CN110189374B - 一种射箭姿态即时反馈系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种射箭姿态即时反馈系统，包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块、人机交互模块、图像采集触发模块、数据处理模块、结果显示模块；人机交互模块给第一、第三图像采集模块发拍摄信号，第一图像采集模块采集运动员射箭过程身体姿态，触发模块在箭矢脱离响片时给第二图像采集模块发拍摄指令；第二图像采集模块拍摄箭矢离弓瞬间运动姿态；第三图像采集模块采集箭靶成绩图像；数据处理模块将第一图像采集模块的图像转换为慢动作视频；利用第二图像采集模块的图像计算箭矢运动参数；保存第三图像采集模块的箭靶成绩图像，并将上述结果发给结果显示模块进行显示，本发明能够自动分析、即时反馈箭矢运动参数。

Description

一种射箭姿态即时反馈系统
技术领域
本发明属于运动训练装备的技术领域，具体涉及一种射箭姿态即时反馈系统。
背景技术
我国射箭运动历史悠久，在奥运会比赛中属于具备一定实力的项目，国家队的训练水平和技术水平也在稳步提高，但与射箭项目的传统强队韩国还存在着一定差距。为了进一步提升我国射箭水平，迈入强队阵营，需要改进训练手段，加强科技研发投入。
国内外对于射箭运动已经进行了不同方面的研究，包括体能训练研究、射箭过程中运动员肌电信号分析、注意力分析以及采用高速摄影和测速仪等手段对运动员技术动作研究等。但是关于箭矢离弦姿态以及飞行过程中稳定性研究较少。在不考虑风速的影响时，运动员位置与箭靶位置相对固定，箭矢离开弓之后的姿态，决定了最终的成绩。因此关于运动员在撒放瞬间的姿态以及箭矢刚出弓的姿态的分析，对于提高运动员成绩具有十分重要的意义。
此外，目前关于射箭运动的研究大多停留在理论分析阶段，能直接应用于射箭训练的辅助性装备并不多见，国家队中依然采用教练员与运动员肉眼分析和训练后回想讨论的方法进行日常训练。但是在目前射箭训练中，对于高水平运动员，其射箭姿态及撒放过程都已经达到了一个比较稳定的程度，因此再想通过教练员的肉眼观察去帮助运动员矫正姿势和提高成绩已经变的十分困难。为了能够观察对比不同运动员和同一运动员不同时期之间的身体姿态和箭矢姿态的变化，找到与顶尖运动员的技术动作上的细微差距，研制出一套能够捕捉运动员射箭瞬间姿态和箭矢飞行的姿态、并进行即时反馈的训练装备迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种射箭姿态即时反馈系统，能够自动分析、即时反馈箭矢运动参数，以帮助教练员和运动员更好的完成训练，提高成绩。
实现本发明的技术方案如下：
一种射箭姿态即时反馈系统，包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块、人机交互模块、图像采集触发模块、数据处理模块、结果显示模块；
人机交互模块在接收到操作人员发出的运行指令后，给第一图像采集模块和第三图像模块发送拍摄信号；
第一图像采集模块接收到拍摄信号后采集运动员射箭过程的身体姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
图像采集触发模块在箭矢脱离响片时给第二图像采集模块发出拍摄指令；
第二图像采集模块接收到拍摄指令后，拍摄箭矢离弓瞬间的运动姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
第三图像采集模块接收到拍摄信号后采集箭靶成绩图像，并把所采集图像发送给数据处理模块；
数据处理模块将接收到的第一图像采集模块采集的图像转换为慢动作视频；选取第二图像采集模块采集图像中存在箭矢的图像，提取每张图像中箭矢的位置信息并计算箭矢的运动参数；接收第三图像采集模块采集的箭靶成绩图像并保存；最后，将上述慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像发送给结果显示模块；
结果显示模块接收慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像并显示。
进一步地，图像采集触发模块包括无线信号发射器、正触发引线、负触发引线、无线信号接收器和相机外触发控制线；正触发引线和负触发引线的一端分别固定于弓的响片和垫片上；正触发引线和负触发引线的另一端均联通于无线信号发射器，无线信号接收器通过相机外触发控制线与第二图像采集模块连接；当箭矢脱离响片时，弓的响片和垫片接触，从而正触发引线和负触发引线接触，使得无线信号发射器发出无线信号，无线信号接收器接收到该无线信号后生成拍摄指令，通过相机外触发控制线发送给第二图像采集模块。
