按照现有技术，用光学装置和工作在可见光区的摄像机，确定体 育竞技或训练中目标的动态参数，不能充分解决也不能满足现有的需 求。举例说，球飞行速度的估算仅给出许多必要参数中单个参数。慢 的视频拍摄不能提供客观地确定界外球条件要求的精度。
WO 87/01295，A63B71/06公开一种方法，它借助红外摄像机给 出网球撞击场地时位置的像，该方法包括的步骤有，记录球接触时的 位置及接触后两个球的位置，以便识别该印迹是否属于反弹的球，不 与其他热印迹混淆。但是，该方法不能给出球运动所有分量的信息； 而是仅以不充分的精度，确定球与场地表面接触的位置。
2000年公布的EP 0812228，A63B71/06，公开一种确定体育中使 用的目标(球、选手、轮胎、赛跑者、等等)与出发点(地面、卓面、 运动场边界、等等)的接触面积的方法，该方法涉及使用附加的金属 粉末，在地面作出标记，以便加强限制的边线与地面本身的区别，从 而通过红外印迹改进体育目标的定位精度。该方法的缺点是，它只确 定接触面积，所以它只能确定仅在接触时表征目标运动的参数。在这 种情形下，不能估算诸如运动能量、目标的线速度和旋转速度等运动 参数。此外，对裁判员来说，仅有从场地表面反弹的球得到的热打印 输出是不够的，因为一次且相同的打击，可以有不同的印迹长度，这 与红外摄像机的灵敏度有关。反之亦真，在相同的摄像机灵敏度上， 不同的打击速度和不同的场地覆盖物，也能得到不同的印迹长度，这 一点妨碍对是否发生界外球条件的裁判。还有，要实现该方法，必须 使用专门的油漆，以加强红外区中场地边界的反差。所有这些情况对 该方法的使用施加基本的限制。

因此，本发明的目的，是提供一种规定器材目标的动态运动参数 的方法，该方法将能获得足够数量的定量的动态参数，改进体育比赛 时裁判的客观性，并帮助工程人员、设计人员、和科研人员发展及改 进体育设备，以及对训练过程提供帮助。
该目的是利用一种方法达到的，该方法在体育竞技或训练中，用 于确定器材目标的动态参数，该方法包括：在红外光谱区中记录目标 运动的轨道；记录从目标与周围物体或周围环境相互作用得到的红外 印迹的轨道。
“红外印迹”是指目标(球、场地、媒体)上，温度不同于环境温 度或目标其他部分温度的部分表面或全部表面。如果红外印迹是从两 个物体的非弹性碰撞得到的，它可以有正的值。在这种情形中，接触 表面的温度比周围物体或目标的其他部分温度高。如果红外印迹遮挡 其他更热物体，或位于比目标温度更高的环境中，它可以有负的值。
“红外印迹轨道”是指红外印迹在空气媒体中和在另一个物体表 面上产生的点的几何位置。同时，红外印迹相对于该媒体和在该表面 上，可以有正的或负的值。
当球从一个选手飞行到另一个选手时，可以有几条红外印迹轨 道。取决于作业的设置，可以同时分析一条、两条、或更多条轨道。
印迹例如可以从球与场地表面接触得到。印迹也可以从球遮挡周 围物体(场地表面、观众、和其他热源)发射或反射的热辐射得到。
为获得更为准确的器材目标的动态运动参数，本方法还包括：在 目标运动轨道不同部分上，记录红外辐射强度改变的动态范围；记录 不同光谱区中红外印迹轨道；或者还记录从目标与会聚的或分布的外 部红外光源相互作用得到的影子轨道。
此外，在网球中，用红外印迹轨道的破裂，记录球与场地接触的 面积和球与场地表面碰撞的时刻。还可以用轨道的形状，确定对评价 打击质量有重要作用的参数，诸如球的线速度、旋转速度、和球起飞 角与球上飞角相比的变化。
WO 87/01295公开一种装置系统，用于客观地裁判网球竞赛，该 系统包括一个或多个红外摄像机和一个与外围装置连接的计算机。但 是，该系统不能以足够的精度，提供足够数量的球运动的动态参数。
