基于数据挖掘的篮球战术分析研究

第２０卷第２期　西安文理学院学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２０　Ｎｏ．２　２０１７年３月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｍａｒ．２０１７　文章编号：１００８—５５６４（２０１７）０２－００４６－０４　基于数据挖掘的篮球战术分析研究　程黎明　（吕梁学院离石师范分校，山西吕梁０３３０００）　摘要：篮球运动是体育竞技中的一项重要活动，通过对以往球赛的分析研究来指导新的比赛是现　代体育训练中的重要内容．把现代信息技术、数据挖掘技术应用到篮球战术分析中，介绍了篮球战术多　媒体数据库的数据挖掘的价值，重点分析关联规则在篮球技战术数据分析中的应用；并给出了篮球视频　战术实时跟踪与分析系统的设计．实践证明，在篮球战术分析中现代信息技术，特别是数据挖掘技术的　应用，使分析效果更直观、更深入．　关键词：数据挖掘技术；篮球战术分析；关联规则；分析系统设计　中图分类号：ＴＰ３９１；Ｇ８４１　文献标志码：Ａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　Ｔａｃｔｉｃｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄａｔａ　Ｍｉｎｉｎｇ　ＣＨＥＮＧ　Ｌｉ－ｍｉｎｇ　（Ｌｉｓｈｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｌｔｌｌｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｔｉｌｉａｎｇ　０３３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ　ｉｎ　ｓｐｏｔｓ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍ－　ｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｓｐｏｒｔｓ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｔｏ　ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｇａｍｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｒｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　ｙｇ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｔａｃｔｉｃｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉｍｅ—　ｄｉａ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｏｆ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｔａｃｔｉｃｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｒｕｌｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｔａｃｔｉｃａｌ　ｄａｔａ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｖｉｄｅｏ　ｔａｃｔｉｃｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｔａｃｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌ—　