CN112733608A - 冰壶运动员姿态检测与动作分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，包括摄像机、相机、图像处理板、千兆交换机和主控计算机；摄像机分别均匀地布置在冰壶赛道的上方，采用主动跟踪策略定位运动员并获得位置坐标，从而控制摄像机转动，教练与运动员能够在主控计算机界面观看到实时、可回放的训练视频；相机布置在摄像机的两侧，主控计算机发出帧同步信号，相机采集图像帧发送至处理板，处理板识别运动员姿态并返回至主控计算机；数据库存储视频、图像数据等数据信息；主控计算机接收到运动员的姿态，结合标准姿态库的动作，对运动员的动作进行分析和评价。本发明能够自动识别运动员姿态，并合理分析姿态的标准程度，为运动员的比赛训练提供支持和帮助。
Description
技术领域
本发明涉及体育运动人体姿态分析技术领域，具体为冰壶运动员姿态检测与动作分析系统。
背景技术
冰壶运动作为我国冬季奥运会的优势项目，是一种策略和技巧兼具的体育比赛，由于冰壶运动涉及多方面的内容，包括运动状态、操作控制等，因此冰壶也是目前智能技术研究的热门领域。客观的观察和分析手段是对运动员技术动作进行优化的前提，由于目前比赛过程多是通过人眼与经验进行判断的，或是利用精密传感器等，在比赛训练过程经常无法使用，因此需要通过更加智能的手段获取运动员的训练数据，以提高冰壶技术。
随着深度神经网络在人体姿态检测和识别的应用，基于体育运动视频图像分析的训练、比赛辅助早已应用于职业体育的各个方面。通过系统，获取运动员真实的动作数据，运用人体姿态分析算法，科学分解微小的的动作，将同一动作的不同运动员的图像进行对比，辅助运动员找到与标准动作的差距。
目前教练员采取的是利用摄像机录制运动员的动作，采用回放视频的方式查看视频和指导运动员，这种方式给教练和运动员带来极大的不便。一是效率低下，二是完全采用经验方式为运动员提出建议未免太主观。
发明内容
本发明的目的在于提供冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，是一种针对冰壶训练应用场景下可以实时采集运动员视频图像数据、人体姿态检测与分析、信息存储的智能系统，将冰壶运动与人体姿态识别技术结合，辅助运动员的冰壶训练，使冰壶训练摆脱纯粹依靠经验的状态，实现从基于经验的运动训练方法到基于计算机视觉的人体运动分析方法的转变，加速相应动作的改进和提升，降低训练的重复率，提高教学的直观性和反馈的快速性，减少不规范的动作对运动员造成的运动损害，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，包括6台摄像机、8台相机、8个图像处理板、1台千兆交换机和1台主控计算机；
其中，6台摄像机分别均匀地布置在冰壶赛道上方，用于捕获运动员的位置信息；
8台相机布置在6台摄像机的两侧，相机画面覆盖从发球区到滑行区再到自由碰撞区的所有区域；
8个图像处理板将8台相机采集的图像通过USB传回芯片板，进行运动员姿态检测；
1台千兆交换机用于检测相机状态和发送控制信号，并将图像处理板处理的运动员姿态检测结果上传至主控计算机；
1台主控计算机位于冰壶赛道之外，用于接收摄像机和相机发送的实时视频和图像，以及图像处理板的姿态分析结果和反馈信息。
进一步的，6台摄像机均匀布置在赛道上方。
进一步的，8台相机布置在摄像机两侧，且8台相机两两相对形成立体视觉，覆盖从发球区到自由碰撞区的全段视野。
进一步的，相机的快门频率由PCIE-1750U I/O卡自带的硬中断进行触发，图像处理板上控制拍摄和数据回传作为两个进程同时进行。
进一步的，图像处理板采用Nvidia-Jetson TX2连接工业定焦相机MER-302-56U3C控制拍摄参数。
进一步的，相机将采集到的图像通过USB传回图像处理板，图像处理板接收图像后，在发球区和滑行区的图像处理板调用运动员姿态检测算法。
进一步的，主控计算机通过千兆交换机接收并存储图像处理板识别的运动员姿态，与标准姿态库里面的动作进行对比分析，评价运动员动作的标准程度，反馈至主控计算机，主控计算机存储识别结果以及反馈建议。
进一步的，还包括运动员佩戴的定位手环，定位手环通过无线装置将位置坐标发送至主控计算机，主控计算机存储位置坐标并控制摄像头的转动，录制运动员在训练期间的视频图像，数据库存储视频数据信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，将冰壶运动与人体姿态识别技术结合，辅助运动员的冰壶训练，使冰壶训练摆脱纯粹依靠经验的状态，实现从基于经验的运动训练方法到基于计算机视觉的人体运动分析方法的转变，加速相应动作的改进和提升，降低训练的重复率，提高教学的直观性和反馈的快速性，减少不规范的动作对运动员造成的运动损害；同时，本发明系统能够存储运动员姿态图像及位置信息，为训练期间教练分析、预测制定训练计划提供保障；另外也降低了训练成本并提升了用户体验，使得冰壶不再是“贵族运动”，对冰壶运动的普及具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的相机布置示意图；
图2为本发明的摄像机采集视频模块原理图；
