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　　2、(57)摘要本发明涉及智能控制的技术领域，公开了一种乒乓球旋转角速度的估计方法，包括S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；S3、依据几何处理算法，对两帧所述相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。本发明通过选用双色乒乓球、设计合理的相机布局和采用有效的旋转角速度大小和方向的计算方法，既提高了的乒乓球旋转估计的精度，又节省了成本，增加了实用性。权利要求书2页 说明书5

　　3、页 附图3页CN 116091534 A2023.05.09CN 116091534 A1.一种乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于包括以下步骤：S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；S3、依据几何处理算法，对两帧所述相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。2.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于：所述基准三维坐标系的原点为双色乒乓球的球心，

　　4、其Z轴方向垂直于双色乒乓球的颜色分界赤道面，所述颜色分界赤道面垂直于球桌面，其Y轴方向处于相机图像所在的平面内，而X轴方向则由右手原则确定，设双色乒乓球先绕自身的X轴方向旋转a角度，再绕自身的Y轴方向旋转b角度，依据矩阵旋转变换求解获得此时双色乒乓球的姿态矩阵R为3.根据权利要求2所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于依据几何处理算法，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵的方法包括：选择相机图像中双色乒乓球中面积较小的颜域做最小外接任意角度矩形求解，获得最小外接矩形，再计算所述最小外接矩形与竖直方向的夹角即为a角度；采用相机图像中双色乒乓球中颜色的面积比值进行求解，不妨设相机图像

　　5、中双色乒乓球的两种颜色的面积比值为其中，S1、S2分别表示两种颜色各自对应的面积，依据面积投影定理得到b角度与面积比值k的约束关系为从而通过方程式求解得到绕自身Y轴旋转角度4.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于：记两个姿态矩阵的表达式分别为R1Pi，R2Qi，其中，i1.2.3，Pi、Qi分别表示对应姿态矩阵的其中一个三维分量，则双色乒乓球的旋转角速度的方向为矢量NrPiQi所指示的方向；双色乒乓球的旋转角速度的大小5.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法，其特征在于：所述双色乒乓球的两种颜色在HSV空间的色调之差大于90。6.根据权利要求1所述的乒乓球旋转角

　　6、速度的估计方法，其特征在于：采用两个相机进行两帧相机图像的采集，先启动其中一个相机采集一帧相机图像，间隔T时间，再启动另一个相机采集另一帧相机图像。7.一种基于权利要求1所述的乒乓球旋转角速度的估计方法的乒乓球旋转角速度的估权利要求书1/2 页2CN 116091534 A2计装置，其特征在于：包括采集模块、数据处理模块和显示模块，所述采集模块包括设置在球桌一侧且靠近球网位置的两个相机，用于采集双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；所述数据处理模块用于构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵，并依据几何处理算法求解两帧相机图像拍摄时双色乒乓球的分别对应的实际姿态矩阵，再根据两个实际姿态矩阵，

　　7、求解获取双色乒乓球的角速度大小和方向；所述显示模块用于对采集模块的采集结果、数据处理模块的处理结果进行显示。8.根据权利要求7所述的乒乓球旋转角速度的估计装置，其特征在于：一个所述相机处于球网的一侧，另一个所述相机处于球网的另一侧，所述双色乒乓球在相机图像中所包含的像素点个数占总像素点数的万分之二至万分之五。权利要求书2/2 页3CN 116091534 A3一种乒乓球旋转角速度的估计方法技术领域0001本发明属于智能控制的技术领域，具体涉及一种乒乓球旋转角速度的估计方法。背景技术0002乒乓球是我国的国球，具有广泛地群众基础和应用市场。旋转是乒乓球这项运动的一个重要属性，定量获乒乓球在飞行过

　　8、程中的旋转角速度显得尤为重要，其不仅有利于乒乓球比赛的分析以及乒乓球技战术水平的理解与提升，同时可以应用于乒乓球对打机器人，提高对打机器人的回球成功率。对于乒乓球旋转估计的研究，现阶段主要公开了以下几种方法：0003(1)专利CN110941795A利用乒乓球在空中飞行的轨迹进行估计，该方法的问题在于乒乓球的位置信息存在一定的波动，旋转速度对乒乓球飞行轨迹的影响容易淹没在这些误差中而使结果具有较大误差，无法实现精准估计；0004(2)专利CN103019024A公开一种利用两自由度云台上的长焦摄像机跟踪乒乓球，并通过乒乓球上的商标的识别定位实现实时对乒乓球旋转信息观测和分析，该方法的问题在于系