ｌｙ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｒｅ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂａｓｋｅｔｂａｌｌ　ｔａｃｔｉｃｓ；ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｒｕｌｅｓ；ｄｅ－　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　在篮球比赛过程中，教练员以及篮球相关工作人员都会利用各种手段收集对手球队的数据，其中有　些数据比较直观，而有些数据就可能无法直接展现其重要信息，甚至有些数据还会显示错误信息　］．如　今，信息处理技术发展日新月异，教练组人员可以在篮球信息数据库中获取大量篮球信息，但是在面对　海量的篮球数据时往往处于“数据有，信息无”的尴尬境地．一般情况下，教练员往往利用个人经验以及　篮球直觉来布置和安排战术，其战术的有效性和可靠性比较差，因此如何利用数据挖掘技术来挖掘隐含　收稿日期：２０１６—１２－１９　作者简介：程黎明（１９８４一），男，山西临汾人，吕梁学院离石师范分校讲师，硕士，主要从事体育教学研究　第２期　程黎明：基于数据挖掘的篮球战术分析研究　４７　在海量的篮球数据中的有效信息和篮球规律就显得十分重要．　１　篮球战术多媒体数据库的数据挖掘的价值　１．１　关联规则在篮球技战术分析中的价值　形象来讲，数据挖掘技术就是在海量的数据中挖掘有价值的信息或者规律的技术，其已经受到众多　专家学者的重视．以海量的信息数据为参照物，现阶段数据挖掘技术具有十分明显的不平衡性，也就是　基于关联规则的数据挖掘技术在算法有效性和使用效果上表现出较强的竞争性［２］．　关联分析（即Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉ），又称为亲和性分析，其首先由美国数据研究学家Ｒ．Ａ．ｇｒａｗａｌ提　出的，该技术的主要功能就是挖掘出数据之间的直接关联和间接关联关系，并且该技术属于无监督学习　的范畴．关联分析的应用前提就是当两个或者多个数据单位的取值出现重复的次数越高，该数据之间的　关联性就越大，而且还可以根据数据之间的关联性建立相应的关联规则，也就是说可以根据数据变量之　间的相关系数来决定数据之间的相关程度．如今，关联规则已经广泛应用到生活当中，比如顾客在超市　购买面包后会有８０％的概率购买牛奶，这就是一种非常明显的关联效应，当然如果超市将面包和牛奶　进行捆绑促销的话，一定会提高商品的销售额．　在篮球运动中，早在１９９７年，教练Ｇｒｅｇｏｒｙ就已经将关联分析应用到篮球战术分析中，并且得到以　下关联：当克里夫兰骑士队的组织后卫Ｐｒｉｃｅ在场上时，该队队友Ｊ．Ｓｍｉｔｈ的中距离命中率竟然达到　１００％，远远高于全队中投命中率４９％，而且关于关联规则的解释与比赛视频得到的结果相得益彰，其　得出的结果会直接影响到以后比赛的走势　Ｊ．在２００５年，教练Ｃｈｅｎ—ｙｏｎｇ　Ｈｕ也将关联分析应用到篮球　战术分析中，并得到以下关联性：当组织后卫得到一次助攻后往往会成功抢断一次，该助攻抢断比为　１：１，而大前锋则在抢篮板球和犯规方面会存在一个明显的关联性，该篮板球与犯规比值为１：２，因此如　果该球队要保证拥有足够的篮板球，就需要在大前锋位置上有较多的球员．　１．２可视化技术在篮球技战术分析中的价值　相对于国外来说，国内的可视化技术应用较少，尤其是关于篮球运动的可视化技术的研究和使用则　更少．不可否认，我国竞技体育运动员的文化程度不高以及对于抽象战术理解较为薄弱，这恰恰更能体　现出可视化技术的应用价值．　