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

周軍 江漢大學(xué)體育學(xué)院運動系

隨著社會的高速發(fā)展，越來越多的人青睞于體育競技，同時隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動了體育訓(xùn)練的飛速發(fā)展，可以說科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和體育競技的成果存在著緊密的關(guān)系。確保競技效果最佳的體精就是強(qiáng)化體育訓(xùn)練，然而訓(xùn)練的視頻能夠?qū)Ω偧嫉膽?zhàn)術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，對于運動員的素質(zhì)來說非常重要，隨著智能化識別技術(shù)和機(jī)器視覺的推動，之前傳統(tǒng)的分析方式已經(jīng)逐漸被體育訓(xùn)練運動視頻的分析系統(tǒng)所取代，為體育競技提供了更加科學(xué)、多元化的訓(xùn)練形式，使體育競技能力得到了有效的提升。因此，需要通過現(xiàn)階段體育訓(xùn)練工程中視頻分析系統(tǒng)的問題，進(jìn)行這一分析系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計，并且在測試其性能的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行前方位的驗證。

一、體育訓(xùn)練中運動視頻分析系統(tǒng)需求分析

專業(yè)教練通過人眼實施的觀測和分析體育新聯(lián)運動視頻的分析就是傳統(tǒng)的分析方式，其中存在著很多的局限性和缺陷。分析體育訓(xùn)練的過程，主要是對比賽視頻和運動員的訓(xùn)練慶康進(jìn)行全面的分析，通過觀察尋找視頻中實踐和空間的關(guān)聯(lián)性，從而得到運動員人體運動學(xué)的參數(shù)，同時，運動員和教練在其中找到可以提升的信息，有助于對運動員進(jìn)行科學(xué)、有效的指導(dǎo)。通過軟件開發(fā)進(jìn)行這一系統(tǒng)的實現(xiàn)和設(shè)計，具有很高的可靠性和實用性[1]。

二、運動視頻分析系統(tǒng)的設(shè)計

（一）運動視頻分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在通用計算機(jī)平臺上構(gòu)建體育訓(xùn)練的運動視頻分析系統(tǒng)，可以通過各種不同的操作系統(tǒng)采集以及處理訓(xùn)練中的運動視頻和圖像，可以選用Windows系統(tǒng)安裝在視頻分析系統(tǒng)中，還可以援用Linux系統(tǒng)，選用嵌入式Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)管理運動視頻的進(jìn)程以及加載控制信息的程序，嵌入式Linux系統(tǒng)中的根文件系統(tǒng)通過CAN發(fā)送，在/sbin、/lib、/bin、/usr、/etc、/var、/dev以及/proc目錄中將視頻的幀序列進(jìn)行儲存，用戶采集視頻信息的輸入、輸出模塊以及控制口快等組成了系統(tǒng)的總體設(shè)計，在處理模塊中，采用分析圖像、處理數(shù)據(jù)以及采集視頻模塊來開發(fā)與服務(wù)器相匹配的問價和腳本，在視頻信息的樹木模塊中，通過運用GUI人機(jī)交互系統(tǒng)分析圖像和視頻中國的信息，與此同時，下載圖像處理程序到開發(fā)板驅(qū)動整體系統(tǒng)軟件以及分析運動訓(xùn)練視頻。

（二）運動視頻分析系統(tǒng)的功能設(shè)計

本文主要實現(xiàn)了分析單目視頻的人體運動，采用Directshow技術(shù)對運動視頻進(jìn)行控制，采用基于馬賽克的圖像品相技術(shù)，提取視頻中的背景信息，將視頻圖像進(jìn)行時域分割，提取出視頻運動的目標(biāo)，最后合成全景圖像。采用陣間差分的方法濾掉靜態(tài)背景，實現(xiàn)背景的抑制。結(jié)合卡爾曼濾波以及色塊的匹配，達(dá)到自動跟蹤關(guān)鍵部位的目的，同時，取得運動員運動的參數(shù)，最后真正的實現(xiàn)土語訓(xùn)練中進(jìn)行運動視頻分析的系統(tǒng)[2]。

