體育訓(xùn)練的視頻分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王雪

摘 要： 設(shè)計基于TMS320DM642的體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)，系統(tǒng)以數(shù)字處理器TMS320DM642為核心進(jìn)行體育訓(xùn)練視頻的快速存儲、數(shù)據(jù)采集與目標(biāo)跟蹤，設(shè)計了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，介紹了多媒體接口與TMS320DM642之間的連接方式，給出基于馬爾科夫鏈的體育訓(xùn)練視頻目標(biāo)跟蹤模型，并在Visual Studio 2015的開發(fā)環(huán)境上實現(xiàn)了體育訓(xùn)練視頻同步播放以及多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤兩大重要功能。實驗結(jié)果表明設(shè)計的系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤能力強，應(yīng)用成本低。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字處理器； 體育訓(xùn)練； 視頻分析； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN948.4?34； TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）15?0029?04

Abstract： A TMS320DM642?based video analysis system of sports training was designed. The digital processor TMS320DM642 is taken as the core of system to perform the fast storage， data acquisition and target tracking of the sports training video. The hardware structure of the system was designed. The connection mode between the multimedia interface and TMS320DM642 is introduced. The Markov chain based video target tracking model of sports training is given. Two important functions of video synchronous broadcasting and dynamic multi?object synchronous tracking of sports training were implemented in the development environment of Visual Studio 2015. The experimental results show that the system has strong target tracking ability， and low application cost.

Keywords： digital processor； sports training； video analysis； system design

0 引 言

改革開放以來，體育競技越來越受到民眾的歡迎，體育訓(xùn)練也開始依附于科技成果進(jìn)行大力發(fā)展，可以說，體育競技成績與科技發(fā)展密不可分。強化體育訓(xùn)練是提高體育競技成績的關(guān)鍵，體育訓(xùn)練視頻是分析競技戰(zhàn)術(shù)與運動員個人素質(zhì)的重要關(guān)聯(lián)介質(zhì)，隨著機器視覺、智能識別技術(shù)以及形態(tài)學(xué)的發(fā)展，針對體育訓(xùn)練的視頻分析系統(tǒng)將在不久的將來逐漸取締傳統(tǒng)肉眼分析方法，為體育競技找尋到更加合理的訓(xùn)練方式，以提高競技水平，增強民族榮譽感。

1 體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)核心組件設(shè)計

設(shè)計體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)的核心是數(shù)字處理器[1]，所選數(shù)字處理器型號為TMS320DM642，其實物圖如圖1所示，數(shù)字處理器TMS320DM642由德州儀器于2004年推出，至今為止，其強大的性能仍領(lǐng)先于持續(xù)革新的新型數(shù)字處理器。TMS320DM642是一種專門針對多媒體信息處理的解決方案，內(nèi)核為C64x，寄存器共計64個，可進(jìn)行8通道并行運算。如圖2所示，TMS320DM642擁有6段存儲空間，每段存儲空間均有各自的存儲地址，最高時鐘頻率為650 MHz，計算速率特別快。其內(nèi)部的快速緩沖貯存區(qū)為雙級緩沖架構(gòu)[2]，存儲空間以及數(shù)字信號處理區(qū)域各涉及到一級緩沖架構(gòu)，不同的是，存儲空間緩沖架構(gòu)只對體育訓(xùn)練視頻進(jìn)行快速存儲，而數(shù)字信號處理區(qū)域緩沖架構(gòu)既可以進(jìn)行體育訓(xùn)練視頻快速存儲，還能將體育訓(xùn)練視頻映射到其他存儲器。由于同步動態(tài)隨機存儲器的存在，TMS320DM642在突然上電或斷電的瞬間不會丟失體育訓(xùn)練視頻數(shù)據(jù)[3]。TMS320DM642為體育訓(xùn)練視頻提供多個存儲方案，便于進(jìn)行視頻內(nèi)容與格式整理，其在調(diào)取視頻內(nèi)容時統(tǒng)一使用多媒體接口進(jìn)行實現(xiàn)，故要求多媒體接口必須為高清接口且兼容大量視頻格式。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中除最核心的TMS320DM642及其周邊組件之外，系統(tǒng)還包括視頻采集與處理模塊、電源模塊、通用異步收發(fā)傳輸器控制端、網(wǎng)絡(luò)控制芯片、存儲總線和JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試工作組）等。系統(tǒng)采集到的體育訓(xùn)練視頻均通過存儲總線進(jìn)行存儲地址分配[4]，由TMS320DM642及其周邊組件實現(xiàn)功能性存儲，當(dāng)需要進(jìn)行視頻分析時，存儲總線再將所需視頻傳輸給視頻采集與處理模塊。網(wǎng)絡(luò)控制芯片的作用是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)節(jié)，JTAG的作用是時刻調(diào)整TMS320DM642運行狀態(tài)，包括寄存器、時鐘、復(fù)位的同步測試與校正。

