專利名稱：一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于體育用品技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，尤其涉及一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)；同時，本發(fā)明還涉及一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測方法。
背景技術(shù)：
乒乓球是一種世界流行的球類運動項目，其中發(fā)球是乒乓比賽中的核心技術(shù)。國際乒聯(lián)針對發(fā)球明確規(guī)定“發(fā)球員須用手將球幾乎垂直地向上拋起，不得使球旋轉(zhuǎn)，并使球在離開不執(zhí)拍手的手掌之后上升不少于16厘米，球下降到被擊出前不能碰到任何物體”?，F(xiàn)如今的比賽中，最能引起裁判與球員之間爭議的就是這條拋球高度不得少于16厘米的規(guī)則，因其過于具體化，而且目前并無相關(guān)裝置能夠準確的測量出發(fā)球高度，所以，·是否違規(guī)只能憑裁判主觀目測后判定。在國內(nèi)外比賽中，關(guān)于是否誤判已多次引發(fā)爭議，運動員狀態(tài)因此受到很大的影響，甚至會影響比賽的正常進行。目前關(guān)于乒乓球拋球高度的測量方法，并無相關(guān)發(fā)明專利涉及，相關(guān)的處理思路也極為少見。由于圖像處理具有很多優(yōu)點，如原理簡單，實現(xiàn)成本較低，與被測物體不接觸，采集信息的方式是非侵犯性的，不會像外界環(huán)境傳播信號等，因此，用圖像處理的方法來檢測乒乓球的拋球高度，具有一定的優(yōu)越性。中國專利公開號為CN1141427A的發(fā)明專利提供了一種基于圖像識別的運動物體測量方法，由打標記裝置按一定時間間隔在被測物體上打標記，繼而分析物體運動軌跡。而在乒乓球比賽中，不可能實現(xiàn)對球進行標記，此方法具有局限性。中國專利授權(quán)公告號為CN101782370B的發(fā)明專利提供了一種基于USB攝像頭的測量定位方法，但這種方法在每次測量前，需要首先將被測物體用矩形紙板進行標定，在乒乓球比賽現(xiàn)場設(shè)置大幅紙板并不實際。綜上所述，目前檢測乒乓球拋球高度的方法幾乎空白，相關(guān)測量思路也有種種局限，急需一種檢測乒乓球拋球高度方法的提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，可快速精確地檢測乒乓球拋球高度，為判球過程提供了客觀依據(jù)。此外，本發(fā)明還提供一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測方法，可快速精確地檢測乒乓球拋球高度，為判球過程提供了客觀依據(jù)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到乒乓球比賽的視頻后，將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，程序運行后計算得出拋球高度，并將結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)顯示模塊，最后由數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述視頻數(shù)據(jù)采集模塊中包括高速攝像頭和圖像采集卡，高速攝像頭與圖像采集卡連接，圖像采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊連接；所述高速攝像頭能滿足拍攝高清錄像，每幀畫面中圖像無拖影現(xiàn)象；布設(shè)時需有穩(wěn)定支撐物，以防抖動；且架設(shè)在運動員側(cè)面，可拍攝到發(fā)球全過程。一種上述的基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)的高度檢測方法，所述方法包括如下步驟步驟SI :視頻數(shù)據(jù)采集模塊采集到視頻信息，并將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊；步驟S2 :數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，運行程序?qū)?shù)據(jù)進行計算處理；步驟S3 :數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度；所述步驟S2包括如下步驟步驟S21 :啟動，系統(tǒng)初始化，判斷是否有視頻導入；步驟S22 :有圖像導入則分離前景與背景，否則返回至步驟S21 ；步驟S23 :處理分離出的前景圖像，用霍夫變換識別出乒乓球，當呈現(xiàn)為標準圓時，即為起拋點，與此同時記錄乒乓球直徑；步驟S24 :采用計算搜索窗中圖像質(zhì)心的方法，自動跟蹤乒乓球運動軌跡，比較乒乓球運動過程中的像素坐標的Y值，取其最大值，即為最高點坐標；步驟S25 :計算得拋球高度，進行誤差補償，并將結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)顯示模塊。