（三）系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在實現(xiàn)這一分析系統(tǒng)硬件設(shè)計時，其中數(shù)字處理器特別重要，比如：TMS236351，將其內(nèi)部快速緩沖儲存區(qū)域設(shè)計成雙機(jī)緩沖的構(gòu)架，數(shù)字信號處理區(qū)和儲存空間包含以一級緩沖構(gòu)架，由于這一處理器中存在動態(tài)素及儲存器，如果突然斷電也不會丟失視頻信息。電源模板、視頻處理手機(jī)模塊、外部儲存器、多媒體結(jié)構(gòu)以及同步控制芯片等構(gòu)成這一分析系統(tǒng)的硬件，系統(tǒng)把收集到的訓(xùn)練視頻全部儲存在總線，以此合理分配儲存地址，再由周邊組件核處理器分配儲存，在視頻分析的實現(xiàn)中，視頻會通過儲存總線傳世到收集處理模塊中。實現(xiàn)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)帶寬是網(wǎng)絡(luò)控制芯片的主要目的。為視頻的收集處理模塊提供電源使系統(tǒng)電源模塊的主要目的，不但為處理器進(jìn)行電源的提供，而且還為儲存總線進(jìn)行電源的提供，以此確保穩(wěn)定運行系統(tǒng)。為了使其中組件和模塊安全運行提供有效的保證，在關(guān)閉系統(tǒng)時，首先要關(guān)閉儲存總線的電源，在關(guān)閉處理器的電源，最后才關(guān)閉視頻收集處理模塊。系統(tǒng)中最主要的輸出端就是多媒體的接口，分析視頻前，要有效的明確處理器與多媒體之間的連接關(guān)系，確保擁有完整的視頻內(nèi)容。

（四）目標(biāo)跟蹤模型的設(shè)計

對于本系統(tǒng)來說最關(guān)鍵的一環(huán)就是目標(biāo)跟蹤，它為進(jìn)行視頻分析提供了主要的數(shù)據(jù)。在拍攝條件發(fā)生變化時，體育訓(xùn)練運動系統(tǒng)的目標(biāo)以及背景就會發(fā)生視覺角度上的變化，由此就會獲得不同的分析數(shù)據(jù)，分析結(jié)果會存在差異，不過，雖然有差異這些數(shù)據(jù)也還是有效的，是可以反映運動員的運動姿態(tài)的。為了獲得更全面的數(shù)據(jù)，目標(biāo)跟蹤最好是采用多跟蹤器的模式。將目標(biāo)跟蹤模型分解成子模型，一個觀察基本運動，一個觀察行為，前者是用來分析目標(biāo)的運動規(guī)律的，而后者則是對運動模型目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化。有兩種插件來播放這些視頻，一種是播放檢測一種是播放線程。當(dāng)視頻無法正常進(jìn)行播放的時候就會利用回調(diào)函數(shù)暫停視頻內(nèi)容，然后重播。如果視頻可以正常播放的話就要隨之創(chuàng)建播放線程，使視頻目標(biāo)達(dá)到一直。進(jìn)行多動態(tài)目標(biāo)同步跟蹤就是為了可以同時對多目標(biāo)進(jìn)行提取，這樣就可以對促進(jìn)目標(biāo)跟蹤以及行為分析的精度、效率的提升。在確定了視頻中的目標(biāo)以后就會啟動該模塊，然后截取多目標(biāo)圖像當(dāng)作是標(biāo)點，對目標(biāo)點進(jìn)行全面的跟蹤，然后保存為日志并進(jìn)行輸出。

（五）視頻運動行為標(biāo)識

在進(jìn)行體育訓(xùn)練的時候，運動視頻是沒有辦法識別那些不規(guī)則的動作的，這就要求將運動員的實際動作與標(biāo)準(zhǔn)動作進(jìn)行對比，以此來識別運動行為。檢測輸入運動視頻的分離續(xù)聯(lián)，這樣就可以獲得條件隨機(jī)的模型參數(shù)，然后在根據(jù)參數(shù)的值進(jìn)行歸類[3]。

