CN114225361A - 一种网球测速方法 - Google Patents

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CN114225361A CN202111499858.3A CN202111499858A CN114225361A CN 114225361 A CN114225361 A CN 114225361A CN 202111499858 A CN202111499858 A CN 202111499858A CN 114225361 A CN114225361 A CN 114225361A
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Abstract

本发明公开了一种网球测速方法，具体涉及智能体育工程技术领域，其包括：已知摄像头像素为a*b(长*宽)，视野范围横向为d°，纵向为e°，摄像头水平向上倾角为f°，网球网柱间距为c。本发明所需要的器材设备仅为两个摄像头、和两个摄像头连接的单片机与一个显示模块，采用的设备简单且成本低，在测速计算过程中，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度，逻辑简单且易于整理，测试结果更加准确。

Description

一种网球测速方法
技术领域
本发明涉及智能体育工程技术领域，尤其涉及一种网球测速方法。
背景技术
国际主流网球测速方案为雷达测速，其成本售价都很高昂，所以国内除了少数大型赛事和高端球场装备，基本大众无法使用，作为对技术水平的衡量和提升装备，高昂的成本限制了大众体育发展，影响了智能体育工程普及；
另外也有其他的测速方式，例如专利号为：CN110314359A的“一种网球测速方法”，其包括：壳体、电源、主控装置、第一传感器装置、第二传感器装置、传动装置、夹持装置和限位装置；夹持装置夹持在网球发球设备的发球口，使得发球速度检测准确；传动装置与第二传感器装置啮合连接，壳体与第二传感器装置滑动连接，使得第二传感器装置具有伸缩功能，减小测速装置的体积，便于移动和携带；第二传感器装置与第一传感器装置的发射端处于同一竖直面，保证在同一竖直面内检测到网球，减少因位置差异带来的检测误差，提高速度检测的准确性；限位装置与第二传感器装置连接，以限制传动装置的过度运转，避免因传动装置的过度运转造成第二传感器装置的移动过度，使得第二传感器装置脱落，造成损坏，该网球测速方法所使用的方式是利用网球经过不同光幕时的时差来计算网球的速度，然而这种测速方式存在无法及时测试出网球斜角切入光幕时，网球经过两光幕的具体触点，从而无法测出网球倾斜切入经过光幕时的确切路径，使得网球的真实速度与计算速度存在一定的出入，并且该网球测速方法只能测试发球机的发球速度，存在技术缺陷。
并且现有的技术中，双目和摄像头测速精准度低，并且摄像头与激光结合，成本高且创新不强。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种网球测速方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种网球测速方法，包括：
已知摄像头像素为a*b(长*宽)，视野范围横向为d°，纵向为e°，摄像头水平向上倾角为f°，网球网柱间距为c；
并且由于机位固定、网球颜色为绿无论新旧有一定颜色阈值[c，d]和网球高速运动，所以在摄像机中以两个半圆夹一个长条块形状或者圆形出现，然后截取多组单帧图片，分别进行检测和计算；
包括以下步骤：
S1、是否监测到运动物体，检测到时进入步骤S2；
S2、颜色区间是否为[c，d]，是则进入步骤S3；
S3、通过傅里叶变换计算来描述子轮廓，分析颜色区间图形是否满足两个半圆夹一个长条块的形状或圆形，是则进入步骤s4；
S4、设定当前帧为n，n初始值为1，m初始值为1，然后进入步骤S5；
S5、网球在#1摄像机图片中像素位置为#1(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置为#1(x2，y2)；
网球在#2摄像机图片中像素位置#2(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置#2(x2，y2)；
在摄像画面中以横向居中纵向(e-f)/e处建立坐标系1和坐标系2，单位长度为像素，由输入图像可得：
Figure BDA0003402294660000031
Figure BDA0003402294660000032
Figure BDA0003402294660000033
Figure BDA0003402294660000034
在俯视坐标系中为：
∵F1#1+F1#2＝C
Figure BDA0003402294660000035
F1#2＝C-F1#1
∵
Figure BDA0003402294660000036
Figure BDA0003402294660000037
tanα1·F1#1＝tanβ1·((C-F1#1))
Figure BDA0003402294660000038
tanα1·F1#1＝C·tanβ1-F1#1·tanβ1
Figure BDA0003402294660000039
F1#1(tanα1+tanβ1)＝C·tanβ1
Figure BDA00034022946600000310
Figure BDA00034022946600000311
同理可得：
Figure BDA00034022946600000312
∴
Figure BDA00034022946600000313
Figure BDA00034022946600000314
