乒乓球自动计分器运动目标检测与估计算法研究

摘要

在国内外体育比赛的裁判中，经常发生误判的争议，被誉为“国球”的乒乓球也不例外。目前的裁判主要依靠人工进行裁判，费时费力，并且经常会发生误判的争议。一方面，人工判决费时费力，体育裁判智能化也是当今电子体育发展的一个趋势。另一方面，由于乒乓球运动非常快，速度可以达到17 m/s，擦边和擦网只是一个瞬间的过程，而人的视觉具有暂留现象，分辨事物的最高频率为24 Hz，即反应一次至少需要0.042 s，经常难以分辨一些瞬间细微的差别。因此，仅仅依靠人工判决难以保证裁判的准确性，通常需要更详实的数据依据进行裁判。所以将乒乓球裁判融入科技，提高裁判计分的科技含量，为比赛结果的裁判与分析提供有价值的参考依据，使得采集的数据更加可靠和科学，已经是当今迫切需要研究的课题。在当前球类运动自动裁判的研究方面存在着设备花费高昂、处理数据庞大、实时性差等问题。本文从乒乓球自动计分器中的关键问题出发，根据乒乓球运动的特点，设计了一种高性能、高效率的运动目标检测算法与运动估计算法。
　　在运动目标检测方面，针对乒乓球体积小、运动速度快和乒乓球自动计分器系统实时性要求高的特点，设计了高效率的运动目标检测算法，设置了合理的检测条件，完整提取出乒乓球运动目标并进行标记，达到了准确、直观的检测效果。
　　在运动估计方面，从乒乓球的运动机理出发展开研究，设计了实时性强、正确率高的运动估计算法，解决了图像中运动目标位置信息缺失的问题。仿真结果显示运动估计误差小于3.2 cm，与乒乓球的直径4.0 cm相比较，该算法为精确的裁判提供了可靠的数据依据。此外，为探究目前处于感官认知阶段的马格努斯力对运动轨迹影响的分析，对旋转乒乓球建模，模型求解，算法设计，克服了旋转乒乓球的运动估计停留在感官认识阶段的难题，为后续旋转乒乓球的运动估计的研究提供了重要的理论依据。
　　针对视频序列中存在着运动目标大量缺失的问题，提出了有效的处理方法。对乒乓球复杂的运动机理建模，建立微分方程并求解，获取缺失的运动目标速度和位移信息。仿真分析结果表明，运动目标缺失处理误差小于4 cm，与乒乓球台的尺寸和运动目标的直径相比较，误差较小，并且得到的目标信息的运动趋势与实际运动趋势保持一致，该结论证明了理论推导的正确性和该方法的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 现阶段研究工作存在的问题与不足

1.4 本文主要内容和结构安排

第2章 运动目标检测与估计基本理论

2.1 引 言

2.2 运动目标信息获取及场地标定

2.3 运动目标检测与估计理论

2.4本章小结

第3章 运动目标检测及运动估计算法实现

3.1引 言

3.2 乒乓球运动目标检测

3.3 运动目标检测结果及分析

3.4 运动估计模型建立

3.5 卡尔曼滤波预测

3.6 旋转乒乓球的非线性估计

3.7 本章小结

第4章 乒乓球目标图像信息缺失处理

4.1 引 言

4.2 乒乓球飞行机理建模

4.3 视频序列中运动目标缺失处理

4.4 封顶运动目标缺失处理及结果分析

4.5 谷底运动目标缺失处理及结果分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