[發明專利]實時精確觀測和分析乒乓球旋轉系統與系統運行方法

有效

• 申請號: 201210497563.7
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103019024A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 章逸豐;趙永生;熊蓉;褚健
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G03B39/00
• 分類號: G03B39/00;G03B15/16;G06T7/20;A63B71/06
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 唐銀益

1.一種實時精確觀測和分析乒乓球旋轉系統，包括至少兩個以上的短焦攝像機、至少一個以上的長焦攝像機、兩自由度以上的運動云臺、控制多攝像機同步進行采圖的同步裝置，圖像數據采集傳輸裝置、包含有視覺軟件運行的系統環境的主控計算機和外接顯示屏，所述的短焦攝像機固定在乒乓球桌上空，視野交叉覆蓋乒乓球運動的有效區域，進行圖像采集；所述的長焦攝像機固定在乒乓球桌上空的運動云臺上，通過控制云臺的運動使其視野跟蹤運動中的乒乓球得到局部細節圖像；所述的同步裝置產生多路周期脈沖信號，通過控制線連接攝像機，控制多攝像機進行同步采圖；所述的攝像機通過數據線與圖像數據采集卡相連；所述的數據采集卡通過主控機的總線，將采集到的數據傳送到圖像數據采集傳輸裝置的處理器進行處理；處理結果輸出到主控機的外接顯示屏上進行顯示，其特征在于，由短焦攝像機組成的全局視覺系統得到乒乓球在以球桌為參考的世界坐標系下的全局坐標運動軌跡，驅動云臺跟蹤乒乓球得到乒乓球的局部細節圖像，根據局部細節圖像獲取乒乓球的三維空間姿態信息，從而分析得到乒乓球的旋轉運動狀態，結合全局運動軌跡和乒乓球自身的旋轉運動信息得到乒乓球完整的運動信息。

2.根據權利要求1所述的實時精確觀測和分析乒乓球旋轉系統，其特征在于，包括如下組成模塊：圖像采集和乒乓球目標識別定位模塊、乒乓球空間運動KALMAN濾波器模塊、云臺運動規劃和控制模塊、乒乓球標志識別和三維重構模塊、乒乓球旋轉運動粒子濾波模塊、三維虛擬場景重現模塊；所述系統架構流程是：主控機上圖像采集和乒乓球目標識別定位模塊，經過目標識別，空間定位，把實時生成的數據送入KALMAN濾波器模塊進行濾波，得到乒乓球的當前空間位置和速度等運動狀態信息；云臺運動規劃和控制模塊根據乒乓球的實時運動信息控制云臺電機轉動，使固定其上的攝像機可以跟蹤拍攝乒乓球的局部圖像，通過乒乓球標志識別和三維重構模塊得到乒乓球的三維空間姿態信息，經由乒乓球旋轉運動粒子濾波模塊計算得到乒乓球的實時旋轉情況，最后將乒乓球的空間位置和三維姿態軌跡實時送入三維虛擬場景重現模塊進行三維虛擬場景繪制。

3.根據權利要求1所述的實時精確觀測和分析乒乓球旋轉系統，其特征在于，將乒乓球的運動狀態分為全局空間位置運動和自身旋轉運動，在乒乓球的運動過程中對兩種運動進行分別觀測和分析，再對分析結果進行數據融合，得到乒乓球的完整運動信息。

4.根據權利要求1所述的實時精確觀測和分析乒乓球旋轉系統，其特征在于，具體步驟如下：

搭建硬件系統，半自動標定各攝像機內外參數；

學習乒乓球空間運動模型和旋轉運動模型參數，并在線修正；

視覺采集乒乓球空間運動軌跡，并用Kalman濾波得到其空間運動狀態；

控制云臺跟蹤乒乓球運動，并根據電機運動情況計算其上攝像機的位姿參數；

通過云臺相機獲取乒乓球的局部圖像，識別商標特征并結合攝像機參數對乒乓球進行三維姿態還原；

用粒子濾波算法得到乒乓球的旋轉運動狀態；

將處理結果數據實時輸入三維虛擬場景重現模塊，在外接的顯示屏中實時播放或回放乒乓球的三維空間姿態軌跡。