一种用于体育比赛测量中的平板标定系统技术方案

一种用于体育比赛测量中的平板标定系统，本系统采用平面图形标定法。平面标定法就是利用多个成像平面对目标的位置进行分析，选择合适的成像平面对目标进行位置的确定。第一步，用左右两台不同方位的摄像机对标定物及被标定物拍摄并获取图像；第二步，对左右两台摄像机获取的图像进行处理后，从中对特征点进行提取和匹配，进而获得摄像机的内部参数和外部参数；第三步，利用两种方法的测量原理，通过特征点及摄像机的内外参数，计算得到被标定物位于三维空间的信息。对传统标定方法和平面棋盘格标定方法进行了对比实验，使用平面棋盘格标定法比使用传统三维立体框架标定法的精度更高，相对误差更小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应用于体育比赛中的摄像机三维空间标定，属于体育现场测量研究领域，尤其涉及一种体育中的三维摄像便携标定系统。
技术介绍
录像解析是体育科研中常用的研究手段，通过对运动技术图像的解析可以在不影响正常比赛和训练的前提下，较真实地获得运动员比赛时的运动学参数。对摄像机进行准确的三维空间标定是录像解析的前提。目前国内外的运动生物力学研究领域中，目前体育科研领域的研究主要使用的标定方法是基于三维辐射状框架的传统摄像机标定，然后将标定过的二维数据经过直接线性变换(Direct Linear Transformation，DLT)后，获得三维坐标数据。通常在测量现场使用固定的标准框架来对所使用的摄像机进行标定，它为辐射状由八只可拆卸标杆组成。这种方法在实际应用中有较大的局限性，尤其是在比赛和训练现场进行标定时，这些限制会更突出，局限性如下：首先对实际测量的标定范围有限，无法对大范围运动项目进行有效的标定，甚至有时因比赛现场拍摄位置的特殊性而导致无法测量；其次随着使用时间的增长，框架会因自身形变等原因而导致测量误差的增大；再次这种框架相对比较笨重，携带不方便，在体育比赛现场安装时费时费力；最后在标定时还需要人工对框架的标记点进行识别，从而会大大增加标定的时间。以上问题对体育科学研究造成了一定的影响，因此需要一种新的方法替代传统的三维立体框架标定，以达到在标定时方便、快捷、有效的目的。
技术实现思路
本专利技术采用平面图形标定法。平面标定法就是利用多个成像平面对目标的位置进行分析，选择合适的成像平面对目标进行位置的确定。每个平面的成像都是不同的，由于每个平面的成像都是在运动的，所以需要在摄像机与目标之间的平面内找到某几个点，来分析目标与摄像机之间的成像规律，然后根据这一规律对目标进行标定。由于对物体的标定会受到这些点的影响，随着目标的不断运动，摄像机与目标之间平面内的点就会越来越多，因而物体标定的准确度也就越来越高，从而为摄像机标定提供了可靠的信息支持，并会减少摄像机标定的成本，提高了标定的效率。相比三维立体标定法，平面标定的精确度更高，标定所用的时间相对较短，长时间使用后不会发生形变，而且携带方便，成本较低，所以平面标定法在体育测量研究领域中值得推广。摄像机模型三维重建的过程需要通过摄像机获取数据，因此需要先了解清楚摄像机的工作原理。通过摄像机，三维空间中的点能够映射到成像平面也就是二维图像上，其中映射关系可以用矩阵来表示。 x y = M X Y Z - - - ( 1 ) ]]>其中(x，y)t为摄像机成像平面中的点，(X，Y，Z)t为三维空间中的点，相较二维图像信息多了一个深度信息Z。矩阵M表示三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵。三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵M定义为摄像机参数，M中的各参数由实验和计算确定，求解各参数的过程称为摄像机标定。为求解上述矩阵各元素的变换关系，需建立摄像机的几何成像模型。针孔摄像机模型，又称为线性模型，是目前最简单同时也是最常用的摄像机成像模型。针孔摄像机模型在摄像机成像几何模型中，需要涉及如下三个坐标系：1)图像坐标系：以图像原点建立的以像素为单位的像素坐标系。