CN106643662B - 球体及其高速旋转运动参数检测方法 - Google Patents
球体及其高速旋转运动参数检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种球体及其高速旋转运动参数检测方法，为解决现有技术的球面特征点识别、计算复杂且计算结果不可靠等问题，本发明的球体上设有球面标记，球面由相互垂直的第一大圆、第二大圆以及第三大圆划分；所述第一大圆的三等分点以及所述第二大圆与第三大圆的两个交点为所述球面标记的五个基准点，所述球面标记包括等长且中点分别与所述五个基准点重合的至少五条相互不平行的标记线，所述标记线的长度小于所述第一大圆周长的三分之一；所述标记线至少包括：第一标记线、第二标记线、第三标记线、第四标记线以及第五标记线。
Description
技术领域
本发明涉及旋转运动参数检测领域，更具体地说，涉及一种球体及其高速旋转运动参数检测方法。
背景技术
对球体的运动分析中球体旋转向量的检测极其重要。传统的旋转向量检测方法为在球体上印刷标记点或三角形状后，在球体运动状态下，间隔拍摄。根据拍摄得到的图像计算球体飞行信息。中国专利CN2010800077501公开了一种高尔夫球体，球体表面设有多个标记点。运动图像采集过程中，需要多台摄像机同时拍摄三个特征标记点，如果第一张的三个标记点中有一个在边缘，下一张将无法拍摄到该标记点；拍摄完成后必须计算三个标记点的对应位置关系，否则无法进行旋转向量计算。而在高尔夫球的高速运动状态下，三个标记点对应位置关系的计算及其复杂，计算结果可靠性低。此外，在高尔夫球的打击过程中可能留下印记，增加特点标记点的识别难度。中国专利CN201310533836.3公开了一种高尔夫球体表面的标记，该标记包括六个三角形，三角形中的其中一个点位于三个垂直大圆的交点位置。在实际应用中，六个三角形，大小不一，在球体快速旋转且摄像头距离较远的情况下，三角形的角端点识别十分困难，三角形也因为分布在球面上发生畸变使角点位置扭曲，且拍摄得到的三角形边缘模糊，很难计算各角端点准确的三维位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供用于高速旋转运动参数检测的一种球体及其高速旋转运动参数检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于高速旋转运动参数检测的球体，球体上设有球面标记，球面由相互垂直的第一大圆、第二大圆以及第三大圆划分；所述第一大圆的三等分点以及所述第二大圆与第三大圆的两个交点为所述球面标记的五个基准点，所述球面标记包括等长且中点分别与所述五个基准点重合的至少五条相互不平行的标记线，所述标记线的长度小于所述第一大圆周长的三分之一；所述标记线至少包括：第一标记线、第二标记线、第三标记线、第四标记线以及第五标记线。
优选地，所述第一标记线、第二标记线以及第三标记线分别与所述第一大圆倾斜相交，且中点分别位于所述第一大圆三等分点上；第四标记线以及第五标记线的中点分别位于所述第二大圆与第三大圆的两个交点上，且所述第四标记线以及第五标记线相互垂直。
优选地，所述第一标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为40°～50°，所述第二标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为5°～15°，所述第三标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为0°～10°。
优选地，所述第一标记线的中点为所述第一大圆与所述第二大圆的交点，所述第四标记线的延长线与所述第一标记线的延长线的夹角范围为25°～35°。
优选地，所述标记线的宽度与所述球体大小相适配。
本发明还提供一种球体的高速旋转运动参数检测方法，球体上设有上述的标记线，该方法包括以下步骤：
S1：根据球体的尺寸、最大旋转速度n、以及最大飞行速度V确定图像采集区域的长度x和宽度y，以及图像采集频率：间隔f秒采集一次；
S2：连续采集M帧球体运动图像，M≥2；
S3：从M帧球体运动图像中选取相邻的第一帧图像以及第二帧图像，根据所述第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线的位置变化，计算球体的旋转运动参数。
