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第 2 期 王 向 东 等 : 一 种 运 动 轨 迹 引 导 下 的 举 重 视 频 关 键 姿 态 提 取 方 法 257 竞 技 体 育 比 赛 越 来 越 激 烈, 为 了 提 高 体 育 训 练 的 效 率, 有 必 要 在 体 育 训 练 中 引 入 科 学 定 量 的 方 法 许 多 竞 技 体 育 训 练 中, 需 要 对 运 动 员 动 作 的 准 确 性 进 行 分 析, 这 就 需 要 提 取 关 键 的 动 作 姿 态, 并 进 一 步 根 据 人 体 关 节 位 置, 提 取 相 应 训 练 参 数 关 键 姿 态 提 取 本 质 上 是 姿 态 估 计 或 姿 态 识 别 问 题, 国 内 外 有 许 多 学 者 对 这 一 问 题 进 行 了 研 究, 这 些 方 法 可 以 分 为 基 于 特 征 的 方 法 和 基 于 人 体 模 型 的 方 法 基 于 特 征 的 方 法 直 接 从 图 像 中 提 取 人 体 的 姿 态 特 征, 并 通 过 机 器 学 习 建 立 不 同 类 型 姿 态 的 分 类 器 用 于 姿 态 识 别 和 估 计 常 用 的 人 体 姿 态 特 征 有 轮 廓 统 计 特 征 [1-2] 圆 形 方 向 直 方 图 特 征 [3] [4-5] 姿 态 集 等 等 前 两 种 特 征 需 要 根 据 对 象 的 轮 廓 边 缘 来 提 取, 要 求 精 确 的 人 体 分 割, 而 背 景 环 境 的 影 响 使 得 精 确 度 的 人 体 分 割 面 临 [6] 很 大 的 挑 战 姿 态 集 是 一 个 给 定 视 角 下 的 人 体 姿 态 的 一 部 分, 每 个 姿 态 集 都 是 由 图 像 的 梯 度 直 [7] 方 图 HOG 特 征 训 练 学 习 的 一 个 分 类 器, 图 像 的 HOG [8] 特 征 对 图 像 局 部 出 现 的 方 向 梯 度 次 数 进 行 计 数, 这 种 特 征 计 算 是 基 于 空 间 一 致 性 的 密 度 矩 阵 来 提 高 准 确 率, 因 此 被 广 泛 采 用 基 于 模 型 的 方 法 首 先 建 立 人 体 姿 态 空 间 表 示, 用 图 像 特 征 描 述 人 体 的 各 个 部 分, 通 过 图 像 特 征 推 断 求 解 所 对 应 的 空 间 姿 态, 确 定 人 体 姿 态 在 文 献 [9] 中 采 用 了 人 体 的 棍 状 模 型, 通 过 数 据 库, 多 角 度 多 姿 态 训 练 得 来 的 运 动 先 验 树 模 型, 确 定 姿 态 的 空 间 表 示, 身 体 部 分 模 型 采 用 密 集 采 样 的 形 状 上 下 文 描 述 符 子 并 用 AdaBoost 训 练 得 到 显 著 分 类 器 文 献 [10] 扩 展 了 最 初 图 形 结 构 的 模 型, 加 入 了 人 体 半 肢 颜 色 对 称 的 限 制, 通 过 两 次 迭 代 过 程, 最 终 确 定 了 人 体 姿 态 本 文 针 对 举 重 运 动 员 训 练, 提 取 关 键 姿 态 举 重 运 动 一 般 分 六 个 阶 段 [11] : 预 备 提 铃 伸 膝 提 铃 引 膝 提 铃 发 力 下 蹲 支 撑 和 起 立, 相 邻 两 个 阶 段 的 切 换 帧 为 关 键 帧 如 图 1 所 示, 其 中 有 些 姿 态 对 应 于 杠 铃 运 动 轨 迹 的 极 点 位 置, 有 些 则 不 然, 这 就 说 明 有 些 关 键 姿 态 可 以 通 过 杠 铃 轨 迹 来 确 定, 有 些 就 需 要 用 其 他 的 方 法 来 提 取 关 键 帧 (a) 举 重 过 程 片 段 1 (b) 举 重 过 程 片 段 2 (c) 举 重 过 程 片 段 3 图 1 举 重 运 动 过 程 及 关 键 字 姿 态 帧 针 对 上 述 现 象, 我 们 提 出 了 一 种 轨 迹 引 导 下 的 关 键 姿 态 提 取 方 法 首 先 用 一 种 点 相 关 统 计 特 [7] 性 的 目 标 跟 踪 方 法 跟 踪 杠 铃 的 中 心 点, 得 到 运 动 轨 迹 根 据 运 动 轨 迹 的 曲 线 极 值 点 提 取 关 键 视

