一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别指一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统及方法。

背景技术

跳绳，是一人或众人在一根环摆的绳中做各种跳跃动作的运动游戏。这种游戏唐朝称“透索”，宋称“跳索”，明称“跳百索”、“跳白索”、“跳马索”，清称“绳飞”，清末以后称作“跳绳”。作为一种古老的汉族民俗娱乐活动，南宋以来，每逢佳节都跳绳，家家户户都要比赛。随着教育对学生体质的逐渐重视，跳绳也成为了学生的体育考察项目，因此产生了对跳绳进行精确计数的需求。

针对跳绳的计数，传统上存在如下方法：方法一是采用人工计数，但是存在计数过程容易出错，耗费人力，且因个人评判标准的差异将影响计数结果的缺点；方法二是采用传感器进行计数，例如通过切割磁场、超声波探测等技术进行计数，但是存在无法辨别绳子是否过脚而导致误判的缺点；方法三是采用机器视觉进行计数，即通过获取跳绳动作的视频数据，从视频数据中提取出音频数据和图像数据，判断目标为跳绳的相邻参考图像之间的时间间隔是否满足计数间隔，但是存在精度不高且工作量大的缺点。

因此，如何提供一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统及方法，实现提升跳绳计数的准确度以及效率，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统及方法，实现提升跳绳计数的准确度以及效率。

第一方面，本发明提供了一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统，包括：

计算机；

显示屏，与所述计算机连接；

指纹识别器，与所述计算机连接；

射频卡读卡器，与所述计算机连接；

接触卡读卡器，与所述计算机连接；

电动云台，与所述计算机连接；

摄像头，与所述计算机连接，并设于所述电动云台上；

语音模块，与所述计算机连接；

服务器，与所述计算机连接。

进一步地，所述显示屏为触摸显示屏。

进一步地，还包括：

无线通信模块，一端与所述计算机连接，另一端与所述服务器连接。

进一步地，所述无线通信模块为2G通信模块、3G通信模块、4G通信模块、5G通信模块、NB-IOT通信模块、LORA通信模块、WIFI通信模块、蓝牙通信模块或者ZigBee通信模块。

进一步地，还包括：

电源模块，与所述计算机连接。

第二方面，本发明提供了一种基于计算机视觉技术的跳绳测试方法，包括如下步骤：

步骤S10、计算机通过指纹识别器、射频卡读卡器、接触卡读卡器或者摄像头对测试者进行身份识别，匹配测试者的身份数据；

步骤S20、计算机调整电动云台的方向，使得摄像头的拍摄方向对准测试者，启动摄像头录制跳绳视频，并通过语音模块提醒测试者开始跳绳；

步骤S30、计算机利用计算机视觉技术实时识别所述跳绳视频中，各帧图像的关键点；

步骤S40、计算机基于各所述关键点判断测试者的跳绳状态，基于各所述跳绳状态进行跳绳计数，并通过显示屏实时更新显示计数结果；

步骤S50、计算机通过语音模块提醒测试者停止跳绳，停止摄像头录制所述跳绳视频，并将所述身份数据、计数结果以及跳绳视频上传至服务器。

进一步地，所述步骤S20具体为：

计算机预设一跳绳时长，调整电动云台的方向，使得摄像头的拍摄方向对准测试者，启动摄像头录制跳绳视频的同时，通过语音模块提醒测试者开始跳绳，并基于所述跳绳时长进行倒计时。

进一步地，所述步骤S30具体为：

计算机利用计算机视觉技术实时识别所述跳绳视频中，各帧图像的关键点并进行标记；所述关键点包括左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心。

进一步地，所述步骤S40具体包括：

步骤S41、计算机基于所述跳绳视频的各帧图像建立坐标系，基于各所述关键点判断测试者的跳绳状态：

若所述绳索重心的横坐标在左脚踝和右脚踝横坐标的中点，且纵坐标大于所述左脚踝和右脚踝的纵坐标，则测试者的跳绳状态为起跳状态；若所述绳索重心的纵坐标大于头部的纵坐标，则测试者的跳绳状态为过头状态；若所述绳索重心的纵坐标小于脚尖的纵坐标，则测试者的跳绳状态为过脚状态；

步骤S42、计算机基于各所述跳绳状态的时间顺序，循环判断所述跳绳状态是否依次为起跳状态、过头状态以及过脚状态，若是，则跳绳计数加1，并进入步骤S43；若否，则跳绳计数清零，并进入步骤S43；

