CN108970091B - 一种羽毛球动作分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种羽毛球动作分析方法及系统，所述系统包括摄像机、内置运动传感器的手环和羽毛球拍、拍柄上的压力传感器；所述方法包括：基于用户所选择的视频帧，定位源视频段；基于用户所选择的视频帧关联的压力值，从所有视频中筛选出一组初选帧；获取各初选帧对应的初选视频段；计算初选视频段和源视频段的相似度，返回相似视频段。本发明可在羽毛球动作分析中，准确寻找运动员相似动作的视频。

Description

一种羽毛球动作分析方法及系统
【技术领域】
本发明属于动作识别领域，尤其涉及一种羽毛球动作分析方法及系统。
【背景技术】
在体育领域中，对运动员的动作分析是帮助运动员提高成绩的一种有效手段。尤其在羽毛球领域，运动员的一个小动作都会影响羽毛球的运动轨迹。现有技术中，对一个运动员的动作分析通常是使用摄像机从不同角度进行拍摄，然后在计算机上慢放视频，进行分析。其中的一个重要需求是找到运动员在打球过程中的多个相似动作，以方便分析。现有技术一般是使用图像识别来找到相似动作，但是图像识别会受到拍摄角度的影响，并且在区分运动员的小动作方面常常不够理想。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明提出了一种羽毛球动作分析方法及系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种羽毛球动作分析方法，使用摄像机拍摄羽毛球运动员的运动视频，所述运动员持拍的手腕上穿戴了内置运动传感器的手环，所持羽毛球拍中也内置运动传感器，并在拍柄上设置压力传感器，用于感知运动员持拍时对拍柄的握持力；
所述运动视频的每一帧与所述三个传感器所采集的相同时刻的数据相关联，并存储在服务器上；用户通过客户端选择并播放视频，并通过客户端选择其中一帧，向服务器请求寻找与该帧中运动员动作相似的其他视频段，所述服务器采用以下步骤来寻找相似视频段：
(1)所述服务器定位用户所选择的视频帧，以及该视频帧的前后若干帧，作为源视频段；
(2)设用户所选择的视频帧所关联的压力传感器数值为F，所述服务器从所有视频中筛选出一组初选帧，初选帧应满足以下条件：初选帧所关联的压力传感器数值与所述F的差不大于预设阈值；
(3)针对每个初选帧，所述服务器基于步骤(1)相同的方式，获取相应的视频段，作为初选视频段；
(4)所述服务器计算每一个初选视频段与所述源视频段的相似度，将相似度满足预定条件的初选视频段作为相似视频段返回给客户端。
进一步地，每个视频帧所关联的两个运动传感器数据组成一个六维的运动向量，则步骤4中初选视频段与源视频的相似度计算方法如下：
设源视频段A和初选视频段B包括n帧，源视频段A的第i帧的运动向量为(Ai1，Ai2，……，Ai6)，初选视频段B的第i帧的运动向量为(Bi1，Bi2，……，Bi6)，1≤i≤n；
(4.1)计算A和B第i帧的向量距离Di，即
(4.2)计算n个向量距离的平均值D；
(4.3)计算A和B之间的相似度S，即
所述步骤(4)中将相似度小于预定阈值的初选视频段作为相似视频段.。
进一步地，客户端在播放视频时，同步获取与该视频关联的传感器数据，在屏幕上同步显示基于这些数据形成的曲线。
进一步地，所述服务器将相似视频段按照相似度排序后返回给客户端。
进一步地，所述步骤(1)中，以用户选择的视频帧为中心，来选择源视频段；如果无法以用户选择的视频帧为中心来选择源视频段，则从视频初始或末尾起选择包括该视频帧的一段视频。
本发明还提供了一种羽毛球动作分析系统，包括摄像机、手环和羽毛球拍，其中所述摄像机用于拍摄羽毛球运动员的运动视频；所述手环内置了一个运动传感器，用于感知手环的运动轨迹，并穿戴在运动员持拍的手腕上；所述羽毛球拍内置了一个运动传感器，用于感知球拍的运动轨迹，羽毛球拍拍柄上设置了压力传感器，用于感知运动员持拍时对拍柄的握持力。
进一步地，所述系统还包括接收设备，所述手环和羽毛球拍中都具有电池和无线通信模块，电池用于供电，无线通信模块用于将各个传感器采集的数据实时发送给所述接收设备。
进一步地，摄像机拍摄的运动员视频实时以视频流的方式发送给所述接收设备。
进一步地，所述接收设备同步接收上述三个传感器采集的数据，以及摄像机拍摄的运动员视频，将三个传感器每次采样的数据与拍摄时间相同的视频帧关联存储。
进一步地，接收设备将关联存储的视频和传感器数据发送到服务器保存。