258 视 觉 与 图 像 2014 年 频 画 面, 而 对 于 其 他 非 轨 迹 极 值 点 处 的 关 键 画 面 采 用 基 姿 态 集 的 姿 态 估 计 和 目 标 检 测 方 法, 主 要 利 用 图 像 的 HOG 特 征, 训 练 每 个 姿 态 的 支 持 向 量 机 分 类 器, 建 立 图 像 的 多 尺 度 扫 描 模 式, 根 据 统 计 结 果 确 定 最 佳 关 键 帧 1 举 重 训 练 视 频 中 杠 铃 运 动 轨 迹 与 关 键 姿 态 的 关 系 分 析 图 2 为 一 段 举 重 视 频 对 应 的 杠 铃 运 动 轨 迹, 运 动 过 程 中 的 关 键 姿 态 如 图 3 所 示, 为 了 方 便 后 续 分 析, 为 图 2 建 立 图 像 坐 标 系 原 点 位 于 图 像 左 下 角, 水 平 向 右 为 x 轴 正 方 向, 竖 直 向 上 为 y 轴 正 方 向, 可 以 看 出, 在 运 动 员 举 重 过 程 中, 杠 铃 在 x 方 向 运 动 不 明 显, 主 要 表 现 为 y 方 向 的 运 动, 因 此 我 们 描 绘 举 重 过 程 中, 杠 铃 的 y 坐 标 随 时 间 变 化 的 情 况, 如 图 4 所 示, 并 且 在 图 中 顺 序 的 标 注 相 应 的 5 关 键 姿 态 帧, 其 中 图 3 中 的 5 个 关 键 姿 态 帧 分 别 对 应 了 图 4 运 动 轨 迹 的 5 个 点 图 4 举 重 视 频 杠 铃 中 心 点 y 值 变 化 和 5 个 关 键 姿 态 帧 分 析 对 应 的 5 个 关 键 姿 态 与 杠 铃 运 动 轨 迹 的 关 系, 从 图 中 可 以 看 出, 关 键 姿 态 帧 中 的 下 蹲 和 起 立 的 姿 态 正 好 在 曲 线 的 极 值 点 处, 根 据 运 动 轨 迹, 第 4 5 个 关 键 姿 态 可 由 曲 线 的 极 值 点 提 取 出 来, 而 前 3 个 关 键 姿 态 则 不 能 根 据 运 动 轨 迹 提 取 综 上 分 析, 直 接 根 据 杠 铃 运 动 轨 迹 可 以 确 定 两 个 关 键 姿 态, 另 外 3 个 关 键 姿 态 与 轨 迹 极 点 无 关, 需 要 引 入 另 外 的 特 征, 因 此 我 们 设 计 了 一 种 关 键 姿 态 检 测 方 案, 该 方 案 综 合 杠 铃 轨 迹 和 姿 态 集 特 征, 能 够 稳 定 地 提 取 关 键 姿 态 2 轨 迹 和 姿 态 集 相 结 合 的 关 键 姿 态 自 动 提 取 方 案 图 2 杠 铃 中 心 点 的 运 动 轨 迹 和 图 像 坐 标 系 2.1 方 案 框 架 我 们 的 方 案 结 合 了 杠 铃 运 动 轨 迹 和 姿 态 集 训 练 方 法 首 先 跟 踪 杠 铃 运 动, 这 里 采 用 武 文 斌 [7] 等 提 出 的 基 于 点 相 关 统 计 特 性 的 目 标 跟 踪 方 法, 进 一 步 跟 踪 结 果 描 绘 杠 铃 运 动 轨 迹, 然 后, 根 据 杠 铃 运 动 轨 迹 确 定 第 4 和 第 5 关 键 姿 态, 同 时 确 定 前 3 个 关 键 姿 态 的 搜 索 范 围, 采 用 基 于 姿 态 集 的 方 法 依 次 提 取 3 个 关 键 姿 态, 方 案 框 图 如 图 5 所 示 杠 铃 跟 踪 (a) 伸 膝 提 铃 (b) 引 膝 提 铃 (c) 发 力 描 绘 杠 铃 轨 迹 确 定 前 3 个 姿 态 搜 索 范 围 确 定 关 键 姿 态 4 和 5 (d) 下 蹲 支 撑 (e) 起 立 图 3 举 重 视 频 中 的 5 个 关 键 姿 态 依 次 搜 索 关 键 姿 态 1,2,3 图 5 方 案 框 图

