CN103776604B

CN103776604B - 蹦床冲击球检测方法

Info

Publication number: CN103776604B
Application number: CN201410049799.3A
Authority: CN
Inventors: 吴兴华; 马立修; 孙亚灿; 孙梦颜; 曹立军; 万隆
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: CN103776604A

Abstract

蹦床冲击球检测方法，属于蹦床检测技术领域。第一摄像机（2）与第二摄像机（3）连续采集冲击球（1）回弹后的图像，第三摄像机（6）连续采集蹦床（4）网面下陷深度的图像，对图像处理后计算待测点与图像中心的像素差值，并分别计算第一摄像机（2）、第二摄像机（3）与第三摄像机（6）采集图像的空间分辨率，通过空间分辨率以及像素差值得到冲击球（1）回弹后的三维坐标以及蹦床（4）网面的下陷深度，得到冲击球（1）回弹的最高高度、最大水平偏移量以及蹦床（4）下陷的最深深度，完成一次检测，本发明不需要预先标定摄像机，对摄像机的性能和安装精度需求较低，具有检测方便、结果准确、检测效率高等优点。

Description

蹦床冲击球检测方法

技术领域

蹦床冲击球检测方法，属于蹦床检测技术领域，具体涉及一种检测冲击球自由落体冲击蹦床后回弹高度以及横向、纵向偏移量的方法。

背景技术

为使所有蹦床运动员有公平竞争的机会，必须要控制蹦床的性能和尽量缩小竞赛与训练设备之间的差别，国际田联要求对蹦床进行检测，检测方法是利用冲击球在规定高度自由落体后冲击蹦床，利用摄像机记录冲击球回弹高度以及横向、纵向的偏移量。目前常用的检测方法是在直接线性转换方法，这种方法需要预先标定摄像机，通过两台以上的摄像机可以实现空间三维坐标的重构，实现冲击球的检测。直接线性转换方法标定过程较为复杂，需要至少6个控制点，一般需要大于16个控制点才能较为准确的标定摄像机的参数，且在标定过程中易引入标定误差，相机的参数也容易随时间、运输过程、体育场馆内安装过程改变，导致冲击球测量的不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种不需要预先标定摄像机，对摄像机的性能和安装精度需求较低、检测方便、测量结果准确的蹦床冲击球检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该蹦床冲击球检测方法，其特征在于：包括蹦床、冲击球、摄像机固定杆、第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机，摄像机固定杆竖直固定在蹦床右侧，并且位于冲击球释放位置的水平右方向即X轴上，第一摄像机、第二摄像机与第三摄像机高度可调的固定在摄像机固定杆上，第一摄像机、第二摄像机与第三摄像机的像素均为1280×960，帧频大于等于100Hz，快门速度小于等于1/500s，第一摄像机与第二摄像机连接有摄像机控制器；

具体检测步骤如下：

步骤1，调整三台摄像机的位置，使冲击球回弹后最高点位于第一摄像机与第二摄像机之间，使蹦床下陷的最深点位于第三摄像机的拍摄视场角范围内；

步骤2，从相同位置释放冲击球，冲击球自由落体，摄像机控制器输出脉冲信号，控制第一摄像机与第二摄像机同时采集一副图像，第三摄像机独立连续拍摄，将第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机拍摄的图像通过图像采集卡存入PC机；

步骤3，将所拍摄的彩色图像转灰度图像；

步骤4，将灰度图像转换为二值图像，像素值为0的像素代表图像的背景像素，像素值为1的像素代表冲击球像素，分别计算第一摄像机与第二摄像机的图像中像素值为1的所有像素在竖向Y轴和纵向Z轴的坐标平均值，分别得到第一摄像机与第二摄像机拍摄图像中冲击球的重心时间序列，选取Y轴坐标绝对值的最大值的图像计算冲击球重心相对于第一摄像机图像中心点在Y轴的像素差值NUMY1以及在Z轴的像素差值NUMZ1，计算冲击球重心相对于第二摄像机图像中心点在Y轴的像素差值NUMY2；同时得到第三摄像机的图像中蹦床网面最低点的Y轴坐标时间序列，选取Y轴坐标绝对值的最大值的图像计算蹦床网面最低点相对于第三摄像机图像中心点在Y轴的像素差值NUMY3；

