基于計(jì)算機(jī)視覺的運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作識(shí)別模型構(gòu)建及仿真

高亮

(榆林學(xué)院, 榆林 719000)

0 引言

近年來，在我國計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)視覺特性解析以及圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人體結(jié)構(gòu)分析中，能夠?qū)θ梭w在運(yùn)動(dòng)時(shí)各類形體進(jìn)行解析。在此背景下，體育領(lǐng)域也開始引入計(jì)算機(jī)視覺特性解析技術(shù)至運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作識(shí)別及糾正中，以此提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練有效性及判斷性。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作識(shí)別時(shí)，主要利用視覺特征提取法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員有效動(dòng)作識(shí)別，并以此對(duì)該動(dòng)作準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)估。在運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作識(shí)別方面，主要采用三維視覺檢測(cè)建模法形成運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺判別函數(shù)，從而構(gòu)建起運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺檢測(cè)模型，以此對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程錯(cuò)誤動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估。由于運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作評(píng)估關(guān)系著我國體育事業(yè)的發(fā)展，因此受到業(yè)內(nèi)人士重點(diǎn)關(guān)注研究，并且已有部分研究已取得一定成果。

1 動(dòng)作特征提取

1.1 基于三維坐標(biāo)體系的坐標(biāo)點(diǎn)的確立

自選南拳這一運(yùn)動(dòng)比賽通常在地毯上舉行，單練以及對(duì)練主要在長為14 m，寬為8 m的場(chǎng)地上進(jìn)行。假設(shè)自選南拳運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地起點(diǎn)角為原點(diǎn)(0,0)；長為x軸；高為z軸，則x0=14 m；y0=8 m。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在自選南拳運(yùn)動(dòng)中騰空動(dòng)作的高度，設(shè)三維坐標(biāo)系中的z0=5 m，刻度為1 m，從而構(gòu)建起運(yùn)動(dòng)員三維坐標(biāo)系，具體三維坐標(biāo)系,如圖1所示。

圖1 三維坐標(biāo)系

1.2 基于三維坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)員特征的描述

在對(duì)自選南拳三維坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作特征描述方面，本文將以運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳動(dòng)作規(guī)則相關(guān)要求作為基礎(chǔ)，采用三維坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)該運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳所用到的關(guān)鍵關(guān)節(jié)部位進(jìn)行標(biāo)記，具體標(biāo)記過程如下：

1) 肩膀的坐標(biāo)點(diǎn)

假設(shè)運(yùn)動(dòng)員身體左邊標(biāo)記為l，右邊身體標(biāo)記為r。那么該運(yùn)動(dòng)員左肩膀坐標(biāo)點(diǎn)則為(x1jb,y1jb,z1jb)；右肩膀坐標(biāo)點(diǎn)為(xrjb,yrjb,zrjb)。

2) 手指的坐標(biāo)點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行騰空飛腳運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要以五指并攏的形式擊拍某一部位。此時(shí)，該運(yùn)動(dòng)員手指關(guān)節(jié)將合攏成為一個(gè)平面。假設(shè)將坐標(biāo)點(diǎn)(xsz,ysz,zsz)代表運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)平面中任一點(diǎn)坐標(biāo)；左手指坐標(biāo)點(diǎn)則為(x1sz,y1sz,z1sz)；右手指標(biāo)點(diǎn)為(xrsz,yrsz,zrsz)。

3) 腳尖的坐標(biāo)點(diǎn)

由于研究需要，此處將不對(duì)運(yùn)動(dòng)員各腳趾腳尖坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行分別設(shè)立，僅將其左腳腳尖坐標(biāo)點(diǎn)看作(x1jj,y1jj,z1jj)；右腳腳尖坐標(biāo)點(diǎn)看作(xrjj,yrjj,zrjj)。

4) 腳面的坐標(biāo)點(diǎn)

