體育訓(xùn)練中的運動視頻分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究

陳曦

（陜西學(xué)前師范學(xué)院陜西西安710100）

在現(xiàn)代視頻及圖像處理技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，體育訓(xùn)練也逐漸朝著智能化及科學(xué)化的方向發(fā)展，使用視頻幀序列分析的方式實現(xiàn)體育訓(xùn)練動作特征的收集及信息的恢復(fù)，能夠?qū)Σ灰?guī)則體育訓(xùn)練動作進(jìn)行糾正，實現(xiàn)運動訓(xùn)練水平的改進(jìn)[1]。使用嵌入式控制芯片進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計及開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動視頻信息的通信及實時的監(jiān)控?；谖锫?lián)網(wǎng)環(huán)境中，對體育訓(xùn)練運動視頻信息的集成控制能夠?qū)\動訓(xùn)練進(jìn)行有效指導(dǎo)[2]。在本文體育訓(xùn)練中運動視頻分析設(shè)計過程中，重點為硬件及軟件部分的設(shè)計，基于視頻收集和分析系統(tǒng)硬件創(chuàng)建，對體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)軟件設(shè)計進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的運動視頻分析方法都是使用嵌入式設(shè)計，但是在干擾不斷提高的過程中，視頻分析系統(tǒng)自動化控制及調(diào)度就會失真，降低控制性能。針對目前運動訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)中的問題，本文就實現(xiàn)了全新體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)，之后利用仿真對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，從而對系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性進(jìn)行驗證[3]。

1 運動視頻分析系統(tǒng)的需求

傳統(tǒng)體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)主要是以人眼觀察及分析的方法實現(xiàn)，此種方法具有嚴(yán)重不足和局限性。圖1為傳統(tǒng)運動視頻分析系統(tǒng)工作流程。

圖1 傳統(tǒng)運動視頻分析系統(tǒng)工作流程

實現(xiàn)體育運動分析的目的就是能夠利用對運動員訓(xùn)練及比賽的視頻進(jìn)行全面的分析，通過視頻圖像在空間和時間中的相關(guān)性，從而得出人體運動學(xué)相關(guān)參數(shù)，并且還能夠得到教練員和運動員希望的信息，從而進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)訓(xùn)練。本文根據(jù)相關(guān)軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)體育訓(xùn)練中運動視頻分析系統(tǒng)的設(shè)計，其具有一定實用性[4]。

2 運動視頻分析系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 運動視頻分析系統(tǒng)的功能設(shè)計

文中主要對單目視頻實現(xiàn)人體運動分析，圖2為運動視頻分析系統(tǒng)的功能框架。

圖2 運動視頻分析系統(tǒng)的功能框架

文中所設(shè)計的系統(tǒng)通過Directshow技術(shù)控制運動視頻，使用以馬賽克為基礎(chǔ)的圖像品相技術(shù)，將視頻中背景信息進(jìn)行提取，實現(xiàn)視頻圖像的時域分割，將視頻運動目標(biāo)進(jìn)行提取，最后實現(xiàn)全景圖像的合成。通過幀間差分法將靜態(tài)背景進(jìn)行濾除，從而抑制背景。和色塊匹配及卡爾曼濾波相互結(jié)合，實現(xiàn)關(guān)鍵部位的自動跟蹤，并且獲得人體運動參數(shù)，然后實現(xiàn)體育訓(xùn)練運動視頻分析的系統(tǒng)[5]。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在實現(xiàn)體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，其尤為重要的就是數(shù)字處理器，本文使用TMS236351，圖3為TMS236351處理器的內(nèi)外存儲結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部快速緩沖儲存區(qū)屬于雙機緩沖架構(gòu)，存儲空間和數(shù)字信號處理區(qū)域包括一級緩沖架構(gòu)，因為此處理器中具有動態(tài)隨機存儲器，其能夠在突然斷電的時候不會將體育訓(xùn)練視頻數(shù)據(jù)丟失[5]。

圖3 TMS236351處理器的內(nèi)外存儲結(jié)構(gòu)

圖4為體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要包括電源模塊、同步控制芯片、視頻收集處理模塊、多媒體結(jié)構(gòu)及外部存儲器等，系統(tǒng)將收集的體育訓(xùn)練視頻都利用存儲總線實現(xiàn)存儲地址分配，通過處理器和周邊的組件進(jìn)行存儲，在要實現(xiàn)視頻分析的過程中，存儲總線會將視頻對收集處理模塊傳輸。網(wǎng)絡(luò)控制芯片的主要目的就是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬調(diào)節(jié)[6]。

系統(tǒng)中的電源模塊主要目的就是為視頻收集處理模塊提供電源，為處理器提供電源，也能夠為存儲總線提供電源，從而保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。為了能夠有效保證其中模塊和組件在運行過程中的安全性，在要將系統(tǒng)關(guān)閉的時候，要先將存儲總線電源關(guān)閉，之后將處理器電源關(guān)閉，最后將視頻收集處理模塊關(guān)閉。多媒體接口屬于系統(tǒng)中的主要輸出端，對視頻進(jìn)行分析之前要對多媒體和處理器連接關(guān)系進(jìn)行有效明確，從而保證視頻內(nèi)容完整性[7]。圖5為多媒體接口和處理器的連接圖。

