بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
رديابي توپ با استفاده از ترکيب ، تبديل هاف دايروي و شارنوري در ويدئوي بازي فوتبال
چکيده
سيستم هاي تحليل خودکار بازي فوتبال ، يکي از کاربردهاي جديد در حوزه تحليل ويدئو مي باشد. رديابي توپ در بازي فوتبال که نقش مؤثري در کشف وقايع بازي دارد، بخش مهمي از اين سيستم ها را تشکيل مي دهد. دراين مقاله ، روشي جديد براي تشخيص و رديابي توپ فوتبال ارائه شده است . فرآيند تشخيص موقعيت توپ شامل دو مرحله شناسايي و رديابي است . دراين روش ، از تبديل هاف دايروي در مرحله شناسايي و شارنوري در مرحله رديابي استفاده شده است . به منظور کاهش هزينه محاسباتي روش هاف دايروي ، لازم است تا به نحوي اندازه محيط جستجو، محدود شود. اينکار با استفاده از رديابي و تخمين موقعيت توپ توسط شارنوري درفريم آتي انجام مي شود. سپس کشف توپ به صورت محلي ، حول نقطه تخمين زده شده با هاف دايروي انجام گرفته و اين چرخه ادامه مي يابد. نتايج بدست آمده از آزمايشات اين مقاله نشان مي دهد، الگوريتم پيشنهادي ضمن حفظ دقت توانسته است ، ۲۹% سرعت پردازش و ۱.۲% تشخيص اشتباه را نسبت به روش تبديل هاف دايروي روي کل تصوير بهبود دهد.
کلمات کليدي
رديابي ، توپ ، فوتبال ، شارنوري ، تبديل هاف دايروي .
۱- مقدمه
در طي سالهاي اخير، با گسترش غيرقابل تصور ورزش فوتبال و افزايش چشمگير محبوبيت آن در ميان کشورهاي مختلف ، مسئولان اين رشته سعي دارند با استفاده از تکنولوژيهاي مختلف از بروز اشتباه در اين بازي ، بخصوص در امر خطير داوري جلوگيري کنند. خطاهايي که به صورت انساني با درصد بالايي در مسابقات فوتبال رخ مي دهند، مي توانند به ناحق باعث پيروزي يا شکست يک تيم شوند. بسياري از کارشناسان ، بر اين باورند که فوتبال مي تواند به ورزش عادلانه تري تبديل شود، اگر در آن از فناوري هايي مانند رديابي توپ يا ضبط فعاليت هاي بازيکنان در داخل زمين استفاده شود. تحليل ويدئوهاي بازي فوتبال يک موضوع جالب در حوزه بينايي ماشين و پردازش تصوير مي باشد در اين زمينه مقاله هاي متعددي به چاپ رسيده و است . در هر مسابقه اي که در آن از توپ استفاده مي شود، توپ هميشه در رأس توجه قرار دارد. اگرچه بازيکنان ميتوانند توپ را از رنگ و شکل آن به راحتي پيدا کرده و دنبال کنند، اما در تصاوير ويدئويي به دليل همپوشاني ، اندازه کوچک نسبي و سرعت حرکت ، توپ در اندازه ها و شکل هاي گوناگوني ديده مي شود. براي غلبه بر اين مشکلات روشهاي دقيقي مانند تبديل هاف دايروي معرفي شده اند. اما اين روش داراي پيچيدگي محاسباتي بالايي بوده ، که چالشي ديگر با عنوان بالا رفتن زمان پردازش را نشان مي دهد. براي حل چالش هاي مطرح شده ، در اين مقاله روش جديدي براي رديابي توپ در ويدئو فوتبال ارائه شده است ، که ضمن حفظ دقت ، از پيچيدگي محاسباتي مناسبي برخوردار است . در اين الگوريتم براي تشخيص اوليه توپ ها به دليل دقت بالا از تبديل هاف دايروي (CHT) استفاده مي شود. اما بايد توجه کرد که ، اعمال اين تبديل در کل تصوير، فرآيندي زمان بر است . درنتيجه کاهش محدوده جستجو مي تواند سرعت و دقت تبديل هاف دايروي را بهبود دهد، که از شارنوري ۲ براي کاهش فضاي جستجو استفاده شد.