步骤5，利用公式①计算摄像机的空间分辨率C，第一摄像机的空间分辨率为C1、第二摄像机的空间分辨率为C以及第三摄像机的空间分辨率为C3，

C = 2 \times X \times t a n \frac{a}{2} / B

①

其中X为摄像机与待采集图像点的X轴距离，待采集图像点是指第一摄像机与第二摄像机与冲击球的距离，第三摄像机与蹦床网面下陷最深点的距离，α为摄像机的视场角，B为摄像机的竖向像素点数；

步骤6，利用公式②～④计算冲击球与第一摄像机的高度差Y1，与第二摄像机的高度差为Y2以及第一摄像机(2)和第二摄像机(3)与待采集图像点的X轴距离X1，

Y 1 = C 1 \times N U M Y 1 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{1}}{2} / B_{1} \times N U M Y 1

②

Y 2 = C 2 \times N U M Y 2 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{2}}{2} / B_{2} \times N U M Y 2

③

Y1+Y2＝ΔF④

其中α₁为第一摄像机的视场角，α₂为第二摄像机的视场角，B₁为第一摄像机的竖向像素点数，B₂为第二摄像机的竖向像素点数，ΔF为第一摄像机与第二摄像机的已知竖向间距，50mm≤ΔF≤200mm；Y1、Y2和X1为未知数，通过公式②～④三个公式可以求解出这三个未知数；

步骤7，利用公式⑤计算冲击球的纵向坐标Z1，

Z1＝C1×NUMZ1⑤；

步骤8，得到冲击球回弹高度F+Y2、横向偏移量X1-L以及纵向偏移量Z1，其中F为第二摄像机与蹦床网面的高度差，L为检测点与第一摄像机的X轴距离；

步骤9，利用公式⑥计算蹦床网面相对第三摄像机的陷入深度ΔH，

Δ H = C 3 \times N U M Y 3 = 2 \times L \times t a n \frac{a_{3}}{2} / B_{3} \times N U M Y 3

⑥

其中L为检测点与第三摄像机的X轴距离，α₃为第三摄像机的视场角，B₃为第三摄像机的竖向像素点数；步骤4中已经找到了蹦床网面最低点的Y轴坐标时间序列中下陷最深的图像，通过这个图像中的NUMY3得到ΔH，不需要对其他图像进行计算，减少了计算量，提高检测效率；

步骤10，计算蹦床下陷深度H，H＝H1+ΔH，H1为第三摄像机与蹦床网面的已知竖向距离，800mm≤H1≤1050mm；

步骤11，冲击球在相同位置释放三次，取平均值，完成一个点的检测；

步骤12，重复步骤1～11，对蹦床的其他三个点进行检测，完成对蹦床的检测。

步骤6中12°≤α₁≤18°，12°≤α₂≤18°，步骤9中12°≤α₃≤18°。

步骤6中所述ΔF为100mm，步骤8中所述F为3150mm。

所述脉冲信号是频率为100HZ的12V矩形脉冲信号，第一摄像机与第二摄像机在矩形脉冲信号的上升沿同时采集一副图像。

步骤3中所述彩色图像转灰度图像的计算采用将二进制数值右移六位的方法。在保证计算精度的同时，加快计算机的计算速度，提高检测效率。

与现有技术相比，本发明蹦床冲击球检测方法所具有的有益效果是：

1、检测方便、结果准确，本发明通过计算摄像机的空间分辨率以及图像中的像素差值得到冲击球的三维坐标和蹦床网面的下陷深度，不需要预先标定摄像机，避免了标定过程及摄像机参数变化产生的误差，操作方便，检测结果准确。

