CN107890655A - 一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法 - Google Patents

一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法 Download PDF

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CN107890655A CN201711072458.8A CN201711072458A CN107890655A CN 107890655 A CN107890655 A CN 107890655A CN 201711072458 A CN201711072458 A CN 201711072458A CN 107890655 A CN107890655 A CN 107890655A
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Abstract

本发明公开了一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法。其方法包括步骤1、建立三维空间坐标系及设置参数；步骤2、获取映射图像数据及计算图像中高对比度图形的面积；步骤3、判断相机1是否需要切换镜头；步骤4、判断相机2是否需要切换镜头；步骤5、判断相机2是否也需要切换镜头；步骤6、计算乒乓球在映射图像中的位置及转换坐标系；步骤7、计算乒乓球的空间位置块。本发明初始采用长焦距镜头拍摄乒乓球的映射图像，然后根据所拍摄的图像中是否存在乒乓球图形来切换相机焦距，最后根据不同映射图像中乒乓球的位置计算出乒乓球的位置。本发明解决了基于物联网的乒乓球运动系统不能简单有效地计算处于运动状态的乒乓球的实时位置的问题。

Description

一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法
技术领域
本发明属于智能乒乓球运动技术领域，特别是涉及一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法。
背景技术
目前对乒乓球运动定位的方案主要有两类，一种是计算机视觉分析方法，一种是信号触发判断方法。
计算机视觉分析方法主要通过多台高速高清摄像机实时采集乒乓球运动时的录像，对录像中的每个图像进行目标识别和空间定位后形成数据，再通过滤波和跟踪计算乒乓球的位置，该方法的缺点是计算复杂度高。
信号触发判断方法是通过安装在乒乓球台和球网的压电传感器获取因受到乒乓球撞击而产生的震动信号，比较多个震动信号的强度和产生时间，从而计算出乒乓球的撞击位置和大致的运动轨迹，该方案的缺点是不能定位乒乓球在空中的位置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是基于物联网的乒乓球运动系统不能简单有效地计算处于运动状态的乒乓球的实时位置的问题，提出一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法。
映射解析定位是指用灰度相机以纯色幕布为背景拍照获取某物体在幕布上的图像，确定该物体在幕布上的映射位置，根据多组相机的位置及其对应的映射位置实现物体定位。映射解析定位中相机的焦距越小则拍摄范围越大，而拍摄范围越大，乒乓球定位的误差越大。本发明基于如图1所示的乒乓球运动系统，乒乓球桌上方和侧方的灰度相机使用具有多种焦距的镜头以及镜头切换控制装置，拍摄的图像发送至服务器，服务器存储数据，计算乒乓球位置。
本发明的基于多层映射解析的乒乓球定位方法按以下步骤：
步骤1、建立三维空间坐标系及设置参数。
建立三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。正上方灰度相机和侧方灰度相机分别记为相机1和相机2，记录相机1和相机2的x-y-z三维空间坐标值为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，相机1和相机2分别具有U和V个不同焦距的镜头，U和V都是正整数，设置相机1的镜头参数u，u从1到U表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头(u＝1)为最长焦距镜头，u＝U为最短焦距镜头；设置相机2的镜头参数v，v从1到V表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头(v＝1)为最长焦距镜头，v＝V为最短焦距镜头。设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)。设置映射图像中乒乓球图形的面积最小阈值P和最大阈值Q。
