一种刚体碰撞轨迹预测显示装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种刚体碰撞轨迹预测显示装置，由鸟瞰摄像机、冲撞视角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器、数据处理设备、刚体碰撞轨迹预测软件系统组成。软件系统配置于数据处理设备中，分为摄像机标定系统、目标识别系统、空间姿态计算系统、刚体轨迹预估系统几个模块。通过分析鸟瞰摄像机与冲撞视角摄像机传入的视频数据，结合瞄准适配器传入的空间位姿信息，得到工作平面上各刚体的空间位置以及冲撞方的姿态和力度，从而计算得出冲撞方与被撞方碰撞后的可能运动轨迹，并将该轨迹与现实场景相叠加显示于可佩带观察设备的显示屏中。实现对碰撞轨迹的预测及实时显示，让使用者可以在碰撞发生前对各刚体的位置和运动状态等进行调整。

【技术实现步骤摘要】
一种刚体碰撞轨迹预测显示装置
本专利技术涉及一种刚体碰撞轨迹预测显示装置，具体涉及一种包括鸟瞰摄像机、冲 撞视角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器、数据处理设备、刚体碰撞轨迹预测软件系统 的刚体碰撞轨迹预测显示装置，适合于刚体碰撞的预测及实时显示，如台球、门球等平面碰 撞球类的运动培训以及相关人机交互领域。
技术介绍
可穿戴观察设备是一种可穿戴于身上出外进行活动的微型电子设备，具备头戴式 显示屏、通讯模块，并具备一定的数据处理能力，目前可穿戴观察设备的形态多为眼镜或头 盔，并且均采用轻量化设计，使使用者可以在佩戴设备的情况下自如地进行正常头部活动。 其显示设备则为置于使用者眼前的微型显示屏，根据设备使用场景的不同，有单眼和双眼 两种形式，在显示方式上也存在二维显示以及三维立体显示两种，通常三维立体显示采用 双眼显示屏，且观察方式为实时捕捉设备正前方的视频，经过转换后显示于显示屏上，使用 者肉眼只能通过显示屏观察外部世界。而二维显示方式则可以利用半透明的单眼显示屏进 行显示，在保证使用者可以直接用肉眼观察真实世界的前提下，将所要显示的信息通过叠 加的方式显示于使用者的眼前。 在视频图像中寻找具有一定特征的目标是计算机视觉和图像处理领域的常见问 题，一般而言，解决该类问题的方法需要提取对应目标在形态、颜色、轨迹等方面的特征，使 其区别于其他背景物体，目标识别的目的则在于获取目标在图像坐标系下的位置坐标以及 其轮廓范围等。 图像配准技术的目标在于比较或融合同一对象在不同条件下获取的图像，一般方 法是通过寻找一种空间变换方法把一副图像中的目标区域映射到另一幅图像，使得两图中 对应于空间同一位置的点一一对应，而这一实现方式通常是利用仿射变换矩阵来对待配准 点的坐标进行仿射变换。通常依据空间维度划分为二维-二维配准，二维-三维配准，三 维-三维配准。依据配准算法所基于的特征及相似性测度，则可分为基于特征点、基于表 面、基于像素、基于外部标志点等方法。依据变换的性质则可分为刚性变换与非刚性变换。 由于同一目标在不同条件下获得的图像之间会存在仿射变换、尺度变换甚至形变，因此在 进行图像刚性配准时需要根据待配准对象的特性选取具有仿射不变、尺度不变等性质的特 征进行配准变换矩阵的计算。目前常用的刚性配准算法主要有：icp、cro等，非刚性配准算 法则有TPS-RPM、SMM、RBF-RPM等。这些算法技术比较成熟，且均有很多具有针对性的优化 算法，因此具有较好的时间复杂度，在运算实时性上有良好的表现。 当前，在碰撞轨迹预测领域并没有实时直观显示运动轨迹的方案，专利技术人希望利 用可穿戴观察设备及简单的摄像机等设备，设计出一种能够提前预测碰撞轨迹并给予使用 者直观的显示效果的设备，该设备可用于门球、台球等平面碰撞类运动的培训以及与碰撞 预测相关的人机交互领域。
