基于圖像識別的立定跳遠自動測距系統設計

王震 鞏秀鋼 馮韶文 楊晨 王濤

Abstract： At present， there are few types of standing long jump automatic distance measuring systems on the market， which are mainly divided into pressure sensor ranging and infrared sensor ranging.The required large number of sensors results in high prices and it is inconvenient to move the instruments during the measurement process.To solve this problem， standing long jump automatic distance measuring system based on image recognition is designed.The system uses an ARM microprocessor as the core， and externally connects multiple modules such as radio frequency identification， image acquisition and alarm prompts.The radio frequency identification module is used to detect the user's identity， and the high-definition， high-speed autofocus camera is used as an image acquisition device. Image processing is performed by an algorithm to realize achievement measurement.The test shows that the design of the standing long jump automatic distance measuring system can achieve accurate measurement of the user's standing long jump， the system is stable and reliable， and the output is within the theoretical error range.The automatic ranging system has the characteristics of low cost and low power consumption， and can be applied to various applications.

引言

立定跳遠是學生在校期間體育達標的必測項目[1]。在立定跳遠測試中，許多學校已經采用了自動測距系統。目前，立定跳遠自動測距常規采用的方法主要有2種。一種是利用壓力傳感器進行測距，當測試者落地后，觸發跳毯下方壓力傳感器，產生電平信號，計算出成績。另一種是利用紅外對射傳感器的持續對射實現測距[2]，跳毯上方布置紅外線光路，正常紅外脈沖照射時，紅外接收端輸出低電平信號，當測試者落地后發生遮擋，遮擋范圍內的紅外接收端輸出高電平，從而計算出成績。通過分析可知，前者由于需要將壓力傳感器以面的形式布設到跳毯下方，所需傳感器數量較多，導致設備笨重、移動不便。而采用后者雖然設備重量輕、移動便捷，但由于紅外對射傳感器需排布在跳毯上方，在使用過程中易發生觸碰，導致對射傳感器的角度發生改變，對成績的測量精度將會帶來一定的誤差。

在分析了如上2種方法的特點之后，本文研發提出了一種的基于圖像識別[3-4]的立定跳遠測距系統。在硬件設計上采用ARM微處理器作為控制主機和網絡服務器，并增加了射頻識別、報警提示、圖像采集等功能模塊。其中，ARM微處理器具有高速運算的能力，可以對采集到的圖像進行高速處理[5-6]，并對處理后的圖像提送至算法分析[7-8]，從而計算出測距成績。本系統在實現測距功能的同時，增加了用戶刷卡登錄、數據導出及遠程傳輸[9-10]、報警提示[11]等功能，保證了測試流程的便捷性和測試結果的公平性。

1系統整體設計方案

立定跳遠自動測距系統方案設計如圖1所示。系統主要由人機交互模塊、檢測模塊、核心控制模塊和上位機構成。其中，人機交互模塊包括圖像采集功能、射頻識別功能和報警提示功能。檢測模塊由紅外對射模塊、振動檢測模塊組成，通過采集用戶的測試信號，用以觸發圖像采集功能。核心控制模塊主要采用ARM微處理器作為控制器，通過查詢射頻識別輸入的信息，判斷是否與數據庫服務器中的數據相匹配，若不匹配，則進行報警提示，若匹配，則控制圖像采集模塊開啟工作，再對采集的圖像進行加工、計算，最終將結果遠程傳輸至上位機加以存儲，并通過Web端提供效果顯示。

2系統硬件設計

2.1系統結構圖

立定跳遠自動測距系統結構布局如圖2所示。 圖2中，部分1是系統的圖像采集模塊，主要用于測試過程中的圖像采集；部分2是系統的射頻識別模塊，重點調配用戶的刷卡登錄功能；部分3是系統的核心控制模塊，實現對系統各個模塊的統籌控制以及圖像處理；部分4是振動檢測模塊，將隨時監測用戶是否跳躍落地，以觸發圖像采集進程；部分5是紅外對射模塊，具體功能是防止用戶測試過程中超過起跳線造成違規，發揮報警提示作用。下面，針對本系統中的各主體設計模塊則將展開如下研究論述。

2.2核心控制模塊

本設計采用ARM Cortex-A53內核的64位處理器BCM2837作為系統控制器，處理器基于高性能的ARM Cortex-A53的64位精簡指令集計算機內核，工作頻率高達1.2 GHz、擁有4核ARM處理器、1 GB RAM存儲器，具有很高的處理速度和運算能力。該控制器還具有HDMI接口、4個USB 2.0端口，支持通過輸入/輸出設備進行可視化操作；搭載藍牙和WiFi模塊，控制器通過無線傳輸與服務器建立連接，優化了控制器和上位機之間數據交互，實現信息傳遞；配有40針擴展GPIO引腳，多個擴展GPIO口可以連接多個傳感器從而定制多種功能，同時經過GPIO傳輸數據，最終呈現高效和穩定的效果。

