CN114425151A - 一种短跑计时装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短跑计时装置及其控制方法，包括发令模块，用于生成计时指令；一对红外阵列检测模块，用于向跑道内侧发射红外阵列，并在接收到回射的红外阵列时生成停止指令；一对计时模块，用于根据计时指令开始计时，并根据停止指令停止计时，生成短跑时间；一对相机模块，用于在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，冲线图像中包含累计时间；处理模块，用于对冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将清晰图像输入有效部位冲线检测模型，得到有效部位冲线结果；当接收到外部发送的一更新指令时，计时模块根据有效部位冲线结果用累计时间替换短跑时间。本发明提升了短跑计时的精度。

Description

一种短跑计时装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及短跑计时技术领域，尤其涉及一种短跑计时装置及其控制方法。
背景技术
短跑是田径径赛项目的其中一类，一般包括：50米跑、60米跑、100米跑、200米跑，400米跑，4×100米接力跑等几项；其运动特性是人们同时以最快的速度，在田径跑道上跑完规定的距离，并以最先跑完者为获胜者的项目。在短跑竞赛中，运动员之间的水平较为接近，经常出现两个运动员同时冲线的现象。目前，在出现这种现象时，一般通过高速相机回放，再通过人工判定来比较两个运动员的胜负，但是这种方式费时费力，同时使用高速相机成本较高，不适用于规格较低的竞赛。在现有的技术方案中，存在用到激光测距设备联合计时器来实现对运动员的短跑成绩进行计时的方案。但是在短跑竞赛中，运动员的有效冲线成绩为运动员的有效冲线部位冲线时的成绩。而激光测距设备无法识别到运动员的有效冲线部位，因此对于两个运动员同时冲线时存在争议的现象，由于激光测距设备的识别精度不够高，无法联合计时器实现高精度的短跑计时。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种短跑计时装置及其控制方法，用于实现高精度短跑计时。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种短跑计时装置，包括：
发令模块，用于生成一计时指令；
一对红外阵列检测模块，相对设置在终点线处的跑道两侧，用于向所述跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的所述红外阵列时生成一停止指令；
一对计时模块，分别信号连接各所述红外阵列检测模块和所述发令模块，用于根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成短跑时间；
一对相机模块，分别设置在所述红外阵列检测模块的侧边，且信号连接所述发令模块，用于根据所述计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，所述冲线图像中包含有累计时间，所述累计时间为自接收到所述计时指令开始至拍摄到所述冲线图像所经历的时间；
处理模块，分别信号连接各所述相机模块和各所述计时模块，用于对所述冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将所述清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，所述有效部位冲线结果中包含所述累计时间；
当接收到外部发送的一更新指令时，所述计时模块根据所述有效部位冲线结果用所述累计时间替换所述短跑时间。
进一步地，所述处理模块包括：
图像处理单元，用于根据预设的图像优化算法对所述冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成所述清晰图像；
模型输入单元，连接所述图像处理单元，用于将若干所述清晰图像输入所述有效部位冲线检测模型中；
所述有效部位冲线检测模型对所述清晰图像中的有效部位进行识别，并判断所述有效部位是否抵达所述终点线，以生成所述有效部位冲线结果并输出，所述有效部位冲线结果包括所述有效部位抵达所述终点线或所述有效部位未抵达所述终点线。
进一步地，所述图像优化算法包括均值滤波算法、中值滤波算法或维纳滤波算法。
进一步地，所述计时模块包括：
计时单元，用于根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成所述短跑时间；
数据更新单元，用于根据外部发送的一更新指令获取相应的所述有效部位冲线结果，并在所述有效部位冲线结果表明所述有效部位抵达所述终点线时，将所述有效部位冲线结果中包含的所述累计时间对所述短跑时间进行替换。