技术实现思路
本专利技术目的在于设计一种可以让使用者直观地观察到平面上多个刚体碰撞所可 能产生的运动轨迹的装置，使其在碰撞前进行介入调整，从而提高对碰撞的可控性。本专利技术 提出了一种刚体碰撞轨迹预测显示装置。该装置由鸟瞰摄像机、冲撞视角摄像机、可穿戴观 察设备、瞄准适配器、数据处理设备、刚体碰撞轨迹预测软件系统组成； 刚体碰撞轨迹预测软件系统运行于数据处理设备上，并包括摄像机标定系统、目标识 别系统、空间姿态计算系统和刚体轨迹预估系统； 整套装置中的数据传输均可以通过有线连接或无线连接的形式，【具体实施方式】依据使 用需求进行选择； 鸟瞰摄像机、冲撞视角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器均与数据处理设备有实时 的数据通信，其中，鸟瞰摄像机、冲撞视角摄像机、瞄准适配器与数据处理设备为单向发送， 而可穿戴观察设备与数据处理设备则为单向接收； 冲撞视角摄像机的视角方向与冲撞方运动方向一致，且与使用者的观察方向相一致， 但不要求冲撞视角摄像机与冲撞方固定在一起； 可穿戴观察设备的显示设备为半透明或不透明的显示屏，显示屏数量可以是单眼或双 眼； 冲撞视角摄像机的视频捕获视角大于或等于人眼观察的视角； 瞄准适配器的激光发射器射出的激光与冲撞方运动方向相一致且激光所在直线与冲 撞方运动方向的对称轴线相重合； 瞄准适配器激光发射器的功率、波长及光斑尺寸应满足如下条件，在冲撞视角摄像机 所捕获的视频中，在冲撞视角摄像机可提供的对比度范围下，使用者可以通过肉眼明确地 分辨出被撞方表面上的激光光斑； 瞄准适配器的功能为获取冲撞方的三维位移、空间姿态、纵向运动的加速度并将数据 通过数据通信传输至数据处理设备； 瞄准适配器的固定方式无固定规则，根据使用场景的需求在能够满足其功能的情况下 可选择内置或外置等多种形式固定于冲撞方； 刚体碰撞轨迹预测软件系统中的摄像机标定系统可以快速对鸟敵摄像机、冲撞视角摄 像机进行内外参数的标定，并得到鸟瞰摄像机的光心与工作平面的空间距离； 鸟瞰摄像机在经过摄像机标定系统的标定后与工作平面的相对位置即保持不变，直到 再次进行摄像机标定时才可以对其位置进行改变； 刚体碰撞轨迹预测软件系统中的目标识别系统，可以通过分析鸟瞰摄像机、冲撞视角 摄像机传入的视频数据，结合摄像机标定系统获得的工作平面距离以及尺寸对应关系等， 得到视频图像内刚体在图像坐标系内的位置以及其在对应的世界坐标系中的位置； 刚体碰撞轨迹预测软件系统中的空间姿态计算系统，通过分析冲撞视角摄像机传入的 视频数据，当视频中出现射在被撞方目标外壳上的激光斑点时，结合瞄准适配器传入的冲 撞方空间姿态数据以及目标识别系统所得到的刚体目标空间位置，可以得到冲撞方相对于 被撞方的位置和姿态； 刚体碰撞轨迹预测软件系统中的刚体轨迹预估系统，通过分析空间姿态计算系统得到 的冲撞方姿态、位置，瞄准适配器传入的冲撞方纵向加速度，以及目标识别系统得到的刚体 目标在空间中的位置，可以预估被撞方的运动轨迹，以及被撞方运动轨迹上所接触到的第 一个其他刚体经过碰撞后的轨迹； 刚体碰撞轨迹预测软件系统中的刚体轨迹预估系统，可通过图像配准的方式将计算得 到的三维空间的刚体轨迹转换至可穿戴观察设备中显示设备的图像坐标系下，实现利用可 穿戴观察设备的显示设备观察预测轨迹。 