基于圖像識別的乒乓球選手頭部運動及健康分析

朱 玲，季云峰

基于圖像識別的乒乓球選手頭部運動及健康分析

朱 玲，季云峰

近年來由于生活和工作的不良習(xí)慣，頸椎病的發(fā)病率成上升趨勢，嚴(yán)重影響著人們的正常工作和身心健康。乒乓球運動作為深受廣大人民喜愛的一項運動，對頸椎病的預(yù)防和治療有很大的療效。介紹了一種基于圖像識別的檢測乒乓球選手頭部運動的方法，以檢測目標(biāo)范圍中的像素塊為主要算法，為乒乓球運動有益頸椎健康提供了科學(xué)并準(zhǔn)確的依據(jù)，增強(qiáng)其說服力，鼓勵大家多多參加乒乓球運動。

乒乓球；OpenCV；頭部扭動；像素塊檢測

0 引言

近年來頸椎病的發(fā)病率成上升趨勢，發(fā)病情況與人們的職業(yè)因素有著密切的關(guān)系，且表現(xiàn)出低齡化趨勢。這種職業(yè)因素的顯現(xiàn)可能與社會競爭壓力越來越大，人們每日活動時間縮短，伏案工作或?qū)W習(xí)的時間延長，加之保健意識薄弱，使頸部肌肉、韌帶長期處于緊張狀態(tài)有關(guān)。頸椎有病，輕者轉(zhuǎn)動不靈活，重者會導(dǎo)致其他系統(tǒng)一些疾病，如動脈硬化、高血壓、冠心病等，甚至可能出現(xiàn)癱瘓，嚴(yán)重影響著人們的正常工作與身心健康。所以，保護(hù)好你的頸椎可以提高生活質(zhì)量，預(yù)防很多疾病。

乒乓球作為全國人民心目中的“國球”，又在奧運會項目中國又是聞名世界的“夢之隊”，另一方面又因為其易上手性和娛樂性而廣受人民群眾的喜愛。據(jù)研究，打一場乒乓 ，兩腿要移動 1000-2000 米，揮拍擊球 1000 多次，這樣就使全身各個肌肉群得到鍛煉，心跳加快，呼吸加深，新城代謝旺盛，內(nèi)臟器官的功能提高，體質(zhì)逐漸增強(qiáng)?！?】而對于頸椎來說，乒乓球運動中脖子將會隨著揮拍的工作左右搖晃，對于頸部肌肉群有很好的鍛煉效果，加速了頸椎周圍的血液循環(huán)，對頸椎病的預(yù)防和治療有很大的療效。當(dāng)脖子左右扭動達(dá)到一定角度并重復(fù)此運動達(dá)到一定時間以后，可很好的緩解頸部肌肉群的疲勞，促進(jìn)頸部周圍血液循環(huán)，可有效的預(yù)防治療頸椎病。【2】

本文提出了一種基于圖像識別的檢測乒乓球運動中選手的脖子扭動次數(shù)的方法，以 microsoft visual studio 2008 為開發(fā)平臺，并以 opencv 為開發(fā)環(huán)境，以檢測目標(biāo)范圍中的像素塊為主要算法，為乒乓球運動有益頸椎健康提供了科學(xué)并準(zhǔn)確的依據(jù)，增強(qiáng)其說服力，鼓勵大家多多參加乒乓球運動。

1 檢測方法描述：

1.1 OpenCV 簡介

OpenCV（open source computer vision library）誕生于Intel 研究中心，是近年來推出的開源、免費的計算機(jī)視覺庫，利用其所包含的函數(shù)可以很方便地實現(xiàn)數(shù)字圖像和視頻處理。同時利用面向?qū)ο蟮?VC++ 6.0 編程工具，用 C++語言進(jìn)行程序編寫，大大提高了計算機(jī)的運行速度。[3]