　　9、统复杂，成本高，同时乒乓球商标不规则，不易被识别且容易被遮挡，导致估计失效。0005(3)专利CN112245893A公开的测量乒乓球旋转速度的方法和装置，其主要保护的是通过减小图像范围，提高图像帧率至3000fps左右的方法对环境和设备要求苛刻，成本高，不具有实用性，同时也没有公开主方向夹角计算方法。发明内容0006本发明提供了一种乒乓球旋转角速度的估计方法，通过选用双色乒乓球、设计合理的相机布局和采用有效的旋转角速度大小和方向的计算方法，既提高了的乒乓球旋转估计的精度，又节省了成本，增加了实用性，解决了现阶段乒乓球旋转角速度计算需要帧率较高的采集相机、成本高等技术问题。0007本发明可通过

　　10、以下技术方案实现：0008一种乒乓球旋转角速度的估计方法，包括以下步骤：0009S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；0010S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；0011S3、依据几何处理算法，对两帧所述相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；0012S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。0013进一步，所述基准三维坐标系的原点为双色乒乓球的球心，其Z轴方向垂直于双色乒乓球的颜色分界赤道面，所述颜色分界赤道面垂直于球桌面，其Y轴方向处于相

　　11、机图像所在的平面内，而X轴方向则由右手原则确定，0014设双色乒乓球先绕自身的X轴方向旋转a角度，再绕自身的Y轴方向旋转b角度，依说明书1/5 页4CN 116091534 A4据矩阵旋转变换求解获得此时双色乒乓球的姿态矩阵R为0015进一步，依据几何处理算法，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵的方法包括：0016选择相机图像中双色乒乓球中面积较小的颜域做最小外接任意角度矩形求解，获得最小外接矩形，再计算所述最小外接矩形与竖直方向的夹角即为a角度；0017采用相机图像中双色乒乓球中颜色的面积比值进行求解，不妨设相机图像中双色乒乓球的两种颜色的面积比值为其中，S1、S2分别表示两种颜色

　　12、各自对应的面积，依据面积投影定理得到b角度与面积比值k的约束关系为从而通过方程式求解得到绕自身Y轴旋转角度0018进一步，记两个姿态矩阵的表达式分别为R1Pi，R2Qi，其中，i1.2.3，Pi、Qi分别表示对应姿态矩阵的其中一个三维分量，0019则双色乒乓球的旋转角速度的方向为矢量NrPiQi所指示的方向；0020双色乒乓球的旋转角速度的大小0021进一步，所述双色乒乓球的两种颜色在HSV空间的色调之差大于90。0022进一步，采用两个相机进行两帧相机图像的采集，先启动其中一个相机采集一帧相机图像，间隔T时间，再启动另一个相机采集另一帧相机图像。0023一种基于上文所述的乒乓球旋转角速度的估

　　13、计方法的乒乓球旋转角速度的估计装置，包括采集模块、数据处理模块和显示模块，0024所述采集模块包括设置在球桌一侧且靠近球网位置的两个相机，用于采集双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；0025所述数据处理模块用于构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵，并依据几何处理算法求解两帧相机图像拍摄时双色乒乓球的分别对应的实际姿态矩阵，再根据两个实际姿态矩阵，求解获取双色乒乓球的角速度大小和方向；0026所述显示模块用于对采集模块的采集结果、数据处理模块的处理结果进行显示。0027进一步，一个所述相机处于球网的一侧，另一个所述相机处于球网的另一侧，所述双色乒乓球在相机图像中所包含的像素点个数占总像素

　　14、点数的万分之二至万分之五。0028本发明有益的技术效果如下：0029(1)使用两个低帧率相机采用硬件间隔触发的方式解决乒乓球高速旋转拍摄对单个相机的高帧率要求，降低对采集设备的成本要求，从而具有较强的实用性；0030(2)采用双色乒乓球进行姿态估计，在不改造乒乓球整体结构的基础上，利用颜色分割尽可能地提高了乒乓球姿态检测的精度，降低了的运算成本。0031(3)采用几何关系计算获得双色乒乓球的姿态矩阵中两个角度参数的计算，即利用双色乒乓球中面积较小区域的最小外接任意角度矩形的方式完成乒乓球一个方向上的说明书2/5 页5CN 116091534 A5旋转角度估计；利用双色乒乓球中两种颜色面积的比值

