車益民
摘 要: 體育訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)可以提高體育訓(xùn)練視頻回放的動(dòng)作分析能力,提高訓(xùn)練質(zhì)量。針對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)存在的不足,提出一種新型的體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)。對(duì)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)視頻分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,對(duì)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,最后對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確分析體育訓(xùn)練的視頻及圖像信息,關(guān)鍵幀提取的準(zhǔn)確度高,召回率高,可以用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。
關(guān)鍵詞: 體育訓(xùn)練; 運(yùn)動(dòng)視頻; 總體設(shè)計(jì); 詳細(xì)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào): TN948.43?34; TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2017)05?0070?04
Abstract: The moving video analysis system in sports training can improve the action analysis ability of the sports training video playback and training quality. A new moving video analysis system for sports training is proposed to eliminate the shortco?mings existing in the current moving video analysis systems. The overall design of the moving video analysis system in sports training is analyzed. The detailed design of the system is analyzed. The performance of system was tested. The test results show that the system can analyze the video and image information of the sports training accurately, has high key frame extraction accuracy and high recall rate, and can guide the exercise training.
Keywords: physical training; moving video; overall design; detailed design
0 引 言
隨著圖像和視頻處理技術(shù)的發(fā)展,體育訓(xùn)練逐漸科學(xué)化和智能化,采用視頻幀序列分析方法進(jìn)行體育訓(xùn)練中的動(dòng)作特征采集和信息恢復(fù),糾正不規(guī)則的體育訓(xùn)練動(dòng)作,改進(jìn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平,用嵌入式控制芯片結(jié)合體育訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息通信。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,對(duì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻信息集成控制,結(jié)合專家系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[1]。
對(duì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分,在進(jìn)行視頻采集和分析系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)上[2],重點(diǎn)進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)。傳統(tǒng)方法中,采用嵌入式設(shè)計(jì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)模型具有一定的可靠性,但是隨著干擾的增大,在運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的自動(dòng)化控制和調(diào)度出現(xiàn)基線漂移和失真,控制性能不好。采用基于Android嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)視頻分析方法具有移植性好的優(yōu)點(diǎn),但是同樣存在兼容性不好,對(duì)視頻幀訓(xùn)練的控制性不準(zhǔn)確等問題[3?4]。
針對(duì)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)存在的難題,本文設(shè)計(jì)了一種新型的體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng),并通過仿真測試進(jìn)行性能驗(yàn)證,驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
1 運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
1.1 運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