2、第一摄像机与第二摄像机接收摄像机控制器发出的脉冲信号后同时采集一副图像，确保在计算时第一摄像机与第二摄像机采集的图像中冲击球的绝对位置是一致的，确保计算数据准确，提高检测结果准确性。

3、计算冲击球的重心后，以冲击球的重心计算其回弹高度和偏移量，确保各个图像中得到的数据具有可比性，从而准确找到回弹的最高高度，以及各个方向的最大偏移量。

4、通过预先实验冲击球的高度，调整第一摄像机、第二摄像机和第三摄像机的高度，使每次采集的图像都是合格的，提高检测成功率，提高检测效率。

附图说明

图1为本发明蹦床冲击球检测方法的摄像机分布示意图。

图2为图1的立体结构示意图。

图3为图像中像素差值的示意图。

图4为空间分辨率的计算示意图。

图5为Y1、Y2的计算示意图。

其中：1、冲击球2、第一摄像机3、第二摄像机4、蹦床5、摄像机固定杆6、第三摄像机。

具体实施方式

图1～5是本发明蹦床冲击球检测方法的最佳实施例，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明。

参照图1～2，冲击球1在蹦床4上方400cm处自由落体实验，第一摄像机2与第二摄像机3采集冲击球1回弹后的图像，第三摄像机6采集蹦床4网面下陷后的图像，并通过计算得到冲击球1回弹后的高度、水平偏移量以及蹦床4网面的下陷深度，

在蹦床4右侧竖直固定有一个摄像机固定杆5，第一摄像机2、第二摄像机3与第三摄像机6高度可调的固定在摄像机固定杆5上，第一摄像机2、第二摄像机3与第三摄像机6的像素均为1280×960，快门速度小于等于1/500S，这样能够快速连续拍摄，减小检测误差，帧频要求大于等于100HZ，使图像清晰，计算准确，镜头焦距为10mm，并具有自动调焦功能，本发明中第一摄像机2的视场角为α₁，第二摄像机3的视场角为α₂，第三摄像机6的视场角为α₃，本发明中三台摄像机均采用12°的视场角，视场角如果小于12°会拍摄不到冲击球1，或冲击球1的图像不完整，第一摄像机2与第二摄像机3连接有摄像机控制器，摄像机控制器输出脉冲信号，控制第一摄像机2与第二摄像机3接收脉冲信号同时采集一副图像，因为需要用第一摄像机2与第二摄像机3的图像来计算同一时刻冲击球1的回弹位置，如果第一摄像机2与第二摄像机3拍摄有时间误差，会造成所得到的冲击球1的位置数据存在非常大的误差。

摄像机固定杆5位于冲击球1释放位置的水平右方向即X轴上，这样第一摄像机2、第二摄像机3和第三摄像机6均正对冲击球1的自由落体轨迹进行拍摄，第一摄像机2和第二摄像机3记录的冲击球1在纵向即Y轴上的偏移量就是冲击球1的实际偏移量，第三摄像机6拍摄的蹦床4网面下陷低点位于图像中部，计算方便，提高检测效率，同时结果更加准确。

具体检测步骤如下：

步骤1，调节三台摄像机的位置

冲击球1在相同位置释放2～3次，记录冲击球1自由落体后弹起的高度，调节三台摄像机的位置，使第一摄像机2高于冲击球1的回弹高度，第二摄像机3低于冲击球1的回弹高度，冲击球1第一次回弹后最高点落在第一摄像机2与第二摄像机3之间，确保第一摄像机2与第二摄像机3都能够采集到冲击球1的图像，提高检测成功率，第一摄像机2与第二摄像机3的竖向间距ΔF为100mm，第二摄像机3与蹦床4网面的高度差F为3150mm；