图3为本发明的摄像机主动跟踪策略图；
图4为本发明的姿态检测与动作分析流程图；
图5为本发明的逻辑结构图；
图6为本发明的模块功能图；
图7为本发明的现场安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中：提供冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，包括6台摄像机、8台相机、8个图像处理板、1台千兆交换机和1台主控计算机；其中，6台摄像机分别均匀地布置在冰壶赛道上方，用于捕获运动员的位置信息；8台相机布置在6台摄像机的两侧，相机画面覆盖从发球区到滑行区再到自由碰撞区的所有区域；8个图像处理板将8台相机采集的图像通过USB传回芯片板，进行运动员姿态检测；1台千兆交换机用于检测相机状态和发送控制信号，并将图像处理板处理的运动员姿态检测结果上传至主控计算机；1台主控计算机位于冰壶赛道之外，用于接收摄像机和相机发送的实时视频和图像，以及图像处理板的姿态分析结果和反馈信息。
其中，6台摄像机均匀布置在赛道上方；8台相机布置在摄像机两侧，且8台相机两两相对形成立体视觉，覆盖从发球区到自由碰撞区的全段视野；相机的快门频率由PCIE-1750U I/O卡自带的硬中断进行触发，图像处理板上控制拍摄和数据回传作为两个进程同时进行；图像处理板采用Nvidia-Jetson TX2连接工业定焦相机MER-302-56U3C控制拍摄参数；相机将采集到的图像通过USB传回图像处理板，图像处理板接收图像后，在发球区和滑行区的图像处理板调用运动员姿态检测算法；主控计算机通过千兆交换机接收并存储图像处理板识别的运动员姿态，与标准姿态库里面的动作进行对比分析，评价运动员动作的标准程度，反馈至主控计算机，主控计算机存储识别结果以及反馈建议。
在上述实施例中，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统还包括运动员佩戴的定位手环，定位手环通过无线装置将位置坐标发送至主控计算机，主控计算机存储位置坐标并控制摄像头的转动，录制运动员在训练期间的视频图像，数据库存储视频数据信息。
在上述实施例中，考虑到相机视野的限制，在冰壶场馆赛道上方，间隔交替设置了8台相机，相机两两相对形成立体视觉，覆盖从发球区到自由碰撞区的全段视野；如图1所示，冰壶场地以栏线为基准界限，分为发球区、滑行区、自由碰撞区，从运动员打冰壶动作的角度看可以将场地分为投壶区、擦冰区；考虑到分区将8台相机分布设为4段(滑行区以中线为界分为左右两段)，每段间隔交替配置2台相机；由于冰壶运动过程中可能存在运动员投壶、擦冰、滑行等动作的影响和遮挡等问题，多相机相互弥补，能够有效克服这一问题，实现对运动员动作的实时多方位捕捉和观测。
在上述实施例中，如图2所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统的摄像机采集视频模块由运动员佩戴的定位手环、定位基站、摄像机和主控计算机内的后台管理中心组成，定位手环发射超宽带定位信号，定位基站接收到定位信号，将数据发送至主控计算机的后台管理中心，后台管理中心通过优化的高精度的定位算法，解算出位置信息并将其在主控计算机界面显示；主控计算机获取运动员位置信息后，控制摄像机转动，并实时录制运动员训练视频，运动员及教练能够在主控计算机界面观看实时和回放的训练视频。
在上述实施例中，如图3所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统的摄像机主动跟踪策略，数台摄像机架于横梁上，利用摄像机反馈的视觉信息自动调整角度，使得被捕捉到的运动员能够始终保持在摄像机视场中心，通过对摄像机镜头焦距的调整实现对运动员目标的聚焦与放大，获取高分辨率的视频图像信息；在整个摄像机主动跟踪策略中，摄像机反馈运动员的运动信息，在跟踪运动员的过程中，采用主动视觉跟踪策略，摄像机根据运动员佩戴的手环发送的位置信息经主控计算机处理后，能够主动跟踪运动员这一目标。
在上述实施例中，如图4所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统的姿态检测与动作分析流程：首先使用相机获取图像数据作为训练集，将训练集数据输入到训练后的LSTM神经网络模型中进行运动员姿态识别，识别结果与标准姿态库的动作进行比较，得到姿态标准程度评价反馈，最后将姿态识别结果与反馈结果上传至主控计算机，存储数据库。
在上述实施例中，如图5所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统上电后，主控计算机进行系统设置及状态检测，主要工作包括启动相机及摄像机并查询是否正常工作、查询无线信号通信是否正常、电池电量，将相机、摄像机的状态显示在主控计算机界面上；系统正常后，向所有相机、摄像机发送帧同步采集信号，相机采集1帧图像后发送到图像处理板进行运动员姿态检测与识别，并将识别结果发送至主控计算机，主控计算机根据标准姿态库对动作进行评价；摄像机捕获运动员位置并将运动员打冰壶视频、位置信息发送至主控计算机。
