體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李鑫

（西安工業(yè)大學(xué)體育學(xué)院，陜西西安710032）

隨著通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，這些處在前沿的理論及技術(shù)廣泛用于實(shí)際生活及工作中，并為大眾日常生活水平及工作帶來諸多便利。近些年，智能化逐漸成為多數(shù)學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容，例如：城市樓宇建設(shè)、體育視頻跟蹤與檢測等內(nèi)容。在大量的研究中，主要還是依托目標(biāo)展開研究，先依據(jù)實(shí)際需求，明確相應(yīng)的目標(biāo)，隨之準(zhǔn)確對目標(biāo)完成跟蹤與檢測，最終獲得相應(yīng)的跟蹤結(jié)果。但在具體跟蹤操作中，目標(biāo)一直處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)會(huì)遭受背景的干擾，其跟蹤目標(biāo)準(zhǔn)確性明顯下降。想要更好地完成這項(xiàng)任務(wù)，必須運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)和方法，把目標(biāo)自背景內(nèi)分離出來，并對目標(biāo)執(zhí)行提取處理，順利完成高效率目標(biāo)檢測與捕捉。本文設(shè)計(jì)的體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)對有待檢測場景展開分析，進(jìn)一步分析移動(dòng)目標(biāo)軌跡，并依據(jù)軌跡對目標(biāo)完成跟蹤。在已有研究領(lǐng)域內(nèi)，多數(shù)研究學(xué)者依據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)物體軌跡對目標(biāo)未來運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，從而獲得一個(gè)功能齊全、完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤與預(yù)測系統(tǒng)。本文以體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求為研究視角，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)體育視頻管理、目標(biāo)檢測等模塊設(shè)計(jì)情況，并提出相應(yīng)的檢測實(shí)例，從而檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)需求分析

該系統(tǒng)需求分析就是對體育視頻內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)展開統(tǒng)一檢測及跟蹤管理，如何便于綜合分析、管理運(yùn)動(dòng)視頻，則是運(yùn)用該管理系統(tǒng)急需解決的問題。因此，本次設(shè)計(jì)的體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)要為用戶提供操作的可行性。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)主要用戶包含系統(tǒng)管理員、普通用戶、采集人員等。使用者利用以太網(wǎng)對Intemet進(jìn)行訪問，再利用防火墻與路由器、網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)連接，網(wǎng)關(guān)借助以太網(wǎng)和應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器實(shí)施連接，如此一來，順利實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器端之間的交互操作[1-2]。

圖1 系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總架構(gòu)

應(yīng)用層就是體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，主要包含視頻采集管理模塊、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)檢測等管理模塊。數(shù)據(jù)訪問層作為系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的實(shí)際過程，該系統(tǒng)運(yùn)用目標(biāo)跟蹤與檢測算法進(jìn)一步訪問數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)連接層主要功能在于存放系統(tǒng)內(nèi)的各類信息，包含視頻信息、視頻檢測信息、用戶信息等[3]。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中體育視頻管理模塊主要功能包括視頻維護(hù)、視頻上傳、視頻檢索等功能；而目標(biāo)檢測模塊主要由目標(biāo)檢測、目標(biāo)模型更新等功能組成；視頻采集模塊主要功能在于視頻輸入、獲取攝像頭視頻等；目標(biāo)跟蹤主要包含目標(biāo)匹配處理、參數(shù)結(jié)果顯示及建立目標(biāo)模板等功能[4-5]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各功能結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 體育視頻管理模塊

系統(tǒng)操作者主要包含視頻管理人員、采集人員等部分組成，其中，體育視頻管理主要功能在于維護(hù)體育視頻，主要操作有：增加視頻、刪除及修改視頻等[6]。視頻管理者輸入相應(yīng)的用戶名稱及登錄密碼進(jìn)入系統(tǒng)，隨之對體育視頻管理模塊進(jìn)行訪問處理，依托及時(shí)調(diào)用videosearchf()方法完成視頻的檢索處理[7-8]。在此基礎(chǔ)上，視頻管理者會(huì)依據(jù)相應(yīng)的提示信息輸入有待檢索的視頻信息，并執(zhí)行提交操作。這種情況下，系統(tǒng)自動(dòng)與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)連接，并把視頻信息保存在在數(shù)據(jù)內(nèi)，最終將相應(yīng)的存儲結(jié)果返回至視頻管理者。