三、基于體育訓(xùn)練的運動視頻分析系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

（一）開發(fā)流程

利用嵌入式內(nèi)核交叉編譯環(huán)境對進(jìn)行程序的編譯以及軟件的開發(fā)，Linux嵌入系統(tǒng)在用于運動視頻分析系統(tǒng)以后，可以將其分成四個層次。（1）通過對加載程序的引導(dǎo)，對運動視頻集成控制的視頻圖像處理算法進(jìn)行加載，對VME總線傳輸始終進(jìn)行初始化，然后對內(nèi)核D/A的分辨率進(jìn)行編譯，對不同的文件系統(tǒng)進(jìn)行集成化的控制，使其能夠正常的進(jìn)行運轉(zhuǎn)，創(chuàng)建Linux根文件系統(tǒng)，從而使運動視頻中的MXI總線控制能夠進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。（2）將Linux嵌入系統(tǒng)的內(nèi)核能夠使整個系統(tǒng)獲得一些相應(yīng)的功能，使設(shè)備能夠進(jìn)行收發(fā)、轉(zhuǎn)換、采樣以及交叉編譯，并能夠根據(jù)編譯器路徑將系統(tǒng)環(huán)境的變量添加進(jìn)來，對多通道的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄。對INIT進(jìn)程實施，對文件以及內(nèi)核進(jìn)行配置。（3）文件系統(tǒng)的存在就是為了對整個系統(tǒng)的集成化控制數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度和存儲。（4）用戶應(yīng)用程序模塊負(fù)責(zé)設(shè)計程序以及設(shè)備接口，根據(jù)內(nèi)核的配置和編譯，操作的模式和對常規(guī)文件一樣，從而能夠訪問、控制硬件設(shè)備，使其能夠進(jìn)行讀寫等操作[4]。

（二）程序加載與交叉編譯

系統(tǒng)的載體是Linux內(nèi)核配置選項，再配置好makemenucon-fig命令，通過ID0x5F選用DSP來進(jìn)行信息的復(fù)位，控制視頻分析過程中止通過loader實現(xiàn)，通過這樣的方式對系統(tǒng)的嵌入式Linux的定制、控制程序進(jìn)行編譯。要建立一個SIC_IWR存儲器，隨機(jī)選擇不同的方式對視頻分析的參數(shù)進(jìn)行分析，了解系統(tǒng)的性能。軟件開發(fā)要模塊化，控制也應(yīng)該是多線程式的，對運動特征進(jìn)行跟蹤的過程中要家里視頻分析系統(tǒng)，模塊的最上層是應(yīng)用平臺層，比如說組織權(quán)限構(gòu)架、工作流引擎以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問組建等。將一些基本功能部件封裝到不同的組件中，這對于應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的構(gòu)建來說是很關(guān)鍵的。還有就是要通過free_irq（）函數(shù)來釋放驅(qū)動程序。在交叉編譯設(shè)備驅(qū)動程序?qū)?yīng)的內(nèi)核函數(shù)的時候，一定要進(jìn)行合理的配置與編譯，編輯成.Bashrc文件，以Qt/Embedded4.6為平臺，構(gòu)件、設(shè)計系統(tǒng)的圖形用戶接口，使系統(tǒng)控制可視化，這樣系統(tǒng)的開發(fā)就完成了[5]。

（三）系統(tǒng)性能測試

利用嵌入式設(shè)備對運動視頻信息進(jìn)行收集并對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，在系統(tǒng)截面這個載體上對運動視頻的參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置，對視頻信息進(jìn)行采集，利用可視化模式來進(jìn)行人機(jī)交互。而且在關(guān)鍵幀的提取難度增加以后召回率也會增加，所以說兩者是存在著正相關(guān)的關(guān)系的。和傳統(tǒng)運動視頻分析方式相比，在以體育訓(xùn)練為基礎(chǔ)以后，它的關(guān)鍵幀提取的精確度以及召回率都要好很多[6]。

四、結(jié)語

為了提高體育運動訓(xùn)練科學(xué)的指導(dǎo)水平，我們更好的實現(xiàn)和設(shè)計了全新體育訓(xùn)練運動視頻的分析系統(tǒng)。先對其分析系統(tǒng)的需求進(jìn)行了全方位的分析，然后設(shè)計了這視頻分析系統(tǒng)的軟件和硬件，最后，對這一設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了實驗。在實驗中表明，這一系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的面熟運動員體育訓(xùn)練的過程，可以將視頻關(guān)鍵幀得到的召回率和精準(zhǔn)率進(jìn)行有效的提升，適用于運動指導(dǎo)訓(xùn)練過程中，且使用價值非常大。