本文所做實驗正是基于 OpenCV 上的圖像識別，主要使用 函 數(shù) 包 括 cvSplit， cvThreshold ， cvDilate， cvErode，cvFindContours 等，主要使用功能包含二值化，設(shè) ROI區(qū)域，腐蝕和膨脹，查找像素塊等，這些函數(shù)組合在一起，實現(xiàn)了本文對運動員脖子扭動次數(shù)進(jìn)行檢測的算法。

1.2 實驗環(huán)境及實驗裝置：

本文所做的檢測是在乒乓球運動之中的，所涉及到的實驗裝置有攝像機(jī)、圖像采集卡、上位機(jī)、顯示器。其中，攝像機(jī)位于人體頭部的正上方，如圖1所示：

圖1

圖像采集卡與攝像機(jī)連接，上位機(jī)與圖像采集卡的輸出端連接，圖像采集卡將視頻即時傳入上位機(jī)中。上位機(jī)內(nèi)部具有主控程序，該主控程序處理視頻后得到人體頭部的轉(zhuǎn)動次數(shù)，顯示器實時顯示來自上位機(jī)的視頻以及人體頭部的轉(zhuǎn)動次數(shù)。

1.3 檢測方法核心思想

為滿足實驗檢測要求，我們要求被檢測的運動員穿上我們服裝和帽子，其中服裝和帽子上有我們事先做好的標(biāo)記，如圖2所示：

圖2

如前言中提到的，當(dāng)脖子左右扭動達(dá)到一定角度并重復(fù)此運動達(dá)到一定時間以后，可以有效的預(yù)防治療頸椎病。故本文設(shè)計了一種方法即當(dāng)脖子扭動到一定角度后帽檐可以擋住其中一個我們所標(biāo)記的黑方塊，從而在所拍視頻中只能檢測出2個黑色方塊，如圖3所示：

圖3

在本文中，我們所設(shè)定的扭頭角度為 45度，其中，這個角度是可以自行改變的，如圖3，我們實驗中按照 45 度角時帽檐擋住一個黑色方塊，若要求角度大于 45度，只需將衣服上的黑色標(biāo)記遠(yuǎn)離頭部貼一些距離即可。同理，若要求角度小于 45度時，只需將衣服上的標(biāo)記靠近頭部貼一些距離即可。

故本文檢測方法的核心思想就是檢測攝像機(jī)拍下的視頻中每一幀圖片中我們所給的標(biāo)記數(shù)目，當(dāng)檢測到的數(shù)目的個數(shù)從3到2或從2到3時記為扭頭一次。

1.4 設(shè)置 ROI區(qū)域

為完成本文的實驗?zāi)康?，我們先需要將給定的黑色標(biāo)記在程序中識別出來，這個標(biāo)記最大的特征即是它的顏色，故本文是以檢測圖像顏色為主要手段進(jìn)行，考慮到光照和環(huán)境的因素會對實驗室結(jié)果造成一些誤差，我們將設(shè)定一個 ROI（region of interest）區(qū)域，即感興趣的區(qū)域，程序運行將只對該區(qū)域進(jìn)行檢測，通過在帽子正中間做個紅色方塊標(biāo)記，在視頻中可以通過找出這個紅色標(biāo)記的中心，并以此為圓心，一定的像素長度a作為半徑做圓作為我們所需要的 ROI區(qū)域。其中，a的數(shù)值可以通過拍攝出的視頻中每幀圖片的大小來設(shè)置具體的數(shù)值，只要將我們所需要檢測的另外 3個黑色方塊標(biāo)記包圍起來即可，紅色方塊標(biāo)記設(shè)計如圖4所示：

圖4

1.5 實驗步驟和流程圖

1.5.1 具體實驗步驟

高速攝像機(jī)拍下視頻后通過圖像采集卡傳送入上位機(jī)中，上位機(jī)在 microsoft visual studio 2008 中運行程序后，將視頻中運動員扭頭次數(shù)顯示在顯示屏上。拍攝到的視頻數(shù)據(jù)，將被傳送到上位機(jī)中的主控程序中，數(shù)據(jù)處理過程主要包括以下幾個步驟：

