专利名称：一种田赛摄像测距仪及测距方法
技术领域：
本发明涉及一种摄像测距仪及测距方法，尤其是一种用于体育田赛项目距离测量的摄像测距仪及测距方法。
背景技术：
测距仪器，国内、外早就有激光测距仪、红外光测距仪、超声波测距仪等多种，这些测距工具，具有测距精度高、速度快等特点，目前，大型运动会的田赛项目比赛都是利用这些测距工具测量比赛成绩。但这些测距工具还存在以下缺陷在测量田赛成绩时，工作人员必须亲临现场，一人操作仪器，另一人将反光镜插入落地点，才能完成测量工作，无法实现全自动化测距。特别是标枪、铁饼裁判员进入场地内时又危险，又难以看准落地点，这给裁判工作带来相当大的风险，加之激光测距仪价格昂贵，无法普及应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测距仪的上述缺陷，提供一种使用安全，测距准确，造价较低，无需裁判员亲临现场测量的田赛跳远、投掷用摄像测距仪及测距方法。
本发明之摄像测距仪包括一台装有两路视频采集压缩卡的微型计算机，该微型计算机的外围设备包括捕获踏跳或者被投掷物出手过程及捕获跳远过程或者被投掷物飞行轨�：吐涞愕纳阆窕饕桓觯荚硕背杉ǖ南允酒林辽僖唬詈貌簧儆诹礁觯蛴』惶ǎ涣砼渲梅⑺徒邮章枷窕藕诺奈尴叩缡辗⑵饕惶祝腹婕觳馄骷胺⑺吞ぬ�、投掷犯规信号的无线电收发器一套。
利用本发明之摄像测距仪测量距离的方法包括下列步骤(1)将跳跃、投掷场地的图像绘制在计算机显示器屏幕上，并存入计算机存储器内；(2)利用屏幕的像素点设定距离，得到一个距离值；(3)再将摄像机所摄的实际跳跃、投掷场地的图像调整与绘制在计算机显示器屏幕上的跳跃、投掷场地的图像重叠，并进行目标跟踪；(4)进行图像处理，搜索准确的落地点，计算出准确的跳跃、投掷距离。上述距离测量方法，本发明者称之为摄像重叠法。
由于跳跃、投掷项目各有不同特点，场地也有差别，因此，两者的具体技术方案会略有差异。
本发明使用安全，测距准确，无需裁判员亲临现场测量距离；摄像测距仪造价低，便于普遍推广应用。
图1为本发明实施例之一跳远摄像测距仪各组件配置框图；图2为图1之实施例跳远比赛程序控制流程框图；图3为图1之实施例跳远比赛程序中的成绩计算流程框图；图4为图1之实施例跳远比赛程序中的成绩计算起始点定位示意图。
具体实施例方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
参照附图1，本实施例为跳远摄像测距仪，包括一台装有两路视频采集压缩卡的微型计算机1，该微型计算机1的外围设备有捕获起跳过程的1号摄像机2及捕获跳远过程和落地点的2号摄像机3，公布试跳者号码及成绩的显示屏4和5，打印机8；还包括发送接收录像机开机信号的1号无线电收发器6、犯规检测器9及发送踏跳犯规信号的2号无线电收发器7。
将跳远场地图像绘制在计算机1显示器屏幕上，并存入计算机1的存储器内。
使用时，1号摄像机2置于踏跳板一侧，2号摄像机置于沙坑一侧，1号无线电信号发送器6置于踏跳板前1-2米的助跑线一侧，2号无线电信号发送器7置于踏跳板一端，犯规检测器9也置于踏跳板一端，微型计算机可置于位于两摄像机之间的工作台上。
首先将运动员的基本信息输入计算机1，并存入计算机1的存储器内。
跳远比赛程序控制流程参见图2。