۲- کارهاي پيشين
فرآيند دنبال کردن توپ فوتبال شامل دو مرحله شناسايي و رديابي است . الگوريتم گونگ و همکاران به عنوان اولين الگوريتم کشف توپ مطرح شده است . بعضي روش هاي ارائه شده ، براي شناسايي توپ از ويژگي هايي مثل شکل و رنگ براي شناسايي استفاده ميکنند[۱،۴]. ژانگ و همکارانش از ويژگي هيستوگرام رنگي و مورفولوژي براي اين کار استفاده کرده اند. آنها از ويژگي رنگ سفيد و شکل دايروي براي شناسايي توپ در مجموعه تصاوير استفاده نموده اند[۱]. درمقالاتي نيز از تبديل هاف و نسخه اصلاح شده تبديل هاف دايروي براي شناسايي توپ استفاده شده است ، که داراي پيچيدگي محاسباتي بالايي است [۵،۶]. در بعضي از مقالات نيز از روش هاي انطباق الگو براي شناسايي توپ فوتبال استفاده شد[۷]. يو و همکارانش از اطلاعات فيلتر کالمن براي رديابي توپ استفاده نمودند[۲].
همچنين در مقالاتي از انطباق الگو و فيلتر کالمن براي رديابي توپ استفاده کردند[۳،۸]. البته پيچيدگي محاسباتي آن به دليل نياز به چندين فريم قبلي ، بالا است . از شبکه هاي عصبي و روش هاي بيزين نيز براي رديابي توپ فوتبال استفاده شد[۹].
از تبديل هاف اصلاح شده ، براي شناسايي و شبکه عصبي جهت رديابي توپ نيز استفاده شده است [۱۰]. در روش آنان بهترين نتايج زماني بدست ميآمد که توپ بزرگ و تک رنگ بوده و تغيير شکل توپ جدي نباشد. با توجه به روش ها و چالش هاي مطرح شده روش هاي پيشين نتيجه مطلوبي در کشف رديابي توپ از ويدئوهاي پخش تلويزيوني فوتبال نداشتند.
۳- الگوريتم پيشنهادي
روش پيشنهادي اين مقاله براي آشکارسازي و رديابي توپ در فريم هاي متوالي ويدئو، طبق شکل (۱) از چهار بخش کلي تشکيل شده است .
ابتدا محدوده زمين چمن مشخص شده و جستجو براي توپ ، تنها در درون محدوده چمن انجام مي شود. در فريم اول ، با استفاده از تبديل هاف دايروي کليه دايره هاي درون تصوير، که داراي شعاع قابل قبول (۵ تا ۲۰ پيکسل ) است ، آشکارسازي مي شوند. سپس مکان اوليه توپ از ميان کانديدها توسط کاربر مشخص مي شود. در فريم بعدي ، با استفاده از شارنوري ، مکان احتمالي توپ مشخص شده و تنها در مربعي به اندازه ۱۰۰×۱۰۰ پيکسل حول نقطه تخميني ، تبديل هاف دايروي به فريم جديد اعمال مي شود و دايره هايي با شعاع برابر با اندازه توپ در فريم قبلي ، آشکارسازي مي شوند. از ميان دايره هاي تشخيص داده شده ، دايره اي که نزديکترين فاصله را با مکان تخميني توپ توسط شارنوري دارد، توپ تشخيص داده خواهد شد. اگر دايره اي در فريم جاري وجود نداشته باشد، مکان توپ در فريم قبلي به عنوان مکان توپ در نظرگرفته مي شود. اين چرخه تا پايان همه فريم ها مورد استفاده قرار ميگيرد. شکل (۲) بلوک دياگرام الگوريتم پيشنهادي را با جزئيات نشان مي دهد.
۳-۱- تشخيص محدوده زمين چمن
براي تشخيص ناحيه سبز در تصوير RGB، بخش سبز را، بر دو بخش قرمز و آبي تقسيم ميکنيم که از اين تقسيم ، دو تصوير بدست ميآيد. در هرکدام پيکسل هايي که مقداري بزرگتر از يک دارند را يک و بقيه صفر در نظر گرفته مي شود. در انتها اين دو تصوير با هم And مي شوند. تصوير بدست آمده نواحي سبز را نشان مي دهد. سپس با استفاده از دستورات مورفولوژي مناسب حفره هاي تصوير را پر کرده و بزرگترين ناحيه پيوسته انتخاب مي شود. شکل (۳) مراحل استخراج ناحيه چمن را نشان مي دهد.
