一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置的制作方法

本发明涉及及视觉领域和物理实验邻域，特别涉及一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置。

背景技术：

物理实验中摆动运动的测量是运动定律的一个重要部分，涉及到悬垂的小球在垂直摆动运动过程中的高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间，摆动次数、时间、最高点之间的关系是实验中所需要验证的，并最终计算出实验时的重力加速度。当前的实验测量方法主要是采用刻度尺、秒表和游标卡尺结合的测量方法，该方法主要问题是测量准确度不高，人为误差较大，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摆动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，对于摆动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高低点变化频率、到达最高点的位置和时间，同时可以在计算机屏幕上进行直观的演示和复原，是对摆动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摆动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，对摆动运动物体通过计算机计算机视觉技术进行准确测量和计算的方法，将现有的摆动运动物理实验装置改造成一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量系统。

一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，由实验桌、底板、垂直支架、背景板、悬垂物、摄像设备、电脑组成，其中：

所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述悬垂物；

所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述悬垂物，但是不接触所述悬垂物；

所述摄像设备正对于所述背景板的板面和所述悬垂物，所述摄像设备拍摄所述悬垂物的摆动运动；

所述电脑获取所述摄像设备拍摄的所述悬垂物的摆动运动图像。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，还包括：

所述底板放置于桌面上。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，还包括：

所述摄像设备用三角支架进行固定。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，还包括：

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，进行多次播放视频，复现摆动运动实验。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，还包括：

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，实时显示所述悬垂物的高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间数据。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，还包括：

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，保存于所述电脑上。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，其特征在于：

所述悬垂物为体积小、密度大的物体。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，其特征在于：

所述体积小、密度大的物体为金属小球。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，其特征在于：

用于悬挂所述悬垂物的连接线为柔软的、无弹性的细线。

进一步的，所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，其特征在于：

所述背景板为长方体形状，所述背景板的板面绘制二维坐标系网格。

通过所述的一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验测量系统可以对现有摆动运动物理实验装置不进行大的改动，只是增加了表面绘制成二维平面坐标系网格的背景板、高速摄影机和笔记本电脑，实现了摆动运动物理实验的自动测量，并且通过软件很好的演示了摆动的小球高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间等，计算出实验时的重力加速度，适用于现有的各种类型的摆动运动物理实验装置，克服了现有实验的测量准确度不高，人为误差较大，没有对实验过程的复原和演示，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的主视图。

图2为二维平面坐标系网格的背景板示意图的侧视图。

图3为二维平面坐标系网格的背景板示意图的仰视图。

图4为运动系统示意图。

图5为测量系统示意图。

图中：1、实验桌；2、底板；3、垂直支架；4、背景板，401、板面，402、结构组件；5、悬垂物；6、摄像设备；7、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摆动运动实验装置，由实验桌1、底板2、垂直支架3、背景板4、悬垂物5、摄像设备6、电脑7组成。

所述背景板4为长方体形状，所述背景板4的板面401绘制二维坐标系网格。

图1、2、3为背景板的一种实施示例。如图1、2、3所示，背景板4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402，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。

所述悬垂物5为体积小、密度大的物体。

所述体积小、密度大的物体为金属小球。

所述垂直支架3的一端固定于所述底板2上，所述垂直支架3的另一端悬挂所述悬垂物5。

用于悬挂所述悬垂物5的连接线为柔软的、无弹性的细线。

所述背景板4固定于所述底板2上；所述背景板4的板面401靠近所述悬垂物5，但是不接触所述悬垂物。

图4为本实用新型的一种实施方式。如图4所示，本实施方式是在实验桌1上摆放好底板2，将垂直支架3固定在底板2上，摆放表面绘制成二维平面坐标系网格的背景板4在底板2上，在垂直支架3上系好细线悬挂的小球，使小球可以顺滑的在背景板4表面做摆动运动，摆动时尽量选择摩擦力最小的悬挂位置。

