专利名称：一种计算杠铃中心点平移矢量和旋转参数的方法
技术领域：
本发明涉及视频处理领域，具体涉及一种计算杠铃中心点平移矢量和旋转参数的方法。
背景技术：
在体育运动分析领域，运动员为了提高比赛成绩通常会加大训练量，而不适当地增加训练强度往往会对运动员造成伤害，因此有必要研究科学、定量的运动训练系统。举重是我国的传统优势项目，到目前为止已经获得24枚奥运会金牌。举重运动诊断技术的好坏直接决定运动员最终的比赛成绩，因此，能否为运动员和教练员提供一个有效的实用的运动技术快速诊断手段是当前举重科研届急需解决的一个问题。以往举重技术诊断主要分为定性诊断和定量诊断两种方式。定性诊断主要通过人工观看训练视频来完成，这种方式比较直观，但缺少量化指标供教练参考，无法满足科学训练的需求。定量诊断主要通过人工解析来进行，往往在测试几天后才能为教练员反馈测试报告，由于反馈速度太慢，使科研测试效果大打折扣。为了有效地指导运动员的训练，就必须对运动员的动作姿态或者杠铃的运动轨迹进行分析，找出提高比赛成绩的有效方法，以举重训练为例，有经验的教练能够根据杠铃中心运动轨迹发现问题，从而纠正运动员的不正确的举重姿势。最早的举重训练中，在杠铃的一端绑上一支毛笔，杠铃的轨迹是由随着杠铃移动的毛笔画在纸上的。目前，可以根据视频进行杠铃中心点运动轨迹的追踪，经典的运动跟踪算法包括块匹配算法和光流法块匹配是根据图像块来进行匹配的，很难提取出杠铃的旋转参数，这样就不能给教练提供更多的杠铃的运动信息；光流法存在相同的问题。但是上边所提到的经典的算法在单独使用时效果欠佳，提取不到杠铃的旋转参数，且精确性不佳，从而对运动员在训练中的细小环节得不到很好的分析和指导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是自动精确得到杠铃中心的平移矢量和旋转角度。首先在第一帧杠铃中心点检测得到后，通过跟踪杠铃上的几个特征点，来精确计算杠铃中心点位置，通过帧间对比，可以知道平移矢量和旋转角度。为了解决上述问题，本发明提供了一种杠铃运动跟踪的方法。这个方法大体上包括以下几步发明的方法具体包括如下步骤为了解决上述问题，本发明提供了一种杠铃运动跟踪的方法。这个方法大体上包括以下几步A、在输入视频的第一帧图像中杠铃区域寻找N(N > 2)个特征点，每两个点随机组合，并求出每个组合的弦中心点的定比参数。B、输入视频的下一帧图像，运用LK金字塔光流法跟踪选取的特征点，然后使用A中求出来的定比参数和统计最优方法计算杠铃圆心坐标，通过和上一帧所得杠铃圆心位置得到杠铃的平移矢量。C、使用统计方法，推测出跟踪误差较大的特征点，并使用子图像块匹配技术矫正这些特征点。D、然后通过上一帧图像的特征点和当前帧图像的特征点求出杠铃的旋转角度。E、循环步骤B和C，把视频中每一帧图像中杠铃的平移矢量和旋转角度求出来。在步骤A中，可以进一步细化为Al、对前两帧图像使用光流法提取运动区域，通过二值化得到杠铃区域，提取出杠铃的边缘，然后对此进行HOUGH变换，可以求出杠铃的圆心坐标和半径参数；A2、在杠铃区域使用Harris角点检测寻找N (N > 2)个特征点，然后随机把这N个点两两组合，每一组点确定一条直线，把每一条直线的参数方程求出来。(如
图1，A, B, C， 是在图像中选择的几个特征点，把它们两两随机组合，A，B确定直线AB ；A, C确定直线AC ； B，C确定直线BC。)A3、通过步骤Al求出来的杠铃圆的参数，得到杠铃圆的参数方程，然后和直线方程联立求解得到交点，由交点得到杠铃圆的这条弦的中点。(如图1，a点、b点是AB直线和圆的交点，P是ab弦的中点；a'点、c'点是AC直线和圆的交点，R是a' c'弦的中点；
点、c点是BC直线和圆的交点，Q是b' c弦的中点。)A4、由步骤A3求出来的中点和相应的特征点求出来线段内定比分点的定比Aitl (如图1，这个定比的定义为在AB直线上
UUU
A = ^, A是起点，B是终点；P点称为AB线段的定比分点。同理，R是AC线段的定比分 PB
