竞技体操评分系统引入3D激光感应技术的研究
摘 要：在传统的体操比赛项目中，运动员比赛中的动作是连续地，不重复出现，动作也是转瞬即逝，所以裁判员评判时，要在瞬间做出准确判断，还要关注到运动员做的下一个动作。同时，体操比赛完成分与艺术分易受裁判员的审美观、经验、和心理素质等主观因素的影响，因此，判断的准确性无法保证。随着3D技术的发展，3D激光感应技术能正确识别和跟踪目标，提供更多决策信息，提高目标识别概率和可靠性。本文介绍了3D激光感应技术的概念、工作原理、发展现状、应用领域，分析3D激光感应技术和体操评分特点，为3D激光感应技术引入体操评分系统提供依据，最后，系统地对3D激光感应技术引入体操评分，提出了可行性的建议。
关键词：竞技体操；激光感应；3D技术；评分系统
竞技体操的评判标准并不是像其他体育项目一样可以通过速度、重量、高度等客观的数值进行衡量，其主要依赖裁判员的现场评分，往往容易受主观因素影响，尤其是在运动员水平相近，场上竞争激烈的情况下，会对比赛的结果产生直接的影响。以往国际大赛赛场上爆出裁判打分不公、蓄意操纵比赛的丑闻，国际体联同意对体操规则进行重新修改[1]。旧规则在主观打分的主导作用得到了限制。新规则的实行，在一定程度上能避免了以往规则打分不公平的现象，通过对比新旧规则，新规则在裁判设置方面更加客观，在评分方面更加具体，在扣分方面更加严格，另外在艺术性和美感方面的要求越来越严格。但是在完善体操的竞技规则的情况下，引入3D激光感应技术可以辅助裁判打分，可进一步提高比赛评分的准确性。
一、竞技体操项目评判特点
竞技体操评判项目多样性。表现为裁判员需要能够执裁多个比赛项目的能力，體操裁判员不仅要会鞍马评分，还要会双杠的评分，甚至既能评判女子项目，又能评判男子项目，评判的多项目性对裁判员要求更高，裁判员不仅能在评判过程中胜任多个小项的能力，还要熟练掌握各小项之间评判标准的不同，必须全面地掌握这些项目的知识，准确、深刻地理解竞赛规则与评分方法。
竞技体操评判任务具有不确定性。为确保比赛的公平、公正，常常将评分分工细化，增加裁判员人数，作为减少体操评分的有效措施，抽签决定裁判员的场上分工，成为保证比赛公正判员评判任务的不确定性，因此裁判员不仅要熟练掌握各评分细则，而且还要熟知它们之间存在的差异，才能做出准确评判。
竞技体操评判过程具有瞬间性。裁判员的评判是根据运动员在连续不断的运动中，根据完成动作的情况给出成绩。由于运动员在场上的动作是连续地、不间断地，动作转瞬即逝，不会重复出现。因此，在评判过程中，不仅要求裁判员能够在瞬间做出准确判断，同时还要能够关注到下一个动作，这样无疑给裁判员的评判增加了难度。
二、3D激光感应技术发展现状
3D激光感应技术研发正朝着高实时性、高分辨率、远距离、轻量化、低功耗等方面发展，主要集中在美国和欧洲等部分发达国家[3]。近年来，其该技术的发展主要体现在探测器件、数据处理和电路激光器等方面。早期3D激光感应系统为长距离、高功率的激光感应系统，可用于导弹防御和目标监视等军事领域。美国陆军正在研制的“网火”武器系统中的巡飞攻击导弹，装有能够自动确认目标的主动激光探测成像导引头，能够连续扫描直径500～600m，分辨率达150mm，使得LAM在飞行高度230m、飞行速度400km/h时还能自动辨认目标。我国研究3D激光感应系统较晩，相关研究总体处于实验室阶段，还需要攻破一些关键技术，与国外存在着一定的差距。但通过对该技术的开发引进，在不久的将来，3D激光感应系统将在我国军事和民用两大领域都会发挥着重大的作用。因此将3D激光感应技术引入体操评分系统已经具有一定的技术支撑。
三、3D激光感应技术的特点
（一）时间基准统一原理
通常定义一个时间系统包含时间的起点及时间的尺度，并且各个传感器具有独立的时间系统，将各传感器的时间统一到标准时间系统中，称为时间同步。移动系统中涉及的时间系统包括ATI时间、UTC时间、GPS时间、POS时间和本地时间等。激光扫描仪定义了内部时间系统，用以为激光扫描仪事件（如每次的激光发射）贯上仪器时间，因此，对于每次接收PPS脉冲也作为一个激光扫描仪事件。同时，具有GNSS时间信息和激光扫描仪内部时间的PPS信号就可以将激光扫描仪内部时间转换为GNSS时间。若只在激光扫描仪开始工作时做一次时间转换，仪器内部时钟精度相对较低，随着运行时间的累积会产生较大的误差。3D激光感应技术，在每个PPS脉冲贯有时间标签的触发沿都进行一次转换，计算的转换差值仅在接下来的一秒内有效，下一秒会计算新的时间差值，因此不存在累积误差。
（二）空间基准统一
动测量系统涉及多个传感器，而各传感器获得的数据都定义在自身的坐标系下，将移动测量系统中激光或者相机获取的数据通过坐标转换得到大地坐标的过程称为空间基准的统一。3D激光感应系统配备激光扫描参考坐标系到惯性平台参考坐标系，激光扫描参考坐标系和载体参考坐标系都为三维右手直角坐标系，且二者间为刚性变换，因此可通过3个平移参数和3个旋转参数实现转换。而这些参数即为激光扫描仪的安置参数，可通过检定场进行确定。
