一种射箭训练与比赛模拟系统

本发明涉及运动训练领域，尤其涉及一种射箭训练与比赛模拟系统。

背景技术：

1、随着时代的发展，科技的进步影响了人们生活的方方面面。在各大体育赛事中，科技越来越多地参与融合进比赛的各个过程。训练过程中，运动员佩戴智能穿戴设备实时监控生理特征，以便进行更精细化的分析。智能化的分析系统也更进一步地影响比赛过程，在足球运动领域，一些关于视频助理裁判(var)对协会足球裁判决策的影响的研究被展开，由于科学化的数据分析方法对比赛判别的正确预测概率的提升，成功影响了裁判的比赛判断决策，因而已被用于例如世界杯的大型国际赛事中。利用体育运动项目仿真训练系统能够为运动员和教练员提供更加有效的、科学的训练方法，在对比分析了训练与模拟比赛环境下柔道运动员背负投动作三维运动学后，研究者得出了模拟比赛中运动员完成相应动作的时间较短，稳定性较高的结论。

2、射箭作为一项历史悠久的运动，作为打猎求生的手段诞生于远古时代，作为战争的重要工具发展于冷兵器时代，直至今日作为一门现代运动登上了大型国际赛事的舞台。射箭运动员的数量日渐庞大，射箭也逐渐从一个小众的运动项目发展为更大众的爱好。然而现如今，无论是大型国际赛事还是小型射箭场馆，射箭与科技的结合仍处于初始阶段。在报靶方面，射箭项目的得分播报及统计仍停留在人工阶段，需要人通过小型望远镜观察几十米外靶子具体情况，这样的方法危险且低效；射箭项目的规则混乱，只训练简单的拉弓射箭很难锻炼运动员的大赛心态；数据收集与分析仍处于原始阶段，无论是箭着点的热点分析还是生理特征数据分析仍停留在理论层面。这些现在落后的射箭训练系统存在的弊端妨碍了整体射箭运动水平的提高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种射箭训练与比赛模拟系统，以解决目前射箭训练中所缺乏的流程管理和自动化比赛演进的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种射箭训练与比赛模拟系统，其包括：箭靶识别模块、生理特征检测模块、环境探测模块以及比赛模拟模块；其中：

3、箭靶识别模块采用基于卷积神经网络的箭靶自动识别方法识别箭靶上箭矢的坐标；

4、生理特征检测模块用于实时获取用户生理特征；

5、环境探测模块用于实时获取环境信息；

6、比赛模拟模块，用于和使用者交互，以安排使用者进行模拟比赛；模拟比赛过程中，通过箭靶识别模块检测使用者的命中成绩，通过生理特征检测模块检测使用者的生理特征，并通过环境探测模块探测赛场的环境信息。

7、本发明的进一步改进在于，箭靶识别模块采用的基于卷积神经网络的箭靶自动识别方法包括：

8、s11、获取箭靶的rgb视频图像，将各帧进行仿射变换以及图像截取，形成统一大小的原始rgb图像，从而得到rgb视频帧图像序列；

9、s12、对rgb视频帧图像序列通过比较相邻帧变化获取关键帧信息；

10、s13、对s2中所得的rgb视频帧图像序列中的关键帧进行目标检测，得到初检的视频帧箭矢坐标位置及角度信息；

11、s14、采用作差的方法，提取s2中的关键帧与前一帧非关键帧的差异，获得目标图片，并对目标图片进行处理，获得带有箭矢信息的二值图像；

12、s15、结合s3获得的箭矢坐标位置及角度信息及s4获得的带有箭矢信息的二值图像，确定箭矢目标的关键点位置。

13、本发明的进一步改进在于，生理特征检测模块的检测过程包括：

14、s21：将运动员的光电容积脉搏波信号通过智能指环进行采集，并进行预处理，得到ppg信号波形；

15、s22：将指环采集到的ppg信号通过蓝牙传输到运动员个人手机app中；

16、s23：手机app每2s将信号转发至远程服务器端；

17、s24：服务器每2s针对指环信息和运动员信息进行计算，通过运动伪影去除和频率估计算法得到运动员的心率和心率变异性信息，并保存在服务器中；

18、s25：射箭系统请求服务器数据，将该运动员的心率和心率变异性数据显示在大屏幕上。

19、本发明的进一步改进在于，在步骤s21中：

20、智能指环通过led向运动员皮肤发射绿光，经过血管反射后形成光电容积脉搏波信号，通过指环的传感器获取信号，然后通过电路进行信号预处理，通过信号做差去除环境光的影响。

21、本发明的进一步改进在于，在步骤s22中：

22、通过智能指环的蓝牙模块将ppg信号和加速度信号传输到与之配对的智能手机app中。

23、本发明的进一步改进在于，在步骤s24中：

24、步骤s41：服务器将手机端发送的2s ppg和加速度信号数据保存在数据库中，并读取当前时刻前10s的ppg和加速度信号数据、历史心率、历史峰峰距离等计算参数输入到算法函数中；

