自动化新型田径比赛计时系统的架构

　　前言终点摄影计时系统是一种在体育径赛比赛中应用的计时系统。自从1912 年在斯德哥尔摩首次运用于奥运会田径比赛以来，迄今已有90 年的历史。随着科学技术的不断进步，测量精度由最初的 1/10s，提高到 1/1000s，最近又提高 到 1/10000s。时至今日，终点摄影系统的广泛应用使得体育比赛更加公正、准确、快捷和高效。
　　常用的径赛计时系统可分成三个部分，即基本部分、起跑部分和分段计时显示部分。其基本部分可以独立使用，也是最常使用的部分，除大型正规运动会以外，起跑部分、分段计时显示部分一般不用。基本部分的主要为终点摄影系统构成，用来采集图片，判读成绩; 起跑部分主要用来发令和起跑犯规检测; 分段计时部分主要用来在显示屏上显示分段成绩。
　　但是，当前的径赛计时系统也存在许多的不足之处。其一，需要的裁判员人数过多，通常大型比赛需要两套以上的终点摄影计时系统来保证比赛的顺利进行，再加上分段显示部分也需要人手。其二，对裁判员的培训比较困难，大部分比赛都需要安排技术人员从旁辅助，从而保障比赛顺利进行。其三，对于一些特殊情况，当前的终点摄影系统难以进行准确的判读，如两名运动员重叠，或运动员小号码丢失等。
　　针对以上的不足，新型的径赛计时系统应运而生。首先，新型终点摄像系统采用了大量自动化技术，大大减少了对人员的需求。其次，系统新增加的内场相机能够应对特殊的判读情况。因此，使用新型径赛计时系统能够有效的弥补之前的不足，使得比赛更加公平公正，比赛的过程更加顺利流畅，对比赛成绩的判读更加准确快捷。

　　1 新型径赛计时系统的构架

　　1． 1 新型径赛计时系统的布局

　　新型径赛计时系统由四大部分组成，分别是终点摄影判读部分，红外线截显示部分，起点发令部分，胸前摄影部分。终点摄影部分是系统的主要部分，放置在田径场的终点摄影房内，在重大比赛中，还需要把内场相机架设在场内终点线的延长线上。拦截显示部分中的红外线拦截设备放置在终点线两侧，显示屏幕放置在终点线靠后的内场，控制端也放置在终点摄影房内，它们之间通过网线连接。起点发令部分需要根据不同的比赛项目移动位置，放置在比赛项目的起点处。胸前摄影部分中的胸前相机放置在终点线靠后的内场中，控制端同样放置在终点摄影房内，两者也通过网线连接。
　　2 新型径赛计时系统各个部分介绍

　　终点摄影判读部分是整个系统的核心部分，它的作用是采集运动员冲线的图像，依此对运动员的成绩进行判读。终点摄影部分主要由相机，控制盒，笔记本电脑组成。

　　2． 1 红外线拦截显示部分

　　红外线拦截显示部分的作用是通过红外拦截设备获得分段成绩与第一名运动员冲线的参考成绩，并显示在显示屏上。拦截部分是主要由红外线拦截设备，显示屏，控制盒，笔记本电脑组成。系统启动时，控制盒收到系统启动命令，开始计时，运动员冲线时，红外拦截设备发送拦截信号到控制盒，控制盒把得到的时间信息发送给笔记本处理，最终在显示屏上显示出来。

　　2． 2 起点发令部分

　　起点发令部分的作用是向整个系统发送系统启动的命令。发令部分的组成比较简单，由两个发令器组成。在发令枪响时发令器接收到声音信号，并且发出系统启动的命令，使终点摄影系统启动。两个发令器在两个不同的信道发出相同的系统启动命令，以此保障整个系统顺利启动。

　　2． 3 胸前摄影部分

　　胸前摄影部分的作用是将运动员冲线的整个过程的图像以及时间信息一起保存下来，在终点摄影判读部分进行成绩判读时回调出运动员冲刺时正面的图像，使得判读更加清楚简单可靠。胸前摄影部分主要由胸前相机和笔记本电脑组成。笔记本通过网络与其他部分连接起来，笔记本上运行专门的胸前相机控制软件，控制相机进行图像采集，并连同时间信息一起保存下来。在终点摄影判读部分进行成绩判读时，该软件能自动根据判读线所在的时间点显示运动员冲刺时的图像。

