一种足球运动轨迹实时监测系统

摘要

本发明公开了一种足球运动轨迹实时监测系统，该系统主要包含以下模块：传感器模块、视频采集模块以及信号处理模块。其中传感器模块包含加速度计芯片和蓝牙芯片且内置在足球中，视频采集模块包含至少两个摄像头机位。系统工作步骤如下：（1）对相机进行标定，获取相机内外参数；（2）利用三角测量法定位初始开球位置；（3）使用坐标转换算法，将加速度传感器数据转换到球场坐标系中；（4）使用积分算法处理传感器数据，计算足球当前所处位置；（5）使用卡尔曼滤波算法，对数据进行进一步处理，得到更精确的足球定位；（6）校准传感器数据时间和视频信号时间。本发明方法定位精度高，运动员无需穿戴设备，便于大规模推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于信息感知及计算机技术领域，特别涉及足球运动轨迹实时监测技术。

背景技术

足球是一项备受青少年追捧的运动项目，也是世界上公认的第一大运动，可以很好地起到强健体魄的作用;不仅仅是青少年，对于步入社会工作的人群，每天要承受巨大的工作压力，而这种压力如果无法得到很好的释放，会进一步影响整个人的精神状态，形成一种恶性循环，而足球运动则可以很好的缓解这种压力，当人们放下所有负担，在绿茵场上与球友们进行一场酣畅淋漓的比赛，可以极大地放松心情，同时起到锻炼身体的作用;

目前在足球训练中，时常会使用各种设备对运动员的表现进行分析，参与足球运动的人也时常会佩戴如运动手环等设备，查看自己的表现。但目前的设备所获取的信息单一，大多集中于用户的跑动距离、心率等信息，而无法获取用户在足球场上的动作;有了足球的实时定位，就可以将它与各运动员的实时定位结合起来，从而自动识别发球、接球及射球的球员，也即获取各运动员的发球、接球及射球等动作信息（我们可以根据各运动员与足球的相对位置以及足球的运动轨迹来进行判断），所以本发明公开了一种足球运动轨迹实时监测系统，该系统通过使用内置有加速度计的足球，借助视频信息和加速度信息计算出足球的在球场中的位置，提升了足球定位的精度。定位精度高且使用方便，运动员无需穿戴任何设备，便于大规模推广使用。

发明内容

本发明提出了一种足球运动轨迹实时监测系统，使用了加速度计来计算足球所在位置，并借助多相机视频对误差进行校正，提升了足球定位的精度，定位精度高且使用方便，便于大规模推广使用;本发明公开了一种足球运动轨迹实时监测系统，该系统主要包含以下模块：传感器模块、视频采集模块以及信号处理模块;其中传感器模块包含加速度计芯片和蓝牙芯片且内置在足球中，视频采集模块需包含至少两个固定机位的摄像头机位，信号处理模块同时处理视频数据以及传感器数据，并对时间进行校准;

进一步地，传感器模块包含加速度计芯片和蓝牙芯片;

进一步地，传感器模块内置在足球中;

进一步地，视频采集模块需包含至少两个固定的摄像头机位;

进一步地，该系统包含以下步骤：

（1）对视频采集模块中的固定机位摄像头进行标定，获得相机的内外参数；

（2）利用三角测量法定位初始开球位置；

（3）使用坐标转换算法，对获取的加速度传感器数据进行坐标转换，转换到球场坐标系中；

（4）使用积分算法处理传感器数据，计算足球当前所处位置；

（5）使用卡尔曼滤波算法，对数据进行进一步处理，得到更精确的足球定位；

（6）校准传感器数据时间和视频信号时间，在视频信号中判断足球从空中接触地面时的位置并借助拟合的球场平面加以确认，然后根据三角测量法定位其在球场坐标系中的位置，对传感器数据得到的误差进行校正;

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

1、本发明的使用场景十分广泛，可以应用于各类场景，如：足球、篮球等各种运动场景;

2、本发明使用加速度计加视频校正的方法，得到的足球定位更加精确且快速;

3、本发明无须运动员穿戴有任何设备，不会影响运动员的运动表现，便于使用，可以大规模推广。

附图说明

图1 是本发明整体模块示意图，1是传感器模块，内置在足球中；2是视频采集模块，包含多个摄像头，覆盖这个足球场地；3是信号处理模块，接受传感器模块以及视频采集模块传回的数据;

图2 是本发明所使用的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明：

如图1所示，本发明公开了一种足球运动轨迹实时监测系统，该系统主要包含以下模块：传感器模块、视频采集模块以及信号处理模块；其中传感器模块包含加速度计芯片和蓝牙芯片且内置在足球中，视频采集模块需包含至少两个固定机位的摄像头机位，信号处理模块同时处理视频数据以及传感器数据，并对时间进行校准；

如图2所示，是本发明算法流程示意图，具体处理步骤如下：

（1）对视频采集模块中的固定机位摄像头进行标定，获得相机的内外参数；

（2）利用三角测量法定位初始开球位置；

（3）使用坐标转换算法，对获取的加速度传感器数据进行坐标转换，转换到球场坐标系中；

（4）使用积分算法处理传感器数据，计算足球当前所处位置；

（5）使用卡尔曼滤波算法，对数据进行进一步处理，得到更精确的足球定位；

（6）校准传感器数据时间和视频信号时间，在视频信号中判断足球从空中接触地面时的位置并借助拟合的球场平面加以确认，然后根据三角测量法定位其在球场坐标系中的位置，对传感器数据得到的误差进行校正；

本发明具体实施实例如下：

本发明公开了一种足球运动轨迹实时监测系统，该系统主要包含以下模块：传感器模块、视频采集模块以及信号处理模块，可以应用于各类场景，如：足球、篮球等各类运动场景；

这里以足球场景作为示例，

首先，对视频采集模块所使用的固定相机进行标定，计算出相机的内外参数；

其次，在视频中标记处足球的初始位置，并使用三角测量法计算出其在足球场地坐标系下的位置坐标，对球场平面进行抽样取点，通过采集抽样点的三维坐标来拟合球场平面方程；

然后，使用坐标转换算法将加速度计采集到的数据进行坐标转换，转换到足球场地坐标系下；

接下来，使用积分算法处理传感器数据，并计算出足球当前所处的位置；

下一步，使用卡尔曼滤波算法对数据进行进一步处理，得到更加精确的足球定位；

最后，校正传感器时间和视频信号时间，在视频信号中判断足球从空中接触地面时的位置，并根据三角测量法定位其在球场坐标系中的位置，设定距离阈值，计算该位置到球场平面方程的距离来检查足球接触地面位置的准确性，对传感器数据得到的误差进行校正，这样我们借助视频信号对传感器端积累的误差进行修正，使得整场比赛的足球定位更加精确；

本方法使用了加速度计来计算足球所在位置，并借助视频对误差进行校正，提升了足球定位的精度，定位精度高且使用方便，运动员无需穿戴任何设备，便于大规模推广使用，后续可以基于运动员位置、足球位置以及足球的运动轨迹，判断运动员的动作，具有很好的实用价值；

以上实施方式只是对本发明专利的优选实施进行例行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。