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与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.田赛投掷类项目主要包括实心球、铅球、铁饼、标枪、链球等，跳远类项目包括跳远、三级跳远、立定跳远等，无论是在竞技类运动中，还是在业余运动中，都是非常普及的运动项目。
3.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。
4.针对上述的问题，目前已经有了一些新的技术方案来解决，比如申请号为201621254935.3的实用新型专利“掷实心球测试仪”，该方案使用置于场地两边的两个测试杆，用发送和接收红外信号的方法，捕捉到实心球落地瞬间的位置，从而投掷距离进行测量，该方法自动程度高，实时性高，为上面的第一个问题提供了一种解决方案，目前市场上的掷实心球测试仪产品基本上都是基于这一技术原理。但是，该方案存在以下的问题：
5.1.测量精度低，上述掷实心球测试仪的测试精度在10厘米左右，精度过低。
6.2.成本较高，一台上述的掷实心球测试仪市场售价在1万多元至几万元之间，不利于进行推广和普及。
7.3.测试杆长数米，且测试杆和主机都需要定时充电，整套设备在搬运、存储、维护方面代价较大。
8.4.上述掷实心球测试仪的测试范围有限，对于标枪，链球，铁饼等落地范围比较大的项目无能为力，对于测量跳远类项目的跳远距离也无能为力。
9.申请号为202110375052.7的发明专利“一种基于图像处理的测量田径投掷类项目投掷距离和跳远类项目跳远距离的方法”公开了解决上述问题的另一种方法。但是该方法的问题是，该方法需要对相机参数进行标定。虽然申请号为202110375193.9的发明专利“一种适用于田径测距的相机标定方法”提供了一种简单的标定方法，但是标定过程仍然不能避免，从而使整个方法在操作上较为繁琐。


技术实现要素：

10.本发明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，该方法相比现有技术相比有以下的优势：
11.1.整个测量过程仅仅使用单台相机架设在场边即可完成视频数据采集，成本低廉，操作方便。
12.2.可以用普通的手机代替专业相机，用手机上的相机进行视频采集，并用手机进行测量结果的计算，使得成本更加低廉，使用更加方便。
13.3.不需要对相机参数进行标定，整个方法步骤简单，操作方便，并且用户可以随意地更换手机。
14.4.测量精度较高，测量精度能达到4厘米左右，虽然与申请号为202110375052.7的发明专利“一种基于图像处理的测量田径投掷类项目投掷距离和跳远类项目跳远距离的方法”的精度略低，但是在一些精度要求不是特别高，而测量成本和操作方便性更加重要的场合，比如学校的实心球项目、铅球项目、立定跳远项目等，本方法是更合适的选择。
具体实施方式
15.由于本发明对于测量投掷类项目的投掷距离和跳远类项目的跳远距离在技术原理上没有任何区别，为简化描述，以下以测量投掷类项目的投掷距离为例进行说明，其技术原理亦可运用于测量跳远类项目的跳远距离。
16.本方法的具体实施方式是：整个测量过程分为校准和正式测量两个阶段。
17.附图为校准阶段的操作步骤，如下：
18.1.将相机(手机)用支架架设在投掷场地的场边，调整相机的左右、前后和上下三个方向的位置，使取景范围恰当。相机的视野应该覆盖整个场地落地区。
19.2.进行n次(比如n＝10)试投，从运动员的角度看，试投在左右方向应该尽量接近落地中线，在前后方向应该尽量覆盖整个落地区(也就是尽量覆盖正式投掷时的最近距离和最远距离)。试投时不一定站在起掷线进行投掷，而是可以从更接近落地区的位置进行投掷。相机捕捉每次试投的落地点，获得落地点数据，同时用人工的方法测量每次试投的距离(无论是否在起掷线试投，测量的都是从起掷线到落地点的距离)，将测量结果输入到手机中，试投结束。校准阶段结束。
20.在实施过程中，为了避免每次校准过程都进行上述第2步的试投操作，可以通过某种方法记录下相机的位置和取景角度(比如在地面上对相机支架的位置进行标记，在取景框中将某些点与地面上的某些点重合等等)，这样，下一次进行校准操作时，就不需要再进行试投，只要保证相机位置和取景角度与第一次校准时相同即可。
21.在正式测量阶段，相机持续工作，不需要人工的干预，捕捉到一次投掷之后，立刻计算出该投掷的距离，在屏幕上显示结果，进行语音播报，并且可以将投掷距离数据发送给其它显示终端或者其它的数据服务器进行进一步的处理。
22.以下说明本发明计算投掷距离的方法。计算也分为两个阶段：在校准阶段结束时进行一次计算；在正式测量阶段，对于每次投掷都计算该次投掷的投掷距离。
23.本说明书说明的计算方法，只是若干可行的方法之一，用其它类似的方法进行计算，也在本发明的保护范围之内。
24.首先我们为照片建立坐标系：二维坐标系，原点在照片左上角，往右为x轴正方向，往下为y轴正方向。校准阶段结束时，得到的是n次试投的落地点在照片中的坐标，这些点的坐标大致呈一条直线分布。用线性回归的方法，将这些点拟合成一条直线，得到直线l1。接下来，将所有的点映射到直线l1上。将点p 映射到直线l1的方法可以是：求直线上一点p’，它与p点的x坐标相同，则p’是点p映射到直线l1 上的点；也可以是：求p点在直线l1上的垂
足p’，则p’是点p映射到直线l1上的点。或者用其它的方法进行映射。这样，我们得到了直线l1上的n个点，其中包括了投掷距离最近的点，称为p1′
，计算这n 个点到p1′
的距离di(i＝1，2，...，n)(包括p1′
点本身，其距离d1为0)。同时，我们已知这n次投掷的实际投掷距离，记为di′
。以di为自变量，di′
为因变量建立坐标系，得到该坐标系下的n个点，这n个点也大致成直线分布。再次用线性回归的方法，将这些点拟合成一条直线，得到直线l2。校准阶段的计算结束，得到的直线l1和l2是正式测量阶段计算的基础。
25.在正式测量阶段，对于每一次投掷，通过视频分析的方法，都可以得到其落地点在照片中的坐标p，用与校准阶段相同的映射方法，将其映射到直线l1上，得到映射点p’，然后求得它与p1′
的距离d
x
，以d
x
为自变量，根据直线l2的方程得到因变量的值d
x
′
，这个值即是本次投掷的投掷距离。问题解决。


技术特征：
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，其特征是，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。

技术总结
本发明公开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。该方法采用单目相机(可以是普通的手机)，将相机架设到投掷场边，通过进行若干次试投/试跳并用人工的方法测得每次试投试跳的投掷距离/跳远距离的方法，建立起落点在照片中的位置与实际投掷距离/跳远距离之间的映射关系。在正式的投掷/跳远中，捕捉投掷落点/跳远落点在照片中的位置，然后根据映射关系计算出投掷距离/跳远距离。然后根据映射关系计算出投掷距离/跳远距离。


技术研发人员：杨清平
受保护的技术使用者：北京方程奇迹科技有限公司
技术研发日：2021.07.29
技术公布日：2023/2/2