与传统碰撞轨迹预测设备相比的有益效果是： 用户可以通过可穿戴观察设备实时观察到冲撞方的姿态、速度等对于碰撞后被撞方运 动轨迹的影响的预测结果； 用户可以通过观察预测得到的轨迹预先调整冲撞方的姿态和冲撞力度以达到理想的 碰撞效果； 设备可以直接安装于现有碰撞相关的硬件系统上，无需对现有系统大幅度的改造。 【附图说明】 图1是本专利技术所提出的工作流程图； 图2是本专利技术所提出的一种优选实例示意图； 图3是本专利技术系统的结构示意图。 【具体实施方式】 关于本专利技术的优点与精神可以通过以下的专利技术详述及附图得到进一步的了解。 附图1为工作流程图，附图2为优选实例的示意图，其中优选实例的组成为鸟瞰摄 像机1、冲撞视角摄像机2、可佩戴观察设备3、瞄准适配器4、数据处理设备5、工作平面6、 冲撞方7、被撞方8、其他刚体9、使用者10。 在该优选实例中，冲撞视角摄像机2与可佩带观察设备3置于同一硬件结构上，由 使用者10佩戴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刚体碰撞轨迹预测显示装置，其特征在于：包括如下六个关键元件，为：鸟瞰摄像机，用于获取完整工作平面的俯视彩色视频数据并通过数据通讯传至数据处理设备；冲撞视角摄像机，用于获取冲撞方运动方向的视频数据，并通过数据通讯传至数据处理设备；可穿戴观察设备，可以是佩戴于使用者头部的眼镜或头盔，具有视频显示能力，通过数据通讯接收数据处理设备传入的视频数据；瞄准适配器，与数据处理设备有数据通讯，包括激光发射模块，微机电陀螺仪，加速度传感器，无线通讯模块，可充电电池等；数据处理设备，基于X86或X64的个人计算机或具有同等处理能力的嵌入式平台，与鸟瞰摄像机、冲撞视角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器具有数据通讯；刚体碰撞轨迹预测软件系统，包括摄像机标定系统，目标识别系统、空间姿态计算系统和刚体轨迹预估系统，配置于数据处理设备上。

【技术特征摘要】
1. 一种刚体碰撞轨迹预测显示装置，其特征在于：包括如下六个关键元件，为： 鸟瞰摄像机，用于获取完整工作平面的俯视彩色视频数据并通过数据通讯传至数据处 理设备； 冲撞视角摄像机，用于获取冲撞方运动方向的视频数据，并通过数据通讯传至数据处 理设备； 可穿戴观察设备，可以是佩戴于使用者头部的眼镜或头盔，具有视频显示能力，通过数 据通讯接收数据处理设备传入的视频数据； 瞄准适配器，与数据处理设备有数据通讯，包括激光发射模块，微机电陀螺仪，加速度 传感器，无线通讯模块，可充电电池等； 数据处理设备，基于X86或X64的个人计算机或具有同等处理能力的嵌入式平台，与鸟 瞰摄像机、冲撞视角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器具有数据通讯； 刚体碰撞轨迹预测软件系统，包括摄像机标定系统，目标识别系统、空间姿态计算系统 和刚体轨迹预估系统，配置于数据处理设备上。2. 如权利要求1所述的刚体碰撞轨迹预测显示装置，其特征在于：鸟瞰摄像机、冲撞视 角摄像机、可穿戴观察设备、瞄准适配器与数据处理设备的数据通讯可采用有线连接或无 线连接的形式。3. 如权利要求1所述的冲撞视角摄像机，其特征在于：摄像机的观察方向与使用者肉 眼观察方向相同，观察视角大于或等于人眼视角。4. 如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿辰，戴亚康，郑健，郁朋，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32