　　15、完成乒乓球另一个方向上的旋转角度的估计；最后利用两个相机间隔触发的姿态估计进行差分处理，完成双色乒乓球旋转角速度的大小和方向的定量估计，其计算过程相对简单，计算速度较快，具体较好的实时性，完全可以满足当前各种发球机器人的控制要求，能够有效扩大应用范围。附图说明0032图1是本发明的整体流程示意图；0033图2是本发明的两个相机设置在球桌上的状态示意图；0034图3是本发明的双色乒乓球的基准三维坐标系建立的示意图；0035图4是本发明的双色乒乓球在某一实际飞行状态下的坐标系示意图；0036图5是本发明的双色乒乓球在某一实际飞行状态下的最小外接任意角度矩形的示意图；0037图6是本发明的试验用双色

　　16、乒乓球实际的拍摄得到两帧相机图像示意图。具体实施方式0038下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。0039乒乓球飞行时的旋转角速度的大小和方向的定量估计一直是乒乓球领域的难点，为了不影响乒乓球的正常飞行，常规技术的技术是采用视觉采集设备对乒乓球旋转进行非接触式的测量，然而最高可达200转每秒的乒乓球旋转速度要求视觉采集设备的帧率至少在400帧以上，这就提高了视觉的成本，缩小了相机的视野。为此，如图1所示，本发明提供了一种乒乓球旋转角速度的估计方法，通过选用双色乒乓球、设计合理的相机布局和采用有效的旋转角速度大小和方向计算方法，在保证精度的情况下，成本更低，运算量更少，更加具有实

　　17、用价值。0040具体如下：0041S1、获得飞行中的双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；0042考虑到飞行中乒乓球的实际旋转速度，若采用单一相机进行拍摄，则要求该相机具有较高的采集帧率，其采集帧率至少是乒乓球旋转速度的两倍以上，因此本发明采用两个相机进行飞行中乒乓球的旋转状态采集，通过硬件约束，先启动其中一个相机采集一帧相机图像，然后间隔T时间，再启动另一个相机采集另一帧相机图像，可以使其一直保持低帧采集状态，以便随时捕捉到通过球网的双色乒乓球，如使相机1以100fps处于乒乓球检测状态，用于判断相机视野中是否存在乒乓球，若有，开始采集相机图像，再以硬件触发的方式以固定时间间隔T

　　18、如1毫秒的方式触发相机2进行图像采集，这样采样所用相机的帧率就可以降低十倍，有效降低对采集设备的帧率要求，具有较强的实用性。0043同时，考虑到采集到的相机图像中双色乒乓球所在的像素数量越多越有利于后续的数据处理，因此，如图2所示，两个相机设置在球桌的一侧且靠近球网的位置，一个相机在球网的前侧，另一相机在球网的后侧，它们的位置在不影响双色乒乓球在球桌内飞行的前提下，保证所观测到双色乒乓球在相机图像中的像素点个数比为万分之二至万分之五。0044S2、建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，依据矩阵旋转变换，构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵R；说明书3/5 页6CN 116091534 A60045为了

　　19、便于后续的图像处理，双色乒乓球上的两个颜域要有一定的区分度，因此，两种颜色的在HSV空间的色调之差大于90，如选用左右各一半白色和橙色的双色乒乓球。0046建立双色乒乓球所在的基准三维坐标系，如图3所示，其原点位于球心，Z轴方向垂直白色和橙色的分界赤道面，该分界赤道面垂直于球桌面，Y轴方向位于乒乓球在相机图像平面内，X轴由右手定则决定；0047我们不妨设双色乒乓球先绕自身X轴旋转a角度，再绕自身Y轴旋转b角度得到如图4 所 示 的 姿 态，依 据 矩 阵 旋 转 变 换 求 解 可 以 得 到 双 色 乒 乓 球 的 姿 态 矩 阵 为因此只要获得a，b两个角度即可完成双色乒乓球的姿态估计