體育訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)建立在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,可以在不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻的采集和圖像處理,視頻分析系統(tǒng)可以安裝Windows系統(tǒng),也可以安裝Linux系統(tǒng),采用嵌入式Linux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)視頻的進(jìn)程管理和控制信息程序加載,通過CAN發(fā)送嵌入式Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng),在[/bin,]/sbin,/etc,/lib,/dev,/usr,/var和/proc目錄中存儲(chǔ)體育運(yùn)動(dòng)視頻的幀序列,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括用戶控制模塊、視頻信息的采集模塊和輸出模塊等,在視頻信息處理模塊中,通過數(shù)據(jù)處理、圖像分析和視頻采集模塊進(jìn)行腳本和服務(wù)器配置文件的開發(fā),在輸出模塊,采用GUI人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的視頻及圖像信息分析,并將圖像處理程序下載到開發(fā)板中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練視頻分析和整個(gè)系統(tǒng)的軟件驅(qū)動(dòng)[5]。根據(jù)上述分析描述,得到本文設(shè)計(jì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
1.2 運(yùn)動(dòng)視頻的圖像處理算法設(shè)計(jì)
圖像處理算法是整個(gè)視頻分析系統(tǒng)的核心,包括運(yùn)動(dòng)視頻圖像的檢測和特征提取等。采用梯度直方圖分析方法提取運(yùn)動(dòng)視頻圖像的特征[6],梯度直方圖能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)監(jiān)測圖像區(qū)域的梯度強(qiáng)度和方向準(zhǔn)確描述出來,因此可以使體育訓(xùn)練監(jiān)測區(qū)域的運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作外形表現(xiàn)的更為精確。由于梯度方向直方圖對(duì)同一個(gè)Cell梯度的不同特征模型無法區(qū)分,不能對(duì)運(yùn)動(dòng)員各種行為特征進(jìn)行有效識(shí)別。本文采用ExHOG特征算法解決上述問題,算法如下:
設(shè)[θ]為體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)監(jiān)測視頻圖像梯度方向,并設(shè)定0°~360°作為方向空間;提取梯度直方圖特征HG;[θi]為0°~180°無符號(hào)的梯度方向空間,其特征為HOG;[i]表示[θ]的量化通道,取值為[MHG(i);][L]表示通道個(gè)數(shù),則HOG的計(jì)算方法為:
式中:[MHOG(i),][MDiffHG(i),][MExHOG(i)]分別表示運(yùn)動(dòng)視頻監(jiān)測區(qū)域梯度直方圖特征在[i]通道的權(quán)值。
在視頻采集中,由于外部環(huán)境和運(yùn)動(dòng)過程的隨機(jī)性,導(dǎo)致干擾極為復(fù)雜多變,使得監(jiān)測圖像存在大量噪聲干擾,提取出的HG行為特征出現(xiàn)很大的梯度峰值,需要進(jìn)行圖像干擾處理。由式(1),式(2)可以看出,HOG和DiffHG分別由HG特征計(jì)算得出,因此同樣會(huì)出現(xiàn)較大的梯度峰值,從而使ExHOG特征存在大量噪聲。所以,在每個(gè)cell提取HG特征后對(duì)圖像檢測區(qū)域梯度直方圖進(jìn)行[L2]范數(shù)歸一化處理,并截?cái)鄨D中峰值,經(jīng)過處理后ExHOG特征有效抑制了梯度峰值和噪聲干擾[7?8]。
在降噪處理的基礎(chǔ)上,采用奇異值分解法和相位卷繞技術(shù)運(yùn)動(dòng)提取視頻特征,最后通過最小二乘擬合獲得運(yùn)動(dòng)視頻圖像的差異性,像素級(jí)機(jī)器視覺特征為:
[X′m]針對(duì)不同視頻幀序列的像素值不同,在算法設(shè)計(jì)中有[X′m]個(gè)初始化值。
采用計(jì)算機(jī)識(shí)別方法采集視頻,使用窗的個(gè)數(shù)為[K,]根據(jù)圖像采集傳感器的輸出陣列,利用[S]變換計(jì)算功率譜估計(jì),得到運(yùn)動(dòng)視頻的幀差功率譜估計(jì)為:
式中:時(shí)間序列長度為[N;][hk(n)]為次譜估計(jì)的時(shí)間窗函數(shù)。
采用多窗譜估計(jì)法對(duì)視頻輸出陣列傳感器輸出的動(dòng)作矯正信息進(jìn)行功率譜計(jì)算,取一組相互正交的離散橢球序列作為時(shí)頻移動(dòng)步長建立功率譜時(shí)頻圖,得到功率譜時(shí)頻圖表達(dá)式為:
最后選擇訓(xùn)練樣本,從[X]個(gè)特征中隨機(jī)抽取[Y]個(gè)特征作為候選特征,進(jìn)行訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)視頻分析和特征識(shí)別,并輸出識(shí)別結(jié)果。
2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 開發(fā)流程及程序配置
采用嵌入式內(nèi)核的交叉編譯環(huán)境進(jìn)行程序編譯和軟件開發(fā),體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的嵌入式Linux系統(tǒng)分為四個(gè)層次,分別為:
(1) 通過引導(dǎo)加載程序進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻集成控制的視頻圖像處理算法加載,同時(shí)對(duì)VME總線傳輸?shù)臅r(shí)鐘進(jìn)行初始化操作,編譯內(nèi)核的D/A分辨率,對(duì)不同文件系統(tǒng)的操作進(jìn)行集成控制,建立Linux根文件系統(tǒng)進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻的MXI總線控制的D/A轉(zhuǎn)換。
(2) Linux內(nèi)核用于實(shí)現(xiàn)體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的特定功能,在嵌入式設(shè)備上進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換采樣和交叉編譯,在編譯器路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量,進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)記錄。執(zhí)行init進(jìn)程,分析系統(tǒng)內(nèi)核的配置,實(shí)現(xiàn)文件配置。
(3) 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻集成智能控制的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)度。
(4) 用戶應(yīng)用程序模塊是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備之間的接口設(shè)計(jì),通過內(nèi)核配置、編譯,按操作普通文件的方式訪問并控制硬件設(shè)備,對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行讀/寫操作。
設(shè)計(jì)體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程,如圖2所示。
