CN101571964B - 竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统，由发令枪、无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置、计算机、计算机软件、图像采集卡和高速线阵CCD摄像机组成，其中计算机软件包括拍摄控制单元、自动判读单元和信息管理单元，其特点是：无线发令信号检测发射装置放置在发令枪附近，无线发令信号接收装置与计算机相连，无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置同步获取发令信号，在比赛过程中，通过无线发令信号检测发射装置采集发令枪声音信息，传输给无线发令信号接收装置，自动启动计算机软件计时，当运动员快到终点时，利用高速线阵CCD摄像机拍摄终点冲刺图像，通过图像计时子系统进行人体识别，自动判读运动员成绩。

Description

竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统

技术领域

本发明属于一种竞技比赛计时管理系统。特别是一种竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统。

背景技术

随着竞技体育运动的发展，以往的简单安排和手动计时已经无法满足一个趋向电子与信息化发展的现代运动会的要求。在竞速项目中高水平选手之间的差距可能是几毫秒，因此手动计时已经无法满足现代高水平竞技的要求。在我国体育部发表的径赛比赛规则明确表示在国内一、二、三类比赛，均应使用全自动电子计时装置。

绝大部分现有的电子计时装置都需要对场地进行一定改造，或者对场地有一定要求，例如，数据线与电源线的铺设。在不满足条件的情况下，如在非专业场地内铺设明线，不仅造成场地破坏，还带来一些安全隐患。因此，用于现代运动会的电子计时装置应该具有高度集成化且易于铺设的特点。

基于图像的电动计时系统集成化程度很高，专利CN200320111813.5体育比赛彩色电动计时系统中的彩色图像采集装置，利用彩色图像实现电动计时，降低终点处的铺设难度，其发令计时装置采用有线传输技术，无法避免场内明线铺设。在非专业场地上铺设信号线可能对比赛有干扰，而且场地内的明线也是不安全因素。此外，对采集到的冲刺图像，该系统需要由裁判员通过鼠标移动判读游标线来读出每个运动员的成绩，花费时间，同时存在人为因素的干扰。

随着现代运动会赛事的管理日益复杂，先进的数据库技术和信息管理技术被引入到运动会信息管理中。但是，目前开发的这类管理系统主要针对大型、综合型运动会，整个系统复杂庞大，硬件架构昂贵，不适用于中小型运动会的管理。中小型运动会可能有部分特色的项目，需要针对这种项目进行特殊的设置，一般这类系统均未提供这样的功能设置。此外，一般的运动会管理系统与电子计时系统兼容性较差，导致运动会信息流通的脱节，增加运动会工作人员的负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过图像处理和识别技术实现自动判读比赛成绩的竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明由发令枪、无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置、计算机、计算机软件、图像采集卡和高速线阵CCD摄像机组成，其中计算机软件包括拍摄控制单元、自动判读单元和信息管理单元，其特点是：无线发令信号检测发射装置放置在发令枪附近，无线发令信号接收装置与计算机相连，无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置同步获取发令信号，在比赛过程中，通过无线发令信号检测发射装置采集发令枪声音信息，传输给无线发令信号接收装置，自动启动软件计时，当运动员快到终点时，利用高速线阵CCD摄像机拍摄终点冲刺图像，通过图像计时子系统进行人体识别，自动判读运动员成绩。

上述无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置由声音检测模块、上位单片机、下位单片机、无线数字信号传输模块以及上位单片机与计算机USB接口模块构成，其中声音检测模块利用驻极体传声器接收声音信号，产生电流信号，然后通过放大，与阈值信号比较，当排除干扰信号并确定为发令枪声音信号时，下位单片机通过I/O口向上位单片机发出信号，无线数字传输模块发送出去，与上位单片机连接的无线数字传输模块接收到该信号后进行解析得到命令，无线数字传输模块发送出去，传送相应的数据信息至无线发令信号接收装置，再由无线发令信号接收装置中单片机通过USB接口模块将该信号传送给计算机。

上述图像计时子系统由图像采集卡和高速线阵CCD摄像机、拍摄控制单元与自动判读单元组成，其中高速线阵CCD摄像机精确拍摄终点图像，由拍摄控制单元对其进行控制，实现拍摄时长调整，拍摄开始和结束控制，拍摄图像和计时开始时间的保存功能，自动判读单元应用图像处理与模式识别技术，对终点冲刺图像中的运动员进行人体粗定位和人体躯干精定位，计算出冲刺的准确时间。

