一种场地标定方法及实施该方法的装置与流程

本发明涉及一种场地标定方法及实施该标定方法的装置。

背景技术：

在一些球类体育赛事中，人或者球的位置关系所涉及到的判罚，主要以场地的线为准，在此过程中就需要对球类相对场地的位置进行标定。现有技术中对目标物体在场地内位置进行标定时，均是先在世界坐标系下对场地进行标定并在场地内设定标定点，此时标定点的世界坐标系已知；再根据算法计算出标定点在摄像头采集的图像上形成的图像坐标系中的位置；最后根据摄像头采集的图像中目标物相对于场地中标定点的位置计算得到目标物的全场坐标。

但现有技术中，由于场地在建设过程中不可避免地会存在误差，加之计算目标物的位置时的依据是世界坐标系内目标物与标定点之间的相对位置，而摄像头采集的图像越靠近边缘处越是变形严重，因而现有技术中的标定方法标定的目标物的位置精度难以保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种场地标定方法以解决使用现有技术中的标定方法标定目标物时目标物的位置精度难以保证的问题；本发明的目的还在于提供一种用于实施上述场地标定方法的装置。

为实现上述目的，本发明的一种场地标定方法采取的技术方案为：

一种场地标定方法，包括以下步骤：步骤1，建立场地模型并设定标定点，在此步骤中，需要将场地分成多个能够覆盖全场的局部坐标系；步骤2，布置相机以采集并存储场地图片；步骤3，计算相机内参和外参；步骤4，根据相机采集图片对决策点相对场地位置进行标定；步骤4具体包括以下步骤，步骤401，根据相机采集图片计算决策点的全场坐标；步骤402，选定使决策点标定精度最高的局部坐标系作为最优局部坐标系，计算决策点在最优局部坐标系中的局部坐标；步骤403，进行局部到全场的换算以求得决策点的最终全场坐标。

在所述步骤402中，若只采集到决策点的单点位置图片，则应以局部坐标的坐标原点到决策点的距离最小为原则选定最优局部坐标系。

在所述步骤402中，若采集到包括决策点在内的多个位置点，则按以下方法选定最优局部坐标系：取与决策点之间的距离小于设定值的坐标原点所在局部坐标系作为最优局部坐标系；若是所有局部坐标系的坐标原点与决策点之间的距离均大于或等于设定值，则需要计算不同局部坐标系的最优系数p，根据计算结果选取使p值最大的局部坐标系作为最优局部坐标系，最优系数p值的计算公式如下：

式中，xi为i点的x轴坐标，yi为i点的y轴坐标，zi为i点的z轴坐标，x0为相应局部坐标系原点的x轴坐标，y0为相应局部坐标系原点的y轴坐标，z0为相应局部坐标系原点的z轴坐标，n为选定范围内采集到的目标物位置点的总数，j表示策略点为选定位置点中的第j个点，nk表示落入第k个局部坐标系内位置点的总数，n表示选定范围内采集到的目标物位置点的总数。

步骤1包括以下步骤：步骤101，测量并记录场地的建设误差；步骤102，以场地的相应角点作为坐标原点建立局部坐标系；步骤103，以局部坐标系的坐标原点为基准在相应范围内设定标定点。

在设定标定点时，将球形物设定在场地的相应位置处而形成标定点。

步骤2包括以下步骤：步骤201，布置相机；步骤202，采集并存储空场地的图片；步骤203，采集并存储标定后的场地的图片。

在计算相机外参时，以步骤103中标定点的全场坐标作为参照，并通过相机自身的标定工具得到标定点的亚像素坐标。

本发明的实施标定方法的装置采用如下技术方案：

用于实施上述场地标定方法的装置，包括用于设定标定点的标定尺，所述标定尺包括横尺及垂直设置于横尺一侧边中部的竖尺，竖尺的一侧开设有半圆状的弧形槽。

本发明的有益效果如下：使用本发明的场地标定方法标定目标物相对场地位置时，首先将场地划分为多个能够覆盖全场地的局部坐标系。其后在计算决策点的具体位置坐标时通过以下三步实现，第一步根据相机采集图片求出决策点的全场坐标；第二步，根据决策点的全场坐标选出一个能使计量结果最为精准的最优局部坐标；第三步，通过坐标变换的方式求出决策点的最终全场坐标。而求出的最终全场坐标建立在步骤1得出的全场模型上，所以最终全场坐标是相对于步骤1得到的全场模型的结果，能将场地建设误差对标定精度的影响最小化。也即是说本发明使用精准的最优局部坐标对初始计算出的全场坐标进行修正，有效地提高了标定的最终全场坐标的精度。

