Thiết kế hệ thống đo thành tích bật nhảy tại chỗ sử dụng kỹ thuật xử lí ảnh

- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO THÀNH TÍCH BẬT NHẢY TẠI CHỖ SỬ DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÍ ẢNH.
- Tuyển sinh năng khiếu thể dục thể thao môn nhảy xa tại chỗ cho Bộ môn Giáo dục thể chất tại Trường Đại học Cần Thơ lâu nay sử dụng những thiết bị xác định thành tích chủ yếu bằng thủ công đo bằng tay và mang tính chủ quan của người đo.
- Công việc này ít nhiều chưa đảm bảo tính khách quan và công bằng cho thí sinh.
- Với mong muốn tạo ra thiết bị có hệ thống giám sát và kiểm tra nội dung thi năng khiếu bật xa tại chỗ đầu vào ngành Giáo dục thể chất tại trường Đại học Cần Thơ (ĐHCT), chúng tôi đã sử dụng Webcam Logitech C920 để chụp ảnh và sử dụng kỹ thuật xử lí ảnh để thiết kế hệ thống đo thành tích bật nhảy tại chỗ.
- Những thiết bị dùng để thiết kế hệ thống này có tính chuyên dụng, chi phí thấp và được vận hành bằng phần mềm điều khiển trên máy tính đảm bảo tính khách quan và chính xác trong việc xác định thành tích cho các thí sinh..
- Thiết kế hệ thống đo thành tích bật nhảy tại chỗ sử dụng kỹ thuật xử lí ảnh.
- Đặc biệt là các môn về thể chất, đa số đều dùng các phương pháp thủ công để đo đạc và lấy kết quả trong kiểm tra hoặc thi đấu còn mang tính chất.
- Áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong giảng dạy cũng như đánh giá thành tích thi đấu là một phương pháp hữu hiệu để cải thiện chất lượng đào tạo trong giáo dục thể chất.
- Các hệ thống này giúp đánh giá thành tích của người thi đấu một cách chính xác, chuyên nghiệp và hiệu quả.
- Các thiết bị này được sử dụng để xác định thành tích trong các cuộc tranh tài cấp quốc gia, khu vực và quốc tế.
- Việc đầu tư một hệ thống xác định thành tích chuyên nghiệp như thế sẽ không hiệu quả đối với một số trường đại học có đào tạo chuyên ngành thể dục thể thao.
- Ở Việt Nam, trước đây tại Bộ môn Giáo dục thể chất – Trường Đại học Cần Thơ cũng có một nghiên cứu xác định thành tích bật xa tại chỗ sử dụng trong kỳ thi kiểm tra năng khiếu đầu vào ngành Giáo dục thể chất (Lê Quang Anh và ctv., 2018).
- Hệ thống được điều khiển bằng mô hình cơ khí sử dụng gồm 2 công tắc hành trình để định vị điểm đầu và điểm cuối của mô hình, motor trượt trên xích để di chuyển đến vị trí thí sinh tiếp đất, một bộ cảm biến quang laser để xác định thời điểm thí sinh bật xa, bộ cảm biến đếm xung encoder để qui đổi tính toán ra khoảng cách đo thực tế, Kit Raspberry Pi 3 làm bộ điều khiển trung tâm, màn hình LCD 32 inch để hiển thị kết quả thi đấu và cơ sở dữ liệu được truy xuất và lưu trữ trong thẻ nhớ.
- Tuy nhiên, mô hình này rất khó vận hành, bảo dưỡng, tốc độ đo, độ chính xác các phép đo phụ thuộc vào hệ thống cơ khí.
- Các thiết bị được sử dụng để xác định thành tích trong các cuộc tranh tài cấp quốc gia, khu vực và quốc tế được sử dụng các thiết bị chuyên dùng như bộ đo khoảng cách dùng laser hoặc lưới ma trận điện tử để xác định thành tích một cách khách quan và chính xác..
- Do đó, việc nghiên cứu “Thiết kế hệ thống đo thành tích bật nhảy tại chỗ sử dụng kỹ thuật xử lí ảnh”.
- nhằm đơn giản mô hình đo hiện có tại Bộ môn Giáo dục thể chất và ứng dụng kỹ thuật xử lý ảnh để đo khoảng cách và giúp cán bộ giảng dạy đơn giản hoá công việc giám sát và lấy kết quả trong thi đấu thể thao.
- Ở đề tài nghiên cứu này, nhóm đã thực hiện đo thành tích bật nhảy tại chỗ bằng kỹ thuật xử lý ảnh, sử dụng phần mềm Matlab để xử lí ảnh từ Webcam Logitech C920.
