CN110782493A - 一种基于多方向投影的轨迹曲线计算落点位置的定位方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多方向投影的轨迹曲线计算落点位置的定位方法，该方法基于多方向投影定位系统实现，包括摄像头和n个对称分布的照明光源，光线汇聚在靶面几何中心，摄像头正对靶面。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m帧投影图像，采集多帧投影图像信息。其次，建立坐标系，记录撞击物体的投影端点的位置坐标。最后，绘制投影端点的坐标‑时间散点图，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轨迹曲线计算落点位置的定位方法
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轨迹曲线计算落点位置的定位方法。
背景技术
撞击识别装置的图像采集系统在采集撞击时刻的图像信息时中会出现以下问题：
实际撞击物体的运动速度很快，在目标平面上的撞击位置停留的时间极短，由于摄像头捕获速度有限，摄影系统不能准确捕捉到撞击时刻瞬时的画面，因而无法准确得到实际撞击物体的落点，进而无法实现后续的图像分析处理。
同时，在采集图像的系统中摄像头位置固定，不能保证每次拍摄的角度都合理，一旦撞击物体本身遮挡住其在目标平面的落点将导致采集的图像失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是图像采集系统无法准确记录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利用拟合的轨迹曲线更准确地计算撞击物体的落点位置，从而提高撞击识别装置落点定位的可靠性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于多方向投影的轨迹曲线计算落点位置的定位方法，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目标平面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提供的光线汇聚在目标平面2的几何中心3即为O点(注：O点是目标平面的几何中心，撞击物体可以落在目标平面任意位置而不一定是O点)，使得撞击物体5即将到达目标平面2时，目标平面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固定在正对目标平面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即将到达目标平面2时，摄像头4以捕获像速度f记录撞击过程中目标平面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ti＝f*i(1≤i≤m)，从而得到每帧图像对应的时刻ti。
步骤2：建立坐标系，记录撞击物体的投影端点的位置坐标
以目标平面所在的平面建立x-y坐标系，其中目标平面的几何中心O为坐标系的坐标原点。
摄像头4采集的第i帧图像上(即对应ti时刻)撞击物体的n个投影6分别为Ki1,Ki2……Kin，相应每个投影的端点7分别为ai1,ai2……ain。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……K1n，对应撞击物体的投影端点分别为a11,a12,……a1n；采集的第2帧图像的n个投影分别为K21,K22……K2n，对应撞击物体的投影端点分别为a21,a22……a2n；则采集的第i帧图像的n个投影分别为Ki1,Ki2……Kin，对应撞击物体投影的端点分别为ai1,ai2……ain。
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a1p,a1q,a2p,a2q……,aip,aiq……amp,amq(其中1≤p,q≤n，即每帧图像都选撞击物体的两个标号为p,q的投影端点)。在目标平面的坐标系下，a1p的坐标为(x1p,y1p)，a1q的坐标为(x1q,y1q)，a2p的坐标为(x2p,y2p)，a2q的坐标为(x2q,y2q)……aip的坐标为(xip,yip)，aiq的坐标为(xiq,yiq)……amp的坐标为(xmp,ymp)，amq的坐标为(xmq,ymq)。
步骤3：绘制投影端点的坐标-时间散点图，求解落点位置坐标
分别绘制撞击物体的投影端点坐标x,y-时间ti散点图。根据选定每帧图像上的撞击物体的投影端点aip,aiq位置坐标，分别绘制投影端点在x,y方向的xip-ti，xiq-ti，yip-ti，yiq-ti四个散点图。根据以上四个散点图拟合撞击物体投影端点aip的x坐标-时间函数fxp(t)曲线，aip的y坐标-时间函数fyp(t)曲线，撞击物体投影端点aiq的x坐标-时间函数fxq(t)曲线和aiq的y坐标-时间函数fyq(t)曲线。根据得到的四条曲线计算分析(可以用计算机协助处理)分别得到相应的函数关系。
令函数f0x(t)＝fxp(t)-fxq(t)，计算f0x(t)＝0时对应的fxp(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的x坐标x0，同理令函数f0y(t)＝fyp(t)-fyq(t)，计算f0y(t)＝0时对应的fyp(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的y坐标y0。从而精确得到撞击物体击中目标平面时刻物体相对目标平面几何中心的位置坐标(x0,y0)。
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，同时也解决了拍摄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目标平面；3目标平面的几何中心；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分布在目标平面2的四个顶角位置，将其照射方向对准目标平面2的O点，摄像头4的位置固定在正对目标平面2的位置。
