彩色CCD终点计时系统的设计

２００６年第７期　中图分类号：ＴＮＴ０２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—２５５２（２０ｏ６）０ｒ７—０１０７—０３　彩色ＣＣＤ终点计时系统的设计　张　彬，康秀光，陈扶辛　（哈尔滨市电子计算技术研究所，哈尔滨１５００８０）　摘要：在竞技体育比赛中，运动成绩的确认，靠以往的手工计时无法满足要求，根据国际田　联的规定，大型体育赛会都要采用电动终点计时系统。目前，国内研制水平仍然停留在黑白图　像判定水平上，我国举行的大型赛会，电动终点计时设备主要是从国外引进。现将高速彩色线　阵ＣＣＤ技术应用于终点计时系统，研制出彩色径赛电子计时系统。　关键词：ＣＣＤ；径赛；终点计时　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｌｏｒ　ＣＣＤ　ＺＨＡＮＧ　Ｂｉｎ，ＫＡＮＧ）（ｉｕ—ｇｕａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｆｕ—ｘｉｎ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＨａｒｂｈｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣ阻　ＩｌｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｓｐｏｒｔ　ｇａｍｅｓ，ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｃｏｒｅｓ　ｂｙ　ｆｏｒｍｅｒ　ｈａｎｄ　ｔｉｍｉｎｇ　ｃａｌｌ’ｔ￣ａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｅｓｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｈｔｅ　ＩＡＡＦ（Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ　Ａｍａｔｅｕｒ　Ａｔｈｌｅｔｉｃ　Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ），ａｌｌ　ｔｈｅ　ｌａｒ；　ａｔｈｌｅｔｉｃｓ　ｅｘｐｏｓｉｉｔｏｎｓ　ｒｅｑｕｅｓｔ　ｔｏ　ａｄｏｐｔ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｔｉｍｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｓｔａｙｉｎｇ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｂｌａｃｋ　ａｎｄ　ｗｈｉｔｅ．Ｔｈｅ　ｅｌｃｅｔｒｉｃ　ｔｉｌｌｌｉｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｇａｍｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｉｍａｒｉｌｙ　ｆｒｏｍ　ａｂｒｏａｄ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｈｅｓ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ—ｓｐｅｅｄ　ｃｏｌｏｒ　ｌｉｎｅａｒ　ＣＣＤ　ａｒｒａｙ　ｔｅｃｈｎｉｕｑｅ　ｔｏ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｔｉｍｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ　ｃｏｌｏｒｆｕｌ　ｔｒａｃｋ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｔｉｌＴｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＣＤ；ｔｒａｃｋ　ｅｖｅｎｔｓ；ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｔｉｍｉｇｎ　０　引言　都应使用国际田联批准的全自动照片终点计时设　在竞技体育比赛中，裁判工作的目的是确保公　备”。