[发明专利]基于图像线元对应的体育运动场地快速检测方法

权利要求书

1.一种基于图像线元对应的体育运动场地快速检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、已知NBA篮球场的标准图以及标准图上主要的线段，记为l_i，i＝1,2,…,11，其中5条水平线段，6条竖直线段，在标准图上建立坐标系，记录每条线段的位置；

步骤2、读入一幅篮球场的图像，记为img，首先将img转化为灰度图像，接着用Canny边缘检测算子处理灰度图像，提取得到二值的边缘图edge_img，再使用霍夫变换算法提取边缘图edge_img上的线段，对提取出来的n条线段按1-n的次序进行编号，把这n条线段记为l_j_img，j＝1,2,…,n；

步骤3、将img上的所有直线挑选四条进行组合，共有种组合来构成四边形，将标准图上的水平线段和竖直线段分别挑两条进行四条线的组合，共有种组合构成矩形；对于img上四边形的每一种组合，遍历标准图上的所有构成矩形的四条线组合来确定对应关系；再考虑顺时针排序带来的四重歧义性，因此满足计算单应矩阵H用的4条直线间的对应可能性的总数目为

步骤4、首先，删除img上对应明显错误的四边形，合理的四边形图像应满足：

(1)img上的2条直线不能重合；

(2)img上4条直线围成的四边形的顶点在图像内；

(3)img上4条直线围成的四边形为凸多边形；

(4)在假设相交点的领域范围内存在真实的角点；

正确对应l_i与l_j_img应满足单应性，如下式所示：

l_j_img＝H^-T×l_i(1)

由于l_i与l_j_img已知，根据公式(1)便可算出单应矩阵H；

步骤5、对一个合理的四边形，首先计算由标准正方形投影成此四边形的单应H_sq，它与正确对应的长方形所形成的单应投影关系如下所示：

H_sq＝H×S(2)

其中S是含有未知长宽比参数τ的3×3矩阵：

S=1000τ0001---(3)]]>

步骤6、根据H_sq，真正由长方形投影而成的单应矩阵H应具有以下形式：

H＝[H_sq₁,τ^-1H_sq₂,H_sq₃] (4)

公式(4)中，H_sq_k，k＝1,2,3表示矩阵H_sq中的第k列，接下来将推导由这个单变量的单应计算出单变量的中心圆，使之满足摄像机中心的长方体边界约束来获得此单变量τ的范围：

对H变形得到一个新的矩阵H'，H'的前两列表示为：

H′=h1h7τ2+h2h8(h2h7-h1h8)τh4h7τ2+h5h8(h5h7-h4h8)τh7h7τ2+h8h80---(5)]]>

这里h_m，m＝1,2,…,9表示单应矩阵H_sq中按行排序的全体元素，中心线的方程通过计算可表示为：

r²H'₃₁H'₁₂x+rH'₃₁H'₂₂y-(r²H'₁₂H'₁₁+H'₂₂H'₂₁)＝0(6)

式(6)中，H'_pq，p,q＝1,2,3表示矩阵H'中的对应元素；r为摄像机内参数中的CCD像素长宽比，因为摄像机主点在图像中心附近，中心线(3)应该和位于图像中心的正方形区域(2)的两条边相交，中心线(3)与正方形区域(2)的两条直线边x＝a₁,x＝a₂分别交于一点，且这两个交点的y坐标应满足大于b₁小于b₂，上述约束可由(6)式变形整理得到：

b1<y1+f1×(x-x1)f2|x=a1,2<b2---(7)]]>

其中四个系数可由前面的已知元素计算而得：

f₁＝(-H'₃₁H'₁₂)，f₂＝(-H'₃₁H'₂₂/r)；

x₁＝H'₁₁H'₃₁，y₁＝H'₂₁/(r×H'₃₁)；

将公式(5)中的H'的元素表达式代入，进一步可化简得到关于τ²的约束：

b1<tτ2+pgτ2+s<b2---(8)]]>

在公式(8)中：

t＝h₄h₇(h₅h₇-h₄h₈)-rah₇h₇(h₂h₇-h₁h₈)；

p＝h₅h₈(h₅h₇-h₄h₈)+(h₂h₇-h₁h₈)(r²-ar²h₈h₈)；

g＝rh₇h₇(h₅h₇-h₄h₈)；

s＝rh₈h₈(h₅h₇-h₄h₈)；

由此得到了中心线与图像中心的正方形相交对未知长宽比参数τ的不等式约束,同理，中心圆上的摄像机中心到CCD图像的垂直距离，即焦距，应在一定的先验范围内也可列出相应的不等式约束，最终可以利用“摄像机中心的长方体边界约束”得到多个关于τ的约束；

步骤7、从标准图上的150个矩形产生的长宽比τ_i中找出满足不等式约束的情况，这意味着这些情况下的单应可能由正确的投影产生的，分别计算其对应的单应矩阵H_i：

H_i＝H_sq×S^-1(9)

计算出H_i后，将标准图上的直线l_i投影到img上,得到假设投影直线L_v：

Lv=Hi-T×li,v=1,2,...,11---(10)]]>

将假设投影直线集合{L_v|v＝1,2,…,11}与真实检测直线集合{l_j_img|j＝1,2,…,n}进行匹配，找到正确的直线投影，若在标准图上有5条以上正确的直线投影，则将标准图上的场地图投影到图像上，通过检测投影图是否与图像的Canny边缘重合来最终确定是否为篮球场地。