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟S2中，分離前景與背景部分中，先建立背景模型，將當前幀與背景模型進行比較，變化較大的區(qū)域即為前景；所述霍夫變換部分，在前景圖像中自動檢測出標準圓，即為起拋點，并計算得出標準圓的直徑；所述最高點是通過將運動過程中的所有像素點進行比較，得到的Y坐標的最大值。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟S2中，乒乓球的跟蹤過程采用計算質(zhì)心方法，首先初始化第一幀中搜索窗的尺寸和位置，然后計算搜索窗中圖像的顏色直方圖，繼而可得顏色的概率分布圖，由概率分布的數(shù)據(jù)可計算搜索窗中圖像的質(zhì)心，并將當前幀的質(zhì)心數(shù)據(jù)作為下一幀圖像的初始數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟S2中，根據(jù)起拋點、最高點、實際乒乓球標準直徑，來計算乒乓球拋球高度，并進行誤差補償。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)及方法，可快速精確地檢測乒乓球拋球高度，為判球過程提供了客觀依據(jù)。本發(fā)明檢測方法的實現(xiàn)極為簡單，其中高速攝像頭既可自備，也可利用比賽現(xiàn)場已有的媒體鏡頭，從而達到節(jié)約成本的目的。本發(fā)明通過對前景的提取，大大減少了計算量，簡化了運算過程，從而提高運算速度，比賽現(xiàn)場可即時顯示拋球高度。本發(fā)明將背景建模、前景與背景分離、霍夫變換、計算質(zhì)心以重設(shè)搜索窗值等方法相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)視頻處理中復雜背景下目標物體易跟丟的情況，增強了系統(tǒng)的魯棒性。本發(fā)明相較于原先的裁判主觀目測判斷，其拋球高度值呈現(xiàn)為數(shù)據(jù)形式，為判球過程提供了客觀依據(jù)，且精度大大提高。


圖I為發(fā)明實施例的系統(tǒng)組成框圖。
圖2為發(fā)明實施例的乒乓球拋球高度檢測程序流程圖。
圖3為發(fā)明實施例的拋球高度示意圖。
圖4是發(fā)明實施例的拋球高度算法流程圖。
圖5是發(fā)明實施例的乒乓球拋球高度檢測方法的流程簡圖。
附圖附注如下
I :視頻數(shù)據(jù)采集模塊 2 :數(shù)據(jù)處理 模塊
3 :數(shù)據(jù)顯示模塊具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明給出兩套實施方案，其中實施例一是基于PC機架構(gòu)上的一種乒乓球拋球
高度檢測方法和系統(tǒng)，實施例二是基于TMS320DM642的一種乒乓球拋球高度檢測方法和系統(tǒng)。實施例一請參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種基于PC機架構(gòu)上的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊I、數(shù)據(jù)處理模塊2、數(shù)據(jù)顯示模塊3。視頻數(shù)據(jù)采集模塊I采用美國CooKe公司PCO. 1200s高速攝像機，與計算機的數(shù)據(jù)接口是IEEE1394 ;布設(shè)時需有穩(wěn)定支撐物，以防抖動；且架設(shè)在運動員側(cè)面，可拍攝到發(fā)球全過程。數(shù)據(jù)處理模塊2采用目前市場主流任意PC架構(gòu)的計算機均可滿足設(shè)計要求。本系統(tǒng)采用了 WINDOWS XP操作系統(tǒng)，軟件編制平臺采用OPEN CV。數(shù)據(jù)顯示模塊3搭載在PC計算機平臺上，直接由計算機顯示屏完成顯示功能。高速攝像頭通過圖像采集卡與PC機相連，計算機在OPEN CV中運行程序后，將拋球高度顯示在計算機顯示屏上。實施例二本實施例揭示一種基于TMS320DM642的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊I、數(shù)據(jù)處理模塊2、數(shù)據(jù)顯示模塊3。