白皮书：验证向量 T7

Matthew C. Varley, Susanne Ellens, David Carey.澳大利亚维多利亚州墨尔本市拉筹伯大学联合健康、人类服务与体育学院运动、表现与营养研究小组。

1. 导言
2. 方法
3. 统计分析
4. 成果
5. 摘要
6. 参考资料

1.引言

运动员跟踪系统已成为体育运动的重要工具。这些系统使从业人员能够量化和分析运动员的运动，从而更好地了解训练负荷、身体表现、战术行为和受伤风险^。

虽然有许多跟踪系统，但大多数系统在室内使用时都有局限性。ClearSky 本地定位系统（LPS）是一种在室内环境中跟踪和测量运动员表现的技术。具体来说，该系统可输出位置和位置衍生指标，如距离、速度和加速度。

Vector T7是与 ClearSky 系统配套使用的新型可穿戴设备。Vector T7 与以前与 ClearSky 系统一起使用的设备（Vector S7 和 Catapult T6）类似，采样频率为 10 Hz。

不过，Vector T7采用的是到达时间差（TDOA）协议来确定位置，而之前的设备采用的是双向测距（TWR）协议。TDOA 协议的好处是，与 TWR 协议相比，它对设备功耗的要求大大降低，同时还能保持定位数据的准确性。

功率的降低使设备的体积得以缩小。较小的设备尺寸使Vector T7可以佩戴在运动员身上的多个位置，包括传统的肩胛骨之间或腰部位置。

运动员跟踪系统需要对其测量运动员运动的能力进行验证，这样从业人员才能对数据有信心，从而对训练和比赛实践做出决策。与所有技术一样，随着设备硬件和底层算法的不断改进，制造商会陆续推出更新的型号。

每个新模型都需要验证，以确定新设备是否能够测量预期测量的内容（如位置、速度和加速度）¹。Vicon 系统是一种运动捕捉摄像系统，被认为是测量位置的黄金标准。在验证运动员跟踪技术时，通常会将 Vicon 用作标准测量方法^。

研究评估了 Catapult T6 设备在团队运动特定任务中测量距离、速度和加速度的有效性，包括线性最大努力和变向运动^。

这些研究使用动作捕捉摄像系统（Vicon 或 Qualisys Oqus）作为标准测量方法，所有研究的结论都是Catapult T6 设备在评估运动员动作方面具有可接受的有效性。鉴于 Vector T7 最近才开发出来，因此需要对该设备进行验证。

因此，本研究旨在评估新型 Vector T7设备在测量距离、速度和加速度方面的有效性。

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2.方法

六名参加娱乐活动的男性参与者（28.8 ± 5.6 岁）参加了这项研究。所有参与者均出具了参与研究的书面同意书，研究程序获得了拉筹伯大学人类研究伦理委员会的批准。

数据收集在一个面积为 40 x 70 米的体育馆内进行，该体育馆由三个篮球场组成。参赛者在其中一个篮球场上 20 x 5 米的区域内进行了七次不同的运动试验。在试验过程中，通过 LPS（Catapult ClearSky，Catapult，澳大利亚墨尔本）和 20 个摄像头的运动分析系统（Vantage，Vicon Motion Systems，英国牛津）收集球员的运动数据。

表 1 和图 1 显示了每项试验的说明和示意图。要求参与者以最大强度完成所有试验，并在试验结束时完全停止（减速）。参与者在试验开始前进行 5 分钟的热身。每个动作试验进行两次，共 14 次，每次试验间隔约 3 分钟。 

参与者配备了四个Vector T7设备，分别放置在四个不同的位置。其中一个设备使用制造商提供的背心放置在受试者的肩胛骨之间。

其余三个装置被放置在参与者的腰部，特别是前部（两个髂前上棘之间中点的横截面）、左侧（髂前上棘和髂后上棘之间中点的横截面）和后部（两个髂后上棘之间中点的横截面），由制造商提供的定制腰带夹固定在参与者的短裤上。