上述自动判读单元的具体步骤是：

第一步：运用边缘检测算法对拍摄得到的终点冲刺图像进行检测，采用投影算法对人体进行粗定位；

第二步：根据粗定位信息，将大致的人体目标从原图中提取出来；

第三步：将提取的目标图像进行二次处理，得到人体躯干精定位图，并在拍摄图像中画出相应的成绩判别线；

第四步：利用垂直投影得出人体胸部过线的精确位置。

上述信息管理单元与图像计时子系统相互兼容，不仅对图像计时子系统的判读成绩进行保存与排名，还对运动会提供信息管理服务。

上述信息管理单元设置有参赛单位、组别、参赛项目、组织安排、积分、奖励，实现方式为制定标准表格分发到报名组织或个人手中，提交后按照标准读入，并保存至数据库内，其中对于不合乎格式规范的表格有甄别并提示修改措施。该系统具有分散报名集中录入功能，系统可以将报名表分派至各个报名单位进行录入，而后将反馈的报名表进行集中录入至数据库中。此外，该系统还具有手动和自动运动员分组功能。

本发明只需在发令枪附近放置无线发令信号检测发射装置，在计算机附近安装接收装置，就可通过无线传输技术传送计时开始信号。这两个子装置通过干电池供电，安装简便，无需布线。在终点处，则通过高速线阵CCD摄像机拍摄冲刺画面，将拍摄图片上传至计算机，经过图像处理与识别后自动判别运动员的过线位置，进一步转换为相应的终点时刻，计时精度可以高达到1/1000秒，满足国际比赛的精度要求。由于采用自动判读方法，排除了人为主观因素的影响，保证比赛的公正性。

综上所述，本发明具有以下功能：无线发令信号检测与收发，拍摄控制、计时与自动成绩判读以及信息管理。无线发令信号检测发射与接收装置的使用简化了系统安装，降低系统成本，同时还提高了发令信号的抗干扰性，减少了现场布线的难度；图像计时子系统可以实现人体冲线定位，使得成绩判读不受操作人员主观因素和拍摄图像质量的影响，帮助裁判得出准确的成绩信息；信息管理单元不仅与运动会全自动图像计时子系统相兼容，为其提供赛事信息、自动处理其计时成绩，还能对整个运动会提供管理支持，把运动会组织者从繁杂的工作中解脱出来，操作简单，提高管理效率。

此外，本发明的无线发令信号检测发射装置与无线发令信号接收装置、图像计时子系统和信息管理单元都能实现功能模块化。其中，检测发射与接收子装置，亦可用于其他计时系统，通过USB接口即可连接使用，得到可靠的发令信号；自动判读单元亦可应用于其他采用高速CCD摄像机的计时系统；信息管理单元也可单独使用对运动会提供有效的管理。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明无线发令信号检测发射装置中声音检测电路图。

图3为本发明无线发令信号检测发射装置中下位单片机与无线数字信号传输模块接口电路图。

图4为本发明无线发令信号检测发射装置中上位单片机与计算机USB接口电路图。

图5为本发明终点冲刺图像拍摄流程图。

图6为本发明自动判读单元中人体粗定位流程图。

图7为本发明自动判读单元中人体躯干精定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明包括发令枪1、无线发令信号检测发射装置2与接收装置3、计算机4、图像采集卡6和高速线阵CCD摄像机7，计算机软件5主要包含拍摄控制单元、自动判读单元和信息管理单元(图1)，拍摄控制单元对图像采集卡6和高速线阵CCD摄像机7进行控制，通过设置拍摄状态采集终点冲刺图像，自动判读单元对采集到的终点冲刺图像进行边缘检测、投影、目标提取和形态学处理，得到运动员胸部的过线位置，进而转换为比赛成绩。最后，信息管理单元将成绩自动录入数据库中，同时排序、发布出来。

本发明无线发令信号检测发射装置2与接收装置3的工作原理是：发令枪1响，声音检测模块接收到声音信号后，由无线发射模块发出起始计时信号，当无线发令信号检测接收装置3收到该信号时，计算机4启动计时。因为采用了无线收发技术，故无须铺设繁杂的同步线，使用方便。无线发令信号检测发射装置与接收装置由声音检测模块、上位单片机、下位单片机、无线数字信号传输模块以及上位单片机与计算机USB接口模块组成。其中：

