CN104208870A - 基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法。包括：根据台球桌内沿的大小，制作由若干标准正方形网格图案组成的定位基底；将定位基底平铺在台球桌上，使网格图案的四条边与长方形台球桌的内沿对齐；使投影网络中的交叉点与定位基底上的网格的交叉点之间形成一一对应关系；使采集影像中的交叉点上台球的坐标与定位基底网格交叉点的坐标之间形成一一对应关系；对图像采集设备采集到的台球图像与定位基底的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配；建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系。本发明大幅度消除了因为图像捕捉设备与投影设备的镜头畸变所带来的对坐标位置的影响。且不需要复杂的数学方法，不用考虑镜头的曲率变化的因素。无论是否更换不同的镜头都可以适用。

Description

基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法

技术领域

本发明涉及红外线应用技术、投影控制技术、电脑图像识别技术等领域，可应用于台球运动中的八球、九球、斯诺克等台球运动的训练、辅助以及娱乐活动中，适用于初、中、高级各类台球爱好者，具体属于基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法。

背景技术

随着红外线技术和投影技术的日趋成熟，人们开始将这些技术与现有的台球运动结合起来，使用户在台球运动的同时可以在台球桌上直观地看到用投影投画出来的台球预判轨迹、互动特效、击球提示信息等等内容(例如，ZL201110312228.0)，这些对于台球爱好者来说的确是一个极好的福音。这类台球投影在实现的过程中都要面对一个很重要的问题，就是投影设备、台球桌和图像采集设备之间的坐标匹配问题。

台球是一项要求比较精确的运动，有时甚至瞄准只差了一毫米，但由于台球长台运行的放大效应，这一毫米的误差就会让目标球不能达到理想的运行想结果。因此这就不但要求投影在桌面上的轨迹十分精确，而且还要求图像采集设备对台球位置的捕捉同样要相当精确。而由于台球的安装环境的限制，投影式台球***的采集设备的镜头必须是广角的，投影设备必须是短焦的。可是在实际的产品中，广角镜头与短焦投影都不可避免地会出现图像畸变的情况。

如果只是用数学去克服镜头和投影的畸变，这样会因为投影影像与台球不在一个平面上而造成算法复杂、还原坐标不准确的麻烦。同时，还会因为不同型号镜头的曲率不同、图像不对称等不定因素进一步影响数学算法的结果。

如图1-3所示，对于一组平铺在台球桌上的标准正方形网格图像(图1)，由图像采集设备捕捉到该图像(图2)在边缘处产生畸变，越在边缘畸变越严重；由投影投到台球桌上的该图像(图3)也会产生一定程度的倾斜畸变。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供一种解决在投影式台球***中的镜头图像畸变和投影畸变问题的一种基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，包括以下步骤：

根据台球桌内沿的大小，制作由若干标准正方形网格图案组成的定位基底，并将网格的交叉点镂空；

将定位基底平铺在台球桌上，使网格图案的四条边与长方形台球桌的内沿对齐；

利用投影设备在定位基底上投出与其等大的网格图像，平移、旋转或拉伸所述网格图像的各条横线与竖线，使投影在台球桌上的网格图像与定位基底上的网格图案完全重合；

根据调整后的投影网格图像交叉点的位置信息，建立投影网格图像坐标系，使投影网络中的交叉点与定位基底上的网格的交叉点之间形成一一对应关系；

在定位基底上的每个镂空处分别放上一个台球，利用图像采集设备采集此时的图像，分析出每个台球在图像中的高光点所处的像素点的位置，根据所述像素点的位置建立采集影像坐标系，使采集影像中的交叉点上台球的坐标与定位基底网格交叉点的坐标之间形成一一对应关系；

对图像采集设备采集到的台球图像与定位基底的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配；

建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系。

所述定位基底为定位纸或定位布。

所述将网格的交叉点镂空为：在网格的交叉点处形成6mm左右的圆形或方形的洞。

所述投影网格图像坐标系是以投影网格图像的左下点为原点，与台球桌长边平行方向为x轴，与台球桌短边方向平行为y轴的坐标系。

所述采集影像坐标系是以图像采集设备采集到的台球图像的左下点为原点，与台球桌长边平行方向为x轴，与台球桌短边方向平行为y轴的坐标系。

所述对图像采集设备采集到的台球图像与定位基底的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配，包括以下步骤：

