CN107167038B - 一种基于机器视觉提高报靶精度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于机器视觉提高报靶精度的方法，属于图像处理方法，解决现有方法存在的箭体遮挡导致识别错误的问题，以提高报靶准确率。本发明包括报靶装置安装调试步骤、确定箭靶平面方程步骤、判断着箭环数步骤。本发明采用的报靶系统构建简单，实施成本低，适应性强，通过重构箭体和箭靶面三维坐标，有效解决了箭体与箭靶面交点处受遮挡产生的错误识别问题，和现有技术相比，简化了对箭身稳定性检测环节，提高了报靶精度。
Description
技术领域
本发明属于图像处理方法，特别涉及一种基于机器视觉提高报靶精度的方法，适用于射箭运动着箭报靶。
背景技术
射箭运动不仅可以达到健身的目的，有利于提高普通居民的身体素质，还可以作为一种娱乐休闲和竞技体育的项目，因而目前许多国家都在对这项运动进行推广普及；随着这项运动的普及，对箭靶的需求和要求也逐渐提高。
以往常用的箭靶，往往是被放置在距离射击者一定距离的地方，射击结束后由专门的工作人员进行测量读数并且记录射箭的环数；这种工作方式不仅耗费比较大的人力物力，而且效率低下，不利于这项运动的推广。因此有必要提高箭靶和计环步骤的质量，最好是能够实现自动计环。现有的自动定位识别报靶方法主要有光电自动报靶、超声传感器报靶、电子传感器报靶、图像扫描报靶等多种方法。现有图像扫描报靶方法，如公开号为CN102688587A的中国发明专利，通常是采用单个相机进行拍摄，容易在着箭点被遮挡的时候失效，不能真实反映着箭点的坐标位置，导致报靶准确度较低。
发明内容
本发明提供一种基于机器视觉提高报靶精度的方法，解决现有方法存在的箭体遮挡导致识别错误的问题，以提高报靶准确率。
本发明所提供的一种基于机器视觉提高报靶精度的方法，包括报靶装置安装调试步骤、确定箭靶平面方程步骤、判断着箭环数步骤，其特征在于：
(1)报靶装置安装调试步骤：
选取M个相机面对箭靶固定，M≥2；确保各相机底座安装平面与地面保持平行，确定相机之间的对应位置，并且获取相机之间的相对距离，当箭靶面占据相机视野的1/2～2/3并形成清晰影像时，相机安装调试完成；
(2)确定箭靶平面方程步骤，包括下述子步骤：
(2.1)构建全局坐标系和局部坐标系：以任一相机的光学中心点为原点，以该相机镜头轴线为Y轴，其指向箭靶方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴且朝上的方向为Z轴正方向，通过坐标系右手定则确定X轴正方向，构建全局直角坐标系；其他相机各自以自身的光学中心点为原点，以各相机镜头轴线为各自yi轴，以该相机镜头轴线指向箭靶方向为yi轴正方向，由于各相机xy平面平行或重合，通过坐标系右手定则确定zi轴正方向，建立各自局部直角坐标系，i＝1、…、M-1；
(2.2)确定箭靶平面方程：首先解出全局直角坐标系下箭靶上不在同一直线上的三个特征点与每个相机的光学中心连线的直线方程；
接着，解算出箭靶上每个特征点的坐标，由于三点确定一个平面，最终确定箭靶平面方程，
(3)判断着箭环数步骤，包括下述子步骤：
(3.1)用当前拍摄到的图像与此前得到的图像进行对比，判断是否有箭上靶，是则执行子步骤(3.2)，否则，重新执行子步骤(3.1)；
(3.2)确定着箭点位置并报靶，构建射入的箭体中心轴线的直线方程，求得该直线与子步骤(2.2)中得到的箭靶平面的交点，即为着箭点，接着计算着箭点与靶心的距离L，考虑箭体直径r，与各环半径对比，确定其所在环数，输出中靶环数。
所述的基于机器视觉提高报靶精度的方法，其特征在于，子步骤(2.2)确定箭靶平面方程包括下述过程：
(2.2A)对于箭靶上特征点Pn(xn，yn，zn)，其投影到某相机图像上对应特征点Pi(n)，n＝1、2、3；分别确定出在全局坐标系下经过某相机图像上对应特征点Pi(n)及其局部直角坐标系原点Oi的直线方程：
X-Xi(n)＝m(n)×(Y-Yi(n))+n(n)×(Z-Zi(n))， (A)
X-tx(i)＝m(n)×(Y-ty(i))+n(n)×(Z-tz(i))； (B)
其中，tx(i)、ty(i)、tz(i)为某相机的局部直角坐标系原点Oi(光学中心)在全局直角坐标系中坐标，
Xi(n)、Yi(n)、Zi(n)和(xi(n)，yi(n)，zi(n))分别为对应特征点Pi(n)在全局直角坐标系及局部直角坐标系中的坐标：