本发明的有益效果为：在羽毛球动作分析中，准确寻找运动员相似动作的视频。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明方法的基本步骤。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为了分析羽毛球运动员的动作，除了使用摄像机拍摄外，本发明的系统还包括以下三个设备。
第一个设备是运动员穿戴的手环，所述手环内置了运动传感器(例如陀螺仪)，可以感知手环的运动轨迹，也就是运动员手部的运动轨迹。手环应当穿戴在运动员握拍的那只手的手腕上。
第二个设备是内置于羽毛球拍中的运动传感器，用于感知球拍的运动轨迹，该运动传感器可以内置于羽毛球拍的拍柄内。
第三个设备是设置于羽毛球拍拍柄上的压力传感器，用于感知运动员持拍时对拍柄的握持力。
所述手环和羽毛球拍中都还具有电池和无线通信模块，电池用于供电，无线通信模块用于将各个传感器采集的数据实时发送给附近的接收设备，同时，摄像机拍摄的运动员视频也实时以视频流的方式发送给所述接收设备。所述接收设备同步接收上述三个传感器采集的数据，以及摄像机拍摄的运动员视频。为了方便后期分析，三个传感器采样数据的时间间隔，与摄像机拍摄两帧的时间间隔相同；这样，在忽略误差的情况下，所述接收设备可以将三个传感器每次采样的数据与拍摄时间相同的视频帧关联存储，即每一个视频帧都关联到相同时刻的一组传感器数据。具体地，接收设备可以将传感器数据作为视频帧的元数据存储于视频文件中。最后，接收设备将关联存储的视频和传感器数据一起发送到服务器保存。
当用户需要观看和分析该运动员的运动视频时，其可通过客户端从服务器调取视频列表，在客户端选择并播放需要的视频，同时客户端还可以同步获取与该视频关联的传感器数据，在屏幕上同步显示基于这些数据形成的曲线。
例如，对于压力传感器数据而言，其是随着时间变化的压力值，因此可以根据视频播放的时间段，同步显示相同时间内压力值的变化曲线。对于其他两个运动传感器，其数据涉及的是三维空间内的位置，则需要在一个虚拟三维场景内显示相应时间内的三维曲线，实际上也就是手部和球拍的运动轨迹。
用户在观看运动视频时，其可以通过客户端选择其中一帧，并请求寻找与该帧中运动员动作相似的其他视频段。客户端将用户所选择的帧的相关信息发送给服务器，所述相关信息包括该帧所在的视频编号，以及该帧在该视频的位置，以方便服务器定位该帧。服务器据此从存储的各个视频中寻找与该帧相似的视频段。
与现有技术不同，本发明不通过图像识别来寻找相似动作的视频，而是基于传感器数据来寻找相似动作的视频，参见附图1，具体步骤说明如下：
(1)所述服务器定位用户所选择的视频帧，以及该视频帧的前后若干帧，作为源视频段。
通常情况下，可以该视频帧为中心，来选择源视频段，例如定位该视频帧的前100帧和后100帧，共201帧作为源视频段。特殊情况下，该视频帧可能位于视频的初始或末尾的一段时间内，导致无法以该视频帧为中心来选择源视频段，此时就从视频初始或末尾起选择包括视频帧的一段视频即可。上述定位源视频段的方式只是本发明的优选实施例，也可以采用别的定位方式，本发明对此不作限制。
(2)设用户所选择的视频帧所关联的压力传感器数值为F，所述服务器从所有视频中筛选出一组初选帧，初选帧应满足以下条件：即初选帧所关联的压力传感器数值与所述F的差不大于预设阈值。
如果找不到满足上述条件的初选帧，则服务器可直接告知客户端找不到相似视频，方法结束，否则继续后续步骤。
本发明使用压力值进行了初选，使得大量视频的检索可以迅速缩小到一个较小的范围内，提供了相似视频检索的速度。
(3)针对每个初选帧，所述服务器基于步骤1相同的方式，获取相应的视频段，作为初选视频段。
从初选帧定位初选视频段，应当与从用户选择帧定位源视频段的方法相同，如果基于相同的方法，得不到对应的初选视频段(例如初选帧前面或后面的帧数不够)，则放弃该初选帧。
得到的初选视频段与源视频段结构应当相同，设源视频段有n帧，则每个初选视频段也应当有n帧。
(4)所述服务器计算每一个初选视频段与所述源视频段的相似度，将相似度满足预定条件的初选视频段作为相似视频段返回给客户端。
优选的，所述服务器还可将相似视频段按照相似度排序后返回给客户端。
步骤4的核心是相似度的计算方法，本发明是基于手环和球拍中的两个运动传感器数据来计算初选视频段和源视频段的相似度。对于每个运动传感器而言，其每次采集的数据对应的是一个空间三维数据，也就是一个三维向量，两个运动传感器的数据可以视为一个六维向量。因此，对于每一帧，其关联的两个运动传感器数据可以表示为一个六维向量，以下称为运动向量。
对于一个n帧的源视频段A，假设其第i帧的运动向量为(Ai1，Ai2，……，Ai6)，同理，对于一个n帧的初选视频段B，假设其第i帧的运动向量为(Bi1，Bi2，……，Bi6)，1≤i≤n。则A和B的相似度的计算方法如下：
