CN110711373B - 一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，高度检测系统包括视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，视频数据采集模块包括深度传感器和适配器，深度传感器获取羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，逐帧叠加动态像素，识别并拟合动态像素之中动态物体的运动轨迹，若运动轨迹呈现为抛物线，判定动态物体为羽毛球。本发明提供的数据处理过程较快，检测结果具有时效性，保证了比赛的正常进行。本发明消除了静态像素，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度。本发明能够精确地检测羽毛球发球时击球点的高度，为裁判判定发球是否失误提供客观依据。

Description

一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法

技术领域

本发明涉及体育用品技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法。

背景技术

羽毛球是一项极富趣味的活动，自1992年起，羽毛球成为了奥运会的正式比赛项目。世界羽联于2017年11月讨论通过了羽毛球发球新规，该新规要求发球时击球点的高度不能超过1.15米。

这条发球时击球点的高度不能超过1.15米的规定在现如今的比赛中经常引起裁判与球员之间的争议。因其过于具体化，而且目前并没有能够准确地测量出发球时击球点的高度的有关装置，因此，是否违规只能由裁判目测后判定，具有较大主观性。在国内外比赛中，关于裁判是否误判已多次引发争议，运动员的状态因此受到很大的影响，甚至会影响比赛的正常进行。

经过查阅发现，目前关于机器人检测羽毛球发球时击球点高度的测量方法并无相关发明专利涉及，相关的处理思路也较为少见。现如今图像处理技术的应用日益广泛，它具有很多优点，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等，因此，用图像处理的方法来检测羽毛球发球时击球点的高度具有一定的优越性。中国专利公开号为103063143A的发明专利提供了一种通过在同一拍摄视窗内摄取与拍摄视窗相同距离的参考物与待测物的图像，并根据参考物的已知实际数据和参考物在所述图像中的像素数，计算出所述图像中每个像素对应的实际数据，再结合待测物的像素数，确定待测物的实际数据的方法。而在羽毛球比赛中不可能放置与发球运动员相同距离的参考物，因此，在羽毛球比赛中，此方法具有局限性。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测系统，包括视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述视频数据采集模块用于拍摄羽毛球比赛视频，采集所述羽毛球比赛视频的同时将所述羽毛球比赛视频传送给数据处理模块；

所述数据处理模块用于运行所述羽毛球发球时击球点的高度检测程序，所述高度检测程序通过图像处理技术对所述羽毛球比赛视频的图像数据进行计算处理，获得所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块；

所述数据显示模块用于输出所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度与规定高度进行比较，判断发球是否犯规。

可选的，所述视频数据采集模块包括深度传感器和适配器，所述深度传感器与所述适配器连接，所述适配器与所述数据处理模块连接，所述深度传感器通过支架固定支撑，以使所述深度传感器的焦平面与地面保持垂直，所述深度传感器设置在运动员侧面的预设位置，以使所述深度传感器拍摄到发球的全部过程。

本发明还提供一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，包括：

步骤S1：视频数据采集模块拍摄羽毛球比赛视频，采集所述羽毛球比赛视频的同时将所述羽毛球比赛视频传送给数据处理模块；

步骤S2：所述数据处理模块运行所述羽毛球发球时击球点的高度检测程序，所述高度检测程序通过图像处理技术对所述羽毛球比赛视频的图像数据进行计算处理，获得所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块；

步骤S3：所述数据显示模块输出所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度与规定高度进行比较，判断发球是否犯规。

可选的，所述步骤S2包括：

步骤S21：判断深度传感器是否正确开启；

步骤S22：若所述深度传感器正确开启，获取所述羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，否则返回至步骤S21；

步骤S23：逐帧叠加所述动态像素，识别并拟合所述动态像素之中动态物体的运动轨迹，若所述运动轨迹呈现为抛物线，判定所述动态物体为羽毛球，大于所述抛物线的轨迹之中最大像素块宽度的像素块与所述抛物线的轨迹的相接点为所述羽毛球发球时击球点，记录所述羽毛球发球时击球点的深度值；