步骤2、获取映射图像数据及计算图像中高对比度图形的面积。
相机1和相机2分别使用参数为u和v的镜头按照采样时间间隔T拍摄灰度图像，然后将图像发送至服务器；服务器接收图像，分别将相机1和相机2拍摄的图像记为图像1和图像2，服务器根据已有的基于灰度匹配的图像匹配算法计算图像1和图像2中高对比度图形的面积，分别记为S1和S2。
步骤3、判断相机1是否需要切换镜头。
若P≤S1≤Q，则判定图像1中存在乒乓球图形，进入步骤4；否则判定图像1中不存在乒乓球图形。此时判断相机1的镜头参数u是否等于U，若u＝U则结束，否则令u＝u+1，即切换相机1的镜头至较短焦距的镜头，进入步骤5。
步骤4、判断相机2是否需要切换镜头。
若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，进入步骤6；否则判定图像2中不存在乒乓球图形。此时判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，即切换相机2的镜头至较短焦距的镜头，返回步骤2。
步骤5、判断相机2是否也需要切换镜头。
若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，相机2不需要切换镜头，返回步骤2；否则判定图像2中不存在乒乓球图形。此时判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，即切换相机2的镜头至较短焦距的镜头，返回步骤2。
步骤6、计算乒乓球在映射图像中的位置及转换坐标系。
以图像1所在平面为基准建立平面坐标系，记为m-n坐标系，根据灰度图像匹配算法中的互相关度量标准计算图像1中乒乓球中心点的坐标值为(m,n)；以图像2所在平面为基准建立平面坐标系，记为j-k坐标系，根据灰度图像匹配算法中的互相关度量标准计算图像2中乒乓球中心点的坐标值为(j,k)；根据图像1和图像2所在平面在x-y-z三维空间系中的位置，将图像1和图像2中乒乓球中心点的坐标值(m,n)和(j,k)转化为x-y-z三维空间坐标值(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)。
步骤7、计算乒乓球的空间位置。
记相机1与图像1中乒乓球中心点的连线为线段1，记相机2与图像2中乒乓球中心点的连线为线段2；根据定位精确度设置线段1的拟合数M和线段2的拟合数N，M和N均为正整数；在线段1上均匀选取M个拟合点，计算M个拟合点的三维空间坐标值，具体地，根据(X1,Y1,Z1)和(x1,y1,z1)计算三轴坐标差为Δx1＝x1-X1，Δy1＝y1-Y1，Δz1＝z1-Z1，将三轴坐标差M等分并在(X1,Y1,Z1)的基础上进行依次叠加，获得M个拟合点的三维空间坐标值；在线段2上均匀选取N个拟合点，计算N个拟合点的三维空间坐标值；计算线段1上M个拟合点与线段2上N个拟合点之间的最小距离L，则以最小距离L对应的两个拟合点坐标值的平均值为乒乓球的三维空间坐标值；返回步骤2。
基于多层映射解析的乒乓球定位方法流程图，如图2所示。
本发明的方法具有的优点是：
(1)采用可调节焦距的灰度相机，优先使用焦距较大的镜头，提高乒乓球的定位精度。
(2)采用线段拟合的算法进行映射解析定位，降低计算乒乓球位置的复杂度。
附图说明
图1是本发明的基于多层映射解析乒乓球定位的乒乓球运动系统的结构示意图；
图2是本发明的基于多层映射解析的乒乓球定位方法流程图；
图3是本发明实施例的基于多层映射解析的乒乓球系统中乒乓球空间位置示意图；
具体实施方式
下面对本发明优选实施例作详细说明。
本发明基于映射解析定位技术。映射解析定位是指用灰度相机以纯色幕布为背景拍照获取某物体在幕布上的图像，确定该物体在幕布上的映射位置，根据多组相机的位置及其对应的映射位置实现物体定位。映射解析定位中相机的焦距越小则拍摄范围越大，而拍摄范围越大，乒乓球定位的误差越大。在如图1所示的乒乓球运动系统中，乒乓球桌上方和侧方的灰度相机使用具有多种焦距的镜头以及镜头切换控制装置，拍摄出的乒乓球图像发送至服务器，服务器存储数据，计算乒乓球位置。本发明初始采用长焦距镜头(拍摄范围较小的镜头)拍摄乒乓球的映射图像，然后根据所拍摄的图像中是否存在乒乓球图形来切换相机焦距，最后根据不同映射图像中乒乓球的位置计算出乒乓球的位置。