（三）精度的三维控制网
扫描仪识别，也要能够配合全站仪进行测量。这里采用圆形的回光反射标志，能够将其均匀的固定在地面上。中心用于全站仪瞄准进行测量。首先建立控制网，以提供测区范围内的统一坐标基准。控制网采用GPS静态测量方法，建立统一的精度均匀的三维控制网。为了保证特征点的精度，先通过静态观测在控制场中测设GPS控制点，通过静态同步观测，在控制场中布设2个GPS控制点，并与另一已知点进行联测。控制点提供的是WGS84坐标系下的大地坐标和空间直角坐标，而全站仪测量需要平面坐标。通常的方法是首先将大地坐标投影到平面上，然后全站仪设站并测得各特征点平面坐标，最后再经过投影反算得到各点的地心坐标[4]。
四、3D激光感应技术的概念及工作原理
3D激光感应技术是集激光扫描、测量和数字摄影为一体的现代化技术[2]，这样的探测系统能够测量出极小量的反射激光，并对所扫描到的物体实时进行3D建模。如图1所示，为一种激光3D激光感应成像系统的原理框图，它主要由激光发射系统、激光控制系统、数据处理系统、接收扫描系统、显示系统等5部分组成。3D激光感应成像系统通过GPS系统确定空间姿态与位置，同时由激光发射和接收系统获取地面激光脚点到发射装置的空间距离和矢量方向，利用导航参数作为基准，计算出地面点的地理坐标位置[3]。其工作原理是可以通过高精度3D激光传感器、数字全像彩色摄像机，对人体运动轨迹进行三维捕捉，从中获取有关人体骨骼活动和竞技动作的3D数据，用于识别运动员身体各部位的姿态和位置，以及完成的技术动作是否符合规则要求。裁判可以在监控画面中观看比赛的3D图像，掌握选手的动作完成度，这样可以让打分更加客观公正。通过获取大量体操判罚中所需的数据，创造辅助裁判打分的系统，同时还可用于体操运动员的日常训练。
五、3D激光感应技术的优点
优点：（1）主动照明，具备全天候工作能力；（2）抗干扰能力强，对背景有极强抑制能力，不易受环境温度及阳光影响；（3）抗隱身能力强，能穿透一定的遮蔽物、伪装和掩体；（4）具有高的距离、角度和速度分辨率，能同时获得目标的多种图像（如距离像、距离-角度像等），图像信息量丰富，易于目标识别等；（5）功能多样性，应用广泛（6）合成3D图像的时间短；（7）高精度，效率高，操作简单。
六、3D激光感应技术应用于竞技体操评分系统的意义
3D激光感应技术不仅是一项技术，更是一项综合运用的科学，3D激光感应技术作为现代化高科技技术，目前3D激光感应技术已应用在网球项目，辅助裁判的判罚，如果将其引入在体操评分系统乃至所有的主观评分系统当中，对未来的体育项目发展具有重大意义，因此，3D激光感应技术在体育领域具有很高的推广价值。
由于体操评判项目的多样性、评判任务具有不确定性、评判过程具有瞬间性，因此将3D激光感应技术引入体操项目，有利于减轻体操裁判员评分压力，培养体操裁判员的全面素质，并促进体操评分系统朝着准确化、科学化的方向发展。在竞技体操项目中引入3D激光感应技术，可以为更多的体育项目提供典范，促进体育与科技的结合，加快体育运动的发展，使体育运动体系更加科学化、系统化。
七、结论与建议
（一）结论
体操项目裁判员的评判是主观意识参与，并且通过视觉打分决定运动员的比赛成绩，3D激光感应技术有利于减轻裁判在比赛中的负担、有利于对每位选手客观公正、有利于观众欣赏比赛。
3D激光感应技术突破了传统的成像概念，能同时获得距离像和目标的强度像等多种图像，能将目标区分，还能抗电磁干扰，因此，这项技术很适于竞技体操评分系统的应用。3D激光感应技术功能多样性，应用广泛，高精度，效率高，操作简单，能够提供很高的角度分辨率和距离分辨率，而且3D图像的合成时间短，非常符合体操等主观肉眼观测项目，因此将3D激光感应技术引入竞技体操的评分系统，会使评分更准确，高效，结果更加公平，具有很高的应用推广价值。
目前国内的3D激光感应技术及相关研究仍处于实验室阶段，与国外存在着一定的差距，还需要攻破一些关键技术。可以肯定，在不久的将来，机载激光3D探测成像系统在军事和民用两大领域都会发挥重大的作用和优势。
（二）建议
引入新技术的同时，还需要分析影响体操项目裁判员评判的因素，要加强裁判员的培训，加强裁判员的业务水平、提高裁判员的心理素质、控制好比赛的环境，最后，每位裁判员应当义务遵守裁判员的职业道德，结合3D激光感应技术等新技术的引入，才能使体操等竞技项目得到更好的发展。将3D激光感应技术先在体操的鞍马、吊环等项目上试用，并在未来应用到花样滑冰、击剑等其他主观打分项目中，有效地减少裁判打分的误差。
参考文献：
[1]贺新成.男子竞技体操规则的变化与竞技性展望[J].中国体育科技.2004（02）
[2]章大勇，吴文启，吴美平.机载激光雷达系统标定方法[J].光学精密工程，2009，17（11）：2806-2813.
[3]孙志慧，邓甲昊，闫小伟.国外激光成像探测系统的发展现状及其关键技术[J].科技导报，2008，26（3）：74-79.
上一篇：激光干涉仪技术及发展