2.2 程序加載與交叉編譯
在Linux內(nèi)核配置選項(xiàng)中,使用make menuconfig命令進(jìn)行配置,復(fù)位信息使用惟一的ID0x5F選擇DSP,通過工具loader,實(shí)現(xiàn)視頻分析過程的中斷控制,進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)嵌入式Linux定制和控制程序的編譯,編譯主要代碼描述為:
Generates Settings ???>
Qt/Embedded image filesystem ???>
[*]downloaded //視頻信息采樣及圖像處理程序下載
Applets links(Qt Virtual Fram Buffer) ???>(/home/ SmDialog /nfs) qt?embedded?arm prefix
Root file object model Tuning ???> //對(duì)象模型、抽象控件
[*]rootfs.yaffs /Provide Qtopia application environment
//設(shè)備提供Qtopia應(yīng)用環(huán)境
[*]Generate bin, SBIN folder commands
[*]deprecated:aliased //設(shè)置SDICON寄存器
[*]SDIPRE register set //設(shè)置SDIPRE寄存器
[*]Script sSDICmdArg fileShells ???>
???Ash Shell Options //寫32位命令到SDICmdArg
[*]Check for SDICmdSta File System //命令類型為無答復(fù)
[*]Lash(arm?angstrom?linux)
//lib清除SDICmdSta寄存器中的相應(yīng)標(biāo)志位
設(shè)定SIC_IWR寄存器,包含CSEL位和SSEL位,其值是隨機(jī)需要用各種方法計(jì)算視頻分析的參數(shù),以進(jìn)一步分析系統(tǒng)性能。進(jìn)行軟件的模塊化開發(fā)和多線程控制設(shè)計(jì),在對(duì)體育運(yùn)動(dòng)特征追蹤中,建立視頻分析系統(tǒng),系統(tǒng)上層是應(yīng)用平臺(tái)層,包括工作流引擎、組織權(quán)限框架、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問組件等。這些組件分別封裝了工作流、組織權(quán)限、數(shù)據(jù)訪問等方面的基本功能部件,是應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ),用free_irq()函數(shù)釋放驅(qū)動(dòng)程序,對(duì)應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)為unregister_chrdev():
#define MISC_ MISCs3c2440_pwm_ioctl //主設(shè)備號(hào)
#define struct file *filp "pwm" //設(shè)備文件名
int ret nstall?qt?embedded ();
ret=s3c2440_unregister_blkdev() (&misc);
驅(qū)動(dòng)程序塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的內(nèi)核函數(shù)unregister_blkdev(),在交叉編譯環(huán)境中配置和編譯Linux內(nèi)核,編輯.Bashrc文件,采用Qt/Embedded 4.6創(chuàng)建體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的圖形用戶接口,實(shí)現(xiàn)可視化控制,由此完成系統(tǒng)的軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)性能測試與分析
在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行Qt C++ API執(zhí)行體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的視頻信息采集和特征檢測。使用Agilent 33220A信號(hào)發(fā)生器作為測試信號(hào)分析視頻分析過程中的穩(wěn)定性。在進(jìn)行了ZLG7290初始化操作之后,通過驅(qū)動(dòng)程序流接口函數(shù)封裝驅(qū)動(dòng)程序代碼,通過I2C從ZLG7290讀取Linux內(nèi)核的圖像處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)加載和參數(shù)初始化設(shè)定,得到運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定界面如圖3所示。
根據(jù)圖3的系統(tǒng)界面進(jìn)行體育訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)視頻控制參量設(shè)定和視頻信息采集,在可視化模塊中進(jìn)行人機(jī)交互和GUI控制,運(yùn)動(dòng)視頻分析的輸出界面如圖4所示。對(duì)采集的原始運(yùn)動(dòng)視頻進(jìn)行特征分析,得到的分析結(jié)果如圖5所示。
表1給出本文體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中視頻分析系統(tǒng)的關(guān)鍵幀提取準(zhǔn)確度和召回率,從表1可知,隨著關(guān)鍵幀提取準(zhǔn)確度的增大,召回率增大,說明兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系,而且本文系統(tǒng)的關(guān)鍵幀提取準(zhǔn)確度、召回率要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。
4 結(jié) 語
為了提高體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的科學(xué)指導(dǎo)水平,本文設(shè)計(jì)了一種新型的體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì),然后進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì),最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試,結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確描述體育訓(xùn)練各個(gè)過程,提高了視頻關(guān)鍵幀的提取的準(zhǔn)確度,召回率高,可以用于指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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