تحلیل زمان واقعی پرتاب توپ بیسبال با استفاده از پردازش تصویر در گوشی‌های هوشمند

چکیده

کلمات کلیدی

1-مقدمه

شکل 1: iPhoneSG ناحیه‌ی احتمالی اکتساب داده را وسیع‌تر می‌کند. تصویر چپ نشاندهنده‌ی ناحیه احتمالی اکتساب داده برای تفنگ رادار تجاری است و تصویر سمت راست ناحیه ممکن اکتساب داده iPhoneSG را نشان می‌دهد.

2-پردازش تصویر برای برآورد سرعت توپ پرتاب شده

2-1-تنظیم ناحیه جستجو

شکل 2: توپ بیسبال کوچک است بنابراین جستجوی کل تصویر به زمان پردازش زیادی نیاز دارد.

2-2-تفریق دو فریم متوالی

شکل 3: واسط کاربری iPhoneSG با نشانگرهای پرتاب کننده توپ و بتر. نوار پایین سمت چپ صفحه، نوار بزرگنمایی است و بخش انتخاب کنار نوار بزرگنمایی، انتخاب‌گر نرخ فریم سوئیچ است. دکمه‌ی قرمز دکمه شروع است. عدد نشان داده شده در بالای صفحه نشانگر زمان سپری شده از زمانی است که دکمه فشار داده شده است.

شکل 4: ناحیه‌ی جستجو که به عنوان ناحیه‌ی جلو نشانگر pitcher تعریف شده است.

2-3-هموارسازی  تصاویر باینری

شکل5: تفریق دو فریم متوالی. پس از تفریق تنها پیکسل‌های تغییر یافته قابل دیدن هستند.

شکل 6: پس از باینری‌سازی و هموارسازی، نویزها حذف شده و بر توپ تأکید شده است.

2-4-یافتن مرکز تصویر توپ

2-5-محاسبه سرعت اولیه توپ

3-محاسبه‌ی کاهش سرعت

شکل 7: برآورد سرعت اولیه از اختلاف بین دو مختصات موقعیت شناسایی شده‌ی اولیه

4-نتایج

5-نتیجه‌گیری و کارهای آینده

شکل 8: تغییرات ناحیه جستجو. iPhoneSG مختصات موقعیت بعدی را از دو مختصات قبلی محاسبه می‌کند

جدول1: نتایج سنجش (240 fps)

جدول 2: نتایج سنجش (120 FPS)

جدول 3: خطا و زمان پردازش (240 fps)

جدول 4: خطا و زمان پردازش

پرتاب توپ یکی از مهم‌ترین بخش‌های بازی بیسبال است. هر دوی بازیکنان حرفه‌ای و آماتور مایلند تا عملکرد پرتاب توپ و به ویژه سرعت پرتاب آنها مورد سنجش قرار گیرد. از تجهیزات معمولی مانند تفنگ‌های سرعت رادار می‌توان برای اندازه‌گیری سرعت پرتاب توپ استفاده کرد اما این روش در میان بازیکنان آماتور چندان محبوبیت ندارد و علت اصلی، هزینه‌ی آن است. بنابراین یک روش مبتنی بر بینایی اندازه‌گیری سرعت برای پرتاب توپ بیسبال ارائه می‌دهیم و اپلیکیشن تلفن همراه به نام iPhoneSG را توسعه می‌دهیم که می‌تواند سرعت توپ‌های بیسبال پرتاب شده را در یک زمین واقعی بیسبال در زمان واقعی اندازه‌گیری کند و برای این منظور از روش پردازش تصویر مستقل در تلفن همراه هوشمند استفاده می‌شود. این اپلیکیشن نسبت به تفنگ‎های سرعت رادار معمولی که باید در خط طولانی مسیر توپ قرار گیرند، محدوده‌ی احتمالی اکتساب داده را توسعه می‌دهد. با توجه به محبوبیت تلفن‌های هوشمند، iPhoneSG ابزار مناسبی برای بازیکنان ارائه کرده است تا سرعت پرتاب را اندازه‌گیری کنند. اعتبار اولیه‌ی روش پیشنهادی که در اپلیکیشن iPhoneSG ما پیاده‌سازی شده بود را تأیید کردیم.

