基于数字图像处理的乒乓球裁判辅助系统

摘要

随着计算机视觉技术和图像处理技术的飞速发展，视频跟踪技术在国防、工业生产以及体育等各个领域有着越来越广泛的应用。
　　传统的乒乓球裁判主要是依靠人为裁判来进行判断，由于人眼的视觉暂留特性，其分辨事物的最高频率为24HZ，即反应一次需要0.042s。因此，当乒乓球高速（可达17m/s）运行时，留给裁判员的有效反应时间仅有0.16s，这样裁判员只能捕获到4～5帧的有效轨迹信息，进而做出误判的可能性较大。而本文采用的摄像机的最大帧速率为60fps，是人眼反应速度的2.5倍，可以获得更多的轨迹信息，进而能够有效提高裁判的正确性和公平性。
　　本文针对乒乓球比赛的特点，对乒乓球裁判系统中涉及的主要技术进行分析，重点研究了乒乓球的运动检测、目标定位、轨迹预测和裁判算法等内容。
　　本文在阅读大量参考文献的基础上，通过对乒乓球裁判规则的研究，分析并设计了基于数字图像处理的乒乓球裁判辅助系统。本设计在结构上可分为数字图像处理和专家裁判决策两大部分。数字图像处理部分的主要内容有:采用张氏标定法对摄像机进行标定，分别获取两个摄像机的内外参数，进而求得乒乓球的三维坐标;检测运动目标时，使用背景差分法，并结合及时更新背景图像的方法，提高了检测精度;将背景差分法与目标的颜色和形状特征相结合，运用形态学运算去除噪声，实现了对乒乓球的识别，并通过实验证明了该方法识别的有效性;通过建立乒乓球的自由飞行上升段模型、自由飞行下降段模型和与桌面碰撞模型，利用Kalman滤波器对运动轨迹进行跟踪预测，预测结果既可以减小乒乓球识别的搜索范围，还可以为乒乓球运动轨迹特征的分析提供依据;为了得到更为光滑的三维曲线，采用插值法对数据进行了平滑处理。专家裁判决策部分利用专家系统理论进行设计，以乒乓球轨迹特征为输入，采用有限自动机知识对乒乓球裁判规则进行建模，并通过Stateflow对所建模型进行正确性验证。
　　论文最后总结了所取得的成果，并指出了一些不足之处，为以后的进一步研究提供了一些思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 国内外研究情况

1．1．2 课题研究的意义

1．2 计算机视觉的发展

1．3 系统关键技术

1．4 本文的主要研究工作和结构安排

第2章 乒乓球裁判辅助系统的设计

2．1 乒乓球裁判辅助系统分析

2．2 系统总体方案设计

2．3 系统硬件方案设计

2．4 系统软件方案设计

2．5 本章小结

第3章 乒乓球的二维检测与三维质心定位

3．1 摄像机标定

3．1．1 成像模型三个坐标系

3．1．2 摄像机针孔成像模型

3．1．3 摄像头镜头的畸变

3．1．4 目标三维信息获取

3．1．5 实验结果

3．2 场地标定

3．3 乒乓球的运动检测

3．3．1 现有的运动检测方法

3．3．2 基于背景差分法的运动目标检测

3．3．3 实验结果

3．4 图像分割

3．4．1 图像代数运算与差分图像

3．4．2 噪声处理

3．4．3 区域边界提取

3．4．4 连通成分标记

3．4．5 实验结果

3．5 基于颜色和形状特征的乒乓球识别

3．5．1 颜色空间选择

3．5．2 RGB向量空间彩色分割

3．5．3 颜色特征的建立

3．5．4 形状特征的建立

3．5．5 目标识别流程

3．5．6 实验结果

3．6 本章小结

第4章 乒乓球轨迹预测和生成

4．1 乒乓球运动分析

4．1．1 乒乓球运动受力分析

4．1．2 乒乓球运动特点

4．2 乒乓球轨迹预测

4．2．1 卡尔曼预测原理

4．2．2 状态模型

4．2．3 卡尔曼预测方法

4．2．4 参数整定

4．2．5 实验结果

4．3 乒乓球轨迹生成

4．3．1 数据插值

4．3．2 实验结果

4．4 本章小结

第5章 乒乓球专家裁判算法研究

5．1 专家系统概述

5．2 专家系统的相关知识详述

5．2．1 知识表示

5．2．2 推理机制

5．3 基本设计思路

5．4 专家裁判系统的设计

5．4．1 基于自动机的规则库(知识库)设计

5．4．2 推理机

5．4．3 轨迹特征获取

5．4．4 人机接口模块(状态同步模块)

5．5 基于Matlab／Stateflow的裁判系统仿真

5．5．1 单打裁判规则模型的搭建

5．5．2 单打裁判规则的仿真与分析

5．5．3 双打裁判规则模型的搭建

5．5．4 双打裁判规则的仿真与分析

5．6 本章小结

第6章 乒乓球裁判辅助系统的实现

6．1 系统硬件实现

6．2 系统软件流程及界面结果

6．2．1 系统软件流程

6．2．2 系统人机交互界面

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