使第三摄像机6的中心点与冲击球1陷入蹦床4最深点的像素差值小于等于200个像素，确保蹦床4下陷的最深点位于第三摄像机6的拍摄视场角范围内，第三摄像机6与蹦床4网面的高度差H1为950mm，可以确保第三摄像机6能够采集到蹦床4网面下陷的最深点的图像，提高检测成功率，提高检测效率；

步骤2，开始检测，冲击球1自由落体：

从相同位置释放冲击球1，摄像机控制器输出频率为100HZ的12V矩形脉冲信号，第一摄像机2与第二摄像机3在矩形脉冲信号的上升沿同时采集一副图像，因为后续在计算冲击球1回弹后的三维坐标时，需要利用第一摄像机2与第二摄像机3同时采集的图像进行计算，如果两张图像不是同时采集的，冲击球1的位置就不相同的，会造成计算结果误差非常大，严重影响检测结果的准确性，第一摄像机2、第二摄像机3与第三摄像机6对水平方向连续拍摄，并将拍摄的图像通过图像采集卡存入PC机；

步骤3，将所拍摄的彩色图像转灰度图像，采用公式Gray＝(R×19+G×37+B×8)>>6，将二进制数值右移六位，提高精度的同时，保证计算机的快速运算，提高检测效率；

步骤4，计算冲击球1重心、蹦床4下陷最深点坐标，计算冲击球1回弹最高点以及蹦床4下陷最深点图像的像素差值；

将灰度图像转换为二值图像，像素值为0的像素代表图像的背景像素，像素值为1的像素代表冲击球1像素，分别计算第一摄像机2与第二摄像机3的图像中像素值为1的所有像素在竖向Y轴和纵向Z轴的坐标平均值，分别得到第一摄像机2与第二摄像机3拍摄图像中冲击球1的重心时间序列，同时得到第三摄像机6的图像中蹦床4网面最低点的Y轴坐标时间序列；

参照图3，选取第一摄像机2、第二摄像机3中Y轴坐标最大值的图像，这两个图像是冲击球1回弹最高点的图像，计算冲击球1重心相对于第一摄像机2图像中心点在Y轴的像素差值NUMY1以及在Z轴的像素差值NUMZ1，计算冲击球1重心相对于第二摄像机3图像中心点在Y轴的像素差值NUMY2；选取第三摄像机6中Y轴坐标最大值的图像，这个图像为蹦床4网面下陷最低点的图像，计算蹦床4网面最低点相对于第三摄像机6图像中心点在Y轴的的像素差值NUMY3；

步骤5，计算摄像机的空间分辨率C

参照图4，空间分辨率C表示两个像素点之间的实际距离，C＝图像实际高度/竖向像素点数，利用公式①计算第一摄像机2的空间分辨率C1、第二摄像机3的空间分辨率C2以及第三摄像机6的空间分辨率C3，

C = 2 \times X \times t a n \frac{a}{2} / B

①

其中X为摄像机与待采集图像点的X轴距离，α为摄像机的视场角，B为摄像机的竖向像素点数；

步骤6，参照图5，利用公式②～④计算冲击球1与第一摄像机2的高度差Y1，与第二摄像机3的高度差为Y2，则

Y 1 = C 1 \times N U M Y 1 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{1}}{2} / B_{1} \times N U M Y 1

②

Y 2 = C 2 \times N U M Y 2 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{2}}{2} / B_{2} \times N U M Y 2

③

Y1+Y2＝ΔF④

当冲击球1落在第二摄像机下面，公式④采用Y2-Y1＝100mm，当冲击球1落在第一摄像机2上面，公式④采用Y1-Y2＝100mm；

根据步骤4中计算出NUMY1＝386，NUMY2＝512，又知α₁＝α₂＝12°，第一摄像机2与第二摄像机3的像素均为1280×960，即B₁＝B₂＝960，代入上述公式后就可以计算出Y1＝42.5，Y2＝57.5，X1＝509，得到冲击球1的竖向坐标和横向坐标；

