辨识二维影像产生三维信息的方法技术

主机读入或摄录像获得二维动态影片。用户可从该影像或其他图片选定一或多个欲追踪物体、预计轨迹点、开始和结束追踪图片。令主机从欲追踪图片比对及辨识找到欲追踪物体，再根据焦距、光圈及镜头透光率等信息辨识景深，从而推定该欲追踪物体的实际轨迹点的位置。并将轨迹点定位于虚拟3D空间，进而连接多个轨迹点获得运动轨迹，而速度、转速、旋转角度等也可从相邻运动物体的变化程度推算。同理可将追踪图片及运动场地定位于虚拟3D空间。因此可从三维浏览装置于空间穿梭观察物体相互作用的效果和其轨迹、场地的细节和对照信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于一种辨识二维影像产生三维信息的方法。
技术介绍
物体的运动轨迹有二维平面运动轨迹也有三维立体运动轨迹。单一物体的运动轨迹可作为运动效能的观察指针，而多个物体的运动轨迹则可进而作为交互作用程度的观察指标。吾人多透过视觉观察来分辨不同的运动行为会产生甚么样的效果，以决定对策。然而，即使可从二维动态影片目视观查及辨识单一物体的运动轨迹，但却难以分辨其细部的变化。例如运动员在竞逐争胜时极为关切的一个击球效能的问题是：以不旋转的寻常方式掷球时，不难观察球以抛物线的轨迹行进的路径和速度。但如改以不同的角度掷球或增加左、右旋转掷球的力道时，球的运动轨迹便与寻常掷球有很大的不同，然而究竟有何差异呢？遗憾的是：即使科技发达的今日也不能轻易解决这个简单的问题！如果要剖析、分辨其间的差异，这就需要仰赖两种辅助观察的技巧：将球的分时、连续多张的运动轨迹用具体的路线陈现在单一张图上，以及并列陈现寻常掷球的参考轨迹以供对照比对。因此，显然单凭目视而无辅助工具来分辨物体的运动轨迹和现象是颇为困难的，而欲凭借现有的解决方法也有相当窒碍之处，阐释如下：摄录像技术进步一日千里：高速摄录像机每秒可拍摄上千张影片，也能以慢速重复播放让人有充裕时间检视细节，但欲肉眼观察以发现细部动作或关键技术仍是缘木求鱼。例如棒球投手可运用手腕、手肘、腰部的转动和手指勾勒以投掷变化球，但即使用慢动作重复播放其投掷动作，多数人还是无法察觉其技巧的细节，自亦当无法揣摩、学习。再如，以摩擦击打网球上缘使球产生上旋行进，对球的运行轨迹会有甚么样的变化又会产生什么效果呢？答案是：除了会改变球的运动轨迹外，还会在球落地后产生加速、偏移、增高弹跳及弧形投影的弯曲球路等偏移效应，因而让对手难于应对而产生失误。但要使上旋球产生足够的偏移效应以压迫对手时，旋转圈数要达到多少RPM(每分钟旋转圈数，以下简称转速)，同时球的运动轨迹要产生什么样的变化才足以让对手判断错误？也就是：欲获得该旋转圈数的临界点和产生运动轨迹的变化就很重要了。再如：越来越多的各类重要运动竞赛，如篮球、足球、棒球等等，都配置了多个高速摄影机以对一连串的运动动作摄制影片，以避免遗漏任何信息造成误判。这种用配置越来越多的摄影机来减少观测死角的方式，究竟是一种防标之策，因为越来越专业、激烈的运动竞赛中总会有被遗漏的角度导致无法确知所获影片是否足够做判决用。因此，上述这大型且正式运动要比较多角度观察的需求，以及适合个人或小团体欲进行运动效能的研究，便需要足资信赖、更为周全，且需能轻易获得运动信息，以便设法改善、增进运动的效能。然而，现有的技术及设施显然是无法达成的。往昔物体的运动轨迹多使用单一或多个硬件感应装置，诸如各式摄录像机、侦测器材以进行追踪、记录及计算获得。近来则有使用软件辅助感应装置或摄录像机等装置以追踪、记录。然而无论采用何种方式，除都需仰赖硬件、投入人力及支出庞大费用外，还需从各种观测角度规画适当位置来配置多个硬件感应装置或摄录像机，才能有效的记录、推算运动轨迹。因此，硬件配置相对困难、耗费资源也需要广阔的配置空间，更不便于记录实时、迅速移动或无特定活动区间的物体的运动轨迹及信息，便使得各项科技、学术、运动的研究和应用无法普及和深化。鉴于传统获取物体的运动信息方法的诸多缺失，专利技术人乃亟思改善对策：为何不利用人手一机且未来发展无穷的行动装置来解决这个问题呢？而这个关键因素却是唯一解决途径：需能透过逻辑算法将二维信息实时转换成在三维空间能实时呈现的三维信息，也能对照参考物体的运动轨迹。经长年的研究、验证终能完成本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的为辨识二维影像产生三维信息的方法，其中三维运动信息包括物体的运动轨迹、角度、旋转角度、速度、落点等，但不限于所列举的项目。