體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統的設計

李鑫

（西安工業大學體育學院，陜西西安710032）

隨著通信、計算機等技術的發展，這些處在前沿的理論及技術廣泛用于實際生活及工作中，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學者研究的重點內容，例如：城市樓宇建設、體育視頻跟蹤與檢測等內容。在大量的研究中，主要還是依托目標展開研究，先依據實際需求，明確相應的目標，隨之準確對目標完成跟蹤與檢測，最終獲得相應的跟蹤結果。但在具體跟蹤操作中，目標一直處在運動狀態，有時會遭受背景的干擾，其跟蹤目標準確性明顯下降。想要更好地完成這項任務，必須運用現代化技術和方法，把目標自背景內分離出來，并對目標執行提取處理，順利完成高效率目標檢測與捕捉。本文設計的體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統對有待檢測場景展開分析，進一步分析移動目標軌跡，并依據軌跡對目標完成跟蹤。在已有研究領域內，多數研究學者依據現有移動物體軌跡對目標未來運動軌跡進行研究，從而獲得一個功能齊全、完整的運動目標跟蹤與預測系統。本文以體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統設計需求為研究視角，詳細介紹該系統體育視頻管理、目標檢測等模塊設計情況，并提出相應的檢測實例，從而檢驗所設計系統的可行性。

1 系統需求分析

該系統需求分析就是對體育視頻內的運動目標展開統一檢測及跟蹤管理，如何便于綜合分析、管理運動視頻，則是運用該管理系統急需解決的問題。因此，本次設計的體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統要為用戶提供操作的可行性。系統拓撲結構見圖1。該系統主要用戶包含系統管理員、普通用戶、采集人員等。使用者利用以太網對Intemet進行訪問，再利用防火墻與路由器、網關實現連接，網關借助以太網和應用系統服務器、數據訪問服務器實施連接，如此一來，順利實現客戶端與服務器端之間的交互操作[1-2]。

圖1 系統整體拓撲結構

2 設計系統總架構

應用層就是體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統實際應用中，主要包含視頻采集管理模塊、目標跟蹤、目標檢測等管理模塊。數據訪問層作為系統訪問數據的實際過程，該系統運用目標跟蹤與檢測算法進一步訪問數據庫內的數據信息。數據連接層主要功能在于存放系統內的各類信息，包含視頻信息、視頻檢測信息、用戶信息等[3]。所設計系統中體育視頻管理模塊主要功能包括視頻維護、視頻上傳、視頻檢索等功能；而目標檢測模塊主要由目標檢測、目標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；目標跟蹤主要包含目標匹配處理、參數結果顯示及建立目標模板等功能[4-5]。系統功能結構如圖2所示。

圖2 系統各功能結構簡圖

2.1 體育視頻管理模塊

系統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的用戶名稱及登錄密碼進入系統，隨之對體育視頻管理模塊進行訪問處理，依托及時調用videosearchf()方法完成視頻的檢索處理[7-8]。在此基礎上，視頻管理者會依據相應的提示信息輸入有待檢索的視頻信息，并執行提交操作。這種情況下，系統自動與數據庫實現連接，并把視頻信息保存在在數據內，最終將相應的存儲結果返回至視頻管理者。

圖3 視頻檢索操作時序圖

2.2 目標檢測管理模塊

該模塊功能在于對所采集的體育運動視頻目標展開檢測與分析，可以當做體育訓練過程中的分析數據使用。該功能主要功能如下：目標檢測、檢測結果顯示、目標模型更新等。視頻分析管理者先要輸入自己的用戶名稱及密碼，即可順利進入到視頻目標檢測模塊，隨之發出視頻目標檢測請求，系統會自動提示添加相應的視頻目標數據，添加操作后提交檢測結果保存至數據庫，并顯示檢測成功信息[9-10]。

2.3 目標跟蹤管理模塊

該模塊主要功能是實時跟蹤某一運動目標，隨之借助跟蹤獲得相應數據，并對其展開分析處理。這個模塊功能旨在輔助運動人員展開訓練，其主要執行者是視頻分析員。該功能主要功能在于建立目標模板、跟蹤目標實例等，具體操作流程如下，先設計固定的拍攝位置，隨之設計合理的跟蹤計算參數，通過已有方法進一步鎖定目標，并完成背景分離及軌道預測處理，其實現流程見圖5。

圖4 目標檢測操作流程圖

圖5 目標跟蹤操作流程

2.4 視頻采集管理模塊

該模塊主要功能在于獲得體育運動中的視頻圖像信息，這個功能具體執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，管理人員輸入相應的用戶名稱及密碼即可進入系統，登錄操作成功后進入視頻采集模塊，借助調用CaptureVIdeoInAIn（）方法，進一步采集視頻輸入及初始化操作，確保系統與數據庫順利實現連接，并處理這一操作信息，最終交由視頻采集者[11]。