进一步地，所述计时模块还包括显示单元，所述显示单元分别连接所述计时单元和所述数据更新单元，用于在接收到所述短跑时间和所述累计时间后，对所述短跑时间和所述累计时间进行显示。
进一步地，所述处理模块还包括：
模型训练单元，连接所述模型输入单元，用于将若干训练图像作为输入，将所述训练图像相对应的所述有效部位冲线结果作为输出，训练得到所述有效冲线部位检测模型。
进一步地，所述模型训练单元包括：
分组子单元，用于将若干所述训练图像作为一数据集合，并根据所述数据集合形成一训练集和一验证集；
训练子单元，连接所述分组子单元，用于将所述训练集中的若干所述训练图像作为输入，将所述训练集中的若干所述训练图像相对应的有效部位冲线结果作为输出，训练得到一有效部位冲线初始模型；
验证子单元，连接所述训练子单元，用于将所述验证集中的若干所述训练图像对所述有效部位冲线初始模型进行参数优化调整，得到所述有效部位冲线检测模型。
一种短跑计时控制方法，应用于上述的短跑计时装置，所述短跑计时控制方法包括：
步骤S1，发令模块生成一计时指令；
步骤S2，一对红外阵列检测模块向所述跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的所述红外阵列时生成一停止指令；
步骤S3，一对计时模块根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成短跑时间；
步骤S4，一对相机模块根据所述计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，所述冲线图像中包含有累计时间，所述累计时间为自接收到所述计时指令开始至拍摄到所述冲线图像所经历的时间；
步骤S5，处理模块对所述冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将所述清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，所述有效部位冲线结果中包含所述累计时间；
步骤S6，当接收到外部发送的一更新指令时，所述计时模块根据所述有效部位冲线结果用所述累计时间替换所述短跑时间。
进一步地，所述步骤S5包括：
步骤S51，图像处理单元根据预设的图像优化算法对所述冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成所述清晰图像；
步骤S52，模型输入单元将若干所述清晰图像输入所述有效部位冲线检测模型中；
步骤S53，有效部位冲线检测模型对所述清晰图像中的有效部位进行识别，并判断所述有效部位是否抵达所述终点线，以生成所述有效部位冲线结果并输出，所述有效部位冲线结果包括所述有效部位抵达所述终点线或所述有效部位未抵达所述终点线。
进一步地，所述步骤S6包括:数据更新单元根据外部发送的一更新指令获取相应的所述有效部位冲线结果，并在所述有效部位冲线结果表明所述有效部位抵达所述终点线时，将所述有效部位冲线结果中包含的所述累计时间替换所述累计时间。
本发明的有益效果：
本发明在短跑运动员对短跑时间存在争议时，通过相机模块拍摄运动员的冲线图像，并通过处理模块对冲线图像进行处理得到清晰图像，免去了使用高速相机的高成本，提升了实用性；并将清晰图像输入有效部位冲线检测模型，得到有效部位冲线结果，进而用累计时间替换短跑时间，有效提升了短跑计时的精度，实现了高精度的短跑计时，避免人工查看回放以判断短跑竞赛成绩，省时省力。
附图说明
图1是本发明中短跑计时装置的结构原理图；
图2是本发明中短跑计时装置的结构示意图；
图3是本发明中短跑计时控制方法的步骤流程图；
图4是本发明中短跑计时控制方法的步骤子流程图。
附图标记：1、发令模块；2、红外阵列检测模块；3、计时模块；31、计时单元；32、数据更新单元；33、显示单元；4、相机模块；5、处理模块；51、图像处理单元；52、模型输入单元；53、模型训练单元；531、分组子单元；532、训练子单元；533、验证子单元；54、有效部位冲线检测模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1和图2所示，本实施例的一种短跑计时装置，包括：
发令模块1，用于生成一计时指令；
一对红外阵列检测模块2，相对设置在终点线处的跑道两侧，用于向跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的红外阵列时生成一停止指令；
一对计时模块3，分别信号连接各红外阵列检测模块2和发令模块1，用于根据计时指令开始计时，并根据停止指令停止计时，以生成短跑时间；