可视化技术（即Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）是一种基于数据发现的技术，其可以直接实现数据与图像之间的互　换，既可以从图像中分析出相关数据和规律，还可以由数据衍生出图像，当然该技术十分依赖先进的图　像处理技术、计算机图形学以及视觉学等学科．在具体的数据挖掘过程中，因为所面对的对象为海量数　据，因此利用如Ｓｐｓｓ、Ｅｘｃｅｌ、Ｆｌａｓｈ以及Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ等软件进行必要的数据建模以及可视化技术处理　．　其中，关于数据可视化的方式主要有折线图、散点图、直方图等，关于模型可视化的方式与数据挖掘算法　联系紧密，比如可以利用树形表示决策树算法，利用数据流向图来详细描述数据关联的发现过程．　２关联规则在篮球技战术数据分析中的应用　２．１关联规则的形式化　在关联规则的发展初期，关联规则只是基于ＫＤＤ研究的一项课题，首先由专家学者Ｒ．Ａ．ｇｒａｗａｌ的　团队提出的，其可以作如下定义：假设，＝｛ｉ　，　，…，ｉ　｝为项目集合，Ｄ为关于事务的数据库，其中事务　属于项目子集，即（Ｔ∈，），而且每个事务还专门配有唯一的标识符ＴＩＤ．具体来讲，如果项目集合　属　于事务　，即Ｘ∈Ｔ，则存在基于　—ｌ，的逻辑关联规则，并且满足Ｘ∈Ｔ，Ｙ∈Ｔ以及　ｎ　Ｙ＝　，其中　表　示为规则的前提，】，表示为规则的结果．针对事务数据库，如果有ｓ％的事务包含　ｕ】，，则称基于　】，　的关联规则支持度为ｓ；如果有ｃ％的事务同时包含事务　和ｙ，则称基于　—ｙ的关联规则信任度为ｃ．　形象地讲，基于　】，的关联规则支持度为包含　ｕｙ交易数量与总交易数量的比值，而基于　ｙ的关　联规则信任度为包含　ｕ　ｙ的交易数量与包含　的交易数量的比值．　２．２关于Ａｐｒｉｏｒｉ算法的优化问题　基于Ａｐｆｉｏｉｆ算法的优化的核心就是关联分析，而且经过反复试验不难发现Ａｐｒｉｏｉｒ算法的瓶颈其实　西安文理学院学报（自然科学版）　第２０卷　就是如何生成候选集合，主要是因为候选集合非常庞大，例如，要在１０６个频繁１４项的集合中生成１ｌＯ　个候选频繁２４项集合，就需要制定规模为１００的频繁规模，也就是｛ａ　，ａ　，…，ａ。。。｝需要首先生成至少　２　２００项候选集合，还要针对数据库进行多次扫描，其中如果搜索模式为ｎ的话，就需要至少ｎ＋１次数　据库扫描　Ｊ，因此针对Ａｐｒｉｏｒｉ算法进行一些改进．　（１）Ｈａｓｈ方式计数：首先针对基于Ｈａｓｈ的项集进行计数，如果在基于Ｈａｓｈ二叉树上的ｋ：项集的　计数小于规定的阈值，则该项集就不会是频繁的．　（２）记录：事务记录得到进一步地减少，而且没有包括频繁ｋ：项集的事务也不会包括大于频繁ｋ　项集．　（３）分割：在整个数据库中，如果该项集为频繁的，则它至少在一种分割上为频繁的．　（４）抽样：可以直接在规定的子集上进行数据挖掘，而且该挖掘技术还支持验证方案．　（５）动态方式计数：在添加候选项集之前，可以评估其包括的所有子集是否为频繁的．　３　可视化技术在篮球技战术多媒体数据分析中的应用　３．Ｉ运动队比赛阵容战术可视化　在篮球比赛中，球队的阵容安排是最基础也是最重要的战术安全之一，阵容安排是教练组成员根据　敌我双方球员的情况以及总体比赛策略而专门安排的，这体现出教练组成员的用兵策略以及各个比赛　队员的竞技水平．每个篮球阵容会包括一套主力阵容和几套替补阵容，一般来说，如果没有重大突发情　况比如伤病等情况，该主力阵容都会保持稳定，这也是高水平篮球队伍的一个基本特征．究其原因，主要　是因为队伍大部分技战术都是围绕主力队员设计的，因此关于篮球战术的研究首先应该从战术阵容开　始．以前关于篮球战术的描述都较为简单，比如教练组成员都会以“对方几号”等抽象的语言来比安排　篮球技战术，这种比较适用于在比赛过程中利用暂停快速分析和安排有针对性的战术安排．