步骤S43、通过显示屏实时更新显示计数结果。

进一步地，所述步骤S50具体为：

当所述倒计时截止时，计算机通过语音模块提醒测试者停止跳绳，停止摄像头录制所述跳绳视频，并将所述身份数据、计数结果以及跳绳视频通过无线通信模块上传至服务器。

本发明的优点在于：

1、通过设置摄像头拍摄跳绳视频，并利用计算机视觉技术实时识别跳绳视频中，各帧图像中包括左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心的关键点，基于各所述关键点的位置关系判断测试者的跳绳状态，再基于各跳绳状态的变化顺序进行跳绳的自动计数，避免了人工计数的失误，能够有效判断绳子是否过脚，且能够有效辨别跳绳动作是否有效，进而极大的提升了跳绳计数的准确度。

2、通过指纹识别器、射频卡读卡器、接触卡读卡器或者摄像头对测试者进行身份识别，匹配测试者的身份数据，利用计算机视觉技术实时识别摄像头拍摄的跳绳视频中的关键点，进而进行跳绳的自动计数，最后将身份数据、计数结果以及跳绳视频上传至服务器，即实现跳绳计算的全自动化，不必人工对跳绳计数进行记录，有效防止作弊，最终极大的提升了跳绳计数的效率。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统的电路原理框图。

图2是本发明一种基于计算机视觉技术的跳绳测试方法的流程图。

图3是本发明起跳状态的示意图。

图4是本发明过头状态的示意图。

图5是本发明过脚状态的示意图。

标记说明：

100-一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统，1-计算机，2-显示屏，3-指纹识别器，4-射频卡读卡器，5-接触卡读卡器，6-电动云台，7-摄像头，8-语音模块，9-服务器，10-无线通信模块，11-电源模块。

具体实施方式

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：利用计算机视觉技术实时识别跳绳视频中，各帧图像中包括左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心的关键点，基于各所述关键点的位置关系判断测试者的跳绳状态，再基于各跳绳状态的变化顺序进行跳绳的自动计数，且跳绳测试的过程中，从身份识别、跳绳计数、计数结果的记录上传无需人工干预自动进行，最终提升跳绳计数的准确度以及效率。

请参照图1至图5所示，本发明一种基于计算机视觉技术的跳绳测试系统100的较佳实施例，包括：

计算机1，用于控制所述跳绳测试系统100的工作，不限于单片机、嵌入式操作系统(android、linux)主板、电脑等；

显示屏2，与所述计算机1连接，用于显示测试者的身份数据、计数结果、跳绳时长等内容；

指纹识别器3，与所述计算机1连接，对测试者进行身份识别；

射频卡读卡器4，与所述计算机1连接，对测试者进行身份识别；

接触卡读卡器5，与所述计算机1连接，对测试者进行身份识别；

电动云台6，与所述计算机1连接，可进行上下左右的转动，用于调整所述摄像头7的拍摄角度；

摄像头7，与所述计算机1连接，并设于所述电动云台6上，用于人脸识别以及拍摄跳绳视频；

语音模块8，与所述计算机1连接，用于播放开始跳绳、停止跳绳、测试者的身份数据、计数结果等内容，为音频输入与输出口，可以通过扬声器作为输出，也可以外接麦克风进行输入；

服务器9，与所述计算机1连接，用于对各测试者的相关数据进行统一管理。

所述显示屏2为触摸显示屏，便于操作所述电动云台6、摄像头7、语音模块8等设备。

还包括：

无线通信模块10，一端与所述计算机1连接，另一端与所述服务器9连接。

所述无线通信模块10为2G通信模块、3G通信模块、4G通信模块、5G通信模块、NB-IOT通信模块、LORA通信模块、WIFI通信模块、蓝牙通信模块或者ZigBee通信模块。

还包括：

电源模块11，与所述计算机1连接，用于给所述跳绳测试系统100进行供电，为大容量电池，可供所述跳绳测试系统100至少工作10个小时。

本发明一种基于计算机视觉技术的跳绳测试方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤S10、计算机通过指纹识别器、射频卡读卡器、接触卡读卡器或者摄像头对测试者进行身份识别，匹配测试者的身份数据，并通过显示屏显示身份识别结果；

