本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種球體及其高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

對(duì)球體的運(yùn)動(dòng)分析中球體旋轉(zhuǎn)向量的檢測(cè)極其重要。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)向量檢測(cè)方法為在球體上印刷標(biāo)記點(diǎn)或三角形狀后，在球體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，間隔拍攝。根據(jù)拍攝得到的圖像計(jì)算球體飛行信息。中國(guó)專利CN2010800077501公開了一種高爾夫球體，球體表面設(shè)有多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)圖像采集過(guò)程中，需要多臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)拍攝三個(gè)特征標(biāo)記點(diǎn)，如果第一張的三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)中有一個(gè)在邊緣，下一張將無(wú)法拍攝到該標(biāo)記點(diǎn)；拍攝完成后必須計(jì)算三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，否則無(wú)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)向量計(jì)算。而在高爾夫球的高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置關(guān)系的計(jì)算及其復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果可靠性低。此外，在高爾夫球的打擊過(guò)程中可能留下印記，增加特點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)的識(shí)別難度。中國(guó)專利CN201310533836.3公開了一種高爾夫球體表面的標(biāo)記，該標(biāo)記包括六個(gè)三角形，三角形中的其中一個(gè)點(diǎn)位于三個(gè)垂直大圓的交點(diǎn)位置。在實(shí)際應(yīng)用中，六個(gè)三角形，大小不一，在球體快速旋轉(zhuǎn)且攝像頭距離較遠(yuǎn)的情況下，三角形的角端點(diǎn)識(shí)別十分困難，三角形也因?yàn)榉植荚谇蛎嫔习l(fā)生畸變使角點(diǎn)位置扭曲，且拍攝得到的三角形邊緣模糊，很難計(jì)算各角端點(diǎn)準(zhǔn)確的三維位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)的一種球體及其高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)的球體，球體上設(shè)有球面標(biāo)記，球面由相互垂直的第一大圓、第二大圓以及第三大圓劃分；所述第一大圓的三等分點(diǎn)以及所述第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)為所述球面標(biāo)記的五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，所述球面標(biāo)記包括等長(zhǎng)且中點(diǎn)分別與所述五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)重合的至少五條相互不平行的標(biāo)記線，所述標(biāo)記線的長(zhǎng)度小于所述第一大圓周長(zhǎng)的三分之一；所述標(biāo)記線至少包括：第一標(biāo)記線、第二標(biāo)記線、第三標(biāo)記線、第四標(biāo)記線以及第五標(biāo)記線。

優(yōu)選地，所述第一標(biāo)記線、第二標(biāo)記線以及第三標(biāo)記線分別與所述第一大圓傾斜相交，且中點(diǎn)分別位于所述第一大圓三等分點(diǎn)上；第四標(biāo)記線以及第五標(biāo)記線的中點(diǎn)分別位于所述第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)上，且所述第四標(biāo)記線以及第五標(biāo)記線相互垂直。

優(yōu)選地，所述第一標(biāo)記線與所述第一大圓傾斜相交角度范圍為40°～50°，所述第二標(biāo)記線與所述第一大圓傾斜相交角度范圍為5°～15°，所述第三標(biāo)記線與所述第一大圓傾斜相交角度范圍為0°～10°。

優(yōu)選地，所述第一標(biāo)記線的中點(diǎn)為所述第一大圓與所述第二大圓的交點(diǎn)，所述第四標(biāo)記線的延長(zhǎng)線與所述第一標(biāo)記線的延長(zhǎng)線的夾角范圍為25°～35°。

優(yōu)選地，所述標(biāo)記線的寬度與所述球體大小相適配。

本發(fā)明還提供一種球體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法，球體上設(shè)有上述的標(biāo)記線，該方法包括以下步驟：

S1：根據(jù)球體的尺寸、最大旋轉(zhuǎn)速度n、以及最大飛行速度V確定圖像采集區(qū)域的長(zhǎng)度x和寬度y，以及圖像采集頻率：間隔f秒采集一次；

S2：連續(xù)采集M幀球體運(yùn)動(dòng)圖像，M≥2；

S3：從M幀球體運(yùn)動(dòng)圖像中選取相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像，根據(jù)所述第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線的位置變化，計(jì)算球體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

優(yōu)選地，球體以速度V運(yùn)動(dòng)f秒的位移小于x和y，以使選取的相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像中球體輪廓完整；間隔時(shí)間以使選取的相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像中球體旋轉(zhuǎn)角度小于180°。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括后旋向量、側(cè)旋向量。