该运动轨迹且可供三维浏览器进行细部观察。本专利技术乃应用在一计算机系统上，该计算机系统包含一主机、一链接该主机的用户接口及一链接该主机的显示器。其中，上述主机中储存含有许多人员、物体的运动过程的二维动态影片档案。该主机可包括但不限于与摄录像机、感测装置、景深装置耦合的个人计算机、笔记本电脑；亦可包括但不限于独立运作的内建摄录像机、感测装置、景深装置的手机、平板计算机等行动装置。本专利技术辨识二维影像产生三维信息的方法包括以下的步骤：(A)主机开启、读取或使用摄录像机摄录像及显示二维动态影片。(B)用户从该二维动态影片或其他图片择一张选定一或多个欲追踪物体、轨迹点、开始追踪图片、结束追踪图片及筛选条件。(C)主机自动设定一虚拟3D空间及其坐标系。(D)搜寻全部二维动态影片，如有场地信息便定位场地及人员在虚拟3D空间的坐标。(E)主机依照欲追踪物体的形态、筛选条件，从首张追踪图片进行顺向/逆向追踪。(F)从该追踪图片的焦距、光圈，及镜头透光率计算该图片的景深或直接撷取景深信息，以定位该图片在虚拟3D空间的坐标。(G)主机从该追踪图片比对、辨识欲追踪物体。(H)如找到欲追踪物体，便从追踪到的物体图片计算景深，或直接撷取景深信息以决定其轨迹点位置及轨迹点在虚拟3D空间中的坐标。(I)如未找到欲追踪物体，就推定欲追踪物体的轨迹点及其3D坐标和景深。(J)如顺向追踪完成且已经完成全部追踪图片便储存虚拟3D空间及其各追踪到的物体的三维坐标，否则选定下一张欲追踪图片回步骤(F)进行下一张欲追踪物体的比对；如是逆向追踪完成亦储存虚拟3D空间及其各追踪到的物体的三维坐标，否则选定下一张欲追踪图片回步骤(F)进行下一张欲追踪图片的比对。(K)显示链接序列图片中运动物体的轨迹点所成的三维运动轨迹及该组二维动态影片；多个欲追踪物体相互作用的效果和对照信息；如有场地信息一并显示之。该主机可以使用软件从读取的二维动态影片进行追踪；也可以直接从摄影作业中逐张产生的二维动态影片来逐张、实时的进行影像分析；也可以将包括摄影日期、镜头透光率，及每张影像的光圈、焦距、摄影机位置及追踪到的物体的影像等摄影信息记录于档案。藉此，本专利技术辨识二维影像产生三维信息的方法，无需人为配置多个感测组件或摄录像装置，而仅需单一摄录像装置配置单一或多个摄录像镜头进行摄录像，便可实时的从摄录像中直接从摄录像机所截取的单一角度或多角度的多个二维动态影片连续单张进行分析、计算并产生运动轨迹和相关的运动信息。也可以产生动态影像纪录片，再实时或事后凭以进行分析、计算并产生三维运动轨迹和相关信息。若进一步记本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特征在于，其应用在一计算机系统上，该计算机系统包含一主机、一链接该主机的用户接口，一链接该主机的显示器，以及链接该主机的摄录像机、感测装置和档案，该方法包括以下步骤：(1)该主机开启、读取或使用该摄录像机摄录像及显示二维动态影片；(2)用户从该二维动态影片或其他图片择一张选定一或多个欲追踪物体、轨迹点、开始追踪图片和结束追踪图片及筛选条件，所选定欲追踪物体的该张图片便为首张追踪图片；(3)该主机自动设定一虚拟3D空间及其坐标系；(4)该主机搜寻全部二维动态影片，如有场地信息便定位场地及人员在该虚拟3D空间的坐标；(5)该主机依照该选定的一或多个欲追踪物体、该筛选条件，从首张追踪图片进行顺向追踪/逆向追踪；(6)从该追踪图片的焦距、光圈，及镜头的透光率计算该图片的景深或直接撷取景深信息，以定位该图片在该虚拟3D空间的坐标；(7)该主机从该追踪图片比对、辨识该欲追踪物体；(8)如找到该欲追踪物体，便从追踪到的物体计算景深，及计算运动速度、转速、旋转角度及二物体相互作用所产生的运动轨迹的变化等运动信息，或可直接撷取景深信息以决定其轨迹点位置及轨迹点在该虚拟3D空间中的坐标；(9)如未找到该欲追踪物体，就推定该欲追踪物体的轨迹点及其2D坐标和景深；(10)如顺向追踪完成且已经完成全部追踪图片，便储存该虚拟3D空间及其各追踪到的物体的三维坐标，如顺向追踪未完成则选定下一张欲追踪图片进行欲追踪物体的比对；如顺向追踪完成但未完成全部追踪图片便从首张图片进行逆向追踪；如是逆向追踪完成亦储存该虚拟3D空间及其各物体的三维坐标，否则选定前一张欲追踪图片进行欲追踪物体的比对；以及(11)显示链接该全部追踪图片中运动物体的轨迹点所成的三维运动轨迹及该组二维动态影片；多个欲追踪物体相互作用的效果和对照信息；如有场地信息一并显示之。...