A、声音检测模块由驻极体传声器MK1、滤波电路、信号放大电路和比较电路组成。信号放大电路由集成运算放大器LM1和电阻R2、R3、R4、R5组成(图2)。驻极体传声器MK1感应到发令枪声音后，产生弱小电信号，该信号通过滤波电容C1，滤除非声音频段的干扰，滤波后的信号经由集成运算放大器LM1和电阻R2、R3、R4、R5构成的信号放大电路进行放大。其中，滑动电阻R5可以调节信号放大倍数，改变感应声音信号的灵敏度。电阻R6、R7分压后产生一个阀值信号，输入到比较器负端，该信号与声音放大信号经电压比较器LM2比较，产生脉冲信号。电压比较器LM2的输出接单片机的I/O口。

B、下位单片机与无线数字信号传输模块接口电路

在接口电路中，采用体积小、功耗低的单片机作为前端信号采集核心部件，设置I/O端口为SPI工作方式(图3)。无线数字信号传输模块采用无线信号传输技术，避免运动场地内铺设信号传输线，可省去复杂的布线和接线工作，大大降低准备工作的时间和强度，而且方便了设备的运输及保管。下位单片机通过P1、P3口与无线数字信号传输模块相连，接收方与发送方的单片机接口电路类似。

C、上位单片机与计算机USB接口电路

为了简化外围电路的供电方式，上位单片机采用USB总线与计算机进行通信。单片机通过串口将数据发送给USB口，该口将数据转换为USB协议，并发送给计算机；USB接口接收到计算机发来的数据，将其转换为串口格式发送给单片机(图4)。本实施例中采用了3线制串口通信方式。安装USB模块的驱动程序将使计算机新增一个虚拟串行口(例如，COM3)，对该虚拟口的操作即完成了对USB口的操作，编程操作类似计算机上的串口编程。

本发明的图像计时子系统应用图像处理与模式识别技术，实现了拍摄控制、计时与自动判读功能。拍摄控制单元配置图像采集卡6的工作模式，从而实现对高速线阵CCD摄像机7的设置与控制，具体拍摄流程如图5所示。获取运动会终点冲刺图像后，由自动判读单元读入该图像，进行人体定位，进而转换为比赛成绩，并保存带判读成绩的冲刺图像。

本发明自动判读单元的判读方法主要包括人体粗定位和躯干精定位两个步骤。人体粗定位流程具体步骤如下(图6)：

(1)运用边缘检测算子，对运动会终点冲刺图像进行处理，将人体图像的边缘信息检测出来，得出边缘检测图。

(2)采用合适的结构元素进行膨胀处理，使边缘检测图中的人体图像形成一个连通的区域。

(3)设置循环标志位，对边缘检测图的膨胀结果图进行垂直投影和水平投影以确定人体图像在垂直方向和水平方向上的位置并记录，实现人体粗定位。

根据粗定位信息，将大致的人体目标从原图中提取出来。接着对提取出的人体粗定位图进一步进行处理，实现人体躯干精定位。人体躯干精定位具体步骤如下(图7)：

(1)对人体粗定位图进行二值化处理，将人体图像部分与非人体图像部分有效地分开。

(2)进行数学形态学开运算，去除噪声点。

(3)进行垂直投影，计算投影均值，获取阈值。高于此阈值的部分认为是人体躯干，判定人体躯干的起始位置并记录。

(4)根据(3)所记录的躯干位置信息，将大致的人体躯干从开运算图中提取出来，得到躯干粗定位图。

(5)构造模板，计算躯干粗定位图中代表人体图像的白色像素点数，以躯干粗定位图的宽度为模板宽，以白色像素点数除以模板宽所获得的值作为模板高。

(6)以(5)中所构造的模板在人体躯干粗定位图中自上而下进行滑动，寻找人体躯干粗定位图中模板区域大小内白色像素点数目最多的区域，并记录此时模板在人体躯干粗定位图中的位置信息；