对于图像采集设备采集到的台球图像内的某一个点C，先判断点C在哪四个台球组成的最小网格中，然后找出该网格的4个顶点中距离点C最近的一个顶点；

计算经过所述顶点的横、竖两条线的斜率k₁、k₂；

经过点C且斜率为k₁、k₂的两条线与所述四个台球组成的最小网格的四条边线产生顺时针方向围绕点C的四个交点C_U、C_R、C_D、C_L，其中，C_U、C_R与距离点C最近的最小网格顶点相对距离近，根据两点间距的距离公式计算出这4个点与点C的距离；

计算线段比例关系：

$s_1=\frac{C_{R}C}{C_L{C}_R},s_2=\frac{C_{U}C}{C_U{C}_D}$

根据这两个比例关系，先在标准正方形网格中找到与点C相匹配的点T所在的正方形网格，该正方形网格的四个顺时针排列的顶点T₁、T₂、T₃、T₄组成的线段T₁T₄上有与点C_L相对应的点T_L、线段T₁T₂上有与点C_U相对应的点T_U、线段T₂T₃上有与点C_R相对应的点T_R、线段T₃T₄上有与点C_D相对应的点T_D，然后再根据这个正方形网格的顶点坐标确定点T的坐标：

x_t＝x_t2+s₁(x_t1-x_t2)

y_t＝y_t2+s₂(y_t3-y_t2)

其中，(x_t,y_t)为标准网格图像中点T的坐标、x_t1为标准网格图像中点T₁的横坐标，(x_t2,y_t2)为标准网格图像中点T₂的坐标，y_t3为标准网格图像中点T₃的纵坐标；

通过以上方法，把图像采集设备采集的台球位置图像与定位基底的标准正方形网格建立起点与点一一对应关系。

所述建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系，包括以下步骤：

过标准网格中的一点T做两条直线，一条与标准网格的横向边垂直，另一条与标准网格的纵向边垂直，这两条直线与点T所在的最小网格交于四个点，按顺时针顺序分别为T_U、T_R、T_D、T_L；其中，点T所在的最小网格的四个顶点按顺时针顺序分别为T₁、T₂、T₃、T₄，点T_U在线段T₁T₂上；

计算出T_UT、T_UT_D、T_RT、T_LT_R这四条线段的两个比值：

$s_x=\frac{x_{t2}-x_t}{x_{t2}-x_{t1}},s_y=\frac{y_{t2}-y_t}{y_{t2}-y_{t3}}$

在投影网格中找到与点T₁、T₂、T₃、T₄对应的最小投影网格P₁、P₂、P₃、P₄，根据点P₁、P₂、P₃、P₄的坐标，计算出P₁P₂和P₃P₄的两个斜率；

$k_y=\frac{y_{p2}-y_{p1}}{x_{p2}-x_{p1}},k_x=\frac{y_{p2}-y_{p3}}{x_{p2}-x_{p3}},$ 其中x_p2-x_p3≠0

然后再计算出P_U点坐标和P_R点坐标：

x_pU＝x_p2-s_x(x_p2-x_p1)，y_pU＝k_y x_pU

y_pR＝y_p2-s_y(y_p2-x_p3)， $x_{\mathrm{pU}}=\frac{y_{\mathrm{pu}}}{k_x}$

其中，P_U，P_R两点是在投影的图像中，过目标点P点与网格右线和上线的平行线后与上线和右线的交叉点；

最后根据P_U点坐标和斜率k_x，P_R点坐标和斜率k_y计算这两条线的交点P点，P点即为标准正方形网格中的T点在投影网格图像中的坐标匹配点。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.通过这种匹配方法，大幅度消除了因为图像捕捉设备与投影设备的镜头畸变所带来的对坐标位置的影响。

2.不需要复杂的数学方法，不用考虑镜头的曲率变化的因素。无论是否更换不同的镜头都可以适用。

3.使投影设备投到台球桌的影像位置与真实台球位置的匹配更加准确。

4.不需要考虑在台球桌上的投影网格图像与台球的高度不同所带来的视觉差即可进行坐标匹配。

附图说明

图1为标准正方形网格图像；

图2为由图像采集设备捕捉的网格图像；

图3为由投影设备投影到台球桌上的网格图像；

图4为图像设备采集到的图像的一个网格；

图5为标准正方形网格中的一个网格；

图6为投影的网格图像中的一个网格。

其中，1.投影吊架，2.图像采集设备吊架，3.电脑，4.中空台球照明灯，5.红外线补光灯，6.投影设备，7.图像采集设备，8.台球桌，9.台球。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

