AI 기반 영상 자세추정을 활용한 축구 페널티킥 골키퍼 방어 전략의 성공/실패 유형별 운동학적 분석 = AI-Based Video Pose Estimation and Kinematic Analysis of Successful and Unsuccessful Goalkeeper Defensive Strategies in Soccer Penalty Kicks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively identify goalkeeper defensive strategies and performance determinants during soccer penalty kicks by integrating AI-based 2D pose estimation with kinematic analysis using real broadcast match footage. The research was conducted in two stages. In Study 1, joint coordinates obtained through MMPose-based pose estimation (utilizing the pose_hrnet_w48_dark+ model) from single-camera broadcast videos were compared with expert manual digitization to examine the feasibility of an AI-based markerless analysis pipeline. Results indicated an extraction rate of 83.48% and a Root Mean Square Error (RMSE) of 0.1847m. These findings demonstrate that the AI-based system achieves a level of accuracy suitable for high-level match analysis.
In Study 2, the validated pipeline was applied to actual match data (60 trials) to classify goalkeeper strategies into 'Anticipation' and 'Delayed'. Differences in temporal variables (Reaction Time [RT], Propulsion Time [PT]), displacement variables (Horizontal Displacement [HDT], Vertical Displacement [VDT]), performance variables (Peak Velocity [PV], Frontal Step Distance [FSD]), and a Save Difficulty Score (SDS) were analyzed. To account for the repeated-measures structure, Linear Mixed Models (LMM) were employed for statistical verification999999999.The results indicated that strategy differences were most clearly characterized by RT. The delayed strategy initiated movement an average of 118.22ms later than the anticipation strategy (p<.001). However, save outcomes were not significantly explained by the mere quickness of RT (p=.623). Instead, success was more directly associated with the final space occupancy (HDT, VDT) and whether sufficient time was available to generate propulsion (PT). Specifically, successful saves exhibited significantly longer PT (p=.033), greater HDT (p=.032), and higher VDT (p=.018) compared to failed attempts. Furthermore, the SDS index-composed of ball speed and distance-moderated the relationship between strategy and outcome (p=.012). This suggests that while a delayed strategy is effective under certain conditions, it becomes rapidly disadvantaged as the task difficulty increases.
In conclusion, penalty kick defense should be understood as a multidimensional task integrating cognitive judgment (information pickup and decision-making), tactical interaction (response to the kicker), and biomechanical execution (propulsion and space occupancy). By distinguishing strategies through RT and demonstrating that the key mechanism for success lies in space coverage and propulsion time, this study provides empirical evidence to inform applied coaching practices and future biomechanical research designs.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실제 축구 경기 중계 영상을 기반으로 AI 기반 자세 추정(Pose Estimation) 기술과 운동학적 분석을 결합하여, 페널티킥 상황에서 골키퍼의 방어 전략과 성공 요인을 정량적으로 규명하는 데 목적이 있다.
연구는 두 단계로 구성되었다. Study 1에서는 단일 카메라 방송 영상에서 MMPose 기반(pose_hrnet_w48_dark+) 자세 추정으로 산출한 관절 좌표를 전문가 수동 정밀 분석 결과와 비교하여 AI 기반 마커리스(Markerless) 분석 절차의 활용 가능성을 검증하였다. 분석 결과, AI 자동 분석의 데이터 추출율은 83.48%였으며, 전문가 분석 대비 평균 제곱근 오차(RMSE)는 0.1847m로 나타나 실제 경기 분석에 활용 가능한 수준의 정확도를 보였다. Study 2에서는 검증된 파이프라인을 실제 경기 데이터에 적용하여 골키퍼의 방어 전략을 예측(Anticipation)과 지연(Delayed)으로 분류하고, 전략과 방어 결과(성공/실패)에 따른 시간 변인(RT, PT), 거리 변인(HDT, VDT), 수행 변인(PV, FSD) 및 과제 난이도(SDS)의 차이를 분석하였다.
통계 분석은 반복측정 구조를 고려하여 선형 혼합모형(LMM)을 적용하였다. 분석 결과, 전략 간의 차이는 반응 시간(RT)에서 가장 뚜렷하게 나타났으며, 지연 전략이 예측 전략보다 평균 118.22ms 늦게 움직임을 시작하는 것으로 확인되었다(p<.001). 다만 방어의 성공/실패는 ‘얼마나 빨리 시작하였는가(RT)’만으로 설명되지 않았으며(p=.623), 성공은 최종적으로 필요한 공간을 얼마나 확보하였는지(HDT, VDT)와 그 공간 확보를 위해 지면을 미는 시간(PT)이 충분하였는지에 더 직접적으로 연결되었다. 구체적으로 성공 시도는 실패 시도보다 추진 시간(PT)이 길었고(p=.033), 수평 이동 거리(HDT)와 수직 이동 거리(VDT) 또한 유의하게 컸다(p=.032, p=.018). 또한 과제 난이도 지표(SDS)는 전략과 결과의 관계를 조절하는 것으로 나타나(p=.012), 지연 전략은 일정 조건에서는 유효하나 난이도가 높아질수록 방어 성공에 급격히 불리해질 수 있음을 시사하였다.
이상의 결과를 바탕으로, 축구 페널티킥 방어는 인지적 판단(정보 확보와 의사결정), 전술적 상호작용(키커와의 심리전 및 대응), 그리고 생체역학적 수행(추진과 공간 점유)이 정밀하게 결합된 과제로 이해되어야 한다. 본 연구는 실제 경기 자료를 바탕으로 전략을 반응 시간으로 명확히 구분하고, 방어 성공의 핵심 기전이 공간 확보와 추진 시간에 있음을 실증적으로 제시함으로써 현장 코칭 지침 마련과 향후 연구 설계에 과학적 근거를 제공하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2. 연구의 목적 5
• 1.3. 연구 가설 5
• 1.4. 연구의 의의 6
• 1.5. 연구의 범위 7
• 1.6. 조작적 정의 7
• 2. 이론적 배경 9
• 2.1. 페널티킥 방어의 생체역학적 기전 및 시각 탐색 전략 9
• 2.2. 방어 전략의 유형과 의사결정 메커니즘 13
• 2.3. 경기 규칙 개정과 현장 환경의 변화 15
• 2.4. 마커리스 동작 분석 기술의 타당성과 한계 16
• 3. 연구 1. AI 기반 자동 자세 추정(Pose Estimation)의 정확도 검증 20
• 3.1. 서론 20
• 3.2. 연구방법 21
• 3.3. 결과 28
• 3.4. 논의 33
• 3.5. 결론 36
• 4. 연구 2. 골키퍼 방어 전략 및 결과에 따른 생체역학적 특성 분석 37
• 4.1. 서론 37
• 4.2. 연구방법 39
• 4.3. 결과 54
• 4.4. 논의 63
• 4.5. 결론 66
• 5. 종합 논의 및 결론 68
• 5.1. 종합 요약 68
• 5.2. 결론 70
• 5.3. 제언 71
• 참고문헌 72
• Abstract 77
• 부록 1. 전체 변인 기술통계량 79
• 부록 2. 전체 변인 선형 혼합모델(LLM) 결과 80
• 부록 3. 연구 대상자 정보 81