　　20、。0048S3、依据几何处理算法，对上述两帧相机图像中的双色乒乓球分别进行处理，获得对应的飞行中双色乒乓球的实际姿态矩阵；0049对于绕自身X轴旋转a角度的求解：采用相机图像中双色乒乓球的白橙颜色较少的区域进行最小外接任意角度矩形的求解，如图5所示，求解获得的最小外接矩阵与竖直方向即重力加速度所在的方向的夹角即双色乒乓球姿态绕自身X轴旋转角度a；0050对于绕自身Y轴旋转b角度的求解：采用相机图像中乒乓球白色和橙色面积的比值进行求解，不妨设相机图像中白色和橙色的面积比值为其中S1、S2分别表示两种颜色各自对应的面积，S1表示白色面积，S2为橙色面积，依据面积投影定理可以得到绕自身Y轴旋转b与相

　　21、机图像中白色和橙色的面积比值k的约束关系为从而通过方程式求解就可以得到绕自身Y轴旋转角度0051S4、根据两个实际姿态矩阵，计算得到双色乒乓球的旋转角速度大小和方向。0052记两个姿态矩阵的表达式分别为R1Pi，R2Qi，其中，i1.2.3，Pi、Qi分别表示对应姿态矩阵的其中一个三维分量，0053则双色乒乓球的旋转角速度的方向为矢量NrPiQi所指示的方向；0054双色乒乓球的旋转角速度的大小0055也就是说，在获取两个相机图像对应的姿态矩阵后，我们可以采用姿态矩阵中的任一三维分量进行双色乒乓球的旋转角速度计算，具体如下：0056(I)计算相机1获得的相机图像对应双色乒乓球的姿态估计a1和b

　　22、1，对应轴矢量为0057(II)以及相机2获得的相机图像对应双色乒乓球的姿态估计a2和b2，对应轴矢量为说明书4/5 页7CN 116091534 A70058(3)双色乒乓球旋转角速度的方向为矢量NrVz1Vz2所指示的方向；0059双色乒乓球旋转角速度的大小0060本发明还提供了一种基于上文所述的乒乓球旋转角速度的估计方法的乒乓球旋转角速度的估计装置，包括采集模块、数据处理模块和显示模块，其中，采集模块包括设置在球桌一侧且靠近球网位置的两个相机，用于采集双色乒乓球通过球网前后、间隔T时间的两帧相机图像；数据处理模块用于构建飞行中双色乒乓球的姿态矩阵，并依据几何处理算法求解两帧相机图像拍摄时

　　23、双色乒乓球的分别对应的实际姿态矩阵，再根据两个实际姿态矩阵，求解获取双色乒乓球的角速度大小和方向；显示模块用于对采集模块的采集结果、数据处理模块的处理结果进行显示。0061假设某次测试过程中使用发球机器人发射50转/秒左下旋的乒乓球，相机1和相机2采集获得的图像如图6所示，两张图像的间隔时间为1毫秒，分别对相机1和相机2的图像处理如下：0062相机1中识别到的乒乓球区域内橙色面积(像素和)相对白色面积较小，选择橙色面积进行最小外接任意角度矩形，从而得到乒乓球姿态绕自身X轴旋转角度a10.8725，橙色面积与白色面积的比值从而可以计算得到当前时刻乒乓球绕自身Y轴旋转角度从而获得轴矢量为0063相

　　24、机2中识别到的乒乓球区域内白色面积(像素和)相对橙色面积较小，选择白色面积进行最小外接任意角度矩形，从而得到乒乓球姿态绕自身X轴旋转角度a20.5236，橙色面积与白色面积的比值从而可以计算得到当前时刻乒乓球绕自身Y轴旋转角度从而获得轴矢量为0064从而可以得到此次测试乒乓球旋转速度的方向向量符合测试旋转类型为左下旋的方向向量，旋转的速度大小与测试旋转速度50rps(转每秒)相差不大，实现正确求解。0065虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。说明书5/5 页8CN 116091534 A8图1图2说明书附图1/3 页9CN 116091534 A9图3图4图5说明书附图2/3 页10CN 116091534 A10图6说明书附图3/3 页11CN 116091534 A11