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　　(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 112245893 A (43)申请公布日 2021.01.22 (21)申请号 0.0 (22)申请日 2020.11.05 (71)申请人 上海理工大学 地址 200093 上海市杨浦区军工路516号 (72)发明人 季云峰陈宇涛吕程旭毛越 胡晓屹索芳菲王志张漫秸 游义平 (74)专利代理机构 上海邦德专利代理事务所 (普通合伙) 31312 代理人 王文娟 (51)Int.Cl. A63B 71/06 (2006.01) 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (54)发明名称 一种测量乒乓球旋转速度的方法及其装置 (57)摘要 本发明公开了一种测量乒乓球旋转速度的 方法及其装置，包括：构建坐标系，设置图像采集 范围，采集图像；识别乒乓球的标记，获取标记的 主方向；计算主方向与坐标系x轴的夹角α；获取 时间间隔T后的图像中的乒乓球的标记的主方向 与坐标系x轴的夹角β；根据夹角α与夹角β的 角度差，获取乒乓球的旋转方向；根据角度差与 时间间隔T，计算乒乓球的旋转速度ω。根据本发 明通过设置图像采集范围以分析小范围图像中 乒乓球的特征，解决了传统高速视觉领域传输数 据量大，速度慢的缺点，保证可以在极短的时间 内计算出乒乓球的旋转速度。 A 3 9 8 5 4 2 2 1 1 N C CN 112245893 A 权利要求书 1/2页 1.一种测量乒乓球旋转速度的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)构建坐标系，设置图像采集范围，采集图像； (2)识别所述乒乓球的标记，获取所述标记的主方向； (3)计算所述主方向与坐标系x轴形成的夹角α，所述坐标系x轴与乒乓球球桌所处的平 面平行； (4)重复上述步骤(2)至步骤(3)，获取时间间隔T后的图像中的乒乓球的标记的主方向 与所述坐标系x轴的夹角β； (5)根据所述夹角α与所述夹角β的角度差，获取所述乒乓球的旋转方向； (6)根据所述角度差与时间间隔T，计算所述乒乓球的旋转速度ω： 所述时间间隔T由图像的帧率决定。 2.根据权利要求1所述的一种测量乒乓球旋转的方法，其特征在于，所述图像采集范围 为乒乓球在过球桌中网后运动过程的图像，所述乒乓球过球桌中网后设置有第一距离，所 述第一距离的设置范围为20cm至40cm。 3.根据权利要求1所述的一种测量乒乓球旋转的方法，其特征在于，所述图像的帧率的 设置范围为2000fps至4000fps。 4.根据权利要求1所述的一种测量乒乓球旋转的方法，其特征在于，上述步骤(3)中，利 用主成分分析法获取所述标记的主方向。 5.如权利要求1所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，包括图像采集模 块、传感器模块、光源模块、数据集传输模块以及处理模块，所述处理模块包括存储单元与 处理单元，所述处理单元用于执行所述存储单元中的指令； 所述图像采集模块用于拍摄乒乓球飞行经过球桌中网附近图像； 所述传感器模块用于提供触发信号使得图像采集模块同时采集图像； 所述光源模块用于提供拍摄区域亮度需求； 所述数据传输模块用于传输图像数据至处理模块； 所述处理模块用于运行乒乓球旋转方向和速度算法计算得出乒乓球旋转的方向和速 度。 6.如权利要求5所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，所述图像采集模 块包括至少两台高速摄像机，所述高速摄像机吊装于训练员的正前方且用于获取所述图像 采集范围。 7.如权利要求5所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，所述传感器模块 为红外格栅触发器，所述红外格栅触发器设置于球桌中网上方的区域且用于提供触发信号 以启动图像采集模块采集所述图像采集范围的图像。 8.如权利要求7所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，所述红外格栅触 发器用于实时监测中网上方110cm的拍摄区域，当乒乓球经过红外格栅时触发红外格栅产 生脉冲信号，脉冲信号传递给高速摄像机，红外信号传输时间小于50us，使两台高速摄像机 同步采集图像。 9.