本发明属于智能乒乓球运动技术领域，特别是涉及一种基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统及方法。
背景技术：
现有基于物联网的乒乓球运动系统主要利用乒乓球运动视频或图像分析识别对局发球，其缺点是计算复杂度高、时效性差。为此提出一种基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统及方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是基于物联网的乒乓球运动系统不能简单有效地识别乒乓球对局中发球的问题，提出一种基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统及方法。
本发明应用乒乓球运动定位技术和压力传感器，其中乒乓球定位技术指通过已有物联网装置和定位方法计算乒乓球在运动过程中实时位置的技术；压力传感器受到物体压力后发生形变从而产生压力传感数据。如图1所示，乒乓球系统中部署的用于乒乓球定位的物联网组件(如信号强度定位组件等)获取乒乓球位置数据，球拍面部署的压力传感器获取压力传感数据，将乒乓球位置数据和压力传感数据发送至服务器；服务器根据压力传感数据判断击球时刻，根据乒乓球位置数据生成击球时刻之前乒乓球的运动轨迹。乒乓球对局发球前，乒乓球运动轨迹必须符合上抛和下落的运动轨迹模型(简称发球轨迹模型)。
事先建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。球拍面均匀部署压力传感器，压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t，其值小于对局中球拍两次击球的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置正整数n；设置判断球拍击打乒乓球的阈值x；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y。
部署乒乓球运动定位装置，采用已有的乒乓球运动定位方法计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。
本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统，包括获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块、读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块、根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块。
获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块：部署在球拍面的压力传感器按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后发送至服务器；服务器获取的同一采样时刻的压力传感数据中，当有且只有一个压力传感数据u满足u>x时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块；否则返回获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块。
读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块：读取球拍击打乒乓球时刻前连续n个采样时刻的乒乓球位置坐标值，n是正整数，记为(xi,yi,zi)，1≤i≤n；进入根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块。
根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块：判断乒乓球对局发球前乒乓球运动轨迹是否符合发球轨迹模型。把n个乒乓球位置坐标值(xi,yi,zi)中的n个xi排列成矩阵x，n个yi排列成矩阵y，n个zi排列成矩阵z，当max(x)-min(x)<y且max(y)-min(y)<y且max(z)-min(z)>h时(符合发球轨迹模型)，其中max()为求矩阵最大值的函数，min()为求矩阵最小值的函数，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球是对局发球；否则判定此采样时刻球拍击打乒乓球不是对局发球。返回获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块。
基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统的系统框图如图2所示。
本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别方法按以下步骤：
步骤1、建立三维空间坐标系及设置参数。
建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。球拍面均匀部署压力传感器，压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t，其值小于对局中球拍两次击球的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置正整数n；设置判断球拍击打乒乓球的阈值x；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y。
步骤2、计算乒乓球的位置坐标值。
利用已有的乒乓球定位技术和装置，计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。
步骤3、获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球。
部署在球拍面的压力传感器按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后发送至服务器；服务器获取的同一采样时刻的压力传感数据中，当有且只有一个压力传感数据u满足u>x时，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入步骤4；否则返回步骤2。
步骤4、读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据。