步骤S24：搜索所述深度传感器的深度图像之中与所述羽毛球发球时击球点具有相同深度的地面，获得所述地面在图像帧之中的竖直距离；

步骤S25：根据三角形相似定理，结合所述深度传感器的图像帧的宽度像素值和所述深度传感器的垂直视角，计算所述羽毛球发球时击球点的离地高度；

步骤S26：将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块。

可选的，所述步骤S22之中消除静态像素，保留动态像素的步骤之前包括：

将相邻的两帧图像进行比较，值未改变的像素判断为静态像素，值已改变的像素判断为动态像素。

可选的，所述步骤S23之中识别并拟合所述动态像素之中动态物体的运动轨迹的步骤包括：

在逐帧叠加的动态像素之中，重复随机抽取三点计算抛物线的基元参数，所述抛物线的基元参数的计算公式如下：

x²·a+x·b+c＝y (1)

其中，x和y分别是取点像素的列数与行数，三点可列方程组求出基元参数a、b和c；

若相同的基元参数累计超过阈值，获得以所述基元参数计算出的标准抛物线作为羽毛球发球后的运动轨迹。

可选的，所述步骤S24包括：

根据计算众数方法，获得与所述羽毛球发球时击球点具有相同深度的像素竖直坐标值的众数；

将所述像素竖直坐标值的众数作为所述羽毛球发球时击球点垂直对应地面的竖直坐标值；

计算所述羽毛球发球时击球点的离地高度，计算公式如下：

其中，y为所述羽毛球发球时击球点的像素行数，d为所述羽毛球发球时击球点的深度值，h为所述羽毛球发球时击球点的实际高度，y_e为地面行数，所述深度传感器的图像帧的宽度像素值为424，所述深度传感器的垂直视角为60度。

本发明具有下述有益效果：

本发明提出的羽毛球发球时击球点的高度检测系统及其方法，能够精确地检测羽毛球发球时击球点的高度，为裁判判定发球是否失误提供客观依据。高度检测系统包括视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，视频数据采集模块包括深度传感器和适配器，深度传感器获取羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，逐帧叠加动态像素，识别并拟合动态像素之中动态物体的运动轨迹，若运动轨迹呈现为抛物线，判定动态物体为羽毛球。本发明提供的数据处理过程较快，检测结果具有时效性，保证了比赛的正常进行。本发明提供的检测方法的实现以及检测系统的安装极为简单。本发明消除了静态像素，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度。相较于现有的裁判主观目测判断，本发明将羽毛球发球时击球点的高度值呈现为数据形式，清晰直观。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的结构示意图。

图2a为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的分布位置俯视图。

图2b为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的分布位置主视图。

图3a-3b为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球高度计算示意图。

图4为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球点高度计算流程图。

图5为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球点高度检测流程图。

图6a-6b为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的羽毛球运动轨迹拟合图。

其中，附图标记为：1、检测系统的位置；2、运动员击球的位置。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统及其方法进行详细描述。

实施例一

本实施例提供一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点高度检测系统，包括：视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述视频数据采集模块采集羽毛球比赛的视频，同时将采集到的视频传输给数据处理模块，数据处理模块运行羽毛球发球时击球点高度检测程序对数据进行分析计算，最终得到出发球时击球点的高度，将结果传送给数据显示模块，最后由数据显示模块输出发球时击球点高度。

本实施例中，所述视频数据采集模块包括深度传感器和适配器，深度传感器与适配器连接，适配器与数据处理模块连接；所述深度传感器可以满足拍摄高清录像的需求，达到每帧图像清晰无拖影；布设时通过支架支撑，保证深度传感器焦平面与地面保持垂直，并且防止抖动；所述深度传感器架设在运动员侧面规定距离，可拍摄到发球全过程。

