周 凱 姚 潔 陳紅利 王亞朋 郭曉瑜

1.河南工程學(xué)院體育部 河南 鄭州 451191;2.河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 河南 鄭州 451191

引言

目前,國內(nèi)田徑賽場中,特別是大、中、小學(xué)內(nèi)部的田徑比賽,測量方法多采用人工測量方法、無法保證測量的公開公正和公平。因此,自動測量裝置的研發(fā)成為體育競賽部門關(guān)心的一個問題,許多電子工程師更是為競賽部門研制了各種比賽電子設(shè)備。激光測距儀的工作原理是采用激光在空間兩點之間傳播與反射的時間與傳播速度C的乘積的一半來計算,這種測量方法,由于光速快,時間測量帶來了準確度誤差。紅外線測距儀利用的是紅外線傳播時的不擴散原理。紅外線在穿越其它物質(zhì)時折射率很小,長距離的測距具有一定優(yōu)勢,測量方法是紅外線從測距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測距儀接受到,再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。

綜上所述,設(shè)計新型測量儀具有一定意義,本文描述一種基于攝像技術(shù)的測距儀,以解決時間測量的影響誤差。

1 雙目測量原理

1.1 測量原理 雙目攝像鉛球投擲距離測試儀主要是采用雙目視差測距技術(shù),從兩個視角觀察同一物體,獲取物體在不同視角下的圖像,經(jīng)過處理得到視差信息,通過三角測量原理計算出像素之間的偏移來獲取物體的三維幾何信息,從而進行距離測量。目前,雙目視差測距系統(tǒng)主要有平行雙目結(jié)構(gòu)和光軸相交的匯聚式雙目結(jié)構(gòu),前者結(jié)構(gòu)簡單,幾何關(guān)系和計算過程也相對簡單,故本設(shè)計選用平行雙目視覺系統(tǒng)進行測距,其原理如圖1:

圖1 平行雙目視覺原理圖

圖中:f為相機焦距;b為左右兩相機投影中心線的距離(基線距);R為投擲圈半徑,鉛球P(X,Y,Z)在成像系統(tǒng)中平行的兩個位置成像,其成像平面y軸坐標必然相同,只有x軸坐標不一致,像點在x軸的橫坐標為X1,X2,視覺差即為X=X1+X2。鉛球到投擲圈的距離為d,所以到投擲圈圓心的距離D=d+R。

令P點到成像系統(tǒng)的距離為S,由已知條件和三角形相似可得:

聯(lián)立以上各式,解得d,由上式可得,只要確定系統(tǒng)中光組的有效焦距f,L1和L2、X1和X2即可算出d。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)圖像獲取:圖像獲取就是以成像設(shè)備代替雙目,獲取標的物圖片信息的過程,一般而言,可以分為雙相機和單相機移動的方式。

(2)圖像預(yù)處理:在雙目視覺系統(tǒng)中首先要對圖片進行預(yù)處理,如濾波、去噪、增強、校正等,以保留圖片中有用的可靠像素信息,方便后期處理,增加準確性。

(3)特征提取:圖片中包含了大量的數(shù)據(jù),我們進行后續(xù)標定及匹配處理中,需要針對具中具有重要特征的部分,比如角點、邊緣等信息進行計算,這些就是特征提取的對象。準確快速高精度的特征提取,一方面可以為相機標定做鋪墊,一方面也是圖像匹配的必要過程。

(4)相機標定:相機標定就是確定相機內(nèi)外參數(shù)的過程?？梢酝ㄟ^已知坐標的外界標定物,首先推算單相機的內(nèi)參,再推算兩個相機的相對位置關(guān)系,計算外參。

(5)圖像匹配:雙目視覺系統(tǒng)中,左右相機對于標的物分別獲取圖片,一張立為模板圖片,另一張為搜索圖片。理論上說對于標的物的每一個物點,在兩張圖片上就可以找到對應(yīng)的兩個像點稱為共輒像點,則搜索共輒像點的過程就是圖像匹配。

(6)三維重建:在圖像匹配過程中我們找到了物點對應(yīng)的一對共輒像點,那么,根據(jù)像點的視差信息,就可以推算出物點的坐標信息,這就是三維重建。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由成像部分和軟件計算部分組成。成像部分包括主控電路、相機成像部分、上位機顯示部分,相機采集圖像信息,將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)算法處理轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C顯示。雙目攝像是一種更接近于人眼的視覺模型,其最大的優(yōu)點就是可以通過模型的視差原理,利用三角測量的方法快速得到目標的三維空間距離,適用于距離目標的測量,且精度高。系統(tǒng)總體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體圖

2.2 立體標定 現(xiàn)實世界中的物體是通過相機的皇族成像,在經(jīng)過數(shù)字計數(shù)在我們的顯示設(shè)備上看到的數(shù)字圖像,圖像中任意一點的物象位置表示為三維坐標可形成一一對應(yīng)關(guān)系,成像過程中,應(yīng)為相機采集圖像會有畸變等因素,需要對成像模型修正。利用數(shù)學(xué)算法求經(jīng)過修正后的幾何成像模型的參數(shù)過程就是立體標定,立體標定的精度對測距是否準確有很大的影響,是系統(tǒng)中很重要得到一個參數(shù)。使用棋盤格標定板的標定方法對相機參數(shù)優(yōu)化。令標定班所在平面世界中Z=0,令W=[X Y 1]T為模板平面上點的其次坐標,w=[x y 1]T為其對應(yīng)的圖像平面上的投影坐標,ri為R的第i個向量,由相機內(nèi)參數(shù)表達式

標定板參數(shù)確定的情況下w和W已知,用最小二乘法解出單應(yīng)性矩陣H后面根據(jù)矩陣知識線性解出參數(shù)的初值。有多幅標定圖片的時,借助最大似然法可以對相機參數(shù)進行優(yōu)化。

設(shè)對標定板拍攝n張照片排列為(1,2…i…n),提取照片上標定板m個角點(1,2…j…m);

則mij為提取的角點坐標,m'為通過已知的初值換算的理論值,使其差值平方和最小的參數(shù)即為優(yōu)化值。求解方法是使用LM算法進行迭代。立體標定過程如圖3所示。

圖3 立體標定過程圖

2.3 立體校準 立體校準是將左右圖像高度對齊,在尋找圖像中的某一特征點對應(yīng)的點的時候只需在另一幅圖像的同一行或者同一列搜索不需要對整個圖像進行完全掃描,減小工作量。顯而易見的現(xiàn)實環(huán)境中攝像機拍到的照片高度不可能完美對齊,使圖像對應(yīng),使用函數(shù)校正。校正前圖像如圖4所示,校正后圖像如圖5所示。

圖4 校正前圖像

圖5 校正后圖像

3 結(jié)論

測量結(jié)果及平均誤差值,實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

該設(shè)計既滿足了次賽場地需求,又可以快速準確的測量出運動員拋擲千秋后的距離成績。相比于目前使用的測距系統(tǒng)有很大的提升,達到正規(guī)比賽的技術(shù)要求,也保證了比賽的公平性。