基于视频流的羽毛球检测跟踪及轨迹预判算法应用研究

发布时间：2020-09-15 14:06

　　 近年来,随着我国体育事业的快速兴起,进行各项体育运动的人数日益增长。其中羽毛球运动由于场地限制少、容易上手等优点,目前已成为国内最热门的体育运动项目之一。同时科技的迅速发展促进了智能羽毛球机器人的发展,在第十四届Robocon全国机器人大赛“羽球双雄”的推动下,国内外越来越多高校研究人员及企业团队围绕全自动羽毛球机器人展开研究。高性能视觉系统是全自动羽毛球机器人的核心,目前市场化的羽毛球发球机只能训练运动者重复击打各类发球,缺乏有效的视觉反馈系统,智能化程度不高。设计出一款可实现人机对打且廉价的智能羽毛球机器人,不仅能缓解对羽毛球陪练员的需求,更能提高羽毛球运动爱好者的整体技术水平和羽毛球比赛的观赏性。本文针对羽毛球机器人中的视觉系统,完成二维图像平面视频流中的飞行羽毛球侧面检测、跟踪及轨迹预判算法应用研究。通过ZED摄像头,从侧面采集多个背景不变或变化缓慢场景下的羽毛球飞行视频流并制作实验所需数据集。前期通过结合传统三帧差分和机器学习AdaBoost算法实现羽毛球识别,并融合羽毛球飞行过程中的固有特征,如:羽毛球面积、周长、连续两帧之间的欧式距离等,得到一种基于检测的物体中心快速跟踪算法(以下简称“FTOC”)。结果表明,在复杂场景实验室羽毛球飞行视频流中,FTOC对羽毛球跟踪的召回率从78.87%提升至94.52%,通过与多个经典跟踪算法进行对比,FTOC的跟踪召回率和平均定位精度均达到最佳。此外,FTOC在四个简单和复杂场景羽毛球飞行视频流中测得的平均精确率、平均召回率和平均帧率分别为93.92%、85.92%和15.13帧/秒。整体而言,FTOC在精确率、召回率和实时性等方面对羽毛球跟踪具备一定优势,场景鲁棒性较强。然而,FTOC算法处于CPU模式下运作,模型训练和参数整定周期长,召回率和实时性仍存在改进空间。为进一步提高计算效率,获取更多精确的羽毛球坐标,后期针对视频流中的飞行羽毛球为小目标这一检测难题,从损失函数和网络结构两方面改进深度学习一阶段检测网络Tiny YOLOv2,得到羽毛球检测网络M-YOLOv2和YOLOBR。针对四个简单和复杂场景的飞行羽毛球视频流,YOLOBR测试得到的平均精确率、平均召回率和平均帧率分别为96.7%、95.7%和29.2帧/秒。结果表明,与Tiny YOLOv2、M-YOLOv2相比,YOLOBR在羽毛球检测精确率、召回率和实时性等方面均得到提升,场景鲁棒性强。最后,根据FTOC算法获取的羽毛球坐标,结合最小二乘法和Kalman滤波对视频流中的羽毛球进行轨迹预判。结果表明,在保持实时性的同时,最小二乘法对羽毛球飞行轨迹具有一定的预判性能且Kalman滤波可优化羽毛球预判点。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：G847;TP391.41
【部分图文】：

的融合与应用，不仅有利于推动智能羽毛球机器人人视觉系统中各模块提供方向，更有助于相关企业术的发展情况，对未来的智能化时代具有积极意义现状人国内外研究现状球机器人的研制主要集中在羽毛球发球机[2]。其中 系列羽毛球发球机，带动了羽毛球运动消费市场的羽毛球发球机通过训练运动者重复击打各类发球该发球机是固定式装置，制作成本高，只能定点发智能与装备集成程度不高。

图 1-2 成都电子科技大学全自动羽毛球机器人atic badminton robot of University of Electronic Science and Te毛球机器人研究较早的是比利时、丹麦等国。2013 年出了世界上第一台可实现人机对打的羽毛球机器人场外工作站、场外双摄像头和场内运动机构三部分组打三个电机实现。但其固定在羽毛球场上，只能沿着极大限制，接球方式单一，回击球速慢，击球准确率

2013 年比利时弗兰德机电技术中心研制出了世界上第一台可实现人机对打的羽毛球机器人“捷达”[4]。如图1-3 所示，“捷达”由场外工作站、场外双摄像头和场内运动机构三部分组成，击发球通过线性、旋转和击打三个电机实现。但其固定在羽毛球场上，只能沿着固定轨道运动，导致运动空间受到极大限制，接球方式单一，回击球速慢，击球准确率有待提高。图 1-3 比利时羽毛球机器人“捷达”Fig. 1-3 “Jetta” - Belgium badminton robot1.2.2 羽毛球检测跟踪及轨迹预判技术研究现状全自动对打型羽毛球机器人主要实现羽毛球检测跟踪并根据获取到的位置坐标对羽毛球进行轨迹预判，以获取相关轨迹信息，如：羽毛球落点、羽毛球运动到某一位置所需时间等。通过目前查阅到的文献可知，国内外部分研究人员针对羽毛球机器人视觉系统中的某一部分（跟踪、检测或轨迹预判）进行算法研究并取得一定成果。1994 年日本学者 Watanabe H 等人先通过两个固定的场外摄像头读取图像，之后采用背景差分法识别运动羽毛球[5]。2009 年中国东北大学胡景新等人通过背景差分法和阈