圖4 體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖5 多媒體接口和處理器的連接圖

2.3 目標(biāo)跟蹤模型的設(shè)計

體訓(xùn)訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)就是目標(biāo)跟蹤，其也是視頻分析過程中的主要數(shù)據(jù)。體育訓(xùn)練運動視頻的目標(biāo)和背景會在拍攝條件不斷變化過程中導(dǎo)致視覺角度出現(xiàn)變化，不同視覺角度的目標(biāo)分析數(shù)據(jù)也各不相同，其分析結(jié)果就會不一致，但是此種不一致對于體育競技來說數(shù)據(jù)都是有效的，其能夠?qū)⑦\動員運動過程中的姿態(tài)充分的反映出來，所以在目標(biāo)跟蹤的時候要使用多跟蹤器實現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)收集[8]。圖6為體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤模型結(jié)構(gòu)。

圖6 體育訓(xùn)練視頻分析系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤模型結(jié)構(gòu)

可以將此目標(biāo)跟蹤模型劃分子模型，分別為基本運動及行為觀察。前者的主要目的就是提取運動目標(biāo)的規(guī)律，后者的主要目的就是細(xì)化基本的運動模型目標(biāo)[9]。圖7為體育訓(xùn)練運動視頻的播放流程，通過圖7可以看出來，體育訓(xùn)練運動視頻的播放主要包括兩種插件，分別為播放檢測及播放線程創(chuàng)建。如果體育訓(xùn)練視頻不能夠正常的播放，那么就會通過回調(diào)函數(shù)將視頻內(nèi)容進(jìn)行暫停，之后重新實現(xiàn)視頻播放。在視頻正常播放時候創(chuàng)建播放線程，從而實現(xiàn)視頻目標(biāo)的一致性。多動態(tài)的目標(biāo)同步跟蹤主要目的就是保證同時提取多目標(biāo)，以此有效提高行為分析及目標(biāo)跟蹤的效率及精度[10]，圖8為多動態(tài)目標(biāo)的同步跟蹤流程。

通過圖8可以看出來，在體育訓(xùn)練視頻中的目標(biāo)都已經(jīng)確定之后，此模塊就會工作，利用對多目標(biāo)圖像的截取作為標(biāo)點，從而實現(xiàn)目標(biāo)點的全面跟蹤，最后通過日志形式進(jìn)行保存并且輸出。

圖7 體育訓(xùn)練運動視頻的播放流程

圖8 多動態(tài)目標(biāo)的同步跟蹤流程

2.4 視頻運動行為標(biāo)識

在體育訓(xùn)練過程中，運動視頻的識別目標(biāo)無法將不規(guī)則的動作進(jìn)行識別，那么就要通過對比運動員實際動作和標(biāo)準(zhǔn)動作，從而實現(xiàn)運動行為的識別[11]。圖9為體育運動訓(xùn)練過程的示意圖。

圖9 體育運動訓(xùn)練過程的示意圖

訓(xùn)練的過程通過分離的基礎(chǔ)動作視頻序列及運動模型學(xué)習(xí)[12]，圖10為運動員動作的識別過程。

圖10 運動員動作的識別過程

通過圖10可以看出來，對于輸入運動視頻分離序列實現(xiàn)檢測能夠得到條件隨機場模型參數(shù)，哪種參數(shù)的值比較高，就要到相應(yīng)類中歸屬[13]。

3 系統(tǒng)的性能檢測及分析

系統(tǒng)的性能測試?yán)们度胧皆O(shè)備實現(xiàn)體育運動視頻信息收集和數(shù)據(jù)檢測，通過系統(tǒng)界面能夠?qū)崿F(xiàn)體育訓(xùn)練運動視頻參數(shù)的設(shè)置和收集視頻信息，通過可視化模式實現(xiàn)人機交互[14]。

表1為體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)，通過表1可以看出來，在關(guān)鍵幀提取難度不斷提高的過程中，召回率也在不斷的擴大，以此表示兩者具有正相關(guān)的關(guān)系，并且本文所研究的系統(tǒng)關(guān)鍵幀提取精準(zhǔn)率、召回率比傳統(tǒng)運動視頻分析的方法要優(yōu)[15-20]。

表1 系統(tǒng)的性能指標(biāo)

4 結(jié)束語

為了能夠?qū)崿F(xiàn)體育運動訓(xùn)練科學(xué)指導(dǎo)水平的進(jìn)一步提高，本文實現(xiàn)了全新體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。首先全面分析了體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)的需求，之后實現(xiàn)了體育訓(xùn)練運動視頻分析系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，最后對本文所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了實驗。通過實驗表示，此系統(tǒng)能夠?qū)w育訓(xùn)練過程精準(zhǔn)的描述，能夠有效提高視頻關(guān)鍵幀提取的精準(zhǔn)率及召回率，能夠在運動指導(dǎo)訓(xùn)練中使用，并且其具有較高的使用價值。