S1：啟動，系統(tǒng)初始化，判斷是否有視頻導(dǎo)入。

S2：有視頻導(dǎo)入則開始進(jìn)入主控程序，否則回到第 1步。

S3：進(jìn)入主控程序中，先將導(dǎo)入的視頻用循環(huán)的方法將每幀圖片依次提取出來，放在我們所要調(diào)試的 debug 文件夾里。

S4：開始用循環(huán)的方法一幀一幀處理 S3 得到的圖片：首先將該圖片復(fù)制一張并對復(fù)制圖片進(jìn)行處理，先將該圖片RGB空間中的像素點，變換到HSV 空間中，再設(shè)置閾值將屬于紅色范圍的那些點進(jìn)行聚類，可以得到我們要的紅色標(biāo)記的像素塊，再將其中心坐標(biāo)提取出來，并以此為圓心，a像素值為半徑在原圖上做圓設(shè)置為 ROI區(qū)域，a的取值大小根據(jù)攝像機(jī)拍出的視頻來獲得，只要保證 ROI區(qū)域?qū)⑽覀兯龅?3塊黑色標(biāo)記塊都包含進(jìn)去即可，然后再將圖片中ROI圓區(qū)域之外的區(qū)域都設(shè)置為黑色，即 RGB 值設(shè)為 0，再對 ROI區(qū)域圖像進(jìn)行處理。這樣一方面減少了程序的工作量，另一方面也提高了程序的準(zhǔn)確性。

S5：再將圖片由 3 通道轉(zhuǎn)化為單通道，并對 3 張單通道圖片分別進(jìn)行處理，先對其實現(xiàn)二值化，并設(shè)置閾值，將RGB 值在 60 以上的都設(shè)為黑色，60 以下的設(shè)為白色，再將其中2張單通道圖片進(jìn)行與處理，再與第3張單通道圖片進(jìn)行與處理，可得到一張將 3張圖片與處理得到的單通道圖片，并將其進(jìn)行一定量的膨脹和腐蝕，可以去掉一些小的不相關(guān)的像素塊，由此可以找出我們在衣服和帽子上作的標(biāo)記，如示例圖5：

圖5

S6：利用 opencv 中的查找函數(shù)查找出圖片中的白色的像素塊，并將查找到像素塊的數(shù)目存入函數(shù)中給定的變量s中。

S7：根據(jù) S5 中得到的 s值，我們可知當(dāng)運動員脖子沒有扭動的時候 s值為 3，當(dāng)運動員脖子扭動超過 45 度以上，由于帽沿將其中一個標(biāo)記塊給擋住了，故只能查找出2個白色像素塊，所以 s值為 2，由此我們可以設(shè)定當(dāng) s的值從 2到 3 或者從 3 到 2 時，函數(shù)中計數(shù)器 num 即運動員脖子扭動次數(shù)的值加 1，計數(shù)器 num 的初值設(shè)為 0，并將 num 的值顯示在顯示屏上，如示例圖6所示。

圖6

S8：將處理完的每幀圖片以 30ms的速度依次顯示在顯示屏上，即給人的視覺上是以視頻的方式播放出來處理完的圖片，從而完成即時輸出高速攝像機(jī)拍到視頻并將其處理后得到視頻的任務(wù)，得到更加完整的結(jié)果。

S9：運動員打球結(jié)束，關(guān)掉高速攝像機(jī)后，上位機(jī)中停止了視頻輸入，此時輸出視頻到此結(jié)束，num 值即為運動員打球過程中脖子扭動次數(shù)，即時顯示在顯示屏上，程序結(jié)束。

