一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法技术

本发明专利技术体育运动领域，尤其涉及一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法。本发明专利技术提出了一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法。通过两台相机，在不同的方位同时捕获网球飞行时在照片中的轨迹点，将捕获到的一系列轨迹点映射到同一个物理坐标系下，然后根据网球飞行的运动方程求解出网球最终的飞行轨迹方程。根据此轨迹方程，可以计算出该轨迹的各项数据，比如出手位置的三维坐标，出手速度和角度，过网的位置和高度以及过网速度，任意时刻的位置和速度，球落地点的位置等等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法
本专利技术体育运动领域，尤其涉及一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法。
技术介绍
在网球运动中，为对训练和比赛进行各种技术分析和评测，需要获得网球飞行的轨迹，并在此基础上计算出该轨迹的各项数据，比如出手位置的三维坐标，出手速度和角度，过网的位置和高度以及过网速度，任意时刻的位置和速度，球落地点的位置等等。目前还没有一种方法能够计算出网球的飞行轨迹并计算出上述的数据。申请号为2020101423827的专利技术专利《一种确定受空气阻力的空中物体飞行轨迹的方法》提出了一种确定受空气阻力的空中物体飞行轨迹的方法，但是网球在飞行过程中不仅受到空气的阻力，还受到自身的旋转力，而旋转力也会对其飞行轨迹及各项数据产生影响，因而该方法并不适用于确定网球的飞行轨迹。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法。它能计算出网球飞行的轨迹，并在此基础上计算出各项数据，比如出手位置的三维坐标，出手速度和角度，过网的位置和高度以及过网速度，球落地点的位置等等。本专利技术通过两台相机，在不同的方位同时捕获网球飞行中的轨迹，将捕获到的一系列轨迹点映射到同一个坐标系下，然后根据网球飞行的运动方程求解出网球最终的飞行轨迹方程。根据此轨迹方程，可以计算出该轨迹的各项数据，比如出手位置的三维坐标，出手速度和角度，过网的位置和高度以及过网速度，任意时刻的位置和速度，球落地点的位置等等。本专利技术的内容是在申请号为2020101423827的专利技术专利《一种确定受空气阻力的空中物体飞行轨迹的方法》的基础上，通过确定受空气阻力和自身旋转力的空中物体的运动方程来完成的。具体实施方式为对网球进行力学分析，首先我们建立坐标系，取垂直地面向上的方向为Z轴正方向，沿着球初始出发且垂直于Z轴的方向为X轴正方向，坐标系原点在地面上，再按照右手规则建立Y轴，这样建立起XYZ坐标系。如果没有侧旋转，整个球的飞行轨迹就在X-Z平面上，如果有侧旋转，则会在Y方向上产生一个越来越大的分量(左旋转时产生Y轴正方向上的分量，右旋转时产生Y轴负方向上的分量)。接下来我们对网球进行力学分析，从而建立起网球飞行在该坐标系下的运动方程。网球在飞行过程中主要受到重力，空气浮力，空气阻力和自身旋转力的作用。其中浮力是与重力相反的一种力且大小固定，我们可以将其考虑到重力加速度中而不予单独考虑。这样，就只需要考虑三种力：重力，空气阻力和旋转力。空气阻力的方向与速度相反，其大小与速度的平方成正比，所以空气阻力的大小可以写成：F＝b*v2(b＞0)假设我们让网球自由下落，则其在下落过程中其速度越来越快，受到的阻力越来越大，当阻力与重力相等时，其速度将会恒定不再发生变化，这个速度称为终端速度，我们令这个速度为vT。则有下面分析旋转力。旋转力是由于球的自身旋转所产生的力，当球员击球时，如果球拍与球之间有摩擦，就会产生旋转，从而产生旋转力。旋转力是由于旋转方向与球行进的方向产生的速度差而产生的。如果旋转方向与球的行进方向没有速度差，则不会产生旋转力。比如，当旋转轴与球的行进方向重合时，不会产生旋转力。我们称垂直于球的行进方向的平面为“行进垂平面”。由于上述原因，只有旋转轴投影到该平面上的分量会产生旋转力。当旋转轴与球的行进方向重合时，这个投影分量为0，因而不产生旋转力。因为这个原因，我们可以假设旋转轴就位于“行进垂平面”上。