(4.1)计算A和B第i帧的向量距离Di，即
由此，可以计算得到A和B的n个帧的n个向量距离D1至Dn。
(4.2)计算所述n个向量距离的平均值D；
(4.3)计算A和B之间的相似度S，即
基于上述算法，得到的相似度S越小，则A和B就越相似，相似度S越大，则A和B之间的差异越大。因此，步骤4中的预定条件就可以设定为相似度小于预定阈值，即将相似度小于预定阈值的初选视频段作为相似视频段。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (10)

1.一种羽毛球动作分析方法，其特征在于，使用摄像机拍摄羽毛球运动员的运动视频，所述运动员持拍的手腕上穿戴了内置运动传感器的手环，所持羽毛球拍中也内置运动传感器，并在拍柄上设置压力传感器，用于感知运动员持拍时对拍柄的握持力；
所述运动视频的每一帧与每个传感器所采集的相同时刻的数据相关联，并存储在服务器上；用户通过客户端选择并播放视频，并通过客户端选择其中一帧，向服务器请求寻找与该帧中运动员动作相似的其他视频段，所述服务器采用以下步骤来寻找相似视频段：
(1)所述服务器定位用户所选择的视频帧，以及该视频帧的前后若干帧，作为源视频段；
(2)设用户所选择的视频帧所关联的压力传感器数值为F，所述服务器从所有视频中筛选出一组初选帧，初选帧应满足以下条件：初选帧所关联的压力传感器数值与所述F的差不大于预设阈值；
(3)针对每个初选帧，所述服务器基于步骤(1)相同的方式，获取相应的视频段，作为初选视频段；
(4)所述服务器计算每一个初选视频段与所述源视频段的相似度，将相似度满足预定条件的初选视频段作为相似视频段返回给客户端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在在于，每个视频帧所关联的两个运动传感器数据组成一个六维的运动向量，则步骤(4)中初选视频段与源视频的相似度计算方法如下：
设源视频段A和初选视频段B包括n帧，源视频段A的第i帧的运动向量为(Ai1，Ai2，……，Ai6)，初选视频段B的第i帧的运动向量为(Bi1，Bi2，……，Bi6)，1≤i≤n；
(4.1)计算A和B第i帧的向量距离Di，即
(4.2)计算n个向量距离的平均值D；
(4.3)计算A和B之间的相似度S，即
所述步骤(4)中将相似度小于预定阈值的初选视频段作为相似视频段。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，客户端在播放视频时，同步获取与该视频关联的传感器数据，在屏幕上同步显示基于这些数据形成的曲线。
4.根据权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，所述服务器将相似视频段按照相似度排序后返回给客户端。
5.根据权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，以用户选择的视频帧为中心，来选择源视频段；如果无法以用户选择的视频帧为中心来选择源视频段，则从视频初始或末尾起选择包括该视频帧的一段视频。
6.一种实现权利要求1所述方法的羽毛球动作分析系统，其特征在于，包括摄像机、手环和羽毛球拍，其中
所述摄像机用于拍摄羽毛球运动员的运动视频；
所述手环内置了一个运动传感器，用于感知手环的运动轨迹，并穿戴在运动员持拍的手腕上；
所述羽毛球拍内置了一个运动传感器，用于感知球拍的运动轨迹，羽毛球拍拍柄上设置了压力传感器，用于感知运动员持拍时对拍柄的握持力。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括接收设备，所述手环和羽毛球拍中都具有电池和无线通信模块，电池用于供电，无线通信模块用于将各个传感器采集的数据实时发送给所述接收设备。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，摄像机拍摄的运动员视频实时以视频流的方式发送给所述接收设备。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述接收设备同步接收每个传感器采集的数据，以及摄像机拍摄的运动员视频，将每个传感器每次采样的数据与拍摄时间相同的视频帧关联存储。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，接收设备将关联存储的视频和传感器数据发送到服务器保存。
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