读取球拍击打乒乓球时刻前连续n个采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xi,yi,zi)，1≤i≤n。进入步骤5。
步骤5、根据运动轨迹判断乒乓球对局发球。
判断乒乓球对局发球前乒乓球运动轨迹是否符合发球轨迹模型。把n个乒乓球位置坐标值(xi,yi,zi)中的n个xi排列成矩阵x，n个yi排列成矩阵y，n个zi排列成矩阵z，当max(x)-min(x)<y且max(y)-min(y)<y且max(z)-min(z)>h时(符合发球轨迹模型)，其中max()为求矩阵最大值的函数，min()为求矩阵最小值的函数，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球是对局发球；否则判定此采样时刻球拍击打乒乓球不是对局发球。返回步骤2。
基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别方法流程图，如图3所示。
本发明的系统及方法具有的优点是：
(1)应用乒乓球运动定位技术和压力传感器，可以简单有效地判断乒乓球对局中的乒乓球位置和球拍击球节点。
(2)依据对局发球前乒乓球运动轨迹的特征，能够简单有效地识别乒乓球对局发球。
附图说明
图1是本发明的基于信号强度定位技术的乒乓球运动系统的结构示意图；
图2是本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统框图；
图3是本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别方法流程图；
图4是本发明实施例的乒乓球定位三维空间坐标系示意图；
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
本发明应用乒乓球运动定位技术和压力传感器，其中乒乓球定位技术指通过已有物联网装置和定位方法计算乒乓球在运动过程中实时位置的技术；压力传感器受到物体压力后发生形变从而产生压力传感数据。如图1所示，乒乓球系统中部署的用于乒乓球定位的物联网组件(如信号强度定位组件等)获取乒乓球位置数据，球拍面部署的压力传感器获取压力传感数据，将乒乓球位置数据和压力传感数据发送至服务器；服务器根据压力传感数据判断击球时刻，根据乒乓球位置数据生成击球时刻之前乒乓球的运动轨迹。乒乓球对局发球前，乒乓球运动轨迹必须符合上抛和下落的运动轨迹模型(简称发球轨迹模型)。
事先建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。球拍面均匀部署压力传感器，压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t，其值小于对局中球拍两次击球的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置正整数n；设置判断球拍击打乒乓球的阈值x；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y。本实施例中，建立三维空间坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴平行于乒乓球桌窄边，y轴平行于乒乓球桌长边，z轴垂直于桌面向上，如图4所示。在球拍面均匀部署12个压电薄膜传感器从而使压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t＝10毫秒；设置正整数n＝5；设置判断球拍击打乒乓球的电压阈值x＝5毫伏(mv)；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h＝0.16米；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y＝0.15米。
部署乒乓球运动定位装置，采用已有的乒乓球运动定位方法计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。本实施例中，采用基于信号强度定位的乒乓球定位方法计算乒乓球的位置坐标，在乒乓球桌上部署三个信号接收装置，在乒乓球上携带信号发送装置，各信号接收装置接收乒乓球发送的无线信号，获取信号强度，然后发送至服务器，服务器根据信号强度以及信号接收装置的位置计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。
本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别系统，包括获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块、读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块、根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块。
获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块：部署在球拍面的压力传感器按照事先设置的采样时间间隔t获取压力传感数据，然后发送至服务器；服务器获取的同一采样时刻的压力传感数据中，当有且只有一个压力传感数据u满足u>x时，则判定此时球拍击打乒乓球，进入读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块；否则返回获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块。本实施例中，采样时间间隔t＝10毫秒，球拍面部署的12个压电薄膜传感器按照采样时间间隔t获取电压数据，然后发送至服务器，服务器获取的某采样时刻的12个电压数据值排列成矩阵x＝(1,0,0,1.2,0.8,1,0,0,7,2,1,1.5)，矩阵x中有且只有一个电压数据7mv>5mv，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块。