(7)根据(6)中记录的位置信息提取出人体躯干粗定位图中的相应区域，初步得出人体躯干精定位图；

(8)对(7)中所得到的区域再次进行垂直投影，最终实现人体躯干精定位，记录此位置，并在拍摄图像中画出相应的成绩判别线。

此外，当拍摄图像中出现人体粘连严重的情况时，自动判别会出现较大的误差。因此系统具有手动调整程序，允许裁判对成绩判读线进行手动调整，从而保证成绩的准确性。

本发明的信息管理单元不仅对判别的成绩进行保存与排名，同时还为运动会提供信息管理服务。自行开发软件编写前台程序，DAO为数据库接口，对ACCESSES数据库进行操作。在拍摄子程序中，通过自动判读或者手动判定得到运动员成绩后，选择当前运动员的跑道号，就可实现将成绩保存至相应的运动员记录中，在比赛完成后可以实现自动排名。与图像计时子系统相兼容的信息管理单元可以设置参赛单位、组别、参赛项目、组织安排、积分、奖励，给予赛事安排者很大的自由度。而且，系统可以适用于多种不同类型的运动会。对于特殊的比赛项目，如非正式比赛项目，如踢毽子，自行车慢骑等可以设定其相应的规则，系统支持自定义比赛项目，与成绩记录。

本发明相应的信息管理是通过DAO接口与SQL语言操作数据库来实现的，不仅可以自由设定运动项目、运动规则和比赛中的多种信息，还可通过Excel接口制作空白报名表，分发给各个团体，由各个团体组织自行录入运动员信息。将各个团体的报名表收齐后通过Excel接口自动读入数据信息。如果其中信息填写错误或者与规则相违背，例如报名项超出设定值，系统将给出提示并要求改正。在比赛安排与运动员编排上都有相应的数据处理，并将结果写入数据库中。比赛安排可以设置比赛场次、时间和组别。运动员编排具有手动和自动两种选择。自动编排采用对运动员随机分配的方式，即通过产生随机数进行分配，多次随机数保证在同一小组中尽量避免同一单位相遇。在编排中还有赛中编排，如预赛进半决赛和决赛编排等。这类编排采用成绩优先编排，即成绩靠前的进入下一轮。每场比赛后都将自动产生名次表，通过名次决定下一轮名单。同时，信息管理单元也设定了手动修改的功能。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种竞技比赛全自动图像计时及信息管理系统的运动员成绩自动判读方法，其方法是：当运动员快到终点时，利用高速线阵CCD摄像机拍摄终点冲刺图像，通过图像计时子系统进行人体识别，自动判读运动员成绩，其特征在于：所述自动判读运动员成绩的具体步骤是：

第一步：运用边缘检测算法对拍摄得到的终点冲刺图像进行检测，采用投影算法对人体进行粗定位，具体步骤是：

①运用边缘检测算子，对运动会终点冲刺图像进行处理，将人体图像的边缘信息检测出来，得出边缘检测图；

②采用合适的结构元素进行膨胀处理，使边缘检测图中的人体图像形成一个连通的区域；

③设置循环标志位，对边缘检测图的膨胀结果图进行垂直投影和水平投影以确定人体图像在垂直方向和水平方向上的位置并记录，实现人体粗定位；

第二步：根据粗定位信息，将大致的人体目标从原图中提取出来；

第三步：将提取的目标图像进行二次处理，得到人体躯干精定位图，并在拍摄图像中画出相应的成绩判别线，具体步骤是：

(1)对人体粗定位图进行二值化处理，将人体图像部分与非人体图像部分有效地分开；

(2)进行数学形态学开运算，去除噪声点；

(3)进行垂直投影，计算投影均值，获取阈值，高于此阈值的部分认为是人体躯干，判定人体躯干的起始位置并记录；

(4)根据所记录的躯干位置信息，将大致的人体躯干从开运算图中提取出来，得到躯干粗定位图；

(5)构造模板：计算躯干粗定位图中代表人体图像的白色像素点数，以躯干粗定位图的宽度为模板宽，以白色像素点数除以模板宽所获得的值作为模板高；

(6)构造的模板在人体躯干粗定位图中自上而下进行滑动，寻找人体躯干粗定位图中模板区域大小内白色像素点数目最多的区域，并记录此时模板在人体躯干粗定位图中的位置信息；

(7)根据(6)步骤中记录的位置信息提取出人体躯干粗定位图中的相应区域，初步得出人体躯干精定位图；

(8)对(7)步骤中所得到的区域再次进行垂直投影，最终实现人体躯干精定位，并记录此位置；

第四步：利用垂直投影得出人体胸部过线的精确位置。

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