本发明的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，实施例如下：
1(步骤1)、建立三维空间坐标系及设置参数。
建立三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴组成水平面，z轴垂直于桌面向上。正上方灰度相机和侧方灰度相机分别记为相机1和相机2，记录相机1和相机2的x-y-z三维空间坐标值为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，相机1和相机2分别具有U和V个不同焦距的镜头，U和V都是正整数，设置相机1的镜头参数u，u从1到U表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头(u＝1)为最长焦距镜头，u＝U为最短焦距镜头；设置相机2的镜头参数v，v从1到V表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头(v＝1)为最长焦距镜头，v＝V为最短焦距镜头。设置采样时间间隔T，采样时间间隔T小于乒乓球撞击球桌的平均时间间隔(根据历史数据统计获得)。设置映射图像中乒乓球图形的面积最小阈值P和最大阈值Q。本实施例中建立的三维空间坐标系，该坐标系的原点为乒乓球桌正中心，乒乓球桌正中心是指乒乓球网中心轴与乒乓球桌的交点，x轴平行于乒乓球桌窄边，y轴平行于乒乓球桌长边，z轴垂直于桌面向上，如图3所示。正上方灰度相机和侧方灰度相机分别记为相机1和相机2，相机1的位置坐标值为(0,0,2)，相机2的位置坐标值为(2.4,0,0)，单位为米，相机1和相机2各有两个不同焦距镜头，即U＝V＝2，焦距分别为2.4毫米(mm)和3.6mm，初始均为3.6mm镜头，镜头参数u＝v＝1。设置采样时间间隔T＝1微秒。映射图像中乒乓球图形的面积阈值范围为0.0015平方米到0.002平方米之间，即P＝0.0015平方米，Q＝0.002平方米。
2(步骤2)、获取映射图像数据及计算图像中高对比度图形的面积。
相机1和相机2分别使用参数为u和v的镜头按照采样时间间隔T拍摄灰度图像，然后将图像发送至服务器；服务器接收图像，分别将相机1和相机2拍摄的图像记为图像1和图像2，服务器根据已有的基于灰度匹配的图像匹配算法计算图像1和图像2中高对比度图形的面积，分别记为S1和S2。本实施例中，设置的采样时间间隔T＝1微秒(μs)，某时刻相机1和相机2均使用镜头参数为1的镜头获得图像1和图像2，图像1中高对比度图形的面积为0.0016平方米，图像2中高对比度图形的面积为0.0003平方米，即S1＝0.0004平方米，S2＝0.0016平方米。
3(步骤3)、判断相机1是否需要切换镜头。
若P≤S1≤Q，则判定图像1中存在乒乓球图形，进入步骤4；否则判定图像1中不存在乒乓球图形。此时判断相机1的镜头参数u是否等于U，若u＝U则结束，否则令u＝u+1，即切换相机1的镜头至较短焦距的镜头，进入步骤5。本实施例中，S1＝0.0004平方米，不满足P≤S1≤Q，判定图像1中不存在乒乓球图形，此时相机1的镜头参数u＝1≠U＝2，所以令u＝u+1＝2，即切换相机1的镜头至短焦镜头，进入步骤5。
4(步骤5)、判断相机2是否也需要切换镜头。
若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，相机2不需要切换镜头，返回步骤2；否则判定图像2中不存在乒乓球图形。此时判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，即切换相机2的镜头至较短焦距的镜头，返回步骤2。本实施例中，此时S2＝0.0016平方米，满足P≤S2≤Q，判定图像2中存在乒乓球图形，相机2不需要切换镜头，返回步骤2。
5(步骤2)、获取映射图像数据及计算图像中高对比度图形的面积。
本实施例中，两个灰度相机在下一个采样时刻分别使用u＝2和v＝1的镜头拍摄得到图像1和图像2，图像1中高对比度图形的面积为0.0017平方米，图像2中高对比度图形的面积为0.0015平方米，即S1＝0.0017平方米，S2＝0.0015平方米。
6(步骤3)、判断相机1是否需要切换镜头。
本实施例中，S1＝0.0017平方米，满足P≤S1≤Q，判定图像1中存在乒乓球图形，进入步骤4。
7(步骤4)、判断相机2是否需要切换镜头。