如图2所示，步骤200为起始步骤，计算机发出发令语音提示，同时显示屏4和5显示运动员编号，1号摄像机2开始工作(步骤201)，并起动1分钟倒计时(步骤241)，运动员必须在规定时间(通常为60秒)内完成试跳，时钟走到最后15秒发出警报声(步骤242)，提醒运动员试跳时间不多了，倒计时1分钟完毕(步骤243)，中止倒计时发出超时信号(步骤244)，提醒裁判长，时间到，运动员是否犯规；在发令后1分钟内，当运动员跑到起跳板前(1到2米)时，1号无线电信号触发(步骤202)，2号摄像机3开始工作，同时两部摄像机的摄像过程都开始存储(步骤203)；运动员落地后，摄像完毕(步骤204)；如运动员没有犯规，再进行成绩计算(步骤205)；运动员成绩计算出来后，再进行图像、成绩存储工作(步骤206)。在发令后1分钟内，运动员助跑，如果脚没有超过起跳线，可往返进行多次助跑，由中止键和重跳键执行操作(步骤211、212，221、222)。在规定时间内，运动员在触发1号信号而未踏跳，脚又没超过起跳线，又返回肋跑起点，将被视为重跳。如果脚超过起跳线，即犯规(步骤231)，作犯规处理(步骤232)，为了节省计算机硬盘空间和操作简便(摄像机开关自动控制)，当运动员重跳时，裁判员或工作人员通过计算机交互告诉计算机重跳，这时计算机恢复发令之后的状态。运动员完成试跳之后，计算机录像完毕，工作人员可以判断犯规或计算成绩，之后本次试跳中止(步骤207)。
本摄像测距仪可将每一位运动员的每一次跳远的起跳过程和跳远过程始末完整地记录下来，既用于实时的犯规判断和成绩测量，也可作为跳远技术分析依据。
在摄像结束后，工作人员仍有三个选择，即中止、犯规和计算成绩。工作人员还可以浏览运动员的跳远录像，作为运动员计算成绩的参考，在犯规信息一栏中记录运动员的犯规类型，也是判断运动员是否犯规的依据。如果选择计算成绩，计算机就可以开始计算成绩。
成绩计算时，对落地点的确定有3种方法可供选择自动式、手动式、辅助式。
如图3所示，步骤300为起始步骤；在判断运动员没有犯规之后，先选择步骤301，即自动计算成绩方式，进行成绩计算首先选择第一幅和最后一幅图像(步骤302)；因第一幅图像沙坑平整，最后一幅图像沙坑有许多脚�。凑业搅耸蕴叩男凶伲腥ピ耄铝⒌�(步骤303)；根据脚印的特征搜索第一个脚�。蠢氩饩嗥鸬阆咦罱慕庞�(步骤304)，搜索成功(步骤305)，再对相减后的图像选择低阀值去噪，在第一次搜索到的脚印区域中搜索脚印最前沿，认为此点为落地点(步骤306)；然后调用准曲面拟和算法计算出实测距段成绩，再加上预制成绩(即起跳板内缘至有效区域测距起始线之间的距离)就是试跳成绩(参见“本系统测距原理”部分的说明)。
如有疑点，可用手动方式检验；或者当选用自动方式搜索第一个脚印不成功时，即可选用手动方式进行成绩计算(步骤311)先选择一幅最佳落地图像(步骤312)，再用鼠标选择最佳落地位置点一下(步骤313)，然后调用准曲面拟和算法计算成绩并显示(步骤307)。
在大型比赛的情况下，还可以选择辅助方式对成绩进行复核(步骤321)，重新打开2号摄像机3，放一专制参照物(步骤322)，用2号摄像机抓取图像，调用参照物搜索算法搜索参照物(步骤323)，搜索成功(步骤324)，再继续搜索参照物的最前沿，选定此点为落地点(步骤325)，再调用准曲面拟和算法计算成绩(步骤307)。当步骤324搜索不成功时，则选用手动方式进行成绩计算。
本系统的测距原理如下。
