[发明专利]一种基于双目视频传感器的高精度三维运动轨迹采集定位与运动过程再现方法

说明书

本发明公开了一种基于双目视频传感器的高精度三维运动轨迹采集与运动过程再现方法，本发明主要应用于对田径、游泳及冰上比赛等竞速项目的运动员运动情况数据采集与综合分析，帮助运动员教练员有效分析运动特点，改善运动策略提升运动成绩。本发明主要包括两个方面：首先，它采用了高精度视频目标跟踪技术与伺服控制跟踪系统，用于确定目标角度方位。其次，它通过相机标定与双目立体视觉技术使跟踪到的像素坐标数据，转台转角数据转换为三维空间坐标，进而得到运动目标在三维空间中的运动轨迹。然后可以通过高精度伺服控制系统对某一空间平面如运动场地平面进行光学投影，从而再现原目标的运动过程，使每一时刻投影的位置、速度和加速度等与之前所采集的目标运动过程一致。

技术领域

本发明属于计算机视觉与计算机控制领域，具体涉及机器视觉跟踪技术、双目视觉定位技术、高精度伺服控制等技术领域，是一种基于双目视频传感器的高精度定位方法。

背景技术

近年来，随着计算机硬件水平的提高，计算机视觉技术飞速发展。其中计算机视觉中的目标跟踪技术也随之受益。不过遗憾的是现有的目标跟踪技术和云台跟踪系统的结合多用于安防监控领域而鲜有其他。近些年，随着冬奥会的即将到来，体育事业的发展也逐渐被重视。传统的冰上运动员，滑雪运动员一般通过记录整段滑行时间、滑行距离以及回放录像等来数据分析滑行质量。但由于无法分析运动员每一时刻的运动状态以及整个滑行轨迹，使得运动员不能达到理想的训练效果。基于诸如类似的辅助训练系统缺陷，急需引入双目视觉技术对运动员进行精确定位。但由于早期的计算机算力限制等原因导致无法使用实时的高精度跟踪算法、并且加上用于安防领域的云台伺服角输出精度不够。因此无法将这类设备应用于高精度定位事业。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于双目视频传感器的高精度定位方法，将高精度目标跟踪技术作为视觉传感器，应用于基于高精度转台的反馈控制系统中的测量元件，在提高伺服跟踪技术的基础上，利用双目视觉技术对目标进行定位。因此该发明可广泛应用于类似于冰上、雪上的高速运动并记录高精度数据的场合。

本发明是一种基于双目视频传感器的高精度定位方法，包括如下步骤：

第一步，设计三台高精度二维转台，并通过控制器，驱动器，运算器组成高精度伺服控制系统。

第二步，设计两个电控伺服调焦镜头，分别将两台相机与镜头固定至第一步所述转台上方，两转台可放置最远距离为80米。

第三步，将激光手电筒置于第三台转台上，此转台置于步骤二所述两转台中间。

第四步，利用视频目标跟踪算法对每台相机传入的每帧图片中目标进行跟踪，并利用自适应PID控制算法，将跟踪得到的目标中心点与图像中心点做比较，使转台能够稳定跟踪目标转动。利用步骤二的变焦镜头，基于图像跟踪框与整幅图像作比较，使镜头稳定变焦。最终让运动目标稳定的呈现在两幅画面中心。

第五步，通过相机标定，获取相机的内外参数并得到世界坐标系与图像坐标系关系的对应矩阵，通过双目立体视觉技术将每一帧运动目标的像素坐标转换成世界坐标。

第六步，通过世界坐标系与步骤三转台的转角关系，利用插值计算可让激光器复现运动目标的运动状态和轨迹。

3、如权利要求1所述一种基于双目视频传感器的高精度定位方法，其特征在于，利用先进的KCF相关滤波跟踪技术，使图像传感器具有回传速度快，运算量小，跟踪精度高等特点。

4、如权利要求1所述一种基于双目视频传感器的高精度定位方法，其特征在于，应用自适应PID控制算法对于非线性时变系统具有良好的控制效果，针对于不同运动目标可使云台自动跟踪控制更稳定，捕捉目标位置更精确。

5、如权利要求1所述一种基于双目视频传感器的高精度定位方法，其特征在于，利用双目视觉定位技术和云台控制系统能够记录运动目标每个时刻运动速度、加速度大小，并能通过激光手电筒复现运动目标轨迹。