一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法技术

本发明专利技术提出了一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法。本发明专利技术使用单个相机(可以是用户的手机)，用支架将相机架设在场地边，使用简单的步骤即可以实时地、自动地测量投掷距离和跳远距离。本发明专利技术所述的方法在操作方面的要点包括：1.只需要知道起掷线/起跳线到场地中点的距离这一个数据。2.对于相机的取景位置和取景角度，只有两个要求：(1)相机的视线方向与投掷中线/跳跃中线垂直；(2)当相机架设在场地右边时，相机取景框内的左侧白圈与起投点/起跳点重合，中间白圈与场地中点重合；当相机架设在场地左边时，相机取景框内的右侧白圈与起投点/起跳点重合，中间白圈与场地中点重合。地中点重合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法


[0001]本专利技术属于体育田径项目的训练和比赛裁判领域，尤其涉及一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法。

技术介绍

[0002]田赛投掷类项目主要包括实心球、铅球、铁饼、标枪、链球等，跳远类项目主要包括跳远、立定跳远、三级跳远等。无论是在竞技类运动中，还是在业余运动中，这些都是非常普及的运动项目。
[0003]在田赛投掷类运动和跳远类运动的比赛和训练中，存在着如下的问题：在测量投掷距离和跳远距离时，传统的方法是使用皮尺用人工的方法进行测量，这种测量方式，裁判需要时刻盯着第一落点，容易产生误差，也缺乏客观性，且测量过程需要时间，效率较低，测试节奏较慢。在标枪和链球项目中，落点区域是危险区域，测量人员需要提高警惕，标枪和链球伤人的事件也时有发生。
[0004]针对上述的问题，目前已经有了一些新的技术方案来解决。申请号为202110860839.2的专利技术专利“一种基于单目相机的测量田赛投掷项目投掷数据的方法”公开了解决上述问题的一种方法。但是该方法存在如下的问题：该方法需要事先用手工的方法测量以下的三个数据作为计算的基础：起掷线到场地中点的距离；场地中点到相机的水平距离；相机高度。同时，该方法在调整相机视角时，需要同时满足以下三个条件： 1.确保视线的上下方向保持水平；2.视线的左右方向保持与投掷中线垂直(视线的垂直面与投掷中线的交点称为场地中点)；3.并且相机本身保持水平。上述问题使得该方法在实际使用过程中对用户的要求较高，使用时的便利性不够。
[0005]申请号为202110860840.5的专利技术专利“一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法”公开了解决上述问题的一种方法。但是该方法在进行正式投掷/跳远之前需要进行若干次试投/试跳，并用人工测量的方法测得每次试投/试跳的投掷距离/跳远距离，作为正式投掷/跳远时进行计算的基础。因而该方法同样存在使用时的便利性不够的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种新的基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法。本专利技术使用单个相机(可以是用户的手机)，用支架将相机架设在场地边，使用简单的步骤即可以实时地、自动地测量投掷距离和跳远距离。
[0007]本专利技术所述的方法在操作方面的要点包括：
[0008]1.只需要知道起掷线/起跳线到场地中点的距离这一个数据。
[0009]2.对于相机的取景位置和取景角度，只有两个要求：(1)相机的视线方向与投掷中线/跳跃中线垂直； (2)当相机架设在场地右边时，相机取景框内的左侧白圈与起投点/起跳点重合，中间白圈与场地中点重合；当相机架设在场地左边时，相机取景框内的右侧白圈
与起投点/起跳点重合，中间白圈与场地中点重合。
[0010]因而，本方法与现有技术相比，在使用的便利性方面有较大的改进。
附图说明
[0011]图1是投掷起点、投掷方向、场地中点以及相机之间的位置关系。
[0012]图2是取景框中的参考线和圆圈。
