张 峰

（陕西中医学院体育部,咸阳,712000）

三维摄影摄像法在网球教学中的应用

张 峰

（陕西中医学院体育部,咸阳,712000）

网球教学中应用了三维摄影摄像法，提高了网球的教学效果。本文对简单介绍了三维摄像法的概念，阐述了CMOS摄像机的结构和工作原理，阐述了基于摄像机的图像采集系统的组成，最后分析了三维摄影摄像法在网球教学中的应用研究。

三维摄影摄像法；CMOS摄像机；网球教学

0 引言

网球这种运动项目的技术要求比较高，比如用球拍击球的这个动作，如果动作出现细微的变化，击出的球就相差很多。网球击球的技术多达十几种，比如高压球、截击球、抽球、发球等。发球也有多种动作，比如上旋发球、削击发球、平击发球等，技术都不相同，性能也不同及手拿器械的运动方式，这些都是学习网球技术的难点，增大了学习的难度。

在现在的网球教学中，主要采取传统的教学方法，比如讲解、示范动作，教师纠正错误动作的教学方法，没有自我动作分析的环节，所以动作在学生中的印象不深刻，难以真正掌握技术的要领。三维摄影摄像方法正好解决了这个难题，突破和创新了网球教学方法，提高了网球的教学效果。

1 三维摄影摄像法

三维摄影摄像法采用两台以上的摄像机对研究的对象从不同的角度进行同步拍摄，将拍摄得到的视频或者是平面影片进行数字化处理，然后计算相关的运动学的参数。三维摄影摄像法目前广泛应用在运动技术的分析和诊断领域，采用这种方法可以对技术动作进行直观、快捷、简单的三维立体分析，可以对技术动作进行科学的改进及纠正。这种方法应用在网球教学中，一定会提高网球教学的质量。

2 摄像机

2.1 摄像机的工作原理

摄像机的种类很多，外形也不同，但它们的基本组成和内部结构都是相似的。从外形上看，一般都是由光学镜头、光电转换电路、录像机、寻像器、输入输出单元及附件组成。其中光电转换器件（感光芯片）是摄像机的核心部件。目前，摄像机常用的感光芯片有CCD和CMOS两种。按感光芯片可将摄像机划分为CCD摄像机和CMOS摄像机；按输出图像信号格式可划分为模拟摄像机和数字摄像机；按像元排列方式可划分为面阵摄像机和线阵摄像机。

由于CMOS器件具有非常高的输入阻抗和非常低的静态功耗，电源电压范同宽，驱动与抗干扰能力强，便于集成，读出方式灵活并采用标准工艺制作，且其品质可随着半导体技术的进步而提升，所以目前均采用CMOS作为图像传感器。CMOS摄像机的最大特点是在单块CMOS传感器芯片上能集成所有摄像功能的电路。与CCD摄像机相比，CMOS摄像机具有帧速高、读取速度快的优点，但在图像质量与灵敏度方面却低于CCD摄像机。CMOS摄像机按输图像信号格式可以分为CMOS模拟摄像机和CMOS数字摄像机。CMOS模拟摄像机主要应用在闭路监控、工业监控、可视门铃、汽车后视、视觉玩具和消防类电子产品方面，这类器件连接监控的AV端口即可看到图像，通过图像捕捉卡也可将图像输入到计算机；而CMOS数字摄像机主要应用在图像识别、可视电话、数码相机、PC多媒体技术等方面。

2.2 CMOS图像传感器

典型的CMOS图像传感器通常包括单一时钟、时序逻辑、一个图像传感器核心、芯片内的可编程功能，比如增益调节、integration time、windowing、模数转换器。CMOS图像传感器典型结构如图3所示。和传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器将整个图像集成在一块芯片上，具有降低功耗、减少空间占用、总体价格更低等优点。CMOS在ASIC的半导体技术、闪存、微处理器中占有十分重要的地位。

如果光敏二极管上没有图像光信号照射，源极和漏极两极之间无电流通过，没有图像信号输出。如果光敏二极管上有图像光信号照射，源极和漏极两极之间会形成电流通路，输出图像电信号。由此可见，入射图像的光信号越强，源极、漏极之间的电流越大，输出的图像信号就越大，反之亦然。因此，输出图像信号的大小可以反映了入射光信号的强弱。由此可见，CMOS图像传感器的工作原理基于电荷存储，即，PN结反向充电，然后在光照条件下扩增，放电率随不同的光强度而不同。经过放电后，保留在每个像素中的电荷是不同的，所以实现了PN结面的图像信号的的光电转换，由光学系统转换到像素阵列表面，每一个像素阵列被扫描时，就可以得到一个图像的电信号。其工作条件必须是P型硅基底，负电源极和源极、正电源极和漏极分别相连。

