CN109011490B - 基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法 - Google Patents

基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法，该装置包括主控板和均与主控板电连接的红外灯板、电源板和两个带高速摄像机的传感器，两个所述传感器构成一个双目立体系统，将采集到的图片传给主控板，所述主控板还与客户端通信连接。本发明主控板控制红外灯板中红外灯的闪烁，为高尔夫球的检测区域提供均匀、足量又不会过曝的亮度，以便两个传感器能清晰地拍摄高尔夫球，两个传感器一上一下，在主控板的控制下形成一个双目的立体系统，能够计算高尔夫球的三维坐标。

Description

基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法
技术领域
本发明涉及体育训练和娱乐设备领域，特别涉及一种基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法。
背景技术
在高尔夫运动中，球的飞行轨迹是一次高质量击球的最终结果，但球速和飞行距离却无法直接用肉眼观察分析，然而，现有的高尔夫球运动轨迹分析装置中，大多需要通过在球面上做标记、识别球面自带的标记或反射信号等方式确定旋球特点，不仅分析精度不高，而且存在操作麻烦甚至无法在室内使用的情况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于红外双目高速摄像的高尔夫运动地面感测装置及方法。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，包括主控板和均与主控板电连接的红外灯板、电源板和两个带高速摄像机的传感器，两个所述传感器构成一个双目立体系统，将采集到的图片传给主控板，所述主控板还与客户端通信连接。
优选地，所述主控板与电源板通信连接，并提供PWM信号来控制红外灯板，所述主控板包括主控芯片和均与主控芯片电连接的存储模块、UART串口、LED指示灯、ETH以太网、蓝牙模块和GPIO信号端口，其中，
所述主控芯片包括PL和PS两个逻辑模块单元，所述PL逻辑模块单元用来采集图像数据，所述PS逻辑模块单元用来做算法及网络传输；
所述存储模块包括用来存储图像数据的512MB DDR3以及用来存储固件和图片的EMMC芯片；
所述UART串口用于与电源板通信和后期调试；
所述LED指示灯用于指示系统的启动和运行状态；
所述ETH以太网用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到主机，以及将图片传输到客户端；
所述蓝牙模块用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到客户端；
所述GPIO信号端口包括PWM信号端口、LED指示灯的信号端口和电源板的串口信号端口。
优选地，所述传感器一个连接于主控板上，另一个单独连接于主控板外的传感器板上，所述传感器板由一个30pin的软排线连接到主控板。
优选地，两个所述传感器的位置一上一下，两个所述传感器的工作帧率为N帧，待机帧率为P帧，其中，N≥775，P≤110。
优选地，所述红外灯板包括两组远光红外灯和一组近光红外灯。
优选地，每组所述远光红外灯和近光红外灯均包括18颗红外灯。
优选地，所述红外灯板的闪烁频率与传感器的工作频率相同且同步。
优选地，所述电源板包括用于电压转换的单片机和控制红外灯板供电的开关，所述单片机将外部适配器进入的电压转换成电源电压输出给主控板，并进一步转换电源电压为红外灯板供电。
优选地，所述电源板也可由电池直接供电，所述电池也直接给主控板供电并由电源板进一步转换为红外灯板供电。
本发明还提供一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测测试方法，包括如下步骤：
在高尔夫球运动过程中，采集第一时刻、第二时刻的图像信息；
根据两个时刻的图像信息，分别就行投影坐标及旋转特征点提取处理，计算出两个时刻的高尔夫球绝对位姿；
依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量。
优选地，所述绝对位姿包括平移向量、旋转向量。
优选地，所述依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量的方法为：
对两两绝对位姿进行旋转矩阵、平移矩阵的运算处理，再除以时间间隔。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、采用双目立体系统，对高尔夫球的定位更精确；
