一种乒乓球旋转角速度的估计方法技术

本发明专利技术涉及智能控制的技术领域，公开了一种乒乓球旋转角速度的估计方法，包括S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔

【技术实现步骤摘要】
一种乒乓球旋转角速度的估计方法


[0001]本专利技术属于智能控制的
，具体涉及一种乒乓球旋转角速度的估计方法。

技术介绍

[0002]乒乓球是我国的国球，具有广泛地群众基础和应用市场。旋转是乒乓球这项运动的一个重要属性，定量获乒乓球在飞行过程中的旋转角速度显得尤为重要，其不仅有利于乒乓球比赛的分析以及乒乓球技战术水平的理解与提升，同时可以应用于乒乓球对打机器人，提高对打机器人的回球成功率。对于乒乓球旋转估计的研究，现阶段主要公开了以下几种方法：
[0003](1)专利CN110941795A利用乒乓球在空中飞行的轨迹进行估计，该方法的问题在于乒乓球的位置信息存在一定的波动，旋转速度对乒乓球飞行轨迹的影响容易淹没在这些误差中而使结果具有较大误差，无法实现精准估计；
[0004](2)专利CN103019024A公开一种利用两自由度云台上的长焦摄像机跟踪乒乓球，并通过乒乓球上的商标的识别定位实现实时对乒乓球旋转信息观测和分析，该方法的问题在于系统复杂，成本高，同时乒乓球商标不规则，不易被识别且容易被遮挡，导致估计失效。
[0005](3)专利CN112245893A公开的测量乒乓球旋转速度的方法和装置，其主要保护的是通过减小图像范围，提高图像帧率至3000fps左右的方法对环境和设备要求苛刻，成本高，不具有实用性，同时也没有公开主方向夹角计算方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种乒乓球旋转角速度的估计方法，通过选用双色乒乓球、设计合理的相机布局和采用有效的旋转角速度大小和方向的计算方法，既提高了的乒乓球旋转估计的精度，又节省了成本，增加了实用性，解决了现阶段乒乓球旋转角速度计算需要帧率较高的采集相机、成本高等技术问题。
[0007]本专利技术可通过以下技术方案实现：
[0008]一种乒乓球旋转角速度的估计方法，包括以下步骤：
[0009]S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔
△
T时间的两帧相机图像；
[0010]S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；
[0011]S3、依据几何处理算法，对两帧所述相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；
[0012]S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。
[0013]进一步，所述基准三维坐标系的原点为双色乒乓球的球心，其Z轴方向垂直于双色乒乓球的颜色分界赤道面，所述颜色分界赤道面垂直于球桌面，其Y轴方向处于相机图像所在的平面内，而X轴方向则由右手原则确定，
[0014]设双色乒乓球先绕自身的X轴方向旋转a角度，再绕自身的Y轴方向旋转b角度，依
据矩阵旋转变换求解获得此时双色乒乓球的姿态矩阵R为
[0015]进一步，依据几何处理算法，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵的方法包括：
[0016]选择相机图像中双色乒乓球中面积较小的颜色区域做最小外接任意角度矩形求解，获得最小外接矩形，再计算所述最小外接矩形与竖直方向的夹角即为a角度；
[0017]采用相机图像中双色乒乓球中颜色的面积比值进行求解，不妨设相机图像中双色乒乓球的两种颜色的面积比值为其中，S1、S2分别表示两种颜色各自对应的面积，依据面积投影定理得到b角度与面积比值k的约束关系为从而通过方程式求解得到绕自身Y轴旋转角度
[0018]进一步，记两个姿态矩阵的表达式分别为R1＝[P
i
]，R2＝[Q
i
]，其中，i＝1.2.3，P
i
、Q
i
分别表示对应姿态矩阵的其中一个三维分量，
[0019]则双色乒乓球的旋转角速度的方向为矢量N
r
＝P
i
×
Q
i
所指示的方向；
[0020]双色乒乓球的旋转角速度的大小
[0021]进一步，所述双色乒乓球的两种颜色在HSV空间的色调之差大于90
°
。
[0022]进一步，采用两个相机进行两帧相机图像的采集，先启动其中一个相机采集一帧相机图像，间隔
△
T时间，再启动另一个相机采集另一帧相机图像。
[0023]一种基于上文所述的乒乓球旋转角速度的估计方法的乒乓球旋转角速度的估计装置，包括采集模块、数据处理模块和显示模块，
