[發(fā)明專利]基于圖像處理的引體向上計數(shù)系統(tǒng)及計數(shù)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710264022.2
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN107103298B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃知超;趙文明;趙華榮
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;A63B71/06
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務(wù)所有限責(zé)任公司 45112
• 代理人: 陸夢云

1.基于圖像處理的引體向上計數(shù)方法，其特征是，包括如下步驟：

(1)設(shè)置一個基于圖像處理的引體向上計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控制器、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、辨別信息統(tǒng)計模塊、動作計數(shù)模塊、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊和光源，主控制器分別與數(shù)據(jù)顯示模塊、辨別信息統(tǒng)計模塊、動作計數(shù)模塊、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊和光源連接，圖像采集模塊通過預(yù)處理模塊、人臉人手識別模塊、坐標提取模塊與主控制器連接；

(2)獲取特定動作圖像：采集被測試者在指定位置呈特定動作的圖像；

(3)圖像預(yù)處理：將彩色RGB圖像轉(zhuǎn)化成8位灰度圖像，然后對灰度圖像進行濾波平滑，以除去噪聲干擾，利用Canny算子對灰度圖像進行邊緣檢測生成邊緣二值圖像，并以圖像左上角為坐標原點，垂直向下方向為X軸，水平向右方向為Y軸建立圖像坐標系；

(4)直線線段檢測：在極坐標系中，用參數(shù)極徑r和極角θ表示一條直線，表達式為：

其中，為直線斜率，為直線截距；

由于圖像中檢測到的直線不止一條，因此對檢測到的直線增加直線斜率以及直線長度值的限制，最后剩單杠上下邊緣兩條最為明顯的邊緣直線，分別取x軸上兩條直線中心點值x₁和x₂，求其均值，

因此，單杠高度為：

(5)人臉人手檢測：收集正面人臉圖像和人手圖像作為訓(xùn)練集，然后使用haar-like矩形特征表示人臉和人手，計算每一個像素點的特征值，挑選出最能代表人臉和人手的矩形特征，并通過檢測窗口位置和比例的不斷調(diào)整找到人臉和人手；

(6)旋轉(zhuǎn)不變矩計算：用相應(yīng)的外輪廓將步驟(5)找到的人臉和人手的大致位置包圍起來，并將圖像轉(zhuǎn)化成二值圖像，呈一個二維密度分布f(x，y)，

圖像f(x，y)的(p+q)階幾何矩函數(shù)為：

其中f(x，y)為點(x，y)處圖像的亮度值，是圖像亮度f(x，y)定義的像素空間區(qū)域，x^py^q是變換核，M_pq稱為p+q階幾何矩，

零階幾何矩m₀₀代表圖像總亮度，在二值圖像中，m₀₀是目標區(qū)域的幾何面積；

一階幾何矩m₁₀，m₀₁是圖像關(guān)于x軸和y軸的亮度矩，其亮度矩心(X₀，Y₀)公式為：

在二值圖像中，點(X₀，Y₀)為圖像區(qū)域的幾何中心，即質(zhì)心；

因此，求二值圖像的零階矩m₀₀便求得人臉面積，再除以一階矩m₁₀，m₀₁便得到人臉、人手的質(zhì)心；

(7)通過上述步驟得到橫杠高度值x₀，人臉面積s₁，人臉質(zhì)心坐標(x_1手，y_1臉)和人手質(zhì)心坐標(x_1手，y_1手)，用橫杠高度值x₀，人臉面積s₁，人臉和人手心距離h＝x_1手-x_1手，三個數(shù)值作為判斷引體向上動作是否合格的閾值；

(8)獲取引體向上圖像序列：采集并記錄被測試者在整個引體向上計數(shù)考核中的圖像序列，直至整個計數(shù)考核結(jié)束；

(9)圖像序列預(yù)處理：對圖像序列進行灰度化，高斯模糊；將彩色RGB圖像轉(zhuǎn)化成8位灰度圖像，然后對灰度圖像進行濾波平滑，以除去噪聲干擾，利用Canny算子對灰度圖像進行邊緣檢測生成邊緣二值圖像，并以圖像左上角為坐標原點，垂直向下方向為X軸，水平向右方向為Y軸建立圖像坐標系；

(10)運動人體檢測和前景提取：以運動物體為前景，其余為背景，對背景進行建模，通過減除法用當(dāng)前幀減除背景，將運動人體從整個圖像序列中提取出來進行分析計數(shù)；為了保證前景圖像有更好的結(jié)果，對特定區(qū)域進行形態(tài)學(xué)變換，以消除特定區(qū)域的噪聲干擾，計算感興趣區(qū)域前景像素點灰度總和；

(11)人體膚色檢測：將圖像序列從RGB顏色空間轉(zhuǎn)化為YCrCb顏色空間，轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

Y＝0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

C_b＝-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128

C_r＝0.439*R-0.368*G-0.071*B+128 (5)

其中：在YCrCb顏色空間中，Y指亮度信息，C_b指色調(diào)，C_r指飽和度；

在RGB顏色空間中，R代表紅色分量，G代表綠色分量、B代表藍色分量；

在CrCb二維空間中皮膚像素點會近似成一個橢圓分布，如果該坐標(Cr，Cb)在橢圓分布內(nèi)，此像素點就被認定為皮膚像素點，如果在橢圓分布外，此像素點就被認定為非皮膚像素點；

將在采集到的膚色樣本點投影到CbCr平面，投影后對其進行非線性K-L變換，對皮膚像素點進行統(tǒng)計分析形成了膚色橢圓模型；

橢圓膚色模型描述為：

其中，c_x＝109.38，c_y＝152.02，θ＝2.53，ec_x＝1.6，ec_y＝2.41，a＝25.39，b＝14.03；加入相應(yīng)的限制條件，檢測出圖像序列中的人臉；

(12)旋轉(zhuǎn)不變矩計算：用相應(yīng)的外輪廓將步驟(11)檢測出圖像序列中的人臉包圍起來，并將圖像轉(zhuǎn)化成二值灰度圖像，呈一個二維密度分布f(x，y)，

圖像f(x，y)的(p+q)階幾何矩函數(shù)為：

其中f(x，y)為點(x，y)處圖像的亮度值，是圖像亮度f(x，y)定義的像素空間區(qū)域，x^py^q是變換核，M_pq稱為p+q階幾何矩，

零階幾何矩m₀₀代表圖像總亮度，在二值圖像中，m₀₀是目標區(qū)域的幾何面積；

一階幾何矩m₁₀，m₀₁是圖像關(guān)于x軸和y軸的亮度矩，其亮度矩心(X₀，Y₀)公式為：

在二值圖像中，點(X₀，Y₀)為圖像區(qū)域的幾何中心，即質(zhì)心，

因此，求二值圖像的零階矩m₀₀便求得人臉面積，再除以一階矩m₁₀，m₀₁便得到圖像序列中人臉質(zhì)心(x₂，y₂)；

(13)引體向上動作判定及計數(shù)

圖像序列中人臉質(zhì)心離單杠距離為：

h₁＝x₂-x₀ (10)

隨著圖像序列的變化，s和h₁也在不斷變化中；

當(dāng)s＝s1時，即表示運動員完成一次合格的上拉動作，人臉下巴過橫杠；完成上拉動作以后，當(dāng)h1＝h時，即表示運動員完成一次合格的手臂伸直動作，此時記一次合格的引體向上動作；

(14)當(dāng)整個圖像序列結(jié)束時，整個計數(shù)過程停止，存儲并輸出引體向上動作次數(shù)。