CN102944180A - 一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法，所述系统包括视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块；所述数据采集模块采集到乒乓球比赛的视频后，将其传送给数据处理模块，数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，程序运行后计算得出抛球高度，并将结果传输给数据显示模块，最后由数据显示模块显示出抛球高度。本发明提出的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法，可快速精确地检测乒乓球抛球高度，为判球过程提供了客观依据。

Description

一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法

技术领域

本发明属于体育用品技术领域，涉及一种乒乓球抛球高度检测系统，尤其涉及一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统；同时，本发明还涉及一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测方法。

背景技术

乒乓球是一种世界流行的球类运动项目，其中发球是乒乓比赛中的核心技术。国际乒联针对发球明确规定“发球员须用手将球几乎垂直地向上抛起，不得使球旋转，并使球在离开不执拍手的手掌之后上升不少于16厘米，球下降到被击出前不能碰到任何物体”。

现如今的比赛中，最能引起裁判与球员之间争议的就是这条抛球高度不得少于16厘米的规则，因其过于具体化，而且目前并无相关装置能够准确的测量出发球高度，所以，是否违规只能凭裁判主观目测后判定。在国内外比赛中，关于是否误判已多次引发争议，运动员状态因此受到很大的影响，甚至会影响比赛的正常进行。

目前关于乒乓球抛球高度的测量方法，并无相关发明专利涉及，相关的处理思路也极为少见。由于图像处理具有很多优点，如原理简单，实现成本较低，与被测物体不接触，采集信息的方式是非侵犯性的，不会像外界环境传播信号等，因此，用图像处理的方法来检测乒乓球的抛球高度，具有一定的优越性。中国专利公开号为CN1141427A的发明专利提供了一种基于图像识别的运动物体测量方法，由打标记装置按一定时间间隔在被测物体上打标记，继而分析物体运动轨迹。而在乒乓球比赛中，不可能实现对球进行标记，此方法具有局限性。中国专利授权公告号为CN101782370B的发明专利提供了一种基于USB摄像头的测量定位方法，但这种方法在每次测量前，需要首先将被测物体用矩形纸板进行标定，在乒乓球比赛现场设置大幅纸板并不实际。

综上所述，目前检测乒乓球抛球高度的方法几乎空白，相关测量思路也有种种局限，急需一种检测乒乓球抛球高度方法的提出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统，可快速精确地检测乒乓球抛球高度，为判球过程提供了客观依据。

此外，本发明还提供一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测方法，可快速精确地检测乒乓球抛球高度，为判球过程提供了客观依据。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统，所述系统包括：视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块；

所述数据采集模块采集到乒乓球比赛的视频后，将其传送给数据处理模块，数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，程序运行后计算得出抛球高度，并将结果传输给数据显示模块，最后由数据显示模块显示出抛球高度。

作为本发明的一种优选方案，所述视频数据采集模块中包括高速摄像头和图像采集卡，高速摄像头与图像采集卡连接，图像采集卡与数据处理模块连接；所述高速摄像头能满足拍摄高清录像，每帧画面中图像无拖影现象；布设时需有稳定支撑物，以防抖动；且架设在运动员侧面，可拍摄到发球全过程。

一种上述的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统的高度检测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：视频数据采集模块采集到视频信息，并将其传送给数据处理模块；

步骤S2：数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，运行程序对数据进行计算处理；

步骤S3：数据显示模块显示出抛球高度；

所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S21：启动，系统初始化，判断是否有视频导入；

步骤S22：有图像导入则分离前景与背景，否则返回至步骤S21；

步骤S23：处理分离出的前景图像，用霍夫变换识别出乒乓球，当呈现为标准圆时，即为起抛点，与此同时记录乒乓球直径；

步骤S24：采用计算搜索窗中图像质心的方法，自动跟踪乒乓球运动轨迹，比较乒乓球运动过程中的像素坐标的Y值，取其最大值，即为最高点坐标；

步骤S25：计算得抛球高度，进行误差补偿，并将结果传送给数据显示模块。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，分离前景与背景部分中，先建立背景模型，将当前帧与背景模型进行比较，变化较大的区域即为前景；所述霍夫变换部分，在前景图像中自动检测出标准圆，即为起抛点，并计算得出标准圆的直径；所述最高点是通过将运动过程中的所有像素点进行比较，得到的Y坐标的最大值。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，乒乓球的跟踪过程采用计算质心方法，首先初始化第一帧中搜索窗的尺寸和位置，然后计算搜索窗中图像的颜色直方图，继而可得颜色的概率分布图，由概率分布的数据可计算搜索窗中图像的质心，并将当前帧的质心数据作为下一帧图像的初始数据，如此循环。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，根据起抛点、最高点、实际乒乓球标准直径，来计算乒乓球抛球高度，并进行误差补偿。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法，可快速精确地检测乒乓球抛球高度，为判球过程提供了客观依据。本发明检测方法的实现极为简单，其中高速摄像头既可自备，也可利用比赛现场已有的媒体镜头，从而达到节约成本的目的。本发明通过对前景的提取，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度，比赛现场可即时显示抛球高度。本发明将背景建模、前景与背景分离、霍夫变换、计算质心以重设搜索窗值等方法相结合，克服了传统视频处理中复杂背景下目标物体易跟丢的情况，增强了系统的鲁棒性。本发明相较于原先的裁判主观目测判断，其抛球高度值呈现为数据形式，为判球过程提供了客观依据，且精度大大提高。