圖6 視頻采集時序簡圖

2.5 數據庫圖表設計

2.5.1 E-R圖設計

數據庫是體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統的信息存儲中心，數據庫結構設計質量直接影響整個系統實際運行狀況。因此，配置合理的數據庫不僅能提升數據存儲效率，也可以保障信息的完整性及安全性。系統配置的數據庫系統優劣，主要表現在它能否提供齊全的功能、系統性能是否優越、是否支持數據操作、處理等操作。而過去的數據存儲系統，如果出現某些問題或者突發情況，會導致數據發展永久性丟失[12-13]。因此，對數據庫進行設計及其接口編程時，要嚴格遵循規范化、低耦合性、安全性等要求，在詳細分析各用戶對系統功能需求基礎上，完成系統的設計和處理，進而保證數據的一致性。設計的系統E-R圖，能夠真實反應體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統不同類型用戶實體與各項功能間存在的聯系，它把實體與屬性之間的聯系通過圖像展現出來，這就是系統與實際運用中相對應的概念模型[14]。從這個模型圖可知，實體包括體育視頻、用戶、目標跟蹤等，如圖7所示。本次所設計的系統中，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 系統實體E-R圖

2.5.2 設計數據庫的表結構

系統內的數據庫應滿足以下特征數據必須符合以下特征：綜合分析以上數據庫的特征及體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統功能要求，應對數據庫表格內的數據類型、字段等信息進行設定[15]。必須注意，所設計的系統數據庫中包含多種復雜的表格，內容也是多種多樣。通過調查及分析發現，在整個體育視頻運動目標檢測與跟蹤系統設計及開發過程中，一個獨立的數據表無法組成系統數據庫。

3 系統性能測試

3.1 系統測試原理及流程

任何一個系統自設計到最終實現都包含著系統的所有測試環節，這主要是為了確保軟件設計滿足設計理念和預期功能。在對系統需求與設計進行驗證時，一般使用兩種檢測手段進行。從廣義視角分析，系統測試存在于設計到使用的整個過程，自然可以更為全面的對系統的預期功能和效果給予保障。系統的設計與開發是伴隨計算機的發展而形成的，一直到現在，因為系統漏洞導致的信息丟失事件頻繁出現，引發該問題的主要因素就是忽視系統的檢測工作引起的。所以，相關人員必須運用恰當、有效地測試措施進行修正，以此完善或修復系統之前的漏洞。開展軟件測試的準則如下：1）進行測試前，必須制定完善的測試計劃；2）設法擴大系統測試規模，自小規模測試開始，逐漸演變成為大規模測試；3）由使用者視角對軟件進行測試，以用戶需求為出發點及時掌握那些無法滿足用戶需求的錯誤。此外，軟件測試必須盡早執行，不可將測試看成整個系統的最終階段，應將其觀察軟件所用生命周期的始終。4）依據Pareto原理，部分錯誤極易在少數程序模塊內出現，進而檢測系統性能。此外，對于非法及非預期輸入的數據，也必須向合法用戶輸入數據，并編寫相應的測試用例。該系統測試操作步驟見圖8。

圖8 系統測試操作流程

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行各類情況。因此，一個發展成熟的軟件測試應由幾類測試方法組合起來完成測試。但不管使用何種測驗方法，基本測試流程均由單元、集成、系統及驗收測試這幾個步驟。軟件性能測試旨在對軟件穩定性展開評估，包含強度、負載、基準測試等內容[16]。本文主要做法在于測試應用程序及系統級別的安全性。

3.2 測試用例與結果

在體育視頻管理模塊內，對于視頻檢索功能展開測試，管理人員順利進入系統后，用鼠標點擊體育視頻管理，即可進入體育視頻管理界面并點擊相應的視頻檢索功能，挑選所輸入的查詢條件，即：視頻錄制時間、視頻名稱等信息，單擊確定以后，系統則自動發揮至查詢結果。

本次設計的系統中，對系統網絡性能展開測試，主要做法在于檢驗系統的穩定性及糾錯性能。根據測試用戶數量與網絡寬帶之間的影響，檢驗系統的性能，性能測試用例如表1所示。通過上述測試可知，所設計系統的性能達到實際需求，也能保障系統的穩定性及安全性。

表1 系統性能測試結果

4 結論

總之，隨著計算機、視覺等技術的發展，電子與視頻處理技術得以廣泛用于日常生活及工作領域一種。而智能化視頻監控及處理系統主要應用于車輛監控、動態測量、場所監測等領域。本課題研究旨在完成體育視頻管理、目標監測及跟蹤等功能，本文在詳細介紹系統不同模塊功能的同時，運用現代化軟件及技術，給出系統數據測試用例及性能檢測，進一步驗證系統的性能，這一研究及數據獲取也對提高運動員及教練的運動質量發揮著積極的作用。