根据台球桌内沿的大小，制作一张由若干正方形网格组成的图案的标准正方形网格纸或网格布，在这里也可以将其称为定位纸或定位布。

将网格的交叉点镂空，形成6mm左右的圆形或方形的洞。

将定位纸平铺在台球桌上，使定位纸的网格图案的四周与台球桌的内沿对齐。

由电脑控制投影机在定位纸上投出与定位纸等大的网格图像。

平移、旋转或拉伸投影在台球桌上的网格的各条横线与竖线，使投影在台球桌上的网格与定位纸上的网格完全重合。

由电脑根据调整后的投影网格位置信息，建立投影网格图像坐标系，使投影网络中的交叉点与定位纸网格的交叉点之间形成一一对应关系。

在定位纸上的N个网格交叉点的镂空处分别放上N个台球。

由图像采集设备采集此时的图像，并由电脑分析出每个在交叉点上的台球的坐标，根据这些台球的位置信息建立采集影像坐标系，使采集影像中的交叉点上台球的坐标与定位纸网格交叉点的坐标之间形成一一对应关系。

对图像采集设备采集到的台球图像与定位纸的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配。具体方法结合图4、图5进行说明：

如图4所示，C点为其中的一个网格内的一个点，先来判断C点距离网格中的4个顶点C₁、C₂、C₃、C₄、哪个最近，然后再根据最近点的比例关系进一步分析。例如在图4中，C点离C₂最近，再计算出经过C₂点的横、竖两条线的斜率k₁、k₂：

$k_1=\frac{y_{c2}-y_{c1}}{x_{c2}-x_{c1}},k_2=\frac{y_{c2}-y_{c3}}{x_{c2}-x_{c3}}(x_{c2}-x_{c3}\≠0)$

经过C点，分别以斜率k₁、k₂画两条线，并与网格的四周的四条线交于C_U、C_D、C_R、C_L四个点。根据两点间的距离公式计算出C_UC、C_UC_D、C_RC、C_LC_R四条线段的长度：

$C_{U}C=\sqrt{{(x_{\mathrm{cU}}-x_c)}^2+{(y_{\mathrm{cU}}-y_c)}^2}$

$C_U{C}_D=\sqrt{{(x_{\mathrm{cU}}-x_{\mathrm{cD}})}^2+{(y_{\mathrm{cU}}-y_{\mathrm{cD}})}^2}$

$C_{R}C=\sqrt{{(x_{\mathrm{cR}}-x_c)}^2+{(y_{\mathrm{cR}}-y_c)}^2}$

$C_L{C}_R=\sqrt{{(x_{\mathrm{cR}}-x_{\mathrm{cL}})}^2+{(y_{\mathrm{cR}}-y_{\mathrm{cL}})}^2}$

之后，再算出这出条线段之间的比例关系：

$s_1=\frac{C_{R}C}{C_L{C}_R},s_2=\frac{C_{U}C}{C_U{C}_D}$

根据这两个比例关系，先在标准的网格坐标体系中找到与C点相匹配的T点所在的网格，然后再根据这个网格的四个顶点坐标确定T点的具体坐标(参考图5)。

x_t＝x_t2+s₁(x_t1-x_t2)

y_t＝y_t2+s₂(y_t3-y_t2)

通过以上的方法，就可以把图像采集设备采集的台球位置的图像与标准的网格建立起点与点一一对应匹配关系。

以同样的方法，建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系。参考图5，T点为标准正方形网格中的一个网格中的一点。网格的4个顶点分别是T₁、T₂、T₃、T₄；过T点作两条相互垂直并与网格上边与右边垂直的两条线，并与网格的四个边相交于T_U、T_D、T_R、T_L四个点，然后计算出T_UT、T_UT_D、T_RT、T_LT_R这四条线段的两个比值：

