一种弹跳高度的测试方法与装置与流程

本发明属于光电测试领域，具体涉及一种弹跳高度的测试方法与装置。

背景技术：

弹跳高度的测量在武器测试、工业测量、体育运动等领域中有着非常广泛的应用。为了验证信号弹的性能，检验部门必须对其信号弹产品发射高度进行测量，如果信号弹发射高度过低，可能起不到指示和报警的作用。另外，通过对数据进行统计和分析，总结信号弹发射高度的规律，对指导产品的生产、工艺改进及安全使用都具有十分重要的意义。对于烟花产品来说，无论从安全角度还是从质量角度考虑，其炸点高度都是重要的评价指标之一。如果烟花没有达到预定高度而提前爆炸，就可能会造成伤亡事故，如果烟花达到预定高度而未响爆，又会影响观赏效果。在近炸引信效能评估中，近地炸点高度的精确测试也有着重要意义。跳高、跳远以及乒乓球等运动中，更需要准确的测出起跳高度或球体弹跳高度，并应用于运动分析指导中，提高成绩。

现有常用的弹跳高度测量方法有：人工目测法、投影法、障碍物触及法、测角推算法、声测法、高速摄影法、双ccd交汇测量法等。人工目测法由观察者定性判断，无法满足高精度的要求。在体育运动领域中，专利“一种球体反弹高度测试装置”采用多个红外探头组成的阵列和对应每个红外探头的反射板，通过投影记录球体的反弹高度，探头阵列高度必须覆盖整个弹跳范围，导致设备体积大，成本高。在文章《弹跳弹丸近地炸点高度光电测量方法研究》中提出的采用光电测量的方法，通过声传感触发器、光幕靶、火焰探测器和双路测时仪测量弹跳弹丸的炸点高度。这些方法测试精度受到单个探测器尺寸限制，且随着测试范围增大，装置庞大。专利“一种纵跳高度测试器”中，人体在跳跃过程中用手去触碰叶片，通过确定转动的多层叶片的最顶层叶片的高度与最底层叶片的高度测量纵跳高度，由于叶片可能会产生一定的阻力，影响人体的上跳高度，从而影响测试结果的准确性。测角推算法采用人工瞄准的方式对准目标特征高度，通过对准角度和瞄准器到目标的距离推算出目标特征高度，这种方法依赖人眼对目标的定位，精度有限。声测法通过探测爆炸声传到不同点布置的声传感器的时刻，解算出目标炸点高度，这种方法要求目标在特征位置发出声音，应用领域受限。高速摄影法通过高速摄影机记录目标弹跳过程，针对烟花炸点高度的测量，在文章《烟花炸点高度测量方法的研究》中提出了基于双ccd交汇测量原理的测量烟花炸点高度的方法。该方案利用双面阵ccd相机进行图像的采集，通过图像处理获得炸点位置，进而得到炸点高度。因为目标弹跳过程短，为了可靠捕获目标特征位置图像，必须使用高帧频相机，根据光学投影原理，必须有两台以上的相机才能解算出位置信息，成本高昂。另外相机内外参数的标定精度直接影响测试精度，因此布站、系统标定时间冗长繁琐。

技术实现要素：

本发明要提供一种弹跳高度的测试方法与装置，以解决现有技术存在的布站、系统标定时间冗长繁琐，成本高昂的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：

一种弹跳高度的测试方法，首先运用光电成像系统实时采集目标弹跳过程图像，通过对采集到的序列线形图像进行处理与分析，得到目标弹跳轨迹，获得目标在不同采集时刻的像素坐标值，判断目标弹跳特征时刻，计算出目标经过两个特征点之间的时间，最后依据运动方程，计算出目标的弹跳高度。

上述测试方法，具体包括以下步骤：

步骤一：准备阶段,包括以下两个部分：

（一）、设置相机线形图像采集间隔和连续采集行数，保证采集时长覆盖目标弹跳过程；

（二）、将相机固定在目标弹跳预定范围侧面，对准目标弹跳预定范围，打开相机实时采集图像，确定模拟目标均能成像在相机线形光敏面上；调节光学成像组件，对目标弹跳预定范围内中间深度模拟目标成像清晰，调整相机的线形光敏面铅垂，停止相机实时采集；

