CN111068287A - 一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置及方法，其特征在于，包括图像捕捉模块、图像信息处理模块、判定模块、无线通讯模块和计时计数显示模块。图像捕捉模块捕捉静止篮板及其周围的图像帧，当采集的图像中出现篮球，通过图像信息处理模块分析处理当前图像，获得篮球及篮筐的几何特征参数以及空间相对位置，判定模块通过计算处理参数，判断篮球是否满足进球条件，若满足进球条件，即判定篮球进球，无线通讯模块发送篮球进球信号给计时计数模块，计时计数模块记录进球时刻并计数，通过基于视觉的篮球进球判定方法和对篮球计时计数装置，能够高精度判定篮球进球，判定过程受外界环境因素的干扰小，大大减少了误判的发生。

Description

一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置及方法

技术领域

本发明属于篮球分级测试领域，具体涉及一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置。

背景技术

体质健康对于每个人都至关重要，而青少年阶段是每个人成长的关键阶段，这个时期的体质健康状况甚至会对一个人的终生产生直接影响。为进一步贯彻党和国家提出的增强身体素质和体质健康方针，促进青少年身心健康、体魄强健的精神，强化我国青少年体质健康，提升青少年体质健康水平，本文提出了一种用于篮球分级测试的进球计数和计时装置，旨在帮助青少年增强身体素质和体质健康，促进青少年健康成长，同时也为了服务于篮球运动的良好发展。篮球作为一项竞技体育项目，普及程度高、健身价值大、参与人群广，是深受人们喜爱的同场对抗性项目。目前自动判断篮球进球的方法主要有二种：一种是机械触碰式的篮球进球判断方法，通过篮球进球后触碰到机械触杆产生信号来判断篮球是否进球；另一种是基于光电式传感器的篮球进球判断方法，该传感器安装在篮板上，通过篮球进球时遮挡传感器发出的光线，来输出信号。这两种方式都存在很多误判情况，未考虑篮网对传感器的影响，且现有的机械式判定装置拆装复杂，实用性低。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，包括图像捕捉模块、图像信息处理模块、判定模块、无线通讯模块、计时计数显示模块、数据存储模块，其中：

所述图像捕捉模块用于进行篮板附近区域图像采集；

所述图像信息处理模块用于通过无线通信模块获得图像捕捉模块采集的图像，并分析处理获得篮球及篮筐的几何特征参数以及空间相对位置，再通过无线通信模块将处理信息发送至判定模块；

所述判定模块用于基于图像信息处理模块输出信息判定是否为有效进球，并通过无线通信模块将进球判定信号发送给计时计数显示模块；

所述计时计数显示模块用于记录进球时刻并计数，并根据指令将进球时刻及计数数据发送至存储测试数据。

进一步的，且所述计时计数显示模块连接有压力感知地垫或高速摄影机或红外传感器。

进一步的，所述图像信息处理模块及判定模块通过STM32或ARM嵌入式电脑处理器实现，所述无线通讯模块采用基于WIFI或4G或蓝牙或射频的无线传输信号，所述数据存储模块为机械硬盘、固态硬盘或SD存储卡或连接有存储介质的电脑、移动电话。

进一步的，所述图像捕捉模块为摄像头且具备固定架直接安装于篮球架上。

进一步的，所述摄像头具备电子防抖，所述摄像头具备强光抑制且宽动态范围达120dB以上适合逆光环境监控。

进一步的，所述摄像头数量为一个及以上，且所述摄像头外装有保护罩框且安装固定架设置有减震弹簧。

一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1步骤一，建立基准坐标系，具体为将所述图像捕捉模块固定于篮板篮筐同一水平线位置，以篮筐固定于篮板的中心位置为原点O，建立全局坐标系XYZ，X轴沿篮板面外法线方向，Y轴平行于篮板短边竖直向上，Z轴根据右手定则唯一确定；

S2步骤二，处理采集图像数据，具体为使用图像信息处理模块处理图像捕捉模块采集的图像帧数据获得篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，参数信息包括未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧、静态篮筐轮廓、篮框尺寸、篮球尺寸、摄像头到篮球球心的距离、通过标定和计算获得篮球中心与篮筐所在平面的实时垂直距离以及篮球球心在全局坐标系Z轴的实时坐标。

S3步骤三，判定进球情况，具体为使用所述判定模块基于图像信息模块分析处理S2中得到的篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，判定篮球是否进球；

S4步骤四，记录进球情况及计时数据，具体为使用计时计数显示模块，篮球进球后，接收判定模块数据，显示篮球计数和进球时刻并将当前测试者的篮球计数和进球时刻测试数据存档。