1.5.2 程序流程圖

如圖7所示：

圖7 程序流程圖

2 實驗結(jié)果及分析

為了驗證方法的實用性和證明打乒乓球?qū)︻i椎的健康有益，本文隨機(jī)抽取了 20名乒乓球選手進(jìn)行實驗研究，其中包括 10 名乒乓球愛好者和 10 名專業(yè)乒乓球運動員，年齡從 10 歲到 60 歲都涉及，男女皆有。本文要求他們穿上我們的服裝，在實驗環(huán)境進(jìn)行檢測，時間為5分鐘，自由打球時間，有練習(xí)有比賽，檢測結(jié)果如表1所示：

表1

如表1所示，通過檢測我們可以得出結(jié)論：

a. 20 名運動員 5 分鐘打乒乓球時間平均扭頭次數(shù)為56.5 次，如果按照平均每次乒乓球選手打球一個小時來計算的話，每名選手打一次球頭部要扭動 678 次；

b. 乒乓球運動員在規(guī)定時間的扭頭次數(shù)上下浮動明顯小于乒乓球愛好者，可說明經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的乒乓球選手在動作規(guī)范和身體協(xié)調(diào)性上差別不大，而業(yè)余的乒乓球愛好者可能會受自身的一些習(xí)慣和身體素質(zhì)影響，但是總體來說，頭部都會出現(xiàn)較高頻率的扭動。

如引言中所說，一次運動中脖子扭動達(dá)到如此多的次數(shù)，對于頸部肌肉群有很好的鍛煉效果，加速了頸椎周圍的血液循環(huán)，很好的緩解頸部肌肉群的疲勞，可有效的預(yù)防治療頸椎病。

經(jīng)過調(diào)查 20名實驗人員的身體狀況，發(fā)現(xiàn)沒有一個人得過頸椎方面的疾病，雖然取得樣本不大，但是也在一定程度上反映出打乒乓球?qū)τ陬i椎健康的有益之處。至此，本文完成了既定目標(biāo)，為乒乓球運動有益頸椎健康提供了科學(xué)并準(zhǔn)確的依據(jù)，增強(qiáng)其說服力，鼓勵大家多多參加乒乓球運動。

[1]吳陽,楊忠華.乒乓球運動健康價值的探究分析[J].科技信息,(33):504,2009.

[2]祥子.頭部扭扭,頸椎輕松[J].時代風(fēng)采,(4):38,2008.

[3]秦小文,溫志芳,喬維維.基于 OpenCV 的圖像處理[J].電子測試,(7):39-41,2011.

[4]于仕琪,劉瑞禎.學(xué)習(xí) OpenCV(中文版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[5]熊令,洪健.基于 OpenCV 的視頻對象的運動檢測[J].電子測試,(9):91-93,2009.

[6]陳磊.計算機(jī)視覺類庫 OpenCV 在 VC 中的應(yīng)用[J].軟件時空,23(43):170-171,2007.

Table Tennis Players’ Head Movement and Health Analysis Based on Image Recognition

Zhu ling1，Ji Yunfeng2
(1.Shanghai Institute of Physical Education Chinese table tennis school, Shanghai 200438, China; 2. Optical electrical and computer engineering, University of Shanghai for Science and Technology Shanghai 200438, China)

In recent years, due to the bad habits of life and work, the incidence of cervical disease is tending to increase, which seriously affects people's normal work and health. As one of the most favorite sports, playing table tennis has a great effect on the prevention and treatment of cervical disease. The approach in this paper is based on image recognition which detects table tennis players’ heads movement and the main algorithm is to detect the target pixel blocks. The article provides a scientific and accurate basis for cervical health benefits of table tennis and encourages people to participate in table tennis sport.

Table Tennis; OpenCV; Head Twist; Pixel Block Detection

TP311

A

1007-757X(2014)02-0059-03

2014.02.28)

朱 玲（1983-），女，上海體育學(xué)院中國乒乓球?qū)W院，碩士，研究方向：體育教學(xué)訓(xùn)練學(xué)，上海，200438李云峰，上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，講師，研究方向：光電信息理論與處理，上海，200438