本文體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)的電源模塊為視頻采集與處理模塊提供5.5 V電源，為TMS320DM642提供3.5 V電源，為存儲總線提供2.0 V電源。為各組件、模塊單獨設(shè)置不同規(guī)格的電源，可維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行[5]。為確保系統(tǒng)各組件與模塊的安全性，當(dāng)需要關(guān)閉系統(tǒng)時，應(yīng)先關(guān)閉存儲總線電源，隨后關(guān)閉TMS320DM642電源，最后關(guān)閉視頻采集與處理模塊電源。啟動系統(tǒng)的上電順序與關(guān)閉系統(tǒng)電源順序相同。多媒體接口是體育訓(xùn)練視頻的惟一輸出端，分析視頻之前必須明確多媒體接口與TMS320DM642的連接關(guān)系，以確保視頻內(nèi)容完整無誤。圖4是多媒體接口與TMS320DM642連接簡圖，TMS320DM642承載網(wǎng)絡(luò)受網(wǎng)絡(luò)控制芯片管理，由存儲總線將其連接到多媒體接口進(jìn)行7位或19位尋址。TMS320DM642通用輸入/輸出接口與多媒體接口中的A20地址線連接，用來解決不同視頻格式無法進(jìn)行同步傳輸?shù)膯栴}。

1.3 體育訓(xùn)練視頻目標(biāo)跟蹤模型設(shè)計

體育訓(xùn)練視頻目標(biāo)跟蹤是視頻分析中最重要的環(huán)節(jié)之一，也是所有分析內(nèi)容的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。體育訓(xùn)練視頻中的目標(biāo)與背景會隨著拍攝條件的變化而出現(xiàn)視覺角度變化，不同的視覺角度給出的目標(biāo)分析數(shù)據(jù)不同，分析結(jié)果便會出現(xiàn)不一致性，但這些不一致性數(shù)據(jù)對體育競技來說都是有效數(shù)據(jù)，可反映運動員行為姿態(tài)[6]，因此，在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時不能只使用單一跟蹤器，而是需要利用多個跟蹤器全方位采集體育訓(xùn)練視頻中的多角度數(shù)據(jù)，如圖5所示。

體育訓(xùn)練視頻目標(biāo)跟蹤模型可細(xì)化為行為觀察模型與基本運動模型兩個子模型：基本運動模型的作用是對目標(biāo)運動規(guī)律進(jìn)行整體提??；行為觀察模型是對基本運動模型的目標(biāo)行為細(xì)化[7]。體育訓(xùn)練視頻目標(biāo)跟蹤模型在兩個子模型上分別安置了多個目標(biāo)跟蹤器，對跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行交互與采樣，得到跟蹤結(jié)果。基本運動模型的目標(biāo)跟蹤器分為兩類：一類用來針對高速運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；另一類則用來進(jìn)行普通行為跟蹤[8]?；具\動模型的函數(shù)表述為：

式中：表示目標(biāo)行為規(guī)律函數(shù)，是時刻的目標(biāo)行為數(shù)據(jù)，是目標(biāo)跟蹤器序列；為正態(tài)分布函數(shù)，表示的是一個目標(biāo)行為數(shù)據(jù)為行為方差為的正態(tài)分布規(guī)律。

行為觀察模型的基本思想是在基本運動模型上建立一個馬爾科夫鏈[9]，先假設(shè)一個目標(biāo)行為方向，再對這個方向的可行性進(jìn)行驗證。行為觀察模型的目標(biāo)行為方向假設(shè)函數(shù)表述為：

式中：表示行為方向假設(shè)函數(shù)；是指對時刻下第個目標(biāo)跟蹤器的基本運動狀態(tài)進(jìn)行假設(shè)而得到的方向。

行為觀察模型的假設(shè)方向驗證函數(shù)可表述為：

式中：函數(shù)表示求取某一范圍內(nèi)的最小值。設(shè)置一個閾值，當(dāng)式（3）滿足閾值時，便可將假設(shè)的體育訓(xùn)練視頻分析方向作為視頻分析結(jié)果輸出。若需要進(jìn)行深度分析，可從TMS320DM642的外部存儲接口上連接相應(yīng)的計算代碼。

