[发明专利]实时精确观测和分析乒乓球旋转系统与系统运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对乒乓球旋转运动的观测和分析系统，用于在乒乓球比赛和训练中对乒乓球的飞行状态，主要是其旋转情况的实时检测及分析，从而可以获取更为完整的乒乓球飞行轨迹信息，为分析球员的打球风格、伺服乒乓球机器人灵活打球奠定更好的基础。

 

背景技术

近年来，视觉辅助系统在体育赛事中已有越来越多的应用，如网球转播中的“鹰眼”系统等。在乒乓球运动中， 200910095291.6专利申请公开了精确测量和预测乒乓球轨迹系统与系统运行方法，可以精确测量、预测和三维虚拟重现高速飞行乒乓球轨迹的实时处理系统；在此基础上，201010152129.6专利申请公开了乒乓球比赛视觉支持和比赛分析系统与系统运行方法，对比赛过程中的乒乓球运动轨迹进行分析，可以为电视转播提供更丰富的比赛统计数据信息，也可以为运动员和教练提供比赛选手的特征数据分析。

这两个专利涉及的系统解决了实时乒乓球轨迹数据的采集和统计信息问题。但对于乒乓球运动项目来说，乒乓球的旋转运动是使其具备灵活性、挑战性和观赏性的关键因素，能打出高水平的旋转球及能正确判断对手来球的旋转状态也是一个高水平运动员的必备素质。根据国内外体育专家研究，专业的乒乓球运动员打出的旋转球转速可达50转/秒以上，在如此高的转速下，人的肉眼无法通过观测乒乓球获知旋转状态，只能通过对手的击球动作和经验进行估计。而通过高速摄像机，则可以实时捕捉到相邻图像帧之间乒乓球的细小运动变化，从而实时推导和分析出其运动状态。

利用高速摄像机观测乒乓球的旋转，其中的关键问题在于图像如何既要覆盖到整个乒乓球场地去得到乒乓球的完整运动轨迹，又要清晰地观测到乒乓球的局部细节（如球标）从而观测计算旋转。在摄像机分辨率有限的约束下，只用一套视觉系统无法满足其需求，需要结合全局观测和局部观测的双重数据才能还原物体运动的真实完整信息。

 

发明内容

本发明的目的是针对200910095291.6专利存在问题的改进，提出一个完善可行的实时精确观测和分析乒乓球旋转的视觉系统及系统运行方法。用于在乒乓球比赛或训练中对乒乓球运动的旋转状态进行实时观测和分析，并对乒乓球的运动轨迹和三维姿态进行三维虚拟场景实时显示和历史记录回放。

为达到上述发明目的，本发明提出了一种长短焦相机结合，全局视觉和局部视觉结合的视觉系统理念，利用200910095291.6专利中所描述的短焦全局视觉系统观测乒乓球的空间位置，驱动电机云台控制长焦摄像机跟踪乒乓球局部图像，利用局部图像对乒乓球的标识（球标）进行识别和三维还原，得到连续的乒乓球三维姿态变化序列，从而分析出乒乓球的旋转状态。应用摄像机采图和数据处理结果存储，能够对乒乓球运动进行实时跟踪和轨迹记录，实现上述的多重功能。

本发明的具体技术方案如下：

本发明是一种实时精确观测和分析乒乓球旋转系统，包括至少两个以上的短焦摄像机、至少一个以上的长焦摄像机、两自由度以上的运动云台、控制多摄像机同步进行采图的同步装置，图像数据采集传输装置、包含有视觉软件运行的系统环境的主控计算机和外接显示屏，所述的短焦摄像机固定在乒乓球桌上空，视野交叉覆盖乒乓球运动的有效区域，进行图像采集；长焦摄像机固定在乒乓球桌上空的运动云台上，通过控制云台的运动使其视野跟踪运动中的乒乓球得到局部细节图像；同步装置产生多路周期脉冲信号，通过控制线连接摄像机，控制多摄像机进行同步采图；摄像机通过数据线与图像数据采集卡相连；数据采集卡通过主控机的总线，将采集到的数据传送到图像数据采集传输装置的处理器进行处理；处理结果输出到主控机的外接显示屏上进行显示，由短焦摄像机组成的全局视觉系统得到乒乓球在以球桌为参考的世界坐标系下的全局坐标运动轨迹，驱动云台跟踪乒乓球得到乒乓球的局部细节图像，根据局部细节图像获取乒乓球的三维空间姿态信息，从而分析得到乒乓球的旋转运动状态，结合全局运动轨迹和乒乓球自身的旋转运动信息得到乒乓球完整的运动信息。