图1为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的结构示意图，图2a为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的分布位置俯视图，图2b为本发明实施例一提供的羽毛球发球时击球点的高度检测系统的分布位置主视图。如图1-2b所示，所述高度检测系统包括视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述视频数据采集模块用于拍摄羽毛球比赛视频，采集所述羽毛球比赛视频的同时将所述羽毛球比赛视频传送给数据处理模块；所述数据处理模块用于运行所述羽毛球发球时击球点的高度检测程序，所述高度检测程序通过图像处理技术对所述羽毛球比赛视频的图像数据进行计算处理，获得所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块；所述数据显示模块用于输出所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度与规定高度进行比较，判断发球是否犯规。

优选的，所述视频数据采集模块包括深度传感器和适配器，所述深度传感器与所述适配器连接，所述适配器与所述数据处理模块连接，所述深度传感器通过支架固定支撑，以使所述深度传感器的焦平面与地面保持垂直，所述深度传感器设置在运动员侧面的预设位置，以使所述深度传感器拍摄到发球的全部过程。

本实施例提供的技术方案能够精确地检测羽毛球发球时击球点的高度，为裁判判定发球是否失误提供客观依据。深度传感器获取羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，逐帧叠加动态像素，识别并拟合动态像素之中动态物体的运动轨迹，若运动轨迹呈现为抛物线，判定动态物体为羽毛球。本实施例提供的数据处理过程较快，检测结果具有时效性，保证了比赛的正常进行。本实施例提供的检测方法的实现以及检测系统的安装极为简单。本实施例消除了静态像素，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度。相较于现有的裁判主观目测判断，本实施例将羽毛球发球时击球点的高度值呈现为数据形式，清晰直观。

实施例二

本实施例提供的一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点高度检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：视频数据采集模块拍摄羽毛球比赛视频，并于采集该视频信息同时将其传送给数据处理模块；

步骤S2：数据处理模块中运行羽毛球发球时击球点高度检测程序，该程序通过图像处理技术对数据进行计算处理；

步骤S3：数据显示模块输出发球时击球点高度，并与规则中规定高度比较，判定发球是否犯规。

本实施例中，所述步骤S2包括如下步骤：

步骤S21：系统启动，系统初始化，判断深度传感器是否正确开启；

步骤S22：深度传感器正确开启则获取图像数据，消除静态像素，保留动态像素，否则返回至步骤S21；

步骤S23：逐帧叠加动态像素，计算识别并拟合动态物体运动轨迹，当其呈现为近似抛物线的，则判定为羽毛球，大于抛物线轨迹中最大像素块宽度的像素块与抛物线轨迹的相接点为羽毛球发球时击球点，记录发球时击球点深度值；

步骤S24：搜索深度传感器的深度图像中与羽毛球发球时击球点同深度的地面在图像帧中的竖直距离；

步骤S25：采用三角形相似定理，结合深度传感器图像帧的宽度像素值和深度传感器垂直视角，计算羽毛球发球时击球点离地高度；

步骤S26：将结果传输给数据显示模块。

优选的，所述步骤S22中，消除静态像素，保留动态像素部分中，将相邻两帧进行比较，值未改变的像素判断为静态像素，与之相对的，值改变的像素判断为动态像素。

优选的，所述步骤S23中，识别羽毛球发球后运动轨迹部分中，在逐帧叠加动态像素中重复随机抽取三点计算抛物线基元参数，相同基元参数累计超过阈值，即得到以该基元参数计算出的标准抛物线作为羽毛球发球后的运动轨迹。

优选的，所述步骤S24中，搜索地面位置部分中，采用计算众数方法，与发球时击球点同深度的像素竖直坐标值的众数作为发球时击球点垂直对应地面的竖直坐标值。

本实施例提供的基于计算机架构上的羽毛球发球时击球点高度检测系统，主要包括三个模块：视频数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块；视频数据采集模块采用美国微软公司Kinect for Windows V2深度传感器，与计算机通过适配器相连；布设时通过支架支撑，保证深度传感器焦平面与地面保持垂直，并且防止抖动；所述深度传感器架设在运动员侧面规定距离，可拍摄到发球全过程。

