[发明专利]一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统和方法

权利要求书

1.一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统，其特征在于，包括：网络传输与存储模块、摄像机部署模块、摄像机标定模块、视频预处理模块、动态追踪模块、判断落点模块、空间坐标转换模块、展示模块和数据加工模块；摄像机部署模块部署在球场周围，采集球体的相应数据；摄像机标定模块对摄像机部署模块采集的数据进行标定处理；视频预处理模块对摄像机标定模块处理后的数据进行视频分割和同步匹配，并去除相应的噪声；动态追踪模块根据视频预处理模块去噪后得到的二值化视频，动态追踪球体，并返回球体每一帧的坐标；判断落点模块根据动态追踪模块得到的每一帧的坐标进行落点判断；空间坐标转换模块根据判断落点模块得到的落点坐标进行必要的计算，得到世界坐标；得到的世界坐标通过展示模块展现给相应的用户使用；数据加工模块通过分析用户累计到一定量的运动数据，将分析结果和改进建议反馈给用户；各个模块之间通过网络传输与存储模块进行网络通信。

2.如权利要求1所述的利用单摄像机精准判断球类落点的系统，其特征在于，摄像机标定模块通过张正友平面标定法得到摄像机内参数矩阵、外参数矩阵和畸变矩阵，具体为：

假设三维世界中的三维点为：M＝[X,Y,Z,1]^T，映射到相机中平面二维点为：m＝[u,v,1]，那么有如下关系：

sm＝A[R,t]M (1)

其中，A为相机的内参数矩阵，R,t分别为旋转和平移矩阵，s是一个缩放因子，A可以表示为

s对于齐次坐标来说，不会改变齐次坐标值，在张氏标定法中，将世界坐标系定在棋盘格平面上，令棋盘格平面为z＝0的平面，所以可以得到：

其中A[r₁,r₂,r₃,t]称为单应性矩阵H，即：

其中H＝[h₁,h₂,h₃]＝λA[r₁,r₂,t]，H是一个齐次矩阵，所以有8个未知参数，至少需要8个方程，每对对应点能提供两个方程，所以至少需要四个对应点，就可以算出世界平面到图像平面的单应性矩阵H；

根据上式可知：

由于旋转矩阵是一个酋矩阵，r₁和r₂标准正交，所以有：

||r₁||||r₂||＝1

即：

每个单应性矩阵可以提供两个方程，而内参数矩阵包含5个参数，所以至少3个单应性矩阵，也就是说我们至少需要三幅棋盘格平面的图像来进行标定，通过改变相机与标定板之间的相对位置可以得到三个不同的图像；

令是一个对称矩阵，所以可以写成一个6维向量形式：

b＝[B₁₁,B₁₂,B₂₂,B₁₃,B₂₃,B₃₃]^T (5)

H矩阵的列向量形式为：h_i＝[h_i1,h_i2,h_i3]^T，所以有：

最后根据内参数限制条件等式(3)和(4)，有

即Vb＝0，其中V是一个2*6矩阵，也就是说每张图片可以建立两个方程组，6个未知数，根据线性代数知识可知，至少需要6个方程组，也就是至少需要三张照片来求解，b矩阵的解出，相机的内参矩阵A也就可以解出，从而可以求出每张图像的R，t；

由之前的推导，可得：

r₃＝r₁×r₂

t＝λA^-1h₃

张正友标定法只关注了影响最大的径向畸变，其数学表达式为：

其中(u，v)是理想无畸变的像素坐标，是实际畸变后的像素坐标，(u₀，v₀)代表主点，(x,y)是理想无畸变的连续图像坐标，是实际畸变后的连续图像坐标，k₁和k₂为前两阶的畸变参数；

化作矩阵形式：

记作：

Dk＝d

可以得到：

k＝[k₁k₂]^T＝(D^TD)^-1D^Td

计算可以得到畸变参数k。