进一步的，S2步骤二中进一步包括如下子步骤：

S201基于摄像头采集到的篮板和其周围区域的图像帧，建立第i幅图像帧的局部二维坐标系x_iy_i，坐标系原点o_i为图像帧左上角顶点，x_i轴为过原点 o_i沿图像轮廓水平向左，y_i轴为过原点o_i沿图像轮廓垂直向下；

S202测试开始，首先基于未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧，识别静态篮筐轮廓，获得其轮廓和局部坐标系位置分布；

S203由于摄像头与篮筐同一水平布置，则捕获的静态篮筐轮廓为直线段，可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段起始点A_i和B_i的位置坐标为(xA_i, yA_i)和(xB_i,yB_i)；

S204当摄像头捕捉到运动的篮球，利用图像识别算法，可以获得当前图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮球轮廓半径r_i及中心o_bi的位置(xo_bi,yo_bi)；

S205根据以上两步可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i；

S206在全局坐标系XYZ下，根据篮框和篮球识别轮廓以及实际篮框尺寸R_h和篮球尺寸R_b，可计算得到摄像头到篮球球心o_b的距离L₁，并通过标定获得摄像头与篮球球心连线与篮板所在平面的夹角α，从而可以得到篮球球心o_b在Z轴上的位置坐标z_ob。

进一步的，S3步骤三中判定模块判定进球的条件为：

同时判定满足条件1及条件2，所述条件1为图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i∈[0,r/2]；所述条件2为全局坐标系 XYZ下，|z_ob|<R_h—R_b。

进一步的，S4步骤四中进球情况及计时数据统计方法为：

S401，通过压力感知地垫或置于地面的底部摄影机或置于地面的底部红外传感器检测当测试者离开站垫时，触发计时开始；

S402，通过判定模块接收信号反馈篮球进球后，显示篮球计数和进球时刻；

S403，测试结束后，接收输入指令将当前测试者的测试数据存档。

本发明可带来以下有益效果：

通过计算机视觉技术对捕捉的图像进行分析处理，判定篮球进球，并记录进球时间和进球数，包括图像捕捉模块、图像信息处理模块、判定模块、无线通信模块、计时计数显示模块，提供了一种基于视觉的篮球进球判定方法和对篮球计时计数装置，该方法的判定精度高，受外界环境因素的干扰小，大大减少了误判的发生。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明系统运算原理示意图；

图3是本发明实施方法的基本流程图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的基于机器视觉的篮球分级测试用进球计数计时装置具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，包括图像捕捉模块、图像信息处理模块、判定模块、无线通讯模块和计时计数显示模块，其中：图像捕捉模块用于进行篮板附近区域图像采集，本实施例中为一个摄像头且具备电子防抖，摄像头具备强光抑制且宽动态范围达120dB以上适合逆光环境监控，固定架直接安装于篮球架上。

图像信息处理模块用于通过无线通信模块获得图像捕捉模块采集的图像，并分析处理获得篮球及篮筐的几何特征参数以及空间相对位置，再通过无线通信模块将处理信息发送至判定模块；判定模块用于基于图像信息处理模块输出信息判定是否为有效进球，并通过无线通信模块将进球判定信号发送给计时计数显示模块；通过STM32便携处理器实现图像信息处理模块和判定模块功能，无线通讯模块采用WIFI传输信号连通所有其他模块。计时计数显示模块用于记录进球时刻并计数。固态硬盘构成的数据存储模块保存测试数据，摄像头外装有保护罩框且安装固定架设置有减震弹簧，计时计数显示模块连接有LED显示屏，用于播放进球个数数据及时间信息，此外计时计数显示模块启动计时的指令可以通过无线通信模块接收外部遥控器、键盘、鼠标等输入设备输入启动主动实现，也可以通过接收压力感知地垫的压力变化波动超过阈值以启动计时方式实现。

一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，应用实施例1装置，包括以下步骤：

通过压力感知地垫检测当测试者离开站垫时，压力感知地垫向计时计数显示模块发送信号触发计时计数显示模块计时开始；

S1步骤一，建立全局坐标系，具体为将图像捕捉模块固定于篮板篮筐同一水平线位置，以篮筐固定于篮板的中心位置为原点O，建立全局坐标系 XYZ，X轴沿篮板面外法线方向，Y轴平行于篮板短边竖直向上，Z轴根据右手定则唯一确定；

S2步骤二，处理采集图像数据，具体为使用图像信息处理模块处理图像捕捉模块采集的图像帧数据获得篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，参数信息包括未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧、静态篮筐轮廓、篮框尺寸、篮球尺寸、摄像头到篮球球心的距离、通过标定和计算获得篮球中心与篮筐所在平面的实时垂直距离以及篮球球心在全局坐标系Z轴的实时坐标。