在径赛比赛中，运动成绩确认，靠以往的手工　平竞赛，保证运动员在竞赛条件均等的条件下进行　计时是无法满足要求的。尤其在大型的体育赛会　比赛，运动员在比赛中既不能获得任何不正当的利　中，对运动成绩的准确、公证的裁定是非常重要的。　益，也不能遭受损失，应为运动员创造最佳的比赛条　随着体育竞技技术水平的不断提高，对径赛设　件。在田径比赛中，使用高科技的电子仪器设备，能　备的要求也越来越高。同时，由于全民体育事业的　够保证准确地判定运动员的比赛成绩，防止人为的　发展，对体育径赛设备的需求也不断增长。但目前　操作误差，提高成绩的判读速度，加快比赛的节奏，　我国在这个领域上是主要引进国外产品。在国内大　并提高比赛的观赏性。　型国际性体育赛事中，我们很少能看到国产的径赛　径赛终点计时系统主要应用于各类大型的体育　电动计时系统。　赛会，尤其是世界级、洲际、国家级的各类体育赛会　１９９５年１Ｏ月，在南京召开的全国第三届城市运　更是离不开它，只有电动计时判读出的成绩才能被　动会田径项目的比赛中，使用的是由国家体委昆明　认可。我国在１９９２年《田径竞赛规则》中规定，凡举　体育电子设备研究所和清华大学合作研制的全自动　行国内一、二、三类比赛，均应使用全自动电子计时　摄像计时系统。该系统采用的是黑白ＣＣＤ摄像系　装置。中国田径协会依照国际田径协会联合会（国　收稿日期：２ＯＯ６—０１—２５　际田联）的《２ｏｏ２—２００３国际田联手册》翻译制定的　作者简介：张彬（１９７３一），男，２ＯＯ３年毕业于哈尔滨工业大学，获硕士　《田径竞赛规则２ｏｏ２）），明确规定：“在所有比赛中，　学位。现在哈尔滨电子计算技术研究所，从事计算机应用　工作。　一１Ｏ７一　维普资讯 http://www.cqvip.com

统，判读速度为１　０００帧／ｓ¨］。　然后计算机程序将图像叠加时间标尺后在显示器显　示出来，裁判员在显示屏上通过鼠标移动判读游标线　来判读出每个运动员的成绩，然后由计算机自动排定　在体育径赛电动计时产品的研究、生产等方面，　我国落后于发达国家。目前，我国的电动计时系统　的研制和生产水平仍然停留在黑白图像判定水平　上，系统的性能还比较低，还远不能满足国际田联的　要求。　名次并生成分组成绩表。显示的图像和成绩可存盘，　供重新判读或通过打印机输出和存档。　国外产品虽然在性能上有一定的优势，但其价　格昂贵，不符合我国国情，不适合全民推广。所以研　２起端发令系统　２．１起端设备设计思想　制智能化电子径赛系统是竞技技术发展的需要，是　体育事业发展的需要，同时也是市场的需要，更重要　起端设备是整个系统与裁判员和运动员打交道　最多的电子设备，在径赛比赛中，起端设备要根据赛　的是走民族体育科技之路的需要　］。　ｌ　系统组成　终点电子计时系统的系统组成如图１所示。它　主要由发令信号传感器、监跑系统、信号传输盒、场　地过渡线缆、彩色ＣＣＤ图像采集处理系统、终点可　视激光拦切装置、终点实时显示牌等组成。场地内　布置如图２所示。　图１彩色ＣＣＤ终点计时系统框图　２００Ｍ　ｌ　５００Ｍ传感器腔制线缆引至处）。　１　１　全　图２彩色ＣＣＤ终点计时系统场地布置图　比赛时，由发令信号传感器启动高精度计时器开　始计时，当运动员接近终点线时，ＣＣＤ摄像机开始工　作，并以１　０００帧／ｓ的速度，连续摄取运动员冲刺终点　线的图像，经图像处理系统处理后存人计算机内存，　一１０８一　事起点的不同而不断变换摆放位置，它的总体设计　思想是要操作方便、利于裁判员的快速掌握。起跑　器要可调整，利于比赛。与终点的连接线信号线由　于要根据赛事的要求不断变换位置，所以在设计时　要保持各段连接线信号线序一致，便于赛会工作人　员快速掌握，另外连接器件要采用具有防水作用的　航空插头，保证线路连接可靠，不会轻易脱落，并且　具有防雨功能，不会因为临时小雨而影响比赛的顺　利进行。监跑器要具有可移动滑轮，便于在场地中　灵活移动，信号传感器固定方式要灵活，便于适应不　同的比赛。在比赛中信号传感器与起端设备要采取　硬连接，避免由于裁判员上下裁判台产生的抖动引　起传感器误动作而影响比赛。由于起端信号分配盒　要使用电池，在起端分配盒上设计时要安置电压指　示表，便于及时更换电池。　径赛的起跑对运动员是有要求的，发令监跑系　统是用于对参赛运动员的起跑及抢跑犯规进行监　测。