像素的横坐标u和纵坐标v分别是该像素所在图像中的像素的列数与行数。sx和sy分别表示数字图像一个像素的长和宽，也就是物理长度。如确定sx和sy就能得到以物理单位(如毫米)表示的图像坐标系。图1的针孔摄像机模型中，xscsys坐标系即为图像坐标系，图像坐标系所在的平面称为成像平面。点p是成像平面上的一个像素点。2)摄像机坐标系：与图像坐标系不同的是，摄像机坐标系是三维坐标系。原点为摄像机光心，zc轴为摄像机光轴，与成像平面垂直，xc与yc轴分别与图像坐标系的横纵坐标轴平行。摄像机坐标只表示摄像机内部的坐标关系，所以与摄像机位置无关。图1中，Ocxcyczc坐标系为摄像机坐标系。点pc为三维空间中一个点，其成像点在成像平面上为点p。3)世界坐标系：由于摄像机坐标系只能描述摄像机内部的坐标关系，所以还需要引入一个表示摄像机位置的坐标系，也就是世界坐标系。世界坐标系的选取一般都是为了计算或者表示方便，所以并不是固定的。在双目或者多目重建时，选择其中一个摄像机坐标系为世界坐标系，也选择参照物建立世界坐标系。世界坐标系是一个三维坐标系，其原点为Ow，坐标轴分别为xw，yw，zw。以像素为单位图像坐标系中的坐标(u，v)T是像素点坐标，单位是像素，而不是物理长度坐标。使用的时候需要物理长度坐标(xs，ys)T，那么采用公式(2)计算。 u = x s s x + u 0 , v = y s s y + v 0 - - - ( 1 ) ]]>其中，u0和v0是图像中心偏移量。因为以像素为单位的图像坐标系原点一般是图像的左上角，而以物理长度为单位的图像坐标系时，一般以成像平面与光轴交点作为原点，这个交点的坐标为(u0，v0)t，所以可以用u0和v0作为偏移量给出。公式(1)用齐次坐标形式写出如下： u v 1 = 1 s x 0 u 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于体育比赛测量中的平板标定系统，其特征在于：本系统采用平面图形标定法；平面标定法就是利用多个成像平面对目标的位置进行分析，选择合适的成像平面对目标进行位置的确定；每个平面的成像都是不同的，由于每个平面的成像都是在运动的，所以需要在摄像机与目标之间的平面内找到某几个点，来分析目标与摄像机之间的成像规律，然后根据这一规律对目标进行标定；由于对物体的标定会受到这些点的影响，随着目标的不断运动，摄像机与目标之间平面内的点就会越来越多，因而物体标定的准确度也就越来越高，从而为摄像机标定提供了可靠的信息支持，并会减少摄像机标定的成本，提高了标定的效率；相比三维立体标定法，平面标定的精确度更高，标定所用的时间相对较短，长时间使用后不会发生形变，而且携带方便，成本较低，所以平面标定法在体育测量研究领域中值得推广；摄像机模型三维重建的过程需要通过摄像机获取数据，因此需要先了解清楚摄像机的工作原理；通过摄像机，三维空间中的点能够映射到成像平面也就是二维图像上，其中映射关系可以用矩阵来表示；xy=MXYZ---(1)]]>其中(x，y)t为摄像机成像平面中的点，(X，Y，Z)t为三维空间中的点，相较二维图像信息多了一个深度信息Z；矩阵M表示三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵；三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵M定义为摄像机参数，M中的各参数由实验和计算确定，求解各参数的过程称为摄像机标定；为求解上述矩阵各元素的变换关系，需建立摄像机的几何成像模型；针孔摄像机模型，又称为线性模型，是目前最简单同时也是最常用的摄像机成像模型；针孔摄像机模型在摄像机成像几何模型中，需要涉及如下三个坐标系：1)图像坐标系：以图像原点建立的以像素为单位的像素坐标系；像素的横坐标u和纵坐标v分别是该像素所在图像中的像素的列数与行数；sx和sy分别表示数字图像一个像素的长和宽，也就是物理长度；如确定sx和sy就能得到以物理