[发明专利]用于视觉方法测量高尔夫球运动参数的球面标记

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于视觉方法测量高尔夫球位姿的球面标记。 

背景技术

随着高尔夫运动的发展及高尔夫爱好者数量的增加，促进了高尔夫模拟器市场的发展，其具有全天候、全年娱乐，不受到天气和季节的影响,足不出户就能体验高尔夫运动带来的乐趣，可以缩短打球时间，迅速提高球技等优点，使得高尔夫模拟器深受人们喜爱。高尔夫模拟器主要由两部分组成：高尔夫球飞行参数测量部分，即传感器；高尔夫球场三维模拟及显示部分。常用的传感器的种类主要有以下几种：红外传感器、光电传感器、激光传感器、高速摄影传感器、雷达传感器等，其中单目视觉测量系统具有结构简单、标定方便、成本低、视场范围大等优点。球体是回转体，其本身没有任何表示位姿的特征信息，因此需要设计一种用于单目视觉系统中高尔夫球位姿测量的球面标记，根据基于靶标的位姿测量原理和PnP理论，为系统提供必要的特征点信息。 

发明内容

本发明根据PnP问题理论提出了一种新的高尔夫球位姿测量球面标记，解决了基于特征靶标的位姿测量方法在高尔夫球位姿测量中的应用问题，简化了球面标记设计。 

本发明采用了一下设计方案：用3个大圆对球面进行划分，其交点和在球面的弧线作为标记粘贴的基准，标记由6个三角形组成，限制三角形标记区域的大小，并使其按照一定规律分布在高尔夫球表面，每个三角形中的一个点位于球面特殊的位置，根据两点间的距离和位置关系可确定每个三角形区域中另外的两点在目标坐标系下的坐标。 

为方便标记的制作，标记中的4个相似钝角三角形的钝角为135°，其三条边的比例为 三角形的钝角顶点粘贴在目标坐标系的x轴和y轴与球面的4个交点处，最短边沿大圆弧线粘贴，且最短边的另一个顶点靠近z轴正向与球面的交点；直角三角形三条边的比例为，直角顶点粘贴在目标坐标系z轴与球面的两个交点处，两条直角边沿大圆弧线粘贴。 

以3个大圆的交点为基准点，6个三角形标记各顶点到基准点的距离不大于大圆弧长的1/8，保证在高尔夫球处于任意姿态下，单目视觉测量系统能获取到至少一个完整的近似三角形区域，能提取的角点数目不少于3个。6个三角形中的钝角顶点和直角顶点处于特殊的位置，其目标坐标系的坐标为已知，根据每个三角形中另外两点到钝角或直角顶点的距离和方位确定出目标坐标系下的坐标。 

本发明具有以下优点： 

1.当高尔夫球处于任意姿态时，单目视觉系统都能提取到一个完整的三角形标记区域，能获取到足够的特征点数目。 

2.在测量高尔夫球运动参数时，对两幅图像中提取的特征点是否相同没有要求，可分别用各自图像中的特征点求解出相应时刻的位姿，进而求解出高尔夫球的运动参数。 

3.标记三角形具有特殊的形状和角度，制作简单方便。 

附图说明

图1为高尔夫球标记粘贴基准点和目标坐标系 

图2为三角形标记 

图3为高尔夫球粘贴标记效果图 

图4是利用本发明测量高尔夫球运动参数流程示意图 

具体实施方式

本发明为一种球面标记，用于视觉测量方法中高尔夫球运动参数的测量，如图1所示，首先对高尔夫球面进行划分，使用3个互相垂直的大圆对球面进行划分，圆弧在球面的6个交点作为标记粘贴的基准点，并建立固连在球体上的目标坐标系，6个基准点分别为目标坐标系中x轴、y轴和z轴与球面的交点。球面标记由6个三角形组成，如图2所示，各个标记三角形中最大角对应的顶点位于基准点处，最短边沿大圆弧分布，此时可以确定出标记各个角点在目标坐标系中的坐标值(x_t，y_t，z_t)。高尔夫球粘贴标记后效果如图3所示。 

单目视觉测量系统获取每一帧图像并提取特征点后，需要系统识别特征点，以确定各个特征点的坐标值(x_ti，y_ti，z_ti)，首先获取图像中特征点坐标(x_i，y_i)，球心的坐标(x_b，y_b)及半径R，在球心处添加一个辅助坐标系，使X_AO_AY_A平面与像平面平行，Z_A轴正向指向像平面，此时球心的坐标可表示为(x_b，y_b，0)，根据球面上每一点到球心的距离都是半径R，可以根据式(1)计算各特征点在辅助坐标系下的Z坐标。