در ورزش‌های حرفه‌ای، عملکرد بازیکن تحلیل می‌شود تا با استفاده از آن نتایج رقابت بهبود یابند. با این حال بسیاری از تحلیل‌های مرتبط به تجهیزات گران قیمت و یا محیط‌های خاص نیاز دارند. در ورزش بیسبال، پرتاب توپ یکی از مهم‌ترین و جالب‌ترین بخش‌های بازی است. با این حال، تحلیل پرتاب توپ مستلزم تجهیزات گران قیمت چون تفنگ رادار و یا دوربین‌های سرعت بالاست. مطالعات متعددی از رویکردهای مبتنی بر بینایی استفاده کردند تا حرکات پرتاب توپ را شناسایی و ضبط کنند. تئوبالت و همکاران روند پرتاب توپ را با پایه‌ی تیره تحلیل کردند و برای این منظور نشانگرهایی را به دست پرتاب کننده و خود توپ ضمیمه کردند. این روش را نمی‌توان برای بازی‌های بیسبال واقعی به کار برد. علاوه بر این برای بازیکنان آماتور و یا هواداران دشوار است که چنین محیطی را آماده کنند. هاشیموتو [2] و همکاران برای تحلیل پرتاب توپ از چهار دوربین پرسرعت استفاده کردند. این روش امکان تحلیل دقیق پرتاب توپ را فراهم می‌آورد؛ با این حال بازیکنان آماتور و هواداران در استفاده از این روش با مشکلاتی مواجه بودند. فرض کردیم که کاربران اولیه‌ی اپلیکیشن ما، بازیکنان آماتور و هواداران هستند. امروزه تلفن‌های هوشمند به محبوبیت بسیار بالایی رسیده‌اند. به طور خاص iPhone محبوب‌ترین تلفن همراه هوشمند در ژاپن است. بنابراین برای مطالعه‌ی خود از این دستگاه استفاده کردیم. از آنجاییکه بسیاری از بازیکنان حرفه‌ای و طرفداران تلفن هوشمند دارند، قادر خواهند بود از این اپلیکیشن استفاده کنند بدون اینکه به تجهیزات جدیدی نیاز داشته باشند. بر خلاف تلفن‌های سرعت رادار سنتی که باید روی خط طولانی مسیر توپ قرار گیرند، اپلیکیشن ما با نام iPhoneSG از ویدیوهای گرفته شده از مسیر جانبی مسیرهای توپ استفاده می‌کند. این روش ناحیه‌ی احتمالی اکتساب داده را توسعه می‌دهد (به شکل 1 مراجعه کنید) شکل 1: iPhoneSG ناحیه‌ی احتمالی اکتساب داده را وسیع‌تر می‌کند. تصویر چپ نشاندهنده‌ی ناحیه احتمالی اکتساب داده برای تفنگ رادار تجاری است و تصویر سمت راست ناحیه ممکن اکتساب داده iPhoneSG را نشان می‌دهد. iPhoneSG3، توپ بیسبال پرتاب شده را ردیابی می‌کند و سرعت آن را محاسبه می‌کند. فرآیند ردیابی، مسیر توپ را نشان می‌دهد. در این مطالعه بر کاهش سرعت توپ بیسبال پرتاب شده تمرکز کردیم و می‌دانیم کاهش سرعت پرتاب می‌تواند عملکرد پرتاب توپ کاربر یا حریف او و یا کودک را بهبود دهد. این اپلیکیشن تلفن همراه هوشمند را نه تنها به عنوان جایگزین تفنگ سرعت استفاده می‌کنیم بلکه برای تحلیل پرتاب توپ به کار می‌گیریم.