根據(jù)以上闡述，將運(yùn)動(dòng)員左腳腳面坐標(biāo)設(shè)置為(x1jm,y1jm,z1jm)；右腳腳面坐標(biāo)設(shè)置為(xrjm,yrjm,zrjm)。

1.3 基于三維坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)員特征的描述

在體育運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)作訓(xùn)練時(shí)，動(dòng)作的正確與否不僅關(guān)系著當(dāng)前階段的練習(xí)關(guān)節(jié)，更會(huì)給運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作訓(xùn)練前階段以及后階段造成一定的影響。比如，在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行跳高練習(xí)時(shí)，處于跳高弧線助跑階段的運(yùn)動(dòng)員身體若是過早的直立，將會(huì)使其在起跳前身體失去平衡而倒向橫桿。根據(jù)武術(shù)動(dòng)作套路以及自選南拳運(yùn)動(dòng)評(píng)分規(guī)則可以了解到，運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳應(yīng)有的正確動(dòng)作步驟為：首先，借助左腿向前向上擺踢，使右腿蹬地躍起，幫助身體達(dá)到騰空狀態(tài)；其次，左右兩臂由下向前再上擺起，右手手背與左手手掌相擊，在空中右腳向前上方彈踢。此時(shí)必須保持將右腳高度高于腰部，并且將腳面繃直與右手相擊。同時(shí)做出左腿屈膝，左腿收控至右腿側(cè)，腳面繃直，腳尖朝下這一連貫動(dòng)作；最后，在上述動(dòng)作完成之后，運(yùn)動(dòng)員還需以右腿單腿著地后，左腿再落地作為結(jié)尾動(dòng)作。在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行整體動(dòng)作過程中，若是出現(xiàn)騰空飛腳擊響腿、擺動(dòng)腿腳尖未過肩或是騰空飛腳擊拍落空的情況，出現(xiàn)一次直接扣減0.1分。本文對(duì)三維坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)特征描述過程如下：

(一) 運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿腳尖未過肩設(shè)為u1

設(shè)武術(shù)套路南拳騰空飛腳動(dòng)作為U1；設(shè)運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿為s1；運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳動(dòng)作特征T1=左腳腳尖的坐標(biāo)(x1jj,y1jj,z1jj)，右腳尖坐標(biāo)點(diǎn)(xrjj,yrjj,zrjj)，左肩膀坐標(biāo)點(diǎn)(x1jb,y1jb,z1jb)，右肩膀坐標(biāo)點(diǎn)(xrjb,yrjb,zrjb)。在三維坐標(biāo)系中，可通過將運(yùn)動(dòng)員腳尖與肩膀在z軸坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比較的方式，求出該運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳動(dòng)作過程是否出現(xiàn)擊響腿或擺動(dòng)腿腳是否過肩失誤。

(1) 當(dāng)騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿是左腿時(shí)，已知運(yùn)動(dòng)員左腳腳尖坐標(biāo)為(x1jj,y1jj,z1jj)；右肩膀坐標(biāo)點(diǎn)為(x1jb,y1jb,z1jb)，那么當(dāng)出現(xiàn)z1jj

(2) 當(dāng)騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿是右腿時(shí)，已知右腳腳尖坐標(biāo)表達(dá)式為(xrjj,yrjj,zrjj)，右肩膀坐標(biāo)點(diǎn)表達(dá)式為(xrjb,yrjb,zrjb)。當(dāng)出現(xiàn)zrjj

(二) 運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊拍落空設(shè)為u2

武術(shù)套路南拳騰空飛腳動(dòng)作設(shè)為U2；設(shè)運(yùn)動(dòng)員左手與右手為s2；運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳動(dòng)作特征T2=左手指坐標(biāo)點(diǎn)(x1sz,y1sz,z1sz)，右手指坐標(biāo)點(diǎn)(xrsz,yrsz,zrsz)，左腳腳面坐標(biāo)點(diǎn)(x1jm,y1jm,z1jm)，右腳腳面坐標(biāo)點(diǎn)(xrjm,yrjm,zrjm)。

