建构於视觉环境之整合式棒球.docx
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建构於视觉环境之整合式棒球.docx
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建构於视觉环境之整合式棒球
建構於視覺環境之整合式棒球
資訊系統設計與實現
建構於視覺環境之整合式棒球資訊系統設計與實現 1
DesignandImplementationofanIntegratedBaseballInformationSystemBasedon
VisualEnvironment
張厥煒*
Chueh-WeiChang
吳炯陞
Chiung-ShengWu
盧至剛
Chih-KangLu
國立台北科技大學資工系
摘要
本論文為設計並實作一個以視覺化環境為主的整合式多媒體棒球比賽資訊系統。
在以一個多媒體視訊資料庫為基礎的架構下,共建立了比賽記錄與攻守資料查詢子系統、棒球視訊畫面資料庫子系統、動態分析評估子系統三個工具。
其中,比賽記錄與攻守資料查詢子系統使用視窗圖形介面與時空資料庫,在專業棒球記錄標準下,將棒球比賽中複雜的空間與時間性(Spatio-temporal)資料,有效的轉換成數位視訊內容與文數字資料記錄,完整儲存於電腦系統中,便於提供比賽現場的即時性資訊研判,與日後長期資料累積分析。
棒球視訊畫面資料庫子系統使用視訊資料庫機制,定義視訊物件,建立以時間控制碼為主的多種資料庫檢索,提供視訊資料瀏覽與查詢功能。
動態分析評估子系統建立友善的同步播放視訊畫面功能與量測工具,有效的協助動作過程剖析。
此一整合式系統搭配各種影音資料與視覺技術,將科技與運動結合,以提升運動研究之進行。
關鍵詞:
視訊資料庫、空間時間性資料、棒球記錄系統、運動科學
投稿受理時間:
93年3月11日審查通過時間:
93年6月30日
Abstract
2 臺北科技大學學報第三十七之二期
Inthispaper,wedesignandimplementanintegratedbaseballinformationsystembasedonvisualenvironment.Weusemultimediavideodatabaseasourkernelarchitecture,andconstructthreeusefultools:
(1)RecordingandQuerySubsystem,
(2)BaseballVideoDatabaseSubsystem,(3)MotionAnalysisEvaluationSubsystem.TheRecordingandQuerySubsystemisdesignedaccordingtotheprofessionalbaseballscorerecordingstandard,anddevelopedbyspatio-temporaldatabaseandgraphicsuserinterface.Ittransfersthecomplicatebaseballspatialandtemporalcompetitionsituationintodigitalvideocontentsandalpha-numericaldataformat.TheBaseballVideoDatabaseSubsystemusesthemechanismofvideodatabase,andconstructsvariouscontentindicesbyvideoobjectattributesandvideotimecodes,andalsosupportstoolsforvideobrowsingandquerysearching.TheMotionAnalysisEvaluationSubsystemprovideseffectiveanduserfriendlyplaybackandmeasurementtoolsformotionanalysis.Withthehelpofvariousmediatypesandvisualtechnologies,thisintegratedsystemwillsubstantiallyimprovetheresearchcapabilityofsportsscience
