CN203287017U - 用于远度跳跃项目的距离测量装置 - Google Patents

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CN203287017U CN2013202752634U CN201320275263U CN203287017U CN 203287017 U CN203287017 U CN 203287017U CN 2013202752634 U CN2013202752634 U CN 2013202752634U CN 201320275263 U CN201320275263 U CN 201320275263U CN 203287017 U CN203287017 U CN 203287017U
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雍明
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Abstract

本实用新型公开了一种用于远度跳跃项目的距离测量装置，包括摄像机、连接摄像机的计算机和设置在计算机内的测量模块，其特征在于：在远度跳跃项目的落地区两侧，沿跳跃方向分别分布设置有至少4个标志物，所述标志物固定在场地上；所述摄像机位于落地区的一侧，摄像机的视场覆盖落地区。本实用新型通过在落地区两侧设置标志物，使测量模块能够准确地进行位置测量判定，对摄像机的布置位置要求低，测量准确。可以实现无插钎判定，在运动员起身后未离开沙坑即可进行成绩判读，测量速度快，不影响比赛进程。

Description

用于远度跳跃项目的距离测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种摄像测距装置，具体涉及一种远度跳跃项目的摄像距离测量装置。
背景技术
在远度跳跃项目，例如跳远、三级跳远等比赛中，需要通过距离测量来获取和记录运动员的成绩。早期一般是采用卷尺进行测量，随着测量技术的发展，各类测距仪器，如激光测距仪、红外光测距仪和超声波测距仪等被引入，通常，在大型运动会上均采用这类测距仪器测量获得比赛成绩。但是，这类测距仪器的使用仍然必须由人工进行现场干预，以电子激光测距（EDM）系统为例，测量时，一人操作仪器，另一个必须进入沙坑中，在选定的落地位置，插入激光测距棱镜杆并保持垂直，这导致了测量时间的延长，使得整个赛程不够紧凑，同时，人工操作还可能由于不慎破坏运动员在沙坑中留下的痕迹，或者由于操作的不准确引起测量误差。
为解决人工操作的问题，中国发明专利CN100348948C公开了一种田赛摄像测距仪，包括装有两路视频采集压缩卡的微型计算机、捕获起跳或者被投掷物出手过程及捕获跳远过程或被投掷物飞行轨迹和落点的摄像机各一个，公布运动员成绩的显示屏至少一个，打印机一台；还配置有发送接收摄像机开机信号的无线电收发器一套，犯规检测器及发送踏跳、投掷犯规信号的无线电收发器一套；根据计算机内存储的跳跃、投掷场地的图像，利用屏幕的像素点设定距离，得到一个距离值；再将摄像机所摄的实际跳跃、投掷场地的图像调整与绘制在计算机显示屏幕上的跳跃、投掷场地的图像重叠，进行图像处理，搜索落地点，计算出跳跃、投掷距离。该测距仪利用摄像机获得的图像进行测距，可以不用人工插杆，加快赛程进行。但是，该方案中采用屏幕的像素点之间的距离测定距离，由于摄像机获得的图像会产生畸变，因此，直接测量像素点间的距离并进行类比的测量方式测量结果误差较大。该文献中给出了一种准曲面拟合法来提高测量精度，但是，其前提是，摄像机位于计算机区域的左右侧的正中央，且保证摄像头垂直于沙坑。在实际操作中，调试困难，无法保证摄像头垂直于沙坑，此时，测量误差更大。
发明内容
本实用新型的发明目的是提供一种用于远度跳跃项目的距离测量装置，既可以做到无人工插杆测量，又能够保证测量的准确度。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于远度跳跃项目的距离测量装置，包括摄像机、连接摄像机的计算机和设置在计算机内的测量模块，在远度跳跃项目的落地区两侧，沿跳跃方向分别分布设置有至少4个标志物，所述标志物固定在场地上；所述摄像机位于落地区的一侧，摄像机的视场覆盖落地区。
优选的技术方案，沿跳跃方向分别分布设置有5至6个标志物，相邻标志物间距相等，跳跃方向两侧相对的两个标志物的连线与跳跃方向垂直设置。
优选的技术方案，所述标志物为圆形，圆形内部被均匀划分为4个90°的扇形，相邻扇形内填充有不同颜色的颜色层。
使用一台摄像机时，采用的是平面测量方案，没有考虑沙坑平面不平整带来的影响，因此，通常适用于使用平沙器的比赛场地。
进一步的技术方案，设有两台摄像机，所述计算机具有两路视频采集压缩卡，分别连接两台摄像机。
由于采用两台摄像机，可以实现三维测量，测量时，由计算机内的测量模块进行计算，可以去除沙坑平面不平整带来的影响，测量精度更好。
上述技术方案中，在落地区与摄像机相对的一侧，固定有参考标尺。