(2)、采用远近红外灯结合的方式，为高尔夫球感测空间提供均匀、足量又不会过曝的亮度，使拍摄的高尔夫球图片更清晰。
附图说明
图1为本发明红外灯板工作原理示意图；
图2为本发明传感器工作原理示意图；
图3为本发明高尔夫球运动时的工作原理示意图；
图4为本发明计算高尔夫球运动参数的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1至图4，本发明提供一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，包括主控板和均与主控板电连接的红外灯板1、电源板和两个带高速摄像机的传感器201、202，两个所述传感器201、202构成一个双目立体系统，将采集到的图片传给主控板，所述主控板还与客户端通信连接。
所述主控板与电源板通信连接，并提供PWM信号来控制红外灯板1，所述主控板包括主控芯片和均与主控芯片电连接的存储模块、UART串口、LED指示灯、ETH以太网、蓝牙模块和GPIO信号端口，其中，
所述主控芯片包括PL和PS两个逻辑模块单元，所述PL逻辑模块单元用来采集图像数据，所述PS逻辑模块单元用来做算法及网络传输；
所述存储模块包括用来存储图像数据的512MB DDR3以及用来存储固件和图片的EMMC芯片；
所述UART串口用于与电源板通信和后期调试；
所述LED指示灯用于指示系统的启动和运行状态；
所述ETH以太网用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到主机，以及将图片传输到客户端；
所述蓝牙模块用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到客户端；
所述GPIO信号端口包括PWM信号端口、LED指示灯的信号端口和电源板的串口信号端口。
所述传感器201、202一个连接于主控板上，另一个单独连接于主控板外的传感器板上，所述传感器板由一个30pin的软排线连接到主控板。
两个所述传感器201、202的位置一上一下，两个所述传感器201、202的工作帧率为N帧，待机帧率为P帧，其中，N≥775，P≤110。
所述红外灯板1包括两组远光红外灯和一组近光红外灯。
每组所述远光红外灯和近光红外灯均包括18颗红外灯。
所述红外灯板1的闪烁频率与传感器201、202的工作频率相同且同步。
所述电源板包括用于电压转换的单片机和控制红外灯板1供电的开关，所述单片机将外部适配器进入的电压转换成电源电压输出给主控板，并进一步转换电源电压为红外灯板1供电。
所述电源板也可由电池直接供电，所述电池也直接给主控板供电并由电源板进一步转换为红外灯板1供电。
本发明还提供一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测测试方法，包括如下步骤：
在高尔夫球运动过程中，采集第一时刻、第二时刻的图像信息；
根据两个时刻的图像信息，分别就行投影坐标及旋转特征点提取处理，计算出两个时刻的高尔夫球绝对位姿；
依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量。
所述绝对位姿包括平移向量、旋转向量。
所述依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量的方法为：
对两两绝对位姿进行旋转矩阵、平移矩阵的运算处理，再除以时间间隔。
本发明的工作原理为：
所述电源板可由24V外部适配器的电源电压进入，然后转成12V电源电压输出给主控板，同时12V电压可转成31V电压提供给红外灯板1；所述电源板也可由12V的电池提供电源，该电池电源可直接给主控板供电并且可转成31V电压给红外灯板1供电；当有24V外部适配器电源时由适配器供电，并给电池供电，当没有电源适配器时由电池供电。
所述电源板中有一个单片机作为电压转换的控制芯片，可控制12V电压转换与31V电压转换的开关，并与主控板通过串口的方式实现实时通讯；给主控板供电的12V电压与给红外灯供电的31V电压由同一个按键控制，当按键按下并且是短按时，系统启动并工作，继续短按时系统电源板通过串口发送关闭信号给主控板，所述主控板安全关闭存储系统后发送关闭完成命令给单片机，然后系统关闭，如此反复；当按键长按时系统直接关闭。
所述主控板为整个系统的核心，负责控制红外灯板1的闪烁、LED指示灯的亮灭、两个传感器201、202、将回传的图片进行存储和处理，以及负责击球算法和参数计算的执行，最后得出数据并传回给客户端，所述主控板同时还与电源板通信连接，并提供PWM信号来控制红外灯板1，所述红外灯板1为高尔夫球的检测区域提供均匀、足量又不会过曝的亮度，以便两个传感器201、202能清晰地拍摄高尔夫球；两个传感器201、202一上一下，在主控板的控制下形成一个双目的立体系统，能够计算高尔夫球的三维坐标。