۳-۲- استفاده از تبديل هاف براي تشخيص دايره
مشکلي رايج در بينايي ماشين ، تعيين موقعيت شي خاص در تصوير است . به عنوان مثال ، در هنگام همپوشاني با بدن بازيکنان تشخيص محل توپ بسيار پيچيده است . اين مشکل با استفاده از تبديل هاف دايروي در رديابي توپ قابل حل است .
تبديل هاف موقعيت مکاني پيکسل هاي يک شي را، براساس پارامترهايي بيان ميکند. دايره در مختصات کارتزين بصورت زير بيان مي شود:
در رابطه بالا a , b مختصات مرکز دايره در راستاي محورهاي x , y و شعاع دایره است . نمايش پارامتري رابطه بالا در زیر عبارت است از :
براي آشکارسازي دايره در يک تصوير به کمک تبديل هاف ، مراحل زير بايد طي شود:
ابتدا تمامي لبه ها توسط تشخيص مرز کَني۳ شناسايي مي شود.
سپس در هر نقطه از لبه استخراج شده به مرکزيت نقطه مورد نظر دايره ترسيم مي شود. اين دايره در فضاي پارامتري طوري ترسيم مي شود که محور x مؤلفه a ، محور y مؤلفه b و محور z شعاع دايره را مدل ميکند. در مختصاتي که متعلق به محيط دايره ترسيم شده است ، مقدار ماتريس انباره ٤ که اندازه اي برابر با فضاي پارامترها دارد، افزايش داده مي شود. بدين طريق تمامي نقاط لبه تصوير اصلي با ترسيم دايروي به شعاع دلخواه و افزايش مقادير در انباره ، بررسي مي شوند. بنابراين اعداد بزرگتر که بصورت هوشمند با توجه به شعاع انتخاب مي شوند، متناظر با مراکز دايره ها در تصوير اصلي است . در نهايت نقاط ماکزيمم در انباره پيدا مي شود، که معادل موقعيت دايره موجود مي باشد.
شکل (۴) نحوه تشخيص دايره و ماتريس انباره با استفاده از تبديل هاف را نشان مي دهد.
۳-۳- استفاده از شار نوري براي تخمين موقعيت توپ در فريم بعدي
دو فريم متوالي A و B با فاصله زماني δt از يک ويدئو مفروض است . براي مشخص کردن جابجايي بخشي از پيکسل هاي تصوير که همان شي مورد نظراست ، مي توان از شارنوري استفاده کرد. جهت محاسبه شارنوري در يک رشته تصوير، اساس محاسبات بر دو فرض اوليه استوار است : اول اينکه شي متحرک در دو تصوير متوالي تغيير شدت روشنايي نخواهد داشت و دوم اينکه حرکت نقاط مجاور يک نقطه از شي متحرک ، همانند حرکت آن نقطه خواهد بود. به عبارت ديگر اندازه شار سرعت ، تغييرات ناگهاني ندارد. معادلات اساسي و محاسبات شار نوري جهت تخمين حرکت ، در مراجع مختلف ذکر شده است . در اينجا فهرست وار و به آنها اشاره مي شود. به طور کلي هدف ، يافتن سرعت حرکت است ، به نحوي که رابطه (۴) کمينه گردد.
با فرض نزديک بودن تصوير متوالي نسبت به هم ، گراديان در جهت افقي و عمودي مطابق روابط زيراست :
و با مشتق گيري از رابطه (۴) جهت کمينه کردن ، معادله زير حاصل مي شود:
پس براي محاسبه سرعت حرکت شي ء کافي است تا رابطه ( ۷) پياده سازي شود. شايان ذکراست که بردار سرعت به دست آمده داراي مولفه افقي و عمودي است . به عبارت ديگر لازمه پياده سازي رابطه (۷)، محاسبه گراديان نسبت به x و y است . براي اين