若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，进入步骤6；否则判定图像2中不存在乒乓球图形。此时判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，即切换相机2的镜头至较短焦距的镜头，返回步骤2。本实施例中，本实施例中，S2＝0.0015平方米，满足P≤S2≤Q，所以判定图像2中存在乒乓球图形，进入步骤6。
8(步骤6)、计算乒乓球在映射图像中的位置及转换坐标系。
以图像1所在平面为基准建立平面坐标系，记为m-n坐标系，根据灰度图像匹配算法中的互相关度量标准计算图像1中乒乓球中心点的坐标值为(m,n)；以图像2所在平面为基准建立平面坐标系，记为j-k坐标系，根据灰度图像匹配算法中的互相关度量标准计算图像2中乒乓球中心点的坐标值为(j,k)；根据图像1和图像2所在平面在x-y-z三维空间系中的位置，将图像1和图像2中乒乓球中心点的坐标值(m,n)和(j,k)转化为x-y-z三维空间坐标值(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)。本实施例中，图像1为乒乓球桌正面的图像，图像2为幕布的图像，以图像1和图像2所在平面建立的平面坐标系的坐标原点均为各自图像的左上角，图像1长边为m，短边为n，图像2长边为j，短边为k。根据灰度图像匹配算法中已有的互相关度量标准，计算出与图像1取得互相关函数最大值的坐标点为图像1中乒乓球中心点的坐标值(2.7,1.2)，计算出与图像2取得互相关函数最大值的坐标点为图像2中乒乓球中心点的坐标值(2.65,0.24)。图像1所在平面在x-y-z三维空间系中的位置为乒乓球桌面位置，则图像1中乒乓球的三维空间坐标值为(1.2,2.7,0)，图像2所在平面在三维空间坐标系中的位置根据幕布的大小和位置确定，幕布为2740毫米×2500毫米，放置位置离乒乓球桌距离为1米，放置高度为离地面3米，则图像2中乒乓球的三维空间坐标值为(-1.7625,2.65,2)。
9(步骤7)、计算乒乓球的空间位置。
记相机1与图像1中乒乓球中心点的连线为线段1，记相机2与图像2中乒乓球中心点的连线为线段2；根据定位精确度设置线段1的拟合数M和线段2的拟合数N，M和N均为正整数；在线段1上均匀选取M个拟合点，计算M个拟合点的三维空间坐标值，具体地，根据(X1,Y1,Z1)和(x1,y1,z1)计算三轴坐标差为Δx1＝x1-X1，Δy1＝y1-Y1，Δz1＝z1-Z1，将三轴坐标差M等分并在(X1,Y1,Z1)的基础上进行依次叠加，获得M个拟合点的三维空间坐标值；在线段2上均匀选取N个拟合点，计算N个拟合点的三维空间坐标值；计算线段1上M个拟合点与线段2上N个拟合点之间的最小距离L，则以最小距离L对应的两个拟合点坐标值的平均值为乒乓球的三维空间坐标值；返回步骤2。本实施例中，线段1和线段2如图3所示，根据定位精度(厘米级)粗略设置其拟合点个数均为10，即M＝N＝10。则线段1的三轴坐标差：Δx1＝1.2，Δy1＝2.7，Δz1＝-2，线段1中10个拟合点的三维空间坐标值分别为(0.12,0.27,1.8)、(0.24,0.54,1.6)、(0.36,0.81,1.4)、(0.48,1.08,1.2)、(0.6,1.35,1)、(0.72,1.62,0.8)、(0.84,1.89,0.6)、(0.96,2.16,0)、(1.08,2.43,0)、(1.2,2.7,0)；同理线段2的三轴坐标差：Δx2＝-4.16，Δy2＝2.65，Δz2＝2，则线段2中10个拟合点的三维空间坐标值分别为(1.984,0.265,0.2)、(1.568,0.53,0.4)、(1.152,0.795,0.6)、(0.736,1.06,0.8)、(0.32,1.325,1)、(-0.096,1.59,1.2)、(-0.512,1.855,1.4)、(-0.928,2.12,1.6)、(-1.344,2.385,1.8)、(-1.7625,2.65,2)；计算出线段1中各点到线段2中各点的最小距离L＝0.28m，L由坐标值(0.6,1.35,1)和(0.32,1.325,1)得到，计算(0.6,1.35,1)和(0.32,1.325,1)的平均值(x,y,z)＝(0.46,1.3375,1)，以此作为乒乓球三维空间坐标值。返回步骤2。后续继续按照此方法执行。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明的，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其特征在于包括：