利用摄像头对测试者进行身份识别时，可先通过云台调整摄像头的拍摄角度为正对测试者的面部，再进行人脸识别；各种身份识别的方式，可单独使用，或者组合使用，以提高安全性；所述身份数据至少包括考试编号以及姓名；

步骤S20、计算机调整电动云台的方向，使得摄像头的拍摄方向对准测试者，启动摄像头录制跳绳视频，并通过语音模块提醒测试者开始跳绳；

步骤S30、计算机利用计算机视觉技术实时识别所述跳绳视频中，各帧图像的关键点；所述计算机视觉技术包括但不限于OpenCV、OpenPose、DensePose、AlphaPose、DeepPose、Human Body Pose Estimation或者Realtime Multi-Person Pose Estimation，为现有技术，即利用关键点监督算法监督左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心的关键点；

步骤S40、计算机基于各所述关键点判断测试者的跳绳状态，基于各所述跳绳状态进行跳绳计数，并通过显示屏实时更新显示计数结果；

步骤S50、计算机通过语音模块提醒测试者停止跳绳，停止摄像头录制所述跳绳视频，并将所述身份数据、计数结果以及跳绳视频上传至服务器；当断网时，计算机将数据先存储在本地，等网络恢复后再上传服务器。

具体实施时，计算机可预设一个跳绳考核标准，例如1分钟跳绳次数大于40次为合格，并通过显示屏显示各测试者的考核结果。

所述步骤S20具体为：

计算机预设一跳绳时长，调整电动云台的方向，使得摄像头的拍摄方向对准测试者，启动摄像头录制跳绳视频的同时，通过语音模块提醒测试者开始跳绳，并基于所述跳绳时长进行倒计时。

所述步骤S30具体为：

计算机利用计算机视觉技术实时识别所述跳绳视频中，各帧图像的关键点并进行标记；所述关键点包括左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心。

所述步骤S40具体包括：

步骤S41、计算机基于所述跳绳视频的各帧图像建立坐标系，基于各所述关键点判断测试者的跳绳状态：

若所述绳索重心的横坐标在左脚踝和右脚踝横坐标的中点，且纵坐标大于所述左脚踝和右脚踝的纵坐标，则测试者的跳绳状态为起跳状态；若所述绳索重心的纵坐标大于头部的纵坐标，则测试者的跳绳状态为过头状态；若所述绳索重心的纵坐标小于脚尖的纵坐标，则测试者的跳绳状态为过脚状态；

由于所述关键点的识别可能存在误差，因此，在具体实施时，可设定一阈值，当偏差小于所述阈值时，则忽略误差；例如设定阈值为10个像素点，当所述绳索重心的纵坐标和头部的纵坐标的差值在10个像素点内时，则认为绳索重心的纵坐标大于头部的纵坐标。

绳索重心的平面坐标可通过求取连通区域重心的方法建立。

步骤S42、计算机基于各所述跳绳状态的时间顺序，循环判断所述跳绳状态是否依次为起跳状态、过头状态以及过脚状态，若是，则跳绳计数加1，并进入步骤S43；若否，则跳绳计数清零，并进入步骤S43；

步骤S43、通过显示屏实时更新显示计数结果。

所述步骤S50具体为：

当所述倒计时截止时，计算机通过语音模块提醒测试者停止跳绳，停止摄像头录制所述跳绳视频，并将所述身份数据、计数结果以及跳绳视频通过无线通信模块上传至服务器。

综上所述，本发明的优点在于：

1、通过设置摄像头拍摄跳绳视频，并利用计算机视觉技术实时识别跳绳视频中，各帧图像中包括左脚踝、右脚踝、脚尖、头部以及绳索重心的关键点，基于各所述关键点的位置关系判断测试者的跳绳状态，再基于各跳绳状态的变化顺序进行跳绳的自动计数，避免了人工计数的失误，能够有效判断绳子是否过脚，且能够有效辨别跳绳动作是否有效，进而极大的提升了跳绳计数的准确度。

2、通过指纹识别器、射频卡读卡器、接触卡读卡器或者摄像头对测试者进行身份识别，匹配测试者的身份数据，利用计算机视觉技术实时识别摄像头拍摄的跳绳视频中的关键点，进而进行跳绳的自动计数，最后将身份数据、计数结果以及跳绳视频上传至服务器，即实现跳绳计算的全自动化，不必人工对跳绳计数进行记录，有效防止作弊，最终极大的提升了跳绳计数的效率。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。