25、步骤s42：算法通过信号滤波、伪影去除、频率计算、峰峰距拟合等算法，得到运动员的心率和心率变异性数据，保存在数据库中。

26、本发明的进一步改进在于，模比赛模拟模块包括：

27、运动员管理模块，运动员包括用户运动员和模拟运动员，每一位运动员都有唯一的user_id，不可重复；运动员类型包括男子单人，女子单人，男子团体，女子团体，混合团体；运动员录入个人信息且生理健康设备绑定，以便比赛系统对于以运动员个体为单位进行信息存入分析及管理；

28、设备管理模块，包括对于系统包含的硬件设备进行管理的功能；用于选通和绑定赛事所需的靶面摄像头，运动员侧摄像头及相应的环境检测设备；用于查看和测验赛事所需的靶面摄像头，运动员侧摄像头及相应的环境检测设备的预览画面和信息稳定性；用于选择摄像头画面感兴趣区域并发送数据至后台；

29、计划制定模块,包括用于制定数据库内包含运动员的模拟比赛计划，还用于查看与管理数据库内包含运动员的模拟比赛计划；其中，可以根据需要管理和查看计划，计划类型包括可选的训练模式和比赛模式，比赛类型包括可选的男子单人，女子单人，男子团体，女子团体，混合团体；可以制定特定用户运动员的训练计划，包括选定计划类型，比赛类型，模拟运动员，模拟赛事类型，比赛顺序，环境加强模式选定，比赛模式下制定计划后台会生成相应的决赛计划表；可以管理过往计划成绩，用户可以根据过往训练数据进行针对性的训练。

30、本发明的进一步改进在于，还包括赛事进行版面，用于在模拟比赛过程中通过展示所需的实时信息以及提示信息。完整的比赛流程警示音，即比赛准备提示音，比赛开始提示音和比赛结束提示音；射箭警示灯，当轮至用户运动员比赛轮次时，将会亮起警示灯提醒运动员开始射箭，当时间用尽或判靶结束，警示灯将会熄灭；当轮射箭得分提示，用于展示本轮用户运动员和模拟运动员的得分情况及输赢状况；倒计时展示，根据计划制定的不同比赛类型，实施不同的倒计时并提示运动员剩余时间；历史成绩展示，用于展示在本次比赛中运动员对手之间的成绩；实时生理特征信息，用于展示运动员实时的心率，血氧及心率变应性等信息；实时环境信息，用于展示当前射箭场地的风速，风向，温度及湿度。

31、模比赛模拟模块还包括赛事管理模块，其包括完整的基于射箭比赛决赛赛制底层逻辑的赛事流程；其中，用户可以根据计划开始比赛，在开始比赛后，按照比赛赛制完成比赛，在比赛过程中，用户的射箭得分，生理特征变化以及环境信息变化实时地展现在赛事面板上，并引导用户进行下一步操作；在一组比赛完成后，用户可手动修改比赛得分，以应对图像识别算法不够精准的情况；比赛结束后，比赛信息包括分数情况，热点统计，生理特征变化等信息会录入赛事数据库，便于下一步分析与调整训练计划。

32、计划制定模块为每场比赛赋予唯一的比赛id，用户可以根据计划比赛的关键信息，如关键字，计划类型，比赛类型，比赛状态，开始时间以及结束时间快速索引至对应比赛；用户可以查看任意一场历史计划的详细计划信息及比赛日志。

33、进一步地，计划制定模块在选取训练模式时，会根据数据库中的选手成绩建模及模拟比赛分数匹配机制，计划选取对手的虚拟成绩，并在比赛过程中呈现出来；用户还可以根据自己的需求，选取不同成绩概率模型的选手匹配竞赛。

34、赛事进行版面将会展示完整的比赛流程，其中包括开始比赛时，先手运动员开始射箭，若先手运动员为用户运动员，则画面展示运动员侧摄像头拍摄画面，当运动员搭弓准备射箭，画面切换至靶面摄像头画面，完整展示箭从入靶到读取得分的所有画面；若先手运动员为模拟运动员，则画面展示后台根据计划配置的模拟运动员人像画面及根据不同成绩概率模型生成的靶面成绩画面。当先手运动员射箭及判靶结束，则迅速切换至下一位顺序运动员继续比赛流程，直至胜负分明。

35、本发明提供的装置具有以下技术效果：

36、1、本发明的视频图像分析处理模块通过高清摄像头获取rgb原始图像序列，并通过图像检测算法获取得分识别结果，本算法识别精度高，速度较快，能满足实时得分判别的需求，实现全自动判靶；本模块适用性强，可针对现有的射箭环境使用，无需进行多余硬件改变，改造成本较低。

37、2、本发明的生理特征检测算法采用高性能传感器和信号处理电路组成的智能指环，采集信号位置好、精度高、续航时间长、佩戴压力低；在室外运动及训练场景下，采集到的ppg信号容易收到环境光和运动伪影的干扰，我们的算法能够有效去除这些噪声，在同等条件下提高运动员的心率和心率变异性监测准度。

38、3、本发明实现了一个复合智能比分识别，实时生理体征检测，环境信息监测，比赛流程自动化的射箭训练与比赛模拟系统，实现了从运动员数据管理分析，比赛计划制定，比赛设备管理，比赛流程自动化执行等一系列流程的线上系统，更方便运动员和教练进行模拟训练，科学训练。