除运动试验外，还进行了一次静态试验，以评估Vector T7设备使用固定放置协议进行定位的稳定性。三台设备分别放置在三脚架上（海拔 1.5 米），并在 10 分钟的时间环节收集数据。其中两个装置放置在球场中央，一个放置在球场宽边。

ClearSky LPS安装在体育馆周围，由 21 个固定节点组成，平均距离地面 8.4 米，每个节点之间的平均距离为 10.4 米。数据采集频率为 10 Hz，并使用制造商提供的软件OpenField 3.9.0 版）进行处理。每次试验的速度、加速度、X-Y 位置和里程表（累积距离）数据都被导出，以便进一步分析。

20 台摄像机运动分析系统（Vicon）的采样频率为 100 Hz，用于测量标准距离、速度和加速度。摄像机安装在三脚架上，距离进行运动试验的区域周边 3 米远。在制造商提供的背心外侧和每个装有 Vector T7 设备的腰带夹上，对应每个设备的中间位置，放置了四个直径为 32 毫米的反向反射标记。  

Vicon 数据使用 Vicon Nexus 2.14 进行标注和处理。对 Vicon 原始数据的处理包括使用四阶低通巴特沃斯滤波器进行滤波，滤波器的截止频率为 3Hz （根据残差分析确定）。数据中≤50 毫秒（5 个样本）的间隙使用样条插值法填补，≥50 毫秒的间隙则排除在分析之外。滤波后的 100 Hz Vicon 数据的 XY 坐标用于分析，Z 坐标（垂直位移）在计算中被忽略，因为 ClearSky 配置为二维（2D）定位。

对于每次运动试验中的四个 Vicon 标记（n=320），通过对位置数据进行差分，并在 LPS 数据上应用制造商软件中使用的相同滤波器，计算出二维速度。制造商向研究人员提供了这一信息，但由于涉及制造商的知识产权，在此不做详细说明。同样，加速度的计算也是通过对速度数据进行差分，并使用制造商的规格进行过滤。

将 Vicon 得出的指标向下采样至 10Hz，然后通过交叉关联速度信号，找到可最大化相关性的时间偏移，使其与 Catapult 数据同步。所有数据处理和分析均使用 R 统计编程语言（4.0.4 版^）7和 gsignal^软件包8 进行。

表 1.运动试验说明

图 1.A)七种不同运动试验的示意图。 B) 数据收集期间的设置，所有试验均从起始参考点（白色圆圈）、Vicon 摄像机（黑色梯形）和 ClearSky 锚点（白色三角形）开始。注：整个体育馆（40 x 70 米，为清晰起见，未显示全图）。

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3.统计分析

运动试验

比较Vector T7和 Vicon 导出的数据，为每次试验计算了以下指标：速度和加速度的平均标准差 (RMSD)，以及样本到样本位置距离的平均绝对差 (MAD)。由于数据中存在间隙的过滤方法会产生边缘效应，因此分析中排除了数据缺失率超过 10% 的 Vicon 试验（n = 12）。结果以平均值、中位数和四分位数间距 (IQR) 表示，涵盖所有试验，并按设备位置和运动类型进行分层。

静态试验

对于静态装置试验，计算样本到样本的位置距离和位移。结果以平均值、中位数、IQR 和累计总数的形式显示，以及 10 分钟试验中从第一个样本到最后一个样本的位移。每个设备的结果中都包含了制造商的度量标准 "里程表"，作为计算距离的参考点。

4.结果

运动试验

表 2 和图 2 显示了 ClearSky LPS 和 Vicon 得出的速度之间的差异。在测试的四个设备位置中，穿在背心上的设备的平均 RMSD 值和中位数最小，而穿在腰前的设备的 RMSD 值最大。