但是如果在　赛前进行技战术安排或者在赛后进行比赛总结时，由于可使用的时间非常充裕，因此再用这种抽象的方　式讲述战术就显得比较单一，尤其是赛前技战术安排时，由于队员对于对方的实力和阵容都比较陌生，　而教练员讲解和分析阵容战术时就显得比较模糊．因此，在比赛初期出现战术执行失误以及防守漏洞就　显得稀疏平常，但是这几分钟的局势会直接影响到整场比赛的走向．如何准确有效地安排比赛阵容，尤　其是关于极个别明星球员的技战术安排就显得越加重要．　３．２运动队进攻与防守质量比较可视化　篮球比赛的胜负是由各队的得分决定的，这不仅取决于本队的得分（与该队的进攻质量紧密相　关），而且取决于对手的得分（与本队的防守质量紧密相关）．一般来讲，常规的篮球比赛通常有４节共　有４０分钟（美国职业篮球联赛的常规比赛有４节共４８分钟），总体来讲，比赛双方共有１６０到１８０个比　赛回合，此时所谓的比赛回合主要指一方丢失球权就算一次　Ｊ．理论上讲，比赛双方均有８０到９０次的　进攻机会，同时也由８Ｏ到９０次的防守机会，而且随着现代篮球运动的不断发展，比赛激烈程度越加强　烈，不到比赛最后时刻都很难预知比赛的结果，其中比赛的每个攻防也都会影响到比赛最后的胜负，而　且决定比赛胜负的因素过于繁杂，比如每个回合的战术执行、每个回合的得分效果以及比赛节奏的把控　等．在比赛中，与得分相关的因素主要有：（１）投篮选择以及得分命中率：显然球队的得分与队员的投篮　选择以及得分命中率有直接关系，比如每进一个罚球得一分，三分线内得分为两分，三分线外得分为三　分，如果在投篮过程中受到对方球员犯规还能够得三分或者四分．（２）篮板球：球队篮板球与球队得分　有着直接关系，一般情况下球队的罚球命中率介于７０％到８０％之间，二分球命中率介于４０％到５０％之　间，三分球命中率介于２０％到３０％之间，从某种意义上讲，篮板球的个数会显著提高该球队进攻的次　数，从而整体提高该球队的比赛成绩，因此有人称篮板球为篮球比赛的致胜的关键．（３）技战术执行效　果：球队技战术的安排和执行效果会间接影响球队的得分，比如不讲比赛策略和团体配合，只知道蛮干，　或者自己在吸引包夹和协防时没有将球及时传出而是自己强行投篮，或者在快攻中出现二打一或者三　打一机会时，还是选择强行投篮或者在场上不知道跑位和掩护而是等待传球投篮，这些必然会造成命中　率降低．（４）球队防守质量：球队防守质量与球队得分也有着间接关系，比如如果只是重视进攻而轻视　第２期　程黎明：基于数据挖掘的篮球战术分析研究　４９　防守的话，必然会造成我方得分对方也得分，甚至出现对方得分更多的情况，因此大部分ＮＢＡ教练员都　承认一个观点，只有防守才能够赢球．显然，高质量的防守不仅可以对方得分，而且还能够增加盖帽　和抢断的机会，从而获得更好的得分机会．球队只有重视上述４个方面的因素，才能够在场上处于更加　有利的地位，从而提高获胜的概率．　４　篮球视频战术实时跟踪与分析系统的设计　基于数据挖掘技术的篮球战术分析流程图如图１所示・具　ｒ，．　体来讲，首先进行摄像定位，将篮球实时数据与具体空间进行结Ｉ．　＝＿　＝＝　．．　合；接着利用摄像背景技术提取目标，并对提取的目标进行仿射　．．’：：＝二　二二二：：’．　变换处理，从而达到降低梯形失真的不良影响；然后借助多相机　Ｉ　剪　营　Ｉ　裁剪技术以及仿射变换技术裁剪空间图形，并对裁剪后的结果　【　投球方位　，Ｊ　进行交集处理，从而得到关于目标的俯视图效果，也就达到了标　业　定目标的效果．　ｆ得　及ｌ　４．１预处理阶段　・－　三兰　兰＝　・　‘本文应用的“仿射变换”其实就是一种简单的图像变换技　ｒ，．　’　经过仿射变换后还是直线，鬟　而原图像的平行线经过仿射变换后嚣　嘉萎　鲁　—　—　Ｌ一．ｊ　数据进行分析　Ｊ　足半仃或・　；Ｉ战术进行分析Ｊ！　篮球视频战术实时跟踪与分析系统的预处理阶段首先利用　’－．　＝　．・　相机标定目标，然后将系统数据与空间数据进行统一处理，借助图ｌ基于数据挖掘技术对篮球视频战术　背景差法提取目标，针对目标进行仿射变换，最后消除图像的梯　实时跟踪分析流程简图　形失真．