Keywords:
VideoDatabase,Spatio-temporalData,BaseballScoreRecording,SportsScience,
壹、前言
近年來資訊科技與運動科學的進步,讓人們得以藉助電腦與運動理論的發展,逐漸懂得運用科技,一則了解人類體能的本質,一則嘗試突破人類體能的極限。
在各種不同形式的運動項目中,任何一種都有其運動科學上值得探討的問題。
體育運動項目結合電腦資訊科技,已經是國際運動科學的研究趨勢。
在運動訓練或研究[2][8][10]中,視覺化(Visualization)研究與分析環境,一直扮演著相當重要的角色。
根據研究顯示,模仿是運動員在的初學階段,運動效能獲得快速改善的最好方法。
經由一連串視訊畫面及分解動作的剖析,可使得學習者在極短的時間內了解關鍵性的觀念。
此外,正確的姿勢模仿,不但能避免受傷,更能有效的將運動力學及時間等特性加以發揮。
隨著數位視訊內容處理(VideoProcessing)[4][11]環境的逐漸成熟,即時性線上視訊資料分析的應用也漸漸成形。
為協助行政院體委會及中華民國棒球協會對2003年亞洲盃棒球錦標賽暨奧運資格賽之需要,受委託特別提出「棒球競技情報決策支援資料庫系統」計畫,以資訊科技中「視覺化」環境,建立以視訊與圖形介面為主之多媒體「中日韓棒球情報資料庫」,取代過去以書面資料及錄影帶為主的分析方式,幫助中華隊收錄取得並整理出較完整之視覺化對手資訊。
建構於視覺環境之整合式棒球資訊系統設計與實現 3
在此體委會計畫中,除需建立視訊剪輯的基本作業模式,與設計相關記錄表格及記錄方法外,為配合情蒐小組及教練團資料畫面檢視與比對分析所需,我們因而規劃設計出三個和視覺化資訊技術相關之重要子系統:
(1)比賽記錄與攻守資料查詢子系統(RecordingandQuerySubsystem)、
(2)棒球視訊畫面資料庫子系統(BaseballVideoDatabaseSubsystem)、(3)動態分析評估子系統(MotionAnalysisEvaluationSubsystem),以整合成一個完整的棒球情報分析資訊系統。
此棒球情報分析資訊系統需要使用圖形介面來完整建立與呈現比賽過程,長期累積在多媒體資料庫中,供教練查詢球員特性資料。
此棒球資訊系統需要設計用於棒球比賽現場或是棒球比賽電視轉播,可即時透過系統圖形介面來將棒球比賽的過程快速詳實的紀錄在資料庫中。
此棒球資訊系統同時需要可以即時的查詢已經記錄過的資料,供教練訓練與比賽時戰術運用的一個主要參考依據。
長期而言,將可以此全方位的棒球資訊系統提升國內棒球的競爭力,進而達到知己知彼,百戰百勝。
此一棒球資訊系統是結合棒球專業記錄法、視訊畫面擷取與剪接註記、運動科學分析(ScienceofSportsAnalysis)、網際網路(Internet)系統、空間時間性資料庫(Spatio-temporalDatabase)、多媒體視訊(MultimediaVideo)、圖形使用者介面(GraphicsUserInterface)等技術應用,並已實際使用於2003年日本札幌亞洲棒球錦標賽中,並協助中華隊順利取得2004年奧運棒球項目參賽資格。
在接下來的論文中,我們將逐步介紹此一棒球資訊系統設計與實現之方法。
在第二章相關研究中,將探討目前的運動科學及視覺化環境研究現況。
在第三章中,將說明設計的基本構想,與整合後系統的運作方式與關係。
在第四章、第五章、第六章中,將分別介紹比賽記錄與攻守資料查詢子系統、棒球視訊畫面資料庫子系統、動態分析評估子系統使用之設計方法與實作結果。
第七章結論與建議,說明本研究的成果並闡述未來研究方向。
貳、相關研究