優(yōu)選地，所述后旋向量的計(jì)算方法為：通過(guò)第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線中點(diǎn)的位置以及球體尺寸計(jì)算所述中點(diǎn)在球面上的三維位置，根據(jù)所述三維位置計(jì)算該中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。

優(yōu)選地，所述側(cè)旋向量的計(jì)算方法為：通過(guò)第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線斜率的變化計(jì)算該標(biāo)記線的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。

實(shí)施本發(fā)明的球體及其高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法，球面標(biāo)記線可識(shí)別度高，不受打擊印記的影響。標(biāo)記線特征點(diǎn)為標(biāo)記線的中點(diǎn)，特征點(diǎn)選取簡(jiǎn)單，依據(jù)此得到計(jì)算結(jié)果可準(zhǔn)確反映球體的旋轉(zhuǎn)向量。本發(fā)明方法中的采集區(qū)域大小、圖像采集頻率與球體大小、球體最大轉(zhuǎn)速、最大飛行速度相匹配；每幀圖像中球體輪廓完整，間隔時(shí)間內(nèi)球體旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)180°，球體旋轉(zhuǎn)方向分析簡(jiǎn)便準(zhǔn)確。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1為球面標(biāo)記線示意圖以及參考坐標(biāo)系；

圖2為球體展開平面圖中的標(biāo)記線示意圖；

圖3為球體的立體示意圖；

圖4為一幀球體運(yùn)動(dòng)圖像；

圖5為連續(xù)采集的四幀球體運(yùn)動(dòng)圖像中的標(biāo)記線示意圖；

圖6為球體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，為本發(fā)明用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)的球體的一實(shí)施例，球體上設(shè)有球面標(biāo)記，球面由相互垂直的第一大圓、第二大圓以及第三大圓劃分；第一大圓的三等分點(diǎn)以及第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)為球面標(biāo)記的五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，球面標(biāo)記包括等長(zhǎng)且中點(diǎn)分別與五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)重合的至少五條相互不平行的標(biāo)記線，標(biāo)記線的長(zhǎng)度小于第一大圓周長(zhǎng)的三分之一；標(biāo)記線至少包括：第一標(biāo)記線1、第二標(biāo)記線2、第三標(biāo)記線3、第四標(biāo)記線4以及第五標(biāo)記線5。

本實(shí)施例優(yōu)選使用五條標(biāo)記線，第一標(biāo)記線1、第二標(biāo)記線2以及第三標(biāo)記線3分別與第一大圓傾斜相交，且中點(diǎn)分別位于第一大圓三等分點(diǎn)上；第四標(biāo)記線4以及第五標(biāo)記線5的中點(diǎn)分別位于第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)上，且第四標(biāo)記線4以及第五標(biāo)記線5相互垂直。

第一標(biāo)記線1與第一大圓傾斜相交角度范圍為40°～50°，第二標(biāo)記線2與第一大圓傾斜相交角度范圍為5°～15°，第三標(biāo)記線3與第一大圓傾斜相交角度范圍為0°～10°。第一標(biāo)記線1的中點(diǎn)為第一大圓與第二大圓的交點(diǎn)，第四標(biāo)記線4的延長(zhǎng)線與第一標(biāo)記線1的延長(zhǎng)線的夾角范圍為25°～35°。

如圖1所示，第一標(biāo)記線1與第一大圓傾斜相交角度優(yōu)選為45°，第二標(biāo)記線2與第一大圓傾斜相交角度優(yōu)選為10°，第三標(biāo)記線3與第一大圓傾斜相交角度范圍優(yōu)選為5°。第四標(biāo)記線4的延長(zhǎng)線與第一標(biāo)記線1的延長(zhǎng)線的夾角優(yōu)選為30°。

標(biāo)記線的寬度與球體大小相適配，以便采集圖像，即保證在圖像中球體上的標(biāo)記線為一條清晰可見的線。若線太細(xì)，在較遠(yuǎn)的距離下采集得到圖像上，可能無(wú)法識(shí)別出該標(biāo)記線；若線太粗，不利于選取標(biāo)記線的中點(diǎn)。

下面以高爾夫球?yàn)槔?，介紹用于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)的球體的球表面標(biāo)記。

如圖3所示，為一球面設(shè)有球面標(biāo)記的高爾夫球的立體圖。其球面上共有五條標(biāo)記線，球體展開平面圖中的標(biāo)記線部分如圖2所示。具體的，該高爾夫球的直徑為4.26cm。球面標(biāo)記線的分布特點(diǎn)為：球面由相互垂直的第一大圓、第二大圓以及第三大圓劃分；第一大圓的三等分點(diǎn)以及第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)為球面標(biāo)記的五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。球面上五條標(biāo)記線的中點(diǎn)分別五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)重合。五條標(biāo)記線的尺寸相同，長(zhǎng)為2.5cm，寬為0.2cm。而第一大圓的周長(zhǎng)L＝πD＝13.38cm。標(biāo)記線的長(zhǎng)度小于L的三分之一。

