技术领域
[0001] 本
发明属于体育科技领域，特别是涉及一种越野
滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法及系统。
背景技术
[0002] 与夏季奥运项目相比，我国运动员在冬季
冰雪项目上的成绩还存在许多不足，与世界先进
水平差距较大。如
速度滑冰、短道速滑等冰上竞速类项目的中长距离整体水平呈现弱势。越野滑雪、高山滑雪等雪上竞速类项目多年来一直处在国际上处于第二梯队。花样滑冰、雪上空中技巧、单板U池等难美性项目在技术动作的难度储备上仍然处于追赶的整体态势。我国冬奥项目与世界先进水平相差较大的原因有很多，其中竞技能
力不足是关键因素，而训练
质量控制则是提高竞技能力最为重要的方面。
[0003] 有效的训练质量控制需要科技手段的介入，如数字化冰场技术能够对滑冰训练的质量和效果提供客观的可量化的数据支持，为训练改进提供科学依据。冰雪运动是运动员借助特制器材的一种高速运动，这决定了对冰雪运动的观测、分析都充满挑战。相较于室内的冰上运动项目，滑雪项目大多是大场景、多维度、复杂天气下的高速运动，对滑雪运动进行数据观测、运动分析则更加困难。基于这个原因，目前国内还没有专业的数字化雪场，国际上类似的系统也未见报道。数字雪场通过
传感器实时采集获取
温度、湿度、
风速等环境信息，运动员
位置、速度等运动信息，以及运动员
滑行技术
姿态信息，并通过雪场信息展示平台实时呈现给教练员作为分析评价运动技战术状态的依据。
[0004] 越野滑雪运动的赛道通常是在野外山地，赛道长度1-5公里，包括上坡段、下坡段及平地段。由于赛道范围大，障碍物多，教练员通常只能采用在某个固
定位置观察进行技术指导，通过掐表计全程滑行时间来评价训练效果，这种简单、笼统的评价方式很难发现训练中的不足和原因，缺乏运动员训练过程中的技术动作细节和局部赛段的速度信息。为了采集滑雪运动全程视频信息，基于视觉的方法则面临着空间范围大、目标速度变化剧烈(越野滑雪最高滑行速度可达60公里/小时以上，最慢时不到1公里/小时)、遮挡、
变形等诸多问题，难以实现稳定、持续地跟踪拍摄。测量滑雪运动员滑行速度的关键是准确定位，对于越野滑雪这种野外山地环境，普通GPS、无线射频方式或
陀螺仪等常见定位方式均存在明显不足。
发明内容
[0005] 本发明设计了一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法及系统，实现运动员的位置、速度采集和滑雪视频
数据采集，本发明主要解决了越野滑雪运动员的高
精度定位与稳定跟踪的难题。
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法，包括以下步骤：
[0007] S100通过GPS基站解算运动员的实时经纬度；
[0008] S200通过所述实时经纬度判断运动员的所在区域，并调出所在区域对应的区域号；
[0009] S300判断运动员当前所在区域的区域号是否变更，若是，则执行步骤S400；否则，执行步骤S500；
[0010] S400该区域的
云台相机对运动员执行追踪工作，并执行步骤S600；
[0011] S500切换至变更后区域中的云台相机对运动员继续执行追踪工作，并执行步骤S600；
[0012] S600所述GPS基站接收运动员的下一
帧定位信息，并返回步骤S100。
[0013] 进一步的，在步骤S100前还包括：
[0014] S000将滑雪场赛道分为若干区域，并分别赋予区域号；
[0015] S010在每个区域安装云台相机，保证每个云台相机的
视野可以
覆盖其所在区域。
[0016] 进一步的，在步骤S010后还包括：
[0017] S020GPS/北斗接收机通过手机将测得的差分定位数据发送至所述GPS基站。
[0018] 进一步的，在步骤S100后还包括：
[0019] S110通过运动员的实时经纬度判断运动员的瞬时速度。
[0020] 进一步的，在步骤S300中，如果运动员当前所在区域的区域号未变更，则根据相邻两帧定位信息计算出当前云台相机应当执行的
俯仰角增量和
偏航角增量。
[0021] 进一步的，在步骤S500中，所述云台相机根据应当执行的俯仰角增量和偏航角增量进行视角调整。
[0022] 一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集系统，应用于上述的一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法，包括：卫星、GPS/北斗接收机、手机、GPS基站、中心工作站和云台相机群，