读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据模块：读取球拍击打乒乓球前连续n个采样时刻的乒乓球位置坐标值，n是正整数，记为(xi,yi,zi)，1≤i≤n；进入根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块。本实施例中，n＝5，读取球拍击打乒乓球时刻前连续5个采样时刻的乒乓球位置坐标值分别为(0.1,1.5,0.4)、(0.05,1.51,0.5)、(0.05,1.51,0.3)、(0.05,1.51,0.2)、(0.05,1.51,0.1)。进入根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块。
根据运动轨迹判断乒乓球对局发球模块：判断乒乓球对局发球前乒乓球运动轨迹是否符合发球轨迹模型。把n个乒乓球位置坐标值(xi,yi,zi)中的n个xi排列成矩阵x，n个yi排列成矩阵y，n个zi排列成矩阵z，当max(x)-min(x)<y且max(y)-min(y)<y且max(z)-min(z)>h时(符合发球轨迹模型)，其中max()为求矩阵最大值的函数，min()为求矩阵最小值的函数，则判定此时球拍击打乒乓球是对局发球；否则判定此时球拍击打乒乓球不是对局发球。返回获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块。本实施例中，y＝0.15米，h＝0.16米；根据球拍击打乒乓球时刻前的连续5个坐标值，x坐标构成矩阵x＝(0.1,0.05,0.05,0.05,0.05)，max(x)＝0.1米，min(x)＝0.05米；y坐标构成矩阵y＝(1.5,1.51,1.51,1.51,1.51)，max(y)＝1.51米，min(y)＝1.5米；z坐标构成矩阵z＝(0.4,0.5,0.3,0.2,0.1)，max(z)＝0.5米，min(z)＝0.1米。max(x)-min(x)＝0.05<y＝0.15米，max(y)-min(y)＝0.01<y＝0.15米，max(z)-min(z)＝0.5>h＝0.16米，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球是对局发球。返回获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球模块。
本发明的基于运动轨迹的乒乓球对局发球识别方法按以下步骤：
步骤1、建立三维空间坐标系及设置参数。
建立乒乓球运动系统的三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。球拍面均匀部署压力传感器，压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t，其值小于对局中球拍两次击球的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)；设置正整数n；设置判断球拍击打乒乓球的阈值x；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y。本实施例中，建立三维空间坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴平行于乒乓球桌窄边，y轴平行于乒乓球桌长边，z轴垂直于桌面向上，如图4所示。在球拍面均匀部署12个压电薄膜传感器从而使压力感应区域覆盖整个球拍面。设置采样时间间隔t＝10毫秒；设置正整数n＝5；设置判断球拍击打乒乓球的电压阈值x＝5毫伏(mv)；设置用于发球识别的最低抛球高度阈值h＝0.16米；设置用于发球识别的最大抛球偏离阈值y＝0.15米。
步骤2、计算乒乓球的位置坐标值。
利用已有的乒乓球定位技术和装置，计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。本实施例中，采用基于信号强度定位的乒乓球定位方法计算乒乓球的位置坐标，在乒乓球桌上部署三个信号接收装置，在乒乓球上携带信号发送装置，各信号接收装置接收乒乓球发送的无线信号，获取信号强度，然后发送至服务器，服务器根据信号强度以及信号接收装置的位置计算乒乓球在每个采样时刻的位置坐标值。
步骤3、获取压力传感数据及判断球拍是否击打乒乓球。
部署在球拍面的压力传感器按照采样时间间隔t获取压力传感数据，然后发送至服务器；服务器获取压力传感数据，当有且只有一个压力传感数据u满足u>x时，则判定此时球拍击打乒乓球，进入步骤4；否则返回步骤2。本实施例中，球拍面部署的12个压电薄膜传感器按照采样时间间隔t获取电压数据，然后发送至服务器，服务器获取的某采样时刻的12个电压数据值排列成矩阵x＝(1,0,0,1.2,0.8,1,0,0,7,2,1,1.5)，矩阵x中有且只有一个电压数据7mv>5mv，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球，进入步骤4。
步骤4、读取球拍击打乒乓球前的连续位置数据。
读取球拍击打乒乓球前连续n个采样时刻的乒乓球位置坐标值，记为(xi,yi,zi)，1≤i≤n。进入步骤5。本实施例中，调取球拍击打乒乓球时刻前连续5个采样时刻的乒乓球位置坐标值分别为(0.1,1.5,0.4)、(0.05,1.51,0.5)、(0.05,1.51,0.3)、(0.05,1.51,0.2)、(0.05,1.51,0.1)。进入步骤5。
步骤5、根据运动轨迹判断乒乓球对局发球。
判断乒乓球对局发球前乒乓球运动轨迹是否符合发球轨迹模型。把n个乒乓球位置坐标值(xi,yi,zi)中的n个xi排列成矩阵x，n个yi排列成矩阵y，n个zi排列成矩阵z，当max(x)-min(x)<y且max(y)-min(y)<y且max(z)-min(z)>h时(符合发球轨迹模型)，其中max()为求矩阵最大值的函数，min()为求矩阵最小值的函数，则判定此时球拍击打乒乓球是对局发球；否则判定此时球拍击打乒乓球不是对局发球。返回步骤2。本实施例中，根据球拍击打乒乓球时刻前连续的5个坐标值，x坐标构成矩阵x＝(0.1,0.05,0.05,0.05,0.05)，max(x)＝0.1米，min(x)＝0.05米；y坐标构成矩阵y＝(1.5,1.51,1.51,1.51,1.51)，max(y)＝1.51米，min(y)＝1.5米；z坐标构成矩阵z＝(0.4,0.5,0.3,0.2,0.1)，max(z)＝0.5米，min(z)＝0.1米。max(x)-min(x)＝0.05<y＝0.15米，max(y)-min(y)＝0.01<y＝0.15米，max(z)-min(z)＝0.5>h＝0.16米，则判定此采样时刻球拍击打乒乓球是对局发球。返回步骤2。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。