使用时，首先标定各标志物的位置，在摄像机获得的图像中，用十字光标分别在图片上标定各标志物的中心位置，显示出其相应的坐标参数，利用辅助测量方法（如钢尺、激光测距仪等）丈量标志物的位置，与坐标参数相对应。若用一台摄像机进行平面的测量（如比赛使用平沙器的情况），仅须在一个图像中完成此操作；使用两台摄像机进行双目的三维测量时，在两个图像中进行同样的操作，系统根据已知标志物的坐标自动进行三维定标。
完成标定后，可以进行比赛测量。计算机中的测量模块利用标志物的已知位置和坐标参数，判断落点的位置，获得测量结果。
测量时，有落点裁判判定落点并插钎和无落点裁判判定落点均可。前者对落点判断更准确，但对比赛进程有一定影响；后者测量速度快，但是对判断可能造成争议。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
1．本实用新型通过在落地区两侧设置标志物，使测量模块能够准确地进行位置测量判定，对摄像机的布置位置要求低，测量准确。
2．本实用新型可以实现无插钎判定，在运动员起身后未离开沙坑（稳定后）即可进行成绩判读，测量速度快，不影响比赛进程。
附图说明
图1是本实用新型实施例的落地区俯视示意图。
图2是实施例中摄像机的图像示意图。
图3是实施例中有插钎判定示意图。
图4是实施例中无插钎判定示意图。
图5是实施例中三维合成的示意图。
其中：1、落地区；2、标志物；3、插钎；4、参考标尺；5、落地痕迹；6、判断线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
实施例一：一种用于远度跳跃项目的距离测量装置，包括摄像机、连接摄像机的计算机和设置在计算机内的测量模块，参见图1所示，在远度跳跃项目的落地区1两侧，沿跳跃方向分别分布设置有5个标志物2，相邻标志物间距相等，跳跃方向两侧相对的两个标志物的连线与跳跃方向垂直设置，所述标志物2固定在场地上；所述摄像机位于落地区的一侧，摄像机的视场覆盖落地区。在落地区1与摄像机相对的一侧，固定有参考标尺4。
所述标志物为圆形，圆形内部被均匀划分为4个90°的扇形，相邻扇形内填充有不同颜色的颜色层。实际测量时，每侧设置4至6个标志物均可。
使用时，首先标定各标志物的位置，如附图2所示，为摄像机获得的图像，在该图像中，用十字光标分别在图片上标定各标志物的中心位置，显示出其相应的坐标参数，利用辅助测量方法（如钢尺、激光测距仪等）丈量标志物的位置，与坐标参数相对应。
完成标定后，可以进行比赛测量。计算机中的测量模块利用标志物的已知位置和坐标参数，判断落点的位置，获得测量结果。
为保证测量精度，在完成设备架设和基本参数设定后，正式比赛开始之前，必须通过检查测量，来检测设备安装和标志物坐标参数准确无误。可采用EDM 系统作为检查系统，也可使用经验证的钢尺。
选取落地区位置，插入激光测距棱镜杆（或钢尺丈量钢钎）并保持垂直，定位后，同时使用两套系统进行测量。
VDM 系统具有支持输出精度为0.001m 的功能，EDM 系统也应能输出0.001m 测量成绩，以方便更为准确的校对。此时，两套系统应互相明确以激光测距棱镜杆的那一部位为测量标准（判读部位的空间一致性，同时要防止插钎倾斜所带来的偏差）。
比赛时，记录图像，进行测量。
测量时，有落点裁判判定落点并插钎和无落点裁判判定落点均可。
有落点裁判判定落点：
工作人员记录运动员落地的图像，待运动员离开，主裁判判定有效试跳后，落点裁判将插钎3插到运动员落地痕迹5最近点，此时工作人员取图，图面自动生成判断线6，根据钢钎位置进行判读。
优点：由裁判判定运动员最近落点痕迹，并插钎，有利于仔细甄别运动员落地造成的细微痕迹，如衣服、头发造成的拖痕；利于运动员、教练员、观众观察落地点判别情况；
缺点：影响比赛进程，需运动员离开沙坑，裁判员插钎后方能取图判读；所取图片中已无运动员任何明显标志，容易对图片所属运动员发生争议。
无落点裁判判定落点：
运动员起跳后即开始采集图像，要使测量准确，就必须记录下运动员在落地区沙中的所有落点。当运动员起动时，用专置按钮进行全程记录，通过观察，比较连续图像之间的差异，判断运动员留下的痕迹，从这些连续的图片中找出带有最后痕迹的一张图片，并用此图进行判读，系统根据落地痕迹5自动生成判断线6，获得测量结果。
优点：速度快，不影响比赛进程，在运动员起身后未离开沙坑（稳定后）即可进行成绩判读；有利于判断运动员在落地时留下的实际痕迹（区别于场地的其他痕迹），可以根据连续图像清楚地辨别图像所属的运动员；
缺点：不利于运动员、教练员、观众观察落地点判别情况，只能通过现场的大屏显示，可能对判读点选择存在争议。
实施例二：基本设置与实施例一相同，为提高测量的准确度，设有两台摄像机，所述计算机具有两路视频采集压缩卡，分别连接两台摄像机，系统根据已知标志物的坐标自动进行三维定标。
可以采用的一种定标计算方法如下：
世界坐标变换到相机坐标的四个步骤：
（1）从世界坐标变换到摄像机坐标
是摄像机坐标，
Figure 14843DEST_PATH_IMAGE002
是世界坐标
Figure 2013202752634100002DEST_PATH_IMAGE003
                 （1）
其中
                 （2）
Figure 2013202752634100002DEST_PATH_IMAGE005
                       （3）
（2）把摄像机坐标变换成理想图像坐标