對於視訊資料庫的研究,這些年來已有不少研究成果。
交通大學資訊系統實驗室李素瑛教授等,在1993至2003年間就交談式視訊資料庫中相關各功能分別加以設計整合[6][12][13][14][15]。
其中,對視訊資訊系統中,結構化視訊計算(StructuredVideoComputing),以及植基於視訊內容之擷取方法(ContentBasedRetrieval),有非常深入的研究。
此外,對視訊中移動物體及軌跡提出視訊索引方法,對不同的物件類別使用B-Tree、2DString及SignatureFile等方式建立索引和進行查詢。
但對於以數位視訊進行體育活動內容之分析,目前國內外只有少許之研究成果發表[4][18][30]。
在這些研究中大多嘗試以電視視訊畫面,經由影像處理與辨識程序,自動化的獲得比賽過程的重要結果,或對視訊內容進行分類與管理。
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其中,Pingali等人[16]以網球為例,建立了一個可立即建立索引的多媒體資料庫,並對球員運動的軌跡進行追蹤與記錄。
Assfalg等人[1]提出一個可對運動視訊內容做註解的系統,他們將視訊內容分類出球員、觀眾、球場等不同鏡頭畫面,並由低階畫面屬性分類,逐漸推斷出高階的場景意義。
台大貝蘇章教授等人[19]曾以網球及棒球視訊的內容為例,對場景的分類及尋找重要畫面進行研究。
Frohlich等[9]於1986年提出運用高速攝影技術以分析運動力學之方法。
其分析模式多以人工量度方式完成,測量之對象多以運動員之節肢位置為主要考量,配合運動定律之檢驗,以確定運動員是否充分發揮其體能。
Beichner等[3]於1989年首次利用電腦影像及空間位置的重疊性,對美國高中生進行運動力學的課程講授,以實際物體運動影片,驗證自由落體等運動在真實世界中運動的軌跡與模式。
將數位影像帶進了另一個新的應用領域。
雖然已有各種關於運動視訊處理的技術,但對重要比賽的現場即時資料分析及整合性的視覺化資訊系統,確仍相當缺乏。
參、設計理念及系統架構
根據前述體委會所提視覺化需求,我們先由了解棒球運動的進行及記錄過程,以做為系統開發的依據。
棒球比賽過程活動模式,根據我們研究分類,共可分成四大部分:
(一)投球、
(二)打擊、(三)守備、(四)跑壘。
各項活動內容類別屬性眾多,如:
投球需區分好壞球、球種、球速、是否界外球、是否揮空棒等,打擊可區分三振(K)、四壞(B)、失誤(E)、野手選擇(FC)、自踩壘包(A)、雙殺(DP)、揮棒落空三振(SOK)等。
而傳統的棒球攻守記錄[17]均以紙本為主,其記錄表格如圖一所示。
為替代原本以紙本為儲存媒介的紀錄模式,並解決運動比賽中複雜的球場變化過程之記錄方式與工具,同時記下如投球進球點、打擊落點、接傳過程等空間及時序性資料內容,我們需要以多媒體資料庫(MultimediaDatabase)為基本文數字及視訊資料儲存環境,並輔以圖形介面做為空間資料的輸入及顯示方式,以建立一個比賽記錄與攻守資料查詢系統。
具有基本的比賽過程記錄與查詢功能後,我們仍舊需要一個可檢視視訊內容的視訊資料庫查詢播放介面,並需要使用查詢所得畫面,進行更細部的動態分析工作,因而也要有可做量測、比對、同步播放、放大縮小等動態分析評估的工具介面。
此比賽記錄與攻守資料查詢工具、多媒體資料庫、視訊資料查詢播放介面、動態分析評估工具以及視訊擷取工具等五項視覺化棒球資訊技術整合開發之棒球資訊系統關聯性網路結構圖如圖二所示,其中三項主要工作內容分別陳述於後:
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圖一 傳統攻守記錄表格
圖二 棒球資訊系統關聯性網路結構圖
6 臺北科技大學學報第三十七之二期
(1)比賽記錄與攻守資料查詢子系統(RecordingandQuerySubsystem):
可分為比賽記錄與攻守資料查詢兩部分,共同使用多媒體資料庫及友善的視窗圖形輸入輸出介面,有效率的記錄詳細完整的比賽過程。