(1) 當(dāng)騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿是左腿時(shí)，在已知運(yùn)動(dòng)員左手指標(biāo)點(diǎn)以及左腳腳面坐標(biāo)點(diǎn)分別為(x1sz,y1sz,z1sz)以及(x1jm,y1jm,z1jm)情況下，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊拍動(dòng)作規(guī)則，在其騰空飛腳腳擊響瞬間T1時(shí)刻時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)x1sz≠x1jm,y1sz≠y1jm,z1sz≠z1jm時(shí)，則表示該運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊響動(dòng)作落空；若是出現(xiàn)x1sz=x1jm,y1sz=y1jm,z1sz=z1jm時(shí)，則表示其騰空飛腳擊響動(dòng)作順利完成。

(2) 當(dāng)騰空飛腳擊響腿或擺動(dòng)腿是右腿時(shí)，已知運(yùn)動(dòng)員右手指坐標(biāo)點(diǎn)及右腳腳面坐標(biāo)點(diǎn)的表達(dá)式分別為(xrsz,yrsz,zrsz)與(xrjm,yrjm,zrjm)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)xrsz≠xrjm,yrsz≠yrjm,zrsz≠zrjm時(shí)，則代表運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳擊響未成功；若是出現(xiàn)xrsz=xrjm,yrsz=yrjm,zrsz=zrjm時(shí)，則表示運(yùn)動(dòng)員順利完成騰空飛腳擊響動(dòng)作。

2 基于貝葉斯的錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺檢測(cè)

本文在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺圖像識(shí)別模型構(gòu)建時(shí)，將以上文中所提出的運(yùn)動(dòng)員錯(cuò)誤動(dòng)作描述公式作為依據(jù)，并以此獲取運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作識(shí)別屬性，得出錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺判別函數(shù)，從而構(gòu)建起體育運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤動(dòng)作的三維視覺檢測(cè)模型。對(duì)此本文通過貝葉斯算法對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，具體構(gòu)建步驟如下：

(1)

假設(shè)騰空飛腳運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤動(dòng)作的后驗(yàn)條件概率表示為p(ωi|X)，并將此條件概論定義于掌握騰空飛腳動(dòng)作模式向量X發(fā)生情況之下，對(duì)當(dāng)前幀中運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)動(dòng)作發(fā)生的后驗(yàn)條件概率計(jì)算公式則為式(2)。

(2)

在公式(4)中，p(ωi|X)所表示的是運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳運(yùn)動(dòng)動(dòng)作模式向量X以及ωi的似然函數(shù)，也就是代表著X于ωi上的發(fā)生概率；ωi的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作先驗(yàn)概率以P(ωi)進(jìn)行表示；運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)動(dòng)作發(fā)生的證據(jù)因子由p(X)表示。p(X)的計(jì)算公式為式(3)。

(3)

若是di(X)值為最大的情況時(shí)，則把運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳動(dòng)作模式向量X劃分于di(X)中。并以公式(6)構(gòu)建起騰空飛腳運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤動(dòng)作的三維視覺檢測(cè)模型為式(4)。

(4)

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上文中所提出的騰空飛腳運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺檢測(cè)建模方法的科學(xué)性及有效性，本文將采用某體育學(xué)院訓(xùn)練騰空飛腳的18學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并將這18名學(xué)生平均劃分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的方式，對(duì)其進(jìn)行騰空飛腳考試實(shí)驗(yàn)記錄，以此作為依據(jù)對(duì)騰空飛腳錯(cuò)誤動(dòng)作三維視覺檢測(cè)建模方法進(jìn)行驗(yàn)證。具體驗(yàn)證結(jié)果，如圖2和圖3所示。

