基于視頻的體育運動(dòng)分析系統的研究與實(shí)現

近年來(lái)，利用運動(dòng)員的訓練、比賽視頻圖像作為體育訓練的參考，進(jìn)行體育運動(dòng)分析是國內外普遍采用的一種行之有效方法。體育運動(dòng)分析運用了當今流行的圖像處理、人體仿真學(xué)、計算機視覺(jué)等多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，以運動(dòng)員為研究對象，對其進(jìn)行定性以及定量分析，達到科學(xué)輔助訓練的目的。
文中擬以體育運動(dòng)視頻圖像為主要研究對象，以視頻處理技術(shù)為主要研究手段，設計并實(shí)現一種集合視頻控制、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體育運動(dòng)分析系統。

1 系統設計需求分析
傳統的體育運動(dòng)分析主要是基于經(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。
體育運動(dòng)分析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，實(shí)現科學(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)基于視頻的體育運動(dòng)分析系統，實(shí)現了對運動(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；利用基于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。