基于Lab VIEW平台的网球鹰眼系统的设计①

程瑞瑞

(商丘师范学院 河南商丘 476000)

基于Lab VIEW平台的网球鹰眼系统的设计①

程瑞瑞

(商丘师范学院 河南商丘 476000)

训练技术和运动器材的进步,对运动员突破训练极限起到了极大作用。在高水平赛事中,裁判肉眼观察很难满足比赛的公正性。为了对人眼识别中的盲区问题进行补充,可以引入基于Lab VIEW平台的网球鹰眼系统的设计。该文针对鹰眼技术、摄像机标定、目标的二维检测与跟踪、基于多视角的三维重建和Lab VIEW可视化界面的性能判定进行具体的分析,并通过仿真证明了该文方法的有效性。

Lab VIEW平台 量子粒子群优化算法 仿真

鹰眼技术作为现代科学技术的产物，能够针对网球的运动轨迹进行跟踪记录，通过回放系统和一系列的数据采集和合成技术，将网球的运动过程直观而清晰的展现在眼前。这样做，能够给观众带来多视角的观感和视觉体验，同时对于网球运动的公正性，也有了极大的提升。

1 鹰眼系统

鹰眼系统的最大优势在于突破肉眼的视觉极限和盲区，使得观众能够从多角度进行网球比赛的观看，同时由于对于网球轨迹的精确捕捉，使得裁判在进行判罚时更加具有客观依据，提高了赛事的公正性。鹰眼技术对数据的精度要求较高，需要对赛场进行分割，分割精度可达到毫米级，然后在赛场周围布置8～10台摄像机，对于赛场的各个角度进行密切的捕捉与精确的识别，实现多角度全方位的网球赛场的拍摄，突破观察的盲区和死角。多台摄像机将采集到的数据回传给计算机终端，在终端上进行图像处理和拟合，就能够清晰直观的将网球赛场上的动向多角度的传达给观众。

图1 比赛场地摄像头的位置

2 摄像机系统的标定

摄像机系统作为采集数据的工具，对于重构图的效果有着至关重要的作用。在摄像机系统中运用量子粒子群优化算法是应对局部小反投误差大的问题的较好的解决方案，具体如下。

当图像的数目达到3个或3个以上时，便可以进行K的线性求解运算，这样，就获得了量子粒子群的内部相关参数，再根据下面的优化公式求解出最优算法即可，公式如下：

其中，i为粒子标号，t为进化长度，rand为随机数，c1为自身最优步长，c2为全局最优步长，vi为速度。最后得到全局极限值即为最优解。

3 目标的二维测量和实际的追踪

对于网球的二维检测，在该文中我们将利用背景差分方法来进行分析。运用高斯模板，能够极大的降低背景中的噪声等对二维图像的影响。

在对图像进行处理时，先用matlab将彩色图像转化为灰度图像，再通过高斯模板进行图像处理，最终提取出处理后图像的各类参数。

4 针对多角度问题的图像的重构

为了实现图像的三维化处理，在每一个点中，至少需要两帧的画面来确定该点在三维坐标上的具体位置。我们可以针对该点在图像中的位置，利用摄像机的角度不同但在投影上有重合点，从而将该点与赛场上的三维坐标进行对应。在不同的画面中引入射线，其焦点可以准确定位现实空间。但是，这样的空间定位存在一定的问题。比如说在赛场空间中，有许多的噪声干扰，这就对摄像机的定位系统产生了非常大的干扰，为了减小噪声对三维图像重构过程中的影响，可以通过最小二乘法技术实现空间位置的迭代运算，从而提高三维空间画质的清晰度。

在得到这些空间坐标点后，就需要对所采集到的数据信息进行处理与拟合。在该文中，拟采用高丝拟合，利用MATlab对图像的信息点位置进行空间仿真拟合。选取数据当中的10组对等点，运用最小二乘法技术实现空间位置的迭代运算，并结合MATLAB给出的高斯工具箱中的拟合工具。

5 针对基于Lab VIEW平台的网球鹰眼系统的设计的可视化问题研究

在该文中，我们利用Grid Properties.vi工具来建立关于鹰眼系统的三维立体化可视化空间。用Grid Properties.vi工具来设计网球的球体模型，让网球模型按照上文提到的各种算法来拟合运动轨迹。要想使得网球模型的运动效果更加符合人的直观感受，使仿真结果更加具有连贯性，我们选取了50个点进行轨迹的拟合，并且在三维立体图的基础上，增加了网球的俯视图，这样对于网球是否出界的判罚更加的直观。对俯视图分析，观众可以直观清晰的判定网球的落地点，网球的落地点的坐标值与网球的半径相匹配，如果网球越过边线，那么就毫无悬念的判定为出界，如果网球落地点在x轴正半轴，则判定在界内，这样对网球比赛的判定更加的公正且具有高效性。

为了得到更加准确的实验结果，我们选取了100组采集到的数据进行分析和测试.通过分析，可以得出如下结论：系统判定正确率在距边界-7.5～6 cm时为80%，其他地方达到96%，而且处理时间非常短，能够满足比赛判定的需求。

6 结语

鹰眼技术对数据的精度要求较高，多台摄像机将采集到的数据回传给计算机终端，在终端上进行图像处理和拟合，就能够清晰直观的将网球赛场上的动向多角度的传达给观众。在该文中我们对鹰眼系统、摄像机系统的标定、目标的二维测量和实际的追踪、针对多角度问题的图像的重构等问题进行了分析，并且提出了基于粒子量子群优化的算法，经实验，这种算法是应对局部小反投误差大的问题的较好的解决方案。通过仿真分析和实验结果可以得出，该算法针对基于Lab VIEW平台的网球鹰眼系统的设计的各项指标有非常好的性能，验证了该文算法的有效性。

[1]刘剑秋，李涛.网球“鹰眼”系统原理初探[J].广播与电视技术，2012(10)：69-73.

[2]吴正明.基于Lab VIEW的数字仿真实验平台的设计[J].中国教育技术装备，2012(2)：81-82.

G845

A

2095-2813(2017)01(b)-0228-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.02.228

程瑞瑞(1989，3—)，女，河南商丘人，硕士，助教，研究方向：体育教育训练学。