Universidade regional de blumenau centro de ciências exatas e naturais curso de ciência da computaçÃO – bacharelado



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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS

CURsO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO – BACHARELADO

ESTUdo de trackinG PARA INSERÇÃO DINÂMICA DE LINHA DE IMPEDIMENTO EM VÍDEOS DE JOGOS DE FUTEBOL

rodrigo busato sartor

bLUMENAU

2011

2011/2-25

RODRIGO BUSATO SARTOR

estudo de trackinG PARA INSERÇÃO DINÂMICA DE LINHA DE IMPEDIMENTO EM VÍDEOS DE JOGOS DE FUTEBOL

Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Regional de Blumenau para a obtenção dos créditos na disciplina Trabalho de Conclusão de Curso II do curso de Ciência da Computação — Bacharelado.

Prof. Paulo César Rodacki Gomes, Dr. – Orientador


bLUMENAU

2011

2011/2-25

sISTEMA de trackinG PARA INSERÇÃO DINÂMICA DE LINHA DE IMPEDIMENTO EM VÍDEOS DE JOGOS DE FUTEBOL

Por


rodrigo busato sartor

Trabalho aprovado para obtenção dos créditos na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso II, pela banca examinadora formada por:



______________________________________________________

Presidente: Prof. Paulo César Rodacki Gomes, Dr – Orientador, FURB



______________________________________________________

Membro: Prof. Dalton Solano dos Reis, M. Sc. – FURB



______________________________________________________

Membro: Prof. Antônio Carlos Tavares – FURB



Blumenau, 14 de dezembro de 2011

Dedico este trabalho a toda minha família, amigos, especialmente aqueles que me ajudaram diretamente na realização deste.

AGRADECIMENTOS

Inicialmente agradeço aos meus pais Clademir e Iara pelo apoio que recebi meus avós Gualdino, Nilva, Alcides e Erna, a meu irmão Rafael pelas diversas correções deste trabalho, e a minha irmã Estefani. Agradeço a toda minha família que mesmo estando longe sempre me deu amor, carinho e me apoiou incondicionalmente não somente durante a conclusão deste trabalho, mais em todo o decorrer da graduação. Sem o apoio deles certamente eu não teria conseguido terminar mais uma etapa em minha vida.

Aos amigos que sempre quando precisei, estavam prontos para me ajudar e apoiar, pelos momentos de distração que foram muito necessários para a conclusão deste trabalho.

Ao meu orientador Paulo César Rodacki Gomes, pelo apoio e confiança depositada neste trabalho.


Viva como se você fosse morrer amanhã. Aprenda como se você fosse viver para sempre.

Mahatma Gandhi



RESUMO

Este trabalho apresenta os passos iniciais para realizar a calibração automática de câmeras, utilizada no intuito de realizar o rastreamento de um jogador de futebol, indicando a posição da linha de impedimento durante uma jogada. O método proposto utiliza apenas como entrada de dados de vídeo sem nenhuma informação adicional de marcação de pontos de interesse. A validade da proposta é apresentada através da implementação de um protótipo em linguagem Java.

Palavras-chave: Computação gráfica. Visão computacional. Filtros de imagem.
ABSTRACT

This paper presents the initial steps to perform the automatic calibration of cameras, used in order to catch the tracking of a soccer player, indicating the position of the offside line when he is moving. The proposed method uses as data entry video files only. The validity of the proposal is presented by implementing a prototype in Java.