[0024]所述采集模块包括设置在球桌一侧且靠近球网位置的两个相机，用于采集双色乒乓球通过球网前后、间隔
△
T时间的两帧相机图像；
[0025]所述数据处理模块用于构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵，并依据几何处理算法求解两帧相机图像拍摄时双色乒乓球的分别对应的实际姿态矩阵，再根据两个实际姿态矩阵，求解获取双色乒乓球的角速度大小和方向；
[0026]所述显示模块用于对采集模块的采集结果、数据处理模块的处理结果进行显示。
[0027]进一步，一个所述相机处于球网的一侧，另一个所述相机处于球网的另一侧，所述双色乒乓球在相机图像中所包含的像素点个数占总像素点数的万分之二至万分之五。
[0028]本专利技术有益的技术效果如下：
[0029](1)使用两个低帧率相机采用硬件间隔触发的方式解决乒乓球高速旋转拍摄对单个相机的高帧率要求，降低对采集设备的成本要求，从而具有较强的实用性；
[0030](2)采用双色乒乓球进行姿态估计，在不改造乒乓球整体结构的基础上，利用颜色分割尽可能地提高了乒乓球姿态检测的精度，降低了的运算成本。
[0031](3)采用几何关系计算获得双色乒乓球的姿态矩阵中两个角度参数的计算，即利用双色乒乓球中面积较小区域的最小外接任意角度矩形的方式完成乒乓球一个方向上的
旋转角度估计；利用双色乒乓球中两种颜色面积的比值完成乒乓球另一个方向上的旋转角度的估计；最后利用两个相机间隔触发的姿态估计进行差分处理，完成双色乒乓球旋转角速度的大小和方向的定量估计，其计算过程相对简单，计算速度较快，具体较好的实时性，完全可以满足当前各种发球机器人的控制要求，能够有效扩大应用范围。
附图说明
[0032]图1是本专利技术的整体流程示意图；
[0033]图2是本专利技术的两个相机设置在球桌上的状态示意图；
[0034]图3是本专利技术的双色乒乓球的基准三维坐标系建立的示意图；
[0035]图4是本专利技术的双色乒乓球在某一实际飞行状态下的坐标系示意图；
[0036]图5是本专利技术的双色乒乓球在某一实际飞行状态下的最小外接任意角度矩形的示意图；
[0037]图6是本专利技术的试验用双色乒乓球实际的拍摄得到两帧相机图像示意图。
具体实施方式
[0038]下面结合附图及较佳实施例详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0039]乒乓球飞行时的旋转角速度的大小和方向的定量估计一直是乒乓球领域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于包括以下步骤：S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔
△
T时间的两帧相机图像；S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；S3、依据几何处理算法，对两帧所述相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。2.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于：所述基准三维坐标系的原点为双色乒乓球的球心，其Z轴方向垂直于双色乒乓球的颜色分界赤道面，所述颜色分界赤道面垂直于球桌面，其Y轴方向处于相机图像所在的平面内，而X轴方向则由右手原则确定，设双色乒乓球先绕自身的X轴方向旋转a角度，再绕自身的Y轴方向旋转b角度，依据矩阵旋转变换求解获得此时双色乒乓球的姿态矩阵R为3.根据权利要求2所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于依据几何处理算法，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵的方法包括：选择相机图像中双色乒乓球中面积较小的颜色区域做最小外接任意角度矩形求解，获得最小外接矩形，再计算所述最小外接矩形与竖直方向的夹角即为a角度；采用相机图像中双色乒乓球中颜色的面积比值进行求解，不妨设相机图像中双色乒乓球的两种颜色的面积比值为其中，S1、S2分别表示两种颜色各自对应的面积，依据面积投影定理得到b角度与面积比值k的约束关系为从而通过方程式求解得到绕自身Y轴旋转角度4.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于：记两个姿态矩阵的表达式分别为R1＝[P
i
]，R2＝[Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：任杰，
申请(专利权)人：上海体育学院，
类型：发明
国别省市：