监跑控制系统由发令传感器、监跑控制器、扩音　器及信号电缆、起跑器、电源电缆等几部分构成。发　令装置主要是由发令枪和电子发令传感器构成。发　令监跑系统的主要功能是：通过电子发令传感器检　测发令枪声信号，并且启动监跑器、终点计时及终点　图像采集系统。监跑器接收启动信号，自动检测来　自各起跑器的运动员起跑情况，记录各起跑器的动　作时间，如有抢跑则自动输出声音以告知参赛运动　员，同时提示发令员（一般要求从起跑信号开始，到　运动员起跑要有一个最小时间限制）。起跑后，可通　过微型打印机打印出各跑道的起跑时间、比赛日期、　时间、比赛项目、组别和是否抢跑犯规等信息。裁判　员可以在赛前根据需要，通过键盘调整监跑器的每　一个参数。各部分安装连线如图３所示。　２．２发令系统　发令系统是由发令枪和电子发令传感器构成。　发令枪可采用单发或多连发子弹式发令枪，目　前市场上经销的此类发令枪均可。　维普资讯 http://www.cqvip.com

图３起端监跑系统接线不意图　电子发令传感器主要接收发令声音信号，并将　此信号放大，传送给信号分配盒。电子发令传感器　对信号的接收是有要求的，既要有高度的灵敏性，又　要有抗干扰性，对外界的非枪声信号如风声、场外噪　音要不予理睬，这样可以减少误动作，提高可靠性。　另外传感器的灵敏度还需要是可调节的，这样可以　根据场地的实际情况来调节传感器的灵敏度。　２．３发令信号分配盒　发令信号分配盒用于发令枪声信号的接收及信　号分配传输。　信号分配盒采用碱性电池供电。盒体面板上有　一块电压表，当看到电压指示过低时，可以更换电　池。信号分配盒可以接收双路信号输入，这主要是　为了保证比赛的可靠性，比赛时应用双路声音传感　器。信号分配盒输出信号标准采用ＲＳ一４２２标准，　这主要是适应比赛场的实际传输距离远的要求，另　外差动传输也可以减少干扰。两路信号一路送给起　端监跑，一路送给终点计时系统作为启动信号。当　终点计时系统准备好后，会给信号分配盒发来一个　信号，这时信号分配盒上的指示灯就会亮起来。　２．４起跑系统　（１）起跑器。起跑器采用国际标准的起跑器。　对起跑器尾部进行加工，装有一个弹簧装置和一个　触点，通过一个五芯的航空插头连接电缆到监跑控　制器。当运动员起跑时，由于脚底的蹬力，通过弹簧　的力量，使触点触合。这样通过电缆把信号传送到　监跑控制器。　．　（２）扩音系统。扩音系统由１个功放机和８个扬　声器组成。在每只起跑器的尾部都有１只功率为　５Ｗ，阻抗为８Ｑ的扬声器，通过电缆与功放器相连。　功放器的输入输出端子接入麦克风和耳机。　（３）监跑控制器。监跑控制器主要实现ＬＥＤ数　码管显示、打印机管理、时间的设定、键盘管理、音响　输出和发令输入等功能。监跑控制器由防水薄膜键　盘、主控制板、８个ＬＥＤ灯和６位ＬＥＤ数码管组成。　防水薄膜键盘用于系统的设置和管理。　３　终点设备　终点设备主要由可视激光拦切装置和终点实时　显示牌两部分构成。　终点拦切部分放在终点线跑道两侧，为终点时　间实时显示牌提供运动员到达终点的拦切信号。由　于采用了可视激光技术，既使得现场安装方便，又提　高了拦切精度，它的有效拦切距离大于１５ｍ。　可视激光拦切装置由可视激光发射器和接收器　构成，为比赛提供单圈和最终到达终点运动员的切　光成绩。该设备输出电平信号：与终点信号分配盒　连接。　终点实时显示牌为运动员和场外观众提供实时　的比赛时间。它由七位显示单元构成，分别显示ｈ，　ｍｉｎ，ｓ，０．１ｓ，０．０１ｓ位，在比赛中，它的最终切光显示　时间不作为最终的判读时间，只是作为参考时间。　终点实时显示牌与系统时钟同步，由单片机控　制与上位机进行实时通讯，从而保证显示时间的准　确性。　４　ＣＣＤ图像采集系统　ＣＣＤ图像采集系统主要由彩色高速线阵ＣＣＤ　摄像机和主控计算机组成。　图像采集采用彩色高速线阵电荷耦合器件ＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）作为核心图像采集器件，根　据计时精度要求，图像采集速度达到１　０００帧／ｓ，每　帧采集像元点数２　７００像元，瞄准精度７ｔｍａ，分红、　绿、兰３基色采集数据，采集彩色图像灰度等级２５６　级。ＣＣＤ摄像机将获取来的图像信号经过数字化　处理后，传输给主控计算机。　主控计算机将采集来的信号存在比赛图像数据　库中，并通过软件对图像进行处理后显示出来，裁判　员根据图像数据确定比赛成绩。　主控计算机系统主要完成以下功能：　（１）快速准确判读竞速比赛的成绩和名次，在高　分辨率显示屏上直接判读，可在每组比赛结束后　１～３ｍｉｎ内完成判读。　（２）通过打印机输出每组比赛成绩（下转第１１２页）　。－——１０９－－——　维普资讯 http://www.cqvip.com

