基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，屬于計算機視 覺、圖像處理和模式識別領域，適用于圖像檢索、視頻摘要等方面。
【背景技術】
[0002] 如今體育運動種類繁多，互聯(lián)網(wǎng)上關于運動方面的圖片和視頻不計其數(shù)。大量的 圖片使圖片檢索變得困難，這體現(xiàn)在Google、百度等圖片檢索引擎目前還不能夠準確地檢 索出真實的圖片。例如，當用戶輸入"籃球場"時，搜索結果除了包括真實的籃球場圖像外， 還含有籃球場的尺寸圖以及其他與籃球場完全不相關的圖片。這是由于傳統(tǒng)的圖片檢索是 基于文本的檢索，即通過圖片的名字、文字信息和索引關系來實現(xiàn)查詢功能，需要對每一張 圖片進行人工標注，不僅耗費大量的人力，且存在主觀性，可能造成理解差異。
[0003] 為了解決上述問題，研宄人員提出了多種方法以實現(xiàn)基于內容的圖片檢索 (content-based image retrieval)。目前的主流算法以感興趣點的檢測與匹配為基礎，側 重于紋理豐富的自然場景物體，對于體育運動場地這類幾何結構清晰但紋理簡單的物體并 不適用。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種魯棒、快速的平面單應驗證方法以判斷體育場地標準圖 和真實圖像之間平面匹配的正確性，從而完成物體檢測。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是提供了一種基于圖像線元對應的體育運 動場地快速檢測方法，其特征在于，步驟為：
[0006] 第一步、獲得某種運動場地的標準尺寸圖，記錄該標準尺寸圖上由2條水平直線 和2條豎直線所圍成的矩形的所有組合；
[0007] 第二步、獲得運動場地的實際拍攝圖像，提取出實際拍攝圖像的所有直線線段，從 所有直線線段中任意提取4條進行組合圍成四邊形并遍歷所有直線線段，從而得到多組四 邊形的組合；
[0008] 第三步、排除明顯錯誤的四邊形的組合，若任意一組四邊形的組合至少滿足以下 兩個條件之一，則該組四邊形的組合為明顯錯誤的四邊形的組合：條件一、該組四邊形的頂 點不在實際拍攝圖像上；條件二、在該組四邊形假設相交點的鄰域范圍內不存在真實的角 占.
[0009] 第四步、計算每組四邊形的組合與第一步得到的標準尺寸圖上每個矩形的投影對 應關系，該投影對應關系表示為標準尺寸圖上當前矩形與當前四邊形的組合之間計算的附 帶未知矩形長寬比參數(shù)的單應矩陣，再排除不合理的矩形長寬比參數(shù)所對應的單應矩陣， 得到可能正確的單應矩陣；
[0010] 第五步、利用第四步得到的可能正確的單應矩陣，將第一步中的標準尺寸圖中除 矩形外的其他基元投影到第二步獲得的實際拍攝圖像上，若能與實際拍攝圖像上對應的基 元重合，則實際拍攝圖像的運動場地類型與第一步中的標準尺寸圖的運動場地類型相同， 若不能與實際拍攝圖像上對應的基元重合，則實際拍攝圖像的運動場地類型與第一步中的 標準尺寸圖的運動場地類型不同。
[0011] 優(yōu)選地，在所述第一步中，所述矩形表示為加入未知縮放變換的正方形。
[0012] 優(yōu)選地，在所述第四步中，利用攝像機中心的長方體邊界約束對單應矩陣中大量 未知矩形長寬比參數(shù)形成反向約束，從而判斷其合理性。
[0013] 本發(fā)明提出了一種基于圖像線元對應的體育運動場地檢測方法，通過檢測圖像上 的直線幾何基元（簡稱線元），與體育運動場地線元進行對應，計算出圖像與標準圖之間的 二維射影變換，也稱平面單應（2D homography)。具體實施中使用"攝像機中心的長方體邊 界約束"等原理來快速判斷單應的正確性，從而得到正確的線元匹配結果，實現(xiàn)各類運動場 地的智能檢測。
[0014] 基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法是一種基于幾何框架的圖像檢 索。它通過匹配運動場地的線元特征并計算單應映射關系，來驗證圖像中的線元特征是否 由體育運動的場地線投影而來，使計算機完成圖片的自動檢索，節(jié)省大量人力。
[0015] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明不再使用人工標注的方法來實現(xiàn)圖片搜索，能避免準確 性低，人工描述工作量大的問題?；趫D像線元對應的體育運動場地檢測方法可以使計算 機非?？焖贉蚀_和智能地檢測和識別物體，且不受拍攝角度、光照、遮擋等因素的影響。特 別地，本發(fā)明提出的運用"攝像機中心的長方體邊界約束"原理來直接排除大量未知尺寸長 方形的對應可以快速地篩去大量錯誤的對應，極大地提高了程序的運行效率，使得本發(fā)明 的方法具有可行性和實用性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為單應決定的中心圓和攝像機中心的長方體邊界；
[0017] 圖2為基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法的流程圖；
[0018] 圖3為單應決定的中心線與圖像中心處正方形相交示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0020] 本實施例以用MATLAB處理一幅NBA籃球比賽視頻截圖為例，具體說明本發(fā)明提供 的一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，其步驟為：