需要注意的是，相机设备一般会存在几何畸变，而图像的扭曲变形则是几何畸变中最为重要的　方式．一般情况下，几何畸变主要表现为枕状变形和桶状变形等非线性变形方式，：　．．　；　：　：　具体的非线性几何畸　变示意图如图２所示．　由于镜头成像技术以及拍摄角度等原因，图片或多或少都会存在几何畸变以及梯形失真．本质上　讲，梯形失真主要是由摄像机的投影原理造成的，该技术为基于三维空间的放射变换技术．　具体的三维仿射变换几何意义示意图如图３所示，其原理就是原图像放置在正四棱锥的某个特定　位置上，然后利用投影和透视技术将原图像进行变换，而且该技术可以有效矫正基于透视投影的图像　变形．　＠　＠　图２非线性几何畸变　图３　三维仿射变换的几何意义　４．２利用背景差法提取目标图像的问题　针对大多数场景来讲，可以利用背景差法有效地提到目标图像，实验室的实验效果已经证实了提取　图像效果．但是面对真实的篮球比赛场景时，背景差法就要考虑多个干扰因素，比如运动目标所占空间　较大，队员之间容易出现遮挡链接现象等，因此利用背景差法识别这类目标图像时会出现粘连问题．　（下转第６６页）　西安文理学院学报（自然科学版）　第２０卷　［参考文献］　刘明春，张承宁，王志福．８×８轮毂电机全轮驱动车辆动力学建模与仿真［Ｊ］．北京理工大学学报，２０１４（２）：１４３—　１４７．　［２］　方义．轮毂电机直接驱动对电动汽车行驶平顺性的影响［Ｄ］，吉林：吉林大学，２０１２．　［３］　黄治潭，张孝祖，乐巍．汽车一般双轴悬架模型及其平顺性分析［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２００３（１）．５１—５４　＋５９．　［４］　张孝祖，乐巍．分析双轴汽车模型平顺性的推广方法［Ｊ］．江苏大学学报（自然科学版），２００２（３）：４１—４４．　［５］　陈翠彪，刘正士，彭敏，等．双轴汽车受路面作用的动载荷分析［Ｊ］．农业机械学报，２００８（２）：１８５—１８７．　［６］　高晋，杨秀建，牛子孺，等．双轴车辆俯仰振动及凸块路面平顺性仿真研究［Ｊ］．重庆理工大学学报（自然科学版），　２０１５（９）：２０—２９．　［责任编辑王新奇］　（上接第４９页）　４．３篮球视频多目标跟踪　篮球视频的多目标追踪技术的前提条件就是进行目标检测，也就是在运动目标特征的基础上使用　合适的图像匹配算法确定运动目标的位置，并且描述出完整的运动目标的运动轨迹．在实际篮球比赛　中，可以针对篮球场的运动目标分析后续篮球行为，识别和理解篮球战术，分解关键战术等，因此基于运　动目标的多目的跟踪技术的优劣会直接决定着篮球比赛的识别和分析战术的能力．　５结论　随着我国体育事业的不断发展，尤其是竞技体育领域已经积累了海量体育数据，体育科研人员的重　要科研任务就是挖掘体育数据和体育规律．本文探究如何实现篮球技战术的信息化和数字化，由此可以　让体育数据分析人员从底层重复活动中出来．与此同时，数据挖掘技术可以帮助教练人员挖掘更为　有效的体育数据，从整体上提高篮球技战术分析水平．　［参考文献］　［１］　张辉．计算机视频技术在乒乓球比赛分析中的应用［Ｊ］．上海体育学院学报，２００５（６）：４７—５１　［２］　陈健．虚拟现实技术在体育运动技术仿真中的应用［Ｊ］．体育科学，２００６（９）：９７—１０１．　［３］　陆丽娜．挖掘关联规则中Ａｐｒｉｏｒｉ算法的研究［Ｊ］．小型微型计算机系统，２０００（９）：９４０—９４３．　［４］　喻武龙，陈伦海，李克勤，等．视频运动目标跟踪系统设计［Ｊ］．电子设计工程，２０１１（２２）：１５１—１５３．　［５］　陈强．篮球战术计算机辅助教学软件的初步设计与实现［Ｄ］．长沙：湖南师范大学，２０１１．　［６］　李蕊，韩亚红．高尔夫球体育视频分析系统的开发［Ｊ］．电脑知识与技术（学术流），２００７（４）：１１２７—１１２９　［责任编辑王新奇］