Velocity and stroke rate reconstruction of canoe sprint team boats based on panned and zoomed video recordings
تقدم هذه الورقة إطار عمل مؤتمتًا يعتمد على الفيديو يستفيد من تقنيات YOLOv8، ومعايرة U-net، والتدفق البصري لإعادة بناء سرعة ومعدل تجديف قوارب فرق سباق الكانو بدقة من تسجيلات متحركة ومكبرة، محققةً توافقًا عاليًا مع بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) دون الحاجة إلى مستشعرات مثبتة على القارب.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تشاهد سباق قوارب الكانوو عالي السرعة على التلفاز. القوارب تتحرك بسرعة مذهلة، والمياه تتناثر، والكاميرا تقوم بعمل زووم (تقريب) وتحريك بانورامي لملاحقة الحدث. كمدرب أو مشجع، تريد معرفة شيئين: ما مدى سرعتهم؟ و ما مدى قوة تجديفهم؟
عادةً، للحصول على هذه البيانات، ستحتاج إلى ربط جهاز تتبع GPS ومستشعر حركة بكل قارب على حدٍ على حد. لكن هذا أمر مكلف، وكابوس لوجستي، وأحياناً يكون مخالفاً للقوانين.
تقدم هذه الورقة البحثية "خدعة سحرية" تتيح لك الحصول على نفس هذه البيانات فائقة الدقة بمجرد مشاهدة لقطات الفيديو. الأمر يشبه امتلاك نظام رؤية حاسوبية خارق يمكنه النظر إلى فيديو مهتز ومقرب (Zoomed-in) ويقول: "آه، ذلك القارب يتحرك بسرعة 4.2 متر في الثانية بالضبط، وهم يجدفون 110 مرات في الدقيقة".
إليك كيف فعلوا ذلك، مقسماً إلى مفاهيم بسيطة:
1. المشكلة: تشوه "عين السمكة"
عندما تصور كاميرا من على الشاطئ سباقاً، فإنها لا تبدو كخريطة مسطحة. بل تبدو كمنظور مشوه ومائل. إذا قمت فقط بقياس عدد البكسلات التي تحركها القارب في الفيديو، فستحصل على سرعة خاطئة لأن الكاميرا تقوم بعمل تقريب (Zoom) وتتحرك من جانب إلى آخر.
التشبيه: تخيل أنك تشاهد سباقاً من فوق عجلة فيريس (عجلة دوارة). بينما تدور العجلة، يبدو العداؤون وكأنهم يتسارعون أو يتباطأون لمجرد تغير زاويتك، حتى لو كانوا يركضون بسرعة ثابتة. احتاج الباحثون إلى طريقة "لتسطيح" منظور عجلة فيريس هذا وتحويله إلى خريطة مسطحة ومثالية.
2. الحل: "الشبكة الافتراضية"
مسار السباق يحتوي على عوامات (علامات عائمة) موزعة بدقة كل 25 متراً. قام الباحثون بتعليم حاسوبهم كيفية رصد هذه العوامات والرياضيين.
- الخدعة: بما أن الحاسوب يعرف تماماً أين يجب أن تكون العوامات في الواقع، فإنه يستطيع حساب زاوية الكاميرا والتشوه لكل إطار (Frame) في الفيديو. إنه يقوم أساساً برسم "شبكة افتراضية" فوق الفيديو، محولاً اللقطات الفوضوية إلى خريطة ثلاثية الأبعاد دقيقة.
3. التحدي الجديد: قوارب الفرق (مشكلة "تتريس")
الإصدارات السابقة من هذه التقنية كانت تعمل فقط مع قوارف الشخص الواحد. ولكن ماذا عن القوارب التي تضم شخصين أو أربعة؟
- المشكلة: في قارب مكون من 4 أشخاص، يجلس الرياضيون في خط واحد. أحياناً تخفي زاوية الكاميرا الشخص الموجود في الخلف، أو يتداخلون مع بعضهم البعض. إذا فقد الحاسوب تتبع من هو من، فلن يتمكن من تحديد مكان مقدمة القارب.
- الحل: قاموا ببناء "محقق ذكاء اصطناعي" خاص (يسمى U-Net) يعمل كمسطرة فائقة الدقة. بدلاً من التخمين أين تقع مقدمة القارب بناءً على متوسط تقريبي، ينظر هذا الذكاء الاصطنا Artificial Intelligence إلى جزء صغير جداً من الفيديو ويقول: "أرى طرف القارب هنا تماماً". إنه يتعلم الشكل المحدد لطرف القارب لكل سباق على حدة.
4. إبقاء الفريق معاً: حبل "التدفق البصري"
ماذا لو فات الحاسوب إطاراً يكون فيه الرياضي مختبئاً خلف رذاذ الماء؟
- الحل: استخدموا تقنية تسمى "التدفق البصري" (Optical Flow). تخيل أن الرياضيين مربوطون ببعضهم بحبل غير مرئي. إذا رأى الحاسوب الشخص في المقدمة، فهو يعرف بالضبط أين يجب أن يكون الشخص في الخلف، حتى لو كان مختفياً مؤقتاً. إنه يتتبع حركتهم مثل شريك الرقص، مما يضمن عدم اختلاط ترتيب الفريق أبداً.
5. عدّ الضربات: "نبض قلب" السباق
أخيراً، احتاجوا إلى عد كم مرة ضربت المجاديف الماء (معدل التجديف).
- الطريقة (أ) (الطريقة البسيطة): راقبوا تغيرات السطوع داخل المربع المحيط بالرياضي. عندما يتحرك المجداف، تتغير سطوع البكسلات. الأمر يشبه الاستماع إلى نبض الطبل عبر مراقبة اهتزاز جلد الطبل.
- الطريقة (ب) (الطريقة الذكية): استخدموا ذكاءً اصطناعياً لتقدير الوضعية (ViTPose) لتحديد كتف الرياضي ومعصمه. يقوم النظام بحساب المسافة بينهما. ومع تجديف الرياضي، تتمدد وتتقلص هذه المسافة بشكل إيقاعي.
- النتيجة: كانت "الطريقة الذكية" (الطريقة ب) أكثر دقة، وهي تقترب من دقة وجود مستشعر على معصم الرياضي.
لماذا هذا مهم؟
هذا النظام يغير قواعد اللعبة للمدربين والرياضيين لأنه:
- لا حاجة للمستشعرات: لا تحتاج لشراء معدات باهظة الثمن أو القلق بشأن اللوائح. فقط قم بتصوير السباق.
- تغذية راجعة فورية: يمكن للمدربين رؤية كيفية إدارة وتيرة السباق بدقة (بداية سريعة؟ نهاية بطيئة؟) وكيفية تناغم تجديف الفريق.
- شامل: يعمل مع قوارب الشخص الواحد، وقوارب الشخصين، وقوارب الأربعة أشخاص، سواء كان السباق لمسافة 200 متر أو 500 متر.
باختصار: لقد حول الباحثون كاميرا فيديو عادية إلى مختبر حركة عالي التقنية. لقد علموا الحاسوب فهم هندسة السباق، وتتبع فريق من المجدفين حتى عندما يختفون عن أعين الكاميرا، وعدّ ضرباتهم بمجرد مراقبة رقص البكسلات. إنه يشبه منح المدرب رؤية بالأشعة السينية، ولكن باستخدام هاتف ذكي وبعض الرياضيات الذكية فقط.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.