記錄與顯示內容,包含投球進壘點、打擊落點與接傳守備跑壘過程等。
此子系統所記錄內容,以及時間點區間(TimeInterval)事件註記(Annotation),將提供視訊資料庫做為視訊內容查詢與檢索(VideoIndexing)之用。
使用者如能善用視訊資料庫中視訊內容及動態分析工具,則可對有興趣的動作,透過電腦反複觀察分析及比對,而獲得較好的分析成果。
(2)棒球視訊畫面資料庫子系統(BaseballVideoDatabaseSubsystem):
棒球視訊畫面資料庫[6][9][35]同樣共用前述記錄系統所建立之對戰過程攻守資料,除能經查詢後播放比賽過程視訊畫面外,並能提供後續長期累積資料的查詢,使用前述比賽記錄與攻守資料系統所記錄之比賽過程,建立發生事件的時間及內容索引,並儲存棒球比賽相關一系列對戰或重要關鍵過程的視訊畫面,建立一個整合性的視訊資料庫。
再經由視訊資料庫搜尋,以視訊畫面播放的方式,重播過去曾記錄過的歷史畫面,提供比賽當時之情境搭配對戰過程的球點圖形內容,以完整進行評估比較。
查詢時除原攻守資料查詢子系統之查詢功能外,另可使用球員球隊名稱及日期時間等關鍵字進行對戰組合的查詢,查詢所獲得結果,便可點選播放。
(3)動態分析評估子系統(MotionAnalysisEvaluationSubsystem):
動態分析評估系統則可同時使用兩組視訊畫面,連續或單格或同步來回播放,以細部了解球員動作或比賽進行中的互動狀況,同時可使用系統中的量測工具協助動作之分析。
使用數位視訊技術結合前述視訊資料庫查詢結果,以多張視訊畫面,對有興趣的球員動作或對戰過程連續畫面,進行格對格(FrametoFrame)的視覺化比對與量測分析,可對同一選手或不同選手間動作差異進行比較,並可充分以視覺化環境了解球員間的相對互動運動關係。
接下來我們將對這三個主要功能子系統的設計與實作方法進行細部介紹。
肆、比賽記錄與攻守資料查詢子系統
一、棒球運動活動模式
如前章敘述,棒球比賽過程活動模式,共可分成四大部分:
(一)投球、
(二)打擊、(三)守備、(四)跑壘。
在棒球活動的過程中,我們又可歸納活動形態為:
(1)靜態狀態資料、
(2)動態投打資料。
其中,靜態狀態資料是指:
好壞球出局數、壘上狀態、跑者姓名、客隊名稱、主隊名稱、比賽地點、計分版上單局得分、總得分、總安打、總失誤、打者姓名、投手姓名等靜態屬性內容。
而動態投打資料,則是指
(一)投手將球投出後,隨時間所改變的過程內容屬性,例如:
球的進壘點(用二維平面點來顯示)、球速、球種、球數(好壞球)狀態;
(二)打者揮棒狀態(沒揮、揮空、界外),打者將球打出,所改變的狀態,例如:
球的落點,飛行方式,打擊結果,打點;(三)防守球員守備過程,出局數,守備結果;(四)跑壘者推進情形,推進原因,壘上跑壘者姓名。
當陣容變動時,換投手、換打者、換守備球員、換跑壘者,替換選手的姓名、背號。
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比賽中的每一個事件幾乎都由投球開始觸發(當然也有例外),當投手將球投出,記錄者記錄下此投球活動,打者可以對此球進行打擊,當打者將球打擊出去,記錄者記錄下此打擊活動,守備球員可以對此球做守備,當守備球員處理此球,記錄者記錄下此打擊活動,跑壘球員可以對此球做跑壘,當跑壘球員狀態有變動,記錄者記錄下此跑壘活動。
在棒球場上正常的活動原則上都是依照此時序發生,因此我們也依此過程,將時序發生的事件,使用二維圖形與字串先後依序組合,以及靜態資料記錄下來,以此原則設計此記錄系統。
二、比賽記錄內容表示法
在比賽過程中需要記錄的內容相當煩雜,經過整理包括:
投球進壘點二維座標;球種:
直球、區球、滑球、伸卡球、上飄球、指叉球、變速球;揮擊方式:
沒揮、揮空、界外;球速。
打擊落點二維座標;前進方式:
滾地、平飛、高飛,打點;打擊結果:
一安、二安、三安、全壘、內安、妨打、妨守、內滾、內飛、外飛、界飛、三振、不死、野選、雙殺、三殺、失誤、四壞、觸身、犧短、高犧。
守備過程為表示出處理過程的前後關係,因此使用字串型態來表示:
由1-9及E字母組成;守備結果:
刺殺、封殺、接殺、觸殺、三振、雙殺、等。
跑壘者起點,跑壘者終點,跑壘原因:
安打、野選、趁傳、犧短等。
在棒球場上正常的活動,原則上都是依照前述投球、打擊、守備、跑壘之時序發生,因此我們也依此過程,將時序發生的事件,使用字串先後依序組合,同時也將靜態資料記錄下來。
三、多媒體記錄介面
比賽記錄與攻守資料查詢子系統使用介面雖為視窗環境,但為配合棒球專業記錄人員的習性,仍以傳統記錄思維為操作模式,詳細記錄介面如圖三。
視窗控制項位置,仍以由左而右,由上而下設計。
在投球記錄項目中,先選擇球種,再選擇揮擊結果,再選擇是否暴投或補逸,再選擇球速,最後選擇球的進壘點。
並以25方格劃分出好壞球位置(中間9格為好球)。
球種以黑色表示:
直球以圓形表示、區球以方形表示、滑球以右三角形表示、伸卡球以左三角形表示、上飄球以上三角形表示、指叉球以下三角形表示、變速球以菱形表示,揮擊方式以黑色表示:
沒揮、揮空加上一條橫線表示、界外加上一個勾勾並將顏色藍色表示。
此顆球為好球,好球數增加一個球,用紅色表示,直到兩好球為止;此顆球為壞球,壞球數增加一個球,用藍色表示,直到三壞球為止。
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打擊記錄則先選擇前進方式,後選擇打擊結果,再選擇打擊落點,最後選擇打點。
前進方式:
滾地(短虛線)、平飛(長虛線)、高飛(實線),打擊和結果:
一安、二安、三安、全壘、內安、妨打,以上用紅色表示,妨守、內滾、內飛、外飛、界飛、三振、不死、野選、雙殺、三殺、失誤,以上用藍色表示,四壞、觸身、犧短、高犧,以上用黃色表示。
圖三 記錄系統介面
守備紀錄先選擇過程,再選擇結果,最後選擇出局數。
此守備產生出局數時,出局數增加,用黃色表示,直到兩出局為止。
跑壘過程先選擇起始,再選擇結果,最後選擇原因。
跑壘者產生異動時,推進到的壘包就變成黑色,並且將該跑者姓名顯示出來,如果有得分,在該局數得分加1。
四、文數字資料庫設計
一場棒球比賽是由空間性資料(如投球進壘點、擊球落點)與比賽進行多次投打之時間所構成。
因此在規劃文數字資料庫方面,我們提出了一個以投手投出的每顆球為觸發事件的概念,每顆球代表棒球比賽的時間軸,即有投球才會產生記錄。
所以,在記錄相關的表都以投球編號為主索引(PrimaryKey),如:
投球表、打擊表、跑壘表、守備表等,詳細如圖四資料庫ER模型所示,另有球隊球員資料表、盃賽場次資料表、比賽狀態資料表等,因篇幅關係不予呈現。
圖四 資料庫ER模型
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在棒球文數字資料庫查詢上,大致上可分為以下三類查詢:
1.整場比賽紀錄:
(1)查詢該半局所有上場打擊的打者順序、棒次、姓名及背號。
(2)查詢該半局某位打者在此打席的投球紀錄,例如:
投捕手姓名及背號、投球的順序、位置及球種。
(3)查詢該半局某位打者在此打席的打擊紀錄,例如:
打擊結果、打點、打擊落點及球的行進方式、守備過程、打擊時壘上的跑壘者。
(4)查詢該半局某位打者在整場比賽中,每個打席的打擊結果。
2.以投手為主的查詢(如圖五):
(1)查詢該投手在每種球數下(零好零壞至兩好三壞),依照球種分類所累積出來的次數,例如:
在一好一壞下投出直球的次數。
另外配合一些進階的條件選項,可以查詢出更多的細節,例如:
查詢在一好一壞下投出直球且被打安打的次數。
(2)查詢該投手在該場比賽下,投手投出每顆球的位置及球種。
另外配合一些進階的條件選項,可以查詢出更多的細節,例如:
查詢在該場比賽下,該投手所有三振打者的每顆球的位置及球種。
3.以打者為主的查詢(如圖六):
(1)查詢該打者在每個打席與投手對決,投手投出每顆球位置及球種。