圖3 視頻檢索操作時(shí)序圖

2.2 目標(biāo)檢測管理模塊

該模塊功能在于對所采集的體育運(yùn)動(dòng)視頻目標(biāo)展開檢測與分析，可以當(dāng)做體育訓(xùn)練過程中的分析數(shù)據(jù)使用。該功能主要功能如下：目標(biāo)檢測、檢測結(jié)果顯示、目標(biāo)模型更新等。視頻分析管理者先要輸入自己的用戶名稱及密碼，即可順利進(jìn)入到視頻目標(biāo)檢測模塊，隨之發(fā)出視頻目標(biāo)檢測請求，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示添加相應(yīng)的視頻目標(biāo)數(shù)據(jù)，添加操作后提交檢測結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫，并顯示檢測成功信息[9-10]。

2.3 目標(biāo)跟蹤管理模塊

該模塊主要功能是實(shí)時(shí)跟蹤某一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，隨之借助跟蹤獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并對其展開分析處理。這個(gè)模塊功能旨在輔助運(yùn)動(dòng)人員展開訓(xùn)練，其主要執(zhí)行者是視頻分析員。該功能主要功能在于建立目標(biāo)模板、跟蹤目標(biāo)實(shí)例等，具體操作流程如下，先設(shè)計(jì)固定的拍攝位置，隨之設(shè)計(jì)合理的跟蹤計(jì)算參數(shù)，通過已有方法進(jìn)一步鎖定目標(biāo)，并完成背景分離及軌道預(yù)測處理，其實(shí)現(xiàn)流程見圖5。

圖4 目標(biāo)檢測操作流程圖

圖5 目標(biāo)跟蹤操作流程

2.4 視頻采集管理模塊

該模塊主要功能在于獲得體育運(yùn)動(dòng)中的視頻圖像信息，這個(gè)功能具體執(zhí)行者為視頻采集人員。視頻采集管理旨在完成采集視頻、視頻初始化、獲取序列圖像等操作。起初，管理人員輸入相應(yīng)的用戶名稱及密碼即可進(jìn)入系統(tǒng)，登錄操作成功后進(jìn)入視頻采集模塊，借助調(diào)用CaptureVIdeoInAIn（）方法，進(jìn)一步采集視頻輸入及初始化操作，確保系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫順利實(shí)現(xiàn)連接，并處理這一操作信息，最終交由視頻采集者[11]。

圖6 視頻采集時(shí)序簡圖

2.5 數(shù)據(jù)庫圖表設(shè)計(jì)

2.5.1 E-R圖設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)的信息存儲中心，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況。因此，配置合理的數(shù)據(jù)庫不僅能提升數(shù)據(jù)存儲效率，也可以保障信息的完整性及安全性。系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)優(yōu)劣，主要表現(xiàn)在它能否提供齊全的功能、系統(tǒng)性能是否優(yōu)越、是否支持?jǐn)?shù)據(jù)操作、處理等操作。而過去的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，如果出現(xiàn)某些問題或者突發(fā)情況，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)展永久性丟失[12-13]。因此，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)及其接口編程時(shí)，要嚴(yán)格遵循規(guī)范化、低耦合性、安全性等要求，在詳細(xì)分析各用戶對系統(tǒng)功能需求基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和處理，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的一致性。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)E-R圖，能夠真實(shí)反應(yīng)體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)不同類型用戶實(shí)體與各項(xiàng)功能間存在的聯(lián)系，它把實(shí)體與屬性之間的聯(lián)系通過圖像展現(xiàn)出來，這就是系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)用中相對應(yīng)的概念模型[14]。從這個(gè)模型圖可知，實(shí)體包括體育視頻、用戶、目標(biāo)跟蹤等，如圖7所示。本次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，用戶信息包含用戶名稱及編號；體育視頻資料包含有待檢測、跟蹤的信息。

圖7 系統(tǒng)實(shí)體E-R圖

2.5.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)滿足以下特征數(shù)據(jù)必須符合以下特征：綜合分析以上數(shù)據(jù)庫的特征及體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)功能要求，應(yīng)對數(shù)據(jù)庫表格內(nèi)的數(shù)據(jù)類型、字段等信息進(jìn)行設(shè)定[15]。必須注意，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含多種復(fù)雜的表格，內(nèi)容也是多種多樣。通過調(diào)查及分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)體育視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)過程中，一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)表無法組成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 系統(tǒng)測試原理及流程