(1)距离计算参照图4。计算机的图像是由像素组成的，一幅确定的图像像素之间代表的实际距离是不变的，因此理论上可以用像素之间的距离来计算图像上任何两点之间所代表的距离。通常，选择沙坑40中的一块最理想区域为有效区域(长小于6米，宽度不限)。假设在测量过程中，2号摄像机3位于计算区域的左右侧的正中央，运动员从图4所示起跳板45位置起跳。只要计算出有效区域起始线44到落地点41之间的垂直距离，再加上起跳板45内缘到有效区域起始线44的垂直距离(即前述“预制成绩”)，便得运动员的试跳成绩。实验证明，摄像机越远，相邻像素代表的距离越大，而且变化越快。在保证摄像头垂直于沙坑的前提下，图像与实物的关系与镜头离沙坑的高度和水平距离、镜头本身的各种光学参数、焦距、角度都有很大关系。即使这些参数可以通过信号处理输入到计算机，关系表达式的确定也有很大的难度。根据本发明者反复实验和研究，提出了以下几种方法1)单区域直线校对 认为测距区域所成的图像在同一水平线两个像素之间代表的距离相等。当测距区域的距离较小或者对精度要求不高时可以采用这种办法。在图像定位时用鼠标输入测试区域所成梯形图像的四个端点即可。
2)多区域多基准点直线校对 这种办法的理论基础同第一种方法一样，只不过在精度上要高得多，它将沙坑分为等大小的若干区域(跳远系统采用了30个区域，44个基准点，数目越多误差越小)，利用多点计算，跳远系统中选择最近基准点计算(求落地点到基准点的横向距离，像素间代表的距离为落地点所在的小梯形中过此点的线段的相邻像素距)。
3)基于多区域多基准点直线校对方法的线性逼近 方法2可以提高精度，但还存在一个问题误差不均衡。由于它的理论基础是在一个不大的区域内相邻像素代表的距离相等，而事实是不相等的。根据一般常识和反复实验验证，发现在同一水平方向上，离镜头越远两相邻像素代表的距离越大。如果采用方法2，那么落地点离基准点越远误差越大。有了这个规律，就可以用线性方法校正、逼近了。
4)准曲面拟和 以上三种方法有一个共同的最基本的假设测距区域中的水平线段和垂直线段所成的图像仍为直线，可以统称为线性逼近法。在镜头质量不是很差的情况下，方法3完全可以达到体育测距的精度要求。曲面拟和是一种完全不同于线性逼近的方法，它的目的是将实物与它的图像的位置关系表示出来。本发明者经过大量研究发现，曲面拟和难度较大，一般不可取。但是由于跳远测距只计算水平距离，只要将同等距离的垂直线所成图像的曲线拟和出来即可。实验和研究证明利用曲线拟和的办法求得图像与实物的关系是可行的。在跳远系统中，采用了下列措施进行曲线拟和①将沙坑用纵横相错的网格划分(根据体育测距的精度要求确定直线数目，跳远系统采用十一纵四横方案)。纵线之间的间距可以不同，最好是离中心越远间距越小。计算机得到图像之后，利用最小二乘法为每一条曲线求出一个多项式(三次最佳)。跳远系统可以得到十五条曲线的方程，利用这十五条曲线进行准曲面拟和。用Vi表示纵线，Hi表示横线。
Viy＝ai0+ai1x1+ai2x2+ai3x3(1≤i≤11)Hix＝bi0+bi1y1+bi2y2+bi3y3(1≤i≤4)利用纵横线的交点拟和出每一条横线距离与x坐标的关系XCix＝ci0+ci1c1+ci2c2+ci3c3(1≤i≤4)②根据Hi和XCi可以得到任何距离对应的横线上的坐标。由于有四条横线，那么每一个距离C就可以得到四个交点，根据这四个交点可以拟和出这个距离所对应的纵线的表达式Ly＝a0+a1x1+a2x2+a3x3③上一步是由距离得到一条曲线。怎样由一个坐标得到距离呢？在跳远系统中采用了以下方法先用线性逼近法由落地点P得到一个近似的距离C，由②可以得到一条曲线L，将P的x坐标代入L，得到一点P’，求出线段PP’的大致距离c(有符号)，继而得到一个新的距离C’＝C+c。由C’又得到一条新的曲线L’，以此类推，直到线段PP’的大致距离c足够小。最终得到落地点P对应的距离。
采用准曲面拟和求距离的误差很�。坏扑憧蒲В也僮骷虮�。用户在进行图像定位时，如果十五条线与背景的亮度差别足够大，就可以进行自动定位(利用图像处理识别十五线)，而无需用鼠标点击输入。