- Về kết quả thực hiện, mô hình đã đạt được mục tiêu ban đầu là tính toán được khoảng cách cũng như truy xuất và lưu lại thông tin, hình ảnh kết quả thi của thí sinh..
- Bài báo mô tả phương pháp ứng dụng cơ sở lý thuyết của xử lý ảnh bằng phần mềm Matlab, từ đó xây dựng và thiết kế mô hình hệ thống thực nghiệm bật xa tại chỗ dùng trong thi năng khiếu thể dục thể thao tại trường Đại học Cần Thơ.
- Với những kết quả thu được từ thực nghiệm của mô hình, đề tài sẽ giúp.
- các giảng viên Bộ môn Giáo dục thể chất đơn giản hóa cách giám sát cũng như xác định kết quả thi đấu một cách hiệu quả và tiết kiệm được thời gian..
- 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
- 2.1 Phương pháp nghiên cứu.
- Để giải quyết vấn đề đặt ra, các phương pháp sau được thực hiện như: nghiên cứu cơ sở lý thuyết, kiểm tra sư phạm, so sánh cho môn bật nhảy tại chỗ, sau đó thiết kế mô hình để đo đạc thành tích, xây dựng giải thuật điều khiển và thực nghiệm kiểm chứng kết quả đo đạc từ mô hình thiết kế..
- Về lý thuyết: Tiến hành tìm hiểu cơ sở lý thuyết, thiết kế mô hình đo thành tích và xây dựng giải thuật điều khiển, giao diện điều khiển và viết chương trình điều khiển mô hình đo đạc..
- Về thực nghiệm: Từ mô hình đo đạc thiết kế, tiến hành kiểm chứng sự hoạt động của hệ thống, chạy thử nghiệm thực tế để kiểm chứng kết quả.
- Từ kết quả đo đạc được, đề tài nghiên cứu sử dụng những phương pháp: Phân tích và thống kê để tổng hợp đánh giá tính hiệu quả của mô hình điện tử với kết quả đo đạc thủ công truyền thống..
- 2.2 Phạm vi nghiên cứu.
- Yêu cầu đặt ra của nghiên cứu là thiết kế mô hình hệ thống đo đạc hoạt động thực tế gồm bộ khung ráp với mặt sân thi đấu, Webcam Logitech C920 được lắp đặt trên cao để chụp bao quát ảnh và kết nối với máy tính để điều khiển và xử lý kết quả..
- Hệ thống có khả năng đo chính xác khoảng cách bật xa của thí sinh với sai số tối đa là ± 3 mm so với cách đo truyền thống bằng thước, hiển thị thành tích thi đấu ra màn hình và đọc kết quả thi đấu tự động qua hệ thống âm thanh, cập nhật cơ sở dữ liệu thí sinh dự thi và cập nhật thành tích thi đấu vào cơ sở dữ liệu với kết quả thi và hình ảnh..
- 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.
- Kết quả đo được tính bằng độ dài từ vạch xuất phát vuông góc đến điểm chạm cuối cùng của.
- Thực hiện 3 lần nhảy và lấy kết quả từ lần nhảy xa nhất (Lê Quang Anh và ctv., 2018).
- Hình 1: Tư thế và kỹ thuật bật xa tại chỗ 3.2 Tổng quan về Webcam Logitech C920.
- 3.5 Thiết kế mô hình hệ thống.
- Với mong muốn đơn giản hóa phương pháp đo lường, thu nhận kết quả và giám sát quá trình đo.
- Kết quả đo thành tích bật xa sẽ được lưu vào file cơ sở dữ liệu Exel, hình ảnh kết quả bật xa cũng được lưu lại tiện cho việc giám sát và so sánh.
- đồng thời hiển thị kết quả đo được lên màn hình, đọc kết quả bằng âm thanh ra loa.
- Kết quả đạt được sẽ hỗ trợ tích cực cho các giảng viên trong công tác giảng dạy và thi đấu..
- 3.5.1 Tổng quan về hệ thống.
- Hệ thống hoạt động theo sơ đồ mô tả như Hình 3, người dùng sẽ nạp cơ sở dữ liệu là file Excel chứa danh sách thí sinh dự thi bao gồm những thông tin như số báo danh, họ và tên, ngày tháng năm sinh, giới tính.
- Máy tính đọc thông tin của thí sinh chuẩn bị thi từ cơ sở dữ liệu, ra lệnh điều khiển webcam chụp ảnh cho thí sinh sau khi bật xa và lưu lại hình ảnh của thí sinh bật xa vào cơ sở dữ liệu của thí sinh đó.