2.3人機交互模塊

本系統人機交互模塊主要包括圖像采集、射頻識別、報警提示3部分。考慮到系統的通信速率、兼容性和擴展性等要求，同時又考證了市場上現有射頻芯片的功能、成本和應用范圍，本系統射頻識別模塊采用了125 KHz的射頻識別模塊。圖像采集模塊選用KS8A17AF硬件800萬像素高清高速自動對焦攝像頭模組，該攝像頭模組尺寸為38 mm*38 mm（±1 cm），采用USB3.0標配接口，供電方式為USB供電，分辨率為JPG/YUY 2幀速，所采用攝像頭反應迅速，可通過指令進行圖像的抓取。

2.4檢測模塊

本系統檢測模塊由紅外對射模塊和振動檢測模塊組成。具體來說，紅外對射模塊由發射端和接收端2部分組成，其主要作用是檢測用戶起跳時是否越界。由于感應方式是對射型，故將其分別放置于跳毯起跳線兩端。基于本次設計的實際情況，并酌情考量了市場上傳感器成本，本系統最終采用感應距離1 m的HD-DS100CM紅外對射模塊。

為捕捉用戶起跳后落地瞬間，本系統設計了一種振動檢測模塊。該模塊在沒有接收到振動信號時，振動開關呈閉合導通狀態，輸出端保持低電平，綠色指示燈常亮；當振動傳感器捕捉到用戶落地產生振動時，開關瞬間斷開，輸出端轉為高電平，綠色指示燈不亮；輸出端與核心控制模塊直接相連，通過核心控制模塊檢測高低電平的變化，作為觸發采集模塊工作的開關。

振動檢測模塊原理設計可如圖3所示。

3系統軟件設計

本測距系統的軟件設計主要包括基于圖像處理的測距算法、測量結果的遠程傳輸及Web端顯示2部分。這里，將給出每一部分的設計闡釋與分析。

3.1基于圖像處理的測距算法

3.1.1降噪處理

由于實際測試中的顏色限制，在HSV空間中相對于在RGB空間中將更易于表示顏色范圍，因而首先需要將攝像頭采集的圖像通過調節閾值，將RGB色彩模式中的數據轉換為HSV顏色模型中的數值，即在不影響后續計算過程的前提下將彩色圖像調制為黑白圖像。利用圖像去噪中主要應用的2種形態學濾波方法，也就是：圖像的開運算和閉運算。通過對圖像的多次膨脹和腐蝕處理，實現圖像的精準去噪。采集的跳毯圖像降噪前后對比即如圖4、圖5所示。

3.1.2四角檢測

對本系統擬將識別的跳毯區域進行四角檢測，依次遍歷降噪后圖像中的全部白色像素點，分別記錄標出最上、最右、最下、最左4個白色像素點的坐標。由此求出的4個坐標組成的連通區域，就是跳毯在降噪之后圖像中的效果圖，即為測試過程中的極限區域，用戶的測試成績應當在此范圍之內。

3.1.3透視變換

透視變換是指利用透視中心、像點、目標點三點共線的條件，按透視旋轉定律使承影面（透視面）繞跡線（透視軸）旋轉某一角度，破壞原有的投影光線束，仍能保持承影面上投影幾何圖形不變的變換，透視變換過程如圖6所示。

本系統根據四角檢測所求出的四角坐標對其進行透視變換，將跳毯透視圖轉化為矩形圖，以利于后期的處理計算。

采集用戶測試后的圖像如圖7所示，用戶的測試圖像與圖4進行相交運算，得到的結果引入透視變換，即可得到如圖8所示的效果圖。

3.1.4成績計算

通過對透視變換之后的圖像進行自下而上依次遍歷，得出圖8中黑色陰影縱坐標的最小值，縱坐標通過比例換算即可得到實際成績。

3.2測量結果的遠程傳輸及Web端顯示

3.2.1數據傳輸

本系統采用的數據傳輸方法是基于Http協議的Post方法。Post方法是提交數據給指定的服務器處理的方法，此方法沒有數據長度要求。

3.2.2Web端顯示

本系統借助可視化手段，將數據清晰有效地展示出來，用戶通過瀏覽器訪問服務器數據。系統前端頁面主要是利用ECharts組件生成，此組件自帶了多種展示數據的API，在提高開發速度的同時，也降低了開發成本。

在ECharts提供的JavaScript代碼中插入變量，經服務器處理之后傳回到瀏覽器，瀏覽器解析靜態網頁之后即可將數據發布出來。測試數據在網頁端的顯示效果如圖9所示。

圖9中，條形圖是學生的成績展示。其中，紅色是女生測試成績，藍色是男生測試成績。本頁面每10 s定時刷新一次，實現成績頁面的動態展示。

4結束語

體育儀器的智能化方興未艾，是一個極具開發前景的重要研發方向。本文設計了基于圖像識別方法的立定跳遠測距系統，利用對圖像的分析，快速計算出跳遠成績。通過射頻識別模塊對用戶身份給出驗證判定，測量結果通過無線網絡發送到遠程的上位機，進行后期的分析和圖形化的顯示及存儲。該測距系統經過測試，在測量方法、精度、經濟性等各方面均達到了設計要求，可以應用到校園或者相關機構的智能化體能測試場景中。（下轉第70頁）參考文獻

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