一种乒乓球运动智能记分系统和记分方法

摘要

本申请公开了一种乒乓球运动智能记分系统和记分方法，该系统包括高速相机、采集卡、采集卡驱动和记分模块，所述采集卡和采集卡驱动用以将高速相机获取的固定帧率的实时图像信息输出至记分模块，所述记分模块识别乒乓球运动方向以及运动状态以判断本局是否结束并进行记分，所述运动状态包括是否打在桌面上、是否打在网上、是否出界、运动员是否接球、以及是否顺利过网。借助于本发明的上述技术方案，可以比较准确的实现乒乓球实时判断每局输赢并记录当前比分结果。

说明书

技术领域

本申请涉及一种乒乓球运动智能记分系统和记分方法。

背景技术

乒乓球运动是人民群众广泛喜爱的一类运动，目前打球过程中或者需要第三方做裁判并负责记分或者需要打球双方自行记住当前比分。对于很多群众性质的业余乒乓球活动，打球者不会也没必要去找一个专门的裁判，而是每局都由自身判断输赢，并记住当前比分结果。但这样的话，会造成打球者不能专心投入比赛，而且随着运动的延长，打球双方有可能因为混淆比分而产生争执。因此在群众性乒乓球活动中需要一种设备和方法，能够不需要任何人为干预并能自动判断每局的输赢，并记录历史比分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种乒乓球运动智能记分系统和记分方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种乒乓球运动智能记分系统，包括高速相机、采集卡、采集卡驱动和记分模块，所述采集卡和采集卡驱动用以将高速相机获取的固定帧率的实时图像信息输出至记分模块，所述记分模块识别乒乓球运动方向以及运动状态以判断本局是否结束并进行记分，所述运动状态包括是否打在桌面上、是否打在网上、是否出界、运动员是否接球、以及是否顺利过网。

优选的，在上述的乒乓球运动智能记分系统中，所述记分模块包括分别判断球左右运动过程中是否打在桌面上、是否打在网上、是否出界、是否顺 利过网、是否在对方桌面顺利反弹、对方是否接球、对方是否接到球、以及对方是否将球打回的子模块。

本申请还公开了一种乒乓球运动智能记分系统的记分方法，将乒乓球桌所在竖直空间划分为D1区、D2区、D3区和D4区，所述D3区和D4区分别位于所述D2区的左右两侧，所述D2区位于所述球桌的中间位置，所述D1区位于所述D3区和D4区之间且位于所述D2区的左右两侧，所述D1区包括分别位于所述D2区左右两侧的D1_L区和D1_R区，所述记分方法包括步骤：

步骤401，在D1区内对图像帧间差分，然后阈值化，进入步骤402；

步骤402，检测并获取D1_L和D1_R内的前景区域，有前景则进入步骤403，反之退到步骤401；

步骤403，根据上一步前景的位置，建立球的运动窗口，进入步骤404；

步骤404，在运动窗口内对输入图像进行帧间差分，然后进入步骤405；

步骤405，如果运动窗口中只有球，则直接遍历运动窗口计算球的上下左右坐标；如果运动窗口中出现球拍或人体的干扰，则只遍历运动窗口中靠近球的那部分区域来计算球的上下左右坐标，然后进入步骤406；

步骤406，判断球第一次出现时是位于D1_L还是D1_R；第一次出现在D1_L则进入步骤408，反之进入步骤407，在过程步骤407或步骤408中完成本局输赢的判断，然后进入步骤409；

步骤407，球从右向左运动，执行如下步骤判断：

Stage4，判断球是否打在右侧桌面上，若打到了则结束本局；判断球是否打在网上，若打到了则结束本局；判断球是否右侧出界，若出界了则结束本局；判断球是否顺利过网，若顺利过网则进入stage5，

Stage5中，判断球是否在左侧出界，若出界了则结束本局；判断球是否在左侧顺利反弹，若顺利反弹则进入stage6，

Stage6中，判断对方是否接球，若没接，球会多次弹跳，则结束本局；判断对方是否接到球，若没接中球则结束本局；判断对方是否把球打回，成功打回则进入步骤408中的stage1；