附图说明

图1为发明实施例的系统组成框图。

图2为发明实施例的乒乓球抛球高度检测程序流程图。

图3为发明实施例的抛球高度示意图。

图4是发明实施例的抛球高度算法流程图。

图5是发明实施例的乒乓球抛球高度检测方法的流程简图。

附图附注如下：

1：视频数据采集模块       2：数据处理模块

3：数据显示模块

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明给出两套实施方案，其中实施例一是基于PC机架构上的一种乒乓球抛球高度检测方法和系统，实施例二是基于TMS320DM642的一种乒乓球抛球高度检测方法和系统。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种基于PC机架构上的乒乓球抛球高度检测系统，包括视频数据采集模块1、数据处理模块2、数据显示模块3。

视频数据采集模块1采用美国CooKe公司PCO.1200s高速摄像机，与计算机的数据接口是IEEE1394；布设时需有稳定支撑物，以防抖动；且架设在运动员侧面，可拍摄到发球全过程。

数据处理模块2采用目前市场主流任意PC架构的计算机均可满足设计要求。本系统采用了WINDOWS XP操作系统，软件编制平台采用OPEN CV。

数据显示模块3搭载在PC计算机平台上，直接由计算机显示屏完成显示功能。

高速摄像头通过图像采集卡与PC机相连，计算机在OPEN CV中运行程序后，将抛球高度显示在计算机显示屏上。

实施例二

本实施例揭示一种基于TMS320DM642的乒乓球抛球高度检测系统，包括视频数据采集模块1、数据处理模块2、数据显示模块3。

视频数据采集模块1：摄像机采集到的视频信号为标准PAL/NTSC制，信号经A/D转换芯片SAA7155解码后，送至数据处理模块2的视频接口；摄像机布设时需有稳定支撑物，以防抖动；且架设在运动员侧面，可拍摄到发球全过程。

数据处理模块2：采用TI公司生产的TMS320DM642芯片。在CCS2.2中编译好乒乓球抛球高度检测程序后，将其烧至TMS320DM642芯片内。

数据显示模块3：TMS320DM642的视频接口（输出）驱动视频编码器SAA7106，视频编码器输出视频图像，最终传送至显示器。

其中，乒乓球抛球高度检测方法如图5所示，具体步骤如下：

S 1：视频数据采集模块采集到视频信息，并将其传送给数据处理模块；

S2：数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，运行程序对数据进行计算处理；其中，乒乓球抛球高度检测程序由如下几个部分组成：

S21：启动，系统初始化，判断是否有视频导入；

S22：有图像导入则分离前景与背景，否则回到S21步。

S23：处理分离出的前景图像，用霍夫变换识别出乒乓球，当呈现为标准圆时，即为起抛点，与此同时记录乒乓球直径；

S24：采用计算搜索窗中图像质心的方法，自动跟踪乒乓球运动轨迹，比较乒乓球运动过程中的像素坐标的Y值，取其最大值，即为最高点坐标；

S25：计算得抛球高度，进行误差补偿，并将结果传送给数据显示模块；

S3：数据显示模块显示出抛球高度。

步骤2的数据处理模块中，乒乓球抛球高度检测程序的流程图如图2所示，有视频信号输入后，先进行背景建模，本发明实施例中采用的是多高斯背模型，将模型中的每个像素点都分别建立多维高斯分布，以此来混合模拟该点的背景值，且多个分布具自适应性。后面的计算只针对前景部分，从而大大减小的计算量，提高了运算速度。

为了实现动态视频中良好的跟踪效果，采用的算法如下：先在第一帧中初始化搜索窗的尺寸和定位，然后计算其颜色直方图，根据直方图可得概率分布图，由此，可计算搜索窗的质心，计算搜索窗质心的公式如下：

$x_c=\frac{M_{10}}{M_{00}},$ $y_c=\frac{M_{01}}{M_{00}}$

零阶矩和一阶矩的计算公式如下：

M₀₀＝∑_x∑_yI(X，Y)，M₁₀＝∑_x∑_yxI(X，Y)，M₀₁＝∑_x∑_yyI(X，Y)，其中，I(x，y)是概率分布图中点(x，y)的密度值。

搜索窗的新尺寸可由下式计算：

$1=\sqrt{\frac{(a+b)+\sqrt{b^2+{(a-c)}^2}}{2}},$ $w=\sqrt{\frac{(a+b)-\sqrt{b^2+{(a-c)}^2}}{2}},$

其中，I和w分别搜索窗的长短轴，a，b和c可从以下公式中得到：

$a=\frac{M_{20}}{M_{00}}-x_c^2,$ $b=2(\frac{M_{11}}{M_{00}}-x_c{y}_c),$ $c=\frac{M_{02}}{M_{00}}-y_c^2$

