application

TP31

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.006

遼寧省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃項(xiàng)目(JG16DB336)；2019年沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(2019018)

李大偉(1998-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科生；杜洪波(1977-)，男，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與應(yīng)用；岳賽(1997-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科生；周孝林(1998-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科生；盧宇成(1998-)，男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)理學(xué)院本科生。

李大偉，杜洪波，岳賽，等. 基于“數(shù)據(jù)智能”的乒乓球訓(xùn)練App設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2018，39（12）：23-27