雙目視覺測量網球發球動作中運動員的關鍵部位的研究

王偉定+武文梁+梁雪梅+岑祚意

摘 要 利用BP神經網絡雙目視覺測量建立三維空間信息與二維平面信息之間的映射的對應關系，可以得出三維空間的具體位置，得出的誤差相對較小，可以通過計算得出網球運動員發球動作時，手肘關節和膝關節的彎曲角度，通過和標準發球動作時的彎曲角度對比，可以為運動員在發球訓練時做出指導，以提高發球質量。

【關鍵詞】雙目 視覺測量 位置 角度

通過機器視覺來獲取三維立體的信息，攝像機標定則是視覺系統的重要組成部分。攝像機標定的目的在于建立像平面上的二維坐標與其相應的被測點的三維空間坐標之問的對應關系。本文采用基于BP神經網絡的雙目視覺測量方法來對網球運動員的發球動作進行測量，研究運動員網球在發球時的空間位置和通過測量手肘和膝關節的彎曲角度。

1 雙目視覺攝像機神經網絡的標定方法和標定點的選取

對網球運動員發球標定點的選?。?/p>

用兩臺CCD攝像機構成三維的測量系統，每臺攝像機單獨對準一張標定板，對需要測量的物體，通過計算空間點在兩幅圖像中的位置。

網球運動員在發球時，身體每個部位的協調都很關鍵，無論是哪個部位的動作達不到要求，都會影響發球的質量。根據網球運動員發球動作的分解，有利于機器視覺的檢測和標定，選取了圖片中帶有標志的手腕、肘、肩、和膝蓋作為標定點。

2 攝像機的標定

2.1 基于BP神經網絡的雙目視覺攝像機標定

神經網絡輸入為標定樣本的圖像像素坐標，輸出為其對應的實際坐標（x，y），為網絡的隱層節點數。通過雙目攝像機采集的圖像，選取得出的用來搭建訓練模型的，數據如表1。通過對標定的部分取幾何中心的像素坐標作為坐標。

2.2 標定樣本數據的采集

標定板如圖1所示標定板中，每格小正方形的實際邊長為50mm。

在標定板上建立好二維坐標后，對攝像機采集的圖像進行分割，圖像中只有標定的部分人工測量運動員標定點在標定板上的坐標為測量值，在計算機中運用Matlab算出運動員標定點在標定板上的坐標為計算值。主視標定板、左視標定板對應的數據如表2。

3 網球運動員發球姿勢的判定

在實際的網球運動員發球時，抓拍手臂的力度及彎曲角度，在發球中起了至關重要的作用，所以我們對手臂在發球過程中彎曲角度的變化來對發球姿勢的正確與否進行判斷。

由表2中的數據我們得到標定的關鍵部位在空間的坐標位置，再通過選取左視圖對關鍵部位手腕、肘、肩這三點進行夾角計算，因為左視圖中更能清晰觀察到夾角的變化，按照發球過程中姿勢的變化順序列出夾角變化表如表3所示。

在實際網球比賽中，網球運動員在發球過程中，運動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。通過這種測量方式對肘關節的夾角進行監測，以便對運動員的發球姿勢進行判斷，從而對網球運動員的發球姿勢給出意見，幫助其對網球發球動作的掌握。

4 實驗結果分析與討論

4.1 實驗結果與分析

對由CCD攝像機采集到的網球運動員發球動作姿勢分解動作，對網球運動員發球動作姿勢的分解動作圖中的標定點的進行提取，得到實際的坐標，與標定點在標定板上投影的實際坐標進行比較處理，得到p為x的相對誤差絕對值，q為y的相對誤差。實驗結果如表4所示。

由表2及表4數據可以得出，用雙目立體視覺測量方法對網球發球動作姿勢進行研究可以得到網球運動員在發球過程中關鍵部位在空間的實際位置，我們可以建立一個以兩個攝像頭的鉛垂面相交線對地面的投影點為原點的空間坐標系（x，y，z）主視圖的x即為空間坐標系的x，左視圖的-x即為空間坐標系的y，主、左視圖的y即為空間坐標系的z，將表2中的數據放入空間坐標系中，我們即可得到網球運動員發球動作關鍵部位的實際位置，我們從標定點計算得出的夾角，我們便可得到網球運動員發球時的動作位置，再將其與標準動作進行對比、判定，我們便可得知該運動員的發球動作姿勢的正確與否。

4.2 討論

根據實驗的結果，從以下方面對BP神經網絡雙目立體視覺測量方法進行討論：

（1）攝像機的參數定標。固定好兩臺攝像機，在實驗過程中不能再發生任何的移動，同時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定板上的投影作為y軸，以減小圖片畸變程度。

（2）標定板二維坐標的建立。從攝像頭做垂線于地面，垂直至標定板的交點作為二維坐標原點。原點的選取不嚴格，將會對人工讀取二維坐標的位置，造成誤差。

5 結論

實驗結果表明：絕大多數相對誤差較小，說明BP神經網絡建立的精確度較高，使本實驗更具有實用性。利用計算得出的標定點實際坐標，計算得出在發球過程中右肘的夾角變化，通過對運動員整個發球姿勢肘關節的夾角的監測，通過這種方式將運動員的發球姿勢與理論標準的夾角進行對比、做出判斷，以便調整運動員的發球動作姿勢，提高發球的質量。

參考文獻

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作者簡介

王偉定（1993-），男 ，壯族，廣西壯族自治區南寧市人。大學本科在讀。研究方向為視覺測量、圖像處理。

作者單位

廣西科技大學電氣與信息工程學院 廣西壯族自治區柳州市 545006