γ(i)为该局部直角坐标系yi轴在全局坐标系XY平面的投影与Y轴的逆时针方向偏角；
m(n)、n(n)为待求解系数，联立方程(A)和(B)即可求解得到通过某相机光学中心与相机图像上对应特征点Pi(n)的三条直线方程；
(2.2B)所述三条直线方程也表示经过相机的光学中心与箭靶上3个特征点Pn(xn，yn，zn)的直线方程，每个相机均得到这样的3条直线方程，联立某特征点Pn与各相机光学中心Oi的M条直线方程，即可解出该特征点在全局直角坐标系的坐标xn，yn，zn，再以三个特征点的坐标确定箭靶平面方程。
所述的基于机器视觉提高报靶精度的方法，其特征在于：
所述子步骤(3.1)包括下述过程：
将当前拍摄到的图像与上一帧图像相减，判断所得到结果中非0值像素点的数量是否少于图像总像素的千分之一，是则确定无箭上靶，否则对各非0值像素点在图像平面内进行直线拟合，进一步判断直线拟合的方差是否大于0.4，是则确定有箭上靶，执行子步骤(3.2)，否则无箭上靶；
所述子步骤(3.2)包括下述过程：
将子步骤(3.1)中拟合成的直线，与对应相机的光学中心共同构成局部坐标系下的着箭平面方程，再将其转换为全局直角坐标系下的着箭平面方程；
联立各相机着箭平面方程以求解平面相交线，得到最多M×(M-1)/2条直线方程，各直线方程均代表箭体的中心轴线方程；
用所述M×(M-1)/2条直线方程与所述箭靶平面方程求交点，得到M×(M-1)/2个交点，取以这些交点为顶点的多边形的重心作为着箭点，计算着箭点与靶心的距离L，考虑箭体直径r，与各环半径对比，输出中靶环数。
本发明采用的报靶系统构建简单，实施成本低，适应性强，重构箭体和箭靶面三维坐标，和现有公开号为CN102688587A的专利相比，有效解决了箭体与箭靶面交点处受遮挡产生的错误识别问题，简化了对箭身稳定性检测环节，提高了报靶精度。
附图说明
图1为本发明流程框图；
图2为相机与箭靶分布位置示意图，图中标记：左相机光学中心1，右相机光学中心2，左相机成像平面3，右相机成像平面4，左相机光轴5，右相机光轴6，箭靶7，靶面法线8。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的实施例，包括报靶装置安装调试步骤、确定箭靶平面方程步骤、判断着箭环数步骤：
(1)报靶装置安装调试步骤：
选取2个500万像素的相机面对箭靶平行固定，确保各相机底座安装平面与地面保持平行，相机镜头尽量垂直指向箭靶面，垂直距离箭靶面1.5m左右，确定相机之间的对应位置，并且获取相机之间的相对距离，当箭靶面占据相机视野的1/2～2/3并形成清晰影像时，相机安装调试完成；
(2)确定箭靶平面方程步骤，包括下述子步骤：
(2.1)构建全局坐标系和局部坐标系：如图2所示，以左边的相机作为主相机，以其光学中心点1为原点，以该相机镜头轴线为Y轴，其指向箭靶方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴且朝上的方向为Z轴正方向，通过坐标系右手定则确定X轴正方向，构建全局直角坐标系；
右边相机以自身的光学中心点2为原点，以该相机镜头轴线为y1轴，以该相机镜头轴线指向箭靶方向为y1轴正方向，两个相机xy平面重合，通过坐标系右手定则确定z1轴正方向，建立其局部直角坐标系；右边相机光学中心点2位于主相机X轴正方向距离a为10cm处。
(2.2)确定箭靶平面方程：首先解出全局直角坐标系下箭靶上不在同一直线上的三个特征点与每个相机的光学中心连线的直线方程；在箭靶上选取最外环上端点、左端点以及靶环圆心为三个特征点；
接着，解算出箭靶上每个特征点的坐标，由于三点确定一个平面，最终确定箭靶平面方程；
(3)判断着箭环数步骤，包括下述子步骤：
(3.1)将当前拍摄到的图像与上一帧图像相减，判断所得到结果中非0值像素点的数量是否少于图像总像素(500万)的千分之一(5000)，是则确定无箭上靶，否则对各非0值像素点在图像平面内进行直线拟合，进一步判断直线拟合的方差是否大于0.4，是则确定有箭上靶，执行子步骤(3.2)，否则无箭上靶；
(3.2)将子步骤(3.1)中拟合成的直线，与对应相机的光学中心共同构成局部坐标系下的着箭平面方程，再将其转换为全局直角坐标系下的着箭平面方程；
联立各相机着箭平面方程以求解平面相交线，得到一条直线方程，代表箭体的中心轴线方程；
