網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析研究

向云平

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤系統(tǒng)中跟蹤圖像數(shù)據(jù)分析誤差較大的問(wèn)題，提出一種網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)。通過(guò)全息投影對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)角度平均常量，引入波門(mén)跟蹤算法跟蹤圖像的目標(biāo)，計(jì)算閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)的方法能夠有效地對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行跟蹤分析，同時(shí)解決了圖像數(shù)據(jù)分析誤差較大的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)球旋轉(zhuǎn)特征； 圖像跟蹤； 波門(mén)跟蹤算法； 全息投影； 數(shù)據(jù)處理

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.73?34； TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）24?0134?03

Abstract： Since the traditional image tracking system of tennis ball′s motion and rotation features has big data analysis error of tracking image， an image tracking analysis system for motion and rotation characteristics of tennis ball is put forward. The data is processed by means of holographic projection to optimize the average constant of motion angle. The wave gate tracking algorithm is introduced to track the image target， calculate the threshold， and realize the image tracking of the motion and rotation characteristics of tennis ball. The experimental data shows that the proposed image tracking analysis system for motion and rotation characteristics of tennis ball can conduct the tracking analysis for the tennis ball′s movement image effectively， and reduce the analysis error of image data.

Keywords： tennis ball rotation feature； image tracking； wave gate tracking algorithm； holographic projection； data processing

0 引 言

現(xiàn)代網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)比賽中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在比賽的時(shí)候，每次擊球都要判斷對(duì)方打來(lái)的球的方位[1?2]，可以說(shuō)是否準(zhǔn)確地進(jìn)行了方位判斷，在一定程度上會(huì)影響回?fù)羟虻馁|(zhì)量。只有準(zhǔn)確判斷，才能用最合理與有效地回?fù)魟?dòng)作擊出一個(gè)最高質(zhì)量的回球，才能夠使自己的水平發(fā)揮的淋漓盡致，取得比賽的勝利[3?4]。所以說(shuō)，運(yùn)動(dòng)員對(duì)于對(duì)手擊來(lái)的球的方向判斷是不是準(zhǔn)確[5?7]，在比賽中直接影響怎么接球。

在網(wǎng)球比賽中，擊球的角度、高速運(yùn)動(dòng)中球的本身系數(shù)以及與球拍擊球的速度的接觸造就了網(wǎng)球的在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)。網(wǎng)球的自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)獨(dú)特的跳躍運(yùn)動(dòng)弧線(xiàn)拋物線(xiàn)，給人以網(wǎng)球擊球技術(shù)的軌跡美。網(wǎng)球依據(jù)旋轉(zhuǎn)和軌跡分為四類(lèi)：分別為上網(wǎng)球、上旋球、底線(xiàn)球和切削球[6?7]。不同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)型會(huì)表現(xiàn)出不一樣的飛行曲線(xiàn)、跳動(dòng)頻率和反彈角度，所以要想打出讓對(duì)手措不及防的回?fù)羟騽t需要判斷和使用不同的擊球手法[8]。

為了能夠有效地解決跟蹤圖像數(shù)據(jù)分析誤差較大的問(wèn)題，使用3D VLAN全息投影技術(shù)，并通過(guò)對(duì)比仿真試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)軌跡方向自動(dòng)檢測(cè)軟件的準(zhǔn)確性。

1 圖像跟蹤分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 數(shù)據(jù)處理分析

為了提高本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析能力，本文可以通過(guò)全息投影精準(zhǔn)地測(cè)出網(wǎng)球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的半徑、質(zhì)量、旋角、速度等恒量以及變量，計(jì)算出摩擦、風(fēng)速等影響因素。此技術(shù)的本質(zhì)是把導(dǎo)入的測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成為一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)方程，將計(jì)算出的閾值、差和比等動(dòng)量因子代入式中，模擬出網(wǎng)球走勢(shì)，并讓運(yùn)動(dòng)員根據(jù)走勢(shì)打出高質(zhì)量的回?fù)羟?。具體變化參數(shù)之間的指標(biāo)形式如下：

式中：z是目標(biāo)網(wǎng)球像素?cái)?shù)；u是網(wǎng)球特征系數(shù)；v是網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化的運(yùn)動(dòng)速度；l為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)水平距離；d，分別為網(wǎng)球半徑以及形變半徑。若有n個(gè)這樣的像素，可得：

式中：為每一個(gè)數(shù)據(jù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變量可能產(chǎn)生的誤差；x是自定義數(shù)值矩陣改變范圍；y為閾值的改變范圍；z為整合概率。則其網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中從初始點(diǎn)到落地點(diǎn)的距離為：