附图说明

图1为本发明的场地标定方法中测量场地线标后的示意图；

图2为本发明的场地标定方法中标定标定点时使用的标定尺的结构示意图；

图3为本发明的场地标定方法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种场地标定方法的实施例：

本发明的场地标定方法如图1～图3所示，以网球场的具体标定为例进行说明。本发明的场地标定方法不仅可用于网球场的标定，更是可用于篮球场、足球场、羽毛球场、排球场等其他具有直角边界的场地的标定。

步骤1：建立场地模型并设定标定点；

步骤1具体包括：步骤101，测量并记录场地的建设误差。

测量场地线标具体是指：对网球场地上的各场地标线的宽度进行测量，每根场地标线均沿其延伸方向在不同的位置处多次测量场地标线的宽度。对于两根场地标线的交界处更是应作为测量重点的重点。

测量场地线标的原因在于：在场地建设施工时，场地线的边角处位置精度相对较高，而连接相应角点的场地标线的精度却难以保证，这就造成了实际网球场的场地标线与网球场地国际标准存在正负几毫米的误差。再以球场标线为基准标定目标物相对球场位置时误差较大。因而需要掌握场地在建设时产生的误差，以在后续计算中进行误差补偿。

步骤102，以场地的相应角点作为坐标原点建立局部坐标系；

将场地划分为10个局部坐标系，每个局部坐标系覆盖一定的范围并使得10个坐标系能够覆盖整个网球场。由于网球场的建设过程中角点的位置精度相对较高，所以这10个坐标系的原点均选择网球场的各个角点，10个坐标系的原点分别为s01、s02、s03、s04、s05、s06、s07、s08、s09、s10。s01位于底线上沿与左单打边线外侧的交点处，s02位于底线上沿与右单打边线外侧的交点处，s03位于前后场分界线下沿与左单打边线内侧的交点处，s04位于前后场分界线上沿与场地中线右沿的交点处，s05位于前后场分界线下沿与右单打边线内侧的交点处。s09与s01以场地中网为对称轴，s10与s02以场地中网为对称轴，s06与s03以场地中网为对称轴，s08与s05以场地中网为对称轴，s07与s04以场地中网为对称轴。

步骤103，以局部坐标系的坐标原点为基准在相应范围内设定标定点。

以各坐标原点为中心，沿x轴方向(即网球场的宽度方向)每隔500mm标定一个标定点，沿y轴方向(即网球场的长度方向)每隔1000mm标定一个标定点。

以s01这一坐标原点为中心设定标定点时，先用卷尺贴紧场地左侧单打线的外侧，沿卷尺的延伸方向在左侧单打线上每隔1000mm标记一个点位。之后使用标定尺在每个点位处量出标定环位置，再在标定环上放置网球即完成了对场地的标定。

本实施例中标定标定点时使用网球具有如下优点：一是因为网球无论从哪个角度去拍摄都是圆形，可以通过计算得出精确的亚像素圆心，二是因为网球相对于标定环要大，计算相对更精确，三是，从施工来说，更容易操作。

标定尺的具体结构如图2所示，包括矩形的横尺1及设置在横尺中部的矩形的竖尺2，竖尺2与横尺1相互垂直设置。竖尺2上沿其长度方向的一边处间隔设置有弧形槽3，弧形槽3的远离竖尺2的一侧形成供标定环放入的开口。本实施例中，弧形槽3的具体形状为半圆形。

使用标定尺量出标定环位置的具体方法如下：使横尺1的侧边紧贴场地标线，并使横尺1与竖尺2的设置有弧形槽3的那侧边的交点a处紧邻其中一个点位，此时竖尺2的设置有弧形槽3的侧边正好与沿x轴或y轴排布的点位相对应，再将与弧形槽3的大小匹配的标定环置入距离交点a一定距离(500mm或1000mm)的弧形槽3中即可。

本发明只使用基础的标定工具，即可实现高精度的场地标定。无需其他硬件设备，不仅免去了繁琐的设备集成工作，也降低了标定成本。

步骤2：布置相机以采集并存储场地图片；

步骤2具体包括以下步骤，步骤201，布置相机。

步骤202，采集并存储空场地的图片。

在相机安装调整完毕后，即可采集场地背景，需要使用采集软件分别采集所有相机视角下的完整的空场地背景图。采集时要求场地上干净整洁，不存在任何异物，不能有人员停留在画面中；场地背景图应尽可能地清晰，每台相机可分别采集多张，以作备用。