优选地，球体以速度V运动f秒的位移小于x和y，以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体轮廓完整；间隔时间以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体旋转角度小于180°。
优选地，所述旋转运动参数包括后旋向量、侧旋向量。
优选地，所述后旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线中点的位置以及球体尺寸计算所述中点在球面上的三维位置，根据所述三维位置计算该中点的旋转角度和旋转方向。
优选地，所述侧旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线斜率的变化计算该标记线的旋转角度和旋转方向。
实施本发明的球体及其高速旋转运动参数检测方法，球面标记线可识别度高，不受打击印记的影响。标记线特征点为标记线的中点，特征点选取简单，依据此得到计算结果可准确反映球体的旋转向量。本发明方法中的采集区域大小、图像采集频率与球体大小、球体最大转速、最大飞行速度相匹配；每帧图像中球体轮廓完整，间隔时间内球体旋转角度不超过180°，球体旋转方向分析简便准确。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为球面标记线示意图以及参考坐标系；
图2为球体展开平面图中的标记线示意图；
图3为球体的立体示意图；
图4为一帧球体运动图像；
图5为连续采集的四帧球体运动图像中的标记线示意图；
图6为球体的高速旋转运动参数检测方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，为本发明用于高速旋转运动参数检测的球体的一实施例，球体上设有球面标记，球面由相互垂直的第一大圆、第二大圆以及第三大圆划分；第一大圆的三等分点以及第二大圆与第三大圆的两个交点为球面标记的五个基准点，球面标记包括等长且中点分别与五个基准点重合的至少五条相互不平行的标记线，标记线的长度小于第一大圆周长的三分之一；标记线至少包括：第一标记线1、第二标记线2、第三标记线3、第四标记线4以及第五标记线5。
本实施例优选使用五条标记线，第一标记线1、第二标记线2以及第三标记线3分别与第一大圆倾斜相交，且中点分别位于第一大圆三等分点上；第四标记线4以及第五标记线5的中点分别位于第二大圆与第三大圆的两个交点上，且第四标记线4以及第五标记线5相互垂直。
第一标记线1与第一大圆倾斜相交角度范围为40°～50°，第二标记线2与第一大圆倾斜相交角度范围为5°～15°，第三标记线3与第一大圆倾斜相交角度范围为0°～10°。第一标记线1的中点为第一大圆与第二大圆的交点，第四标记线4的延长线与第一标记线1的延长线的夹角范围为25°～35°。
如图1所示，第一标记线1与第一大圆倾斜相交角度优选为45°，第二标记线2与第一大圆倾斜相交角度优选为10°，第三标记线3与第一大圆倾斜相交角度范围优选为5°。第四标记线4的延长线与第一标记线1的延长线的夹角优选为30°。
标记线的宽度与球体大小相适配，以便采集图像，即保证在图像中球体上的标记线为一条清晰可见的线。若线太细，在较远的距离下采集得到图像上，可能无法识别出该标记线；若线太粗，不利于选取标记线的中点。
下面以高尔夫球为例，介绍用于高速旋转运动参数检测的球体的球表面标记。
如图3所示，为一球面设有球面标记的高尔夫球的立体图。其球面上共有五条标记线，球体展开平面图中的标记线部分如图2所示。具体的，该高尔夫球的直径为4.26cm。球面标记线的分布特点为：球面由相互垂直的第一大圆、第二大圆以及第三大圆划分；第一大圆的三等分点以及第二大圆与第三大圆的两个交点为球面标记的五个基准点。球面上五条标记线的中点分别五个基准点重合。五条标记线的尺寸相同，长为2.5cm，宽为0.2cm。而第一大圆的周长L＝πD＝13.38cm。标记线的长度小于L的三分之一。
第一标记线1、第二标记线2以及第三标记线3中点分别位于第一大圆三等分点上，且分别与第一大圆倾斜相交，相交角度分别为45°、10°和5°；第四标记线4以及第五标记线5的中点分别位于第二大圆与第三大圆的两个交点上，且第四标记线4以及第五标记线5相互垂直。第一标记线1的中点为第一大圆与第二大圆的交点，第四标记线4的延长线与第一标记线1的延长线的夹角范围为30°。