(2)落地点的确定知道每一点所代表的距离，余下来的问题就是确定落地点了。目前，跳远系统中有三种方式1)手动方式 计算机自动选择一幅最理想的图像，操作员利用鼠标选择运动员落地点。如果不好确定，可以放大图像(提高精度)。
2)自动方式 计算机自动计算落地点所在位置。采用两幅图像进行对比搜索。原理比较简单，选择第一幅和最后一幅图像，对比之后只会剩下当前运动员的脚�。蛘甙ㄔ硕北旧怼Ｒ蛭枷窕旧砘岵谓吩肷庑┰肷员戎蠡叶戎蹈叩筒灰�(低噪占的比重较大)，因此，还需进行消噪工作。先取一个较大的值，过滤掉绝大部分的噪声，消除孤立点，图像基本只剩下了脚印，易搜索到脚印的大体位置；再取一个较小的值(不要高过脚印的最小灰度值)去躁，根据脚印的特征，搜索脚后跟的最前沿，完成精确定位，最终找到落地点。实验证明，这种方法的命中率很高，误差不超过5毫米。
3)辅助方式 在高水平运动会中，脚印可能不规则，或者最后着地点是身体的其他部位，采用方法2)未必十分可靠。因此，本发明者提供了辅助方式。运动员试跳完毕后，若选择辅助方式，2号录像机重新开机，工作人员要在运动员的落地点施放一个醒目的物件(通常为白色)，计算机很容易找到此点所在，从而完成落地点的确定。为了更准确的确定落地点，本发明者采用了两端黑中间白的大小适宜的矩形纸板为参照物。这种参照物的优点在于边界清晰，而且还可计算落点附近图像灰度的变化曲线，更精确的求得落地点(坐标为连续的小数，而不是离散的整数)。实验证明，如果不考虑高度变化和人为放置错误，这种办法搜索准确度为100％。也就是说，这种搜索落地点的办法从理论讲是没有任何误差的。辅助方式的测距误差最�。∮诨虻扔谡�3毫米。
以上三种方式，以自动方式最简洁(操作员发令之后只须点击一次)，辅助方式最可靠。
权利要求
1. 一种田赛摄像测距仪，其特征在于，包括装有两路视频采集压缩卡的微型计算机一台，该微型计算机的外围设备包括捕获起跳或者被投掷物出手过程及捕获跳远过程或被投掷物飞行轨�：吐涞愕纳阆窕饕桓觯荚硕背杉ǖ南允酒林辽僖桓觯蛴』惶ǎ换古渲糜蟹⑺徒邮丈阆窕藕诺奈尴叩缡辗⑵饕惶祝腹婕觳馄骷胺⑺吞ぬ�、投掷犯规信号的无线电收发器一套。
2.根据权利要求1所述的田赛摄像测距仪，其特征在于，公布运动员成绩的显示屏为两个。
3.一种田赛摄像测距方法，包括以下步骤(1)将跳跃、投掷场地的图像绘制在计算机显示器屏幕上，并存入计算机存储器内；(2)利用屏幕的像素点设定距离，得到一个距离值；(3)再将摄像机所摄的实际跳跃、投掷场地的图像调整与绘制在计算机显示器屏幕上的跳跃、投掷场地的图像重叠，并进行目标跟踪；(4)进行图像处理，搜索准确的落地点，计算出准确的跳跃、投掷距离。
全文摘要
本发明公开了一种田赛跳跃、投掷摄像测距仪，其特征在于，包括一台装有两路视频采集压缩卡的微型计算机，该微型计算机的外围设备包括捕获起跳或者投掷出手过程及捕获跳远过程或被投掷物飞行轨�：吐涞愕纳阆裢坊蛘呱阆窕饕桓觯荚硕背杉ǖ南允酒烈坏搅礁觯蛴』惶ǎ换拱ǚ⑺徒邮章枷裢坊蛘呗枷窕藕诺奈尴叩缡辗⑵饕惶准胺⑺吞ぬ�、投掷犯规信号的无线电收发器一套。利用上述摄像测距仪及本发明之摄像重叠法，可以准确测定出跳跃、投掷距离。本发明使用安全，测距准确，造价较低，无需裁判员亲临现场测量距离。
文档编号G01C11/02GK1546948SQ20031011066
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者李艳翎, 蔡言诗 申请人:湖南师范大学
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