[0013]图3是相机在世界坐标系中的坐标(x，y，z)。
[0014]图4是采用分段点。
具体实施方式
[0015]本方法在技术原理方面，对于测量投掷类项目的投掷距离和测量跳远类项目的跳远距离是相同的，为方便起见，以下均以测量投掷类项目的投掷距离为例进行讲解；相机可以架设在场地右边，也可以架设在场地左边，且技术原理也是相同的，以下均以相机架设在场地右边为例进行讲解。
[0016]本方法的具体实施方式是，整个测量的准备工作由以下的两个步骤组成：
[0017]第一步，确定场地中点。场地中点是投掷方向上的一个点，它与投掷起点之间的距离需要用人工的方法测量确定。投掷起点到场地中点的距离决定了测量的范围。比如该距离是6米时，测量范围大致是0.5米至 11.5米。可以根据实际需要调整该距离的大小。
[0018]第二步，确定相机的架设位置和相机的取景角度，其要求是：
[0019]1)相机的视线方向与投掷方向垂直；
[0020]2)相机水平放置(为方便操作，可以在相机取景框内画一条水平线作为参考，取景时要求该水平线与投掷方向重合)；
[0021]3)调整相机的前后位置，使得相机的左侧中间边缘与投掷起点重合，同时相机的中点与场地中点重合。
[0022]在完成上述步骤后，准备工作全部完成，即可以开始测距工作。
[0023]图1显示了上述步骤中投掷起点，投掷方向，场地中点以及相机位置之间的关系。
[0024]图2显示了上述步骤中取景框中的参考线和小圆圈。其中的横向参考线要求与投掷方向重合(同时竖向参考线与投掷方向垂直)，左侧小圆圈要求与投掷起点重合，中间小圆圈要求与场地中点重合。
[0025]以下说明本专利技术计算投掷距离的方法。
[0026]首先建立世界坐标系：它是三维坐标系，以地面为X
‑
Z平面，投掷起点为坐标系原点，投掷方向为X正方向，起掷线为Z轴，Z轴正方向为朝向相机的方向，垂直地面向上为Y轴正方向。即X
‑
Y
‑
Z三个方向满足右手规则。
[0027]接下来建立相机坐标系：它是三维坐标系，以相机光心所在的位置为坐标系原点，左方向为X轴正方向，上方向为Y轴正方向，视线方向为Z轴负方向，X
‑
Y
‑
Z三个方向满足右手规则。
[0028]接下来建立视平面坐标系：它是二维坐标系，其原点位于相机坐标系(0，0，
‑
1)的位置，X轴方向与相机坐标系相同，Y轴方向与相机坐标系相同。
[0029]接下来建立照片坐标系：它是二维坐标系，其原点位于照片左上角，向右为X轴正
方向，向下为Y轴正方向。
[0030]图3显示了相机在世界坐标系中的坐标，在该图中，(x，y，z)即为相机的坐标。注意x就是投掷起点到场地中点的距离，是已知的，y和z是未知的。
[0031]在相机视线与投掷方向垂直的条件下，世界坐标系相对于相机坐标系在Y方向的旋转角度为0。
[0032]在相机水平的条件下，世界坐标系相对于相机坐标系在Z方向的旋转角度为0。
[0033]世界坐标系相对于相机坐标系在X方向的旋转角度为：
[0034][0035]这样，我们就可以得出由世界坐标系转换为相机坐标系的转换矩阵为：
[0036][0037]假设照片的宽为VW，高为VH，则投掷起点在照片中的坐标为(0，VH/2)，而投掷起点在世界坐标系中的坐标是(0，0，0)。
[0038]将投掷起点在世界坐标系中的坐标转换到相机坐标系下，得到：
[0039][0040]再转换到视平面坐标系下，得到
[0041][0042]其中C(1)，C(2)，C(3)分别是向量C的第1，第2，第3个分量。abs是取绝对值。
[0043]假设相机的光心坐标为(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法，其特征在于：1)仅仅只需要知道投掷起点/跳跃起点到场地中点的距离；2)调整相机位置和取景角度的要点是：a)视线方向与投掷方向/跳跃方向垂直；b)取景框内左侧中间位置与投掷起点/跳跃起点重合，取景框内中点位置与场地中点重合。2.根据权利要求1所述的基于单目相机的测量田赛投掷距离和跳远距离的方法，其特征是，用公式1至公式15...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨清平，
申请(专利权)人：北京方程奇迹科技有限公司，
类型：发明
国别省市：