如权利要求5所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，所述处理模块为 2 2 CN 112245893 A 权利要求书 2/2页 工控机，所述光源模块为包括6台100W无频闪光源及用于固定光源的第一吊杆，所述光源通 过第一吊杆位于乒乓球桌中网的正上方。 10.如权利要求5所述的一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，所述数据集传 输模块包括USB光猫、光纤线线材，所述光纤线材一端与高速摄像相连，另一 端与所述USB光猫相连，所述USB光猫连接有USB3.0线页 一种测量乒乓球旋转速度的方法及其装置 技术领域 [0001] 本发明涉及计算机视觉的技术领域，特别涉及一种测量乒乓球旋转速度的方法及 其装置。 背景技术 [0002] 近年来，计算机视觉技术越来越多地用于辅助体育运动的教学训练，并且体育赛 事中也有广泛的应用。计算机视觉在乒乓球运动的应用中，对于旋转球的观测是一大难点， 一个能够实时计算乒乓球旋转方向和速度的系统能够方便运动员和教练员复盘训练或比 赛过程，增强旋转球教学效果。 [0003] 在现有技术中，对于乒乓球运动状态的观测一般通过高速摄像机观测乒乓球的旋 转，但需要覆盖到整个乒乓球场地去得到完整的乒乓球运动轨迹，设备需大范围部署且方 案十分复杂，并且，对于高速摄像机的要求很高，需要多组高速相机且需要其清晰地观测到 乒乓球的局部细节。现有技术中的方案对场地范围及设备要求极高，大范围的设备部署对 于设备间的信号传输速度也有很高的要求，总体来说方案过于复杂且信号传输效率不高， 成本过高。 发明内容 [0004] 针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种测量乒乓球旋转速度 的方法及其装置，通过设置图像采集范围以分析小范围图像中乒乓球的特征，解决了传统 高速视觉领域传输数据量大，速度慢的缺点，保证可以在极短的时间内计算出乒乓球的旋 转速度。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种测量乒乓球旋转速度的 方法，包括： [0005] (1)构建坐标系，设置图像采集范围，采集图像； [0006] (2)识别所述乒乓球的标记，获取所述标记的主方向； [0007] (3)计算所述主方向与坐标系x轴形成的夹角α，所述坐标系x轴与乒乓球球桌所处 的平面平行； [0008] (4)重复上述步骤(2)至步骤(3)，获取时间间隔T后的图像中的乒乓球的标记的主 方向与所述坐标系x轴形成的夹角β； [0009] (5)根据所述夹角α与所述夹角β的角度差，获取所述乒乓球的旋转方向； [0010] (6)根据所述角度差与时间间隔T，计算所述乒乓球的旋转速度ω： [0011] [0012] 所述时间间隔T由图像的帧率决定。 [0013] 优选的，所述图像采集范围为乒乓球在过球桌中网后运动过程的图像，所述乒乓 球过球桌中网后设置有第一距离，所述第一距离的设置范围为20cm至40cm。 [0014] 优选的，所述图像的帧率的设置范围为2000fps至4000fps。 4 4 CN 112245893 A 说明书 2/5页 [0015] 优选的，上述步骤(3)中，利用主成分分析法获取所述标记的主方向。 [0016] 一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，包括图像采集模块、传感器模块、 光源模块、数据集传输模块以及处理模块，所述处理模块包括存储单元与处理单元，所述处 理单元用于执行所述存储单元中的指令； [0017] 所述图像采集模块用于拍摄乒乓球飞行经过球桌中网附近图像； [0018] 所述传感器模块用于提供触发信号使得图像采集模块同时采集图像； [0019] 所述光源模块用于提供拍摄区域亮度需求； [0020] 所述数据传输模块用于传输图像数据至处理模块； [0021] 所述处理模块用于运行乒乓球旋转方向和速度算法计算得出乒乓球旋转的方向 和速度。 [0022] 优选的，所述图像采集模块包括至少两台高速摄像机，所述高速摄像机吊装于训 练员的正前方且用于获取所述图像采集范围。 [0023] 优选的，所述传感器模块为红外格栅触发器，所述红外格栅触发器设置于球桌中 网上方的区域且用于提供触发信号以启动图像采集模块采集所述图像采集范围的图像。 [0024] 优选的，所述红外格栅触发器用于实时监测中网上方110cm的拍摄区域，当乒乓球 经过红外格栅时触发红外格栅产生脉冲信号，脉冲信号传递给高速摄像机，红外信号传输 时间小于50us，使两台高速摄像机同步采集图像。 [0025] 优选的，所述处理模块为工控机，所述光源模块为包括6台100W无频闪光源及用于 固定光源的第一吊杆，所述光源通过第一吊杆位于乒乓球桌中网的正上方。 [0026] 优选的，所述数据集传输模块包括USB光猫、光纤线线材，所述光纤 线材一端与高速摄像相连，另一端与所述USB光猫相连，所述USB光猫连接有USB3.0线线材连接有处理模块。 [0027] 本发明与现有技术相比，其有益效果是： [0028] (1)所述双目高速图像采集系统，同时使用两台高速相机同时采集图像，可以保证 乒乓球上的标识始终存在于相机视野中。 [0029] (2)所述双目高速图像采集系统，记录乒乓球过球桌中网到运动30cm距离范围内 的过程图像，传输少量数据以实现近乎实时的数据传输，避免了大流量数据的实时传输和 当前数据传输带宽的限制。 [0030] (3)所述补光光源系统提供足够光照强度使相机曝光时间尽可能短以符合拍摄需 求； [0031] (4)所述相机同步自动触发系统，解决了超高速相机同时采集乒乓球图像的问题。 [0032] (5)所述数据传输系统，通过使用USB光猫将光纤信号与USB3.0信号相互转换，同 时实现了图像的远距离传输和高速传输。 [0033] (6)所述乒乓球旋转方向和速度算法，能够快速准确计算乒乓球旋转方向和速度。 附图说明 [0034] 图1为根据本发明的测量乒乓球旋转速度的方法具体步骤的流程框图； [0035] 图2为根据本发明的测量乒乓球旋转速度的方法及装置的流程框图。 5 5 CN 112245893 A 说明书 3/5页 具体实施方式 [0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 参照图1-2，一种测量乒乓球旋转速度的方法，包括： [0038] (1)构建坐标系，设置图像采集范围，采集图像； [0039] (2)识别所述乒乓球的标记，获取所述标记的主方向； [0040] (3)计算所述主方向与坐标系x轴形成的夹角α，所述坐标系x轴与乒乓球球桌所处 的平面平行； [0041] (4)重复上述步骤(2)至步骤(3)，获取时间间隔T后的图像中的乒乓球的标记的主 方向与所述坐标系x轴形成的夹角β； [0042] (5)根据所述夹角α与所述夹角β的角度差，获取所述乒乓球的旋转方向； [0043] (6)根据所述角度差与时间间隔T，计算所述乒乓球的旋转速度ω： [0044] [0045] 所述时间间隔T由图像的帧率决定。 [0046] 具体的，本实施例中图像采集模块为两台200W像素3000帧的高速相机，高速相机 通过吊杆固定架设，用于获取图像采集范围内的实时图像，以使高速相机能够清晰地拍摄 到乒乓球上的标记，该标记为乒乓球的商标或人为的标记，同时使用双目高速相机即两台 高速相机同时采集图像，相机视野覆盖乒乓球80％表面，可以保证乒乓球上的标识始终存 在于相机视野中。 [0047] 所述处理模块为工控机，所述工控机用于图像采集模块采集的图像存储至工控机 中的固态硬盘中，固态硬盘选取为Pcie 3.0接口NVME协议的固态硬盘，此固态硬盘的理论 读写速度可达3000MB/s，对于90MB的数据，写入时间约为0.03s，因此乒乓球单次过网拍摄 图像保存所需总时长为0.26s，满足系统对于信号的实时性的需求。 [0048] 进一步的，所述图像采集范围为乒乓球在过球桌中网后运动过程的图像，所述乒 乓球过球桌中网后设置有第一距离，所述第一距离的设置范围为20cm至40cm。 [0049] 进一步的，所述图像的帧率的设置范围为2000fps至4000fps。 [0050] 进一步的，上述步骤(3)中，利用主成分分析法获取所述标记的主方向。 [0051] 一种测量乒乓球旋转速度的装置，其特征在于，包括图像采集模块、传感器模块、 光源模块、数据集传输模块以及处理模块，所述处理模块包括存储单元与处理单元，所述处 理单元用于执行所述存储单元中的指令； [0052] 所述图像采集模块用于拍摄乒乓球飞行经过球桌中网附近图像； [0053] 所述传感器模块用于提供触发信号使得图像采集模块同时采集图像； [0054] 所述光源模块用于提供拍摄区域亮度需求； [0055] 所述数据传输模块用于传输图像数据至处理模块； [0056] 所述处理模块用于运行乒乓球旋转方向和速度算法计算得出乒乓球旋转的方向 和速度。 6 6 CN 112245893 A 说明书 4/5页 [0057] 进一步的，所述图像采集模块包括至少两台高速摄像机，所述高速摄像机吊装于 训练员的正前方且用于获取所述图像采集范围。 [0058] 进一步的，所述传感器模块为红外格栅触发器，所述红外格栅触发器设置于球桌 中网上方的区域且用于提供触发信号以启动图像采集模块采集所述图像采集范围的图像。 [0059] 进一步的，所述红外格栅触发器用于实时监测中网上方110cm的拍摄区域，当乒乓 球经过红外格栅时触发红外格栅产生脉冲信号，脉冲信号传递给高速摄像机，红外信号传 输时间小于50us，使两台高速摄像机同步采集图像。 [0060] 进一步的，所述光源模块为包括6台100W无频闪光源及用于固定光源的第一吊杆， 所述光源通过第一吊杆位于乒乓球桌中网的正上方。 [0061] 进一步的，所述数据集传输模块包括USB光猫、光纤线线材，所述光 纤线材一端与高速摄像相连，另一端与所述USB光猫相连，所述USB光猫连接有USB3.0线线材连接有处理模块，模块之间的通信采用以下方式，高速相机通过光纤与USB 光猫连接，工控机通过USB 3.0线材与USB光猫连接，使用光纤解决了USB 3.0线材在远距离 传输时的速度衰减问题，USB 3.0实际实时传输速度约为380MB/S，使用USB 3.0传输80MB数 据需要0.23s。 [0062] 运动员击球，当乒乓球运动至乒乓球桌中网上方时，红外格栅触发器触发，两台高 速相机接收到红外格栅触发器的触发信号后开始同步采集图像，然后高速相机将图像传输 至工控机存储至工控机的存储单元，工控机的处理单元根据背景差分法获取乒乓球在多幅 图像中所要处理的第一幅图像中的位置，然后获取乒乓球的标记，再根据主成分分析法获 取乒乓球的标记的主方向，该主方向由分析计算得出或人为设定。获得主方向后，计算主方 向与坐标系x轴的夹角α。 [0063] 计算得到所处理的第一幅图像的夹角α后，选取相隔一帧或相隔几帧后的图像，获 取此图像中乒乓球的标记的主方向与坐标系x轴的夹角β，该图像与所处理的第一幅图像的 时间间隔为时间间隔T，若上述两图像相隔一帧，根据高速相机以帧率为3000fps拍摄的前 提，T的值为 [0064] 获取夹角α和夹角β后，根据两夹角的角度差，获取乒乓球的旋转方向。 [0065] 然后，根据时间间隔T，计算乒乓球的旋转速度ω： [0066] [0067] 至此获得此次击球中乒乓球的速度及旋转信息。 [0068] 上述系统还包括光源模块，光源模块设置于乒乓球桌的上方，光源模块用于为图 像采集模块提供稳定的光源，有利于提升图像采集模块采集图像的准确度。本实施例中光 源模块为6台100W无频闪光源和用于吊装光源的吊杆，光源通过吊杆安装在乒乓球桌中网 正上方，若乒乓球运动速度为20m/s，高速相机的横向视场约为1.5m，横向分辨率为1920，则 单个像素的精度为0.78mm，则相机拍摄曝光时间不能大于40us。经过照度计实测，当相机曝 光为40us时光照强度需要在10000lux才能拍摄清晰画面，即拍摄区域的平均亮度要在 10000lux左右，若系统的工作环境光亮度较差，则开启光源模块对系统所需的光照进行补 充照明。 7 7 CN 112245893 A 说明书 5/5页 [0069] 上述实施例中，所述图像采集范围为乒乓球在过球桌中网后运动过程的图像，所 述乒乓球过球桌中网后设置有第一距离。作为其他实施方式，第一距离的设置范围为20cm 至40cm，当第一距离设置为20cm时，需采用具备更高拍摄帧率的图像采集模块以4000fps的 帧率拍摄。当第一距离设置为40cm时，需降低图像采集模块的拍摄帧率，以2000fps的帧率 进行拍摄。即上述实施例中，高速相机以帧率为3000fps拍摄，若提高高速相机的帧率，则相 应的减小第一距离的设置。若降低高速相机的帧率，则相应的增加第一距离的设置。 [0070] 上述实施例中，坐标系的构建方式为以桌面为xy平面，以竖直向上方向为z轴的正 方向构建。作为其他实施方式，也可采用其他常用的方法构建坐标系，如直接在图像采集模 块采集完成的图像上以图像边缘构建坐标系或在图像中构建坐标系，构建原则为坐标系x 轴与乒乓球球桌所处的平面平行且尽可能使坐标系x轴与球桌中网平行，乒乓球的标志的 主方向与坐标系的参照方式也随之改变。 [0071] 这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、 修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。 [0072] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运 用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实 现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于 特定的细节和这里示出与描述的图例。 8 8 CN 112245893 A 说明书附图 1/1页 图1 图2 9 9