第 2 期 王 向 东 等 : 一 种 运 动 轨 迹 引 导 下 的 举 重 视 频 关 键 姿 态 提 取 方 法 259 2.2 基 于 姿 态 集 的 关 键 姿 态 提 取 算 法 基 于 姿 态 集 的 关 键 姿 态 提 取 算 法 属 于 机 器 学 习 方 法, 也 包 括 模 型 训 练 和 姿 态 提 取 两 部 分, 算 法 的 框 架 如 图 6 所 示 图 6 基 于 姿 态 集 的 关 键 姿 态 检 测 算 法 框 架 HOG 特 征 输 入 到 相 应 姿 态 的 分 类 器, 即 可 判 定 该 窗 口 是 否 为 相 应 关 键 姿 态 设 p x, y, l i, F ) 代 表 某 帧 视 频 的 一 尺 度 下 的 ( ( w, h, p, Fk 某 个 位 置, ) 表 示 该 帧 画 面 中 点 在 p 的 位 置 窗 口 为 w h 的 HOG 特 征 向 量,W 为 姿 态 分 类 器 的 支 持 向 量 机 的 权 重, 定 义 : 1 if W ( w, h, p, Fk ) thresh H ( w, h, p, Fk ) (1) 0 otherwise 则 定 义 在 第 帧 上 分 类 器 的 检 测 点 数 为 : l max (,,, ) 1, 2,3, max (2) Score H w h p F i l i 1 对 于 一 种 姿 态, 我 们 收 集 同 类 姿 态 对 应 样 本 作 为 训 练 集, 其 他 姿 态 和 背 景 作 为 负 样 本, 图 7 为 一 组 正 负 样 本 示 例 提 取 所 有 样 本 的 HOG 特 征 [8], 一 种 姿 态 训 练 一 个 分 类 器, 每 一 个 分 类 器 都 是 一 个 线 性 的 SVM, 由 于 我 们 采 用 了 整 个 人 体 的 姿 态 特 征, 因 此 训 练 的 模 型 的 稳 定 性 较 好 (a) 姿 态 正 样 本 (b) 姿 态 负 样 本 图 7 发 力 姿 态 的 训 练 集 样 本 示 例 为 了 进 一 步 提 高 算 法 的 鲁 棒 性, 我 们 设 计 了 二 次 训 练 的 框 架, 即 用 初 次 训 练 的 结 果 对 训 练 样 本 进 行 测 试, 把 姿 态 不 符 合 要 求 的 检 测 窗 口 作 为 hardnegtives 加 入 负 样 本 中 重 新 进 行 SVM 分 类 器 训 练 2.3 基 于 多 尺 度 统 计 相 似 度 的 姿 态 检 测 算 法 为 了 保 证 姿 态 检 测 的 尺 度 不 变 性, 我 们 对 一 帧 图 像 在 不 同 尺 度 上 进 行 姿 态 检 测 图 8 是 多 尺 度 检 测 金 字 塔 示 意 图, 在 同 一 尺 度 下, 将 检 测 窗 口 以 一 定 步 长 在 图 像 平 面 滑 动, 提 取 对 应 窗 口 的 图 8 多 尺 度 扫 描 金 字 塔 在 姿 态 检 测 阶 段, 由 于 空 间 姿 态 的 渐 变 特 性, 可 能 会 在 连 续 多 帧 图 像 中 检 测 到 某 一 姿 态 的 相 似 姿 态, 针 对 这 一 问 题, 文 献 [5-6] 都 是 对 检 测 结 果 进 行 聚 类, 最 后 给 出 物 体 的 所 在 位 置, 而 我 们 的 方 法 则 不 是 对 检 测 结 果 进 行 聚 类 我 们 提 出 了 统 计 相 似 度 的 概 念 将 全 部 尺 度 下, 相 应 姿 态 对 应 分 类 器 输 出 相 加, 即 得 到 该 姿 态 的 统 计 相 似 度 Score, 统 计 相 似 度 最 大 的 视 频 帧 的 姿 态, 即 为 对 应 的 关 键 姿 态 F arg max( Score ) k 1, 2, N (3) best 3 实 验 结 果 分 析 3.1 实 验 数 据 我 们 收 集 了 30 段 举 重 视 频 作 为 实 验 数 据, 这 些 视 频 有 的 是 比 赛 视 频 有 的 是 训 练 视 频, 采 集 环 境 背 景 都 有 很 大 不 同, 图 9 为 实 验 训 练 集 的 几 个 视 频 随 机 选 取 其 中 的 22 段 视 频 作 为 训 练 集,8 个 视 频 序 列 作 为 测 试 集, 每 个 姿 态 提 取 30 个 正 样 本, 然 后 将 每 个 样 本 进 行 水 平 镜 像 操 作, 这 样 每 个 姿 态 包 含 60 个 正 样 本, 随 机 抽 取 视 频 中 的 300~400 个 窗 口 作 为 负 样 本