本实施例中，数据处理模块采用Win8、Win8.1、Win10系统计算机均可满足设计要求。本系统采用了Win10操作系统，软件编制平台采用Visual Studio。数据显示模块搭载在计算机平台上，直接由计算机显示屏完成显示功能。深度传感器通过适配器与计算机相连，采集发球过程的视频并传送给计算机，计算机在Visual Studio中运行程序进行相应处理后得到羽毛球发球点高度值，并将该值显示在计算机显示屏上。

图3a-3b为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球高度计算示意图，图4为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球点高度计算流程图，图5为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的击球点高度检测流程图，图6a-6b为本发明实施例二提供的羽毛球发球时击球点的高度检测方法的羽毛球运动轨迹拟合图。如图3a-6b所示，羽毛球发球时击球点高度检测方法具体步骤如下：

步骤S1：视频数据采集模块采集到视频信息，并于拍摄同时将其传送给数据处理模块；

步骤S2：数据处理模块中运行羽毛球发球时击球点高度检测程序，该程序对数据进行计算处理；其中，羽毛球发球时击球点高度检测程序由如下几个部分组成：

步骤S21：系统启动，系统初始化，判断深度传感器是否正确开启；

步骤S22：深度传感器正确开启则消除静态像素，保留动态像素，否则返回至步骤S21；

步骤S23：逐帧叠加动态像素，计算识别并拟合动态物体运动轨迹，当其呈现为近似抛物线的，则判定为羽毛球，大于抛物线轨迹中最大像素块宽度的像素块与抛物线轨迹的相接点为羽毛球发球时击球点，记录发球时击球点深度值；

步骤S24：搜索深度传感器的深度图像中与羽毛球发球时击球点同深度的地面在图像帧中的位置；

步骤S25：采用三角形相似定理，结合深度传感器图像帧的宽度像素值和深度传感器垂直视角，计算羽毛球发球时击球点离地高度；

步骤S26：将结果传送给数据显示模块。

步骤S3：数据显示模块显示出发球时击球点高度，并与规则中规定高度比较，判定是否犯规；

本实施例中，正确开启深度传感器后，先将相邻两帧相减，消除静态像素，保留动态像素。传感器本身采集数据的特性造成误差会引起噪声，该噪声不仅影响当前帧的像素点，而且还会随着后续帧的叠加而积累，本发明实施例中为了消除所述噪声设计了处理方法，判定当某像素点的值在限定值两极不断跳动时，该点为噪声点，并将该噪声点消除。后面的计算只针对动态像素以及非噪声点，从而大大减小了计算量，提高了运算速度。

本实施例中，在逐帧叠加动态像素中重复随机抽取三点计算抛物线基元参数，相同基元参数累计超过阈值，即得到以该基元参数计算出的标准抛物线作为羽毛球发球后的运动轨迹。搜索地面位置部分中，采用计算众数方法，与发球时击球点同深度的像素竖直坐标值的众数作为发球时击球点垂直对应地面的竖直坐标值。抛物线基元参数可由下式计算：

x²·a+x·b+c＝y (1)

其中，x和y分别是取点像素的列数与行数，三点可列方程组求出基元参数a、b和c。

计算所述羽毛球发球时击球点的离地高度，计算公式如下：

其中，y为所述羽毛球发球时击球点的像素行数，d为所述羽毛球发球时击球点的深度值，h为所述羽毛球发球时击球点的实际高度，y_e为地面行数，所述深度传感器的图像帧的宽度像素值为424，所述深度传感器的垂直视角为60度。

对于本实施例提供的技术方案进行实验验证，由于发球时击球高度很难通过本实施例以外的方法准确测量，因此采用以下方法进行验证:

分别固定球拍在70cm、80cm、90cm、100cm、110cm高度处，使羽毛球由由斜上方下落，与球拍发生碰撞并反弹，用本实施例检测方法判断其击球点高度，并记录数据。每个高度分别重复上述步骤5次，记录数据。将摄像头分别布设在距离发球点两个不同的距离处，分别重复上述实验步骤，总共50组数据。