所述摄像设备6正对于所述背景板4的板面401和所述悬垂物5，所述摄像设备6拍摄所述悬垂物5的摆动运动。

所述电脑7获取所述摄像设备6拍摄的所述悬垂物5的摆动运动图像。

图5为本实用新型的一种实施方式。如图5所示，所述高速摄影机摆放至实验桌面前侧；所述高速摄影机与笔记本电脑采用专用电缆相连。笔记本电脑中的软件可以实时采集高速摄影机中保存的实验中摆动小球的运动状态图像。

实施例二

一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，由实验桌、底板、垂直支架、背景板、悬垂物、摄像设备、电脑组成。

所述背景板为长方体形状，所述背景板的板面绘制二维坐标系网格。

图1为背景板的一种实施示例。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。

所述悬垂物为体积小、密度大的物体。

所述体积小、密度大的物体为金属小球。

所述底板放置于桌面上。

所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述悬垂物。

用于悬挂所述悬垂物的连接线为柔软的、无弹性的细线。

所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述悬垂物，但是不接触所述悬垂物。

图4为本实用新型的一种实施方式。如图4所示，本实施方式是在实验桌1上摆放好底板2，将支架3固定在底板2上，摆放表面绘制成二维平面坐标系网格的背景板4在底板上，在支架3上系好细线悬挂的小球，使小球可以顺滑的在背景板表面做摆动运动，摆动时尽量选择摩擦力最小的悬挂位置。

所述摄像设备正对于所述背景板的板面和所述悬垂物，所述摄像设备拍摄所述悬垂物的摆动运动。

所述摄像设备用三角支架进行固定。

所述电脑获取所述摄像设备拍摄的所述悬垂物的摆动运动图像。

图5为本实用新型的一种实施方式。如图5所示，所述带三脚架的高速摄影机摆放至实验桌面前侧；所述高速摄影机与笔记本电脑采用专用电缆相连。笔记本电脑中的软件可以实时采集高速摄影机中保存的实验中摆动小球的运动状态图像。

实施例三

一种基于计算机视觉技术的摆动运动实验装置，由实验桌、底板、垂直支架、背景板、悬垂物、摄像设备、电脑组成。

所述背景板为长方体形状，所述背景板的板面绘制二维坐标系网格。

图1为背景板的一种实施示例。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。

所述悬垂物为体积小、密度大的物体。

所述体积小、密度大的物体为金属小球。

所述底板放置于桌面上。

所述垂直支架的一端固定于所述底板上，所述垂直支架的另一端悬挂所述悬垂物。

用于悬挂所述悬垂物的连接线为柔软的、无弹性的细线。

所述背景板固定于所述底板上；所述背景板的板面靠近所述悬垂物，但是不接触所述悬垂物。

图4为本实用新型的一种实施方式。如图4所示，本实施方式是在实验桌1上摆放好底板2，将支架3固定在底板2上，摆放表面绘制成二维平面坐标系网格的背景板4在底板上，在支架3上系好细线悬挂的小球，使小球可以顺滑的在背景板表面做摆动运动，摆动时尽量选择摩擦力最小的悬挂位置。

所述摄像设备正对于所述背景板的板面和所述悬垂物，所述摄像设备拍摄所述悬垂物的摆动运动。

所述摄像设备用三角支架进行固定。

所述电脑获取所述摄像设备拍摄的所述悬垂物的摆动运动图像。

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，进行多次播放视频，复现摆动运动实验。

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，实时显示所述悬垂物的高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间数据。

所述电脑获取所述悬垂物的摆动运动视频，保存于所述电脑上。

图5为本实用新型的一种实施方式。如图5所示，所述带三脚架的高速摄影机摆放至实验桌面前侧；所述高速摄影机与笔记本电脑采用专用电缆相连。笔记本电脑中的软件可以实时采集高速摄影机中保存的实验中摆动小球的运动状态图像，并依此运动状态图像进行相应的计算机视觉技术计算小球高低点变化频率、摆动次数、到达最高点的位置和时间等，计算出实验时的重力加速度等量值。

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。

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。