Figure BDA00034022946600000315
在正视坐标系内同理可得：
Figure BDA0003402294660000041
若|#1y1+#1y2|＝|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E1Q1||
若|#1y1+#1y2|p|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E2Q2||
即：
若|#1x1+#1x2|＝|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000042
若|#1x1+#1x2|＜|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000043
所以Vm＝Δx*帧率，进入步骤S6；
S6、网球在第n+3帧是否离开画面，是则输出m进入步骤S7，否则输出Vm、n＝n+2和m＝m+1，并进入步骤S5；
S7、如果m≤3，则进入步骤S8；
如果3<m≤5，除去V1到Vm的一个最大值和一个最小值，进入S8；
如果5<m≤7，除去V1到Vm最大的两个值和最小的两个值，进入步骤S8；
如果m＞7，除去V1到Vm的最大的三个值和最小的三个值，进入步骤S8；
S8、平均值V＝(V1+V2+...+Vm)/m，输出至显示装置；
S9、数据上传至云端；
S10、在云端计算出平均击球速度持久力等数据。
优选的，所述步骤S1中，未检测到运动物体时重复当前步骤S1。
优选的，所述步骤S2中，颜色区间超过[c，d]时，重复步骤S1。
优选的，所述步骤S3中，通过傅里叶变换计算来描述子轮廓分析未满足两个半圆夹一个长条块形状时，则重复步骤S1。
本发明的有益效果为：
本发明所需要的器材设备仅为两个摄像头、和两个摄像头连接的单片机与一个显示模块，采用的设备简单且成本低，在测速计算过程中，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度，在三维空间内观测网球的运行轨迹，并且利用摄像机的固定帧率所代表的时差、两摄像机所在的球网柱间距、像素点、摄像机视野、摄像头向下倾角等作为基础定值，参照数值多，逻辑简单且易于整理，使得测试结果更加准确。
附图说明
图1为本发明中的正视画面示意图。
图2为本发明中的正视画面在坐标系中的显示示意图。
图3为本发明中的俯视画面示意图。
图4为本发明中的俯视画面在坐标系中的显示示意图。
图5为本发明中的一号摄像机画面在坐标系中显示示意图。
图6为本发明中的二号摄像机画面在坐标系中显示示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1-6所示，一种网球测速方法，包括：
已知摄像头像素为a*b(长*宽)，视野范围横向为d°，纵向为e°，摄像头水平向上倾角为f°，网球网柱间距为c；
并且由于机位固定、网球颜色为绿无论新旧有一定颜色阈值[c，d]和网球高速运动，所以在摄像机中以两个半圆夹一个长条块形状或者圆形出现，然后截取多组单帧图片，分别进行检测和计算；
包括以下步骤：
S1、是否监测到运动物体，检测到时进入步骤S2，未检测到运动物体时重复当前步骤S1；
S2、颜色区间是否为[c，d]，是则进入步骤S3，颜色区间超过[c，d]时，重复步骤S1；
S3、通过傅里叶变换计算来描述子轮廓，分析颜色区间图形是否满足两个半圆夹一个长条块的形状或圆形，是则进入步骤s4，未满足时重复步骤S1；
S4、设定当前帧为n，n初始值为1，m初始值为1，然后进入步骤S5；
S5、网球在#1摄像机图片中像素位置为#1(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置为#1(x2，y2)；
网球在#2摄像机图片中像素位置#2(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置#2(x2，y2)；
在摄像画面中以横向居中纵向(e-f)/e处建立坐标系1和坐标系2，单位长度为像素，由输入图像可得：
Figure BDA0003402294660000071
Figure BDA0003402294660000072
Figure BDA0003402294660000073
Figure BDA0003402294660000074
在俯视坐标系中为：
∵F1#1+F1#2＝C
Figure BDA0003402294660000075
F1#2＝C-F1#1
∵
Figure BDA0003402294660000076
Figure BDA0003402294660000077
tanα1·F1#1＝tanβ1·((C-F1#1))
Figure BDA0003402294660000078
tanα1·F1#1＝C·tanβ1-F1#1·tanβ1
Figure BDA0003402294660000079
F1#1(tanα1+tanβ1)＝C·tanβ1
Figure BDA00034022946600000710
Figure BDA00034022946600000711
同理可得：
Figure BDA00034022946600000712
∴
Figure BDA00034022946600000713
Figure BDA00034022946600000714
Figure BDA00034022946600000715
在正视坐标系内同理可得：
Figure BDA00034022946600000716
若|#1y1+#1y2|＝|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E1Q1||