視頻數(shù)據(jù)采集模塊I :攝像機采集到的視頻信號為標準PAL/NTSC制，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7155解碼后，送至數(shù)據(jù)處理模塊2的視頻接口 ；攝像機布設(shè)時需有穩(wěn)定支撐物，以防抖動；且架設(shè)在運動員側(cè)面，可拍攝到發(fā)球全過程。數(shù)據(jù)處理模塊2 :采用TI公司生產(chǎn)的TMS320DM642芯片。在CCS2. 2中編譯好乒乓球拋球高度檢測程序后，將其燒至TMS320DM642芯片內(nèi)。數(shù)據(jù)顯示模塊3 TMS320DM642的視頻接口(輸出)驅(qū)動視頻編碼器SAA7106，視頻編碼器輸出視頻圖像，最終傳送至顯示器。其中，乒乓球拋球高度檢測方法如圖5所示，具體步驟如下S I :視頻數(shù)據(jù)采集模塊采集到視頻信息，并將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊；S2 :數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，運行程序?qū)?shù)據(jù)進行計算處理；其中，乒乓球拋球高度檢測程序由如下幾個部分組成S21 :啟動，系統(tǒng)初始化，判斷是否有視頻導入；
S22 :有圖像導入則分離前景與背景，否則回到S21步。S23:處理分離出的前景圖像，用霍夫變換識別出乒乓球，當呈現(xiàn)為標準圓時，即為起拋點，與此同時記錄乒乓球直徑；S24 :采用計算搜索窗中圖像質(zhì)心的方法，自動跟蹤乒乓球運動軌跡，比較乒乓球運動過程中的像素坐標的Y值，取其最大值，即為最高點坐標；S25 :計算得拋球高度，進行誤差補償，并將結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)顯示模塊；S3 :數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度。步驟2的數(shù)據(jù)處理模塊中，乒乓球拋球高度檢測程序的流程圖如圖2所示，有視頻信號輸入后，先進行背景建模，本發(fā)明實施例中采用的是多高斯背模型，將模型中的每個像·素點都分別建立多維高斯分布，以此來混合模擬該點的背景值，且多個分布具自適應(yīng)性。后面的計算只針對前景部分，從而大大減小的計算量，提高了運算速度。為了實現(xiàn)動態(tài)視頻中良好的跟蹤效果，采用的算法如下先在第一幀中初始化搜索窗的尺寸和定位，然后計算其顏色直方圖，根據(jù)直方圖可得概率分布圖，由此，可計算搜索窗的質(zhì)心，計算搜索窗質(zhì)心的公式如下
Mw M01xC=TT1^c=TTl
AZ00零階矩和一階矩的計算公式如下M00 = Σ χ Σ yI (X，Y), M10 = Σ χ Σ yxl (X，Y), M01 = Σ x Σ yyl (X，Y)，其中，I (x，y)是概率分布圖中點(x，y)的密度值。搜索窗的新尺寸可由下式計算I - J( 1 + b) + ^hz + “ - c)2 , _ J(a + b) - ^b2 + “ - c)2其中，I和w分別搜索窗的長短軸，a，b和c可從以下公式中得到
M7n j , Mu . Mm ηα=^Γ~ xC = 2( ΓΓ= T7^-y；
M00MmMm二極階矩可由以下公式計算得到M20 = Σ χ Σ yx2I (X，Y), M02 = Σ χ Σ yy2I (X，Y)，M11 = Σ x Σ yxyl (X, Y)如此循環(huán)，用搜索窗的新的尺寸和定位來進行迭代運算。乒乓球拋球高度的計算過程如圖3和圖4所示，在視頻中利用霍夫變換檢測到乒乓球呈現(xiàn)為標準圓后，一方面計算出視頻中乒乓球的直徑大小(設(shè)直徑為d)，并與實際乒乓球標準直徑大小(40mm)相除，得到視頻中乒乓球直徑與實際乒乓球標準直徑大小的比
值(設(shè)比值為k)，則1 = 1;另一方面，取此時坐標為起拋點坐標(設(shè)起拋點坐標為(xl，
40
yl))。然后，繼續(xù)跟蹤乒乓球的運動過程，將乒乓球運動過程中所有的y坐標相比較，取其中的最大值，得最聞點坐標(設(shè)最聞點坐標為(x2, y2))。下一步，設(shè)視頻中乒乓球的拋球高度為h，實際的拋球高度為H，貝IJa=如-xl)2 +(y2-yl)2 (mm),丑=孓(_)。由于球脫離手的瞬間，部分球體被手掌所遮蓋，此時并未呈現(xiàn)為標準圓，所以應(yīng)進行誤差補償。取乒乓球脫離手瞬間到乒乓球呈現(xiàn)為標準圓之間的距離為10mm，因此可得，經(jīng)
誤差補償后實際乒乓球的拋球高度為H = f+ 10 (mm)。
權(quán)利要求
