短跑運(yùn)動(dòng)圖像人體關(guān)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的研制與應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了體育科技的進(jìn)步，高科技手段廣泛運(yùn)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，提高了訓(xùn)練的科學(xué)化水平，促使運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平和比賽成績(jī)不斷提高。隨著體育科學(xué)的發(fā)展和運(yùn)動(dòng)實(shí)踐的逐步深入，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，運(yùn)用科學(xué)的訓(xùn)練方法和監(jiān)測(cè)手段改善運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，已成為體育的重要發(fā)展方向之一?？茖W(xué)合理的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是建立在以機(jī)能監(jiān)控指標(biāo)和技術(shù)監(jiān)控指標(biāo)為反饋信息來調(diào)控運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練強(qiáng)度的一種運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練模式。目前，從技術(shù)監(jiān)控的角度對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)行監(jiān)控主要應(yīng)用的是運(yùn)動(dòng)

2、錄像解析系統(tǒng)。 但是，運(yùn)動(dòng)錄像解析系統(tǒng)還存在著嚴(yán)重缺陷，主要是不能及時(shí)反饋信息和操作復(fù)雜。圖像拍攝之后一兩個(gè)月甚至三四個(gè)月才能得到測(cè)試數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，所得數(shù)據(jù)不具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)價(jià)值。而影響運(yùn)動(dòng)學(xué)研究快速反饋的瓶頸在于數(shù)據(jù)的采集處理方法，傳統(tǒng)的解析方法是由人工判讀人體關(guān)節(jié)點(diǎn)，工作量巨大，嚴(yán)重影響反饋的速度，不僅如此，人工識(shí)別操作枯燥，常由此引起疲勞誤差和操作誤差，而且重復(fù)性差。運(yùn)動(dòng)錄像解析系統(tǒng)的操作也相對(duì)復(fù)雜，需要有一定的基礎(chǔ)

3、知識(shí)和嚴(yán)格培訓(xùn)才能操作。對(duì)于繁忙的教練員來說，可操作性很差。而利用計(jì)算機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，具有花費(fèi)低、周期短、精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速反饋，可操作性好，很有發(fā)展前途。 為了解決運(yùn)動(dòng)錄像解析系統(tǒng)信息反饋緩慢和可操作性差的問題，本論文選擇短跑為研究對(duì)象，這是因?yàn)椋憾膛茼?xiàng)目不僅本身的技術(shù)動(dòng)作分析十分重要，而且它是其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。不管是跳高、跳遠(yuǎn)，還是籃球、足球、羽毛球等各種運(yùn)動(dòng)，都

4、是在跑動(dòng)中完成的[1]。因此，本研究在解決短跑人體關(guān)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的同時(shí)，將為其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目提供一個(gè)理論研究方法和軟件的平臺(tái)。若將各個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特殊規(guī)律導(dǎo)入這個(gè)平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)這些項(xiàng)目的關(guān)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別。 本論文以短跑為研究對(duì)象，以計(jì)算機(jī)為工具，首先采用先分割再填充的方法，獲得不重影、不抖動(dòng)的圖像。然后根據(jù)輪廓線最低點(diǎn)坐標(biāo)(x、y軸坐標(biāo))的變化特征，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別特殊時(shí)刻(離地瞬間和著地瞬間等)，進(jìn)而區(qū)分不同運(yùn)動(dòng)時(shí)相。并根據(jù)短跑這個(gè)項(xiàng)

5、目的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已經(jīng)確定的運(yùn)動(dòng)時(shí)相，對(duì)不同時(shí)相乃至不同時(shí)刻的不同關(guān)節(jié)點(diǎn)采取相應(yīng)的確定方法。 在區(qū)域跟蹤方面，將容易獲得的人體輪廓特征點(diǎn)(如人體輪廓最高點(diǎn)、最低點(diǎn)等)結(jié)合短跑運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于確定人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域跟蹤，針對(duì)各關(guān)節(jié)點(diǎn)的特異性和各時(shí)相的特異性，對(duì)不同時(shí)相的各關(guān)節(jié)點(diǎn)采取不同的跟蹤區(qū)域中心和半徑，并根據(jù)動(dòng)作連貫性進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。根據(jù)圓心到圓周的各點(diǎn)距離相等這一原理，找到與關(guān)節(jié)點(diǎn)周圍輪廓線上特征點(diǎn)距離相等的點(diǎn)(一般為中點(diǎn))作為所求

6、關(guān)節(jié)點(diǎn)。本研究根據(jù)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，判斷識(shí)別人體關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)特殊情況的運(yùn)動(dòng)圖像。并利用環(huán)節(jié)長(zhǎng)法，由鄰近關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)及環(huán)節(jié)斜率計(jì)算進(jìn)入人體輪廓的可見側(cè)關(guān)節(jié)點(diǎn)；利用像素差異，提取可見側(cè)手臂輪廓解決可見側(cè)手臂關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入軀干輪廓的問題；將可見側(cè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)移動(dòng)半個(gè)周期，計(jì)算獲得遮擋側(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；利用像素值判斷手位于髖關(guān)節(jié)前后來解決手對(duì)髖關(guān)節(jié)確定的影響。綜合應(yīng)用輪廓線識(shí)別與灰度識(shí)別兩種方法，以輪廓線上特征點(diǎn)確定體內(nèi)關(guān)節(jié)點(diǎn)為主，以灰度差異識(shí)別為輔，