Figure 492147DEST_PATH_IMAGE001
是摄像机坐标，
Figure 90618DEST_PATH_IMAGE006
是理想图像坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE007
                      （4a）
Figure 842674DEST_PATH_IMAGE008
                              (4b)
（3）径向镜头失真
Figure 930715DEST_PATH_IMAGE006
是理想图像坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是实际图像坐标
Figure 40492DEST_PATH_IMAGE010
                        (5a)
Figure DEST_PATH_IMAGE011
                         (5b)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure 49216DEST_PATH_IMAGE014
（4）把理想图像坐标变换成计算机图像坐标
Figure 478798DEST_PATH_IMAGE009
是实际图像坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
是计算机图像坐标
Figure 905231DEST_PATH_IMAGE016
              (6a)
Figure DEST_PATH_IMAGE017
                    (6b)
其中 是计算机图像的中心位置的坐标
                       (6c)
是相邻的两个传感器在X方向的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是相邻的两个传感器在Y方向的距离
Figure 184355DEST_PATH_IMAGE022
 是X方向上传感器的数量
 是计算机图像每行的像素数
使用在同一平面的一组点来进行定标：
(1)计算三维的点坐标
a)计算实际图像坐标
Figure 98085DEST_PATH_IMAGE009
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure 485521DEST_PATH_IMAGE026
是各个计算机图像上的点的坐标
通过上面的两个式子，可以算出每个定标点的世界图像坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE027
b)计算5个未知变量
Figure 758370DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 923510DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
把各个定标点代入上式，可以得到一个方程组，通过解这个方程组可以计算出这5个变量
c)通过（
Figure 375668DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 553840DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 35636DEST_PATH_IMAGE030
，，
Figure 706844DEST_PATH_IMAGE032
）计算（
Figure 55917DEST_PATH_IMAGE034
，…， 
Figure DEST_PATH_IMAGE035
,,
Figure DEST_PATH_IMAGE037
） 
从
Figure 789835DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 793563DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 812072DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 268461DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 430452DEST_PATH_IMAGE032
计算
Figure 898474DEST_PATH_IMAGE038
先定义一个矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE039
           （11）
    如果C中没有一整行或者一整列都为0，那么可以用下式计算
Figure 805994DEST_PATH_IMAGE038
Figure 749679DEST_PATH_IMAGE040
     （12）
    其中 
Figure DEST_PATH_IMAGE041
如果不是，那么就用下式计算
       