- với thuật toán tính khoảng cách để tính toán xuất kết quả thành tích ra màn hình hiển thị và đồng thời xuất đọc thông báo bằng âm thanh thông tin kết quả ra loa .
- Mỗi thí sinh có 3 lần thực hiện bật xa và tất cả các kết quả và hình ảnh của 3 lần nhảy được lưu vào cơ sở dữ liệu tương ứng với số lần nhảy.
- Kết quả của thí sinh được tính dựa trên thành tích tốt nhất của 3 lần nhảy (Bảng 1)..
- Bảng 1: Kết quả ghi vào cơ sở dữ liệu của thí sinh.
- Hình 4: Mô hình thực nghiệm thiết kế thực tế 3.5.2 Thiết kế mô hình điều khiển hệ thống bật.
- xa tại chỗ.
- Yêu cầu đặt ra là hệ thống có khả năng đo chính xác khoảng cách bật xa của thí sinh với sai số không quá ±3 mm, hiển thị thành tích thi đấu ra màn hình và đọc kết quả thi đấu tự động ra hệ thống âm thanh, cập nhật cơ sở dữ liệu thí sinh dự thi và cập nhật thành tích thi đấu vào cơ sở dữ liệu với kết quả thi và cùng với hình ảnh..
- Mô hình hệ thống sử dụng gồm bộ khung ráp với mặt sân thi đấu và Webcam Logitech C920 được lắp đặt trên cao để chụp bao quát ảnh.
- Theo thống kê từ giảng viên giảng dạy tại Bộ môn Giáo dục thể chất, thành tích bật xa tại chỗ rất hiếm khi có thí sinh bật xa hơn 3,5 m nên nhóm nghiên cứu thiết kế mô hình có kích thước dài x rộng tương ứng là 3,5 m x 1,5 m và chiều cao của trụ lắp camera cao 3,8 m để có thể chụp bao quát mô hình và hạn chế thấp nhất độ méo của bức ảnh.
- Hình ảnh thực tế của mô hình thực nghiệm được thiết kế như Hình 4..
- 3.5.3 Giải thuật điều khiển hệ thống bật xa tại chỗ.
- Toàn bộ hoạt động của hệ thống điều khiển được mô tả như Hình 5.
- Sau khi thí sinh đã dậm nhảy và tiếp đất, giám thị sẽ đặt mẫu xác định thành tích ngay vị trí tiếp đất gần nhất của thí sinh từ ván dậm nhảy, ảnh được chụp từ webcam đưa về máy tính xử lý phân ngưỡng ảnh và chống nhiễu, chuyến đổi.
- Kết quả được xuất ra màn hình LCD và đọc kết quả ra hệ thống âm thanh đồng thời lưu hình ảnh và kết quả vào cơ sở dữ liệu của thí sinh..
- Qua thực nghiệm, để hạn chế sai số do độ cong của ảnh, nhóm đã thực hiện đo lấy mẫu trên 100 kết quả để cho hệ số Px/cm chính xác nhất với nhiều trường hợp ứng với độ sáng của môi trường khác.
- Chuyển sang ảnh nhị phân và phân ngưỡng ảnh Lọc nhiễu và tính toán kết quả Lưu vào CSDL và xuất kết quả.
- Kết quả là hệ số Px/cm dao động từ và dao động không tuyến tính.
- Kết quả trên được xét trên độ phân giải 2304x1536 (độ phân giải tối đa của thiết bị đầu vào Webcam C920)..
- 3.6 Nguyên lý vận hành của hệ thống Hệ thống sẽ làm việc theo chu trình qui định như sau (Nguyễn Đức Thi, 2010.
- Trọng tài sẽ cần phải truy xuất thông tin liên quan của thí sinh thông qua mã số dự thi trên giao diện màn hình, sau đó thí sinh sẽ bước vào mô hình bật xa và chuẩn bị tư thế bật nhảy.
- Sau khi hoàn thành phần thi, trọng tài sẽ đặt ván xác định thành tích vào điểm gần nhất của thí sinh so với ván dậm nhảy (gót chân).
- Hình 6: Ảnh ban đầu chụp được để xác định thành tích.
- ảnh sẽ được đưa về mức sáng 185,6 là mức cho kết quả ít sai số nhất (qua thực nghiệm tại sân thi đấu) và chuyển sang lọc nhiễu.
- Hệ thống xử lý kết quả đo được tính từ điểm xa nhất trên vạch xuất phát và điểm gần nhất trên ván xác định thành tích.
