基于雙目攝像鉛球投擲距離測(cè)試儀設(shè)計(jì)

周 凱 姚 潔 陳紅利 王亞朋 郭曉瑜

1.河南工程學(xué)院體育部 河南 鄭州 451191;2.河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 河南 鄭州 451191

引言

目前,國(guó)內(nèi)田徑賽場(chǎng)中,特別是大、中、小學(xué)內(nèi)部的田徑比賽,測(cè)量方法多采用人工測(cè)量方法、無(wú)法保證測(cè)量的公開(kāi)公正和公平。因此,自動(dòng)測(cè)量裝置的研發(fā)成為體育競(jìng)賽部門關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題,許多電子工程師更是為競(jìng)賽部門研制了各種比賽電子設(shè)備。激光測(cè)距儀的工作原理是采用激光在空間兩點(diǎn)之間傳播與反射的時(shí)間與傳播速度C的乘積的一半來(lái)計(jì)算,這種測(cè)量方法,由于光速快,時(shí)間測(cè)量帶來(lái)了準(zhǔn)確度誤差。紅外線測(cè)距儀利用的是紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理。紅外線在穿越其它物質(zhì)時(shí)折射率很小,長(zhǎng)距離的測(cè)距具有一定優(yōu)勢(shì),測(cè)量方法是紅外線從測(cè)距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來(lái)被測(cè)距儀接受到,再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時(shí)間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。

綜上所述,設(shè)計(jì)新型測(cè)量?jī)x具有一定意義,本文描述一種基于攝像技術(shù)的測(cè)距儀,以解決時(shí)間測(cè)量的影響誤差。

1 雙目測(cè)量原理

1.1 測(cè)量原理 雙目攝像鉛球投擲距離測(cè)試儀主要是采用雙目視差測(cè)距技術(shù),從兩個(gè)視角觀察同一物體,獲取物體在不同視角下的圖像,經(jīng)過(guò)處理得到視差信息,通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算出像素之間的偏移來(lái)獲取物體的三維幾何信息,從而進(jìn)行距離測(cè)量。目前,雙目視差測(cè)距系統(tǒng)主要有平行雙目結(jié)構(gòu)和光軸相交的匯聚式雙目結(jié)構(gòu),前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,幾何關(guān)系和計(jì)算過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)單,故本設(shè)計(jì)選用平行雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距,其原理如圖1:

圖1 平行雙目視覺(jué)原理圖

圖中:f為相機(jī)焦距;b為左右兩相機(jī)投影中心線的距離(基線距);R為投擲圈半徑,鉛球P(X,Y,Z)在成像系統(tǒng)中平行的兩個(gè)位置成像,其成像平面y軸坐標(biāo)必然相同,只有x軸坐標(biāo)不一致,像點(diǎn)在x軸的橫坐標(biāo)為X1,X2,視覺(jué)差即為X=X1+X2。鉛球到投擲圈的距離為d,所以到投擲圈圓心的距離D=d+R。

令P點(diǎn)到成像系統(tǒng)的距離為S,由已知條件和三角形相似可得:

聯(lián)立以上各式,解得d,由上式可得,只要確定系統(tǒng)中光組的有效焦距f,L1和L2、X1和X2即可算出d。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)圖像獲取:圖像獲取就是以成像設(shè)備代替雙目,獲取標(biāo)的物圖片信息的過(guò)程,一般而言,可以分為雙相機(jī)和單相機(jī)移動(dòng)的方式。

(2)圖像預(yù)處理:在雙目視覺(jué)系統(tǒng)中首先要對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理,如濾波、去噪、增強(qiáng)、校正等,以保留圖片中有用的可靠像素信息,方便后期處理,增加準(zhǔn)確性。

(3)特征提取:圖片中包含了大量的數(shù)據(jù),我們進(jìn)行后續(xù)標(biāo)定及匹配處理中,需要針對(duì)具中具有重要特征的部分,比如角點(diǎn)、邊緣等信息進(jìn)行計(jì)算,這些就是特征提取的對(duì)象。準(zhǔn)確快速高精度的特征提取,一方面可以為相機(jī)標(biāo)定做鋪墊,一方面也是圖像匹配的必要過(guò)程。

(4)相機(jī)標(biāo)定:相機(jī)標(biāo)定就是確定相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的過(guò)程。可以通過(guò)已知坐標(biāo)的外界標(biāo)定物,首先推算單相機(jī)的內(nèi)參,再推算兩個(gè)相機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系,計(jì)算外參。