在圖3中，左側(cè)圖像表示騰空飛腳正確動(dòng)作，右側(cè)表示騰空飛腳錯(cuò)誤動(dòng)作。根據(jù)圖2顯示內(nèi)容可以看出，運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行騰空飛腳時(shí)，所涉及的頭部、肩部、手臂以及腿部的錯(cuò)誤動(dòng)作均能明顯識(shí)別，與正確動(dòng)作具有較高的吻合度。而圖3中運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作則出現(xiàn)較大偏差。此結(jié)果足以說明本文提出的騰空飛腳錯(cuò)誤動(dòng)作的三維視覺檢測(cè)模型對(duì)識(shí)別運(yùn)動(dòng)員騰空飛腳錯(cuò)誤動(dòng)作具有實(shí)際意義。

與此同時(shí)，本文還將在此驗(yàn)證基礎(chǔ)上采用兩種不同算法建立起三維視覺檢測(cè)模型，并在不同實(shí)驗(yàn)次數(shù)下對(duì)兩種模型的精確度進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比結(jié)果，如圖4所示。

根據(jù)圖4所示可以看出，本文所提出的算法在三維視覺檢測(cè)精度方面更具優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)z測(cè)誤差控制到合理范圍內(nèi)。

4 總結(jié)

通過上述的研究看出，本文提出的算法在判斷騰空飛腳錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)，其判斷的正確率要明顯高于傳統(tǒng)的算法，進(jìn)而驗(yàn)證貝葉斯算法在識(shí)別錯(cuò)誤動(dòng)作方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而驗(yàn)證上述方法的可行性與正確性。

圖4 模型檢測(cè)精度對(duì)比

[1] 于淼. 基于行為視覺分析的運(yùn)動(dòng)角度規(guī)范性智能判斷[J]. 科技通報(bào),2015,31(12):199-201.

[2] 劉凌霞,宋強(qiáng). 基于三維動(dòng)態(tài)特征的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別方法研究[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2016,33(2):92-95+99.

[3] 張良,魯夢(mèng)夢(mèng),姜華. 局部分布信息增強(qiáng)的視覺單詞描述與動(dòng)作識(shí)別[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2016,38(3):549-556.

[4] 劉和臣. 運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作三維視覺圖像準(zhǔn)確識(shí)別仿真研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2016,33(8):369-372+386.

[5] 張嫣. 基于視覺分析的籃球投籃動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)化判斷方法研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(3):47-50.

[6] 季剛,張南. 多特征光流跟蹤人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)分析模型[J]. 科技通報(bào),2017,33(12):133-136.

[7] 高保華. 基于圖像分析的體操落地穩(wěn)定性分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(5):66-69.

[8] 汪成峰,王慶,梅樹立,等. 基于插值小波關(guān)鍵幀提取的動(dòng)作評(píng)價(jià)算法[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2017,43(1):309-315.

[9] 司幸偉. 基于多尺度形態(tài)學(xué)圖像的屈肘角度檢測(cè)方法與實(shí)現(xiàn)[J]. 河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,45(5):60-67.

[10] 安秀芳. 三維散亂人體運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的激光跟蹤技術(shù)研究[J]. 激光雜志,2017,38(11):152-155.

[11] 阮濤濤,姚明海,瞿心昱,等. 基于視覺的人體運(yùn)動(dòng)分析綜述[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(2):245-253.

[12] 雷建和,邱聯(lián)奎,宋全軍,等. 運(yùn)動(dòng)員生物力學(xué)信息獲取平臺(tái)的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006(2):332-336.

[13] 夏瑜,吳小俊,王洪元. 雙環(huán)Mean Shift視頻跟蹤算法[J]. 模式識(shí)別與人工智能,2013,26(1):20-27.

[14] 郭利,姬曉飛,李平,等. 基于混合特征的人體動(dòng)作識(shí)別改進(jìn)算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013,30(2):601-604.

[15] 羅陸鋒,鄒湘軍,張叢,等. 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的角色運(yùn)動(dòng)建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2015,27(4):677-681.

[16] 江山. 基于形體輪廓特征提取的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作標(biāo)志分析[J]. 科技通報(bào),2015,31(8):84-86.

[17] 鄧宇,李振波,李華. 基于視頻的三維人體運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2007(6):769-774.