[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

说明书

本发明公开了一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统和方法，本发明针对现有判断球类落点的系统安装复杂、设备和运行成本高、普适性差、难推广以及过程复杂等问题，研发出了一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统，其成本低廉、安装便利且普适性强；用户在训练或者比赛时，球场周围的摄像机将视频数据拍摄并上传至云服务器、云端接收到数据后自动进行视频的分割和处理并得到落点坐标，利用落点坐标生成动画，最后将落点坐标和动画一起返回给用户。

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其是一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统和方法。

背景技术

体育一直以来都是最吸引人、受众面最广也是最有市场的领域之一，人们在体育方面的需求是非常巨大的，但由于科技等因素制约使得体育比赛中经常出现很多的争议判罚。本世纪初，英国“鹰眼”公司的鹰眼系统的诞生稍许改变了这一现状，但现有“鹰眼”公司的系统价格十分昂贵，就网球项目而言，一般每个球场租借一周费用超10万美元，使其无法使用在低级别赛事、高校体育赛事或体育训练中，从而无法弥补基层教练员、裁判员的不足以及无法满足普通大众对于高科技比赛的渴求。因此，开发新的技术，大幅降低系统的安装和运行成本，使本系统在每个训练场、在每项运动中都发挥作用，具有广泛的应用前景，也是非常必要的。同时通过此系统来帮助运动员训练，进行球速、发球点、击球点等统计和分析，会大大提升运动员训练效果，提高运动水平。

上文提到的鹰眼系统是在2001年开发出来的，目前被高级别赛事使用，整个系统都非常的精密。其系统由8-12个环绕球场一周的超高分辨率灰度高速摄像机(2000fps，运行峰值可达2500fps)、四台计算机以及展示用的大屏幕组成；首先其借助计算机将摄像机拍摄到的画面三维合成并将合成的立体空间划分成以毫米计算的测量单位，其次利用其中三台摄像机从不同角度捕捉球的飞行轨迹并利用计算机合成其三维空间内的运动轨迹，再利用即时成像技术将球运行轨迹和落点展示在大屏幕上。

虽然英国“鹰眼”公司的系统非常精密而且完善，但其高昂的价格使得其仅适用于最高级别赛事。首先，其每一台高速摄像机的造价就超过了2万美元，且整个系统采用了8个以上的摄像机；其次，由于其采用本地存储的方式，对现场计算机硬件要求较高，且由于其采用滚动覆盖存储的方式，同一场比赛中较早的视频会被覆盖，导致无法查询；同时，由于其系统可移植性较差，整个系统的安装成本都非常的高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统和方法，能够判断球类落点并利用落点坐标生成动画，将落点坐标和动画一起返回给用户，成本低廉、安装便利且普适性强。

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用单摄像机精准判断球类落点的系统，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。

优选的，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)