步骤7，利用公式⑤计算冲击球1的纵向坐标Z1，

Z 1 = C 1 \times N U M Z 1 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{1}}{2} / B_{1} \times N U M Z 1

⑤

根据步骤4中计算出NUMZ1＝109，代入上述公式后得到冲击球1纵向坐标Z1＝12mm；

步骤8，冲击球1回弹后的高度为F+Y2＝3150+57＝3207mm，横向偏移为X1-L＝509-500＝9mm，纵向偏移为Z1＝12mm，得到冲击球1回弹高度以及横向、纵向偏移量；

步骤9，利用公式⑥计算蹦床4网面相对第三摄像机6的陷入深度ΔH，

Δ H = C 3 \times N U M Y 3 = 2 \times L \times t a n \frac{a_{3}}{2} / B_{3} \times N U M Y 3

⑥

其中α₃为第三摄像机6的视场角，B₃为第三摄像机6的竖向像素点数，根据步骤4中计算出NUMY3＝209，又已知L＝500mm，α₃＝12°，第三摄像机6的像素为1280×960，即B₃＝960，代入公式⑥得到ΔH＝22.9mm；

步骤10，利用公式⑦计算蹦床4的陷入深度H，

H＝H1+ΔH⑦

H1为第三摄像机6与蹦床4网面的已知竖向距离，得到H＝950+22.9mm＝972.9mm；

步骤11，冲击球1在相同位置释放三次，取平均值，完成一个点的检测；

步骤12，将冲击球1移动至下一检测点，重复步骤1～11，第一摄像机2、第二摄像机3和第三摄像机6随摄像机固定杆5纵向移动，对蹦床4网面的其他三个点进行检测，完成对蹦床4的检测。

本发明中各轴坐标最大值均指绝对值的最大值。

以上是本发明的最佳实施例。

本发明中第一摄像机2的像素A₁×B₁，第二摄像机3的像素A₂×B₂，第三摄像机6的像素A₃×B₃都要求大于等于1280×960，三台摄像机的像素可以各不相同。

第一摄像机2的视场角α₁，第二摄像机3的视场角α₂，第三摄像机6的视场角α₃均大于等于12°，小于等于18°，三台摄像机的视场角可以各不相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种蹦床冲击球检测方法，其特征在于：包括蹦床(4)、冲击球(1)、摄像机固定杆(5)、第一摄像机(2)、第二摄像机(3)和第三摄像机(6)，摄像机固定杆(5)竖直固定在蹦床(4)右侧，并且位于冲击球(1)释放位置的水平右方向即X轴上，第一摄像机(2)、第二摄像机(3)与第三摄像机(6)高度可调的固定在摄像机固定杆(5)上，第一摄像机(2)、第二摄像机(3)与第三摄像机(6)的像素均为1280×960，帧频大于等于100Hz，快门速度小于等于1/500s，第一摄像机(2)与第二摄像机(3)连接有摄像机控制器；

具体检测步骤如下：

步骤1，调整三台摄像机的位置，使冲击球(1)回弹后最高点位于第一摄像机(2)与第二摄像机(3)之间，使蹦床(4)下陷的最深点位于第三摄像机(6)的拍摄视场角范围内；

步骤2，从相同位置释放冲击球(1)，冲击球(1)自由落体，摄像机控制器输出脉冲信号，控制第一摄像机(2)与第二摄像机(3)同时采集一副图像，第三摄像机(6)独立连续拍摄，将第一摄像机(2)、第二摄像机(3)和第三摄像机(6)拍摄的图像通过图像采集卡存入PC机；

