基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统_薛海涛.pdf

行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统*薛海涛1,李小妮2(1.咸阳师范学院 体育学院，陕西 咸阳 712000;2.西安文理学院 体育学院，陕西 西安 710065)摘要:为了提高篮球投篮命中率，设计基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统。构建投篮动作捕捉子系统及其微课教学资源设计与开发模块，通过求取投篮阶段性动作的对应时刻帧，完成篮球投篮动作捕捉，结合由管理数据库、用户登录管理、教师管理、学生管理、班级管理、用户个人管理等部分构成的系统管理模块，完善微课教学辅助系统构架。仿真实验结果表明系统的篮球投篮动作捕捉精度较高。关键词:多媒体技术；教学辅助系统；动作捕捉中图分类号：TP37文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0174-04Teaching Aid System of Basketball Shooting Action Micro-class inColleges and Universities Based on Multimedia TechnologyXUE Hai-tao1,LI Xiao-ni2(1.School of Physical Education,Xianyang Normal University,Xianyang 712000 China;2.Arts and Sciences of Xian University,Xian 710065 China)Abstract:In order to improve the hit rate of basketball shooting,this paper designs a micro teaching assistant system of college basketballshooting based on multimedia technology.This paper constructs the shooting action capture subsystem and its micro teaching re-source design and development module.By obtaining the corresponding time frame of shooting phased action,the basketballshooting action capture is completed.Combined with the system management module composed of management database,userlogin management,teacher management,student management,class management,user personal management,etc,it improves theframework of micro teaching auxiliary system.The results of simulation experiment show that the system has high accuracy ofbasketball shooting motion capture.Keywords:multimedia technology;teaching assistant system;motion capture*基金项目：陕西省体育局课题（2020310）收稿日期:2021-06-11DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0174-04.1引言作为世界型运动项目，篮球运动以命中率为主，而投篮动作技巧是直接影响篮球命中率的主要原因之一。篮球比赛获胜标准为投篮所得分数，篮球场上的所有进攻防守战术与矛盾都是为了投篮得分，故加大投篮教学与训练力度、严格规范与熟练运用投篮动作，是篮球教学中的一个基础内容，因此，设计篮球投篮动作微课教学辅助系统能够帮助高校篮球投篮动作分析1。高校篮球投篮动作网络课程的多重交互共享式微课教学系统，首先阐述微课教学模式优势与系统整体设计流程，其次基于功能模块，运行流程，多元用户，辅助系统详细设计系统，最后以实例验证微课教学系统的综合性能2。基于积件课件的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统，教师以知识点为单元，设计可重组、可积、具有良好的互动性的积木课件，学习者根据自己的学习需要，自由组合自己的学习资源，以提高学习者的学习兴趣与效果3。但是应用两种系统后的篮球投篮命中率不佳。因此，本文以多媒体技术为支撑，设计出一款高校篮球投篮动作微课教学辅助系统。2篮球投篮动作捕捉子系统将光学式作为投篮动作捕捉子系统的捕捉模式4，其硬件组件由高速三维运动数据捕捉工作站、专用电缆、专用近红外高感度摄像机以及DIMS(Dispatching Intelli-gent Management System，调度智能化管理系统)控制器构成，软件应用含有数据编辑与格式转换、高精度三维空间标定、motion builder三维角色动画以及实时高精度三维动作数据捕捉等一系列程序。