視頻全景圖技術在游泳訓練中的應用

雷倩?武巧玲?郝存明

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，高新技術和設備已普遍展現(xiàn)于各種體育訓練中。本文首先對視頻分析軟件在體育項目中的應用作了闡述；然后通過資料分析法和問卷調查法對全景圖合成技術在游泳項目中的應用情況做了詳細研究，游泳視頻全景圖技術的研發(fā)與應用仍面臨嚴峻的挑戰(zhàn)；最后對全景圖軟件開發(fā)中所需的運動目標分割和運動目標跟蹤技術提出了新的研究方向，將深度學習技術引入全景圖軟件的開發(fā)，深度學習是人工智能領域新興起的技術，并已應用于各個領域，深度學習技術將有利于全景圖軟件的開發(fā)工作。

關鍵詞：游泳；全景圖合成；運動目標分割；運動目標跟蹤；深度學習

一、多媒體在游泳項目中的應用特點

“多媒體技術中的媒體主要是指利用電腦把文字、圖形、影象、動畫、聲音及視頻等媒體信息都數位化，并將其整合在一定的交互式界面上，使電腦具有交互展示不同媒體形態(tài)的能力。”多媒體教學將現(xiàn)代科學技術手段應用于教學當中，已應用于許多學科，并都已經取得了豐碩的成果，而且在體育學科方面有很多研究，但是在游泳技術訓練過程中，如何通過借助多媒體技術的應用平臺，幫助運動員和教練員理解技術原理，幫助運動員改善技術，提高運動表現(xiàn)，尚沒有深入的研究。

二、動作全景圖合成技術

動作全景圖合成也是一種視頻分析軟件功能，并已廣泛應用于各項體育項目。動作全景圖合成是指由描述連續(xù)場景的一系列局部圖像，得到一個單一的、展現(xiàn)整個場景全貌的圖像。動作全景技術提取運動視頻流中連續(xù)序列的前景區(qū)域，將運動員在前景區(qū)域中的技術動作疊加到靜止的運動場景中，實現(xiàn)動作凍結的效果，從而完整充分地顯示運動員的軌跡和人的姿勢改變的細節(jié)。

（一）全景圖合成技術在體育項目中的應用

我國中科院計算機技術研究所為2008年北京奧運會備戰(zhàn)運動員開發(fā)出的DV Coach、北京體之能公司的SportPower以及國家體育總局體育科學研究所苑廷剛研究員聯(lián)合北京體之能科技公司進一步開發(fā)實現(xiàn)的運動視頻全景圖圖片和視頻都能實現(xiàn)的“教練眼-Coach Eyes”，該軟件不但實現(xiàn)視頻全景圖的快速生成，并且在運動視頻全景圖基礎上，結合運動生物力學的二維標定技術，實現(xiàn)對運動員或運動物體的二維圖像分析，可以很快測量出運動員角度、速度、距離和時間等關鍵運動學參數，做到在運動現(xiàn)場實現(xiàn)運動視頻全景圖技術和關鍵技術參數的快速反饋，為教練員和運動員定性和定量監(jiān)測運動技術訓練，提高運動訓練的科學化水平提供了較為科學的監(jiān)測方法和手段。

（二）全景圖合成技術在游泳項目中的應用

世界游泳強國一向都很重視對技術的研究，例如澳大利亞名將索普的自由泳技術，俄羅斯選手波波夫的減阻技術，以及美國眾多游泳名將所采用的游泳技術，游泳技術的革新已日新月異。而游泳技術的發(fā)展和提高是與先進技術分析軟件的應用分不開的，如美國游泳協(xié)會把 Dartfish 運動分析軟件作為各個游泳隊的推薦使用軟件，使Dartfish的應用普遍化。

三、全景圖合成關鍵技術研究

在傳統(tǒng)的應用中，全景圖獲取的是運動場景中靜態(tài)的、沒有移動的背景。而近年來，圍繞輔助以及指導體育運動的訓練和比賽，對全景圖合成技術提出了新的要求。本文結合新興起的深度學習算法，對運動目標分割技術做相關的研究分析。

運動目標分割的目的就是要把場景中的運動對象同背景分割開來，是實現(xiàn)基于對象的運動分析功能（如動作疊加對比）的基礎。近年來，在靜止圖像分割算法上取得了巨大的進步； 然而，這些最先進的算法應用到每一個視頻幀需要相當多的計算。

深度學習是近年來機器學習新興起的一個研究方向。目前深度學習的幾個典型模型，如卷積神經網絡（CNN）、自編碼器（AE）、循環(huán)神經網絡（RNN）等已廣泛應用于視頻圖像處理領域，并都取得了相當好的效果。因此將深度學習應用于游泳運動目標的分割是一個值得研究的課題。

四、總結

本文首先介紹了多媒體技術在游泳項目中的應用研究。然后研究了視頻全景圖軟件的功能及相關技術，以及該軟件在游泳訓練、比賽、科研及教學中的應用情況。經調查發(fā)現(xiàn)全景圖軟件在游泳項目中是急需求的技術，然而該軟件在游泳項目中的應用幾乎很少，只有極少數專業(yè)游泳隊才會用到。軟件研發(fā)依賴于視頻采集的質量，而游泳視頻采集設備位于水下，需要高質量的拍攝設備，只有極少數省隊和國家隊才具備，這也嚴重限制了全景圖軟件的開發(fā)與應用。本文對全景圖合成中的技術提出了新的研究方向，將深度學習應用于全景圖合成，但是該技術仍存在一些缺點。對于特殊環(huán)境下的目標分割，需要專門的數據進行訓練，本文下一步將專門對游泳數據進行訓練，以獲取更好的效果。

參考文獻：

[1] 朱洪.現(xiàn)代多媒體技術及其特征分析[J].硅谷， 2008（3）：105.

[2] 王建國.多媒體技術在改進高水平游泳運動員技術過程中的應用研究[D]. 2009.

（作者單位：雷倩 河北省科學院應用數學研究所；武巧玲 河北師范大學體育學院；郝存明 河北省科學院應用數學研究所）