一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统与流程

本发明涉及变速直线运动物理实验，特别涉及一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统。

背景技术：

物理实验中变速直线运动的测量是运动定律的一个重要部分，涉及到物体在直线运动方式上的运动速度变化、位置变化、时间变化以及加速度的变化，速度、时间、距离之间的关系是实验中所需要验证的。当前的实验测量方法主要是采用打孔机、直尺和秒表等测量方法，或者用脉冲、超声波等测量方法，以上方法主要问题是测量准确度不高，人为误差较大，实验准备工作繁琐，没有对实验过程的复原和演示。

当今迅速发展的计算机计算机视觉技术可以非常好的应用到变速直线运动物理实验的测量中，由于计算机视觉技术优势在于时间和位置变化的准确测量，以及增加的高速摄影机和背景二维平面坐标系的独立特点，因此，对于变速直线运动物理实验的装置不需要进行大的更新，在保持原有实验装置基本不变的前提下，通过对高速摄影机的使用，可以准确测量实验中的速度、时间和位置，同时可以在计算机屏幕上进行直观的演示和复原，是对变速直线运动物理实验测试方法的革新与提升。

技术实现要素：

本发明为了解决目前物理实验中变速直线运动的准确测量和计算，在不对现有物理实验装置进行较大改动的前提下，通过增加连接笔记本电脑的高速摄影机和背景二维平面坐标系，对变速直线运动物体通过计算机视觉技术进行准确测量和计算的方法，将现有的变速直线运动物理实验装置改造成一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量系统。

一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，包含背景板、实验实验小车、实验小车牵引物、平台轨道、摄像设备、电脑，其实验装置包含：

所述背景板的板面位于所述平台轨道的侧面，所述背景板的板面靠近但不接触所述平台轨道的侧面；

所述实验实验小车位于所述平台轨道的轨道上；

所述实验小车牵引物与所述实验实验小车连接；

所述摄像设备位于所述平台轨道的侧面，并且所述摄像设备与所说背景板位于所述平台轨道的不同的侧面，所述摄像设备用于拍摄所述实验实验小车在所述实验小车牵引物的作用下运动的图像信息；

其测量方法的步骤包含：

步骤1：进行初始值设置；

步骤2：开启摄像设备，进行一次实验小车的运动测试，将此次的记录影像传送电脑中的软件中；

步骤3：完成所有的实验测试以及记录影像的保存后；

步骤4：用笔记本电脑中的软件对每次实验的图像进行计算机视觉技术，得到实验需求的各种实验数据，得到实验结论，完成实验。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤4包含：

步骤4.1：获取实验小车的运动时间；

步骤4.2：获取实验小车的运动位置；

步骤4.3：确定实验小车运动的开始时间和结束时间；

步骤4.4：获取相关实验小车在各个位置时的瞬时速度、运动距离、运动时间、任意时段的平均速度。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤1包含：

所述初始值，包含实验名称、实验地点、实验人员、试验时间、第几次实验、当前实验影像文件名称、砝码的个数和重量，摄像设备的型号、拍摄时设定的拍摄帧数、快门时间和每帧图像的长和宽的像素值。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤2包含：

重复多次所述步骤2中的实验。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，所述重复多次所述步骤2中的实验之前，还包含：

每次重复实验之前，进行初始值设置。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤4.1包含：

将每次记录的影像进行图像提取，按照摄像设备拍摄的设置将影像中每帧图片都提取保存到临时目录中，按照前后顺序进行图片的自动编号，通过编号得到实验小车的运动时间。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤4.2包含：

通过图像模式识别，将四轮实验小车上部安装的一个侧面十字支架的中心识别出，并通过背景板8上面二维平面坐标系网格，将十字支架中心点在二维坐标系的位置准确识别并记录，二维坐标的长度间隔数值是已知的，得到所有帧数图片中十字支架中心点的二维坐标值，将所有图片中十字支架中心点的二维坐标值保存就是实验小车的实时运动位置，时间就是摄像设备每帧图片的间隔时间，得到实验小车运动的位置和时间。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，其特征在于所述步骤4.3包含：

找到实验小车运动位置变化的第一个数值，作为实验小车运动的开始时间和位置；

如果实验小车运动位置连续n次没有变化，把这n次没有变化的数值作为实验小车运动的停止位置，同时第一个停止位置就是实验小车运动结束的时间。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，还包含：

通过软件绘图功能，动态的复原实验小车完整的运动过程，并且提供实验小车在任意位置的速度和运动距离等数据，直观的演示，通过软件以不同的显示速度演示实验小车的运动过程。