(5)圖像匹配:雙目視覺(jué)系統(tǒng)中,左右相機(jī)對(duì)于標(biāo)的物分別獲取圖片,一張立為模板圖片,另一張為搜索圖片。理論上說(shuō)對(duì)于標(biāo)的物的每一個(gè)物點(diǎn),在兩張圖片上就可以找到對(duì)應(yīng)的兩個(gè)像點(diǎn)稱為共輒像點(diǎn),則搜索共輒像點(diǎn)的過(guò)程就是圖像匹配。

(6)三維重建:在圖像匹配過(guò)程中我們找到了物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一對(duì)共輒像點(diǎn),那么,根據(jù)像點(diǎn)的視差信息,就可以推算出物點(diǎn)的坐標(biāo)信息,這就是三維重建。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由成像部分和軟件計(jì)算部分組成。成像部分包括主控電路、相機(jī)成像部分、上位機(jī)顯示部分,相機(jī)采集圖像信息,將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),經(jīng)算法處理轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。雙目攝像是一種更接近于人眼的視覺(jué)模型,其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以通過(guò)模型的視差原理,利用三角測(cè)量的方法快速得到目標(biāo)的三維空間距離,適用于距離目標(biāo)的測(cè)量,且精度高。系統(tǒng)總體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體圖

2.2 立體標(biāo)定 現(xiàn)實(shí)世界中的物體是通過(guò)相機(jī)的皇族成像,在經(jīng)過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)在我們的顯示設(shè)備上看到的數(shù)字圖像,圖像中任意一點(diǎn)的物象位置表示為三維坐標(biāo)可形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,成像過(guò)程中,應(yīng)為相機(jī)采集圖像會(huì)有畸變等因素,需要對(duì)成像模型修正。利用數(shù)學(xué)算法求經(jīng)過(guò)修正后的幾何成像模型的參數(shù)過(guò)程就是立體標(biāo)定,立體標(biāo)定的精度對(duì)測(cè)距是否準(zhǔn)確有很大的影響,是系統(tǒng)中很重要得到一個(gè)參數(shù)。使用棋盤格標(biāo)定板的標(biāo)定方法對(duì)相機(jī)參數(shù)優(yōu)化。令標(biāo)定班所在平面世界中Z=0,令W=[X Y 1]T為模板平面上點(diǎn)的其次坐標(biāo),w=[x y 1]T為其對(duì)應(yīng)的圖像平面上的投影坐標(biāo),ri為R的第i個(gè)向量,由相機(jī)內(nèi)參數(shù)表達(dá)式

標(biāo)定板參數(shù)確定的情況下w和W已知,用最小二乘法解出單應(yīng)性矩陣H后面根據(jù)矩陣知識(shí)線性解出參數(shù)的初值。有多幅標(biāo)定圖片的時(shí),借助最大似然法可以對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)對(duì)標(biāo)定板拍攝n張照片排列為(1,2…i…n),提取照片上標(biāo)定板m個(gè)角點(diǎn)(1,2…j…m);

則mij為提取的角點(diǎn)坐標(biāo),m'為通過(guò)已知的初值換算的理論值,使其差值平方和最小的參數(shù)即為優(yōu)化值。求解方法是使用LM算法進(jìn)行迭代。立體標(biāo)定過(guò)程如圖3所示。

圖3 立體標(biāo)定過(guò)程圖

2.3 立體校準(zhǔn) 立體校準(zhǔn)是將左右圖像高度對(duì)齊,在尋找圖像中的某一特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的時(shí)候只需在另一幅圖像的同一行或者同一列搜索不需要對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行完全掃描,減小工作量。顯而易見(jiàn)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中攝像機(jī)拍到的照片高度不可能完美對(duì)齊,使圖像對(duì)應(yīng),使用函數(shù)校正。校正前圖像如圖4所示,校正后圖像如圖5所示。

圖4 校正前圖像

圖5 校正后圖像

3 結(jié)論

測(cè)量結(jié)果及平均誤差值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該設(shè)計(jì)既滿足了次賽場(chǎng)地需求,又可以快速準(zhǔn)確的測(cè)量出運(yùn)動(dòng)員拋擲千秋后的距離成績(jī)。相比于目前使用的測(cè)距系統(tǒng)有很大的提升,達(dá)到正規(guī)比賽的技術(shù)要求,也保證了比賽的公平性。