上述高尔夫球的球面标记满足：在任何角度，至少可见一条标记线的中点，第一大圆上三等分点上的三条标记线中任意一条完整可见时，另外两个等分点上的标记线不可见。
可以理解的，在一些实施例中，球体上的标记线数量不限于五条，例如，可在一个基准点做两条相交的标记线，该基准点即两条标记线的中点以及交点。
针对上述带有球面标记的球体，本发明提供一种球体的高速旋转运动参数检测方法，球体上设有上述的标记线，如图6所示，该方法包括以下步骤：
S1：根据球体的尺寸、最大旋转速度n、以及最大飞行速度V，确定图像采集区域的长度x和宽度y，以及图像采集频率：间隔f秒采集一次；
S2：连续采集M帧球体运动图像，M≥2；
S3：从M帧球体运动图像中选取相邻的第一帧图像以及第二帧图像，根据第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线的位置变化，计算球体的旋转运动参数。
优选地，球体以速度V运动f秒的位移小于x和y，以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体轮廓完整；以避免出现在拍摄第二帧图像时，球体已经飞出图像检测区域。
间隔时间以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体旋转角度小于180°。当两帧图像中球体的旋转角度小于180°时，可根据图像直观判断球体的旋转方向。
优选地，旋转运动参数包括后旋向量、侧旋向量。如图1所示，后旋向量即绕Y轴的旋转向量，侧旋向量即绕Z轴的旋转向量。
优选地，后旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线中点的位置以及球体尺寸计算中点在球面上的三维位置，根据三维位置计算该中点的旋转角度和旋转方向。
优选地，侧旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线斜率的变化计算该标记线的旋转角度和旋转方向。
下面以上述高尔夫球为例说明旋转运动参数的检测方法。
高尔夫球的直径D＝4.26cm，最大飞行速度V＝270km/h＝75m/s,最大转速n＝12000r/min＝200r/s。设定图像采集频率为间隔0.001s采集一次，图像采集区域的长度为80cm，宽度为55cm。在时间间隔内，高尔夫球以速度V飞行的位移为0.075m＝7.5cm，小于图像采集区域的长度和宽度；以最大转速旋转时的转过的角度为0.001*200*360＝72°，小于180°。由上述计算，可判断以0.001s时间间隔采集的球体运动图像中球体轮廓完整，且旋转角度不超过180°。如图1所示高尔夫球的球面标记满足：在任何角度，至少可见一条标记线的中点，第一大圆上三等分点上的三条标记线中任意一条完整可见时，另外两个等分点上的标记线不可见。可以理解的，图像采集间隔时间可以根据需要选取其它值，保证即可，不限于上述的0.001s。
运动图像采集后，将得到的图像通过图像分割算法提取球体表面的标记线，如图4所示。图像分割即将图像细分为多个图像子区域的过程，目的是简化或改变图像的表示形式，使得图像更容易理解和分析；其结果是分割得到的每个图像子区域中的每个像素的某种特性相似，例如：颜色、亮度和纹理等。而临界区域的某种特性有很大不同。此技术为成熟的现有技术，本发明中不再赘述对标记线的提取过程。
通过图5可以看到，连续采集的四帧球体运动图像中同一条标记线的位置变化。
球体后旋向量的计算方法如下：在图1所示参考坐标系下，即球心为坐标原点(0，0，0)，可通过每个图像上(图4、5所示)标记线中点到圆心距离可到该中点二维坐标(x1，y1)，在此基础上通过比例尺变换、球体半径以及球体的标准方程R2＝x2+y2+z2计算出标记线中点在球体上的三维坐标(x2，y2，z2)。相邻两帧图像上标记线中点对应的坐标点与球心组成的三角形中，以球心为顶点的角的角度即球体在连续两帧图像采集的间隔时间内转过的角度；此外，由于在设定的间隔时间内球体最大旋转角度小于180°，所以通过坐标变换可直观得出球体后旋的方向：球体绕Y轴顺时针或逆时针旋转。通过上述后旋角度和方向即可得到球体的后旋向量。
可以理解的，将后旋向量和图像采集的间隔时间作为已知参数，可计算球体后旋的旋转速度，即后旋角度除以时间。