(2)摄像系统以捕获速度30帧/s获取撞击过程中目标平面上的60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ti＝f*i(1≤i≤60)，从而得到每帧图像对应的时刻ti。
(4)记录撞击物体的投影端点的位置坐标。以目标平面所在平面建立x-y坐标系，目标平面的几何中心O为坐标系的坐标原点。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Ki1Ki2,Ki3,Ki4，对应撞击物体投影的端点分别为ai1,ai2,ai3,ai4。
在得到的60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ai1,ai4(即选取p＝1,q＝4，每帧图像都选撞击物体的两个标号为1,4的投影端点)，在目标平面的坐标系下，a11的坐标为(x11,y11)，a14的坐标为(x14,y14)，a21的坐标为(x21,y21)，a24的坐标为(x24,y24)……aip的坐标为(xip,yip)，aiq的坐标为(xiq,yiq)。
(5)绘制投影端点的坐标-时间散点图。根据选定每帧图像上的撞击物体的投影端点ai1,ai4位置坐标，分别绘制投影端点在x,y方向的xi1-ti，xi4-ti，yi1-ti，yi4-ti四个散点图。
(6)根据散点图拟合曲线，求解相应的函数关系。根据以上四个散点图拟合撞击物体投影端点ai1的x坐标-时间函数fx1(t)曲线，ai1的y坐标-时间函数fy1(t)曲线，撞击物体投影端点ai4的x坐标-时间函数fx4(t)曲线和ai4的y坐标-时间函数fy4(t)曲线。根据得到的四条曲线计算分析(可以用计算机协助处理)分别得到相应的函数关系。
(7)求解落点位置坐标(x0,y0)。令函数f0x(t)＝fx1(t)-fx4(t)，计算f0x(t)＝0时对应的fx1(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的x坐标x0，同理令函数f0y(t)＝fy1(t)-fy4(t)，计算f0y(t)＝0时对应的fy1(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的y坐标y0。从而精确得到撞击物体击中目标平面时刻物体相对目标平面几何中心的位置坐标(x0,y0)。
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轨迹曲线计算落点位置的定位方法，其特征在于，该方法基于多方向投影定位系统实现；所述多方向投影定位系统包括对称分布在目标平面(2)周围的n个照明光源(1)和一个摄像头(4)；照明光源(1)提供的光线汇聚在目标平面(2)的几何中心(3)即为O点，使撞击物体(5)即将到达目标平面(2)时，目标平面(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)固定在正对目标平面(2)的位置；撞击物体可以落在目标平面任意位置；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)即将到达目标平面(2)时，摄像头(4)以捕获像速度f记录撞击过程中目标平面(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ti＝f*i(1≤i≤m)，从而得到每帧图像对应的时刻ti；
步骤2：建立坐标系，记录撞击物体的投影端点的位置坐标
以目标平面所在的平面建立x-y坐标系，其中目标平面的几何中心O为坐标系的坐标原点；
摄像头(4)采集的ti时刻、第i帧图像上撞击物体的n个投影(6)分别为Ki1,Ki2……Kin，相应每个投影的端点7分别为ai1,ai2……ain；
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a1p,a1q,a2p,a2q……,aip,aiq……amp,amq，其中1≤p,q≤n，即每帧图像都选撞击物体的两个标号为p,q的投影端点；在目标平面的坐标系下，a1p的坐标为(x1p,y1p)，a1q的坐标为(x1q,y1q)，a2p的坐标为(x2p,y2p)，a2q的坐标为(x2q,y2q)……aip的坐标为(xip,yip)，aiq的坐标为(xiq,yiq)……amp的坐标为(xmp,ymp)，amq的坐标为(xmq,ymq)；
步骤3：绘制投影端点的坐标-时间散点图，求解落点位置坐标
分别绘制撞击物体的投影端点坐标x,y-时间ti散点图；根据选定每帧图像上的撞击物体的投影端点aip,aiq位置坐标，分别绘制投影端点在x,y方向的xip-ti，xiq-ti，yip-ti，yiq-ti四个散点图；
根据以上四个散点图拟合撞击物体投影端点aip的x坐标-时间函数fxp(t)曲线，aip的y坐标-时间函数fyp(t)曲线，撞击物体投影端点aiq的x坐标-时间函数fxq(t)曲线和aiq的y坐标-时间函数fyq(t)曲线；根据得到的四条曲线计算分析分别得到相应的函数关系；
令函数f0x(t)＝fxp(t)-fxq(t)，计算f0x(t)＝0时对应的fxp(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的x坐标x0，同理令函数f0y(t)＝fyp(t)-fyq(t)，计算f0y(t)＝0时对应的fyp(t)，即为撞击物体落点相对目标平面的y坐标y0；从而精确得到撞击物体击中目标平面时刻物体相对目标平面几何中心的位置坐标(x0,y0)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多方向投影的轨迹曲线计算落点位置的定位方法，其特征在于，所述的3≤n≤6。
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