CN110766756A - 一种基于多方向投影的落点定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多方向投影的落点定位方法属于图像处理技术领域。基于多方向投影定位系统实现，包括对称分布的n个照明光源和摄像头，照明光源提供光线汇聚在靶面几何中心，摄像头正对靶面位置。首先，撞击物体即将到达靶面时，摄像头记录撞击过程中靶面上的m帧投影图像，并得到每帧图像对应的时刻t_i。其次，在得到的m帧图像中，选取在每帧图像都能清楚显示撞击物体的投影端点，计算每帧图像的撞击物体的投影端点之间的距离，绘制撞击物体投影端点距离‑时间散点图，得到物体撞击靶面的时刻t₀。最后，求解落点位置坐标。本发明脱离摄像头捕获速度的限制，同时也解决了摄像过程中撞击物体遮挡撞击位置的问题，能够计算得到更准确的落点位置，安全可靠，实用性强。

Description

一种基于多方向投影的落点定位方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，特别涉及基于多方向投影的落点定位方法。

背景技术

撞击识别装置的图像采集与处理系统在实际应用中会出现以下问题：

首先，由于摄像头捕获速度有限，摄像系统可能捕捉不到物体停留在撞击位置的画面。当物体的运动速度很快时，在撞击位置停留的时间极短，摄影系统不能捕捉到撞击时刻瞬时的镜头，因而图像处理系统无法进行后续的信息处理。

其次，考虑到摄像头的成本，在撞击识别装置的图像采集与处理系统中，摄像头数量有限，位置固定，因此即使捕捉到撞击时的画面，也可能因为摄像头拍摄角度不当的问题导致采集的图像不理想，给图像分析处理带来干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是摄像系统无法准确记录运动速度较快的撞击物体的落点位置问题。本发明的目的是借助图像处理的方法更准确得到撞击物体的落点位置，从而降低撞击识别装置对摄像头捕获速度和拍摄角度的要求，提高落点定位可靠性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于多方向的投影落点定位方法，该方法基于多方向投影定位系统实现。所述多方向投影定位系统包括对称分布在靶面2周围的n(3≤n≤6)个照明光源1和一个固定位置的摄像头4。照明光源1提供的光线汇聚在靶面2的几何中心3即为O点(注：O点是靶面的几何中心，撞击物体可以落在靶面任意位置而不一定是O点)，使得撞击物体5即将到达靶面2时，靶面2上可以产生n个明显清晰的投影6，其中撞击物体的投影端点7是n个投影即将汇聚的一端。摄像头4固定在正对靶面2的位置。所述的落点定位方法包括以下步骤：

步骤1：采集多帧投影图像信息

撞击物体5即将到达靶面2时，摄像头4以捕获速度f记录撞击过程中靶面2上的m帧投影图像，将得到的m帧图像存储到计算机中。以第一帧投影图像的拍摄时间为时间起点t₁，则第i帧图像的时间为t_i＝f*i(1≤i≤m)，从而得到每帧图像对应的时刻t_i。

步骤2：根据投影计算物体撞击靶面的时刻t₀

摄像头4采集的第i帧图像上(即对应t_i时刻)撞击物体的n个投影6分别为K_i1,K_i2……K_in，相应每个投影的端点7分别为a_i1,a_i2……a_in。具体为：摄像头采集的第1帧图像上的n个投影分别为K₁₁,K₁₂……K_1n，对应撞击物体的投影端点分别为a₁₁,a₁₂,……a_1n；采集的第2帧图像的n个投影分别为K₂₁,K₂₂……K_2n，对应撞击物体的投影端点分别为a₂₁,a₂₂……a_2n；则采集的第i帧图像的n个投影分别为K_i1,K_i2……K_in，对应撞击物体投影的端点分别为a_i1,a_i2……a_in。

在得到的m帧图像中，选取在每帧图像都能清楚显示撞击物体的投影端点a_1p,a_1q,a_2p,a_2q……,a_ip,a_iq……a_mp,a_mq(其中1≤p,q≤n)，计算每帧图像的撞击物体的投影端点a_ip,a_iq之间的距离d_i，并绘制撞击物体投影端点a_ip,a_iq间距离d_i-时间t_i散点图。根据散点图拟合撞击物体投影端点a_ip,a_iq距离-时间函数f_d(t)，求解f_d(t)函数得到其零点t₀，t₀为d_i＝0的时刻，即为撞击物体击中靶面的时刻。

步骤3：求解落点位置坐标

以靶面所在平面建立x-y坐标系，靶面的几何中心O为坐标系的坐标原点。确定第i帧投影图像上物体相对于靶面几何中心的位置坐标(b_ix,b_iy)，根据每帧投影图像的位置坐标，分别绘制物体在x,y方向的b_x-t_i，b_y-t_i散点图，根据散点图拟合相应的撞击物体的f_y(t_i),f_x(t_i)位置曲线，将t₀分别带入曲线f_y(t_i),f_x(t_i)中，从而精确得到撞击物体击中靶面时刻物体在靶面的位置坐标。