单位表示的图像坐标系；针孔摄像机模型中，xscsys坐标系即为图像坐标系，图像坐标系所在的平面称为成像平面；点p是成像平面上的一个像素点；2)摄像机坐标系：与图像坐标系不同的是，摄像机坐标系是三维坐标系；原点为摄像机光心，zc轴为摄像机光轴，与成像平面垂直，xc与yc轴分别与图像坐标系的横纵坐标轴平行；摄像机坐标只表示摄像机内部的坐标关系，所以与摄像机位置无关；Ocxcyczc坐标系为摄像机坐标系；点pc为三维空间中一个点，其成像点在成像平面上为点p；3)世界坐标系：由于摄像机坐标系只能描述摄像机内部的坐标关系，所以还需要引入一个表示摄像机位置的坐标系，也就是世界坐标系；世界坐标系的选取一般都是为了计算或者表示方便，所以并不是固定的；在双目或者多目重建时，选择其中一个摄像机坐标系为世界坐标系，也选择参照物建立世界坐标系；世界坐标系是一个三维坐标系，其原点为Ow，坐标轴分别为xw，yw，zw；以像素为单位图像坐标系中的坐标(u，v)T是像素点坐标，单位是像素，而不是物理长度坐标；使用的时候需要物理长度坐标(xs，ys)T，那么采用公式(2)计算；u=xssx+u0,v=yssy+v0---(1)]]>其中，u0和v0是图像中心偏移量；因为以像素为单位的图像坐标系原点一般是图像的左上角，而以物理长度为单位的图像坐标系时，一般以成像平面与光轴交点作为原点，这个交点的坐标为(u0，v0)t，所以可以用u0和v0作为偏移量给出；公式(1)用齐次坐标形式写出如下：uv1=1sx0u001syv0001xsys1---(2)]]>另外根据相似三角形原理，得到在摄像机坐标系下，成像点所对应的空间点坐标与图像坐标系坐标变换关系：1zcxcyczc=1fxsys1---(3)]]>其中f为摄像机焦长度，即光心Oc到成像平面xscsys的距离；根据公式(1)，将公式(3)用齐次坐标表示如下：zcuv1=1sx0u001syv0001f0000f000010xcyczc1---(4)]]>摄像机坐标系与世界坐标系都是采用物理长度单位，两者之间的变换关系可以用旋转矩阵R和向量t来描述；世界坐标系空间中一点P的坐标为(xw，yw，zw，1)T，在摄像机坐标系下的坐标为(xc，yc，zc，1)T，那么则有如下关系：xcyczc1=Rt0T1xwywzw1---(5)]]>其中，旋转矩阵R是3×3的正交单位矩阵，t是3×1的平移向量，O是1×3的零向量；根据公式(4)和(5)推导出从世界坐标系中坐标点对应的图像坐标系中坐标关系：zcuv1=1sx0u001syv0001f0000f000010Rt0T1xwywzw1=αx0u000αyv000010Rt0T1xwywzw1=MIMEX=MX---(6)]]>其中，αx＝f/sx，αy＝f/sy，M是3×4矩...

【技术特征摘要】
1.一种用于体育比赛测量中的平板标定系统，其特征在于：本系统采用平面图形标定法；平面标定法就是利用多个成像平面对目标的位置进行分析，选择合适的成像平面对目标进行位置的确定；每个平面的成像都是不同的，由于每个平面的成像都是在运动的，所以需要在摄像机与目标之间的平面内找到某几个点，来分析目标与摄像机之间的成像规律，然后根据这一规律对目标进行标定；由于对物体的标定会受到这些点的影响，随着目标的不断运动，摄像机与目标之间平面内的点就会越来越多，因而物体标定的准确度也就越来越高，从而为摄像机标定提供了可靠的信息支持，并会减少摄像机标定的成本，提高了标定的效率；相比三维立体标定法，平面标定的精确度更高，标定所用的时间相对较短，长时间使用后不会发生形变，而且携带方便，成本较低，所以平面标定法在体育测量研究领域中值得推广；摄像机模型三维重建的过程需要通过摄像机获取数据，因此需要先了解清楚摄像机的工作原理；通过摄像机，三维空间中的点能够映射到成像平面也就是二维图像上，其中映射关系可以用矩阵来表示； x y = M X Y Z - - - ( 1 ) ]]>其中(x，y)t为摄像机成像平面中的点，(X，Y，Z)t为三维空间中的点，相较二维图像信息多了一个深度信息Z；矩阵M表示三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵；三维信息与二维信息之间的映射关系矩阵M定义为摄像机参数，M中的各参数由实验和计算确定，求解各参数的过程称为摄像机标定；为求解上述矩阵各元素的变换关系，需建立摄像机的几何成像模型；针孔摄像机模型，又称为线性模型，是目前最简单同时也是最常用的摄像机成像模型；针孔摄像机模型在摄像机成像几何模型中，需要涉及如下三个坐标系：1)图像坐标系：以图像原点建立的以像素为单位的像素坐标系；像素的横坐标u和纵坐标v分别是该像素所在图像中的像素的列数与行数；sx和sy分别表示数字图像一个像素的长和宽，也就是物理长度；如确定sx和sy就能得到以物理单位表示的图像坐标系；针孔摄像机模型中，xscsys坐标系即为图像坐标系，图像坐标系所在的平面称为成像平面；点p是成像平面上的一个像素点；2)摄像机坐标系：与图像坐标系不同的是，摄像机坐标系是三维坐标系；原点为摄像机光心，zc轴为摄像机光轴，与成像平面垂直，xc与yc轴分别与图像坐标系的横纵坐标轴平行；摄像机坐标只表示摄像机内部的坐标关系，所以与摄像机位置无关；Ocxcyczc坐标系为摄像机坐标系；点pc为三维空间中一个点，其成像点在成像平面上为点p；3)世界坐标系：由于摄像机坐标系只能描述摄像机内部的坐标关系，所以还需要引入一个表示摄像机位置的坐标系，也就是世界坐标系；世界坐标系的选取一般都是为了计算或者表示方便，所以并不是固定的；在双目或者多目重建时，选择其中一个摄像机坐标系为世界坐标系，也选择参照物建立世界坐标系；世界坐标系是一个三维坐标系，其原点为Ow，坐标轴分别为xw，yw，zw；以像素为单位图像坐标系中的坐标(u，v)T是像素点坐标，单位是像素，而不是物理长度坐标；使用的时候需要物理长度坐标(xs，ys)T，那么采用公式(2)计算； u = x s s x + u 0 , v = y s s y + v 0 - - - ( 1 ) ]]>其中，u0和v0是图像中心偏移量；因为以像素为单位的图像坐标系原点一般是图像的左上角，而以物理长度为单位的图像坐标系时，一般以成像平面与光轴交点作为原点，这个交点的坐标为(u0，v0)t，所以可以用u0和v0作为偏移量给出；公式(1)用齐次坐标形式写出如下： u v 1 = 1 s x 0 u 0 0 1 s y v 0 0 0 1 x s y s 1 - - - ( 2 ) ]]>另外根据相似三角形原理，得到在摄像机坐标系下，成像点所对应的空间点坐标与图像坐标系坐标变换关系： 1 z c x c y c z c = 1 f x s y s 1 - - - ( 3 ) ]]>其中f为摄像机焦长度，即光心Oc到成像平面xscsys的距离；根据公式(1)，将公式(3)用齐次坐标表示如下： z c u v 1 = 1 s x 0 u 0 0 1 s y v 0 0 0 1 f 0 0 0 0 f 0 0 0 0 1 0 x c y c z c 1 - - - ( 4 ) ]]>摄像机坐标系与世界坐标系都是采用物理长度单位，两者之间的变换关系可以用旋转矩阵R和向量t来描述；世界坐标系空间中一点P的坐标为(xw，yw，zw，1)T，在摄像机坐标系下的坐标为(xc，yc，zc，1)T，那么则有如下关系： x c y c z c 1 = R t 0 T 1 x w y w z w 1 - - - ( 5 ) ]]>其中，旋转矩阵R是3×3的正交单位矩阵，t是3×1的平移向量，O是1×3的零向量；根据公式(4)和(5)推导出从世界坐标系中坐标点对应的图像坐标系中坐标关系： z c u v 1 = 1 s x 0 u 0 0 1 s y v 0 0 0 1 f 0 0 0 0 f 0 0 0 0 1 0 R t ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向东，董琦奇，
申请(专利权)人：王向东，董琦奇，
类型：发明
国别省市：北京;11