这样，旋转力也位于“行进垂平面”上。当球出发时，速度只有x和z方向的分量，因而“行进垂平面”与y轴平行。在没有侧旋的情况下，不会产生y方向的速度和位移，因而“行进垂平面”始终与y轴平行。在有侧旋的情况下，“行进垂平面”会逐渐与y轴产生越来越大的夹角。假设球出发时，用一个垂直于地面，且过球心，与球的行进方向重合的平面切割行进垂平面，则得到一条直线，取这条直线向下的方向(称为L直线，注意，该直线不一定垂直于地面)，我们用旋转力的方向与该直线夹角θ来确定旋转力的方向，该直线与旋转力向量都位于行进垂平面上。(显然，当θ为0时，是下旋转力，当θ为180°是上旋转力，当θ为90°是右旋转力，当θ为270时是左旋转力。当θ是其它值时，则会产生上下方向和左右方向的分量，即分别形成左上旋转，左下旋转，右上旋转和右下旋转。)我们假设用θ表示的旋转力的方向以及旋转力的大小在飞行过程中均保持不变。(我们只是假设用θ表示的旋转力的方向保持不变，由于行进方向时刻都在发生变化，所以旋转力的实际方向是在时刻发生变化的。)设球出发时，只有X和Z两个方向上的速度：vxi和vzi，而在Y方向的速度为0。同时可以设球的初始位置只有xi和zi两个值，而在y方向的值为0。将力在X，Y，Z三个方向进行分解。重力：永远只有一个Z方向上的分量-m*g。空气阻力：X方向的分量是-b*v^2*vx/|v|。Z方向的分量是-b*v^2|vz|/|v|。注意，vz在上升阶段为正值，下降阶段为负值。Y方向的分量是-b*v^2*vy/|v|。旋转力：球的行进方向是一个三维向量，它等于(vx，vy，vz)。旋转力位于“行进垂平面”上，因而必垂直于该向量。接下来求向量L。向量L是球的行进方向向量向下旋转90°而成的，旋转轴(注意，此旋转轴并不是球旋转的旋转轴，下同)垂直于行进方向向量且水平。设旋转轴向量为(u，v，w)，由于它是水平向量，所以w＝0，由于它是单位向量，所以u^2+v^2＝1。由于它与(vx，vy，vz)正交，所以u*vx+v*vy＝0。球出发时，旋转轴与Y轴平行，vx＞0，vy＝0，我们取旋转轴方向为Y轴正方向，所以v＞0。这样，解得旋转轴向量为而球在旋转轴上，它的坐标是(x，y，z)。因而向量L可求。(注意向下旋转90°时旋转角度是-90°。)而旋转力向量是由向量L旋转θ而成，旋转轴就是行进方向。这样，我们就得到了旋转力的三个分量。在上述力学分析的基础上，我们给出网球的运动方程为：我们称其为问题方程。其中分别是x，y，z的二阶导数，g是重力加速度，vT是终端速度，vx，vy，vz分别是球速在X，Y，Z方向上的分量，fr是旋转力的大小，Fx，Fy，Fz是旋转力单位向量在X，Y，Z方向上的分量。该运动方程由以下参数决定：轨迹的初始位置(xi，0，zi)，初始速度(vx，0，vz)，终端速度vT，重力加速度g，旋转力大小fr，旋转力方向θ。如果以网球场地长边为X轴，垂直地面向上的方向为Z轴，以右手规则建立Y轴，在这样的XYZ坐标系中确定一条网球飞行的轨迹，除了上述参数之外，还需要以下两个参数：在没有侧旋转力的情况下，轨迹位于一个垂直于地面的平面上，我们称为T平面。则这两个参数是：T平面与X-Z平面的夹角φ，以及T平面在Y轴上的截距c。因而确定网球飞行轨迹的问题转变为求解以下参数集的问题：xi，zi，vx，vz，vT，g，fr，θ，φ，c。(问题参数集)...

【技术保护点】
1.一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法，其特征在于，通过两台相机，在不同的方位同时捕获网球飞行时在照片中的轨迹点，将捕获到的一系列轨迹点映射到同一个物理坐标系下，然后根据网球飞行的运动方程求解出网球最终的飞行轨迹方程。根据此轨迹方程，可以计算出该轨迹的各项数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法，其特征在于，通过两台相机，在不同的方位同时捕获网球飞行时在照片中的轨迹点，将捕获到的一系列轨迹点映射到同一个物理坐标系下，然后根据网球飞行的运动方程求解出网球最终的飞行轨迹方程。根据此轨迹方程，可以计算出该轨迹的各项数据。


2.根据权利要求1所述的基于图像处理的确定网球飞行轨迹的方法，其特征在于，使用说明书中载明的问题...

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