其中，主控计算机的机箱内在PCIE插槽内安装研华PICE-1750U I/O卡、网卡、无线信号接收器等；定位手环采用定位标签U-TAG280W，工作频段3.1GHz、7.0GHz，运动员点击定位手环的按钮开始定位，将位置信息发送至主控计算机，控制摄像头转动，从而收集运动员的训练视频；相机、图像处理板、电源适配器组装起来用来获取、分析运动员姿态，相机与图像处理板采用USB3.0连接，图像处理板与主控计算机采用网线连接；相机接收到同步信号后自动进行图像采集，将采集到的图像发送至图像处理板，图像处理板在20ms内对运动员姿态进行检测与识别，并将数据上传至主控计算机。
其中，摄像机采用主动跟踪策略定位运动员并控制转动的角度，主控计算机接收位置信息与视频数据；相机与图像处理板将运动员姿态识别结果发送至主控计算机，数据库存储运动员的位置信息、视频数据、姿态识别结果；运动员的定位手环与运动员一一对应，因此可根据定位标签号对应唯一的运动员，其中，视频数据存储的字段有：训练日期、训练场次、运动员编号、视频流信息；图像数据存储的字段有：训练日期、训练场次、运动员编号、图片流信息、运动员姿态识别结果和反馈建议；运动员与教练在主控计算机界面打开数据库，可以查看任意字段的信息，方便教练为运动员制定下一步的训练计划。
在上述实施例中，如图6所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统的模块功能图，将系统分为六个子模块：摄像机采集视频模块、相机采集图像模块、相机处理图像模块、通信模块、系统启动、自检模块和存储模块。
在上述实施例中，如图7所示，本发明冰壶运动员姿态检测与动作分析系统的现场安装示意图，包括：摄像机架于横梁上；吊式集成设备箱，内置220V供电接口、相机、图像处理板、开关电源等，要求：密闭、防水；向下一面为玻璃材质，其余面为金属以利于散热，可方便安装于工字梁上，并便于拆卸、移动；箱体一侧设有各类接口，与工字梁并行布置线缆，包括220V交流电、网线、相机控制线等。
综上所述：本发明提供的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，将冰壶运动与人体姿态识别技术结合，辅助运动员的冰壶训练，使冰壶训练摆脱纯粹依靠经验的状态，实现从基于经验的运动训练方法到基于计算机视觉的人体运动分析方法的转变，加速相应动作的改进和提升，降低训练的重复率，提高教学的直观性和反馈的快速性，减少不规范的动作对运动员造成的运动损害；另外也降低了训练成本并提升了用户体验，使得冰壶不再是“贵族运动”，对冰壶运动的普及具有十分重要的意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于，包括6台摄像机、8台相机、8个图像处理板、1台千兆交换机和1台主控计算机；
其中，6台摄像机分别均匀地布置在冰壶赛道上方，用于捕获运动员的位置信息；
8台相机布置在6台摄像机的两侧，相机画面覆盖从发球区到滑行区再到自由碰撞区的所有区域；
8个图像处理板将8台相机采集的图像通过USB传回芯片板，进行运动员姿态检测；
1台千兆交换机用于检测相机状态和发送控制信号，并将图像处理板处理的运动员姿态检测结果上传至主控计算机；
1台主控计算机位于冰壶赛道之外，用于接收摄像机和相机发送的实时视频和图像，以及图像处理板的姿态分析结果和反馈信息。
2.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于：6台摄像机均匀布置在赛道上方。
3.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于：8台相机布置在摄像机两侧，且8台相机两两相对形成立体视觉，覆盖从发球区到自由碰撞区的全段视野。
4.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于：相机的快门频率由PCIE-1750U I/O卡自带的硬中断进行触发，图像处理板上控制拍摄和数据回传作为两个进程同时进行。
5.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于，图像处理板采用Nvidia-Jetson TX2连接工业定焦相机MER-302-56U3C控制拍摄参数。
6.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于，相机将采集到的图像通过USB传回图像处理板，图像处理板接收图像后，在发球区和滑行区的图像处理板调用运动员姿态检测算法。
7.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于，主控计算机通过千兆交换机接收并存储图像处理板识别的运动员姿态，与标准姿态库里面的动作进行对比分析，评价运动员动作的标准程度，反馈至主控计算机，主控计算机存储识别结果以及反馈建议。
8.如权利要求1所述的冰壶运动员姿态检测与动作分析系统，其特征在于，还包括运动员佩戴的定位手环，定位手环通过无线装置将位置坐标发送至主控计算机，主控计算机存储位置坐标并控制摄像头的转动，录制运动员在训练期间的视频图像，数据库存储视频数据信息。
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