一对相机模块4，分别设置在红外阵列检测模块2的侧边，且信号连接发令模块1，用于根据计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，冲线图像中包含有累计时间，累计时间为自接收到计时指令开始至拍摄到冲线图像所经历的时间；
处理模块5，分别信号连接各相机模块4和各计时模块3，用于对冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，有效部位冲线结果中包含累计时间；
当接收到外部发送的一更新指令时，计时模块3根据有效部位冲线结果用累计时间替换短跑时间。
本技术方案在短跑运动员对短跑时间存在争议时，通过相机模块4拍摄运动员的冲线图像，并通过处理模块5对冲线图像进行处理得到清晰图像，免去了使用高速相机的高成本，提升了实用性；并将清晰图像输入有效部位冲线检测模型，得到有效部位冲线结果，进而用累计时间替换短跑时间，有效提升了短跑计时的精度，实现了高精度的短跑计时，避免人工查看回放以判断短跑竞赛成绩，省时省力。
优选的，处理模块5包括：
图像处理单元51，用于根据预设的图像优化算法对冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成清晰图像；
模型输入单元52，连接图像处理单元51，用于将若干清晰图像输入有效部位冲线检测模型中；
有效部位冲线检测模型对清晰图像中的有效部位进行识别，并判断有效部位是否抵达终点线，以生成有效部位冲线结果并输出，有效部位冲线结果包括有效部位抵达终点线或有效部位未抵达终点线。
具体地，本实施例中，相机模块4选用普通相机而非高速相机，以降低成本。但是普通相机拍摄得到的冲线图像中大多存在残影，不利于后续的图像分析。因此通过图像处理单元51对冲线图像的残影进行图像优化处理，得到优化处理后的清晰图像。进而将清晰图像输入预先训练完成的有效部位冲线检测模型中，使得有效部位冲线检测模型输出有效部位冲线结果，以供计时模块3进行数据更新。在有效冲线检测模型对清晰图像的有效部位识别的过程中，用到了若干关键点检测算法，该关键点检测算法可以为2D人体关键点检测。有效冲线检测模型利用2D人体关键点检测检测到清晰图像中的人体关键点，并根据预设的有效部位判断标准选择人体关键点中的一部分作为有效部位。进而通过判断有效部位是否接触到终点线的竖直延伸面来生成有效部位冲线结果：当有效部位接触到终点线的竖直延伸面时生成表明有效部位抵达终点线的有效部位冲线结果，当有效部位未接触到终点线的竖直延伸面时生成表明有效部位未抵达终点线的有效部位冲线结果。
优选的，图像优化算法包括均值滤波算法、中值滤波算法或维纳滤波算法。
优选的，计时模块3包括：
计时单元31，用于根据计时指令开始计时，并根据停止指令停止计时，以生成短跑时间；
数据更新单元32，用于根据外部发送的一更新指令获取相应的有效部位冲线结果，并在有效部位冲线结果表明有效部位抵达终点线时，将有效部位冲线结果中包含的累计时间对短跑时间进行替换。
具体地，本实施例中，当有效部位冲线结果表明有效部位未抵达终点线时，数据更新单元32将该有效部位冲线结果删除，并通知有效部位冲线检测模型持续生成该跑道运动员的有效部位冲线结果，直至数据更新单元32获取到的有效部位冲线结果表明有效部位抵达终点线。
优选的，计时模块3还包括显示单元33，显示单元33分别连接计时单元31和数据更新单元32，用于在接收到短跑时间和累计时间后，对短跑时间和累计时间进行显示。
具体地，本实施例中，显示单元33可以为显示屏。当红外阵列检测模块2检测到有人冲过终点线时生成停止指令，计时单元31根据停止指令生成短跑时间并发送至显示屏，显示屏在接收到短跑时间后显示短跑时间。数据更新单元32将短跑时间替换为累计时间后，将累计时间发送至显示屏，显示屏将需要更新的短跑时间更新为累计时间并显示。
优选的，处理模块5还包括：
模型训练单元53，连接模型输入单元52，用于将若干训练图像作为输入，将训练图像相对应的有效部位冲线结果作为输出，训练得到有效冲线部位检测模型。
优选的，模型训练单元53包括：
分组子单元531，用于将若干训练图像作为一数据集合，并根据数据集合形成一训练集和一验证集；
训练子单元532，连接分组子单元531，用于将训练集中的若干训练图像作为输入，将训练集中的若干训练图像相对应的有效部位冲线结果作为输出，训练得到一有效部位冲线初始模型；
验证子单元533，连接训练子单元532，用于将验证集中的若干训练图像对有效部位冲线初始模型进行参数优化调整，得到有效部位冲线检测模型。
具体地，本实施例中，训练集和验证集的比例为3:1。其中训练集中包含有300张训练图像，验证集中包含有100张训练图像。各训练图像中为运动员的冲线图像，即各训练图像中均包含有运动员的身躯和终点线，以供识别有效冲线部位和判断有效冲线部位是否抵达终点线。