　　3 自动化在新型径赛计时系统中的应用

　　3． 1 主机副机内场相机操作自动化

　　在重大赛事中，新型径赛计时系统中的终点摄影判读部分需要配置主机，副机和内场相机三套系统。有了副机和内场相机的辅助，整套系统的可靠性大大的提升。此外，内场相机还可以解决比赛中常见的运动员相互遮挡问题。因为内场相机可以从另一个角度拍摄运动员冲线时的图像，能够清楚的看到被遮挡的运动员另一侧的号码。有时候运动员一侧的号码丢失或者被衣服遮挡时，内场相机也能起到巨大的作用。
　　然而，同时使用三套系统的代价就是需要更多的计时人员，这与我们开发新型径赛计时系统的初衷相悖。因此，我们针对主机副机和内场相机的操作设计了一套自动化方案。
　　首先，将三套系统通过局域网连在一起，然后将在主机软件上的部分操作命令同步发送到副机以及内场相机的软件上，使得副机和内场相机的软件能够随着主机联动。具体方案是将主机软件的图像采集命令，进入成绩判读命令，判读线移动的命令，结束比赛的命令发送到副机和内场相机软件。这样之后，只需要一位计时人员在主机上操作，其他两套系统的软件界面就会随之联动，这位计时人员只需要参考一下其他两个电脑的屏幕，就能完成成绩判读操作。这样做不仅能够减少整套系统对计时人员人数的需求，还能有效的减少人为的操作失误，使得比赛更加顺利的进行。

　　3． 2 胸前摄影部分与终点摄像部分联动的自动化

　　胸前摄影部分用于采集运动员冲刺时正面的图像，以供判读时使用。这是原来的终点摄影系统中所没有的部分。胸前摄影部分的加入，使得整套系统不仅能从两侧的小号码来判断运动员，更能够从胸前的大号码来确认运动员的身份。对于成绩的判读而言，胸前摄影部分的出现，大大减低的成绩给错人这样的失误出现的概率，使得整个判读过程更加快捷可靠。在长距离项目中，胸前摄影部分还有一个更为重要的作用。它能够记录下每一圈运动员跑过中的的图像，这无论对于圈数计算，还是某些犯规的查询，都提供了十分有力的方法。
　　在最初设计这个部分时，我们就加入了自动化的部分。通过局域网将胸前摄像部分的笔记本与主机连起来。在比赛时，主机会将比赛开始结束等命令以及时间信息发送给胸前摄影部分，胸前摄影部分的软件依此将相机拍摄到的图像保存下来。当主机进行判读操作时，会将判读线所在的时间点实时发送给胸前摄影部分的软件，胸前摄影部分的软件根据这个时间点给出相应的正面拍摄的图像。这样一来，就只需要把胸前摄影部分的笔记本摆放在主机的笔记本旁边，而就完全不需要有专门安排人员了。

　　4 新型径赛计时系统的发展方向

　　4． 1 终点摄影判读部分自动采集的实现

　　实现自动采集的基本原理是通过对采集的图像进行实时分析，判断出是否有人正在通过终点。如果有，则把图像存储下来，如果没有，则不存储图像。不过为了防止遗漏或者采集不完整，在分析出有人正在通过终点时，应当把之前一小段时间的图像也保存下来; 同理，在分析出已经没有人通过终点时，应当把之后一小段时间的图像也保存下来。实现终点摄影判读部分的自动采集，能够进一步减少整个系统对于人员的依赖，从而减少为人的操作失误，提高整个系统的可靠性。并且还能避免存储大量无用的图像数据，一方面减小该系统对于存储空间的需求，另一方面也使得裁判员判读时更容易找到需要的图像。然而，这个终点摄影判读部分自动采集的实现方法也有显着的缺陷。在晚上或者室内这些光线不足的环境中，对图像的分析处理很可能出现失误，从而导致图像遗漏等问题。对于这个缺陷，我们可以再这种特殊情况下采用手工采集来代替自动采集。

　　5 结语

　　新型径赛计时系统不仅改进了原有终点摄影系统的不足之处，还在原来的系统上进行了创新和扩展。依靠增加的内场相机系统和胸前相机系统，使得裁判员能够从多个角度对运动员冲线的情况进行观察，保证了判读的准确性和可靠性。此外，新型径赛计时系统能够提供内场的图像以及运动员冲线时正面的图像，如果能够用于比赛展示的话，会大大增加比赛的观赏性。在添加了多个子系统的前提下，新型径赛计时系统需要的计时人员并没有增加，甚至有所减少，大大减小了裁判员培训以及经费的压力。

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