具体为：

S201基于摄像头采集到的篮板和其周围区域的图像帧，建立第i幅图像帧的局部二维坐标系x_iy_i，坐标系原点o_i为图像帧左上角顶点，x_i轴为过原点 o_i沿图像轮廓水平向左，y_i轴为过原点o_i沿图像轮廓垂直向下；

S202测试开始，首先基于未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧，识别静态篮筐轮廓，获得其轮廓和局部坐标系位置分布；

S203由于摄像头与篮筐同一水平布置，则捕获的静态篮筐轮廓为直线段，可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段起始点A_i和B_i的位置坐标为(xA_i, yA_i)和(xB_i,yB_i)；

S204当摄像头捕捉到运动的篮球，利用图像识别算法，可以获得当前图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮球轮廓半径r_i及中心o_bi的位置(xo_bi,yo_bi)；

S205根据以上两步可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i；

S206在全局坐标系XYZ下，根据篮框和篮球识别轮廓以及实际篮框尺寸R_h和篮球尺寸R_b，可计算得到摄像头到篮球球心o_b的距离L₁，并通过标定获得摄像头与篮球球心连线与篮板所在平面的夹角α，从而可以得到篮球球心o_b在Z轴上的位置坐标z_ob。

S3步骤三，判定进球情况，具体为使用判定模块基于图像信息模块分析处理S2中得到的篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，判定篮球是否进球；

具体为：

同时判定满足条件1及条件2，条件1为图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i∈[0,r/2]；条件2为全局坐标系XYZ下，| z_ob|<R_h—R_b。

如判断不符合条件1或条件2任意一项，则判定模块发送指令给图像信息处理模块重置处理捕捉图像帧。

S4步骤四，记录进球情况及计时数据，具体为使用计时计数显示模块，篮球进球后，接收判定模块数据，显示篮球计数和进球时刻，数据存储模块将当前测试者的篮球计数和进球时刻测试数据存档。

具体为：

S401，通过压力感知地垫或置于地面的底部摄影机或置于地面的底部红外传感器检测当测试者离开站垫时，触发计时开始；

S402，通过判定模块接收信号反馈篮球进球后，篮球计数加一显示并同时显示进球时刻；

S403，测试结束后，接数据存储模块收输入指令将当前测试者的测试数据存档。

以具体测试数据处理过程为例：

判定进球实例：在实施例1基础上，S3步骤三中，检测到第i幅图像帧的局部二维坐标系x_iy_i下，篮球轮廓半径r为7个单位，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i为2个单位，则根据d_1i∈[0,r/2]，可以判定满足条件1；同时，在全局坐标系XYZ下，根据篮框和篮球识别轮廓以及实际篮框尺寸R_h (＝23cm)和篮球尺寸R_b(＝11cm)，可计算得到摄像头到篮球球心o_b的距离L₁为103cm，并通过标定获得摄像头与篮球球心连线与篮板所在平面的夹角α(＝15°)，从而可以得到篮球球心o_b在Z轴上的位置坐标z_ob＝-10cm，则根据|z_ob|<R_h—R_b，可以判定满足条件2。由于该图像帧同时满足条件1 及条件2，判定进球。

判定未进球实例：在实施例1基础上，S3步骤三中，检测到第i幅图像帧的局部二维坐标系x_iy_i下，篮球轮廓半径r为7个单位，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i为2个单位，则根据d_1i∈[0,r/2]，可以判定满足条件1；同时，在全局坐标系XYZ下，根据篮框和篮球识别轮廓以及实际篮框尺寸 R_h(＝23cm)和篮球尺寸R_b(＝11cm)，可计算得到摄像头到篮球球心o_b的距离L₁为108cm，并通过标定获得摄像头与篮球球心连线与篮板所在平面的夹角α(＝15°)，从而可以得到篮球球心o_b在Z轴上的位置坐标z_ob＝-14cm，则根据|z_ob|<R_h—R_b，可以判定不满足条件2。由于该图像帧不能同时满足条件1及条件2，判定未进球。

实施例2

在实施例1基础上，增加图像捕捉模块中的摄像机数量至2台，分别固定在篮筐同一高度篮板左右两侧，将压力感知地垫替换为红外传感器，将红外传感器的检测区域设置为篮板下三秒区内，检测高度高于地面约5cm，将无线通讯模块传输信号类型替换为4G，同样可以实现较好的测试效果，其中步骤四记录进球情况及计时数据工作步骤相应替换为：通过底部红外传感器检测当测试者离开站垫时，触发计时开始；通过判定模块接收信号反馈篮球进球后，显示篮球计数和进球时刻；测试结束后，数据存储模块接收输入指令将当前测试者的测试数据存档。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，包括图像捕捉模块、图像信息处理模块、判定模块、无线通讯模块、计时计数显示模块、数据存储模块，其中：