若|#1y1+#1y2|p|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E2Q2||
即：
若|#1x1+#1x2|＝|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000081
若|#1x1+#1x2|＜|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000082
所以Vm＝Δx*帧率，进入步骤S6；
S6、网球在第n+3帧是否离开画面，是则输出m进入步骤S7，
否则输出Vm、n＝n+2和m＝m+1，并进入步骤S5；
S7、如果m≤3，则进入步骤S8；
如果3<m≤5，除去V1到Vm的一个最大值和一个最小值，进入S8；
如果5<m≤7，除去V1到Vm最大的两个值和最小的两个值，进入步骤S8；
如果m＞7，除去V1到Vm的最大的三个值和最小的三个值，进入步骤S8；
S8、平均值V＝(V1+V2+...+Vm)/m，输出至显示装置；
S9、数据上传至云端；
S10、在云端计算出平均击球速度持久力等数据。
工作原理：
本发明在计算时，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度；
本发明所需要的器材设备仅为两个摄像头、和两个摄像头连接的单片机与一个显示模块，采用的设备简单且成本低，在测速计算过程中，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度，在三维空间内以多角度二维面的结合来观测网球的运行轨迹，并且利用摄像机的固定帧率所代表的时差、两摄像机所在的球网柱间距、像素点、摄像机视野、摄像头向下倾角等作为基础定值，参照数值多，逻辑简单且易于整理，使得测试结果更加准确。
对比例1
本实施例与所提供的实施例1的方法大致相同，其主要区别在于：步骤S1中未检测运动物体；
对比例2
本实施例与所提供的实施例1的方法大致相同，其主要区别在于：步骤S2中未设置颜色区间。
对比例3
本实施例与所提供的实施例1的方法大致相同，其主要区别在于：步骤S4中未设定网球是否经过中线判定。
性能测试
分别取等量的实施例1和对比例1～3所提供的网球测速方法的数据的有效数据采集率和准确性：
有效数据采集率 准确性
实施例1 99.9％ 99.9％
对比例1 10％ 10％
对比例2 20％ 10％
对比例3 25％ 20％
通过分析上述各表中的相关数据可知，通过本发明，
一种网球测速方法，包括：
已知摄像头像素为a*b(长*宽)，视野范围横向为d°，纵向为e°，摄像头水平向上倾角为f°，网球网柱间距为c；
并且由于机位固定、网球颜色为绿无论新旧有一定颜色阈值[c，d]和网球高速运动，所以在摄像机中以两个半圆夹一个长条块形状或者圆形出现，然后截取多组单帧图片，分别进行检测和计算；
包括以下步骤：
S1、是否监测到运动物体，检测到时进入步骤S2，未检测到运动物体时重复当前步骤S1；
S2、颜色区间是否为[c，d]，是则进入步骤S3，颜色区间超过[c，d]时，重复步骤S1；
S3、通过傅里叶变换计算来描述子轮廓，分析颜色区间图形是否满足两个半圆夹一个长条块的形状或圆形，是则进入步骤s4，未满足时重复步骤S1；
S4、设定当前帧为n，n初始值为1，m初始值为1，然后进入步骤S5；
S5、网球在#1摄像机图片中像素位置为#1(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置为#1(x2，y2)；
网球在#2摄像机图片中像素位置#2(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置#2(x2，y2)；
在摄像画面中以横向居中纵向(e-f)/e处建立坐标系1和坐标系2，单位长度为像素，由输入图像可得：
Figure BDA0003402294660000111
Figure BDA0003402294660000112
Figure BDA0003402294660000113
Figure BDA0003402294660000114
在俯视坐标系中为：
∵F1#1+F1#2＝C
Figure BDA0003402294660000115
F1#2＝C-F1#1
∵
Figure BDA0003402294660000116
Figure BDA0003402294660000117
tanα1·F1#1＝tanβ1·((C-F1#1))
Figure BDA0003402294660000118
tanα1·F1#1＝C·tanβ1-F1#1·tanβ1
Figure BDA0003402294660000119
F1#1(tanα1+tanβ1)＝C·tanβ1
Figure BDA00034022946600001110
Figure BDA00034022946600001111
同理可得：
Figure BDA00034022946600001112
∴
Figure BDA0003402294660000121
Figure BDA0003402294660000122
Figure BDA0003402294660000123
在正视坐标系内同理可得：
Figure BDA0003402294660000124
若|#1y1+#1y2|＝|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝|E1Q1|-E1Q1||