Figure 834627DEST_PATH_IMAGE042
          （13）
(2)判定的符号
首先找一个不在图像中心的点，它的图像坐标是
Figure 430824DEST_PATH_IMAGE026
，世界坐标是
Figure 861805DEST_PATH_IMAGE044
。
然后假定
Figure 332976DEST_PATH_IMAGE043
的符号为正，计算以下几个变量的值：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
Figure 572327DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE047
Figure 870585DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure 195387DEST_PATH_IMAGE050
Figure DEST_PATH_IMAGE051
如果x和X符号相同并且y和Y符号相同，那么
Figure 1406DEST_PATH_IMAGE043
的符号为正；如果不是，那么
Figure 423160DEST_PATH_IMAGE043
的符号为负。
(3)计算旋转矩阵R
首先可以得到：
Figure 626740DEST_PATH_IMAGE045
Figure 346751DEST_PATH_IMAGE047
Figure 888591DEST_PATH_IMAGE048
Figure 263072DEST_PATH_IMAGE049
然后利用一下公式求R
Figure 890362DEST_PATH_IMAGE052
            （14a）
如果
Figure DEST_PATH_IMAGE053
的值为正，那么s=-1，如果为负，那么s=1
其中的
Figure 49903DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 852774DEST_PATH_IMAGE035
可以根据R是正交矩阵，满足
Figure 398156DEST_PATH_IMAGE056
来求得
Figure DEST_PATH_IMAGE057
最后需要根据（15）求焦距f，如果f为负，那么R就应该是：
      （14b）
计算焦距，棱镜失真系数，z坐标:
d)忽略棱镜失真，计算近似的
Figure DEST_PATH_IMAGE059
和
Figure 605201DEST_PATH_IMAGE037
Figure 121633DEST_PATH_IMAGE060
       （15）
    其中
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure 369075DEST_PATH_IMAGE062
    把每个点都代入（15）可以得到一个超定方程组，就能解得f和
e)计算
Figure 430889DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 677194DEST_PATH_IMAGE037
，的精确值
        （8b）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE065
把
Figure 824196DEST_PATH_IMAGE059
，，
Figure 313263DEST_PATH_IMAGE063
作为未知数，利用最速下降之类的标准优化方法求解上式。其中，
Figure 495983DEST_PATH_IMAGE059
，的初始值为d）中求得的值，
Figure 874192DEST_PATH_IMAGE063
的初始值为0.
三维合成：
摄像机定标完成之后，就可以根据得到的外部参数和内部参数来进行坐标转换。在从计算机图像坐标变换到三维世界坐标的过程中，需要指定世界坐标中的z轴的值。因为摄像机模型中，在通过棱镜中心的直线上的任何一个点，投影到感光元件上的位置都是相同的。
因此，如果需要通过图像坐标来得到完整的三维世界坐标，就至少需要两个不同位置摄像机拍摄的图像。
在两个摄像机时，由于两个摄像机的位置不同，所以有且只有一个z的值，能够使两个相机的图像中点的位置转换到世界坐标的时候，这两个点在世界坐标的位置完全重合。
如图5所示，P点在两条直线的交点上，而这个zw的值就是这个点在三维世界坐标的真正的z值。当取z的值不等于zw时，两个摄像机拍摄的图片中的点P转换到世界坐标后，得到的xw和yw不会分别相等。
因此，可以通过优值求解，最小化两个相机的测量偏差，进行寻根，直到坐标转换得到的两个世界坐标点完全重合为止。这样就可以得到真正的z值，也就可以确定这个点在世界坐标中的位置。

Claims (5)

1. 一种用于远度跳跃项目的距离测量装置，包括摄像机、连接摄像机的计算机和设置在计算机内的测量模块，其特征在于：在远度跳跃项目的落地区两侧，沿跳跃方向分别分布设置有至少4个标志物，所述标志物固定在场地上；所述摄像机位于落地区的一侧，摄像机的视场覆盖落地区。
2. 根据权利要求1所述的用于远度跳跃项目的距离测量装置，其特征在于：沿跳跃方向分别分布设置有5至6个标志物，相邻标志物间距相等，跳跃方向两侧相对的两个标志物的连线与跳跃方向垂直设置。
3. 根据权利要求1或2所述的用于远度跳跃项目的距离测量装置，其特征在于：所述标志物为圆形，圆形内部被均匀划分为4个90°的扇形，相邻扇形内填充有不同颜色的颜色层。
4. 根据权利要求1所述的用于远度跳跃项目的距离测量装置，其特征在于：设有两台摄像机，所述计算机具有两路视频采集压缩卡，分别连接两台摄像机。
5. 根据权利要求1所述的用于远度跳跃项目的距离测量装置，其特征在于：在落地区与摄像机相对的一侧，固定有参考标尺。
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