【技術實現步驟摘要】
基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法及旋轉估計系統
[0001]本申請屬于乒乓球旋轉估計領域，具體涉及一種基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法及旋轉估計系統。
技術介紹
[0002]乒乓球是一項備受國人喜愛的運動，其具有廣泛的群眾基礎和應用市場。旋轉是乒乓球運動中的一個十分重要的技術因素，定量獲取打球過程中空中飛行的乒乓球的旋轉速度顯得尤為重要，其不僅有利于乒乓球比賽的分析以及乒乓球技戰術水平的訓練與提升，而且可以提高乒乓球對打機器人的回球成功率。
[0003]盡管乒乓球的旋轉對于這項運動來說非常重要，但是乒乓球旋轉速度和方向的精準估計一直是該領域的痛點之一。現有資料公開了空中飛行乒乓球旋轉估計的方法和裝置，但是這些方法在實用性方面存在以下幾個問題：
[0004]基于乒乓球飛行軌跡估計旋轉速度的方法具有較大誤差，因為旋轉速度對乒乓球軌跡的作用受乒乓球速度等其他因素的影響，同時乒乓球軌跡測量誤差會被旋轉速度估計放大。視覺跟蹤乒乓球標記的方法存在持續遮擋帶來的方法失效問題。視覺測量使用的超高幀率相機和云臺系統存在視野小，控制復雜，成本高的問題。
技術實現思路
[0005]為至少在一定程度上克服相關技術中存在的問題，本申請提供了一種基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法及旋轉估計系統。
[0006]根據本申請實施例的第一方面，本申請提供了一種基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法，其包括以下步驟：
[0007]對乒乓球進行標記，對視覺系統相機進行布局，其具體過程為：在乒乓球上設置三個不同顏色的實
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法，其特征在于，包括以下步驟：對乒乓球進行標記，對視覺系統相機進行布局，其具體過程為：在乒乓球上設置三個不同顏色的實心圓形標記，其中，第一圓形標記的圓心與第二圓形標記的圓心的連線經過乒乓球的中心，第三圓形標記的圓心和乒乓球中心的連線與第一圓形標記的圓心和第二圓形標記的圓心的連線垂直；視覺系統相機包括左相機和右相機，以球網高度方向的中心線為對稱軸，左相機和右相機對稱設置在球網長度方向的左右兩側，左相機和右相機均與球網位于同一平面內；對視覺系統相機采集的圖像中乒乓球的圓形區域和圓心像素坐標進行識別，并根據圓心像素坐標得到乒乓球球心的三維坐標；在乒乓球的圓形區域中對乒乓球上的實心圓形標記進行識別，得到乒乓球上的標記區域與標記區域的中心像素坐標；根據乒乓球球心的三維坐標和乒乓球上標記區域的中心像素坐標計算得到乒乓球的姿態；根據預設時間的乒乓球姿態單位向量計算乒乓球的旋轉速度和旋轉方向；根據三個不同顏色的標記對乒乓球旋轉速度和旋轉方向進行估計后，對三個標記的結果進行綜合分析，得到最終乒乓球的旋轉速度和旋轉方向。2.根據權利要求1所述的基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法，其特征在于，所述對視覺系統相機采集的圖像中乒乓球的圓形區域和圓心像素坐標進行識別，并根據圓心像素坐標得到乒乓球球心的三維坐標的具體過程為：利用左相機和右相機同步采集設置有實心圓形標記的乒乓球的圖像，得到左圖像和右圖像；利用HSV顏色識別算法對左圖像和右圖像進行圖像識別，得到乒乓球在左圖像和右圖像中的圓形區域和圓心像素坐標；根據左圖像中圓形區域的圓心像素坐標和右圖像中圓形區域的圓心像素坐標，利用視差算法完成乒乓球球心的三維重建。3.根據權利要求2所述的基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法，其特征在于，所述在乒乓球的圓形區域中對乒乓球上的實心圓形標記進行識別，得到乒乓球上的標記區域與標記區域的中心像素坐標的具體過程為：利用有標記的乒乓球與無標記的乒乓球的幀差法對圖像中乒乓球上的標記區域進行識別，獲得標記區域；對標記區域進行HSV顏色識別，確定左圖像和右圖像中乒乓球上圓形標記的顏色；利用橢圓擬合算法獲得左圖像和右圖像中標記區域的中心像素坐標。4.根據權利要求3所述的基于視覺測量的乒乓球旋轉估計方法，其特征在于，所述根據乒乓球球心的三維坐標和乒乓球上標記區域的中心像素坐標計算得到乒乓球的姿態的具體過程包括：假設左圖像中識別到的標記區域的中心像素坐標為(u
bl
,v
bl
)，乒乓球球心在世界坐標系下的三維坐標為(x
cw
，y
cw
，z
cw
)；依據相機的小孔成像原理，獲得乒乓球上標記區域的中心像素坐標與乒乓球上標記區域在世界坐標系的約束關系為：
式中，z
bl
表示標記區域的中心相對左相機的深度距離，u
bl
表示標記區域的中心在左圖像中的行，v
bl
表示標記區域的中心在左圖像中的列，M
l
表示左相機的內參矩陣；
l
R
w
表示左相機的外參矩陣，即世界坐標系相對左相機坐標系的旋轉矩陣；
l
T
w
表示左相機外參矩陣世界坐標系相對左相機坐標系的平移向量；相機的內參矩陣和外參矩陣通過相機標定獲得，為標記區域的中心在世界坐標系下的三維坐標的列向量形式，該列向量中的各參數是待求解的參數；根據乒乓球上標記區域的中心像素坐標與乒乓球上標記區域在世界坐標系的約束關系，得到標記區域的中心在世界坐標系下的三維坐標的列向量形式為：設則根據的表達式得到連接相機坐標系原點與乒乓球上標記區域的中心的空間直線的參數方程：將空間直線的參數方程轉換成點向式為：設點向式表示的空間直線的方向向量為點向式中的直線通過的點為令則乒乓球球心與乒乓球上標記區域的中心所在直線的距離為：
理論上乒乓球球心與乒乓球上標記區域的中心的距離為乒乓球半徑r，如果|d
?
r|＞ε，ε表示預設的允許誤差，則乒乓球上標記區域的中心的三維坐標求解失??；否則計算由乒乓球球心向相機坐標系原點與乒乓球上標記區域的中心的連線所作垂線的垂足，該垂足的坐標為乒乓球上的標記區域的中心在世界坐標系下的三維坐標(x
bw
，y
bw
，z
bw
)；令令表示由乒乓球球心向相機坐標系原點與乒乓球上標記區域的中心的連線所作垂線的方向向量，根據該垂直關系得到：A1(x
cw
?
x
bw
)+A2(y
cw
?
y
bw
)+A3(z
cw
?
z
bw
)＝0；根據空間直線的參數方程，得到：A1(x
cw
?
A1z
bl
?
B1)+A2(y
cw
?
A2z
bl
?
B2)+A3(z
cw
?
A3z
bl
?
B3)＝0；進而得到參數z
bl
為：根據z
bl
的表達式和空間直線的參數方程，得到乒乓球上的標記區域的中心在世...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張海波，張文，賀琪欲，
申請(專利權)人：上海創屹科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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