所述图像捕捉模块用于进行篮板附近区域图像采集；

所述图像信息处理模块用于通过无线通信模块获得图像捕捉模块采集的图像，并分析处理获得篮球及篮筐的几何特征参数以及空间相对位置，再通过无线通信模块将处理信息发送至判定模块；

所述判定模块用于基于图像信息处理模块输出信息判定是否为有效进球，并通过无线通信模块将进球判定信号发送给计时计数显示模块；

所述计时计数显示模块用于记录进球时刻并计数并根据指令将进球时刻及计数数据发送至数据存储模块存储测试数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，所述计时计数显示模块连接有压力感知地垫或高速摄影机或红外传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，所述图像信息处理模块及判定模块通过STM32或ARM嵌入式电脑处理器实现，所述无线通讯模块采用基于WIFI或4G或蓝牙或射频的无线传输信号，所述数据存储模块为机械硬盘、固态硬盘或SD存储卡或连接有存储介质的电脑、移动电话。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，所述图像捕捉模块为摄像头且具备固定架直接安装于篮球架上。

5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，所述摄像头具备电子防抖，所述摄像头具备强光抑制且宽动态范围达120dB以上适合逆光环境监控。

6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时装置，其特征在于，所述摄像头数量为一个及以上，且所述摄像头外装有保护罩框且安装固定架设置有减震弹簧。

7.一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一所述基于机器视觉篮球进球计数计时装置，包括以下步骤：

S1步骤一，建立基准坐标系，具体为将所述图像捕捉模块固定于篮板篮筐同一水平线位置，以篮筐固定于篮板的中心位置为原点O，建立全局坐标系XYZ，X轴沿篮板面外法线方向，Y轴平行于篮板短边竖直向上，Z轴根据右手定则唯一确定；

S2步骤二，处理采集图像数据，具体为使用图像信息处理模块处理图像捕捉模块采集的图像帧数据获得篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，参数信息包括未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧、静态篮筐轮廓、篮框尺寸、篮球尺寸、摄像头到篮球球心的距离、通过标定和计算获得篮球中心与篮筐所在平面的实时垂直距离以及篮球球心在全局坐标系Z轴的实时坐标。

S3步骤三，判定进球情况，具体为使用所述判定模块基于图像信息模块分析处理S2中得到的篮筐轮廓和篮球中心的空间相对位置参数，判定篮球是否进球；

S4步骤四，记录进球情况及计时数据，具体为使用计时计数显示模块，篮球进球后，接收判定模块数据，显示篮球计数和进球时刻并将当前测试者的篮球计数和进球时刻测试数据存档。

8.根据权利要求7所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，其特征在于，S2步骤二中进一步包括如下子步骤：

S201基于摄像头采集到的篮板和其周围区域的图像帧，建立第i幅图像帧的局部二维坐标系x_iy_i，坐标系原点o_i为图像帧左上角顶点，x_i轴为过原点o_i沿图像轮廓水平向左，y_i轴为过原点o_i沿图像轮廓垂直向下；

S202测试开始，首先基于未投球时摄像头采集到的篮板和其周围区域图像帧，识别静态篮筐轮廓，获得其轮廓和局部坐标系位置分布；

S203由于摄像头与篮筐同一水平布置，则捕获的静态篮筐轮廓为直线段，可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段起始点A_i和B_i的位置坐标为(xA_i,yA_i)和(xB_i,yB_i)；

S204当摄像头捕捉到运动的篮球，利用图像识别算法，可以获得当前图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮球轮廓半径r_i及中心o_bi的位置(xo_bi,yo_bi)；

S205根据以上两步可以获得图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i；

S206在全局坐标系XYZ下，根据篮框和篮球识别轮廓以及实际篮框尺寸R_h和篮球尺寸R_b，可计算得到摄像头到篮球球心o_b的距离L₁，并通过标定获得摄像头与篮球球心连线与篮板所在平面的夹角α，从而可以得到篮球球心o_b在Z轴上的位置坐标z_ob。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，其特征在于，S3步骤三中判定模块判定进球的条件为：

同时判定满足条件1及条件2，所述条件1为图像帧局部坐标系x_iy_i下，篮筐线段A_iB_i与篮球中心o_bi的距离d_1i∈[0,r/2]；所述条件2为全局坐标系XYZ下，|z_ob|<R_h—R_b。

10.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉篮球进球计数计时方法，其特征在于，S4步骤四中进球情况及计时数据统计方法为：

S401，通过压力感知地垫或置于地面的底部摄影机或置于地面的底部红外传感器检测当测试者离开站垫时，触发计时开始；

S402，通过判定模块接收信号反馈篮球进球后，显示篮球计数和进球时刻；

S403，测试结束后，接收输入指令将当前测试者的测试数据存档。

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