一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及及视觉领域和物理实验邻域，特别涉及一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统。本发明专利技术对现有摆动运动物理实验测量不改变主要的实验装置，采用高速摄影机配合背景二维平面坐标系实时测量摆动运动中的小球，将完整的摆动运动过程进行记录，通过连接高速摄像机的电脑中编制的计算机视觉图像处理软件进行识别，计算摆动小球的高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间、小球在背景二维平面坐标系中的准确位置。同时，通过编制的软件直观的在屏幕上模拟显示摆动运动的小球的运动状态，实时显示出摆动运动的小球高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间，具有非常直观的显示效果。

A Method and System for Measuring Swing Motion Based on Computer Vision Technology

The invention relates to the field of vision and physical experiment neighborhood, in particular to a method and system for measuring swing motion based on computer vision technology. The present invention changes the main experimental device for measuring the physical measurement of swing motion. The high-speed camera is used to measure the small ball in swing motion in real time with two-dimensional coordinate system of background. The complete swing motion process is recorded. The computer vision image processing software compiled in the computer connected with the high-speed camera is used to recognize and calculate the high-low point change of the swing small ball. Frequency, number of swings, position and time of reaching the highest point, and the exact position of the sphere in the background two-dimensional plane coordinate system. At the same time, the software can directly simulate and display the motion state of the swinging ball on the screen, and display the frequency of the high and low points of the swinging ball, the swing times, the position and time of reaching the highest point in real time. It has a very intuitive display effect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统
本专利技术涉及及视觉领域和物理实验邻域，特别涉及一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统。
技术介绍
物理实验中摆动运动的测量是运动定律的一个重要部分，涉及到悬垂的小球在垂直摆动运动过程中的高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间，摆动次数、时间、最高点之间的关系是实验中所需要验证的，并最终计算出实验时的重力加速度。当前的实验测量方法主要是采用刻度尺、秒表和游标卡尺结合的测量方法，该方法主要问题是测量准确度不高，人为误差较大，没有对实验过程的复原和演示。当今迅速发展的计算机计算机视觉技术可以非常好的应用到摆动运动物理实验的测量中，由于计算机视觉技术优势在于时间和位置变化的准确测量，以及增加的高速摄影机和背景二维平面坐标系的独立特点，因此，对于摆动运动物理实验的装置不需要进行大的更新，在保持原有实验装置基本不变的前提下，通过对高速摄影机的使用，可以准确测量实验中的高低点变化频率、到达最高点的位置和时间，同时可以在计算机屏幕上进行直观的演示和复原，是对摆动运动物理实验测试方法的革新与提升。
技术实现思路