加速度的 RMSD 也是如此（表 3 和图 2）。在速度方面，直线运动试验的方法之间的一致性最接近。¹⁸⁰⁰次变向运动试验的加速度 RMSD 值最高。

表 2.Catapult 设备与 Vicon 运动分析系统之间的 RMSD 速度（^m-s-1）。

表 3.Catapult 设备与 Vicon 运动分析系统之间的加速度 RMSD（^m-s-2）。

图 2.按设备位置（第一列）和运动类型（第二列）分层的每次试验的 RMSD 速度（第一行）和加速度（第二行）结果。

表 4显示了根据 Vector T7 和 Vicon 位置跟踪数据得出的样本到样本距离的 MAD。在所有试验中，平均差异为 0.39 米，佩戴在腰部前方的设备和电路运动试验中的差异更大。

表 4.Catapult 设备与 Vicon 运动分析系统之间样本到样本距离的误差（米）。

静态试验

所有静止设备的样本到样本距离的中位数和 IQR 均为零（表 5），表明在大多数时间步中，设备的 x 或 y 坐标没有发生变化。

不过，设备确实记录了一些位置变化，因此样本之间的平均距离约为 1-2 毫米。在 10 分钟内，没有强烈的方向偏差，设备的最终位置非常接近其初始位置（最终位移约为几厘米）。

制造商在计算累计距离（"里程表 "变量）时采用了专有的数据处理和过滤技术，能够纠正位置的微小变化，返回的总距离小于 0.02 米。

表 5.静态试验结果（三个设备静置 10 分钟）。

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5.摘要

• 在涉及高加速度、高减速度和高方向变化率的运动试验中，Vector T7设备测量速度和加速度的 RMSD 值较低，测量距离的 MAD 值较低。
• 矢量 T7设备在所有运动试验中的加速度测量均显示出类似的低 RMSD，但 180 度方向变化除外，其 RMSD 略高。这可能是由于该试验中的动作涉及较高的加速度/减速度，并表明误差会随着速度变化率的增加而增大。不过，这一误差仍可视为较低（平均 RMSD 为 1.24）。 
• 背心放置位置导致速度、加速度和距离测量误差最小，而将设备放置在腰部前方导致误差最大。无论装置放置在哪个位置，所有测量的误差都很低，所有 RMSD 均小于 0.85。 
• Vector T7 设备静止时的位置稳定性很高，样品之间的平均距离约为 1-2 毫米。
• 低误差表明，与 ClearSky 结合使用的 Vector T7 设备可以有效测量团队运动特定任务（包括线性最大努力和变向运动）中的速度、加速度和距离。

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6.参考文献

1. Malone, J. J., Lovell, R., Varley, M. C., & Coutts, A. J. (2017).揭开黑匣子：在体育运动中使用 GPS 设备的应用和注意事项》。国际运动生理学与运动表现杂志》，12（S2），S2-18。
2. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2018)。在野外条件下验证电子性能和跟踪系统 EPTS。PloS one, 13(7), e0199519.
3. Linke, D., Link, D., & Lames, M. (2020)。TRACAB 光学视频追踪系统的足球特定有效性。PloS one, 15(3), e0230179.
4. Luteberget, L. S., Spencer, M., & Gilgien, M. (2018)。Catapult ClearSky T6 本地定位系统在室内条件下进行团队运动专项训练的有效性。生理学前沿》，9, 115页。
5. Serpiello, F. R., Hopkins, W. G., Barnes, S., Tavrou, J., Duthie, G. M., Aughey, R. J., & Ball, K. (2018)。超宽带本地定位系统测量室内运动定位的有效性。体育科学杂志》，36（15），1727-1733。
6. Hodder, R. W., Ball, K. A., & Serpiello, F. R. (2020)。Catapult ClearSky T6 本地定位系统测量单位间距离的标准有效性。传感器，20（13），3693。
7. R 核心团队（2021 年）。R：统计计算的语言和环境。R 统计计算基金会，奥地利维也纳。URL https://www.R-project.org/
8. Van Boxtel, G.J.M., Laboissière, R., & Wilhelm, H.D. (2021)：信号处理。URL: https://github.com/gjmvanboxtel/gsignal

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