基于径赛终点图像采集计时系统设计与实现.doc

基于径赛终点图像采集计时系统设计与实现
摘要： 在各类竞速体育比赛中，尤其是中短距离的冲刺运动成绩判定，仅仅依靠手工计时是无法满足要求的，目前，我国各类大赛运动成绩判定使用最多的是国外生产的彩色图像计时判定系统。我国自主研发的该类设备依然停留在黑白图像计时判定水平上，本文将高速彩色线阵电荷耦合器件charge-coupled device技术应用于径赛终点高速图像采集电动计时系统中，介绍了终点计时系统的组成和工作原理，同时对彩色图像采集后期处理中影响图像质量的各种因素进行了深入的分析，详尽描述了在数字图像处理中如何运用灰度、彩色平衡、直方图均衡化等数字图像处理技术，从而得到清晰的、高质量的彩色图像数据。
abstract: at present, all kinds of racing in sports, especially in the short sprint exercise performance judgment, only rely on manual timing is unable to meet the requirements of the various types of competition, our country rely on most is the foreign production of color image timing decision system. at present, china’s independent research and development of this kind of equipment still remain in the black and white image timing decision level, this paper will be of high speed color linear ccd array charge-coupled device technology to track end high speed image acquisition electric timing system, introduces the terminal timing system composition and working principle, and the late effects of treatment in color image acquisition the image quality of the various factors to carry on the thorough analysis, detailed description in digital image processing in how to use the gray scale, color balance, such as histogram equalization of digital image processing technology, in order to get clear, high quality of color image data.
关键词： 终点图像采集；时标叠加；数字图像处理；电荷耦合器件
key words: collecting image；time base superposition；digital image processing；charge-coupled device
中图分类号：tp274+.2 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）11-0153-02
0 引言
径赛终点图像采集计时系统主要应用于各种竞速类比赛终点图像判读，当前的各类竞速比赛最终结果往往决定于百分之一秒甚至千分之一秒，人肉眼很难分辨，所以靠以往的人工计时已经无法满足要求。国际田联也同时规定要求只有电子计时系统判定的成绩才能作为最终的结果，并予以认可[1]。目前我国已经将径赛终点图像采集计时系统应用于国内各类比赛之中。我国在体育电子设备领域的研究、生产比国外同类产品起步晚，技术含量低，比赛判读精度不高、判读图像也还停留在黑白图像判定这一水平上，而国外同类产品虽然性能上有优势，但是每套价格高，有的甚至在几十万美元左右，需要大量外汇，这不符合我国国情更不适合普及，所以研制新一代彩色图像计时系统是竞技体育的需要，也是科技工作者科技创新的需要。
1 径赛终点图像采集计时系统组成及工作原理
终点判定系统与相关设备现场连接示意图如图1所示。它主要由发令信号传感器、信号传输、图像采集处理系统等组成。
以往手动计时，终点裁判员通过目测观察起端烟屏来启动手中的计时器，这一般要延迟零点几秒。我们选用高灵敏度的声音传感器作为起端拾音设备，从而保证了系统及时启动。声音传感器感知裁判员发令枪声后，通过无线或有线方式启动设在终点摄像房的图像判读计时系统开始计时，系统开始以千分之一秒开始计时，当运动员通过终点时，终点裁判长可以控制高精度终点摄像机进行终点图像采集。在此，系统会自动在图像上进行时标叠加，并将运动员的冲刺连续图像存储到内存中，如果图像较多，也可以暂存到计算机硬盘中。当所有运动员全部通过终点后，计时裁判员可以通过显示器调出所有叠加上时标的图像进行判读，最终结果可以通过计算机进行排序，并打印最终成绩结果，如果需要也可以打印运动员冲刺图像。图像采集系统设备连接如图2所示。
2 系统核心设计
2.1 高速计时图像采集设计 高速图像采集摄像机当中的核心采集器件我们采用全彩色线阵电荷耦合器件ccd（charge coupled devices），它的时钟速率达到2000hz，满足我们系统1000帧/s的要求。按照设计要求采集图像可以达到5000像素/帧，分为红、绿、兰3个采集通道，采集深度达到16位，每通道最高64k色[2]。采集的三基色数据最后需要经过一定算法进行图像还原，图像的采集和时标的叠加要求同步进行，保证判读成绩的准确性。
2.2 成绩判读系统软件设计 软件可以运行于windows、macos、linux平台下，人机操作界面简单、方便，一般裁判员经过快速培训就可以进行现场操作。软件系统完成如下功能：①竞速时间读取；②终点冲刺图像判读；③采集运动图像存取；④运动成绩管理；⑤采集图像的数字处理。
3 采集图像后期处理算法
3.1 图像非线性增强处理 在采集图像同时，会有很多因素影响图像采集质量，导致图像失真。通过图像增强处理可以改善图像显示效果，提高清晰度。将图像转换成一种更适合于人或机器进行分析处理的形式。图像处理可以采取多种非线性曲线处理，根据不同天气环境对采集图像可以进行不同的处理方法，比如说可以通过调整γ曲线不同参数来校正等。图3为经过图像处理算法后的采集图像效果。
3.2 图像rgb色彩平衡 由于我们是通过采用彩色线阵ccd进行图像采集，它分为红、绿、蓝三条线阵通道进行采集相应图像数据，由于不同通道具有不同的敏感度，以及采集象元的不同，这样当我们在进行后期图像整合时会出现rgb三种颜色的不平衡，这样给我们的感官是图像颜色会有所失真，甚至是当我们采用不同的显示器时候也会出现这样的效果[3]。
3.3 直方图均衡化处理 灰度直方图反映了数字图像中每一灰度级与其出现像素频率间的统计关系。它能描述该图像的概貌，例如图像的灰度范围、每个灰度级出现的频率、灰度级的分布、整幅图像的平均明暗和对比度等，为对图像进一步处理提供了重要依据。大多数自然图像由于其灰度分布集中在较窄的区间，引起图像细节不够清晰。采用直方图修正后可使图像的灰度间距拉开或是灰度分布均匀，从而增大反差，使图像细节清晰，达到增强的目的。直方图修正法通常有直方图均衡化及直方图规定化两类[4]。本系统采用直方图均衡化处理方法处理后期采集图像。
4 结语
目前我国各项体育运动正处于蓬勃发展的时期，竞速类运动成绩的判定，要求公平、公正，避免人为因素干扰，这就需要借助相应的电子设备进行裁决，国外的电子设备充斥了该领域，体育电子设备国产化是当务之急。随着2012年伦敦奥运会、2014年索契冬奥会的临近，必将掀起全民体育运动的高潮，竞速类计时系统需求量将会不断增加，所以该系统的设计和开发必将对拉动体育科技产业化发展起到重要意义。
参考文献：
[1]王爱丹.现代化全自动摄像系统计时与裁判工作方法的研究，北京体育大学学报[j].1998，11（02）.
[2]王庆有.图像传感器应用技术[m].电子工业出版社，2003年.
[3]赵丽，赵宇明.计算机辅助彩色立体图像生成中的误差分析与处理 [j].光电技术，2006，29（04）.
[4]李开端，李树军.基于直方图统计学的图像增强算法研究[j].科学技术与工程，2011，23（08）.