王偉定+武文梁+梁雪梅+岑祚意

摘 要 利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙目視覺測(cè)量建立三維空間信息與二維平面信息之間的映射的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得出三維空間的具體位置，得出的誤差相對(duì)較小，可以通過計(jì)算得出網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作時(shí)，手肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度，通過和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)球動(dòng)作時(shí)的彎曲角度對(duì)比，可以為運(yùn)動(dòng)員在發(fā)球訓(xùn)練時(shí)做出指導(dǎo)，以提高發(fā)球質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】雙目 視覺測(cè)量 位置 角度

通過機(jī)器視覺來獲取三維立體的信息，攝像機(jī)標(biāo)定則是視覺系統(tǒng)的重要組成部分。攝像機(jī)標(biāo)定的目的在于建立像平面上的二維坐標(biāo)與其相應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)之問的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙目視覺測(cè)量方法來對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球動(dòng)作進(jìn)行測(cè)量，研究運(yùn)動(dòng)員網(wǎng)球在發(fā)球時(shí)的空間位置和通過測(cè)量手肘和膝關(guān)節(jié)的彎曲角度。

1 雙目視覺攝像機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)定方法和標(biāo)定點(diǎn)的選取

對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球標(biāo)定點(diǎn)的選取：

用兩臺(tái)CCD攝像機(jī)構(gòu)成三維的測(cè)量系統(tǒng)，每臺(tái)攝像機(jī)單獨(dú)對(duì)準(zhǔn)一張標(biāo)定板，對(duì)需要測(cè)量的物體，通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的位置。

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員在發(fā)球時(shí)，身體每個(gè)部位的協(xié)調(diào)都很關(guān)鍵，無論是哪個(gè)部位的動(dòng)作達(dá)不到要求，都會(huì)影響發(fā)球的質(zhì)量。根據(jù)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作的分解，有利于機(jī)器視覺的檢測(cè)和標(biāo)定，選取了圖片中帶有標(biāo)志的手腕、肘、肩、和膝蓋作為標(biāo)定點(diǎn)。

2 攝像機(jī)的標(biāo)定

2.1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙目視覺攝像機(jī)標(biāo)定

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為標(biāo)定樣本的圖像像素坐標(biāo)，輸出為其對(duì)應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo)（x，y），為網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。通過雙目攝像機(jī)采集的圖像，選取得出的用來搭建訓(xùn)練模型的，數(shù)據(jù)如表1。通過對(duì)標(biāo)定的部分取幾何中心的像素坐標(biāo)作為坐標(biāo)。

2.2 標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)的采集

標(biāo)定板如圖1所示標(biāo)定板中，每格小正方形的實(shí)際邊長為50mm。

在標(biāo)定板上建立好二維坐標(biāo)后，對(duì)攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行分割，圖像中只有標(biāo)定的部分人工測(cè)量運(yùn)動(dòng)員標(biāo)定點(diǎn)在標(biāo)定板上的坐標(biāo)為測(cè)量值，在計(jì)算機(jī)中運(yùn)用Matlab算出運(yùn)動(dòng)員標(biāo)定點(diǎn)在標(biāo)定板上的坐標(biāo)為計(jì)算值。主視標(biāo)定板、左視標(biāo)定板對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如表2。

3 網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球姿勢(shì)的判定

在實(shí)際的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球時(shí)，抓拍手臂的力度及彎曲角度，在發(fā)球中起了至關(guān)重要的作用，所以我們對(duì)手臂在發(fā)球過程中彎曲角度的變化來對(duì)發(fā)球姿勢(shì)的正確與否進(jìn)行判斷。

由表2中的數(shù)據(jù)我們得到標(biāo)定的關(guān)鍵部位在空間的坐標(biāo)位置，再通過選取左視圖對(duì)關(guān)鍵部位手腕、肘、肩這三點(diǎn)進(jìn)行夾角計(jì)算，因?yàn)樽笠晥D中更能清晰觀察到夾角的變化，按照發(fā)球過程中姿勢(shì)的變化順序列出夾角變化表如表3所示。

在實(shí)際網(wǎng)球比賽中，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員在發(fā)球過程中，運(yùn)動(dòng)員在擊球前球落在頭前的一瞬間，右肘的合適夾角為30-35度。通過這種測(cè)量方式對(duì)肘關(guān)節(jié)的夾角進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便對(duì)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球姿勢(shì)進(jìn)行判斷，從而對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球姿勢(shì)給出意見，幫助其對(duì)網(wǎng)球發(fā)球動(dòng)作的掌握。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)由CCD攝像機(jī)采集到的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作姿勢(shì)分解動(dòng)作，對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作姿勢(shì)的分解動(dòng)作圖中的標(biāo)定點(diǎn)的進(jìn)行提取，得到實(shí)際的坐標(biāo)，與標(biāo)定點(diǎn)在標(biāo)定板上投影的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行比較處理，得到p為x的相對(duì)誤差絕對(duì)值，q為y的相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表2及表4數(shù)據(jù)可以得出，用雙目立體視覺測(cè)量方法對(duì)網(wǎng)球發(fā)球動(dòng)作姿勢(shì)進(jìn)行研究可以得到網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員在發(fā)球過程中關(guān)鍵部位在空間的實(shí)際位置，我們可以建立一個(gè)以兩個(gè)攝像頭的鉛垂面相交線對(duì)地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系（x，y，z）主視圖的x即為空間坐標(biāo)系的x，左視圖的-x即為空間坐標(biāo)系的y，主、左視圖的y即為空間坐標(biāo)系的z，將表2中的數(shù)據(jù)放入空間坐標(biāo)系中，我們即可得到網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作關(guān)鍵部位的實(shí)際位置，我們從標(biāo)定點(diǎn)計(jì)算得出的夾角，我們便可得到網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球時(shí)的動(dòng)作位置，再將其與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比、判定，我們便可得知該運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球動(dòng)作姿勢(shì)的正確與否。

4.2 討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從以下方面對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙目立體視覺測(cè)量方法進(jìn)行討論：

（1）攝像機(jī)的參數(shù)定標(biāo)。固定好兩臺(tái)攝像機(jī)，在實(shí)驗(yàn)過程中不能再發(fā)生任何的移動(dòng)，同時(shí)采集不同角度和位置的投影圖像，選取攝像頭的縱垂面在標(biāo)定板上的投影作為y軸，以減小圖片畸變程度。

（2）標(biāo)定板二維坐標(biāo)的建立。從攝像頭做垂線于地面，垂直至標(biāo)定板的交點(diǎn)作為二維坐標(biāo)原點(diǎn)。原點(diǎn)的選取不嚴(yán)格，將會(huì)對(duì)人工讀取二維坐標(biāo)的位置，造成誤差。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：絕大多數(shù)相對(duì)誤差較小，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的精確度較高，使本實(shí)驗(yàn)更具有實(shí)用性。利用計(jì)算得出的標(biāo)定點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)，計(jì)算得出在發(fā)球過程中右肘的夾角變化，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員整個(gè)發(fā)球姿勢(shì)肘關(guān)節(jié)的夾角的監(jiān)測(cè)，通過這種方式將運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球姿勢(shì)與理論標(biāo)準(zhǔn)的夾角進(jìn)行對(duì)比、做出判斷，以便調(diào)整運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球動(dòng)作姿勢(shì)，提高發(fā)球的質(zhì)量。

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作者簡介

王偉定（1993-），男 ，壯族，廣西壯族自治區(qū)南寧市人。大學(xué)本科在讀。研究方向?yàn)橐曈X測(cè)量、圖像處理。

作者單位

廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)柳州市 545006