一种短跑计时控制方法，应用于上述的短跑计时装置，如图3所示，短跑计时控制方法包括：
步骤S1，发令模块1生成一计时指令；
步骤S2，一对红外阵列检测模块2向跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的红外阵列时生成一停止指令；
步骤S3，一对计时模块3根据计时指令开始计时，并根据停止指令停止计时，以生成短跑时间；
步骤S4，一对相机模块4根据计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，冲线图像中包含有累计时间，累计时间为自接收到计时指令开始至拍摄到冲线图像所经历的时间；
步骤S5，处理模块5对冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，有效部位冲线结果中包含累计时间；
步骤S6，当接收到外部发送的一更新指令时，计时模块3根据有效部位冲线结果用累计时间替换短跑时间。
优选的，如图4所示，步骤S5包括：
步骤S51，图像处理单元51根据预设的图像优化算法对冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成清晰图像；
步骤S52，模型输入单元52将若干清晰图像输入有效部位冲线检测模型中；
步骤S53，有效部位冲线检测模型对清晰图像中的有效部位进行识别，并判断有效部位是否抵达终点线，以生成有效部位冲线结果并输出，有效部位冲线结果包括有效部位抵达终点线或有效部位未抵达终点线。
优选的，步骤S6包括：数据更新单元32根据外部发送的一更新指令获取相应的有效部位冲线结果，并在有效部位冲线结果表明有效部位抵达终点线时，将有效部位冲线结果中包含的累计时间作为累计时间，以对短跑时间进行替换。
工作原理：
发令模块1可以为发令枪，当发令枪发令时生成计时指令，并发送至计时模块3，使得计时模块3开始计时。
同时相对设置的红外阵列检测模块2分别开设朝向跑道发射红外阵列，当红外阵列检测到有物体时就会回射，红外阵列检测模块2可以根据红外阵列回射的时间判断哪个跑道有运动员冲线：红外阵列的传播速度是一定的，根据红外阵列的回射时间可以计算得到红外阵列经过的长度，由于红外阵列检测模块2放置在跑道外侧的位置是固定的，同时每个跑道的宽度是一定的，因此根据通过计算得到的红外阵列经过的长度、红外阵列检测模块2与最外侧跑道的距离和跑道宽度计算得到红外阵列照射到的相应跑道，即可判断该跑道有人冲线。
当红外阵列检测模块2检测到回射的红外阵列时生成停止指令，使得计时模块3停止计时，生成短跑时间。红外阵列检测模块2和计时模块3的联用适用于一般运动员对短跑成绩无争议的情况。在该种情况下，计时模块3的显示屏直接对各运动员的短跑时间进行显示。
相机模块4内部也配置有计时器，用于在接收到计时指令后开始计时，相机模块4在计时时间达到9秒钟时开始实时拍摄运动员的冲线图像，相机模块4内部的计时器并在拍摄到冲线图像后停止计时，生成累计时间。相机模块4将累计时间配置在冲线图像不影响图像处理的区域。处理模块5对冲线图像进行图像优化处理后，得到清晰图像，该清晰图像中仍包含有累计时间。处理模块5将若干张清晰图像输入至有效部位冲线检测模型中，最终输出有效部位冲线结果，该有效部位冲线结果中也包含有累计时间。
当运动员对短跑成绩出现争议时，外部向计时模块3发送更新指令，计时模块3可以根据外部发送的更新指令获取该运动员的有效部位冲线结果，并在有效部位冲线结果表明有效部位抵达终点线时将有效部位冲线结果中的累计时间作对短跑时间进行替换，计时模块3的显示屏也用该运动员更新后的累计时间取代原先的短跑时间进行显示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种短跑计时装置，其特征在于，包括：
发令模块，用于生成一计时指令；
一对红外阵列检测模块，相对设置在终点线处的跑道两侧，用于向所述跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的所述红外阵列时生成一停止指令；
一对计时模块，分别信号连接各所述红外阵列检测模块和所述发令模块，用于根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成短跑时间；
一对相机模块，分别设置在所述红外阵列检测模块的侧边，且信号连接所述发令模块，用于根据所述计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，所述冲线图像中包含有累计时间，所述累计时间为自接收到所述计时指令开始至拍摄到所述冲线图像所经历的时间；