本发明的效果和益处是：本发明脱离摄像头捕获速度的限制，同时也解决了摄像过程中撞击物体遮挡撞击位置的问题，能够计算得到更准确的落点位置，安全可靠，实用性强。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图中：1照明灯；2靶面；3靶面的几何中心；4摄像头；5撞击物体；6撞击物体的投影；7撞击物体投影端点。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

(1)调节多方向投影定位系统。将4个照明光源1分布在靶面2的四个顶角位置，将其照射方向对准靶面2的O点，摄像头4的位置固定在正对靶面2的位置。

(2)摄像系统以捕获速度30帧/s获取撞击过程中靶面上的50帧投影图像。

(3)以第一帧投影图像的拍摄时间为时间起点t₁，则第i帧图像的时间为t_i＝f*i(1≤i≤50)，从而得到每帧图像对应的时刻t_i。

(4)根据投影计算物体撞击靶面的时刻t₀。摄像头采集的第1帧图像上的4个投影分别为K₁₁,K₁₂,K₁₃,K₁₄，对应撞击物体的投影端点分别为a₁₁,a₁₂,a₁₃,a₁₄；采集的第2帧图像的4个投影分别为K₂₁,K₂₂,K₂₃,K₂₄，对应撞击物体的投影端点分别为a₂₁,a₂₂,a₂₃,a₂₄；采集的第i帧图像的四个投影分别为K_i1K_i2,K_i3,K_i4，对应撞击物体投影的端点分别为a_i1,a_i2,a_i3,a_i4……在得到的50帧图像中，若每帧图像都能清楚显示的撞击物体的投影端点是a_i1,a_i4(即选取p＝1,q＝4)，则计算每帧图像的a_i1,a_i4之间的距离d_i(即为撞击物体的投影端点之间的距离)，并绘制撞击物体的投影端点距离-时间d_i-t_i散点图，根据得到的散点图拟合撞击物体的投影端点距离-时间函数f_d(t)，求解f_d(t)函数得到其零点t₀，t₀即为撞击物体击中靶面的时刻。

(5)以靶面所在平面建立x-y坐标系，靶面的几何中心O为坐标系的坐标原点。确定第i帧投影图像上物体相对于O点的位置坐标(b_ix,b_iy)。

(6)根据每帧投影图像的位置坐标，分别绘制物体在x,y方向的b_x-t_i，b_y-t_i散点图，根据散点图拟合相应的撞击物体的f_y(t_i),f_x(t_i)位置曲线，将t₀分别带入曲线f_y(t_i),f_x(t_i)中，从而精确得到撞击物体击中靶面时刻物体在靶面的位置坐标(b_0x,b_0y)。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于多方向投影的落点定位方法，其特征在于，该方法基于多方向投影定位系统实现，包括对称分布在靶面(2)周围的n个照明光源(1)和一个摄像头(4)；所述照明光源(1)提供的光线汇聚在靶面(2)的几何中心(3)，使得撞击物体(5)即将到达靶面(2)时，靶面(2)上可以产生n个明显清晰的投影(6)，其中撞击物体的投影端点(7)是n个投影即将汇聚的一端；所述摄像头(4)固定在正对靶面(2)的位置；撞击物体可以落在靶面任意位置；所述的落点定位方法包括以下步骤：

步骤1：采集多帧投影图像信息

撞击物体(5)即将到达靶面(2)时，摄像头(4)以捕获速度f记录撞击过程中靶面(2)上的m帧投影图像，将得到的m帧图像存储到计算机中；以第一帧投影图像的拍摄时间为时间起点t₁，则第i帧图像的时间为t_i＝f*i(1≤i≤m)，从而得到每帧图像对应的时刻t_i；

步骤2：根据投影计算物体撞击靶面的时刻t₀

摄像头(4)采集t_i时刻第i帧图像上撞击物体的n个投影(6)分别为K_i1,K_i2……K_in，相应每个投影的端点7分别为a_i1,a_i2……a_in；在得到的m帧图像中，选取在每帧图像都能清楚显示撞击物体的投影端点a_1p,a_1q,a_2p,a_2q……,a_ip,a_iq……a_mp,a_mq，其中1≤p,q≤n；计算每帧图像的撞击物体的投影端点a_ip,a_iq之间的距离d_i，并绘制撞击物体投影端点a_ip,a_iq间距离d_i-时间t_i散点图；根据散点图拟合撞击物体投影端点a_ip,a_iq距离-时间函数f_d(t)，求解f_d(t)函数得到其零点t₀，t₀为d_i＝0的时刻，即为撞击物体击中靶面的时刻；

步骤3：求解落点位置坐标

以靶面所在平面建立x-y坐标系，靶面的几何中心O为坐标系的坐标原点；确定第i帧投影图像上物体相对于靶面几何中心的位置坐标(b_ix,b_iy)，根据每帧投影图像的位置坐标，分别绘制物体在x,y方向的b_x-t_i，b_y-t_i散点图，根据散点图拟合相应的撞击物体的f_y(t_i),f_x(t_i)位置曲线，将t₀分别带入曲线f_y(t_i),f_x(t_i)中，从而精确得到撞击物体击中靶面时刻物体在靶面的位置坐标。

2.根据全权利要求1所述的一种基于多方向投影的落点定位方法，其特征在于，所述的3≤n≤6。