球体侧旋向量的计算方法如下：将连续采集的两帧图像重合，延长两帧图像上的同一条标记线，两条线段夹角中的锐角角度大小即侧旋角度。在图1所示参考坐标系下，即球心为坐标原点(0，0，0)，可通过每个图像(图5所示)得到标记线上任意一点的二维坐标，选取两点可计算图像上标记线的斜率，根据斜率值可判断侧旋的方向，当第二帧图像上标记线的斜率为负时，可知球体绕Z逆时针旋转，反之则为顺时针旋转。通过上述侧旋角度和方向即可得到球体的侧旋向量。
可以理解的，将侧旋向量和图像采集的间隔时间作为已知参数，可计算球体侧旋的旋转速度，即侧旋角度除以时间。
可以理解的，在一些实施中，为使计算结果更加精确，可在选取标记线中点计算的基础上，再计算该标记线两个端点的坐标，综合三个计算结果计算旋转参数。
实施本发明的球体及其高速旋转运动参数检测方法，球面标记线可识别度高，不受打击印记的影响。标记线特征点为标记线的中点，特征点选取简单，依据此得到计算结果可准确反映球体的旋转向量。本发明方法中的采集区域大小、图像采集频率与球体大小、球体最大转速、最大飞行速度相匹配；每帧图像中球体轮廓完整，间隔时间内球体旋转角度不超过180°，球体旋转方向分析简便准确。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种用于高速旋转运动参数检测的球体，其特征在于，球体上设有球面标记，球面由相互垂直的第一大圆、第二大圆以及第三大圆划分；所述第一大圆的三等分点以及所述第二大圆与第三大圆的两个交点为所述球面标记的五个基准点，所述球面标记包括等长且中点分别与所述五个基准点重合的至少五条相互不平行的标记线，所述标记线的长度小于所述第一大圆周长的三分之一；所述标记线至少包括：第一标记线、第二标记线、第三标记线、第四标记线以及第五标记线；所述第一标记线、第二标记线以及第三标记线分别与所述第一大圆倾斜相交，且中点分别位于所述第一大圆三等分点上；所述第四标记线以及第五标记线相互垂直，且中点分别位于所述第二大圆与第三大圆的两个交点上；所述第一标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为40°～50°，所述第二标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为5°～15°，所述第三标记线与所述第一大圆倾斜相交角度范围为0°～10°。
2.根据权利要求1所述的球体，其特征在于，所述第一标记线的中点为所述第一大圆与所述第二大圆的交点，所述第四标记线的延长线与所述第一标记线的延长线的夹角范围为25°～35°。
3.根据权利要求1所述的球体，其特征在于，所述标记线的宽度与所述球体大小相适配。
4.一种球体的高速旋转运动参数检测方法，球体上设有如权利要求1～3任一项所述的标记线，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：根据球体的尺寸、最大旋转速度n、以及最大飞行速度V确定图像采集区域的长度x和宽度y，以及图像采集频率：间隔f秒采集一次；
S2：连续采集M帧球体运动图像，M≥2；
S3：从M帧球体运动图像中选取相邻的第一帧图像以及第二帧图像，根据所述第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线的位置变化，计算球体的旋转运动参数；
其中，球体以速度V运动f秒的位移小于x和y，以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体轮廓完整；
间隔时间以使选取的相邻的第一帧图像以及第二帧图像中球体旋转角度小于180°。
5.根据权利要求4所述的高速旋转运动参数检测方法，其特征在于，所述旋转运动参数包括后旋向量、侧旋向量。
6.根据权利要求5所述的高速旋转运动参数检测方法，其特征在于，所述后旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线中点的位置以及球体尺寸计算所述中点在球面上的三维位置，根据所述三维位置计算该中点的旋转角度和旋转方向。
7.根据权利要求5所述的高速旋转运动参数检测方法，其特征在于，所述侧旋向量的计算方法为：通过第一帧图像以及第二帧图像中同一标记线斜率的变化计算该标记线的旋转角度和旋转方向。
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