(2)查詢該打者所有的擊球落點及球的行進方式。
顯示記錄的案例(如圖七):
(1)用滑鼠點擊計分版上的某個半局,則系統會從資料庫中查詢出該半局所有上場打擊的打者順序、棒次、姓名及背號。
(2)點選該名打者,則此打席的相關資訊會從資料庫中查出。
顯示畫面如下圖四,左半邊為此打席的投球記錄,包含了投捕手姓名和背號、投球順序、位置及球種;中間由上而下依序是擊球前的好壞球數及出局數、該局的打擊順序、該名打者整場的打擊結果(預設值為此局的打擊結果);右半邊則
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圖五 日本隊松阪大輔亞錦賽投球配球分布模式
圖六 查詢打者打擊落點分布記錄介面
(中華隊陳志遠亞錦賽13打席打擊進球點選球與打擊落點分布)
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圖七 顯示記錄介面
是打點、球的行進方式、打擊後的守備過程、打擊結果、打擊落點及打擊時壘上的跑壘者。
3)、如依序點選打者,則可藉由此系統還原當時比賽狀況。
查詢投球累積記錄的案例(如圖八):
(1)投手查詢需從左邊依序由上至下點選,左邊第一選項會顯示所有盃賽,點選一個盃賽後,左邊第二選項會顯示該盃賽參賽的所有隊伍,點選一支隊伍後,左邊第三選項會顯示該盃賽該隊伍的所有投手,點選的投手則為想要查詢的投手姓名,所以左邊的選擇目的為選出一位投手姓名(只需點選,不必輸入)。
(2)左邊點選完後,右邊第一選項會顯示該投手有參加的所有盃賽,點選一個盃賽後,右邊第二選項會顯示該投手於該盃賽有上場投球的所有比賽編號,點選一場比賽後,左邊第三選項會顯示該盃賽該場比賽所搭配過的所有捕手,點選完之後按下查詢,藍色代表在該球數下,出現機率最大的球種。
(3)若想查詢更細微的資訊,可配合右半邊的選項即可。
(4)利用此查詢,在數據紀錄夠大的條件下,可以分析出該投手的配球方式,使得打者在面對該投手時,可以提升猜中球的機率。
查詢投球分佈記錄的案例:
(1)投手查詢需從左邊依序由上至下點選,左邊第一選項會顯示所有盃賽,點選一個盃賽後,左邊第二選項會顯示該盃賽參賽的所有隊伍,點選一支隊伍後,左邊第三選項會顯示該盃賽該隊伍的所有投手,點選的投手則為想要查詢的投手姓名,所以左邊的選擇目的為選出一位投手姓名(只需點選,不必輸入)。
(2)按下查詢後,則在右半邊會顯示該投手有上場投球的盃賽及比賽。
(3)點選某一場比賽後,再點選投手查詢功能選項即可顯示結果。
(4)利用此查詢,可以分析出該投手投球的位置及其優缺點,使得對於該投手的投球習性會更加了解。
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圖八 投球累積記錄介面
伍、棒球視訊畫面資料庫子系統
棒球視訊畫面資料庫子系統是以隨選視訊(VideoOn-Demand)的觀念為起點,運用網路串流(Streaming)技術的特性,並搭載龐大的視訊畫面與文數字資料庫系統,讓每一次棒球投打對戰片段,都可依照使用者的查詢條件,立即搜尋、立即點選播放觀賞,以供即時性棒球畫面查閱的需求。
棒球視訊資料庫子系統必須架設於一多媒體視訊資料庫系統之上。
在此研究中,我們修改過去研究結果[5][6],提出了一個多媒體視訊資訊系統的基本架構。
此多媒體視訊資訊系統具有:
(1)物件註釋
(2)交談式瀏覽(3)視訊內容萃擷取(4)視訊索引(5)查詢處理(6)視訊資料庫管理系統等六大項功能,可做為棒球視訊畫面資料庫子系統中,視訊資料儲存與處理的基本環境。
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因此,要建立此功能,棒球視訊畫面資料庫子系統必須將原始的棒球片集,經由影片數位化、視訊檔案資料壓縮、棒球內容分割、建立索引,藉助資訊擷取引擎及查詢伺服器,達到查詢的功
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