更进一步的，一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，还包含：

通过软件分析计算出结果后，保留得到的数据，按照事先设定的实验初始值保留文件，以后可以随时调取数据进行动态模拟演示

通过所述的一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量系统可以对现有变速直线运动物理实验装置不进行大的改动，只是增加了运动小车上面十字支架、高速摄影机和二维平面坐标系的背板，实现了变速直线运动物理实验的各种自动测量，并且通过软件很好的演示了变速直线运动物体在各个位置的时间、速度和距离，适用于现有的各种类型的变速直线运动物理实验装置，克服了现有实验的准确度不高，人为误差较大，实验准备工作繁琐，没有对实验的复原和演示等缺点，提高了实验的测量精度和准确度。

附图说明

图1为二维平面坐标系网格的背景板示意图。

图2为前端有挂钩的四轮小车和上部安装一个侧面十字支架示意图。

图3为运动系统示意图。

图4为测量系统示意图。

其中，1、平台轨道；2、小车；3、十字架；4、定滑轮；5、细线；6、砝码；7、摄像机；8、背景板；9、电脑。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一

一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，包含背景板、实验实验小车、实验小车牵引物、平台轨道、摄像设备、电脑，其实验装置包含：

所述背景板的板面位于所述平台轨道的侧面，所述背景板的板面靠近但不接触所述平台轨道的侧面。

如图1所示，背景板为浅色长方形平板结构，底部和背部安装有支撑的结构组件，平板水平方向长度为120厘米，竖直方向为60厘米，平板上绘制平面网格，间隔为5厘米等距的正方形，平板绘制的网格水平方向为100厘米，竖直方向为50厘米，网格在平板上居中用黑色直线绘制。

所述实验实验小车位于所述平台轨道的轨道上。

所述实验小车牵引物与所述实验实验小车连接。

所述摄像设备位于所述平台轨道的侧面，并且所述摄像设备与所说背景板位于所述平台轨道的不同的侧面，所述摄像设备用于拍摄所述实验实验小车在所述实验小车牵引物的作用下运动的图像信息。

如图2所示，本实施方式所述一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量系统的前端有挂钩的四轮小车和小车上部安装一个侧面十字支架。十字支架安装在小车上部侧面，当小车轮子在平台轨道1的轨道内时十字支架的竖直面应该与背景板的竖直平面尽量贴近，在不增加摩擦力而影响小车沿轨道行进的前提下，使十字支架与背景板之间距离尽量靠近，这样将提高测量精度。

如图3所示，它还包含可自由调节斜坡度的平台轨道1、前端有挂钩的四轮小车2、四轮小车上部安装的一个侧面十字支架3、定滑轮4、两端带挂钩的细线5、上下带挂钩的砝码6。将实施方式一中的二维平面坐标系网格的背景板8安放至可自由调节斜坡度的平台轨道1平行的桌面后侧，并保证将使前端有挂钩的四轮小车2运动过程都在二维平面坐标系网格的背景板前侧。

其测量方法的步骤包含：

步骤1：进行初始值设置。

步骤2：开启摄像设备，进行一次实验小车的运动测试，将此次的记录影像传送电脑中的软件中。

步骤3：完成所有的实验测试以及记录影像的保存后。

步骤4：用笔记本电脑中的软件对每次实验的图像进行计算机视觉技术，得到实验需求的各种实验数据，得到实验结论，完成实验。

结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二和三不同点在于它还增加了带三脚架的高速摄影机7和笔记本电脑9。所述带三脚架的高速摄影机7摆放至实验桌面前侧，并使高速摄影机7摆放至可自由调节斜坡度的平台轨道1前侧；所述高速摄影机7与笔记本电脑9采用专用电缆相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。笔记本电脑9中的软件可以实时采集高速摄影机7中保存的实验中运动小车的运动状态图像，并依此运动状态图像进行相应的计算机视觉技术计算运动小车的位置、速度、时间等量值。

实施例二

一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，包含背景板、实验实验小车、实验小车牵引物、平台轨道、摄像设备、电脑，其实验装置包含：

所述背景板的板面位于所述平台轨道的侧面，所述背景板的板面靠近但不接触所述平台轨道的侧面。

所述实验实验小车位于所述平台轨道的轨道上。

所述实验小车牵引物与所述实验实验小车连接。

所述摄像设备位于所述平台轨道的侧面，并且所述摄像设备与所说背景板位于所述平台轨道的不同的侧面，所述摄像设备用于拍摄所述实验实验小车在所述实验小车牵引物的作用下运动的图像信息。

其测量方法的步骤包含：

步骤1：进行初始值设置。

所述初始值，包含实验名称、实验地点、实验人员、试验时间、第几次实验、当前实验影像文件名称、砝码的个数和重量，摄像设备的型号、拍摄时设定的拍摄帧数、快门时间和每帧图像的长和宽的像素值。