进一步地，所述正触发引线夹持在响片上，所述负触发引线粘贴在垫片上。
进一步地，数据处理模块选取存在箭矢的图像具体为：数据处理模块查找箭矢飞出拍摄范围的临界图像，然后选取该临界图像之前的n张图像。
进一步地，数据处理模块提取箭矢位置信息具体为：利用第二图像采集模块采集的首张图像每个像素点的灰度值分别减去所选取的存在箭矢的图像对应像素点的灰度值，得到对应的灰度差值图像，设置检测阈值T，若灰度差值图像中某像素点的灰度差值大于等于T，则此像素点为箭矢，反之，则此像素点不是箭矢，进而获得箭矢的位置信息。
有益效果：
(1)本发明的射箭姿态即时反馈系统在对运动员产生很小影响的基础上，完成箭矢姿态分析和人体姿态拍摄，并进行即时反馈。
(2)本发明的图像采集触发模块，采用夹持固定和粘贴固定来讲接触引线分别固定于弓的响片和垫片上，并通过无线传输的方式传输信号，从而在对运动员产生很小干扰的情况下，实现精确控制相机拍摄。
(3)本发明的数据处理模块，通过对像素点的灰度差值的分析判断，确定箭矢的位置，从而实现箭矢的自动识别。
附图说明
图1为射箭姿态即时反馈系统整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明在了解了弓箭的结构构造和运动员射箭动作过程的基础上，选取了合适的触发时机，设计制造了轻量化的触发模块，从而解决了高速相机自动触发采集照片的问题。通过在不同光照条件下的反复试验，不断完善自动识别程序，从而完成了箭矢的自动识别与标定，进而自动计算。最后，通过教练员与运动员的实际使用反馈，改进优化了软件终端使用界面。从而完成了一整套射箭姿态即时反馈系统的，并将其运用到国家射箭队的实际训练中去。
如图1所示，本发明提供了一种射箭姿态即时反馈系统，包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块、人机交互模块、图像采集触发模块、数据处理模块、结果显示模块；
人机交互模块在接收到开始运行指令后，给第一图像采集模块发送拍摄信号；
第一图像采集模块接收到拍摄信号后采集运动员射箭过程的身体姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
图像采集触发模块包括无线信号发射器、正触发引线、负触发引线、无线信号接收器和相机外触发控制线；正触发引线和负触发引线的一端分别固定于弓的响片和垫片上，其中，正触发引线夹持在响片上，所述负触发引线粘贴在垫片上；正触发引线和负触发引线的另一端均联通于无线信号发射器，无线信号接收器通过相机外触发控制线与第二图像采集模块连接；当箭矢脱离响片时，弓的响片和垫片接触，从而正触发引线和负触发引线接触，使得无线信号发射器发出无线信号，无线信号接收器接收到该无线信号后生成拍摄指令，通过相机外触发控制线发送给第二图像采集模块。
第二图像采集模块接收到拍摄指令后，拍摄箭矢离弓瞬间的运动姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
第一图像采集模块和第二图像采集模块在本实施例中采用的是两台高速相机，并通过相机固定台安装于三脚架上。在相机正前方3m的位置处，居中布置一块宽、高为3*2.8m的白色背景布，白色背景布作为图像采集背景，方便检测出箭。射箭时，运动员紧邻白色背景布。在相机的外触发接口上连接触发模块的信号接收装置。人体姿态捕捉相机拍摄频率设定为60fps；箭矢姿态捕捉相机拍摄频率设定为247fps。
第三图像采集模块采集箭靶成绩图像，并把所采集图像发送给数据处理模块；第三图像采集模块包括一台相机、远距离传输网线、电源和三脚架。相机通过三脚架安置于箭靶前方，通过远距离传输网线与位于运动员处的电脑连接。当运动员完成射击，操作人员通过点击控制界面上的“捕捉箭靶成绩”按钮，控制相机拍摄箭靶图片并传回控制界面。
数据处理模块将接收到的第一图像采集模块采集的图像转换为慢动作视频；选取第二图像采集模块采集图像中存在箭矢的图像，提取每张图像中箭矢的位置信息并计算箭矢的运动参数；接收第三图像采集模块采集的箭靶成绩图像并保存；最后，将上述慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像发送给结果显示模块；