Keywords: Computer graphics. Computer vision. Image filters

LISTA DE ilustrações


Figura 1- Imagem com uso da linha de impedimento 13

I : D⊂ℜ² →ℜn 17

Figura 2- Formato de uma imagem 17

N = 255-I 19

Figura 6 – Imagem após filtragem laplaciana 20

Figura 7 – Imagem após filtragem gaussiana 20

Figura 8 – Resultado da filtragem laplaciana na figura 6 21

Figura 9 – Resultado da filtragem LoG aplicado na negativa 22

Figura 11 - Tela com a imagem estática carregada 24

Figura 12 – Cena no ambiente tridimensional 25

Figura 13 – Extração dos segmentos de reta 26


SUMÁRIO

1 Introdução 12

1.1 OBJETIVOS DO TRABALHO 13

1.2 estrutura do trabalho 13

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 15

2.1 Posição de impedimento 15



15

Fonte: Starosky (2003, p. 16). 15

Figura 1- Imagem com uso da linha de impedimento 15

2.2 DETECÇÃO DE OBJETOS EM MOVIMENTO 16

2.2.1 Tracking 16

2.2.2 Objetos em movimento 17

2.2.3 Optical flow 17

2.3 FILTROS DE IMAGEM 18

2.3.1 IMAGENS DE VÍDEO 18

Quadro 1- Função da imagem 19

I : D⊂ℜ² →ℜn 19

19

Fonte: Szenberg (2001, p. 20). 19

Figura 2- Formato de uma imagem 19

Quadro 2 – Luminância 20

Figura 3 – Imagem antes da utilização dos filtros 20

Figura 4 – Imagem após calculo da luminância 20

Quadro 3 – Negativo 21

N = 255-I 21

Figura 5 – Imagem após aplicação da negativa 21

2.4 realce DAS LINHAS 21



22

Fonte: Szenberg (2001, p. 24). 22

Figura 6 – Imagem após filtragem laplaciana 22

22

Fonte: Szenberg (2001, p. 24). 22

Figura 7 – Imagem após filtragem gaussiana 22

23

Fonte: Szenberg (2001, p. 25). 23

Figura 8 – Resultado da filtragem laplaciana na figura 6 23

24

Fonte: Szenberg (2001, p. 26). 24

Figura 9 – Resultado da filtragem LoG aplicado na negativa 24

Figura 10 – Imagem após calculo da luminância 25

2.5 trabalhos correlatos 25

2.5.1 Calibração de câmeras para cálculo de impedimentos 25



26

Starosky (2003, p. 43). 26

Figura 11 - Tela com a imagem estática carregada 26

2.5.2 Ambiente virtual tridimensional para cálculo de impedimento 26



27

Cristofolini (2004, p. 43). 27

Figura 12 – Cena no ambiente tridimensional 27

2.5.3 Acompanhamento de cenas com calibração automática de câmeras 27



28

Szenbert (2001, p. 100). 28

Figura 13 – Extração dos segmentos de reta 28

3 DESENVOLVIMENTO do protótipo 29

3.1 requisitos principais do protótipo 29

3.2 ESPECIFICAÇÃO 29

3.2.1 CASOS DE USO 29

Figura 14 – Diagrama de casos de uso 30

3.2.2 DIAGRAMA DE CLASSES 30



31

Figura 15 – Diagrama de classes 31

3.2.2.1 Codecs 32

Figura 16 – Diagrama das classes descendentes de CodecVídeo 33

3.2.3 DIAGRAMA DE SEQUÊNCIA 34

Figura 17 – Diagrama de sequência 34

Figura 18 – Diagrama de sequência dos codecs 35

3.3 IMPLEMENTAÇÃO 35

3.3.1 Técnicas e bibliotecas utilizadas 36

Quadro 4 – Gerando uma cópia do frame 37

Quadro 5 – Método filterExecute() 38

Quadro 6 – Implementação da equação laplaciana da gaussiana. 39

Quadro 7 – Implementação do filtro threshold. 39

Quadro 8 – Implementação da delimitação da área do blob. 40

Quadro 9 – Populando a matriz de confiaça entre os blobs 40

3.3.2 Operacionalidade da implementação 41



41

Figura 19 – Tela inicial 41



42

Figura 20 – Execução do tracking 42



43

Figura 21 – Realce das linhas 43

3.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 43

4 CONCLUSÕES 45

4.1 EXTENSÕES 45

Referências bibliográficas 46




  1. Introdução


É de conhecimento que todo ser humano está sujeito a cometer erros, mas existem algumas circunstâncias onde falhas humanas são muito frequentes, como no esporte, onde um erro, seja por falta de visão ou atraso de uma fração de segundo, pode definir o resultado de um jogo ou mesmo de um campeonato.

Um dos principais exemplos de esporte nestas condições é o futebol, em que um juiz e dois auxiliares analisam as jogadas sem poder contar com recursos auxiliares como vídeos das mesmas, e qualquer erro pode ser decisivo. Um dos lances das regras de futebol que mais gera discussões entre jogadores e torcedores é o impedimento que, segundo a Confederação Brasileira de Futebol (2010), é caracterizado quando um jogador encontra-se mais próximo da linha de meta adversária do que a bola e o penúltimo adversário.

Para se resolver várias dúvidas relacionadas a erros de arbitragem, ou mesmo na inserção de artifícios publicitários durante as transmissões, passou-se a utilizar a computação gráfica.

Este trabalho investiga o problema no intuito de mostrar a linha de impedimento durante jogadas de ataque em vídeos de jogos de futebol, acompanhando o último jogador da defesa e verificando se durante o andamento de determinado lance ele está mantendo os atacantes em posição de impedimento. Para que a linha de impedimento possa seguir o jogador serão utilizadas técnicas de visão computacional para fazer este acompanhamento (tracking) dos jogadores de interesse.