[0023] 所述卫星分别与所述GPS/北斗接收机和GPS基站连接，所述GPS/北斗接收机与所述手机连接，所述手机与所述GPS基站连接，所述GPS基站分别与所述云台相机群和所述中心工作站连接，其中，
[0024] 所述卫星用于向所述GPS/北斗接收机发送运动员当前的定位信息，同时向所述GPS基站发送GPS基站的定位信息；
[0025] 所述GPS/北斗接收机用于向所述手机发送运动员当前的定位信息；
[0026] 所述手机用于向所述GPS基站发送运动员当前的定位信息；
[0027] 所述GPS基站用于进行GPS差分计算，得到云台相机应当执行的俯仰角增量和偏航角增量，并向所述云台相机群发送需执行的俯仰角增量和偏航角增量，向所述中心工作站发送运动员实时GPS定位信息；
[0028] 所述云台相机群用于对运动员进行视频跟踪及视频采集；
[0029] 所述中心工作站用于生成运动员的运动轨迹。
[0030] 本发明的有益效果在于：本发明设计了一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法及系统，能够根据运动员的位置变化控制云台相机的转动角度及不同云台相机之间的实时切换，使得视频数据采集更加及时有效，且通过差分GPS能够得到更加精确的运动员定位信息，进而使得测算出的云台相机转动角度及不同云台相机的切换时机更加精确。
附图说明
[0031] 图1为本发明的一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法的
流程图；
[0032] 图2为本发明的一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集系统的结构
框图；
[0033] 图3为本发明的一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法及系统的示意图；
[0034] 图4为滑雪赛道三维模型示意图；
[0035] 图5为亚布力滑雪场赛道区域划分示意图；
[0036] 图6为云台相机的实物图；
[0037] 图7为GPS/北斗接收机的实物图；
[0038] 图8为噪声与滤波对比图，其中：图8(a)为高程噪
声波形图；图8(b)为中值滤波降噪效果。
具体实施方式
[0039] 下面将结合本发明
实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040] 参照图1所示，本发明提出了一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法的一实施例，包括以下步骤：
[0041] S100通过GPS基站解算运动员的实时经纬度；
[0042] S200通过实时经纬度判断运动员的所在区域，并调出所在区域对应的区域号；
[0043] S300判断运动员当前所在区域的区域号是否变更，若是，则执行步骤S400；否则，执行步骤S500；
[0044] S400该区域的云台相机对运动员执行追踪工作，并执行步骤S600；
[0045] S500切换至变更后区域中的云台相机对运动员继续执行追踪工作，并执行步骤S600；
[0046] S600GPS基站接收运动员的下一帧定位信息，并返回步骤S100。
[0047] 具体的，在GPS设备采集数据过程中，由于设备自身或者其他客观因素的干扰，得到的数据经常夹杂噪音。如图8(a)所示即是含有噪声的高程数据，在横坐标50、200、300、400附近存在明显的噪声。为有效过滤连续数据中的尖峰噪声，可使用中值滤波的方式降噪处理。窗口大小为5的中值滤波效果如图8(b)所示，绿色线条为滤波之后的高程变化曲线，可见已经明显将尖峰噪声去除。
[0048] 参照图1所示，在本部分优选实施例中，在步骤S100前还包括：
[0049] S000将滑雪场赛道分为若干区域，并分别赋予区域号；
[0050] S010在每个区域安装云台相机，保证每个云台相机的视野可以覆盖其所在区域。
[0051] 具体的，亚布力越野滑雪场地共有5条线路，包括1条1.5公里短距离线路，2条2.5公里线路，2条3.75公里线路，以及起终点区。将短距离线路作为实验赛道，赛道实际长度1390米，宽度9～12米，落差48米，最大爬坡14米，累积爬坡48米。通过实地勘测短距离赛道示意如图5所示。首先根据赛道实际情况，考虑遮挡、拍摄效果及安全性，在本实施例中，如图5所示，将赛道分为14个区域，保证每个区域都能够被单台云台相机覆盖，相机数量取决于赛道实际情况，图中黑点为相机安装位置，区域‘101’、‘102’是为相机的不同控制策略而单独划分的区域，二个区域共用一台相机。