步骤408，球从左向右运动，执行如下步骤判断：

Stage1，判断球是否打在左侧桌面上，若打到了则结束本局；判断球是否 打在网上，若打到了则结束本局；判断球是否左侧出界，若出界了则结束本局；判断球是否顺利过网，若顺利过网则进入stage2，

stage2中，判断球是否在右侧出界，若出界了则结束本局；判断球是否在右侧顺利反弹，若顺利反弹则进入stage3，

stage3中，判断对方是否接球，若没接，球会多次弹跳，则结束本局；判断对方是否接到球，若没接中球则结束本局；判断对方是否把球打回，成功打回则进入步骤407中的stage4；

步骤409，根据当前帧窗口中的某个前景点来更新下一帧运动窗口的中心，具体地，stage1中，以当前帧窗口中最右侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心；stage2和stage3中，若球拍未进入窗口，以当前帧窗口中最右侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心，若球拍进入窗口，以当前帧窗口中最左侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心，Stage4至stage6的窗口更新方式和stage1至stage3相反。

优选的，在上述的乒乓球运动智能记分系统的记分方法中，所述步骤403中，球的运动窗口为随球的运动而移动的矩形图像区域。

进一步地，球的运动窗口定义为：以球为中心，宽*高为8·d_球×10·d_球的矩形图像区域，其中d_球为图像中的乒乓球的直径像素数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：借助于本发明的上述技术方案，可以比较准确的实现乒乓球实时判断每局输赢并记录当前比分结果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中相机与球桌之间的相对位置图；

图2所示为本发明具体实施例中乒乓球运动智能记分系统的原理示意图；

图3所示为本发明具体实施例中乒乓球运动智能记分方法的原理示意图；

图4所示为本发明具体实施例中乒乓球运动智能记分方法的算法流程图；

图5所示为本发明具体实施例中乒乓球运动智能记分系统中各子模块的工作流程图；

图6所示为实际工作时球桌特定区域位置的划分示意图；

图7所示为本发明实施例中应用程序工作时的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明实施例提供一种基于高速相机的乒乓球运动智能记分系统的装置和方法。如图2，本发明实施例完整的系统包括高速相机、采集卡、采集卡驱动和记分应用程序(记分模块)四部分。具体工作时，如图1，首先在乒乓球桌侧面中央位置附近放置一台高速摄像机，通过采集卡及其上位机驱动获取高帧率的运动视频，最后由记分应用程序实时判断每局的输赢并记录当前比分结果。

高速相机、采集卡和采集卡驱动负责向上层记分应用程序提供固定帧率的实时视频。

下面引入前景运动窗口(move window)的定义。如图3所示，球的运动窗口定义为：以球为中心，宽x高约为8·d_球×10·d_球的并且随球的运动而移动的矩形图像区域。其中d_球为图像中的乒乓球的直径像素数。

定义并在图像中建立了运动窗口后，之后的图像差分及位置坐标提取等图像处理方法只需在此窗口内进行计算，从而大大降低计算量，方便实现图像实时处理。另外，乒乓球拍一旦进入运动窗口，说明球拍准备击球，可借此记录球当前所在位置，之后若干帧内等待球是否再次越过此位置，从而判 断对方是否成功把球打回去。具体来说，当对方接到球时，窗口内的前景必然会越过之前所记录位置；若对方没接到球，运动窗口的更新算法可保证运动窗口停留在人体区域处，从而窗口内的前景不会越过之前所记录位置，从而判断出输赢。

记分应用程序通过实时分析球相对于球桌的位置变化来判断每局的输赢。具体地，以图6中的乒乓球桌所示，首先在图像中划出4个区域，D1区：发球判断区、D2区：过网判断区、D3区：左侧反弹区、D4区：右侧反弹区。其中，D1区分为D1_L和D1_R。基于opencv，程序先对输入图像进行帧间差分，获取运动前景，再按照图3的流程，在运动窗口中实时判断前景的大小及位置变化来判定每局的输赢。

具体地，当球首次进入发球判断区(D1区)后，根据进入的是D1_L还是D1_R判断发球方；此时当前局正式开始。然后球进入过网区(D2区)。10帧之内(经验值，实际视具体情况而定)球要么跑出过网区，要么撞网；然后球进入反弹区(D3或D4区)，10帧之内要么球跑出反弹区，要么球出界；然后等待对方把球打回，此时有2种情况：球被打回、对方没打中。当运动窗口内前景的大小超过某一阈值时，认为此时球拍足够靠近球，记录球所在位置。20帧(经验值，实际视具体情况而定)以内，如果球第二次越过记录的位置，则球被打回，否则对方没打中。然后，球再次进入过网区、反弹区，直至再次被打回。开局后，除非判断出当前局输赢否则按上述流程反复下去。