若|#1y1+#1y2|p|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E2Q2||
即：
若|#1x1+#1x2|＝|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000125
若|#1x1+#1x2|＜|#1x1|+|#1x2|
Figure BDA0003402294660000126
所以Vm＝Δx*帧率，进入步骤S6；
S6、网球在第n+3帧是否离开画面，是则输出m进入步骤S7，否则输出Vm、n＝n+2和m＝m+1，并进入步骤S5；
S7、如果m≤3，则进入步骤S8；
如果3<m≤5，除去V1到Vm的一个最大值和一个最小值，进入S8；
如果5<m≤7，除去V1到Vm最大的两个值和最小的两个值，进入步骤S8；
如果m＞7，除去V1到Vm的最大的三个值和最小的三个值，进入步骤S8；
S8、平均值V＝(V1+V2+...+Vm)/m，输出至显示装置；
S9、数据上传至云端；
S10、在云端计算出平均击球速度持久力等数据。
以上所述，本发明在计算时，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度；
本发明所需要的器材设备仅为两个摄像头、和两个摄像头连接的单片机与一个显示模块，采用的设备简单且成本低，在测速计算过程中，网球网柱间距是一个固定数值，通过两端网柱各安装相对的高速摄像头来对网球时ai识别后测算实时网球在球场的相对位置，通过位移和时间的计算得出网球速度，在三维空间内观测网球的运行轨迹，并且利用摄像机的固定帧率所代表的时差、两摄像机所在的球网柱间距、像素点、摄像机视野、摄像头向下倾角等作为基础定值，参照数值多，逻辑简单且易于整理，使得测试结果更加准确。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种网球测速方法，其特征在于，包括：
已知摄像头像素为a*b(长*宽)，视野范围横向为d°，纵向为e°，摄像头水平向上倾角为f°，网球网柱间距为c；
并且由于机位固定、网球颜色为绿无论新旧有一定颜色阈值[c，d]和网球高速运动，所以在摄像机中以两个半圆夹一个长条块形状或者圆形出现，然后截取多组单帧图片，分别进行检测和计算；
包括以下步骤：
S1、是否监测到运动物体，检测到时进入步骤S2；
S2、颜色区间是否为[c，d]，是则进入步骤S3；
S3、通过傅里叶变换计算来描述子轮廓，分析颜色区间图形是否满足两个半圆夹一个长条块的形状或圆形，是则进入步骤s4；
S4、设定当前帧为n，n初始值为1，m初始值为1，然后进入步骤S5；
S5、网球在#1摄像机图片中像素位置为#1(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置为#1(x2，y2)；
网球在#2摄像机图片中像素位置#2(x1，y1)，网球在上一帧图片中像素位置#2(x2，y2)；
在摄像画面中以横向居中纵向(e-f)/e处建立坐标系1和坐标系2，单位长度为像素，由输入图像可得：
Figure FDA0003402294650000011
Figure FDA0003402294650000012
Figure FDA0003402294650000013
Figure FDA0003402294650000021
在俯视坐标系中为：
Figure FDA0003402294650000022
Figure FDA0003402294650000023
同理可得：
Figure FDA0003402294650000024
Figure FDA0003402294650000025
Figure FDA0003402294650000026
Figure FDA0003402294650000027
在正视坐标系内同理可得：
Figure FDA0003402294650000028
若|#1y1+#1y2|＝|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E1Q1||
若|#1y1+#1y2|＜|#1y1|+|#1y2|
ΔZ＝||E1Q1|-E2Q2||
即：
若|#1x1+#1x2|＝|#1x1|+|#1x2|
Figure FDA0003402294650000031
若|#1x1+#1x2|＜|#1x1|+|#1x2|
Figure FDA0003402294650000032
所以Vm＝Δx*帧率，进入步骤S6；
S6、网球在第n+3帧是否离开画面，是则输出m进入步骤S7，
否则输出Vm、n＝n+2和m＝m+1，并进入步骤S5；
S7、如果m≤3，则进入步骤S8；
如果3<m≤5，除去V1到Vm的一个最大值和一个最小值，进入S8；
如果5<m≤7，除去V1到Vm最大的两个值和最小的两个值，进入步骤S8；
如果m＞7，除去V1到Vm的最大的三个值和最小的三个值，进入步骤S8；
S8、平均值V＝(V1+V2+...+Vm)/m，输出至显示装置；
S9、数据上传至云端；
S10、在云端计算出平均击球速度持久力等数据。
2.根据权利要求1所述的一种网球测速方法，其特征在于，所述步骤S1中，未检测到运动物体时重复当前步骤S1。
3.根据权利要求1所述的一种网球测速方法，其特征在于，所述步骤S2中，颜色区间超过[c，d]时，重复步骤S1。
4.根据权利要求1所述的一种网球测速方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过傅里叶变换计算来描述子轮廓分析未满足两个半圆夹一个长条块形状时，则重复步骤S1。
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