1.一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到乒乓球比賽的視頻后，將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，程序運行后計算得出拋球高度，并將結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)顯示模塊，最后由數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)，其特征在于 所述視頻數(shù)據(jù)采集模塊中包括高速攝像頭和圖像采集卡，高速攝像頭與圖像采集卡連接，圖像采集卡與數(shù)據(jù)處理模塊連接； 所述高速攝像頭能滿足拍攝高清錄像，每幀畫面中圖像無拖影現(xiàn)象；布設(shè)時需有穩(wěn)定支撐物，以防抖動；且架設(shè)在運動員側(cè)面，可拍攝到發(fā)球全過程。
3.—種權(quán)利要求I或2所述的基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)的高度檢測方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 步驟SI :視頻數(shù)據(jù)采集模塊采集到視頻信息，并將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊； 步驟S2 :數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，運行程序?qū)?shù)據(jù)進行計算處理； 步驟S3 :數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度； 所述步驟S2包括如下步驟 步驟S21 :啟動，系統(tǒng)初始化，判斷是否有視頻導入； 步驟S22 :有圖像導入則分離前景與背景，否則返回至步驟S21 ； 步驟S23 :處理分離出的前景圖像，用霍夫變換識別出乒乓球，當呈現(xiàn)為標準圓時，SP為起拋點，與此同時記錄乒乓球直徑； 步驟S24 :采用計算搜索窗中圖像質(zhì)心的方法，自動跟蹤乒乓球運動軌跡，比較乒乓球運動過程中的像素坐標的Y值，取其最大值，即為最高點坐標； 步驟S25 :計算得拋球高度，進行誤差補償，并將結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)顯示模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高度檢測方法，其特征在于 所述步驟S2中，分離前景與背景部分中，先建立背景模型，將當前幀與背景模型進行比較，變化較大的區(qū)域即為前景；所述霍夫變換部分，在前景圖像中自動檢測出標準圓，即為起拋點，并計算得出標準圓的直徑；所述最高點是通過將運動過程中的所有像素點進行比較，得到的Y坐標的最大值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高度檢測方法，其特征在于 所述步驟S2中，乒乓球的跟蹤過程采用計算質(zhì)心方法，首先初始化第一幀中搜索窗的尺寸和位置，然后計算搜索窗中圖像的顏色直方圖，繼而可得顏色的概率分布圖，由概率分布的數(shù)據(jù)可計算搜索窗中圖像的質(zhì)心，并將當前幀的質(zhì)心數(shù)據(jù)作為下一幀圖像的初始數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高度檢測方法，其特征在于 所述步驟S2中，根據(jù)起拋點、最高點、實際乒乓球標準直徑，來計算乒乓球拋球高度，并進行誤差補償。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括視頻數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊采集到乒乓球比賽的視頻后，將其傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊中載有乒乓球拋球高度檢測程序，程序運行后計算得出拋球高度，并將結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)顯示模塊，最后由數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出拋球高度。本發(fā)明提出的基于圖像處理的乒乓球拋球高度檢測系統(tǒng)及方法，可快速精確地檢測乒乓球拋球高度，為判球過程提供了客觀依據(jù)。
文檔編號G01B11/04GK102944180SQ20121047989
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者王朝立, 由婷, 付振宇, 王肖芬, 尚麗輝, 季云峰, 郭金鑫 申請人:上海理工大學