步骤二：目标下落，触发相机连续采集设定行数线形图像，采集结束后，得到目标弹跳过程的序列线形图像；

步骤三：对序列线形图像进行处理和分析，得到目标弹跳轨迹，获得目标在不同采集时刻的对应像素坐标值，判断目标弹跳特征时刻，计算出目标经过两个特征点之间的时间；

步骤四：依据运动方程，计算出目标的弹跳高度。

上述步骤三中，判断目标弹跳特征时刻，计算出目标运动至落地点到弹跳至最高处的时间。

实现上述弹跳高度测试的装置，包括上位机、相机、光学成像组件、调节机构和支架，所述上位机与相机相接，相机为线阵相机，相机的线形光敏面处于铅垂方向；所述光学成像组件由光学镜头和柱透镜组成，其像面处于相机光敏面位置；相机和光学成像组件设置在调节机构上，所述调节机构下方设置有支架。

上述光学成像组件与相机为一体结构。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明通过分析目标弹跳过程中达到特征位置的时刻，依据运动学公式解算目标弹跳高度，不需要事先对成像系统参数进行标定，不需要多套成像系统交汇布置，仅需调整相机光敏面铅垂，系统结构简单，布站快捷，操作方便。

2、采用柱透镜与光学镜头的组合作为成像组件，将三维场景成像在相机一维线形光敏面上，利用线阵相机的高行频，获取目标弹跳过程序列线形图像，也可为其他运动参数分析提供依据。

3、本发明不严格限制目标在固定位置弹跳，可对一定弹跳范围的目标进行弹跳高度测试，适用范围广。

附图说明：

图1是本发明提供的一种弹跳高度测试装置示意图；

图2是本发明的测试装置采集图像信息；

图3是弹跳高度示意图。

附图标记说明如下：

1-上位机，2-相机，3-光学镜头，4-柱透镜，5-调节机构，6-支架。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明进行详细地说明：

本发明的设计思想是：利用线阵相机的高空间分辨率和时间分辨率特点，以及特殊光学元件成像特性，将目标弹跳三维范围内场景成像在相机一维光敏面上，通过序列线形图像分析及运动特征解算出目标弹跳高度。

参见图1，一种实现上述弹跳高度测试的装置，包括上位机1、相机2、光学成像组件、调节机构4和支架5，所述上位机1与相机2相接，相机2为线阵相机，相机2的线形光敏面处于铅垂方向；所述光学成像组件由光学镜头3和柱透镜4组成，光学成像组件的像面处于相机光敏面位置；所述光学成像组件与相机2可以设计为一体结构，设置在调节机构5上，所述调节机构5下方设置有支架6。

所述光学成像组件中的柱透镜4可放置于光学镜头3与相机2之间，也可放置于光学镜头远离相机2一端，只要光学镜头3、柱透镜4有效组合，和相机位于同一个光路，将成像范围内目标成像于相机线形光敏面上即可。

所述调节机构4上部为滑动轨道，所述光学成像组件3与相机2固定安装在滑动轨道上，滑动轨道为直线水平轨道，可实现水平位移，滑动轨道的底部为弧形座结构，可以调节俯仰光学成像组件3与相机2俯仰角度，弧形座的弧边边缘上有数字刻度，通过侧面的旋钮固定俯仰角度。

一种弹跳高度的测试方法，具体步骤为：

步骤一：准备阶段,包括以下两个部分，这两个部分不分先后

（一）、设置相机线形图像采集间隔和连续采集行数，保证采集时长覆盖目标弹跳过程。

（二）：将相机2固定在目标弹跳预定范围侧面固定距离处，调整支撑机构和调整机构使相机对准目标弹跳预定范围。打开相机实时采集图像，移动模拟目标至预定范围边缘位置，确定模拟目标均能成像在相机线形光敏面上；调节光学成像组件，对目标弹跳预定范围内中间深度模拟目标成像清晰，调整相机的线形光敏面铅垂，停止实时相机采集；当目标弹跳预定范围为5到10米时，所说的中间深度可以确定为7.5米或8米。

步骤二：目标下落，触发相机连续采集设定行数线形图像，采集结束后，得到目标弹跳过程的序列线形图像，参见图2，其中x方向是采集时间，每一列是不同时刻采集到的线形图像；

步骤三：对序列线形图像进行处理和分析，得到目标弹跳轨迹。获得目标在不同采集时刻的对应像素坐标值；通过像素坐标值分析，获得目标落地点（目标位置像素坐标值最小）时的时刻t1和目标回弹最高点（目标位置反弹后像素坐标值最大）时的时刻t2，计算出目标经过两个特征点之间的时间t；

两个特征点之间的时间t的计算方法为：

上式中，f为线阵相机的行频。

步骤四：最后通过运动方程，计算得到弹跳高度h。参见图3，弹跳高度h通过运动方程进行计算，具体计算方法为：。