用所述直线方程与所述箭靶平面方程求交点，以其作为着箭点，计算着箭点与靶心的距离L，考虑箭体直径r，与各环半径对比，输出中靶环数。
Claims (3)
1.一种基于机器视觉提高报靶精度的方法，包括报靶装置安装调试步骤、确定箭靶平面方程步骤、判断着箭环数步骤，其特征在于：
(1)报靶装置安装调试步骤：
选取M个相机面对箭靶固定，M≥2；确保各相机底座安装平面与地面保持平行，确定相机之间的对应位置，并且获取相机之间的相对距离，当箭靶面占据相机视野的1/2～2/3并形成清晰影像时，相机安装调试完成；
(2)确定箭靶平面方程步骤，包括下述子步骤：
(2.1)构建全局坐标系和局部坐标系：以任一相机的光学中心点为原点，以该相机镜头轴线为Y轴，其指向箭靶方向为Y轴正方向，以垂直于Y轴且朝上的方向为Z轴正方向，通过坐标系右手定则确定X轴正方向，构建全局直角坐标系；其他相机各自以自身的光学中心点为原点，以各相机镜头轴线为各自yi轴，以该相机镜头轴线指向箭靶方向为yi轴正方向，由于各相机xy平面平行或重合，通过坐标系右手定则确定zi轴正方向，建立各自局部直角坐标系，i＝1、…、M-1；
(2.2)确定箭靶平面方程：首先解出全局直角坐标系下箭靶上不在同一直线上的三个特征点与每个相机的光学中心点连线的直线方程；
接着，解算出箭靶上每个特征点的坐标，由于三点确定一个平面，最终确定箭靶平面方程，
(3)判断着箭环数步骤，包括下述子步骤：
(3.1)用当前拍摄到的图像与此前得到的图像进行对比，判断是否有箭上靶，是则执行子步骤(3.2)，否则，重新执行子步骤(3.1)；
(3.2)确定着箭点位置并报靶，构建射入的箭体中心轴线的直线方程，求得该直线与子步骤(2.2)中得到的箭靶平面的交点，即为着箭点，接着计算着箭点与靶心的距离L，考虑箭体直径r，与各环半径对比，确定其所在环数，输出中靶环数。
2.如权利要求1所述的基于机器视觉提高报靶精度的方法，其特征在于，子步骤(2.2)确定箭靶平面方程包括下述过程：
(2.2A)对于箭靶上特征点Pn(xn，yn，zn)，其投影到某相机图像上对应特征点pi(n)，n＝1、2、3；分别确定出在全局坐标系下经过某相机图像上对应特征点pi(n)及其局部直角坐标系原点Oi的直线方程：
X-Xi(n)＝m(n)×(Y-Yi(n))+n(n)×(Z-Zi(n)), (A)
X-tx(i)＝m(n)×(Y-ty(i))+n(n)×(Z-tz(i))； (B)
其中，tx(i)、ty(i)、tz(i)为某相机的局部直角坐标系原点Oi在全局直角坐标系中坐标，
Xi(n)、Yi(n)、Zi(n)和(xi(n),yi(n),zi(n))分别为对应特征点pi(n)在全局直角坐标系及局部直角坐标系中的坐标：
γ(i)为该局部直角坐标系yi轴在全局坐标系XY平面的投影与Y轴的逆时针方向偏角；
m(n)、n(n)为待求解系数，联立方程(A)和(B)即可求解得到通过某相机光学中心点与相机图像上对应特征点pi(n)的三条直线方程；
(2.2B)所述三条直线方程也表示经过相机的光学中心点与箭靶上3个特征点Pn(xn，yn，zn)的直线方程，每个相机均得到这样的3条直线方程，联立某特征点Pn与各相机光学中心点Oi的M条直线方程，即可解出该特征点在全局直角坐标系的坐标xn，yn，zn，再以三个特征点的坐标确定箭靶平面方程。
3.如权利要求1或2所述的基于机器视觉提高报靶精度的方法，其特征在于：
所述子步骤(3.1)包括下述过程：
将当前拍摄到的图像与上一帧图像相减，判断所得到结果中非0值像素点的数量是否少于图像总像素的千分之一，是则确定无箭上靶，否则对各非0值像素点在图像平面内进行直线拟合，进一步判断直线拟合的方差是否大于0.4，是则确定有箭上靶，执行子步骤(3.2)，否则无箭上靶；
所述子步骤(3.2)包括下述过程：
将子步骤(3.1)中拟合成的直线，与对应相机的光学中心点共同构成局部坐标系下的着箭平面方程，再将其转换为全局直角坐标系下的着箭平面方程；
联立各相机着箭平面方程以求解平面相交线，得到最多M×(M-1)/2条直线方程，各直线方程均代表箭体的中心轴线方程；
用所述M×(M-1)/2条直线方程与所述箭靶平面方程求交点，得到M×(M-1)/2个交点，取以这些交点为顶点的多边形的重心作为着箭点，计算着箭点与靶心的距离L，考虑箭体直径r，与各环半径对比，输出中靶环数。
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