2.3 CMOS摄像机工作原理

CMOS摄像机能把拍摄物的光信号转变为电信号后进行处理输出，工作原理如图5所示。

图1 CMOS摄像机工作原理框图

在拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在CMOS图像传感器的受光面上，同时把光能转变为电能，即得到了“视频信号”，但信号很微弱，需通过预放电路进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，得到标准信号，再将标准信号送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播或送到监视器上显示出来。

3 基于摄像机的图像采集系统

基于摄像机的图像采集系统可以采集图像，并通过计算机显示图像信息，该系统由摄像机、计算机、数据采集卡、串行口等构成。摄像机摄取图像后，通过串行口USB接口，将图像信息传输到计算机进行处理。USB总线已经成为PC标准接口之一，它可以减少PC机上过多的I/O端口，用串行通道代替，使PC机和外部设备设之间的连接变得容易。

4 网球教学中的应用

在网球教学中应用三维摄影摄像法，首先要采用三维定点立体测量方法对教学实验现场进行布置，需要的设备有2台JVC9800摄像机，2个三脚架，1台笔记本电脑，1个1394采集卡，1个数码相机， 1台监视器。两台JVC9800摄影机分别放置在投掷现场的正侧方及正后方，拍摄频率设置为50Hz，对学生的网球动作进行全方位拍摄。三维拍摄的示意图如图2所示。

由于网球教学的特点，比如教师一边讲解一边演示动作，学生不能清楚的观看，再加上场地、教学器材的限制，学生的学习速度很缓慢，严重影响了网球教学的质量。采用三维摄影摄像法可以有效解决以上问题，提高网球的教学效果。比如在学习正手上旋球技术动作时，先对动作要领进行讲解并观看正手上旋球的教学录像，学生对这个动作形成表观的认识。然后组织学生正手上旋球技术动作并把他们的动作拍摄下来，然后再播放正手上旋球技术动作的示范视频，加深对这个动作的印象，并进一步掌握技术的要领，再次拍摄学生的动作视频，可以根据标准动作视频进行练习，找出不足，对动作形成清晰、理性的认识，真正掌握技术要点，最后结合学生自身的风格，形成自己风格的技术动作，从而提高教师的教学效果。

图2 三维拍摄示意图

5 结束语

在网球教学过程中，采用三维摄影摄像法，是教学方法的改革创新，通过获得的学生的动作进行分析，可以看出提高了学生的网球基本的技能。

在网球技术教学中应用三维摄影摄像教学方法，可以更加直观的反映学生的动作和教师的降解动作，该种方法具有科学性及高效性，学生可以在短时间内形成正确的技术动作，提高了技术动作的分析水平，加快了学生的掌握。它的应用不仅缩短了学生对技术动作的掌握时间，并对技术动作进行了深度的剖析，利于动作的矫正，使动作的掌握更加精确，提高了网球教学的质量，突破了传统的教学方法。这种方法还提高了学生对网球学习的主观能动性，提高了教学的满意程度。

[1] 潘正坤,吕淼.录像反馈在网球教学中的实验研究[J].内蒙古民族大学学报,20 07,(3)．

[2] 李天琦.CMOS图像传感器像素光敏器件研究[D].哈尔滨工程大学,2013.

[3] 王旭东,叶玉堂.CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[J].电子设计工程,2010,11:178-181.

张峰，男，1985年11月，河南，助教，研究方向：体育教育

Three-dimensional photographic camera in Tennis Teaching

Zhang Feng
(Shaanxi College Sports，Xianyang，712000)

Tennis teaching method applied to three-dimensional photographic camera,improve the teaching effect of tennis.This paper introduces the concept of a simple three-dimensional imaging method,described the structure and working principle of CMOS cameras,describes the camera's image acquisition system based on the composition of the final analysis of the application of three-dimensional photographic camera in Tennis Teaching.

three-dimensional photographic camera Act;CMOS camera;tennis teaching