本专利技术为了解决目前物理实验中摆动运动的准确测量和计算，在不对现有物理实验装置进行较大改动的前提下，通过增加连接笔记本电脑的高速摄影机和背景二维平面坐标系，对摆动运动物体通过计算机计算机视觉技术进行准确测量和计算的方法，将现有的摆动运动物理实验装置改造成一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量系统。一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统，包含由底板、垂直支架、背景板、摆动运动小球、高速摄影机、电脑组成，其中，所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述摆动运动小球；所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述摆动运动小球，但是不接触所述摆动运动小球；所述高速摄像机正对于所述背景板的板面和所述摆动运动小球，所述高速摄像机拍摄所述摆动运动小球的摆动运动；所述电脑获取所述高速摄像机拍摄的所述摆动运动小球的摆动运动图像；其包含三个步骤：步骤1，实验前准备；步骤2，初始化设置；每次记录的影像首先在软件中进行初始值设置；步骤3，开启高速摄影机，进行一次摆动运动小球的运动测试，将此次的记录影像传送到电脑中；步骤4，采用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，得到实验结论，完成实验。优选的，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，包含：步骤4.1，获取摆动运动小球的高低点变化频率、到达最大点的位置和时间；按照所述步骤1的初始化设置将影像中每帧图片都提取保存到临时目录中，按照前后顺序进行图片的自动编号，通过所述编号得到摆动运动小球的高低点变化频率、到达最高点的位置和时间；步骤4.2，获取摆动运动小球的实时运动位置；通过图像模式识别，识别出摆动运动小球的中心，并通过背景板上面二维平面坐标系网格，将摆动运动小球的中心点在二维坐标系的位置准确识别并记录，得到所有帧数图片中摆动运动小球中心点的二维坐标值，将所有图片中摆动运动小球中心点的二维坐标值保存，获得摆动运动小球的实时运动位置；步骤4.3，获取每次实验中摆动运动小球运动的时间；找到位置变化的第一个数值，所述第一个数值的前一个位置为开始时间和位置；当摆动运动小球从开始摆动运动最终达到垂直静止时刻，当摆动运动小球连续n次的停止位置都没有变化，就把这n次没有变化的数值作为停止时刻位置，找到第一个没有变化的位置就是结束的时间和位置。将摆动运动小球运动的开始时间和结束时间顺序保存，就是摆动运动小球的运动一次的完整位置数据，每组位置数据的时间间隔就是固定帧数的时间间隔与图像帧数的乘积。优选的，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，还包含：通过软件绘图功能，动态的复原摆动运动小球完整的运动过程，直观的进行演示。优选的，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，还包含：通过软件分析计算出结果后，保留得到的数据，按照事先设定的实验初始值保留文件，以后可以随时调取数据进行动态模拟演示。优选的，所述步骤1，包含：将摆动运动实验需要的器材进行摆放，将底板放置在实验桌上，将支架固定在底板上，将背景板摆放到底板上，在支架上系好摆动运动小球，使摆动运动小球可以顺滑的在背景板表面做摆动运动，摆动时尽量选择摩擦力最小的悬挂位置。优选的，所述的步骤3，包含：将高速摄影机固定在三脚架上，放置在实验桌前，使高速摄影机、摆动运动小球和背景板为前后顺序，将笔记本电脑摆放在实验桌侧边，并且将高速摄影机和笔记本电脑用专用数据电缆相连，保证笔记本电脑中的软件可以顺利接收高速摄影机拍摄下摆动运动小球的摆动运动影像；用三脚架调节高速摄影机拍摄的水平和垂直位置，用水平尺调节高速摄影机的镜头与实验桌上的静止的悬垂摆动运动小球的中心在一个水平平面上，调节三脚架使高速摄影机与实验桌保持一定距离，使摄影机可以完全拍摄下摆动运动小球的整个摆动运动过程；按照实验要求做悬垂摆动运动小球的摆动运动测试，使摆动运动小球在背景板前面进行摆动运动，每次测试前将高速摄影机开启摄像功能，完成每次实验都将拍摄的影像传输到笔记本电脑中，用软件将影像进行保存、记录和分析。优选的，所述的步骤2，包含：每次记录的影像首先在软件中进行初始值设置。初始值有实验名称、实验地点、实验人员、试验时间、第几次实验、当前实验影像文件名称，还有高速摄影机的型号、拍摄时设定的拍摄帧数、快门时间和每帧图像的长和宽的像素值。这些初始值多数只设置一次，只有实验时间、第几次实验等几个每次实验的变化值需要每次设置。优选的，通过图像模式识别，识别出摆动运动小球的中心，包含：所述摆动运动小球的颜色为RGB(x1,x2,x3)，并且所述摆动运动小球的颜色与所述记录影像中其他物体的颜色不一样；根据颜色阈值分离出摆动运动小球。优选的，通过图像模式识别，识别出摆动运动小球的中心，包含：为所述摆动运动小球粘贴预设特征的贴纸；采用预设特征，从所述记录影像中分离出运动摆动运动小球。一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量系统，包含实验桌、底板、支架、背景板、摆动运动小球、高速摄影机、电脑，其包含三个单元：实验前准备模块；初始化设置模块；录像模块；开启高速摄影机，进行一次摆动运动小球的运动测试，将此次的记录影像传送到电脑中；计算实验结果模块；采用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，得到实验结论，完成实验。