[0052] 参照图1所示，在本部分优选实施例中，在步骤S010后还包括：
[0053] S020GPS/北斗接收机通过手机将测得的差分定位数据发送至所述GPS基站。
[0054] 参照图1所示，在本部分优选实施例中，在步骤S100后还包括：
[0055] S110通过运动员的实时经纬度判断运动员的瞬时速度。
[0056] 具体的，运动员的瞬时速度是由中心工作站进行计算的。
[0057] 在本部分优选实施例中，在步骤S300中，如果运动员当前所在区域的区域号未变更，则根据相邻两帧定位信息计算出当前云台相机应当执行的俯仰角增量和偏航角增量。
[0058] 具体的，在运动员定位信息的
基础上，利用该定位信息对云台相机进行控制。滑雪赛道三维模型如图4所示，X、Y、Z坐标轴分别表示经度、纬度、高程，红色曲线表示上坡和下坡的路线，绿色曲线是该段赛道在经纬度平面上的投影效果。将云台相机、运动员抽象为质点，云台相机位置记为O1。假设运动员在A点时，令相机光轴指向A点即是最佳观测，此时云台对应的俯仰角、偏航角均可求得。当运动员从A点运动到B点时，计算出相机光轴指向B点相对于A点时的俯仰角增量和偏航角增量，即可控制云台实现跟踪。将经纬度转换为对应的球心
坐标系下的直角坐标，记O1的直角坐标为 由O1向下作垂线与地面交点为O2，直角坐标为 当运动员在A点(LonA，LatA，HA)时，云台的俯仰角可用∠AO1O2表示，即向量 和 和夹角，设大小为θ，则有
[0059]
[0060] 其中
[0061] 当运动员到达B点时，同理可计算出在B点时云台的俯仰角度。
[0062] 运动员从A运动到B，云台的偏航角度就是∠AO1B在经纬度面的投影角的角度，分别由A、B两点向H＝0的经纬度面做垂线，交点分别是A’和B’，再分别由A’和B’向O1O2直线作垂线，交点为O3，∠A′O3B′即为偏航角的增量。根据向量：
[0063]
[0064]
[0065] 可解算得到偏航角增量。
[0066] 在本部分优选实施例中，在步骤S500中，云台相机根据应当执行的俯仰角增量和偏航角增量进行视角调整。
[0067] 参照图2所示，一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集系统，应用于上述的一种越野滑雪运动轨迹跟踪与视频采集方法，包括：卫星、GPS/北斗接收机、手机、GPS基站、中心工作站和云台相机群，
[0068] 卫星分别与GPS/北斗接收机和GPS基站连接，GPS/北斗接收机与手机连接，手机与GPS基站连接，GPS基站分别与云台相机群和中心工作站连接，其中，
[0069] 卫星用于向GPS/北斗接收机发送运动员当前的定位信息，同时向GPS基站发送GPS基站的定位信息；
[0070] GPS/北斗接收机用于向手机发送运动员当前的定位信息；
[0071] 手机用于向GPS基站发送运动员当前的定位信息；
[0072] GPS基站用于进行GPS差分计算，得到云台相机应当执行的俯仰角增量和偏航角增量，并向云台相机群发送需执行的俯仰角增量和偏航角增量，向中心工作站发送运动员实时GPS定位信息；
[0073] 云台相机群用于对运动员进行视频跟踪及视频采集；
[0074] 中心工作站用于生成运动员的运动轨迹。
[0075] 具体的，图3是越野滑雪轨迹跟踪与视频采集系统示意图。通过在赛道两侧按一定间隔设置工作
节点，架设云台相机，负责视频数据采集，以相机接力的方式实现全程视频跟踪。采用便携式定位设备采集运动员滑行轨迹，同时将该定位信息实时发送给中心工作站，用于控制云台相机的工作。定位设备采用全球卫星
导航系统+参考站定位方式，能够全天候、全覆盖、高精度、动态、实时定位。具体地，通过在地面基站上安置一台接收机为参考站，对卫星进行连续观测，运动员随身携带的移动GPS接收机在接收GPS卫星
信号的同时，借助手机通过4G/5G网络把定位信息实时发送给参考站，参考站结合自身定位信息根据相对定位的原理，实时解算出移动GPS的经纬度和高程，作为运动员定位信息。这种基于地面GPS参考站的差分定位方式平面位置精度可达厘米级，能够满足运动员运动参数测量。然后按照室外监控杆施工规范架设立杆，充分考虑雷电浪涌防护要求及野外施工规范，云台相机安装效果如图6所示。移动GPS基站只需将天线置于室外，基站接收机可与中心工作站一起位于控制中心。运动员随身携带的接收机如图7所示，其重量为70g(含
电池)，大小90x 57x 26mm。GPS数据采用WGS84坐标系。
