竞技运动视频识别与比较系统的研究

戎淼锋，林 珑

(1.广州市民航职业学院，广东广州 510403;2.广州体育学院，广东广州 510500)

经过多年的发展，现代竞技体育已经发展到相当高的水平，运动成绩的提高难度越来越大。新的科技发展成为挖掘人体运动的潜能提供了一种新的可能性。各国在竞技体育上的较量在某种程度上也包含着科技的较量。在我国，同样面临着提高运动训练的科技含量，借助新的科学技术，帮助运动员提高运动成绩，从而提高我国整体的竞技体育水平。

如图1所示，传统训练模式教练员的示范讲解，运动员对自身完成动作的效果全凭感觉。在动训练过程中使用竞技运动视频的识别与比较系统，即将运动员完成运动的过程采集成视频，并对视频进行提取，分析，或者和高水平运动员或标准动作进行对比，使运动员通过频繁的视觉刺激，对自身的动作完成效果有了自观的视觉印象，加深对教练员讲解的理解。这就在运动员的训练系统中增加了一个视觉反馈回路，对运动训练来说，其效果将表现在运动员能够更加迅速理解掌握技术要领，提高训练水平就多了一个非常有效的途径。

图1 训练模式流程

目前，国内外有类似的一些运动图像软件，通过在运动员身上加装各种各样的传感器，通过传感器获取运动参数，然而传感器会对运动员技术动作造成影响，而且也只能局限在实验室里使用。另外，这些软件大都是从科研的角度编写的，获取的参数大都服务于科研人员，实时反馈能力不足，操作复杂，比较少直接提供给教练员运动员使用的软件。

本文进行的尝试是，把训练中运动员的动作和过程用摄像机拍摄下来，在试验中采用的是定点摄取跳远运动员的从助跑到起跳的过程，通过视频的数字处理提取出运动目标，去除运动场背景的影响，可以通过逐帧播放或选定速率播放，以便运动员和教练员可以对每一个动作的细节和效果进行分析，弥补人眼观察能力的不足的问题。本文系统还提供另一功能，可以将运动员的采集下来的运动视频与高水平运动员的相同动作的视频或标准运动视频进行本人同屏播放比较，可以让运动员直观地了解自己的动作存在的问题，找出差距，明确改进方向并进行针对性训练改正。另外，系统具有视频及提取的运动目标的存储功能，也可以与运动员本身以往的运动视频进行比较，让运动员看到自己动作的改进及所取得的进步。教练员可以在训练结束后，对视频及提取的目标或合成比较的结果进行反复观看指导，对运动员运动动作的技术概念的掌握情况进行纵向分析，为运动员缩短训练时间，提高训练效果并为运动成绩取得突破性效果提供可能性。

竞技运动视频的识别与比较系统既可以独立承担运动视频数据的采集、存储、提取运动目标和输出，也可以集成到计算机辅助训练系统当中。在运动训练的现场当场采集运动视频，提取出运动目标，给教练员和运动员提供即时反馈，也可以在训练场外作为视频数据库或者历史数据分析工具。竞技运动视频的识别与比较系统的研究，目的有两个:1)传统基于教练员肉眼观察的方法向基于精确视频采集与运动目标的分析提取的人体运动视频观察方法的转变;2)基于教练员主观经验的训练方法向“科学化、客观化”的训练方法的转变。

竞技运动视频图像的识别与比较是一种基于视频运动目标分割与提取、运动目标视频合成与比较的运动目标分析技术，通过实际训练体态或动作与标准体态或动作的比较，达到科学的运动分析与诊断的目的。

1 竞技运动视频的识别与比较系统

1.1 硬件部分

1.1.1 DV数码摄像机。数码摄像机进行工作的基本原理简单的说就是光－电－数字信号的转变与传输。即通过感光元件将光信号转变成电流，再将模拟电信号转变成数字信号，由专门的芯片进行处理和过滤后得到的信息还原出来就是我们看到的动态画面。事实上一个动态的视频图像是由数个静止的连贯的图片按一定时间速度播放出来的，数码摄像机就是能够以较高的频率记录一个动态的视频图像。一般摄像机DV能达到100帧每秒，手机30帧每秒，而高速摄像机一般可以每秒1000～10000帧的速度记录。但实际应用当中，并非速度越快越好，高速是以牺牲每帧图像的像素为代价的，除非有一个超大的存储设备。本系统对于摄像机的速度没有特别的要求，能够使用高速摄像，则所采集到的视频可以在细节上分析的更为清楚，并可以进一步的分析处理，普通的数码摄像机一样可以适应本系统的要求。