图3是记分算法原理图。图中，乒乓球记分算法分为6个阶段，分别对应图3中的stage1～stage6。

stage1表示从左侧把球击回，直至球刚好穿过网所在的区域的过程。具体地，在此阶段，有四种情况(图5)。情况一：球打到了左侧桌面上；情况二：球打到网上；情况三：球在侧边出界；情况四：球顺利过网。情况一的判断方式为当球过网之前，纵坐标进入了D3区；情况二的判断方式为从球刚进入D2区开始，之后10帧之内球没有穿过D2区；情况三的判断方式为当球过网之前，纵坐标进入了D3区，10帧之内没有反弹或者球的纵坐标低于球桌高度或者球被球桌遮挡而变得很小；情况四的判断方式为从球刚进入D2区开始，之后10帧之内球穿过了D2区。情况一到情况三发生则本局结束，情况 四发生则stage1阶段结束，进入stage2阶段。

stage2表示球从左侧过网后，直至球刚好在D4区反弹的过程。具体地，在此阶段，有二种情况(图5)。情况一：球在右侧出界；情况二：球在右侧顺利反弹。情况一的判断方式为当球完成反弹之前，球的纵坐标低于球桌高度或者球被球桌遮挡而变得很小或者球横坐标超过球桌最右侧；情况二的判断方式为从球刚进入D4区开始，之后15帧之内球位于D4区之上。情况一发生则本局结束，情况二发生则stage2阶段结束，进入stage3阶段。

stage3表示球在右侧刚完成反弹后，直至球刚被对方打回的过程。具体地，在此阶段，有三种情况(图5)。情况一：对方没接；情况二：对方没接中；情况三：对方顺利把球打回。情况一的判断方式为球进入D4区；对于情况二和情况三，记下球拍进入运动窗口时(通过运动窗口前景的范围大小判断)球所在位置，之后20帧以内球没有再次越过此位置则认为发生情况二否则认为发生情况三。

Stage4至stage6的过程和stage1至stage3的过程类似，不再赘述。

图4是乒乓球记分算法流程图。

具体地，步骤401中，在D1区内对图像帧间差分，然后阈值化，进入步骤402；

步骤402中，检测并获取D1_L和D1_R内的前景区域。有前景则进入步骤403；反之退到步骤401；

步骤403中，根据上一步前景的位置，建立球的运动窗口。进入步骤404；

步骤404中，在运动窗口内对输入图像进行帧间差分，然后进入步骤405；

步骤405中，如果运动窗口中只有球，则直接遍历运动窗口计算球的上下左右坐标；如果运动窗口中出现球拍或人体的干扰，则只遍历运动窗口中靠近球的那部分区域来计算球的上下左右坐标。然后进入步骤406；

步骤406中，判断球第一次出现时是位于D1_L还是D1_R；第一次出现在D1_L则进入步骤408(调用过程A)，反之进入步骤407(调用过程B)。过程A的流程如图3所示。过程B和过程A类似。最终在过程A或B中完成本局输赢的判断，然后进入步骤409；

步骤409中，根据当前帧窗口中的某个前景点来更新下一帧运动窗口的 中心。具体地，stage1中，以当前帧窗口中最右侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心；stage2和stage3中，若球拍未进入窗口，以当前帧窗口中最右侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心，若球拍进入窗口，以当前帧窗口中最左侧前景点的坐标作为下一帧窗口的中心。Stage4至stage6的窗口更新方式和stage1至stage3相反，不再赘述。

图5是子函数A中不同处理阶段及其内部子模块的示意图。如图所示，每一个stage都对应若干子模块。

具体地，stage1中，模块501完成球是否打在左侧桌面上的判断，若打到了则结束本局；模块502完成球是否打在网上的判断，若打到了则结束本局；模块503完成球是否左侧出界的判断，若出界了则结束本局；模块503完成球是否顺利过网的判断，若顺利过网则进入stage2。

stage2中，模块505完成球是否在右侧出界的判断，若出界了则结束本局；模块506完成球是否在右侧顺利反弹的判断，若顺利反弹则进入stage3。

stage3中，模块507完成对方是否接球的判断，若没接，球会多次弹跳，则结束本局；模块508完成对方是否接到球的判断，若没接中球则结束本局；模块508完成对方是否把球打回的判断，成功打回则进入stage4；

Stage4至stage6内部的子模块和stage1至stage3内部的子模块类似，不再赘述。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。