[0021] 步驟1、已知NBA籃球場的標準圖以及標準圖上主要的線段，記為Ii, i = 1，2，···， 11，其中5條水平線段，6條豎直線段。在標準圖上建立坐標系，記錄每條線段的位置。
[0022] 步驟2、讀入一幅籃球場的圖像，記為img。首先將img轉化為灰度圖像，接著用 Canny邊緣檢測算子處理灰度圖像，提取得到二值的邊緣圖edge_img。再使用霍夫變換算 法提取邊緣圖edge_img上的線段，對提取出來的η條線段按1-n的次序進行編號。把這η 條線段記為lj_img，j = 1，2，…，η。
[0023] 步驟3、將img上的所有直線挑選四條進行組合，共有C=種組合來構成四邊形。將 標準圖上的水平線段和豎直線段分別挑兩條進行四條線的組合，共有Cf XC62 =150種組合 構成矩形；對于img上四邊形的每一種組合，遍歷標準圖上的所有構成矩形的四條線組合 來確定對應關系；再考慮順時針排序帶來的四重歧義性，因此滿足計算單應矩陣H用的4條 直線間的對應可能性的總數(shù)目為C52 XC62 X4 = 600xCn4。
[0024] 接下來論述我們如何化簡處理這些對應可能性的細節(jié)步驟。
[0025] 步驟4、首先，刪除img上對應明顯錯誤的四邊形。合理的四邊形圖像應滿足：
[0026] (I) img上的2條直線不能重合；
[0027] (2) img上4條直線圍成的四邊形的頂點在圖像內；
[0028] (3) img上4條直線圍成的四邊形為凸多邊形；
[0029] (4)在假設相交點的領域范圍內存在真實的角點。
[0030] 正確對應^與I ^img應滿足單應性，如下式所示：
[0031] lj_img = H-tXI1 (1)
[0032] 由于1占 I j_img已知，根據(jù)公式⑴便可算出單應矩陣Η。
[0033] 步驟5、對一個合理的四邊形，首先計算由標準正方形投影成此四邊形的單應Η_ sq，它與正確對應的長方形所形成的單應投影關系如下所示：
[0034] H_sq = HXS (2)
[0035] 其中S是含有未知長寬比參數(shù)τ的3X3矩陣：
【主權項】
1. 一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，其特征在于，步驟為： 第一步、獲得某種運動場地的標準尺寸圖，記錄該標準尺寸圖上由2條水平直線和2條 豎直線所圍成的矩形的所有組合； 第二步、獲得運動場地的實際拍攝圖像，提取出實際拍攝圖像的所有直線線段，從所有 直線線段中任意提取4條進行組合圍成四邊形并遍歷所有直線線段，從而得到多組四邊形 的組合； 第=步、排除明顯錯誤的四邊形的組合，若任意一組四邊形的組合至少滿足W下兩個 條件之一，則該組四邊形的組合為明顯錯誤的四邊形的組合；條件一、該組四邊形的頂點不 在實際拍攝圖像上；條件二、在該組四邊形假設相交點的鄰域范圍內不存在真實的角點； 第四步、計算每組四邊形的組合與第一步得到的標準尺寸圖上每個矩形的投影對應關 系，該投影對應關系表示為標準尺寸圖上當前矩形與當前四邊形的組合之間計算的附帶未 知矩形長寬比參數(shù)的單應矩陣，再排除不合理的矩形長寬比參數(shù)所對應的單應矩陣，得到 可能正確的單應矩陣； 第五步、利用第四步得到的可能正確的單應矩陣，將第一步中的標準尺寸圖中除矩形 外的其他基元投影到第二步獲得的實際拍攝圖像上，若能與實際拍攝圖像上對應的基元重 合，則實際拍攝圖像的運動場地類型與第一步中的標準尺寸圖的運動場地類型相同，若不 能與實際拍攝圖像上對應的基元重合，則實際拍攝圖像的運動場地類型與第一步中的標準 尺寸圖的運動場地類型不同。
2. 如權利要求1所述的一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，其特征 在于，在所述第一步中，所述矩形表示為加入未知縮放變換的正方形。
3. 如權利要求1所述的一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，其特征 在于，在所述第四步中，利用攝像機中屯、的長方體邊界約束對單應矩陣中大量未知矩形長 寬比參數(shù)形成反向約束，從而判斷其合理性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于圖像線元對應的體育運動場地快速檢測方法，其步驟為：統(tǒng)計標準尺寸圖上所有矩形的位置和尺寸信息。讀入一幅運動場地圖像后，在提取的圖像線元選取四條圍成四邊形并遍歷所有情況，判斷是否是標準圖上某個矩形的可能投影；刪除明顯不正確的組合；對于圖像上剩余的每一組線元圍成四邊形的組合，認為其可能是標準圖上一個未知尺寸矩形通過單應矩陣投影產(chǎn)生的。由此推導出統(tǒng)一的未知尺寸矩形的單應表達形式，快速排除所有不合理的矩形對應可能性。最后利用場地尺寸圖中其它線、圓等基元在圖像上的投影來輔助判斷單應的正確性，最終得到唯一正確的單應，實現(xiàn)運動場地的智能檢測。
【IPC分類】G06F17-30, G06T7-40
【公開號】CN104680560
【申請?zhí)枴緾N201510090729
【發(fā)明人】王佳純, 蔡棽, 雷微, 郭娟
【申請人】東華大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月28日