步骤2：开启摄像设备，进行一次实验小车的运动测试，将此次的记录影像传送电脑中的软件中。

重复多次所述步骤2中的实验。

每次重复实验之前，进行初始值设置。

步骤3：完成所有的实验测试以及记录影像的保存后。

步骤4：用笔记本电脑中的软件对每次实验的图像进行计算机视觉技术，得到实验需求的各种实验数据，得到实验结论，完成实验。

步骤5：通过软件绘图功能，动态的复原实验小车完整的运动过程，并且提供实验小车在任意位置的速度和运动距离等数据，直观的演示，通过软件以不同的显示速度演示实验小车的运动过程。

实施例三

一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，包含背景板、实验实验小车、实验小车牵引物、平台轨道、摄像设备、电脑，其实验装置包含：

所述背景板的板面位于所述平台轨道的侧面，所述背景板的板面靠近但不接触所述平台轨道的侧面。

所述实验实验小车位于所述平台轨道的轨道上。

所述实验小车牵引物与所述实验实验小车连接。

所述摄像设备位于所述平台轨道的侧面，并且所述摄像设备与所说背景板位于所述平台轨道的不同的侧面，所述摄像设备用于拍摄所述实验实验小车在所述实验小车牵引物的作用下运动的图像信息。

其测量方法的步骤包含：

步骤1：进行初始值设置。

所述初始值，包含实验名称、实验地点、实验人员、试验时间、第几次实验、当前实验影像文件名称、砝码的个数和重量，摄像设备的型号、拍摄时设定的拍摄帧数、快门时间和每帧图像的长和宽的像素值。

步骤2：开启摄像设备，进行一次实验小车的运动测试，将此次的记录影像传送电脑中的软件中。

重复多次所述步骤2中的实验。

每次重复实验之前，进行初始值设置。

步骤3：完成所有的实验测试以及记录影像的保存后。

步骤4：用笔记本电脑中的软件对每次实验的图像进行计算机视觉技术，得到实验需求的各种实验数据，得到实验结论，完成实验。

步骤5：通过软件分析计算出结果后，保留得到的数据，按照事先设定的实验初始值保留文件，以后可以随时调取数据进行动态模拟演示。

实施例四

一种基于计算机视觉技术的变速直线运动实验测量方法和系统，包含背景板、实验实验小车、实验小车牵引物、平台轨道、摄像设备、电脑，其实验装置包含：

所述背景板的板面位于所述平台轨道的侧面，所述背景板的板面靠近但不接触所述平台轨道的侧面。

所述实验实验小车位于所述平台轨道的轨道上。

所述实验小车牵引物与所述实验实验小车连接。

所述摄像设备位于所述平台轨道的侧面，并且所述摄像设备与所说背景板位于所述平台轨道的不同的侧面，所述摄像设备用于拍摄所述实验实验小车在所述实验小车牵引物的作用下运动的图像信息。

其测量方法的步骤包含：

步骤1：进行初始值设置。

所述初始值，包含实验名称、实验地点、实验人员、试验时间、第几次实验、当前实验影像文件名称、砝码的个数和重量，摄像设备的型号、拍摄时设定的拍摄帧数、快门时间和每帧图像的长和宽的像素值。

步骤2：开启摄像设备，进行一次实验小车的运动测试，将此次的记录影像传送电脑中的软件中。

重复多次所述步骤2中的实验。

每次重复实验之前，进行初始值设置。

步骤3：完成所有的实验测试以及记录影像的保存后。

步骤4：用笔记本电脑中的软件对每次实验的图像进行计算机视觉技术，得到实验需求的各种实验数据，得到实验结论，完成实验。

所述步骤4包含：

步骤4.1：获取实验小车的运动时间。

将每次记录的影像进行图像提取，按照摄像设备拍摄的设置将影像中每帧图片都提取保存到临时目录中，按照前后顺序进行图片的自动编号，通过编号得到实验小车的运动时间。

步骤4.2：获取实验小车的运动位置。

通过图像模式识别，将四轮实验小车上部安装的一个侧面十字支架的中心识别出，并通过背景板8上面二维平面坐标系网格，将十字支架中心点在二维坐标系的位置准确识别并记录，二维坐标的长度间隔数值是已知的，得到所有帧数图片中十字支架中心点的二维坐标值，将所有图片中十字支架中心点的二维坐标值保存就是实验小车的实时运动位置，时间就是摄像设备每帧图片的间隔时间，得到实验小车运动的位置和时间。

步骤4.3：确定实验小车运动的开始时间和结束时间。

找到实验小车运动位置变化的第一个数值，作为实验小车运动的开始时间和位置。

如果实验小车运动位置连续n次没有变化，把这n次没有变化的数值作为实验小车运动的停止位置，同时第一个停止位置就是实验小车运动结束的时间。

步骤4.4：获取相关实验小车在各个位置时的瞬时速度、运动距离、运动时间、任意时段的平均速度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-onlymemory）、随机存取存储器（ram，randomaccessmemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。