通过空间标定、动作捕捉、数据处理、解析及编辑转174自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications换等阶段，实现投篮动作捕捉子系统的整体运行，各阶段具体操作内容描述如下：(1)空间标定：对捕捉投篮动作空间的三维坐标系进行标定，并明确可用的捕捉空间；(2)动作捕捉：作为子系统的关键阶段，该阶段利用多台近红外高感度摄像机，提取标定空间中的目标运动轨迹；(3)数据处理与解析：自动捕捉、重建目标三维数据；采用特征分析的相关软件解析运动目标的速度、位移等信息与运动轨迹图像；(4)数据编辑转换：此模块帮助用户编辑修改、滤波处理所得三维数据，改变数据文件格式。经选取微课教学主题、篮球教学分析、微课资源设计与开发、系统应用反馈与优化等，完成以动作捕捉子系统为基础的微课教学资源设计与开发模块构建，设计与开发模块中各层级内容具体描述如下：(1)微课教学主题选取：教学主题对篮球微课质量具有重要的影响力，为提升微课教学效果，应选取操作性强的重点知识作为设计与开发的教学主题；(2)篮球教学分析：该层是由教学内容、目标以及用户特征分析构成的微课教学基础；(3)微课资源设计：利用教学设计环节与多媒体设计环节，选取篮球教学方案、制定投篮活动、撰写微课脚本与课件等；(4)微课资源开发：利用操作简单、功能强大的3DS-max5与Motion builder等软件，开发微课教学的相关模型，通过采集篮球投篮教学数据，分析投篮技术姿态，完成投篮动作的动画录制，经Lectora Inspire课程设计软件整合三维动画、课件以及音频等素材文件，制作成具有强交互性的微课教学课程。(5)系统应用反馈与优化：其功能是验证该模块的有效性与实用性，根据采集的用户体验反馈信息，进一步优化微课教学设计与多媒体设计内容，提升实际教学应用性。3篮球投篮动作捕捉算法投篮动作有准备、举臂、下蹲、伸展四个阶段，根据高校学生投篮时肩部与手肘关节点的纵坐标运动轨迹，得到准备、举臂、下蹲、伸展四个阶段动作的相应帧序列，分别为t0、t1、t2、t3，具体描述如下：(1)预备时刻帧t0：该时刻，学生肩部纵坐标yA大于手肘、手腕关节点的纵坐标yB、yC，条件不等式如下所示：(1)(2)举臂时刻帧t1：学生肩部纵坐标相交手肘纵坐标于时刻帧t1，若该时刻帧的前后帧分别tf是与tb，tf时刻帧下的肩部与手肘纵坐标为、，tb时刻帧下的肩部与手肘纵坐标为、，则满足下列不等式组：(2)(3)下蹲时刻帧t2：介于t1与t3之间，肩部关节纵坐标yA小于手肘、手腕关节点的纵坐标yB、yC，条件不等式如下所示：(3)(4)伸展时刻帧t3：此时篮球已出手，故也叫作出手帧6。假设关节点纵坐标随时刻帧变化轨迹的对应时间是，则利用下列公式求取关节点纵坐标最大值点的帧：(4)基于所得关节点纵坐标最大值点的帧，完成出手帧集F的初始化处理，得到如下表达式：(5)若篮球中心与手腕之间的欧几里得距离D是下列有序序列：(6)则关于出手帧集F的欧几里得距离为：(7)经前向差分处理DF后，推导出DF表达式，如下所示：(8)通过匹配上式，令下列方程组成立，即可得到与i对应的出手帧t3：(9)4高校篮球投篮动作微课教学辅助系统管理模块微课教学辅助系统管理模块的主要组成部分为系统管理数据库、用户登录管理、教师管理、学生管理、班级管理、用户个人管理等部分7。具体描述如下：(1)辅助系统管理数据库：储存教师、学生以及班级等基础数据信息，不同用户身份的使用权限分别用管理员-0、教师-1、学生-2、一般用户-3表示。数据库的常用表结构分别如下列表1表5所示。(2)用户登录管理：根据权限等级，用户输入对应用户名称与登录密码，若数据库判定用户为合法用户，则通过对应接口进入系统的下一步骤8。(3)教师管理部分：关于教师用户表，仅管理员具有增添、删减、修改等操作权限，基于用户确认机制，设计用户确认框架，保证数据库完整。(4)学生管理部分：针对学生用户表，仅教师用户具有增添、删减、修改等操作权限。175行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications表1教师用户表名称teacher IDusernamePwdnamequestionanswerstatusregstatuscodeemail种类int，identity（1,1），not nullnvarchar（25），not nullvarchar（25），not nullnvarchar（40），not nullnvarchar（65），not nullnvarchar（60），not nullintsmallint，not nullnvarchar（20），not nullvarchar（65）释义随机注册教师ID用户名称用户密码真实姓名密码找回问题提示密码找回答案提示当前状态登录状态用户证件号码用户电邮号码表2学生用户表名称student IDusernamePwdnamequestionansweremail种类int，identity（1,1），not nullnvarchar（30），not nullvarchar（20），not nullnvarchar（30），not nullnvarchar（60），not nullnvarchar（10），not nullvarchar（30）释义随机注册学生ID用户名称用户密码真实姓名密码找回问题提示密码找回答案提示用户电邮号码表3班级数据表名称class IDclass namePwdteacher ID种类int，identity（1,1），not nullnvarchar（30），not nullvarchar（15），not nullint，not null释义随机注册班级ID班级名称班级密码班级建立教师ID表4学生-班级数据表名称student IDclass IDstudent#种类int，not nullint，not nullvarchar（35），not null释义学生ID班级ID用户学号表5教师-班级数据表名称teacher IDclass IDPwd种类int，not nullint，not nullvarchar（25），not null释义教师ID班级ID班级创建密码(5)班级管理部分：班级表可由管理员与教师管理，不同的是管理员管理全部班级，教师仅管理对应班级，管理员与教师的管理内容各是增添、删减、修改班级表或教师-班级表。