本发明采用图差法来检测和获取箭矢图像，即将第二图像采集模块采集图像转化为灰度图，遍历每张图像，在图像的最左端设置检测区域，并根据光照条件设置检测阈值，将每张图片与初始图片相减，当检测区域的像素出现变化时，表明箭矢进入到该区域，即该张照片为箭矢即将飞出视野的照片。根据该照片编号，选取该张照片及该张照片之前的四张照片，共五张照片来检测箭矢的精确位置。用初始图像的灰度值分别减去五张照片的灰度值，背景没有变化处，得到的灰度差值为0，背景改变的，即箭矢的位置，其灰度差值为X。由于背景噪声的存在，不变化的背景处得到的差值像素并不一定会是0。因此设置检测阈值为T，在得到的灰度差值图中用T来检测每个灰度值，大于等于T的，说明此处为箭矢，将灰度值设置为255，小于T的说明此处为背景噪声，将灰度值设置为0。进而获得每张照片中箭矢的精确位置，以此我们可以计算出每张图片里箭矢的角度α，质心位置S。根据图片间隔t，计算出箭矢的速度V，角速度α,加速度a，角加速度αa。
结果显示模块接收慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像并显示。
结果显示模块的显示界面主要包括三个部分：即时反馈显示、历史记录查看、设置界面。即时反馈界面包括启动程序的“准备”、“保存”按钮，箭矢位置和运动参数界面，运动员身体姿态窗口，箭矢飞行姿态窗口，箭靶成绩窗口；历史记录查看界面可查看之前记录的运动员成绩与姿态详情；设置界面可提前设置运动员姓名，编号，弓型号和磅数，箭矢信息。此外在设置界面中还可根据光照条件，设置姿态相机和箭靶面相机的曝光参数，并根据设置的参数，随时调试拍摄效果。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种射箭姿态即时反馈系统，其特征在于，包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块、人机交互模块、图像采集触发模块、数据处理模块、结果显示模块；
人机交互模块在接收到操作人员发出的运行指令后，给第一图像采集模块和第三图像模块发送拍摄信号；
第一图像采集模块接收到拍摄信号后采集运动员射箭过程的身体姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
图像采集触发模块在箭矢脱离响片时给第二图像采集模块发出拍摄指令；
第二图像采集模块接收到拍摄指令后，拍摄箭矢离弓瞬间的运动姿态，并把所采集图像发送给数据处理模块；
第三图像采集模块接收到拍摄信号后采集箭靶成绩图像，并把所采集图像发送给数据处理模块；
数据处理模块将接收到的第一图像采集模块采集的图像转换为慢动作视频；选取第二图像采集模块采集图像中存在箭矢的图像，提取每张图像中箭矢的位置信息并计算箭矢的运动参数；接收第三图像采集模块采集的箭靶成绩图像并保存；最后，将上述慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像发送给结果显示模块；
结果显示模块接收慢动作视频、箭矢的运动参数和箭靶成绩图像并显示；
其中，图像采集触发模块包括无线信号发射器、正触发引线、负触发引线、无线信号接收器和相机外触发控制线；正触发引线和负触发引线的一端分别固定于弓的响片和垫片上；正触发引线和负触发引线的另一端均联通于无线信号发射器，无线信号接收器通过相机外触发控制线与第二图像采集模块连接；当箭矢脱离响片时，弓的响片和垫片接触，从而正触发引线和负触发引线接触，使得无线信号发射器发出无线信号，无线信号接收器接收到该无线信号后生成拍摄指令，通过相机外触发控制线发送给第二图像采集模块。
2.如权利要求1所述的一种射箭姿态即时反馈系统，其特征在于，所述正触发引线夹持在响片上，所述负触发引线粘贴在垫片上。
3.如权利要求1所述的一种射箭姿态即时反馈系统，其特征在于，数据处理模块选取存在箭矢的图像具体为：数据处理模块查找箭矢飞出拍摄范围的临界图像，然后选取该临界图像之前的n张图像。
4.如权利要求1或3所述的一种射箭姿态即时反馈系统，其特征在于，数据处理模块提取箭矢位置信息具体为：利用第二图像采集模块采集的首张图像每个像素点的灰度值分别减去所选取的存在箭矢的图像对应像素点的灰度值，得到对应的灰度差值图像，设置检测阈值T，若灰度差值图像中某像素点的灰度差值大于等于T，则此像素点为箭矢，反之，则此像素点不是箭矢，进而获得箭矢的位置信息。
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