将高尔夫球放在感测区域内，系统会先全局查找一遍高尔夫球的三维位置，找到高尔夫球的位置后切换到局部检测，即只是检测高尔夫球所在的部分区域，当高尔夫球所在区域的球发生了偏移并且偏移值大于阈值则判断高尔夫球飞出，则在短时间后停止DDR的刷新，以存储球被击飞状态下的图片，然后开始计算出各个参数。
在双目立体三维系统中，取得高尔夫球被击飞状态下的多组图片后可以计算出多组球击飞状态下的三维坐标，从而可以计算起飞角和侧飞角，然后根据帧率N帧(N≥775)得到每帧的时间1/N(秒)计算出速度，同时可以获取高尔夫球被击飞状态下多组球的标记，通过特征点计算出标记的斜率以及标记的偏移量，从而分别得出高尔夫球的侧旋和后旋。
参照图4，高尔夫球运动参数(速度、起飞角、左右偏角、侧旋、后旋)的计算过程如下：
(1)、根据两个时刻T1、T2的图像信息，分别就行投影坐标及旋转特征点提取处理，获取目标投影坐标，利用图像坐标到世界坐标的投影矩阵得到目标在世界坐标下的绝对位姿；
(2)、通过多个变化的绝对位姿在世界空间坐标系中的X、Y、Z方向位移量，可分别计算出目标的速度、起飞角和左右偏角；
(3)、获取旋转标记特征点，通过特征点计算标记斜率以及标记偏移量，从而分别得出目标的侧旋和后旋；
(4)、对两两绝对位姿进行旋转矩阵R、平移矩阵tr的运算处理，再除以时间间隔At，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，其特征在于，包括主控板和均与主控板电连接的红外灯板、电源板和两个带高速摄像机的传感器，两个所述传感器构成一个双目立体系统，将采集到的图片传给主控板，所述主控板还与客户端通信连接；
所述主控板与电源板通信连接，并提供PWM信号来控制红外灯板，所述主控板包括主控芯片和均与主控芯片电连接的存储模块、UART串口、LED指示灯、ETH以太网、蓝牙模块和GPIO信号端口，其中，
所述主控芯片包括PL和PS两个逻辑模块单元，所述PL逻辑模块单元用来采集图像数据，所述PS逻辑模块单元用来做算法及网络传输；
所述存储模块包括用来存储图像数据的512MB DDR3以及用来存储固件和图片的EMMC芯片；
所述UART串口用于与电源板通信和后期调试；
所述LED指示灯用于指示系统的启动和运行状态；
所述ETH以太网用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到主机，以及将图片传输到客户端；
所述蓝牙模块用于将计算后的高尔夫球运动参数传输到客户端；
所述GPIO信号端口包括PWM信号端口、LED指示灯的信号端口和电源板的串口信号端口；
所述传感器一个连接于主控板上，另一个单独连接于主控板外的传感器板上，所述传感器板由一个30pin的软排线连接到主控板；两个所述传感器的位置一上一下；
所述红外灯板包括两组远光红外灯和一组近光红外灯。
2.根据权利要求1所述的基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，其特征在于，两个所述传感器的工作帧率为N帧，待机帧率为P帧，其中，N≥775，P≤110。
3.根据权利要求1所述的基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，其特征在于，所述电源板包括用于电压转换的单片机和控制红外灯板供电的开关，所述单片机将外部适配器进入的电压转换成电源电压输出给主控板，并进一步转换电源电压为红外灯板供电。
4.根据权利要求1所述的基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测装置，其特征在于，所述电源板由电池直接供电，所述电池直接给主控板供电并由电源板进一步转换为红外灯板供电。
5.一种基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
在高尔夫球运动过程中，采集第一时刻、第二时刻的图像信息；
根据两个时刻的图像信息，分别就行投影坐标及旋转特征点提取处理，计算出两个时刻的高尔夫球绝对位姿；
依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量；所述依据两绝对位姿、及第二时刻与第一时刻的时间间隔，计算出高尔夫球的速度、角速度的三维矢量的方法为：对两绝对位姿进行旋转矩阵、平移矩阵的运算处理，再除以时间间隔。
6.根据权利要求5所述的基于红外双目高速摄像的高尔夫球运动地面感测测试方法，其特征在于，所述绝对位姿包括平移向量、旋转向量。
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