[发明专利]一种基于视频数据的排球运动轨迹提取方法

权利要求书

1.一种基于视频数据的排球运动轨迹提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)排球目标检测：

针对摄像机同步捕捉的多视角运动视频数据，利用Faster-RCNN球类目标检测模型对每个视角的同步视频进行逐帧的目标检测，检测出每一帧的排球目标；

(2)2D球轨迹提取：

对检测出的排球目标使用贪心策略，基于排球运动轨迹的特征，匹配相邻帧中距离最短的排球目标；筛选提取各相机序列中的主目标球的2D轨迹；所述主目标球为运动员击打的球目标；

将每一帧检测到的球目标与相邻帧中距离最短且小于阈值条件thr₁的排球目标进行连接，构成画面中检测到的所有排球目标的轨迹；所述thr₁参数为排球轨迹形成过程中前一帧对比检测排球目标的检测框的最小边长度；当连接的排球目标≥3时，利用梯度下降拟合排球目标在2D画面的运动轨迹特征；

以画面左上角为坐标原点，建立坐标系，原点向下为Y轴正方向，原点向右为X轴正方向，排球目标的轨迹预测方程公式如下所示：

y＝a₁·t²+a₂·t+a₃，(a₁＞0)

x＝b₁·t+b₂

其中t为以视频的帧数为单位的时间，a₁，a₂，a₃为二次抛物线方程参数，b₁，b₂为一次直线方程参数；

将下一帧的排球目标与排球目标的轨迹预测方程进行匹配，如果预测位置与实际检测位置小于阈值条件thr₁，则将此目标添加到排球轨迹，更新运动轨迹，并重新拟合轨迹预测方程；如果轨迹预测方程有超过thr₂帧的预测位置不匹配，则停止运动轨迹更新，并将轨迹添加到轨迹集合T中，所述thr₂参数为排球目标数量的二分之一并向下取整得到的整数阈值；

对所述轨迹集合T进行筛选，获得所述主目标球的2D轨迹；所述主目标球的2D轨迹为抛物线轨迹，通过对方程的二次系数设置抛物线曲率阈值thr₃，筛选掉静止的球目标；对于行程较短、速度较快的击球，通过球沿X轴方向运动方程的斜率阈值thr₄筛选掉；最终得到所述主目标球的2D轨迹；其中所述thr₃参数和所述thr₄参数为系数阈值和斜率阈值；

(3)3D球轨迹计算：

3D空间中的点与2D图像上的点的映射关系可以表示为：

m×PW＝0

其中m为2D图像上的点的坐标，W为3D空间中的点的坐标，P为3D空间和2D图像的映射关系，即投影矩阵，所述映射关系可以进一步的表示为：

其中x_t、y_t为m的横坐标和纵坐标，Pⁱ是P矩阵的第i行向量；

所述主目标球在3D空间的运动轨迹可以近似为抛物线轨迹，所述主目标球在t时刻空间中的坐标如公式所示：

X_t＝X₀+V_Xt

Y_t＝Y₀+V_Yt

Z_t＝Z₀+V_Zt+gt²/2

其中(X_t，Y_t，Z_t)是所述主目标球在3D空间中的坐标，(X₀，Y₀，Z₀)是所述主目标球在3D空间的运动轨迹的初始位置，(V_X，V_Y，V_Z)是排球运动时在三个坐标上的各方向的运动速度，g为重力加速度常数；

通过将W_t表示为(X₀+V_Xt，Y₀+V_YtZ₀+V_Zt+gt²/2，1)^T，得到关于t时刻包含六个抛物线轨迹未知量的方程组；对于轨迹中N个检测到的排球目标，可以构建包含4N个方程的方程组如下：

通过求解所述包含4N个方程的方程组，可以得到抛物线轨迹的所述各方向的运动速度和所述初始位置，进一步重构出主目标球的3D运动轨迹；

(4)击球指标的计算：

利用抛物线轨迹的所述各方向的运动速度和所述初始位置及所述3D运动轨迹，可以获得关键时刻点的速度和位置数据。

2.根据权利要求1所述基于视频数据的排球运动轨迹提取方法，其特征在于，步骤(4)中所述关键时刻点的速度和位置数据包括出手球速、过网高度。