进行多次实验，算法找到的最优路径如图１所　示。经过多次实验，算法基本上都能找到，实验中找　到的ＣＨＮ１４４城市的最短路径为３０　６９７．５１２　８０４。　通过计算过程中记录的适应值和演化代数数　据，可以从图２中看出算法的收敛速度。从图２中，　我们可以看出，在演化算法执行的早期，个体适应值　下降的非常快，说明早期杂交算子作用非常明显，后　期６　０００代以后，算法效率趋于平缓，但仍有少许变　化，可以说明设计的变异算子也起到了作用。　３　结论　文中对求解ＴＳＰ问题的遗传算法进行了改进，　在遗传算法中的杂交、变异算子引入了郭涛算法的　思想，并采用杂交、变异概率动态改变的策略，通过　对ＣＨＮＩ４４城市的实验说明，该算法的改进是有效　的。在求解大规模的ＴＳＰ（如大于５００城市）问题　上，算法还有很大的改进空间，进一步的设计正在实　验当中。总的说来，遗传算法在求解组合优化问题　上是有效的。　图１实验中得到的最优路径　参考文献：　［１］潘正君，康立山，陈毓屏．演化计算［Ｍ］．北京：清华大学出版　社／广西科学技术出版社，２０Ｏ０：１４９—１６１．　［２］陈国良，王煦法，庄镇泉，等．遗传算法及其应用［Ｍ］．北京：人　民邮电出版社，１９９６：３６８—３７９．　［３］谢胜利，唐敏。等．求解ＴＳＰ问题的一种改进遗传算法［Ｊ］．计　算机工程与应用，２ｏｏ２（８）：５８—６０．　［４］ＣｕｏＴａｏ，ＭｉｃｈａｌｅｗｉｃｚＺ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ　ａｌｇｏｒｉｔ　ｈｍｓｆｏｒｔｈｅＴＳＰ［Ｃ］．／／　ＥｉｂｅｎＡ　Ｅ．ｅｔ　ａ１．ｅｄｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　０ｆｔｈｅ　５ｔｈ　ｐａｒａｌｌｄ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｖｉｎｇ　ｆｒｏｍ　Ｎａｔｕｒｅ　Ｃ￣）ｎｆｅｌ＇ｅｎｏ￣．Ｌｅｃｔｕｒｅ　Ｎｏｔｅｓ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｕｔ￣￣Ｓｃｉｅｎｃｅ　１４９８，　Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ。１９９８：８０３—８１２．　［５］赵春英，张铃．求解货郎担问题（ＴＳＰ）的佳点集遗传算法［Ｊ］．计　算机工程与应用，２００１，３７（３）：８３—８４．　图２算法收敛速度　责任编辑：么丽苹　（上接第１０９页）表和输出终点摄影图像。　（３）存储图像和成绩，便于复查和重新判读。大　彩色ＣＣＤ摄像机、图像处理系统、计时控制系统、计　算机等组成。比赛时，由发令信号传感器启动高精　度计时器开始计时，当运动员接近终点线时，ＣＣＤ　摄像机连续摄取运动员冲刺终点线的图像，经图像　处理系统处理后存入计算机内存；通过软件程序在　显示器显示并排出成绩表。文章还对起端发令系统　和终点设备的组成和功能作了具体的分析。　参考文献：　［１］王爱丹．现代化全自动摄像系统计时与裁判工作方法的研究　［Ｊ］．北京体育大学学报，１９９８，２１（２）：９０—９４．　［２］张彬，许峰．基于高速彩色线阵ＣＣＤ的终点计时系统的研究　［Ｊ］．哈尔滨师范大学自然科学学报，２００３，１９（２）：６１—６４．　责任编辑：么丽苹　容量硬盘可储存一次大型田径运动会所有径赛项目　的终点摄影图像和成绩，并可备份。　（４）可预先设定和临时调整比赛分组表。　（５）在大型运动会中，系统可扩充联网功能，如　与大屏幕、编排记录处、检录处、公告栏、裁判长席、　仲裁席、官员席、终点计时记录组、终点裁判组进行　网络通讯，实现比赛成绩的自动化、无纸化传输。　５　结论　本文通过论述终点电子计时系统的系统组成及　各自功能，阐述了终点计时系统的工作原理。终点　电子计时系统主要由发令信号传感器、信号传输盒、　一１　１２一