本发明的目的，是提供一种装置系统，它能以足够的精度，确定 体育竞技或训练中器材目标要求的动态运动参数。
该目的是利用一种装置系统达到的，该系统包括一个或多个红外 摄像机及一个计算机，还包括一机械振动接收器。
该系统还可以包括外部光源。
为改进获得的动态参数的精度，该光源最好被频率或红外波长调 制，且与该一个或多个红外摄像机同步。
另外，红外摄像机可以有图像记录的控制时间。
该一个或多个红外摄像机，可以包括能使运动与机械振动接收器 同步的装备。
该一个或多个红外摄像机，可以包括改变这些红外摄像机灵敏度 光谱区的光学滤波器系统。

图1对例如网球画出装置系统的示意图(对其他比赛，摄像机、 红外光源、和机械振动接收器的数量和相互间排列，可以不同。举例 说，对乒乓球和台球，所有该三种装置，在单个台子的情形下，排列 在台的下面)，该系统包括：
有旋转机构的红外摄像机1、2、3、4，这些旋转机构与机械振动 接收器及光学滤波器系统同步；
与红外摄像机同步的四个红外光源5；
机械振动接收器6、7、8、9，同步地接收通过空气和场地覆盖物 上的机械振动，这些接收器连接至机械振动分析器，后者则给出打开 和关闭红外摄像机的信号；
装有控制板和软件的中央计算机10，协调红外摄像机、机械振动 接收器、和红外光源调制的操作；
视频显示器11，以图像向观众表明红外印迹轨道的处理结果，和 在比赛中球运动参数的数值；
网球场地12；
网13；
第一个选手的发球点14；
第二个选手的发球点15；
点16是第一个选手发球后，球与场地的接触点；
点17是第二个选手发球后，球与场地的接触点。
按照本发明的装置系统，操作如下。
当球从左方位置14发出时，球拍打击球的声音到达接收器6和8， 后者打开摄像机2和4并关闭摄像机1和3。在信号从球拍到接收器 的时间内，球将飞行最大约两米，这样的距离不影响印迹轨道结构的 精度，从而不影响球运动参数的确定。当球碰触点16时，产生的机械 振动，通过场地覆盖物(或空气)发送至接收器7和8，后者经过预 定的时间后，例如1秒后，关闭摄像机2和4。当球被第二个选手接 到，球拍打击球发出的声音，被接收器7和9检测，后者打开摄像机 1和3，并假如摄像机2和4尚未被先前的信号关闭的话，关闭摄像机 2和4。红外光源5的操作，或者与逐帧扫描同步，或者与机械振动接 收器同步。当第二个选手发球时，这些装置按相同方式相互作用。采 用机械振动接收器的方案，是为了降低数据处理容量，和加速在裁判 员及观众的视频显示器上帧的输出，这些帧表明球与场地的接触及球 飞行速度参数，包括球的旋转数。如有必要，使用红外光来加强场地 标记的反差，和产生飞行的球的影子，供构成或精确测定红外印迹或 球运动轨道之用。这样做，可以保证更精确地规定球与场地接触的位 置。使用多个装置的必要性，是由于运动员或嘈杂的声信号能屏蔽球 轨道而产生的。然而，前面说明的本发明的目的，能够用单个系统甚 至用单个摄像机达到。
下面给出的例子表明，如何用本文提出的装置系统，实现本发明 的方法。
例1
确定网球的一些运动参数：在体育竞技时，用工作在长波光谱区 的红外摄像机记录的红外印迹轨道及影子，这些运动参数包括界外球 条件。
图2表明在单打网球比赛片断中，红外图像六帧相继的帧。对使 用的摄像机，每一帧的持续时间是τ＝4·10-2秒。
每一相继帧“记住”前一帧的最后部分，因此可以按连续方式重构 图像。
在帧I，球产生的影子的轨道(球的温度低于场地的温度)可以 视作点1和2之间的直线。球飞行的速度是V＝S(1÷2)/τ，这里
S(1÷2)是点1和2之间的距离，＝2.3米；
τ＝4·10-2秒；
