本發(fā)明涉及應(yīng)用于體育比賽中的攝像機三維空間標(biāo)定，屬于體育現(xiàn)場測量研究領(lǐng)域，尤其涉及一種體育中的三維攝像便攜標(biāo)定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：錄像解析是體育科研中常用的研究手段，通過對運動技術(shù)圖像的解析可以在不影響正常比賽和訓(xùn)練的前提下，較真實地獲得運動員比賽時的運動學(xué)參數(shù)。對攝像機進行準(zhǔn)確的三維空間標(biāo)定是錄像解析的前提。目前國內(nèi)外的運動生物力學(xué)研究領(lǐng)域中，目前體育科研領(lǐng)域的研究主要使用的標(biāo)定方法是基于三維輻射狀框架的傳統(tǒng)攝像機標(biāo)定，然后將標(biāo)定過的二維數(shù)據(jù)經(jīng)過直接線性變換(DirectLinearTransformation，DLT)后，獲得三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通常在測量現(xiàn)場使用固定的標(biāo)準(zhǔn)框架來對所使用的攝像機進行標(biāo)定，它為輻射狀由八只可拆卸標(biāo)桿組成。這種方法在實際應(yīng)用中有較大的局限性，尤其是在比賽和訓(xùn)練現(xiàn)場進行標(biāo)定時，這些限制會更突出，局限性如下：首先對實際測量的標(biāo)定范圍有限，無法對大范圍運動項目進行有效的標(biāo)定，甚至有時因比賽現(xiàn)場拍攝位置的特殊性而導(dǎo)致無法測量；其次隨著使用時間的增長，框架會因自身形變等原因而導(dǎo)致測量誤差的增大；再次這種框架相對比較笨重，攜帶不方便，在體育比賽現(xiàn)場安裝時費時費力；最后在標(biāo)定時還需要人工對框架的標(biāo)記點進行識別，從而會大大增加標(biāo)定的時間。以上問題對體育科學(xué)研究造成了一定的影響，因此需要一種新的方法替代傳統(tǒng)的三維立體框架標(biāo)定，以達到在標(biāo)定時方便、快捷、有效的目的。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明采用平面圖形標(biāo)定法。平面標(biāo)定法就是利用多個成像平面對目標(biāo)的位置進行分析，選擇合適的成像平面對目標(biāo)進行位置的確定。每個平面的成像都是不同的，由于每個平面的成像都是在運動的，所以需要在攝像機與目標(biāo)之間的平面內(nèi)找到某幾個點，來分析目標(biāo)與攝像機之間的成像規(guī)律，然后根據(jù)這一規(guī)律對目標(biāo)進行標(biāo)定。由于對物體的標(biāo)定會受到這些點的影響，隨著目標(biāo)的不斷運動，攝像機與目標(biāo)之間平面內(nèi)的點就會越來越多，因而物體標(biāo)定的準(zhǔn)確度也就越來越高，從而為攝像機標(biāo)定提供了可靠的信息支持，并會減少攝像機標(biāo)定的成本，提高了標(biāo)定的效率。相比三維立體標(biāo)定法，平面標(biāo)定的精確度更高，標(biāo)定所用的時間相對較短，長時間使用后不會發(fā)生形變，而且攜帶方便，成本較低，所以平面標(biāo)定法在體育測量研究領(lǐng)域中值得推廣。攝像機模型三維重建的過程需要通過攝像機獲取數(shù)據(jù)，因此需要先了解清楚攝像機的工作原理。通過攝像機，三維空間中的點能夠映射到成像平面也就是二維圖像上，其中映射關(guān)系可以用矩陣來表示。xy=MXYZ---(1)]]>其中(x，y)t為攝像機成像平面中的點，(X，Y，Z)t為三維空間中的點，相較二維圖像信息多了一個深度信息Z。矩陣M表示三維信息與二維信息之間的映射關(guān)系矩陣。三維信息與二維信息之間的映射關(guān)系矩陣M定義為攝像機參數(shù)，M中的各參數(shù)由實驗和計算確定，求解各參數(shù)的過程稱為攝像機標(biāo)定。為求解上述矩陣各元素的變換關(guān)系，需建立攝像機的幾何成像模型。針孔攝像機模型，又稱為線性模型，是目前最簡單同時也是最常用的攝像機成像模型。