任何一個(gè)系統(tǒng)自設(shè)計(jì)到最終實(shí)現(xiàn)都包含著系統(tǒng)的所有測試環(huán)節(jié)，這主要是為了確保軟件設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)理念和預(yù)期功能。在對系統(tǒng)需求與設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，一般使用兩種檢測手段進(jìn)行。從廣義視角分析，系統(tǒng)測試存在于設(shè)計(jì)到使用的整個(gè)過程，自然可以更為全面的對系統(tǒng)的預(yù)期功能和效果給予保障。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是伴隨計(jì)算機(jī)的發(fā)展而形成的，一直到現(xiàn)在，因?yàn)橄到y(tǒng)漏洞導(dǎo)致的信息丟失事件頻繁出現(xiàn)，引發(fā)該問題的主要因素就是忽視系統(tǒng)的檢測工作引起的。所以，相關(guān)人員必須運(yùn)用恰當(dāng)、有效地測試措施進(jìn)行修正，以此完善或修復(fù)系統(tǒng)之前的漏洞。開展軟件測試的準(zhǔn)則如下：1）進(jìn)行測試前，必須制定完善的測試計(jì)劃；2）設(shè)法擴(kuò)大系統(tǒng)測試規(guī)模，自小規(guī)模測試開始，逐漸演變成為大規(guī)模測試；3）由使用者視角對軟件進(jìn)行測試，以用戶需求為出發(fā)點(diǎn)及時(shí)掌握那些無法滿足用戶需求的錯(cuò)誤。此外，軟件測試必須盡早執(zhí)行，不可將測試看成整個(gè)系統(tǒng)的最終階段，應(yīng)將其觀察軟件所用生命周期的始終。4）依據(jù)Pareto原理，部分錯(cuò)誤極易在少數(shù)程序模塊內(nèi)出現(xiàn)，進(jìn)而檢測系統(tǒng)性能。此外，對于非法及非預(yù)期輸入的數(shù)據(jù)，也必須向合法用戶輸入數(shù)據(jù)，并編寫相應(yīng)的測試用例。該系統(tǒng)測試操作步驟見圖8。

圖8 系統(tǒng)測試操作流程

軟件測試包含多種方式，最常使用的測試方式包含白盒測試、黑盒測試、有效等價(jià)劃分法等。但任何一款軟件均要通過多種方式的組合測試，由于單一的測試方式基本上無法覆蓋軟件運(yùn)行各類情況。因此，一個(gè)發(fā)展成熟的軟件測試應(yīng)由幾類測試方法組合起來完成測試。但不管使用何種測驗(yàn)方法，基本測試流程均由單元、集成、系統(tǒng)及驗(yàn)收測試這幾個(gè)步驟。軟件性能測試旨在對軟件穩(wěn)定性展開評估，包含強(qiáng)度、負(fù)載、基準(zhǔn)測試等內(nèi)容[16]。本文主要做法在于測試應(yīng)用程序及系統(tǒng)級別的安全性。

3.2 測試用例與結(jié)果

在體育視頻管理模塊內(nèi)，對于視頻檢索功能展開測試，管理人員順利進(jìn)入系統(tǒng)后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊體育視頻管理，即可進(jìn)入體育視頻管理界面并點(diǎn)擊相應(yīng)的視頻檢索功能，挑選所輸入的查詢條件，即：視頻錄制時(shí)間、視頻名稱等信息，單擊確定以后，系統(tǒng)則自動(dòng)發(fā)揮至查詢結(jié)果。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能展開測試，主要做法在于檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及糾錯(cuò)性能。根據(jù)測試用戶數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)寬帶之間的影響，檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，性能測試用例如表1所示。通過上述測試可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能達(dá)到實(shí)際需求，也能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。

表1 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

4 結(jié)論

總之，隨著計(jì)算機(jī)、視覺等技術(shù)的發(fā)展，電子與視頻處理技術(shù)得以廣泛用于日常生活及工作領(lǐng)域一種。而智能化視頻監(jiān)控及處理系統(tǒng)主要應(yīng)用于車輛監(jiān)控、動(dòng)態(tài)測量、場所監(jiān)測等領(lǐng)域。本課題研究旨在完成體育視頻管理、目標(biāo)監(jiān)測及跟蹤等功能，本文在詳細(xì)介紹系統(tǒng)不同模塊功能的同時(shí)，運(yùn)用現(xiàn)代化軟件及技術(shù)，給出系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試用例及性能檢測，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，這一研究及數(shù)據(jù)獲取也對提高運(yùn)動(dòng)員及教練的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量發(fā)揮著積極的作用。