V＝2.3m/4·10-2s＝57.5m/s＝207km/小时。
帧II表明球产生的影子运动轨道的延续，S(3÷4)＝2.3m，而红 外印迹的轨道，S(4÷5)，是当球碰触场地时，从球与场地之间的摩擦 得到的。S(4÷5)＝15cm。
如果1-2-3-4轨道的几何尺寸，与球轨道的几何尺寸重合(在本 特定例子中)，则在场地表面的印迹轨道的几何尺寸，将取决于球的 旋转速度和线速度。印迹轨道的光强也取决于上述参数。这一点对特 定的场地覆盖物和球质量成立。
在帧III中，记录了红外印迹轨道的延续，S(6÷7)、S(8÷9)、 S(10÷11)，以及在场地表面遗留的红外印迹S(4÷5)。
由于球绕它的轴旋转，红外印迹轨道是断续的。能够立刻计算球 的反弹速度和旋转数(n)。
V(反弹)＝2.0m/4·10-2s＝50m/s＝180km/小时。
利用一帧的持续时间4·10-2s，并借助球已经完成两圈完全旋转和 半圈多旋转作为最小值，如在该照片中所见，n(6÷11)＝2.5转/4·10-2 s＝60转/s＝3600转/分钟。
帧IV表明对应于球运动轨道的红外印迹轨道的延续S(12÷13)、 S(14÷15)，和在场地表面遗留的红外印迹S(4÷5)，以及前一帧遗留 的轨道部分S(10÷11)。
反弹后球的飞行速度，V(12÷15)＝1.5m/4·10-2s＝37m/s＝133 km/小时。
n(12÷15)＝1.5转/4·10-2s＝37转/s＝2200转/分钟。
因此，球的飞行速度和绕球轴的旋转数，在球击打场地后下降得 相当快。
在帧V中，只有印迹轨道S(4÷5)是可见的，该印迹轨道S(4÷5) 一般已经在帧IV消失。但是，当前五帧被一帧接一帧相继拍摄时， 在第五帧和第六帧之间省略了40帧。因此，在该比赛片断中，球留在 场地上的红外印迹消失的时间，是该印迹的τ＝4·10-2s＝1.6秒。
有意思的是，上述比赛片断发生在2002年的Kremlin Cup(克 里姆林宫杯)中，球没有落在“场”上。这一点在红外印迹部分S(3÷4 ÷5)可以清楚看到。
可以用上述运动轨道的记录结果，确定网球在球拍打击后，到球 与竞赛者球拍的第二次接触，或与场地表面第二次接触之间的时间区 间中的运动参数。未知的参数是在打击时球的旋转速度(旋转数)。 球的旋转速度能够从能量守恒方程式按分析的方法确定。
Ep+Ek+Ekr＝E′p+E′k+E′kr+Afr
这里
Ep，E′p分别是球在与场地接触前和接触后的势能；
Ek，E′k分别是质量m的球，在与场地接触前以速度v运动，而 在与场地接触后以速度v′运动的动能；
Atp是当球碰触场地时，为克服摩擦力的能量损耗。
为有利于求解，在本例中将忽略空气阻力引起的能量损耗。
在上面的例子中，球的旋转速度，或更一般地说，球绕它的轴的 旋转数，n＝70转/s＝4200转/分钟。
图3是与图2一样的帧，但没有本发明人作的标记。
例2
用工作在近红外区的视频摄像机，确定球的飞行速度和球与场地 表面的接触面积。
工作在近红外区的摄像机的使用，提供使用红外光源的可能性， 该红外光源对人眼是不可见的，因而不干扰观众观看竞赛。
图4和5表明的照片(帧)，其中球的飞行轨道和球的影子轨道， 已经被20ms打开20ms关闭的工作模式的摄像机记录。工作在近红 外区的摄像机，没有红外的高亮显示(这就是为什么难以看到球产生 的影子轨道)。对轨道的分析能够容易计算球的飞行速度(在本例中 是38m/s)，并通过轨道曲线的断裂点，精确测定球与场地接触的位 置。为更精确分析球与场地的接触面积，要分析两条轨道：球反射光 的轨迹产生的轨道，和当球屏蔽红外光源产生的光流时，出现的影子 所产生的轨道。