針孔攝像機模型在攝像機成像幾何模型中，需要涉及如下三個坐標(biāo)系：1)圖像坐標(biāo)系：以圖像原點建立的以像素為單位的像素坐標(biāo)系。像素的橫坐標(biāo)u和縱坐標(biāo)v分別是該像素所在圖像中的像素的列數(shù)與行數(shù)。sx和sy分別表示數(shù)字圖像一個像素的長和寬，也就是物理長度。如確定sx和sy就能得到以物理單位(如毫米)表示的圖像坐標(biāo)系。圖1的針孔攝像機模型中，xscsys坐標(biāo)系即為圖像坐標(biāo)系，圖像坐標(biāo)系所在的平面稱為成像平面。點p是成像平面上的一個像素點。2)攝像機坐標(biāo)系：與圖像坐標(biāo)系不同的是，攝像機坐標(biāo)系是三維坐標(biāo)系。原點為攝像機光心，zc軸為攝像機光軸，與成像平面垂直，xc與yc軸分別與圖像坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)軸平行。攝像機坐標(biāo)只表示攝像機內(nèi)部的坐標(biāo)關(guān)系，所以與攝像機位置無關(guān)。圖1中，Ocxcyczc坐標(biāo)系為攝像機坐標(biāo)系。點pc為三維空間中一個點，其成像點在成像平面上為點p。3)世界坐標(biāo)系：由于攝像機坐標(biāo)系只能描述攝像機內(nèi)部的坐標(biāo)關(guān)系，所以還需要引入一個表示攝像機位置的坐標(biāo)系，也就是世界坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系的選取一般都是為了計算或者表示方便，所以并不是固定的。在雙目或者多目重建時，選擇其中一個攝像機坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系，也選擇參照物建立世界坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系是一個三維坐標(biāo)系，其原點為Ow，坐標(biāo)軸分別為xw，yw，zw。以像素為單位圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(u，v)T是像素點坐標(biāo)，單位是像素，而不是物理長度坐標(biāo)。使用的時候需要物理長度坐標(biāo)(xs，ys)T，那么采用公式(2)計算。u=xssx+u0,v=yssy+v0---(1)]]>其中，u0和v0是圖像中心偏移量。因為以像素為單位的圖像坐標(biāo)系原點一般是圖像的左上角，而以物理長度為單位的圖像坐標(biāo)系時，一般以成像平面與光軸交點作為原點，這個交點的坐標(biāo)為(u0，v0)t，所以可以用u0和v0作為偏移量給出。公式(1)用齊次坐標(biāo)形式寫出如下：uv1=1sx0u001syv0001xsys1---(2)]]>另外根據(jù)相似三角形原理，得到在攝像機坐標(biāo)系下，成像點所對應(yīng)的空間點坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)變換關(guān)系：1zcxcyczc=1fxsys1---(3)]]>其中f為攝像機焦長度，即光心Oc到成像平面xscsys的距離。根據(jù)公式(1)，將公式(3)用齊次坐標(biāo)表示如下：zcuv1=1sx0u001syv0001f0000f000010xcyczc1---(4)]]>攝像機坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系都是采用物理長度單位，兩者之間的變換關(guān)系可以用旋轉(zhuǎn)矩陣R和向量t來描述。世界坐標(biāo)系空間中一點P的坐標(biāo)為(xw，yw，zw，1)T，在攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xc，yc，zc，1)T，那么則有如下關(guān)系：xcyczc1=Rt0T1xwywzw1---(5)]]>其中，旋轉(zhuǎn)矩陣R是3×3的正交單位矩陣，t是3×1的平移向量，O是1×3的零向量。