第一標(biāo)記線1、第二標(biāo)記線2以及第三標(biāo)記線3中點(diǎn)分別位于第一大圓三等分點(diǎn)上，且分別與第一大圓傾斜相交，相交角度分別為45°、10°和5°；第四標(biāo)記線4以及第五標(biāo)記線5的中點(diǎn)分別位于第二大圓與第三大圓的兩個(gè)交點(diǎn)上，且第四標(biāo)記線4以及第五標(biāo)記線5相互垂直。第一標(biāo)記線1的中點(diǎn)為第一大圓與第二大圓的交點(diǎn)，第四標(biāo)記線4的延長(zhǎng)線與第一標(biāo)記線1的延長(zhǎng)線的夾角范圍為30°。

上述高爾夫球的球面標(biāo)記滿足：在任何角度，至少可見一條標(biāo)記線的中點(diǎn)，第一大圓上三等分點(diǎn)上的三條標(biāo)記線中任意一條完整可見時(shí)，另外兩個(gè)等分點(diǎn)上的標(biāo)記線不可見。

可以理解的，在一些實(shí)施例中，球體上的標(biāo)記線數(shù)量不限于五條，例如，可在一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)做兩條相交的標(biāo)記線，該基準(zhǔn)點(diǎn)即兩條標(biāo)記線的中點(diǎn)以及交點(diǎn)。

針對(duì)上述帶有球面標(biāo)記的球體，本發(fā)明提供一種球體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法，球體上設(shè)有上述的標(biāo)記線，如圖6所示，該方法包括以下步驟：

S1：根據(jù)球體的尺寸、最大旋轉(zhuǎn)速度n、以及最大飛行速度V，確定圖像采集區(qū)域的長(zhǎng)度x和寬度y，以及圖像采集頻率：間隔f秒采集一次；

S2：連續(xù)采集M幀球體運(yùn)動(dòng)圖像，M≥2；

S3：從M幀球體運(yùn)動(dòng)圖像中選取相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像，根據(jù)第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線的位置變化，計(jì)算球體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

優(yōu)選地，球體以速度V運(yùn)動(dòng)f秒的位移小于x和y，以使選取的相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像中球體輪廓完整；以避免出現(xiàn)在拍攝第二幀圖像時(shí)，球體已經(jīng)飛出圖像檢測(cè)區(qū)域。

間隔時(shí)間以使選取的相鄰的第一幀圖像以及第二幀圖像中球體旋轉(zhuǎn)角度小于180°。當(dāng)兩幀圖像中球體的旋轉(zhuǎn)角度小于180°時(shí)，可根據(jù)圖像直觀判斷球體的旋轉(zhuǎn)方向。

優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括后旋向量、側(cè)旋向量。如圖1所示，后旋向量即繞Y軸的旋轉(zhuǎn)向量，側(cè)旋向量即繞Z軸的旋轉(zhuǎn)向量。

優(yōu)選地，后旋向量的計(jì)算方法為：通過(guò)第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線中點(diǎn)的位置以及球體尺寸計(jì)算中點(diǎn)在球面上的三維位置，根據(jù)三維位置計(jì)算該中點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。

優(yōu)選地，側(cè)旋向量的計(jì)算方法為：通過(guò)第一幀圖像以及第二幀圖像中同一標(biāo)記線斜率的變化計(jì)算該標(biāo)記線的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。

下面以上述高爾夫球?yàn)槔f(shuō)明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)方法。

高爾夫球的直徑D＝4.26cm，最大飛行速度V＝270km/h＝75m/s,最大轉(zhuǎn)速n＝12000r/min＝200r/s。設(shè)定圖像采集頻率為間隔0.001s采集一次，圖像采集區(qū)域的長(zhǎng)度為80cm，寬度為55cm。在時(shí)間間隔內(nèi)，高爾夫球以速度V飛行的位移為0.075m＝7.5cm，小于圖像采集區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度；以最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.001*200*360＝72°，小于180°。由上述計(jì)算，可判斷以0.001s時(shí)間間隔采集的球體運(yùn)動(dòng)圖像中球體輪廓完整，且旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)180°。如圖1所示高爾夫球的球面標(biāo)記滿足：在任何角度，至少可見一條標(biāo)記線的中點(diǎn)，第一大圓上三等分點(diǎn)上的三條標(biāo)記線中任意一條完整可見時(shí)，另外兩個(gè)等分點(diǎn)上的標(biāo)記線不可見?？梢岳斫獾模瑘D像采集間隔時(shí)間可以根據(jù)需要選取其它值，保證即可，不限于上述的0.001s。