运动员的技巧和发展潜力，能够用网球的动态运动参数评价，这 些参数如线速度及加速度、球的旋转速度、和球的空间起飞角对上飞 角的变化，这些参数能够用例1和2中说明的方法确定。运动员的技 巧和发展潜力的综合参数，可以是一个体育技巧因子，该因子能够以 适当加权考虑每一个上面列举的动态参数的作用，作为综合因子而计 算出来。
结果是，为实施按照本发明的方法的一种方法及装置系统，能确 定体育竞技或训练中器材目标的动态运动参数，这样能实现所有体育 事件各步骤的更严格的文件记录，并出示给裁判员及观众，还更为客 观地对运动员技巧进行评价，有助于工程人员、设计人员、和科研人 员发展及改进体育设备。
例3
训练时对滑雪者腿部负载均匀性的评估，和对滑雪鞋蜡的质量的 评价。
测量是用8-12μm区的红外摄像机进行的。滑雪鞋与雪接触产生 的声信号，打开和关闭摄像机，并由检测器接收。
图6表明训练时滑雪者的印迹轨道。相同的蜡涂在两只滑雪鞋上。 两道白的分开的线条的不同强度，证明两条腿上的负载是不均匀的。 在本例中，左腿的负载约为右腿的两倍。
图7表明在涂覆不同蜡的滑雪鞋上运动的滑雪者的红外图像。涂 在右滑雪鞋上的蜡，计划在-10℃到-15℃中使用，而涂在左滑雪鞋 上的蜡是用于0℃的。环境温度是零下5℃。从图可见，左滑雪鞋的 像比右滑雪鞋更明亮。因此左滑雪鞋对雪的摩擦大于右滑雪鞋。结果 是，用于温度-10℃到-15℃的蜡，更适合在该情形中使用。
例4
根据红外印迹轨道，在训练时估计体育用车内负载分布对它的运 动参数的影响。
测量是用8-12μm区的红外摄像机进行的。车轮胎与路面接触产 生的声信号，操纵摄像机，并由检测器检测。像由专用的软件处理， 该软件能计算轮胎对路面的附着力、负载均匀性、和基于红外轨道获 得的其他参数。
图8表明已经开始运动的车的红外印迹轨道。轨道包括两条线。 线的开始与车的起动关联，有不一样的强度。左侧轨道的开始，比右 侧的更强。这证明车内不均匀的负载分布，且重量向左侧倾斜。
图9和10表明车沿曲线运动产生的红外印迹轨道。(在两种情 形中，车以相同速度从右向左运动)。图9表明具有不正确负载分布 的车的红外印迹轨道。从图可见，在拐弯的急弯部分，车的后轮向左 打滑。图10表明具有优化负载分布的车的红外印迹轨道。从图可见， 轨道包括光滑变化强度的均匀线条。
例5
游泳者穿潜水服和不穿潜水服的能量损耗。
测量是用8-12μm区的红外摄像机进行的。运动员碰触水面时出 现的声波，操纵摄像机，并由检测器检测。像由专用的软件处理，该 软件能对热损耗进行数值计算。
游泳者推离游泳池边缘，然后在水下游一段时间。在图11中， 游泳者穿潜水服，难以看见热印迹。在图12中，游泳者没有穿潜水服。 强的红外印迹和它的轨道是可见的。没有穿潜水服的运动员的热损耗， 基本上更高。
例6
运动的体育用具表面质量的估价。
测量是用8-12μm区的红外摄像机进行的。按照检测器感测的声 频谱变化，操纵摄像机，这种声频谱变化是由紊流度的改变引起的。 像由专用的软件处理，该软件能从获得的红外轨道，对目标需要的运 动参数进行数值计算。
运动的体育用具与空气或水媒体的相互作用方式，规定它的速度 和击中靶的精度。在第一级近似中，相互作用方式由流体的平流和紊 流分量的关系规定，即由该运动用具留下的印迹规定。图13表明固体 目标(模拟某种体育用具，如标枪、子弹、滑水板、船底、等等)红 外印迹的轨道，该固体目标以一定速度在水中运动。图14表明同一目 标以极高速度运动的轨道。从图可见，紊流分量基本上是增加的。图 15表明同一目标以第二情况一样的速度运动的红外印迹轨道，但其表 面涂以排水合成物。从图可见，紊流分量降低到原先的水平。