根據(jù)公式(4)和(5)推導(dǎo)出從世界坐標(biāo)系中坐標(biāo)點對應(yīng)的圖像坐標(biāo)系中坐標(biāo)關(guān)系：zcuv1=1sx0u001syv0001f0000f000010Rt0T1xwywzw1=αx0u000αyv000010Rt0T1xwywzw1=MIMEX=MX---(6)]]>其中，αx＝f/sx，αy＝f/sy，M是3×4矩陣，稱為投影矩陣；由上式可以看出MI完全由αx、αy、u0、v0決定，上述參數(shù)只與攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與攝像機位置姿態(tài)外部因素?zé)o關(guān)，因此稱之為內(nèi)部參數(shù)，簡稱內(nèi)參；ME完全由攝像機相對于世界坐標(biāo)系的位置姿態(tài)決定，因此稱為攝像機的外部參數(shù)，簡稱外參。攝像機標(biāo)定就是確定攝像機的內(nèi)外參數(shù)的過程。攝像機標(biāo)定攝像機標(biāo)定是三維重建的第一步，通過攝像機標(biāo)定得到攝像機內(nèi)外參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù)。標(biāo)定過程非常重要，如果標(biāo)定得到的結(jié)果不夠精確，后面的重建會受很大影響。通用的標(biāo)定方法有DLT方法、Tsai定標(biāo)方法、張正友標(biāo)定法。張正友標(biāo)定法，又稱棋盤格標(biāo)定法，是目前領(lǐng)域內(nèi)廣泛認可并采用的標(biāo)定方法。標(biāo)定的過程需要對一個已知尺寸參數(shù)的棋盤格平面進行多角度拍照，利用得到的多幅圖像求解攝像機參數(shù)，如圖3所示。令u＝(u，v，1)T，X＝(xw，yw，zw，1)T，對式(6)進行以下改寫：zcu=αx0u00αyv0001RtX=ARtX---(7)]]>其中A是3×3矩陣，即攝像機的內(nèi)參數(shù)矩陣。[Rt]是3×4矩陣，即攝像機的外參數(shù)矩陣，包括平移向量(3×1矩陣)和旋轉(zhuǎn)矩陣(3×3矩陣)。公式簡化如下：zcu＝HX(8)其中H＝A[r1r2t]，為3×3矩陣。這是因為所用的棋盤格為平面，選取世界坐標(biāo)系zw＝0，旋轉(zhuǎn)向量就只剩下r1和r2兩個列向量。H稱為單應(yīng)性矩陣，該矩陣表示三維空間中在一個平面上的點和攝像機成像平面上點之間的變換關(guān)系。成像平面上的像點選取棋盤格的內(nèi)部角點，其坐標(biāo)通過圖像處理的方式得到，三維空間點坐標(biāo)根據(jù)棋盤格尺寸參數(shù)確定。這樣，每張圖片對應(yīng)一個單應(yīng)矩陣。把單應(yīng)矩陣用三個列向量形式表示，并且為了更具有普適性，加入尺度縮放因子，則有：H＝[h1h2h3]＝λA[r1r2t](9)其中λ就是加入的尺度縮放因子。由于R是旋轉(zhuǎn)矩陣，是單位正交矩陣，因此r1和r2是相互正交的。A是攝像機內(nèi)參數(shù)矩陣，是可逆的，有：h1TA-TA-1h2=0---(10)]]>h1TA-TA-1h1=h2TA-TA-1h2---(11)]]>令：B=A-TA-1=B11B12B13B21B22B23B31B32B33---(12)]]>因為B矩陣是一個對稱矩陣，所以又用一個6維向量來表示：b＝(B11，B12，B22，B13，B23，B33)T(13)令H矩陣的第i列向量為：hi＝(hi1，hi2，hi3)T(14)則有：hiTBhj=vijTb---(15)]]>其中：vij＝[hi1hj1，hi1hj2+hi2hj1，hi2hj2，hi3hj1+hi1hj3，hi3hj2+hi2hj3，hi3hj3]T(16)最后，根據(jù)內(nèi)參數(shù)限制條件(10)、(11)得：v12T(v11-v22)Tb=0---(17)]]>內(nèi)參數(shù)限制條件中的h1和h2通過單應(yīng)矩陣求得。單應(yīng)矩陣H為3×3矩陣，共有9個參數(shù)，其中一個是尺度因子，只需要求解8個參數(shù)。每個視場對應(yīng)一個單應(yīng)矩陣，只需要提供四個角點信息即可求解，每個角點的x和y坐標(biāo)提供一個方程?？梢?