運(yùn)動(dòng)圖像采集后，將得到的圖像通過(guò)圖像分割算法提取球體表面的標(biāo)記線，如圖4所示。圖像分割即將圖像細(xì)分為多個(gè)圖像子區(qū)域的過(guò)程，目的是簡(jiǎn)化或改變圖像的表示形式，使得圖像更容易理解和分析；其結(jié)果是分割得到的每個(gè)圖像子區(qū)域中的每個(gè)像素的某種特性相似，例如：顏色、亮度和紋理等。而臨界區(qū)域的某種特性有很大不同。此技術(shù)為成熟的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中不再贅述對(duì)標(biāo)記線的提取過(guò)程。

通過(guò)圖5可以看到，連續(xù)采集的四幀球體運(yùn)動(dòng)圖像中同一條標(biāo)記線的位置變化。

球體后旋向量的計(jì)算方法如下：在圖1所示參考坐標(biāo)系下，即球心為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，可通過(guò)每個(gè)圖像上(圖4、5所示)標(biāo)記線中點(diǎn)到圓心距離可到該中點(diǎn)二維坐標(biāo)(x1，y1)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)比例尺變換、球體半徑以及球體的標(biāo)準(zhǔn)方程R²＝x²+y²+z²計(jì)算出標(biāo)記線中點(diǎn)在球體上的三維坐標(biāo)(x2，y2，z2)。相鄰兩幀圖像上標(biāo)記線中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)與球心組成的三角形中，以球心為頂點(diǎn)的角的角度即球體在連續(xù)兩幀圖像采集的間隔時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度；此外，由于在設(shè)定的間隔時(shí)間內(nèi)球體最大旋轉(zhuǎn)角度小于180°，所以通過(guò)坐標(biāo)變換可直觀得出球體后旋的方向：球體繞Y軸順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過(guò)上述后旋角度和方向即可得到球體的后旋向量。

可以理解的，將后旋向量和圖像采集的間隔時(shí)間作為已知參數(shù)，可計(jì)算球體后旋的旋轉(zhuǎn)速度，即后旋角度除以時(shí)間。

球體側(cè)旋向量的計(jì)算方法如下：將連續(xù)采集的兩幀圖像重合，延長(zhǎng)兩幀圖像上的同一條標(biāo)記線，兩條線段夾角中的銳角角度大小即側(cè)旋角度。在圖1所示參考坐標(biāo)系下，即球心為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，可通過(guò)每個(gè)圖像(圖5所示)得到標(biāo)記線上任意一點(diǎn)的二維坐標(biāo)，選取兩點(diǎn)可計(jì)算圖像上標(biāo)記線的斜率，根據(jù)斜率值可判斷側(cè)旋的方向，當(dāng)?shù)诙瑘D像上標(biāo)記線的斜率為負(fù)時(shí)，可知球體繞Z逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之則為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過(guò)上述側(cè)旋角度和方向即可得到球體的側(cè)旋向量。

可以理解的，將側(cè)旋向量和圖像采集的間隔時(shí)間作為已知參數(shù)，可計(jì)算球體側(cè)旋的旋轉(zhuǎn)速度，即側(cè)旋角度除以時(shí)間。

可以理解的，在一些實(shí)施中，為使計(jì)算結(jié)果更加精確，可在選取標(biāo)記線中點(diǎn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，再計(jì)算該標(biāo)記線兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)，綜合三個(gè)計(jì)算結(jié)果計(jì)算旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

實(shí)施本發(fā)明的球體及其高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)方法，球面標(biāo)記線可識(shí)別度高，不受打擊印記的影響。標(biāo)記線特征點(diǎn)為標(biāo)記線的中點(diǎn)，特征點(diǎn)選取簡(jiǎn)單，依據(jù)此得到計(jì)算結(jié)果可準(zhǔn)確反映球體的旋轉(zhuǎn)向量。本發(fā)明方法中的采集區(qū)域大小、圖像采集頻率與球體大小、球體最大轉(zhuǎn)速、最大飛行速度相匹配；每幀圖像中球體輪廓完整，間隔時(shí)間內(nèi)球體旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)180°，球體旋轉(zhuǎn)方向分析簡(jiǎn)便準(zhǔn)確。

可以理解的，以上實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制；應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，可以對(duì)上述技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行自由組合，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍；因此，凡跟本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的等同變換與修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。