二极阶矩可由以下公式计算得到：

M₂₀＝∑_x∑_yx²I(X，Y)，M₀₂＝∑_x∑_yy²I(X，Y)，M₁₁＝∑_x∑_yxyI(X，Y)

如此循环，用搜索窗的新的尺寸和定位来进行迭代运算。

乒乓球抛球高度的计算过程如图3和图4所示，在视频中利用霍夫变换检测到乒乓球呈现为标准圆后，一方面计算出视频中乒乓球的直径大小(设直径为d)，并与实际乒乓球标准直径大小(40mm)相除，得到视频中乒乓球直径与实际乒乓球标准直径大小的比值(设比值为k)，则

另一方面，取此时坐标为起抛点坐标(设起抛点坐标为(x1，y1))。

然后，继续跟踪乒乓球的运动过程，将乒乓球运动过程中所有的y坐标相比较，取其中的最大值，得最高点坐标（设最高点坐标为(x2,y2)）。

下一步，设视频中乒乓球的抛球高度为h，实际的抛球高度为H，

则 $h=\sqrt{{(x2-x1)}^2+{(y2-y1)}^2}\left(\mathrm{mm}\right),$ $H=\frac{h}{m}\left(\mathrm{mm}\right).$

由于球脱离手的瞬间，部分球体被手掌所遮盖，此时并未呈现为标准圆，所以应进行误差补偿。取乒乓球脱离手瞬间到乒乓球呈现为标准圆之间的距离为10mm，因此可得，经误差补偿后实际乒乓球的抛球高度为

综上所述，本发明提出的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统及方法，可快速精确地检测乒乓球抛球高度，为判球过程提供了客观依据。

本发明检测方法的实现极为简单，其中高速摄像头既可自备，也可利用比赛现场已有的媒体镜头，从而达到节约成本的目的。本发明通过对前景的提取，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度，比赛现场可即时显示抛球高度。

本发明将背景建模、前景与背景分离、霍夫变换、计算质心以重设搜索窗值等方法相结合，克服了传统视频处理中复杂背景下目标物体易跟丢的情况，增强了系统的鲁棒性。本发明相较于原先的裁判主观目测判断，其抛球高度值呈现为数据形式，为判球过程提供了客观依据，且精度大大提高。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统，其特征在于，所述系统包括：视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块；

所述数据采集模块采集到乒乓球比赛的视频后，将其传送给数据处理模块，数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，程序运行后计算得出抛球高度，并将结果传输给数据显示模块，最后由数据显示模块显示出抛球高度。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统，其特征在于：

所述视频数据采集模块中包括高速摄像头和图像采集卡，高速摄像头与图像采集卡连接，图像采集卡与数据处理模块连接；

所述高速摄像头能满足拍摄高清录像，每帧画面中图像无拖影现象；布设时需有稳定支撑物，以防抖动；且架设在运动员侧面，可拍摄到发球全过程。

3.一种权利要求1或2所述的基于图像处理的乒乓球抛球高度检测系统的高度检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：视频数据采集模块采集到视频信息，并将其传送给数据处理模块；

步骤S2：数据处理模块中载有乒乓球抛球高度检测程序，运行程序对数据进行计算处理；

步骤S3：数据显示模块显示出抛球高度；

所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S21：启动，系统初始化，判断是否有视频导入；

步骤S22：有图像导入则分离前景与背景，否则返回至步骤S21；

步骤S23：处理分离出的前景图像，用霍夫变换识别出乒乓球，当呈现为标准圆时，即为起抛点，与此同时记录乒乓球直径；

步骤S24：采用计算搜索窗中图像质心的方法，自动跟踪乒乓球运动轨迹，比较乒乓球运动过程中的像素坐标的Y值，取其最大值，即为最高点坐标；

步骤S25：计算得抛球高度，进行误差补偿，并将结果传送给数据显示模块。

4.根据权利要求3所述的高度检测方法，其特征在于：

所述步骤S2中，分离前景与背景部分中，先建立背景模型，将当前帧与背景模型进行比较，变化较大的区域即为前景；所述霍夫变换部分，在前景图像中自动检测出标准圆，即为起抛点，并计算得出标准圆的直径；所述最高点是通过将运动过程中的所有像素点进行比较，得到的Y坐标的最大值。

5.根据权利要求3所述的高度检测方法，其特征在于：

所述步骤S2中，乒乓球的跟踪过程采用计算质心方法，首先初始化第一帧中搜索窗的尺寸和位置，然后计算搜索窗中图像的颜色直方图，继而可得颜色的概率分布图，由概率分布的数据可计算搜索窗中图像的质心，并将当前帧的质心数据作为下一帧图像的初始数据，如此循环。

6.根据权利要求3所述的高度检测方法，其特征在于：

所述步骤S2中，根据起抛点、最高点、实际乒乓球标准直径，来计算乒乓球抛球高度，并进行误差补偿。

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