，每張照片對應(yīng)兩個方程組，攝像機內(nèi)參數(shù)共有5個未知數(shù)，只要提供多于3張照片即可求得。當(dāng)標(biāo)定拍照圖像較多時，采用列文伯格-馬夸爾特迭代算法進行優(yōu)化求解。當(dāng)求解出b向量后，根據(jù)(10)反求解出攝像機內(nèi)參數(shù)矩陣A。當(dāng)求解出矩陣A后，進而計算出攝像機的外參數(shù)：r1=λA-1h1r2=λA-1h2r3=r1×r2t=λA-1h3---(18)]]>通過上面的過程，就可以求解出攝像機的內(nèi)外參數(shù)，進一步就可以求出畸變參數(shù)。附圖說明圖1針孔攝像機模型圖2圖像坐標(biāo)系圖3標(biāo)定所用的棋盤格圖4平面標(biāo)定系統(tǒng)組成圖5平面標(biāo)定技術(shù)路線圖圖6整體流程圖具體實施方式如圖4-6所示，基于平面圖形的三維空間標(biāo)定系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：自制的平面標(biāo)定板、攝像機(至少兩臺)、標(biāo)定軟件和筆記本電腦。第一步，用左右兩臺不同方位的攝像機對標(biāo)定物及被標(biāo)定物拍攝并獲取圖像；第二步，對左右兩臺攝像機獲取的圖像進行處理后，從中對特征點進行提取和匹配，進而獲得攝像機的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)；第三步，利用兩種方法的測量原理，通過特征點及攝像機的內(nèi)外參數(shù)，計算得到被標(biāo)定物位于三維空間的信息。平面棋盤格標(biāo)定攝像機擺放位置及攝像機參數(shù)設(shè)置與傳統(tǒng)方法中相同，分別對標(biāo)準(zhǔn)一米板、平面棋盤格標(biāo)定板進行拍攝，拍攝時先分別通過左右兩臺攝像機單獨拍攝若干張置于圖像中心的棋盤格標(biāo)定板不同角度的圖像，之后再通過左右兩機同時拍攝若干張棋盤格標(biāo)定板不同角度的圖像和在空間范圍內(nèi)不同位置移動的標(biāo)準(zhǔn)一米板的圖像，對拍攝后的圖像進行圖像處理，通過自編系統(tǒng)自動提取圖像特征點并與標(biāo)定板特征點進行匹配，系統(tǒng)自動求出左右攝像機內(nèi)參數(shù)與外參數(shù)，得到相應(yīng)的參數(shù)文件之后進行雙目標(biāo)定，得出棋盤格標(biāo)定板每個格子的長度與標(biāo)準(zhǔn)長度的差值以及重建長度的分布數(shù)據(jù)，利用軟件得到左右兩臺攝像機拍攝畫面的標(biāo)準(zhǔn)一米板四個端點A、B、C、D所對應(yīng)的二維投影坐標(biāo)信息后，可由系統(tǒng)重建得到一米板四個端點A、B、C、D的三維坐標(biāo)值，從而通過計算可以得到AB、CD之間的三維重建距離。在五米、十米以及三十米的拍攝距離下，對傳統(tǒng)標(biāo)定方法和平面棋盤格標(biāo)定方法進行了對比實驗，通過對標(biāo)準(zhǔn)一米板進行標(biāo)定重建，對其重建的結(jié)果進行精度誤差比較。實驗測量距離在五米、十米及三十米時，對一米板用三維立體框架及平面棋盤格標(biāo)定板兩種標(biāo)定物分別標(biāo)定，選取對一米板標(biāo)定后的實際測量值與標(biāo)準(zhǔn)值絕對誤差進行組間差異分析。如下表1所示，對兩種標(biāo)定物測量得到的多組重建結(jié)果的平均值比較。表1兩種標(biāo)定物三種拍攝距離下測量值與標(biāo)準(zhǔn)值絕對誤差的組間差異注：N為拍攝組數(shù)，絕對誤差均值、標(biāo)準(zhǔn)差單位為mm使用獨立樣本T檢驗，比較三維立體框架和平面棋盤格兩種不同標(biāo)定物對一米板測量值與標(biāo)準(zhǔn)值絕對誤差的差異。結(jié)果表明，平面棋盤格標(biāo)定相比三維立體框架的測試結(jié)果誤差更小，檢驗結(jié)果顯示具有非常顯著性差異(P<0.01)，即在三種拍攝距離下標(biāo)定，使用平面棋盤格標(biāo)定法比使用傳統(tǒng)三維立體框架標(biāo)定法的精度更高，相對誤差更小。當(dāng)前第1頁1 2 3