实验记录的数据如表1所示：

表1实验数据

由上表可知，由于人工测量的发球高度不准确及抛物线拟合结果等系统误差的存在，测得的发球高度与实际发球高度之间存在一定误差。方差结果显示测得的高度值较平稳，结果较理想。

本实施例提供的技术方案能够精确地检测羽毛球发球时击球点的高度，为裁判判定发球是否失误提供客观依据。深度传感器获取羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，逐帧叠加动态像素，识别并拟合动态像素之中动态物体的运动轨迹，若运动轨迹呈现为抛物线，判定动态物体为羽毛球。本实施例提供的数据处理过程较快，检测结果具有时效性，保证了比赛的正常进行。本实施例提供的检测方法的实现以及检测系统的安装极为简单。本实施例消除了静态像素，大大减少了计算量，简化了运算过程，从而提高运算速度。相较于现有的裁判主观目测判断，本实施例将羽毛球发球时击球点的高度值呈现为数据形式，清晰直观。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：视频数据采集模块拍摄羽毛球比赛视频，采集所述羽毛球比赛视频的同时将所述羽毛球比赛视频传送给数据处理模块；

步骤S2：所述数据处理模块运行所述羽毛球发球时击球点的高度检测程序，所述高度检测程序通过图像处理技术对所述羽毛球比赛视频的图像数据进行计算处理，获得所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块；

步骤S3：所述数据显示模块输出所述羽毛球发球时击球点的高度，将所述羽毛球发球时击球点的高度与规定高度进行比较，判断发球是否犯规；

其中：

所述步骤S2包括：

步骤S21：判断深度传感器是否正确开启；

步骤S22：若所述深度传感器正确开启，获取所述羽毛球比赛视频的图像数据，消除静态像素，保留动态像素，否则返回至步骤S21；

步骤S23：逐帧叠加所述动态像素，识别并拟合所述动态像素之中动态物体的运动轨迹，若所述运动轨迹呈现为抛物线，判定所述动态物体为羽毛球，大于所述抛物线的轨迹之中最大像素块宽度的像素块与所述抛物线的轨迹的相接点为所述羽毛球发球时击球点，记录所述羽毛球发球时击球点的深度值；

步骤S24：搜索所述深度传感器的深度图像之中与所述羽毛球发球时击球点具有相同深度的地面，获得所述地面在图像帧之中的竖直距离；

步骤S25：根据三角形相似定理，结合所述深度传感器的图像帧的宽度像素值和所述深度传感器的垂直视角，计算所述羽毛球发球时击球点的离地高度；

步骤S26：将所述羽毛球发球时击球点的高度传送给数据显示模块。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，其特征在于，所述步骤S22之中消除静态像素，保留动态像素的步骤之前包括：

将相邻的两帧图像进行比较，值未改变的像素判断为静态像素，值已改变的像素判断为动态像素。

3.根据权利要求1所述的基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，其特征在于，所述步骤S23之中识别并拟合所述动态像素之中动态物体的运动轨迹的步骤包括：

在逐帧叠加的动态像素之中，重复随机抽取三点计算抛物线的基元参数，所述抛物线的基元参数的计算公式如下：

x²·a+x·b+c＝y (1)

其中，x和y分别是取点像素的列数与行数，三点可列方程组求出基元参数a、b和c；

若相同的基元参数累计超过阈值，获得以所述基元参数计算出的标准抛物线作为羽毛球发球后的运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的基于图像处理的羽毛球发球时击球点的高度检测方法，其特征在于，所述步骤S24包括：

根据计算众数方法，获得与所述羽毛球发球时击球点具有相同深度的像素竖直坐标值的众数；

将所述像素竖直坐标值的众数作为所述羽毛球发球时击球点垂直对应地面的竖直坐标值；

计算所述羽毛球发球时击球点的离地高度，计算公式如下：

其中，y为所述羽毛球发球时击球点的像素行数，d为所述羽毛球发球时击球点的深度值，h为所述羽毛球发球时击球点的实际高度，y_e为地面行数，所述深度传感器的图像帧的宽度像素值为424，所述深度传感器的垂直视角为60度。

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