260 视 觉 与 图 像 2014 年 而 本 文 提 出 的 方 法, 利 用 轨 迹 极 点 提 取 姿 态 4 和 5, 准 确 度 非 常 高 在 本 文 中 基 于 姿 态 集 提 取 姿 态 1, 2, 3 时, 也 采 用 了 基 于 姿 态 集 的 方 法, 因 此 检 测 结 果 没 有 变 化 (a) 实 验 视 频 1 (c) 实 验 视 频 2 图 9 实 验 视 频 示 例 3.2 二 次 训 练 的 作 用 为 了 对 比 一 次 训 练 的 分 类 器 和 二 次 训 练 的 分 类 器 的 性 能, 对 相 同 的 视 频 序 列, 用 某 一 个 关 键 姿 态 对 应 的 两 个 分 类 器 进 行 姿 态 检 测, 其 统 计 相 似 度 值 如 图 10 所 示 从 图 10 可 以 看 出, 虽 然 两 个 分 类 器 得 到 的 统 计 相 似 度 峰 值 相 同, 但 显 然 一 次 训 练 的 分 类 器 有 许 多 较 大 的 干 扰 值, 这 也 大 大 增 加 了 误 检 的 概 率 相 比 之 下, 二 次 训 练 的 分 类 器 干 扰 值 就 少 很 多, 也 小 很 多, 这 也 在 一 定 程 度 上 保 证 了 检 测 结 果 的 稳 定 性 3.3 对 比 实 验 对 比 了 本 文 提 出 的 方 法 和 基 于 姿 态 集 的 方 法, 对 比 实 验 结 果 见 表 1 基 于 姿 态 集 的 方 法 对 姿 态 4 的 检 测 结 果 并 不 好, 这 是 由 于 不 同 运 动 员 下 蹲 姿 态 变 化 较 大, 因 此 很 难 提 取 稳 定 的 结 果 (a) 一 次 训 练 的 分 类 器 在 各 帧 得 到 的 统 计 相 似 度 (b) 二 次 训 练 的 分 类 器 在 各 帧 得 到 的 统 计 相 似 度 图 10 两 次 训 练 的 分 类 器 检 测 结 果 对 比 图 11 给 出 了 一 组 检 测 结 果 示 例 图, 图 中 前 3 个 姿 态 用 矩 形 框 标 出 了 关 键 姿 态 的 准 确 位 置, 这 是 根 据 姿 态 及 训 练 的 样 本 得 到 的, 后 面 两 个 姿 态 直 接 由 轨 迹 极 点 得 到, 因 此 没 有 标 出 关 键 姿 态 的 准 确 位 置, 这 并 不 影 响 后 续 应 用 表 1 实 验 检 测 结 果 [12] 实 验 姿 态 视 频 数 量 本 文 提 出 方 法 正 确 检 测 姿 态 数 量 Poselet 方 法 正 确 检 测 姿 态 数 量 训 练 集 1 22 22 22 2 22 22 22 3 22 22 22 4 22 22 20 5 22 22 22 合 计 110 110 108 测 试 集 1 8 8 8 2 8 6 6 3 8 8 8 4 8 8 6 5 8 8 7 合 计 40 38 35

第 2 期 王 向 东 等 : 一 种 运 动 轨 迹 引 导 下 的 举 重 视 频 关 键 姿 态 提 取 方 法 261 posese [C]//ICCV, Barcelona, 2011: 1302-1309. [2] Wang Yang, Jiang Hao, Drew M S, Li Zenian, Mori G. Unsupervised Discovery of Action Classes [C]//CVPR, 2006: 1654-1661. (a) 关 键 姿 态 1 (b) 关 键 姿 态 2 (c) 关 键 姿 态 3 (d) 关 键 姿 态 4 (e) 关 键 姿 态 5 图 11 一 组 检 测 结 果 示 例 4 总 结 针 对 举 重 训 练 的 应 用, 本 文 