步骤3，将所拍摄的彩色图像转灰度图像；

步骤4，将灰度图像转换为二值图像，像素值为0的像素代表图像的背景像素，像素值为1的像素代表冲击球(1)像素，分别计算第一摄像机(2)与第二摄像机(3)的图像中像素值为1的所有像素在竖向Y轴和纵向Z轴的坐标平均值，分别得到第一摄像机(2)与第二摄像机(3)拍摄图像中冲击球(1)的重心时间序列，选取Y轴坐标绝对值的最大值的图像计算冲击球(1)重心相对于第一摄像机(2)图像中心点在Y轴的像素差值NUMY1以及在Z轴的像素差值NUMZ1，计算冲击球(1)重心相对于第二摄像机(3)图像中心点在Y轴的像素差值NUMY2；同时得到第三摄像机(6)的图像中蹦床(4)网面最低点的Y轴坐标时间序列，选取Y轴坐标绝对值的最大值的图像计算蹦床(4)网面最低点相对于第三摄像机(6)图像中心点在Y轴的像素差值NUMY3；

步骤5，利用公式①计算摄像机的空间分辨率C，第一摄像机(2)的空间分辨率为C1、第二摄像机(3)的空间分辨率为C2以及第三摄像机(6)的空间分辨率为C3，

C = 2 \times X \times t a n \frac{a}{2} / B

①

步骤6，利用公式②～④计算冲击球(1)与第一摄像机(2)的高度差Y1，与第二摄像机(3)的高度差为Y2以及第一摄像机(2)和第二摄像机(3)与待采集图像点的X轴距离X1，

Y 1 = C 1 \times N U M Y 1 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{1}}{2} / B_{1} \times N U M Y 1

②

Y 2 = C 2 \times N U M Y 2 = 2 \times X 1 \times t a n \frac{a_{2}}{2} / B_{2} \times N U M Y 2

③

Y1+Y2＝ΔF④

其中α₁为第一摄像机(2)的视场角，α₂为第二摄像机(3)的视场角，B₁为第一摄像机(2)的竖向像素点数，B₂为第二摄像机(3)的竖向像素点数，ΔF为第一摄像机(2)与第二摄像机(3)的已知竖向间距，50mm≤ΔF≤200mm；

步骤7，利用公式⑤计算冲击球(1)的纵向坐标Z1，

Z1＝C1×NUMZ1⑤；

步骤8，得到冲击球(1)回弹高度F+Y2、横向偏移量X1-L以及纵向偏移量Z1，其中F为第二摄像机(3)与蹦床(4)网面的高度差，L为检测点与第一摄像机(2)的X轴距离；

步骤9，利用公式⑥计算蹦床(4)网面相对第三摄像机(6)的陷入深度ΔH

Δ H = C 3 \times N U M Y 3 = 2 \times L \times t a n \frac{a_{3}}{2} / B_{3} \times N U M Y 3

⑥

其中L为检测点与第三摄像机(6)的X轴距离，α₃为第三摄像机(6)的视场角，B₃为第三摄像机(6)的竖向像素点数；

步骤10，计算蹦床(4)下陷深度H，H＝H1+ΔH，H1为第三摄像机(6)与蹦床(4)网面的已知竖向距离，800mm≤H1≤1050mm；

步骤11，冲击球(1)在相同位置释放三次，取平均值，完成一个点的检测；

步骤12，重复步骤1～11，对蹦床(4)的其他三个点进行检测，完成对蹦床(4)的检测。

2.根据权利要求1所述的蹦床冲击球检测方法，其特征在于：步骤6中12°≤α₁≤18°，12°≤α₂≤18°，步骤9中12°≤α₃≤18°。

3.根据权利要求1所述的蹦床冲击球检测方法，其特征在于：步骤6中所述ΔF为100mm，步骤8中所述F为3150mm。

4.根据权利要求1所述的蹦床冲击球检测方法，其特征在于：所述脉冲信号是频率为100HZ的12V矩形脉冲信号，第一摄像机(2)与第二摄像机(3)在矩形脉冲信号的上升沿同时采集一副图像。

5.根据权利要求1所述的蹦床冲击球检测方法，其特征在于：步骤3中所述彩色图像转灰度图像的计算采用将二进制数值右移六位的方法。