步骤1、建立三维空间坐标系及设置参数；
步骤2、获取映射图像数据及计算图像中高对比度图形的面积；
步骤3、判断相机1是否需要切换镜头；
步骤4、判断相机2是否需要切换镜头；
步骤5、判断相机2是否也需要切换镜头；
步骤6、计算乒乓球在映射图像中的位置及转换坐标系；
步骤7、计算乒乓球的空间位置。
2.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤1的特征在于：建立三维空间坐标系，原点为乒乓球桌正中心，x轴和y轴构成水平面，z轴垂直于桌面向上；正上方灰度相机和侧方灰度相机分别记为相机1和相机2，记录相机1和相机2的x-y-z三维空间坐标值为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，相机1和相机2分别具有U和V个不同焦距的镜头，U和V是正整数，设置相机1的镜头参数u，u从1到U表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头u＝1为最长焦距镜头，u＝U为最短焦距镜头；设置相机2的镜头参数v，v从1到V表示镜头焦距逐渐减小，初始镜头v＝1为最长焦距镜头，v＝V为最短焦距镜头；设置采样时间间隔T；设置映射图像中乒乓球图形的面积最小阈值P和最大阈值Q。
3.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤2的特征在于：相机1和相机2分别使用参数为u和v的镜头按照采样时间间隔T拍摄灰度图像，然后将图像发送至服务器；服务器接收图像，分别将相机1和相机2拍摄的图像记为图像1和图像2，计算图像1和图像2中高对比度图形的面积，分别记为S1和S2。
4.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤3的特征在于：若P≤S1≤Q，则判定图像1中存在乒乓球图形，进入步骤4；否则判定图像1中不存在乒乓球图形，然后判断相机1的镜头参数u是否等于U，若u＝U则结束，否则令u＝u+1，进入步骤5。
5.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤4的特征在于：若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，进入步骤6；否则判定图像2中不存在乒乓球图形，然后判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，返回步骤2。
6.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤5的特征在于：若P≤S2≤Q，则判定图像2中存在乒乓球图形，相机2不需要切换镜头，返回步骤2；否则判定图像2中不存在乒乓球图形，然后判断相机2的镜头参数v是否等于V，若v＝V则结束，否则令v＝v+1，返回步骤2。
7.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤6的特征在于：以图像1所在平面为基准建立平面坐标系，记为m-n坐标系，计算图像1中乒乓球中心点的坐标值为(m,n)；以图像2所在平面为基准建立平面坐标系，记为j-k坐标系，计算图像2中乒乓球中心点的坐标值为(j,k)；根据图像1和图像2所在平面在x-y-z三维空间系中的位置，将图像1和图像2中乒乓球中心点的坐标值(m,n)和(j,k)转化为x-y-z三维空间坐标值(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)。
8.根据权利要求1所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其步骤7的特征在于：记相机1与图像1中乒乓球中心点的连线为线段1，记相机2与图像2中乒乓球中心点的连线为线段2；根据定位精确度设置线段1的拟合数M和线段2的拟合数N，M和N均为正整数；在线段1上均匀选取M个拟合点，计算M个拟合点的三维空间坐标值；在线段2上均匀选取N个拟合点，计算N个拟合点的三维空间坐标值；计算线段1上M个拟合点与线段2上N个拟合点之间的最小距离，则以最小距离对应的两个拟合点坐标值的平均值为乒乓球的三维空间坐标值；返回步骤2。
9.根据权利要求2所述的基于多层映射解析的乒乓球定位方法，其特征在于：设置的采样时间间隔T小于乒乓球撞击球桌的平均时间间隔。
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