1.1.2 计算机(要求内存至少512M，装备Windows XP操作系统及1394视频采集卡)。视频采集卡是将数码摄像机输出的视频信号数据输入计算机，并转换成计算机可辨别的二进制数字数据，存储在计算机中，成为可编辑处理的视频数据文件。另外计算机是软件的载体。它分析来自数码摄像机的视频，向摄像机和发送控制指令和采集指令。采集完成之后计算机对动作视频进行分析处理，得到运动视频的比较结果并发送给显示设备。

1.1.3 IEEE1394接口。IEEE1394接口也称 Firewire火线接口，连接电脑里装的视频采集卡。它的特点是传输速度快，现在确定为400Mb/s，以后可望提高到800Mb/s、1.6Gb/s、3.2Gb/s。所以传送数字图像信号也不会有问题。用电缆传送的距离现在是4.5m，进一步要扩展到50m。目前，在实际应用中，当使用IEEE 1394电缆时，其传输距离可以达到30m;在2000年春季正式通过的IEEE 1394－2000中，最大数据传输速率可达到1.6Gb/s，相邻设备之间连接电缆的最大长度可扩展到100m。本系统中，由数码摄像机采集的视频信号产生大量的数据，1394能够处理实时的高速数据传输，向计算机传输更多的数据，进行基于主机的处理。

图2 1394接口

1.1.4 显示设备。显示设备接受计算机发送来的处理结果，并以可视化的形式反馈给系统使用者。

图3 硬件总体结构

1.2 系统的实现框架

本文以定点采集的跳远运动视频为研究对象，实现了视频中运动目标的检测、分割和提取，并对提取的运动目标进行合成与比较。这些功能都是借助于VC++6.0平台在Windows XP系统下研究和实现的。

图4 系统的实现框架

1.3 系统的主要模块

1.3.1 视频序列的读入

1.3.2 通过系统的“文件”菜单下的“录制新视频”命令，直接读入由摄像机传送过来的视频序列并转换成图像帧系列并由“保存”命令将其存储在磁盘中。目前此功能的实现主要借助现有的视频编辑软件Premiere完成。标准运动动作的视频及待比较视频均可能过此功能读入，但在保存时必须指明对象。

1.3.3 提取运动目标

1.3.4 系统的“提取”菜单下有“运动背景”、“标准运动目标”及“比较运动目标”三个功能模块。其中运动背景是采用统计方法进行恢复的，而运动目标的获取则是运用基于时间和空间相关性的检测与分割算法。

1.3.5 竞技运动视频的合成与比较:

1.3.6 此功能由系统中的“播放方式”菜单来完成。将获取的运动目标和标准运动目标视频合成在一起，使标准动作目标与运动员的动作目标进行“重叠”对比，也可以在同一屏幕上将两个运动目标进行同步播放，就可以较准确地确定两次运动过程的动作差异，可以直观清晰地对比不同运动目标的技术动作。

1.4 结果

本实验采用的是固定摄像机位置后拍摄的两段不同运动员的跳远视频。为了提高系统的适用范围，本实验采用的是专业级的数码摄像机而非高速摄像机。通过实验系统将两个不同的运动目标提取出来并进行合成和比较。提取出来的运动目标是二值化的图像帧序列，故合成比较的结果也是二值化的图像序列。

图5(a)是合成后的视频输出。

图5(b)是同步视频输出。

图5 视频合成与比较

2 结论

目前，视频图像处理在体育科学化训练中的应用还不够广泛，目前计算机和便携式录像采集性价比的提高为硬件的实现提供了有利条件，图像处理系统的发展和应用需要跟上时代的步伐。要在运动训练现场做到运动视频目标的及时反馈，开发出功能强大、操作简单的视频图像处理系统软件。竞技运动视频的分析与反馈是一项大的科学研究，本文只是完成了其中一小部分的工作，还有许多值得研究的问题。随着计算机技术及视频处理技术的提高，竞技运动视频图像的分析处理技术作为最有效和直观的科学辅助手段训练，将会得到更好的发展和广泛的应用。

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