[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

技術領域

本發明涉及一種對乒乓球旋轉運動的觀測和分析系統，用于在乒乓球比賽和訓練中對乒乓球的飛行狀態，主要是其旋轉情況的實時檢測及分析，從而可以獲取更為完整的乒乓球飛行軌跡信息，為分析球員的打球風格、伺服乒乓球機器人靈活打球奠定更好的基礎。

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背景技術

近年來，視覺輔助系統在體育賽事中已有越來越多的應用，如網球轉播中的“鷹眼”系統等。在乒乓球運動中，?200910095291.6專利申請公開了精確測量和預測乒乓球軌跡系統與系統運行方法，可以精確測量、預測和三維虛擬重現高速飛行乒乓球軌跡的實時處理系統；在此基礎上，201010152129.6專利申請公開了乒乓球比賽視覺支持和比賽分析系統與系統運行方法，對比賽過程中的乒乓球運動軌跡進行分析，可以為電視轉播提供更豐富的比賽統計數據信息，也可以為運動員和教練提供比賽選手的特征數據分析。

這兩個專利涉及的系統解決了實時乒乓球軌跡數據的采集和統計信息問題。但對于乒乓球運動項目來說，乒乓球的旋轉運動是使其具備靈活性、挑戰性和觀賞性的關鍵因素，能打出高水平的旋轉球及能正確判斷對手來球的旋轉狀態也是一個高水平運動員的必備素質。根據國內外體育專家研究，專業的乒乓球運動員打出的旋轉球轉速可達50轉/秒以上，在如此高的轉速下，人的肉眼無法通過觀測乒乓球獲知旋轉狀態，只能通過對手的擊球動作和經驗進行估計。而通過高速攝像機，則可以實時捕捉到相鄰圖像幀之間乒乓球的細小運動變化，從而實時推導和分析出其運動狀態。

利用高速攝像機觀測乒乓球的旋轉，其中的關鍵問題在于圖像如何既要覆蓋到整個乒乓球場地去得到乒乓球的完整運動軌跡，又要清晰地觀測到乒乓球的局部細節（如球標）從而觀測計算旋轉。在攝像機分辨率有限的約束下，只用一套視覺系統無法滿足其需求，需要結合全局觀測和局部觀測的雙重數據才能還原物體運動的真實完整信息。

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發明內容

本發明的目的是針對200910095291.6專利存在問題的改進，提出一個完善可行的實時精確觀測和分析乒乓球旋轉的視覺系統及系統運行方法。用于在乒乓球比賽或訓練中對乒乓球運動的旋轉狀態進行實時觀測和分析，并對乒乓球的運動軌跡和三維姿態進行三維虛擬場景實時顯示和歷史記錄回放。

為達到上述發明目的，本發明提出了一種長短焦相機結合，全局視覺和局部視覺結合的視覺系統理念，利用200910095291.6專利中所描述的短焦全局視覺系統觀測乒乓球的空間位置，驅動電機云臺控制長焦攝像機跟蹤乒乓球局部圖像，利用局部圖像對乒乓球的標識（球標）進行識別和三維還原，得到連續的乒乓球三維姿態變化序列，從而分析出乒乓球的旋轉狀態。應用攝像機采圖和數據處理結果存儲，能夠對乒乓球運動進行實時跟蹤和軌跡記錄，實現上述的多重功能。

本發明的具體技術方案如下：

本發明是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；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；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；攝像機通過數據線與圖像數據采集卡相連；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，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。