优选的，所述的计算实验结果模块，包含：获取摆动运动小球的高低点变化频率、到达最大点的位置和时间单元；获取摆动运动小球的实时运动位置单元；获取每次实验中摆动摆动运动小球运动的时间单元。通过所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量系统可以对现有摆动运动物理实验装置不进行大的改动，只是增加了表面绘制成二维平面坐标系网格的背景板、高速摄影机和笔记本电脑，实现了摆动运动物理实验的自动测量，并且通过软件很好的演示了摆动的小球高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间等，计算出实验时的重力加速度，适用于现有的各种类型的摆动运动物理实验装置，克服了现有实验的测量准确度不高，人为误差较大，没有对实验过程的复原和演示，提高了实验的测量精度和准确度。附图说明为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统，包含由底板、垂直支架、背景板、摆动运动小球、高速摄影机、电脑组成，其中，所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述摆动运动小球；所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述摆动运动小球，但是不接触所述摆动运动小球；所述高速摄像机正对于所述背景板的板面和所述摆动运动小球，所述高速摄像机拍摄所述摆动运动小球的摆动运动；所述电脑获取所述高速摄像机拍摄的所述摆动运动小球的摆动运动图像；其包含三个步骤：步骤1，实验前准备；步骤2，初始化设置；每次记录的影像首先在软件中进行初始值设置；步骤3，开启高速摄影机，进行一次摆动运动小球的运动测试，将此次的记录影像传送到电脑中；步骤4，采用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，得到实验结论，完成实验。

【技术特征摘要】
1.一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量方法和系统，包含由底板、垂直支架、背景板、摆动运动小球、高速摄影机、电脑组成，其中，所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述摆动运动小球；所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述摆动运动小球，但是不接触所述摆动运动小球；所述高速摄像机正对于所述背景板的板面和所述摆动运动小球，所述高速摄像机拍摄所述摆动运动小球的摆动运动；所述电脑获取所述高速摄像机拍摄的所述摆动运动小球的摆动运动图像；其包含三个步骤：步骤1，实验前准备；步骤2，初始化设置；每次记录的影像首先在软件中进行初始值设置；步骤3，开启高速摄影机，进行一次摆动运动小球的运动测试，将此次的记录影像传送到电脑中；步骤4，采用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，得到实验结论，完成实验。2.根据权利要求1所述的采用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，包含：步骤4.1，获取摆动运动小球的高低点变化频率、到达最大点的位置和时间；按照所述步骤1的初始化设置将影像中每帧图片都提取保存到临时目录中，按照前后顺序进行图片的自动编号，通过所述编号得到摆动运动小球的高低点变化频率、到达最高点的位置和时间；步骤4.2，获取摆动运动小球的实时运动位置；通过图像模式识别，识别出摆动运动小球的中心，并通过背景板上面二维平面坐标系网格，将摆动运动小球的中心点在二维坐标系的位置准确识别并记录，得到所有帧数图片中摆动运动小球中心点的二维坐标值，将所有图片中摆动运动小球中心点的二维坐标值保存，获得摆动运动小球的实时运动位置；步骤4.3，获取每次实验中摆动运动小球运动的时间；找到位置变化的第一个数值，所述第一个数值的前一个位置为开始时间和位置；当摆动运动小球从开始摆动运动最终达到垂直静止时刻，当摆动运动小球连续n次的停止位置都没有变化，就把这n次没有变化的数值作为停止时刻位置，找到第一个没有变化的位置就是结束的时间和位置；将摆动运动小球运动的开始时间和结束时间顺序保存，就是摆动运动小球的运动一次的完整位置数据，每组位置数据的时间间隔就是固定帧数的时间间隔与图像帧数的乘积。3.根据权利要求2所述用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，还包含：通过软件绘图功能，动态的复原摆动运动小球完整的运动过程，直观的进行演示。4.根据权利要求2所述的用用计算机计算机技术，根据所述记录影像，得到实验需求的实验数据，还包含：通过软件分析计算出结果后，保留得到的数据，按照事先设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩嘉言，
申请(专利权)人：韩嘉言，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23