2 體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)實現(xiàn)

本文體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境[10]為Visual Studio 2015，將重點對體育訓(xùn)練視頻同步播放進(jìn)程和多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤進(jìn)程進(jìn)行實現(xiàn)。實現(xiàn)視頻同步播放的目的是將不同體育訓(xùn)練視頻中的相同場景進(jìn)行對比分析，具體進(jìn)程如圖6所示。

由圖6可知，體育訓(xùn)練視頻同步播放進(jìn)程中包括兩個功能插件：一個是播放狀態(tài)測試插件；另一個是播放線程建立插件。如果兩個體育訓(xùn)練視頻中的任意一個或兩個不能正常播放，則使用回調(diào)函數(shù)暫停視頻內(nèi)容的播放狀態(tài)，重新進(jìn)入視頻播放步驟。在視頻能夠正常播放的狀態(tài)下，建立一個播放線程，用來將兩個視頻中的目標(biāo)行為調(diào)制成一致性。

多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤是為了確保多目標(biāo)的多行為能夠被同時提取，提高系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤精度與行為分析效率，具體進(jìn)程如圖7所示，當(dāng)體育訓(xùn)練視頻中的所有目標(biāo)被確定出來后，多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤進(jìn)程開始工作，通過截取多目標(biāo)圖像獲取初步目標(biāo)行為規(guī)律，在幀圖像上標(biāo)記目標(biāo)點，直接對目標(biāo)點進(jìn)行全方位跟蹤，最后將跟蹤數(shù)據(jù)以日志形式保存并輸出。

3 系統(tǒng)性能的測試

實驗驗證環(huán)境為：CPU為四核2 GHz，運行內(nèi)存為3 GB，視頻處理軟件選用Halcon 12.0。將本文設(shè)計的體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)與文獻(xiàn)[5]中的視頻分析系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證。首先打開兩段從不同視覺角度拍攝的籃球訓(xùn)練視頻（視頻內(nèi)容由我國某市級籃球隊提供），確定3號、5號和8號球員為視頻分析目標(biāo)，在幀上標(biāo)記目標(biāo)點實施跟蹤。3號、5號和8號球員在兩段視頻上的同步幀數(shù)量分別為354個、121個和157個。表1對兩個視頻分析系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤能力進(jìn)行統(tǒng)計，由表1可知，本文系統(tǒng)給出的跟蹤幀數(shù)量與實際的同步幀數(shù)量幾乎一致，而且只消耗了很短的時間，表示本文系統(tǒng)的跟蹤精度與定位用時均要好于對比視頻分析系統(tǒng)，在實驗中表現(xiàn)出了很強的跟蹤能力。

在體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)的實際使用中，除系統(tǒng)跟蹤能力之外，應(yīng)用成本也是球隊管理者需要著重考慮的重要問題，這與體育訓(xùn)練經(jīng)費直接掛鉤，符合我國國情。表2對比了本文系統(tǒng)與基于對比視頻分析系統(tǒng)的應(yīng)用成本。

由表2可知，實驗從系統(tǒng)開發(fā)周期、維護周期、客戶端擴展能力、開發(fā)難度以及基本經(jīng)費5個方面入手，對本文系統(tǒng)與對比視頻分析系統(tǒng)的應(yīng)用成本進(jìn)行了統(tǒng)計。其中，本文系統(tǒng)的開發(fā)周期比對比系統(tǒng)少3個月，維護周期則少6個月，而且由于本文系統(tǒng)的擴展性強，所以其并未花費太高的基本經(jīng)費。特殊功能可在實際使用時自行添加，整體開發(fā)難度比較低，容易實現(xiàn)較高應(yīng)用性能與較低應(yīng)用成本的有機結(jié)合。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種新型的體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)，其由TMS320DM642及其周邊組件、視頻采集與處理模塊、電源模塊、通用異步收發(fā)傳輸器控制端、網(wǎng)絡(luò)控制芯片、存儲總線和JTAG等組成，包括體育訓(xùn)練視頻同步播放以及多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤兩大重要功能。結(jié)果表明，本文系統(tǒng)是一種專門針對多媒體信息處理的解決方案，具有目標(biāo)跟蹤能力強、應(yīng)用成本低的特點，未來發(fā)展前景非常好。

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