【技术特征摘要】
2014.12.08 TW 1031425781.一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特征在于，其应用在一计
算机系统上，该计算机系统包含一主机、一链接该主机的用户接口，一链接
该主机的显示器，以及链接该主机的摄录像机、感测装置和档案，该方法包
括以下步骤：
(1)该主机开启、读取或使用该摄录像机摄录像及显示二维动态影片；
(2)用户从该二维动态影片或其他图片择一张选定一或多个欲追踪物体、
轨迹点、开始追踪图片和结束追踪图片及筛选条件，所选定欲追踪物体的该
张图片便为首张追踪图片；
(3)该主机自动设定一虚拟3D空间及其坐标系；
(4)该主机搜寻全部二维动态影片，如有场地信息便定位场地及人员在该
虚拟3D空间的坐标；
(5)该主机依照该选定的一或多个欲追踪物体、该筛选条件，从首张追踪
图片进行顺向追踪/逆向追踪；
(6)从该追踪图片的焦距、光圈，及镜头的透光率计算该图片的景深或直
接撷取景深信息，以定位该图片在该虚拟3D空间的坐标；
(7)该主机从该追踪图片比对、辨识该欲追踪物体；
(8)如找到该欲追踪物体，便从追踪到的物体计算景深，及计算运动速度、
转速、旋转角度及二物体相互作用所产生的运动轨迹的变化等运动信息，或
可直接撷取景深信息以决定其轨迹点位置及轨迹点在该虚拟3D空间中的坐
标；
(9)如未找到该欲追踪物体，就推定该欲追踪物体的轨迹点及其2D坐标
和景深；
(10)如顺向追踪完成且已经完成全部追踪图片，便储存该虚拟3D空间及
其各追踪到的物体的三维坐标，如顺向追踪未完成则选定下一张欲追踪图片
进行欲追踪物体的比对；如顺向追踪完成但未完成全部追踪图片便从首张图
片进行逆向追踪；如是逆向追踪完成亦储存该虚拟3D空间及其各物体的三
维坐标，否则选定前一张欲追踪图片进行欲追踪物体的比对；以及
(11)显示链接该全部追踪图片中运动物体的轨迹点所成的三维运动轨迹

\t及该组二维动态影片；多个欲追踪物体相互作用的效果和对照信息；如有场
地信息一并显示之。
2.根据权利要求1所述的一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特
征在于，该主机可以为与摄录像机、感测装置、景深装置耦合的个人计算机、
笔记本电脑等计算机装置；亦可以为独立运作的内建摄录像机、感测装置、
景深装置的手机、智能手机、平板计算机等便携设备，其功能则可以从读取
的二维动态影片进行比对、辨识、分析和处理；也可以直接从摄录像机摄录
像作业中逐张产生的二维动态影片来逐张来进行比对、辨识、分析和处理；
也可以耦合感测装置作为侦测获得物体景深的辅助工具。
3.根据权利要求1所述的一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特
征在于，该摄录像机可为单镜头数字摄录像机，亦可为双镜头数字摄录像机
以拍摄不同角度的两组二维动态影片，亦可为双镜头数字摄录像机，含有一
般摄录像镜头和景深镜头。
4.根据权利要求1所述的一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特
征在于，该筛选条件是选定欲追踪物体的图样、形态、颜色、物体行进速度、
转速、文字描述的物体特征等及其他可追踪物体的特征。
5.根据权利要求1所述的一种辨识二维影像产生三维信息的方法，其特
征在于，该比对方法为基准增量比对法，其比对的区间只需从前一欲追踪图
片所找到的欲追踪物体向周围扩张一个“搜寻区增量”，此“搜寻区增量”可
以下列算式计算获得：“...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祖立，
申请(专利权)人：杨祖立，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71