步骤203，采集并存储标定后的场地的图片。

将标定完成后的图片与空场地图片作对比，通过算法运算自动识别出所有标定点位的坐标信息。

步骤3：计算相机内参和外参；

内参的标定采用现有的棋盘格标定方法。

标定相机外参时，选取网球场中的任意一点(最好是角点)作为全场坐标的坐标原点，以步骤402中标定的标定点作为标定参照，此时上述标定点的全场坐标已知。再通过相机自身的标定工具得到图像中的这些标定点的亚像素坐标，最后使用现有的标定计算公式换算出相机的外参。

步骤4：根据相机采集图片对目标物相对场地位置进行标定。

在此需要先对决策点的概念进行定义，决策点是指用于判罚时目标物所在位置，该点可以是目标物与场界的交点，也可以是目标物的落地点，更可以是其他的需要判断其具体位置的点位。

401：根据相机采集图片计算决策点的全场坐标；

使用相机采集放置有决策点的场地图片，根据不同相机采集到的决策点的位置对图像坐标进行三维重建以计算决策点在全场坐标系中的位置信息(即全场坐标)。

402：选定使决策点标定精度最高的局部坐标系作为最优局部坐标系，并计算决策点在最优局部坐标系中的局部坐标；

选取最优局部坐标系时需要根据目标物在移动一定范围内所有的位置来选择使目标物标定总体精度最高的局部坐标系，具体方法如下：

1.若相机只捕捉到决策点的位置却不能捕捉到决策点附近其他点的位置，则通过已知的目标物的全场坐标选择距离决策点(也即是目标物的球心位置)最近的局部坐标系的原点，相应的局部坐标系即为最终选定的最优局部坐标系。

2.若相机捕捉到包括决策点在内的多个位置点，沿目标物的运动方向，这些位置点可能在决策点之前也可能在决策点之后，则需要计算目标物移动一定范围内所经过的所有位置来选择总体精度最高的局部坐标系作为最优局部坐标系。

如果决策点与某个局部坐标系坐标原点间距离小于设定值则选择该局部坐标系作为最优局部坐标系，若决策点与局部坐标系坐标原点间距离大于或等于设定值则需要计算不同局部坐标系的最优系数p，根据计算结果选取使p值最大的坐标系作为最优局部坐标系。本实施例中，为适应于网球场设定值取为1米。

计算p值方法如下：

1)计算p1

p1＝1-(g1+g2)/g3

式中：xi为i点的x轴坐标，yi为i点的y轴坐标，zi为i点的z轴坐标，x0为相应局部坐标系原点的x轴坐标，y0为相应局部坐标系原点的y轴坐标，z0为相应局部坐标系原点的z轴坐标，n为选定范围内采集到的目标物位置点的总数，j表示策略点为选定位置点中的第j个点。

2)计算p2：

p2＝nk/n

3)计算最优系数p：

p＝p1*80％+p2*20％

式中，nk表示落入第k个局部坐标系内位置点的总数，n表示选定范围内采集到的目标物位置点的总数。

按照以上结果计算不同局部坐标系内的最优系数p值后，使得p最大的局部坐标系即选定为最优局部坐标系。

最优局部坐标系选定后，通过图像比对即可求出目标物在最优局部坐标系内的最优局部坐标矩阵

403：进行局部到全场的换算以求得决策点的最终全场坐标；

局部到全场换算时使用以下公式：

式中：为决策点的最终全场坐标矩阵；为决策点的局部坐标矩阵；为局部坐标系到全场坐标系的旋转矩阵；为局部坐标系到全场坐标系的平移矩阵。

与在步骤3中计算相机外参时即被求出。

本发明的用于实施场地标定方法的装置的具体实施例如下：

用于实施场地标定方法的装置包括标定尺，标定尺的结构如图2所示，包括矩形的横尺1及设置在横尺中部的矩形的竖尺2，竖尺2与横尺1相互垂直设置。竖尺2上沿其长度方向的一边处间隔设置有弧形槽3，弧形槽3的远离竖尺2的一侧形成供标定环放入的开口。本实施例中，弧形槽3的具体形状为半圆形，所以与弧形槽3的半径匹配的标定环由开口处置入弧形槽3中之后，标定环的中心位置即处于及竖尺2的开设有弧形槽3的那侧侧边上。

本发明标定尺的设计极大地方便了对标定点的高精度布置，解决了现有技术中无专业标定仪器以方便、精准地布置标定点的问题，有利于提高标定目标物的位置精度。