- Kết quả lưu trữ vào cơ sở dữ liệu của thí sinh bao gồm số liệu đo được và hình ảnh vào máy tính có cài đặt phần mềm điều khiển..
- Kết quả đo được có đối sánh với cách xác định thành tích truyền thống là dùng thước để đo.
- Và kết quả thực nghiệm cho thấy các sai số đều nằm trong phạm vi cho phép của nghiên cứu.
- Hình 10 và Hình 11 là giao diện phần mềm điều khiển trên máy tính và kết quả đo thực nghiệm..
- Hình 10: Giao diện phần mềm điều khiển hệ thống.
- Hình 11: Kết quả đo xác định thành tích bật xa tại chổ 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.
- đo bằng máy tính, thành tích không có sự chênh lệch đáng kể, đảm bảo tính chính xác..
- Bảng 2: Kết quả môn bật xa tại chỗ (Nguyễn Đức Văn, 2000).
- Đo thành tích truyền thống.
- (Bằng tay) (cm) Đo thành tích bằng CAMERA.
- n n=102) Qua kết quả sau hai lần kiểm tra sư phạm của.
- 144 thí sinh cho chúng tôi những đánh giá như sau:.
- Cách đo truyền thống bằng tay so với đo bằng phương pháp xử lý ảnh, thành tích không có sự chênh lệch đáng kể, đảm bảo tính chính xác.
- Các kết quả này được kiểm định t – tính, đều không có ý nghĩa thống kê nhưng có tương quan mạnh với P (5%) chứng tỏ các kết quả đáng tin cậy.
- Thông qua kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu có những nhận xét như sau:.
- Cách đo truyền thống có sự tham gia của nhiều người, ngoài những người làm thủ tục gọi tên, kiểm tra giấy tờ tùy thân, giấy báo thi và ghi thành tích thì cũng cần hai người đo vừa quan sát kiểm tra thành tích và thí sinh có vi phạm lỗi trong quá trình bật nhảy tại chỗ, đồng thời phải có người phụ bang cát sau mỗi lần nhảy của thí sinh cho bằng phẳng, thời gian thực hiện cho việc này trung bình khoảng 180 – 240 giây/người/lần..
- Từ những kết quả nghiên cứu trên cho phép có những kết luận như sau:.
- Chi phí thiết kế thấp, tiết kiệm và lắp đặt hệ thống đơn giản, camera sử dụng trong hệ thống rất thông dụng và dễ thay thế với các camera khác có cấu hình tương đương..
- Mô hình ứng dụng kỹ thuật xử lí ảnh để đo thành tích môn bật xa tại chỗ đều thể hiện tính chính xác, có độ tin cậy cao, ít tốn thời gian đảm bảo công bằng trong xác định thành tích.
- Tất cả số liệu đo và hình ảnh của thí sinh đều được lưu trong cơ sở dữ liệu nên rất dễ dàng cho công tác hậu kiểm sau này..
- Hệ thống thiết kế hoàn chỉnh, đáp ứng các yêu cầu và mục tiêu đề ra ban đầu với sai số ± 3 mm..
- Hệ thống có thể lấy kết quả đo rất chính xác.
- Mô hình đã được hoàn thiện và bàn giao cho Bộ môn Giáo dục thể chất – Trường Đại học Cần Thơ sử dụng giảng dạy..
- Với mô hình của đề tài nghiên cứu khoa học, đề nghị Nhà trường (ĐHCT) cho phép ứng dụng trong các lần thi năng khiếu tuyển sinh cho ngành Giáo dục thể chất cũng như trong công tác giảng dạy, và hoạt động phong trào.
- Bên cạnh đó, hệ thống còn bị nhiễu do phụ thuộc vào vị trí bề mặt đặt mô hình và cường độ ánh sáng của môi trường.
- Do đó để cải thiện sai số trong kết quả đo cần:.
- Thiết kế mô hình có thể điều chỉnh độ nghiêng của Camera và lắp thiết bị giám sát độ nghiêng của mặt sân.
- Thông qua độ nghiêng của mặt sân sẽ điều chỉnh Camera song song với mặt sân để thu được kết quả chính xác nhất..
- Lắp đặt hệ thống trong nhà thi đấu hoặc nơi có cường độ ánh sáng môi trường hợp lý và ít thay đổi..
- Qua đó tăng số lượng Pixel xử lí trong một khung ảnh thì kết quả thu được sẽ chính xác hơn..
- Thiết kế mô hình kiểm tra và.
- giám sát thành tích trong thi năng khiếu thể dục thể thao tại Trường Đại học Cần Thơ.
- Xử lý ảnh.
- Giáo trình Xử Lý Ảnh