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基于視頻的體育運動(dòng)分析系統的研究與實(shí)現

作者: 時(shí)間:2009-12-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

近年來(lái),利用運動(dòng)員的訓練、比賽圖像作為體育訓練的參考,進(jìn)行是國內外普遍采用的一種行之有效方法。運用了當今流行的、人體仿真學(xué)、計算機視覺(jué)等多領(lǐng)域的熱點(diǎn),以運動(dòng)員為對象,對其進(jìn)行定性以及定量,達到科學(xué)輔助訓練的目的。
文中擬以圖像為主要對象,以處理技術(shù)為主要研究手段,設計并一種集合視頻控制、全景圖合成、靜態(tài)背景抑制、運動(dòng)目標跟蹤及量化等功能為一體的。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/166828.htm


1 設計需求分析
傳統的主要是經(jīng)驗和人眼的觀(guān)察和分析方法,顯然此類(lèi)方法具有明顯的局限性和不足。
的主要目的就是通過(guò)分析運動(dòng)員訓練和比賽的視頻圖像,利用視頻圖像在時(shí)間和空間上的相關(guān)性,得到各種人體運動(dòng)學(xué)參數以及運動(dòng)員和教練員感興趣的各類(lèi)信息,科學(xué)指導訓練。
文中借助Visual C++.net 2003開(kāi)發(fā)平臺,研究和設計了―個(gè)視頻的體育運動(dòng)分析,了對運動(dòng)視頻的定性和定量分析,具有很強的實(shí)用性。


2 系統功能設計及其算法實(shí)現
2.1 系統總體功能設計
文中主要針對單目視頻進(jìn)行人體運動(dòng)分析,利用Directshow技術(shù)對運動(dòng)視頻進(jìn)行控制;利用馬賽克的圖像拼接技術(shù),提取視頻中的背景信息,對視頻圖像進(jìn)行時(shí)域分割,提取視頻中的運動(dòng)目標,最后合成全景圖像;利用幀間差分法濾除靜態(tài)背景,實(shí)現背景抑制;結合卡爾曼濾波和色塊匹配技術(shù),對運動(dòng)關(guān)鍵部位進(jìn)行自動(dòng)跟蹤,并獲取人體運動(dòng)學(xué)參數建立基于視頻的體育運動(dòng)分析系統。
系統主要功能框架,如圖1所示。整個(gè)系統由4部分組成。

2.2 視頻控制
DirectShow使用一種叫Filter Graph的模型來(lái)管理整個(gè)數據流的處理過(guò)程;參與數據處理的各個(gè)功能模塊叫做。Filter;各個(gè)Fiher在Filter Graph中按一定的順序連接成一條“流水線(xiàn)”協(xié)同工作。本系統采用先進(jìn)的DirectShow視頻播放技術(shù),根據教練和運動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)作分析的需要,增加各種速率視頻播放、視頻圖像剪輯、逐幀圖像顯示等功能。
2.3 全景圖合成
相鄰幀間兩幅圖像的關(guān)系便歸結為初等坐標變換,即平移、旋轉、仿射、雙線(xiàn)性和透視變換的組合。實(shí)際上當攝像機的移動(dòng)的幅度不是很大并且離景物很遠的情況下,對視頻圖像進(jìn)行拼接時(shí)就可以不考慮圖像間的變形失真,此時(shí)兩圖像間的變換矩陣M由下式確定

對于8個(gè)參數的確定需要準確的確定4個(gè)匹配點(diǎn),然后通過(guò)式(2)就可以確定變換矩陣M,M的確定,如圖2所示。


4組匹配點(diǎn)就可以完全確定含有8個(gè)未知數的8個(gè)方程。這些方程全是線(xiàn)性方程組,可以通過(guò)Gauss全選主元消去法進(jìn)行求解。
假設已經(jīng)通過(guò)相關(guān)匹配到3組點(diǎn)(A,A'),(B,B'),(C,C'),由于幀間變化的漸變性,A點(diǎn)的位移幅度應該和B點(diǎn)及C點(diǎn)的位移幅度相近,否則就說(shuō)明有誤匹配出現。取如下定義
rang(A)=| A-A'| (3)
若出現|rang(A)-rang(B)|>ε(此處ε為合適的閾值)說(shuō)明出現了誤匹配,結合| rang(A)-rang(C)|就可以確定出哪個(gè)點(diǎn)出現了誤匹配,然后重新選取模板進(jìn)行匹配;重復執行以上過(guò)程直到A,B,C都滿(mǎn)足條件。
整個(gè)誤匹配的消除過(guò)程中采用的舉手表決的方式,對于4組點(diǎn)誤匹配的消除,選取模板的時(shí)至少選5組,只有這樣才不會(huì )出現類(lèi)似于正確對錯誤為2:2的情況。
由于在重疊區域直接取兩幅圖像中其中的一幅進(jìn)行圖像合成,很容易在重疊區域的邊界處形成明顯的拼縫,因此,需要采用圖像融合技術(shù)合成全景圖。
以左右拼接的兩幅圖像I1(i,j)和I2(i,j)為例,則重疊區域圖像的像素值I(x,y)可表示為
I(i,j)=d(i)I1(i,j)+(1-d(i))I2(i,j)(4)
其中,d(i)為融合系數,它與離邊界的距離成正比關(guān)系,上述計算是按掃描線(xiàn)逐條進(jìn)行的,因此該方法適用于任意形狀的兩幅圖像的融合。
圖3為全景圖合成結果。圖3(a)~圖3(d)為要合成的視頻圖像中提取的4幀,圖3(e)為合成的背景全景圖,圖3(f)為添加了運動(dòng)目標后的全景圖。


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