点，Q是BC线段的定比分点，相应的定比也可类似求得。)在步骤B中，可以进一步细化为BI、输入视频的下一帧图像，作为当前处理的图像，然后运用LK金字塔光流法在当前巾贞中跟踪上一巾贞的特征点；B2、用这些跟踪的特征点和在A4中求出来的定比，求出来杠铃的圆心坐标。步骤B2的具体描述如下B21、如图2所示，随机选择三个特征点A、B、C，使用A4中求出来的每一组特征点的相应的定比，可以求出来相应的一组两个特征点的定比分点，例如图2，P是AB线段的定比分点；9是BC线段的定比分点。通过定比分点和垂直关系，可以求出来相应的弦的垂直平分线，他们的交点即杠铃圆心，如图2所示，OR、OP和OQ相交与圆心O。B22、在特征点跟踪过程中，有时候会由于光照变化或运动过快等原因，并不是每一个特征点都能跟踪准确，故可能出现所求的圆心不准确。如图3所示，和图2对应，当特征点C跟踪出现偏差时，使用原来的定比所求的顶点Q便不在弦BC的中心，R也不在弦AC的中心，故他们的垂直平分线ml、m2、m3交于三点，我们使用最小方差方法得到中心点位置。用符号fi(x，y)表示每一条垂直平分线，则fj (x, y) = aiX+bi+Ci (Μ = 3) (Β22. I)可以构造如下平方和的式子
权利要求
1.一种计算杠铃中心点平移矢量和旋转参数的方法，其特征在于步骤如下Al、对前两帧图像使用光流法提取运动区域，通过二值化得到杠铃区域，提取出杠铃的边缘，然后对此进行HOUGH变换，求出杠铃的圆心坐标和半径参数；A2、在杠铃区域使用Harris角点检测寻找N个特征点，N > 2，然后随机把这N个点两两组合，每一组点确定一条直线，把每一条直线的参数方程求出来；A3、通过步骤Al求出来的杠铃圆的参数，得到杠铃圆的参数方程，然后和直线方程联立求解得到交点，由交点得到杠铃圆的这条弦的中点；A4、由步骤A3求出来的中点和相应的特征点求出来线段内定比分点的定比Ai ;B、输入视频的下一帧图像，运用LK金字塔光流法跟踪选取的特征点，然后使用A中求出来的定比参数和统计最优方法计算杠铃圆心坐标，通过和上一帧所得杠铃圆心位置得到杠铃的平移矢量，具体如下BI、输入视频的下一帧图像，作为当前处理的图像，然后运用LK金字塔光流法在当前帧中跟踪上一帧的特征点；B2、用这些跟踪的特征点和在A4中求出来的定比，求出来杠铃的圆心坐标；步骤B2的具体描述如下B21、使用A4中求出来的每一组特征点的相应的定比，求出来相应的一组两个特征点的定比分点；通过定比分点和垂直关系，求出来相应的弦的垂直平分线，他们的交点即杠铃圆心，B22、使用最小方差方法得到中心点位置；用符号AU, y)表示每一条垂直平分线，则 fi (x, y) = aix+bi+ci (B22. I)构造如下平方和的式子
2.根据权利要求I所述的一种计算杠铃中心点平移矢量和旋转参数的方法，其特征在于步骤C3具体描述如下C31、在图像首帧提取特征点时，记录每个特征点周围子窗口范围内的像素值信息；子窗口是5*5或者7*7 ;C32、在后续帧中，如果发现某个特征点跟踪失败，使用此特征点原始子窗口像素信息，在当前巾贞特征点位置的一个7*7或5*5的窗口中每一个像素位置进行子图像块匹配，找到相似度最大的位置，便是矫正特征点的正确位置。
全文摘要
一种计算杠铃中心点平移矢量和旋转参数的方法属于图像处理领域。本发明要解决的技术问题是自动精确得到杠铃中心的平移矢量和旋转角度。首先在第一帧图像中进行运动区域检测，然后检测杠铃中的特征点；然后通过跟踪杠铃上的几个特征点，求出相应的定比，并通过最小方差求的个别中心点以及最优统计方法求的最佳中心点，并纠正特征点跟踪错误，通过帧间对比，计算平移矢量和旋转角度。本发明可以精确计算举重运动中杠铃的运动的轨迹和旋转参数，实现举重训练的自动化分析方法。
文档编号G06T7/00GK102609708SQ20121001126
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月15日 优先权日2012年1月15日
发明者张静文, 武文斌, 毋立芳, 江思源, 王红, 郑庆阳, 颜凤辉, 高美琴 申请人:北京工业大学