处理模块，分别信号连接各所述相机模块和各所述计时模块，用于对所述冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将所述清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，所述有效部位冲线结果中包含所述累计时间；
当接收到外部发送的一更新指令时，所述计时模块根据所述有效部位冲线结果用所述累计时间替换所述短跑时间。
2.根据权利要求1所述的短跑计时装置，其特征在于，所述处理模块包括：
图像处理单元，用于根据预设的图像优化算法对所述冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成所述清晰图像；
模型输入单元，连接所述图像处理单元，用于将若干所述清晰图像输入所述有效部位冲线检测模型中；
所述有效部位冲线检测模型对所述清晰图像中的有效部位进行识别，并判断所述有效部位是否抵达所述终点线，以生成所述有效部位冲线结果并输出，所述有效部位冲线结果包括所述有效部位抵达所述终点线或所述有效部位未抵达所述终点线。
3.根据权利要求2所述的短跑计时装置，其特征在于：所述图像优化算法包括均值滤波算法、中值滤波算法或维纳滤波算法。
4.根据权利要求2所述的短跑计时装置，其特征在于，所述计时模块包括：
计时单元，用于根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成所述短跑时间；
数据更新单元，用于根据外部发送的一更新指令获取相应的所述有效部位冲线结果，并在所述有效部位冲线结果表明所述有效部位抵达所述终点线时，将所述有效部位冲线结果中包含的所述累计时间对所述短跑时间进行替换。
5.根据权利要求4所述的短跑计时装置，其特征在于：所述计时模块还包括显示单元，所述显示单元分别连接所述计时单元和所述数据更新单元，用于在接收到所述短跑时间和所述累计时间后，对所述短跑时间和所述累计时间进行显示。
6.根据权利要求2所述的短跑计时装置，其特征在于：所述处理模块还包括：
模型训练单元，连接所述模型输入单元，用于将若干训练图像作为输入，将所述训练图像相对应的所述有效部位冲线结果作为输出，训练得到所述有效冲线部位检测模型。
7.根据权利要求6所述的短跑计时装置，其特征在于，所述模型训练单元包括：
分组子单元，用于将若干所述训练图像作为一数据集合，并根据所述数据集合形成一训练集和一验证集；
训练子单元，连接所述分组子单元，用于将所述训练集中的若干所述训练图像作为输入，将所述训练集中的若干所述训练图像相对应的有效部位冲线结果作为输出，训练得到一有效部位冲线初始模型；
验证子单元，连接所述训练子单元，用于将所述验证集中的若干所述训练图像对所述有效部位冲线初始模型进行参数优化调整，得到所述有效部位冲线检测模型。
8.一种短跑计时控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7中任意一项所述的短跑计时装置，所述短跑计时控制方法包括：
步骤S1，发令模块生成一计时指令；
步骤S2，一对红外阵列检测模块向所述跑道内侧发射一竖直排列的红外阵列，并在接收到回射的所述红外阵列时生成一停止指令；
步骤S3，一对计时模块根据所述计时指令开始计时，并根据所述停止指令停止计时，以生成短跑时间；
步骤S4，一对相机模块根据所述计时指令开始计时，并在计时达到预设的时间时实时拍摄运动员的冲线图像，所述冲线图像中包含有累计时间，所述累计时间为自接收到所述计时指令开始至拍摄到所述冲线图像所经历的时间；
步骤S5，处理模块对所述冲线图像进行图像处理得到清晰图像，并将所述清晰图像输入预先训练完成的一有效部位冲线检测模型，得到相应的有效部位冲线结果，所述有效部位冲线结果中包含所述累计时间；
步骤S6，当接收到外部发送的一更新指令时，所述计时模块根据所述有效部位冲线结果用所述累计时间替换所述短跑时间。
9.根据权利要求8所述的短跑计时控制方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S51，图像处理单元根据预设的图像优化算法对所述冲线图像中的残影进行图像优化处理，生成所述清晰图像；
步骤S52，模型输入单元将若干所述清晰图像输入所述有效部位冲线检测模型中；
步骤S53，有效部位冲线检测模型对所述清晰图像中的有效部位进行识别，并判断所述有效部位是否抵达所述终点线，以生成所述有效部位冲线结果并输出，所述有效部位冲线结果包括所述有效部位抵达所述终点线或所述有效部位未抵达所述终点线。
10.根据权利要求8所述的短跑计时控制方法，其特征在于，所述步骤S6包括:数据更新单元根据外部发送的一更新指令获取相应的所述有效部位冲线结果，并在所述有效部位冲线结果表明所述有效部位抵达所述终点线时，将所述有效部位冲线结果中包含的所述累计时间替换所述短跑时间。
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