提 出 了 一 种 杠 铃 运 动 轨 迹 与 姿 态 集 方 法 相 结 合 的 人 体 关 键 姿 态 提 取 方 法, 分 析 了 关 键 姿 态 和 杠 铃 运 动 轨 迹 的 关 系, 对 于 和 杠 铃 轨 迹 极 点 直 接 相 关 的 姿 态, 直 接 由 运 动 轨 迹 确 定, 对 于 其 他 非 轨 迹 关 键 姿 态, 则 通 过 姿 态 集 学 习 方 法 进 行 姿 态 检 测 试 验 结 果 表 明 :1 本 文 方 法 在 姿 态 检 测 的 准 确 性 和 效 率 方 面 都 有 很 大 改 善 2 本 文 结 果 可 以 应 用 于 举 重 训 练 中 训 练 参 数 的 提 取, 手 工 确 定 关 键 帧 中 关 节 位 置, 则 可 提 取 定 量 训 练 参 数 3 本 文 进 一 步 研 究 工 作 将 集 中 在 人 体 关 节 位 置 的 自 动 提 取 方 面, 以 待 全 面 实 现 训 练 参 数 的 自 动 提 取 参 考 文 献 [1] Cheema S, Eweiwi A, Thurau C, Bauckhage C. Action recognition by learning discriminative key [3] Ikizler N, Cinbis R G, Pehlivan S. Recognizing human actions from still images [C]//CVPR, Haspolat, 2008: 1-4. [4] Bourdev L, Maji S, Brox T, Malik J. Detecting people using mutually consistent poselet activations [C]// ECCV city: Heraklion, Crete, Greece, 2010: 168-181. [5] Yang Weilong, Wang Yang, Mori G. Recognizing human actions from still images with latent poses [C]// CVPR, 2010: 2030-2037. [6] Bourdev L, Malik J. Poselets: body part detectors training using 3D human pose annotations [C]// ICCV, 2009: 1365-1372. [7] 武 文 斌, 毋 立 芳, 王 晓 芳, 王 向 东. 一 种 点 相 关 统 计 特 性 的 目 标 跟 踪 方 法 [J]. 中 国 科 技 论 文, 2012, 7(1): 28-32. [8] Dalal N, Triggs B. Histograms of oriented gradients for human detection [C]//CVPR, 2005: 886-893. [9] Andriluka M, Roth S, Schiele B. Pictorial structures revisited: People detection and articulated pose estimation [C]//CVPR, 2009:1014-1021. [10] Ramanan D. Learning to parse images of articulated bodies [C]//NIPS, 2007: 1129-1136. [11] 王 向 东, 毛 勇, 刘 梦 飞, 尚 健. 优 秀 女 子 举 重 运 动 员 抓 举 技 术 的 运 动 学 研 究 [J]. 成 都 体 育 学 院 学 报, 2009, 35(2): 51-53. [12] Wu Lifang, Zhang Jingwen, Yan Fenghui. A poselet based key frame searching approach in sports training videos [C]//APSIPA ASC, Hollywood, 2012: 1-4.