Neste tipo de problema, para o cálculo da distância dos jogadores, o sistema de coordenadas da câmera deve ser alinhado com as coordenadas do universo. Para isso transformações geométricas devem ser aplicadas para igualar os dois sistemas. Tais transformações devem ser obtidas através de um algoritmo de calibração de câmeras. Esta calibração deve ser dinâmica, realizada a cada quadro de vídeo permitindo a mudança de posição da câmera. A partir desta calibração seria possível calcular a distância entre os jogadores e a linha de fundo a partir das imagens de vídeo, e esta distância define então se sua posição é regular em relação à regra do impedimento.

No protótipo implementado neste trabalho, o usuário deve abrir um vídeo contendo o lance em que se deseja calcular o possível impedimento. A ideia é que o sistema identifique os jogadores, o usuário informe quais deles são os atacantes e quais são os defensores. Em seguida o sistema deve calcular as coordenadas do campo, identificar o último jogador da defesa, inserir uma linha de marcação junto a ele e realizar seu acompanhamento identificando um possível impedimento. O presente trabalho aborda a etapa inicial deste processo que seria o rastreamento dinâmico dos jogadores nos vídeos. Após esta etapa, futuros trabalhos devem investigar e implementar a identificação dos jogadores, a detecção de linhas de campo para cálculo de homografia, o cálculo de distâncias nas coordenadas do mundo a partir das coordenadas de vídeo e a inserção dinâmica da linha de impedimento no vídeo.


    1. OBJETIVOS DO TRABALHO


O objetivo deste trabalho é desenvolver os passos iniciais para a realização de um protótipo de software que irá inserir uma linha de impedimento durante um vídeo de uma partida de futebol.

Os objetivos específicos são:



  1. identificar na imagem do campo as linhas da lateral, do final do campo, e as linhas que delimitam a grande e pequena área;

  2. realizar o acompanhamento automático do último defensor, utilizando técnicas de tracking com detecção de movimento, após o usuário ter indicado para o sistema quais dos jogadores são os defensores.



    1. estrutura do trabalho


Este trabalho está organizado em 4 capítulos. O capítulo 2 apresenta uma fundamentação teórica sobre a qual este trabalho é embasado. Onde incialmente será apresentada uma visão geral sobre o que é o impedimento, e o que é dito na regra do futebol. Em seguida são apresentados os temas inerentes à realização deste trabalho, dando uma visão de como se trabalha com imagens de um vídeo, de como realizar um realce, e segmentação das linhas do campo, e por último, são mostrados alguns trabalhos correlatos.

No capítulo 3 são abordados temas referentes ao desenvolvimento do protótipo, tais como a definição dos principais requisitos, sua especificação através de diagramas da Unifield Modeling Language (UML) e detalhes referentes a seu desenvolvimento. Também são comentados temas referentes à operacionalidade do protótipo e discutidas as conclusões obtidas com a realização deste trabalho.


  1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA


As seções deste capitulo foram dividas entre os principais passos desenvolvidos neste trabalho. Inicialmente a seção 2.1 mostra uma explicação sobre o impedimento e o que diz na regra do futebol sobre ele. A partir da seção seguinte são descritas as técnicas utilizadas para a obtenção do resultado desejado. A seção 2.2 fala sobre os filtros utilizados nas imagens e transformações. Na seção 2.3 é demostrado como foi realizado o realce das linhas, para posteriormente identificar as retas. Por fim, na seção 2.4 são comentados trabalhos correlatos.
    1. Posição de impedimento


A posição de impedimento é uma das regras do futebol que mais geram polêmica, pois o juiz auxiliar, também conhecido como “bandeirinha”, deve analisar uma jogada normalmente em grande velocidade e tomar uma decisão rápida, tendo como única ferramenta sua visão. Neste contexto passou a se utilizar a computação gráfica durante as transmissões de televisão para poder analisar precisamente se o “bandeirinha” e o juiz tomaram a decisão correta.

Segundo as regras que regem o futebol, o impedimento está descrito na regra 11, onde determina que “Um jogador estará em posição de impedimento quando se encontrar mais próximo da linha de meta adversária do que a bola e o penúltimo adversário” (CONFEDERAÇÃO BRASILEIRA DE FUTEBOL, 2010, p. 27).



Na figura 1 verificam-se duas linhas indicando a posição dos jogadores, uma em cima do penúltimo jogador de defesa em vermelho e a outra em amarelo no ultimo atacante. Como o jogador defensivo está mais próximo da linha de meta, a jogada é legal.

Fonte: Starosky (2003, p. 16).

Figura 1- Imagem com uso da linha de impedimento




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