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨弋非;;闫敦述:一辈子的羽毛球故事[J];羽毛球;2013年01期

2 ;因为爱,所以羽毛球[J];羽毛球;2014年02期

3 赵婷;;余海:我的眼中只有羽毛球[J];羽毛球;2014年02期

4 李海良;;丹麦如何打败巨人——丹麦羽毛球体制揭秘[J];羽毛球;2012年08期

5 马瑜;;什么样的羽毛球可以用于国际比赛[J];羽毛球;2012年12期

6 ;河南奥博羽毛球馆[J];羽毛球;2013年09期

7 徐大鹏;;打羽毛球,从规范动作学起[J];羽毛球;2012年03期

8 杨弋非;;陈淑媛:一个“没有自信”的冠军[J];羽毛球;2012年05期

9 ;信息[J];羽毛球;2013年07期

10 ;分享羽毛球缘分[J];羽毛球;2014年03期

相关会议论文 前10条

1 肖杰;;羽毛球技战术的演进历程及发展趋势[A];第十一届全国体育科学大会论文摘要汇编[C];2019年

2 安忠鑫;蒋家珍;钟秉枢;冷波;周志辉;王磊;;《羽毛球比赛数据分析系统》在2011年苏迪曼杯直播中的应用效果分析[A];第九届全国体育科学大会论文摘要汇编(4)[C];2011年

3 郭强;;1996年至今世界羽毛球竞争格局及发展态势[A];2018年全国体育社会科学年会论文集[C];2018年

4 焦玉娥;;对羽毛球比赛规则与女运动员身体适应度的质疑[A];2015第十届全国体育科学大会论文摘要汇编（一）[C];2015年

5 高加亮;柴承军;;从近两届奥运会羽坛格局看世界羽毛球的和谐发展[A];《西部体育研究》2013年第2期（总第130期）[C];2013年

6 李率文;;世界高水平羽毛球赛事司线员执裁压力与应对策略——以2014年以来世界大赛为例[A];2017年全国竞技体育科学论文报告会论文摘要汇编[C];2017年

7 张禹;何志强;;视频结合实景步法训练对羽毛球新手决策的影响[A];第十九届全国心理学学术会议摘要集[C];2016年

8 游发生;周志辉;杨紫薇;;郭振东/柴彪组合与李龙大/郑在成组合比赛的得失分规律分析[A];2013年全国竞技体育科学论文报告会论文摘要集[C];2013年

9 沈乐君;任亚伟;朱敏;李康;;世界优秀羽毛球运动员挑球技术的运动学分析[A];第十一届全国体育科学大会论文摘要汇编[C];2019年

10 杜萍;宫旭;朱俊屹;;我国羽毛球项目后备人才身体素质测试结果与分析——以2017年全国羽毛球后备人才基地总决赛身体素质测试成绩为例[A];《西部体育研究》2018年第3期（总第151期）[C];2018年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 慈鑫;一个球迷市长催生出的羽毛球热[N];中国青年报;2011年

2 本报记者 慈鑫;世界羽坛的失衡现状[N];中国青年报;2011年

3 陈轶;无锡羽毛球崛起本土力量[N];无锡日报;2019年

4 记者 王希涛;全市职工羽毛球赛开幕[N];济南日报;2019年

5 记者 袁昊;市工商联企业家庆祝新中国成立七十周年羽毛球比赛开赛[N];通化日报;2019年

6 本报记者 慈鑫;羽毛球之城走到了十字路口[N];中国青年报;2010年

7 王丹 关华 尹红玲 公庆江 石建芬 焦峰;跑起来动起来 健康快乐起来[N];中国石化报;2017年

8 本报记者 董超;恋上运动练出健康体魄[N];保健时报;2017年

9 本报记者 李波;羽坛名将齐聚 球迷大饱眼福[N];宝鸡日报;2017年

10 本报记者 郑轶 王继晟 季芳;走上全运会，我也是主角[N];人民日报;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 何皇;基于机器视觉的羽毛球发球违例检测系统设计与实现[D];重庆邮电大学;2019年

2 刘海洋;战斗绳训练对羽毛球选修班学生专项素质和技术的影响研究[D];扬州大学;2019年

3 吴庆国;扬州市小学生参与课外羽毛球培训的调查报告[D];扬州大学;2019年

4 朱炳阳;扬州市城区普通高中羽毛球选项课的调查报告[D];扬州大学;2019年

5 苏灿峰;南京市体育传统项目学校羽毛球课程开展现状调查研究[D];南京师范大学;2019年

6 班沛;普通高校羽毛球专选学生原地杀球动作的运动生物力学分析[D];牡丹江师范学院;2019年

7 雍晨辉;社群视域下羽毛球培训一站式运营模式构建研究[D];牡丹江师范学院;2019年

8 陈艳兰;不同水平羽毛球练习者视觉注意的眼动特征研究[D];江西科技师范大学;2018年

9 赵祥;世界优秀羽毛球女单运动员技术研究与分析[D];江西科技师范大学;2019年

10 廖廷波;基于视频流的羽毛球检测跟踪及轨迹预判算法应用研究[D];广东工业大学;2019年

本文编号：2819060