對(duì)3D VLAN全息投影，投影結(jié)果可表示為：

式中，x是加速地段的速度總和?？芍摷铀俚囟闻c平均閾值之間的相似度為：

式中： 為 p（yj）目標(biāo)區(qū)域的邊緣像素常量；表示位置ij處的動(dòng)能總和。進(jìn)行3D VLAN全息投影技術(shù)處理過(guò)后的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)圖像，便可以進(jìn)行3D重新建模。本文提出的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)圖像自動(dòng)檢測(cè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為了保證3D重新建模過(guò)程的圖像能夠清晰顯示，需要再次對(duì)圖像進(jìn)行像素還原補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)南袼睾拓?fù)離子分別表示為和，在A，B尺度內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)3D圖像像素補(bǔ)償，公式為：

式中：為關(guān)聯(lián)屬性算子；表示捕捉到的運(yùn)動(dòng)區(qū)飽和值；表示包含的運(yùn)動(dòng)能量空間。經(jīng)過(guò)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的圖像像素的補(bǔ)償，可知修正特征結(jié)果為：endprint

1.2 優(yōu)化運(yùn)動(dòng)角度平均常量計(jì)算

把網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)拋物模型當(dāng)作散點(diǎn)圖序列，即V=[v1，v2，…，vn]，S=[s1，s2，…，sn]為測(cè)定加速初始運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)集；λ是摩擦，可以選擇參照文獻(xiàn)[8]進(jìn)行。Esmo，Esim，Edist分別表示實(shí)際劃分的區(qū)域、微積分閾值與加速初始運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)性，以及區(qū)域上運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)的分布特性。三者具體定義關(guān)系式為：

通過(guò)式（7）、式（8）可以得出：

本文使用改良后的通用函數(shù)，優(yōu)化了關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)方法中的圖像顯示不清現(xiàn)象。按式（9）計(jì)算數(shù)據(jù)的適用概率：

式中：為用過(guò)適用數(shù)據(jù)的概率點(diǎn)坐標(biāo)；M為適用數(shù)據(jù)在關(guān)系函數(shù)中的排列序號(hào)。想要保證圖像的準(zhǔn)確，需要對(duì)平臺(tái)記憶區(qū)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)傳輸速率進(jìn)行限制，衡量重復(fù)率公式為：

通過(guò)對(duì)重復(fù)率的衡量，可以保證網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)圖像像素的清晰程度有所上升。這樣就可以從數(shù)據(jù)源上確定網(wǎng)球方向的未來(lái)走向。誤差摩擦力計(jì)算公式為：

式中：V為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)速度；h為網(wǎng)球高度；s為網(wǎng)球與氣層的接觸面積；為空氣對(duì)網(wǎng)球形成的摩擦系數(shù)?？梢悦黠@從公式看出誤差摩擦力對(duì)于整體運(yùn)行軌跡的影響。

式中；表示網(wǎng)球傳輸慣量；表示網(wǎng)球落地位置；表示擊球位置；為擊球力度系數(shù)；為網(wǎng)球轉(zhuǎn)動(dòng)的平動(dòng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。為了保證網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析研究的準(zhǔn)確性，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如下：

式中：為網(wǎng)球慣性矩陣；為網(wǎng)球的離心力；為網(wǎng)球重力矩陣；為未知摩擦力有關(guān)的半正定矩陣；T為輸入力矩。

本文提出的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)引進(jìn)了波門(mén)跟蹤算法。此算法既保證了網(wǎng)球的跟蹤圖像在進(jìn)行目標(biāo)閾值計(jì)算中的準(zhǔn)確性，也避免了傳統(tǒng)計(jì)算方法的局限性，很大程度上提升了圖像跟蹤目標(biāo)的能力，優(yōu)化了多尺度熵矢量計(jì)算。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析研究的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。對(duì)某訓(xùn)練場(chǎng)運(yùn)動(dòng)員擊球過(guò)程網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征圖像跟蹤分析進(jìn)行關(guān)聯(lián)挖掘試驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)有效性，使用本文設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法同時(shí)進(jìn)行。

2.1 參數(shù)設(shè)置

為了保證網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析研究的準(zhǔn)確性，設(shè)置波動(dòng)極限為65.32；設(shè)置網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)外圍動(dòng)能為9.3；保證捕捉到的運(yùn)動(dòng)區(qū)飽和值在[0.66，1.30]的值域內(nèi)；分別設(shè)置S為10，T為50。根據(jù)上述仿真設(shè)定的參量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取與分析

如圖1所示，傳統(tǒng)的方法中出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳頻的百分比及其的高，并且有些數(shù)據(jù)超過(guò)2.0%，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)分析的能力。

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)，能夠保持較低的數(shù)據(jù)跳頻百分比，平均數(shù)據(jù)都在1.0%以下，說(shuō)明數(shù)據(jù)非常的穩(wěn)定，分析的結(jié)果也十分的穩(wěn)定，因此誤差會(huì)非常的小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)特征的圖像跟蹤分析系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用改進(jìn)的方法在圖像跟蹤方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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