(6)用户个人管理：该管理部分仅为用户通过删减、修改来管理自身数据信息，此模块因一般用户缺失个人资料而不具有访问权限。5仿真实验分析为了验证本文设计的基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统在实际应用中的有效性，采用Matlab仿真软件进行一次仿真实验分析。系统硬件参数配置如下：表6系统硬件参数配置设备三维运动数据捕捉工作站DIMS控制器近红外高感度数字摄像机专用电缆高反射标识器型号东方新锐6BFDIMS-16gh东方新锐IRMT62IRMT-CableMK-30配置因特尔酷睿4GB处理器、628MB显卡单机12通道80135Hz/s采样频率、近200个远红外LED发射器50米30mm采用近红外高感度数字摄像机，通过三维运动数据捕捉工作站获取学生篮球投篮动作图像，如图1所示。图1学生篮球投篮动作图像采用基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统、多重交互系统和积件课件系统，对学生篮球投篮动作捕捉精度进行对比，对比结果如表7所示。根据表7中的数据可知，基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统的学生篮球投篮动作捕捉精度最高可达96.33%，而多重交互系统和积件课件系统的对学生篮球投篮动作捕捉精度最高只有60.28%和49.63%，多媒体系统的学生篮球投篮动作捕捉精度比传统系统的学生篮球投篮动作捕捉精度高。为了进一步验证多媒体系统的有效性，对学生应用本文设计的基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统、多重交互系统和积件课件系统后的篮球投篮命中率进行对比，对比结果如图2所示。176自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications表7学生篮球投篮动作捕捉精度对比结果实验次数/次102030405060708090100110120130140150篮球投篮动作捕捉精度（%）多媒体系统95.3092.3092.5893.6392.5291.4590.2890.2891.3694.2591.2296.3394.0293.6991.58多重交互系统56.0052.3250.2353.4451.5853.2254.4251.3652.3360.2853.5251.4250.1759.7558.45积件课件系统40.2043.3640.3649.6334.2430.6339.6339.6334.2545.0649.3241.2546.3745.2541.25图2篮球投篮命中率对比结果根据图2可知，学生应用设计的基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统后的篮球投篮命中率最高可达99%，比学生应用多重交互系统和积件课件系统后的篮球投篮命中率高，说明基于多媒体技术的高校篮球投篮动作微课教学辅助系统能够很好的辅助高校篮球投篮动作。6结束语计算机技术日新月异，飞速发展的多媒体技术不断改变着教育模式，并逐渐演变为网络教学强有力的技术支持，不仅打破了教学上的时间、空间限制，而且还加快了知识的更新速度，使当前教育模式更加信息化。体育网络教学作为传统体育教学模式的辅助，目的是增强学生体魄，为建立一种现代化体育教学模式，以高校篮球投篮动作为教学对象，构建多媒体技术下的微课教学辅助系统。系统应除教学大纲相关内容外，再开发一个篮球信息资源库，便于篮球信息的及时更新与了解；需完善体育理论考试，探究学生对投篮动作要领的掌握程度，为实践教学提供更好的辅助作用。参考文献:1 林巍.基于VR的计算机辅助教学系统设计J.电子技术,2020,520(3):158-159.2 程瑶.高校计算机网络课程的多重交互共享式微课教学系统研究J.自动化技术与应用,2020,303(9):171-173.3 司玉杰、时振涛、张仕林、刘梦洁.基于积件课件的辅助教学系统设计J.科技与创新,2020,165(21):21-24,26.4 吴佳.基于微课的模块化辅助教学模式探究J.海外英语,2020,431(19):37-39.5 李瑾.基于Web的辅助教学系统的设计分析J.计算机产品与流通,2020(11):164-234.6 刘超,薛羽,李明东.基于智能分析学习行为数据的辅助教学系统设计J.天津电大学报,2019,23(2):21-25.7 胡彦超,陈清奎,魏鑫鑫,等.基于AR的 冲压模具 辅助教学系统研究J.模具工业,2020(1):69-71.8 张臣,刘胜兰.基于微信公众号的移动辅助教学平台的构建研究以CAD/CAM类课程为例J.工业和信息化教育,2019(1):50-54.作者简介:薛海涛（1979-），男，本科，硕士，副教授，研究方向：体育教学与训练。177