$s_x=\frac{x_{t2}-x_t}{x_{t2}-x_{t1}},s_y=\frac{y_{t2}-y_t}{y_{t2}-y_{t3}}$

如图6所示，在投影的网格中找到与T点所在网格对应的那个网格。根据4个顶点(P₁、P₂、P₃、P₄)的坐标，计算出P₁P₂和P₃P₄的两个斜率。

$k_y=\frac{y_{p2}-y_{p1}}{x_{p2}-x_{p1}},k_x=\frac{y_{p2}-y_{p3}}{x_{p2}-x_{p3}}(x_{p2}-x_{p3}\≠0)$

然后再计算出P_U点坐标和P_R点坐标：

x_pU＝x_p2-s_x(x_p2-x_p1)，y_pU＝k_y x_pU

y_pR＝y_p2-s_y(y_p2-x_p3)， $x_{\mathrm{pU}}=\frac{y_{\mathrm{pu}}}{k_x}$

最后根据P_U点坐标和斜率k_x,P_R点坐标和斜率k_y计算这两条线的交点P点。这样就找到了标准正方形网格中的T点在投影网格图像中的坐标匹配点P点。也就是让投影坐标系中的每个点与标准正方形网格坐标系的每个点建立了一一对应的匹配关系。

Claims (7)

1.一种基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据台球桌内沿的大小，制作由若干标准正方形网格图案组成的定位基底，并将网格的交叉点镂空；

将定位基底平铺在台球桌上，使网格图案的四条边与长方形台球桌的内沿对齐；

利用投影设备在定位基底上投出与其等大的网格图像，平移、旋转或拉伸所述网格图像的各条横线与竖线，使投影在台球桌上的网格图像与定位基底上的网格图案完全重合；

根据调整后的投影网格图像交叉点的位置信息，建立投影网格图像坐标系，使投影网络中的交叉点与定位基底上的网格的交叉点之间形成一一对应关系；

在定位基底上的每个镂空处分别放上一个台球，利用图像采集设备采集此时的图像，分析出每个台球在图像中的高光点所处的像素点的位置，根据所述像素点的位置建立采集影像坐标系，使采集影像中的交叉点上台球的坐标与定位基底网格交叉点的坐标之间形成一一对应关系；

对图像采集设备采集到的台球图像与定位基底的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配；

建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系。

2.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述定位基底为定位纸或定位布。

3.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述将网格的交叉点镂空为：在网格的交叉点处形成6mm左右的圆形或方形的洞。

4.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述投影网格图像坐标系是以投影网格图像的左下点为原点，与台球桌长边平行方向为x轴，与台球桌短边方向平行为y轴的坐标系。

5.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述采集影像坐标系是以图像采集设备采集到的台球图像的左下点为原点，与台球桌长边平行方向为x轴，与台球桌短边方向平行为y轴的坐标系。

6.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述对图像采集设备采集到的台球图像与定位基底的标准正方形网格进行每一个点的坐标匹配，包括以下步骤：

对于图像采集设备采集到的台球图像内的某一个点C，先判断点C在哪四个台球组成的最小网格中，然后找出该网格的4个顶点中距离点C最近的一个顶点；

计算经过所述顶点的横、竖两条线的斜率k₁、k₂；

经过点C且斜率为k₁、k₂的两条线与所述四个台球组成的最小网格的四条边线产生顺时针方向围绕点C的四个交点C_U、C_R、C_D、C_L，其中，C_U、C_R与距离点C最近的最小网格顶点相对距离近，根据两点间距的距离公式计算出这4个点与点C的距离；

计算线段比例关系：

$s_1=\frac{C_{R}C}{C_L{C}_R},s_2=\frac{C_{U}C}{C_U{C}_D}$

根据这两个比例关系，先在标准正方形网格中找到与点C相匹配的点T所在的正方形网格，该正方形网格的四个顺时针排列的顶点T₁、T₂、T₃、T₄组成的线段T₁T₄上有与点C_L相对应的点T_L、线段T₁T₂上有与点C_U相对应的点T_U、线段T₂T₃上有与点C_R相对应的点T_R、线段T₃T₄上有与点C_D相对应的点T_D，然后再根据这个正方形网格的顶点坐标确定点T的坐标：

x_t＝x_t2+s₁(x_t1-x_t2)

y_t＝y_t2+s₂(y_t3-y_t2)

其中，(x_t,y_t)为标准网格图像中点T的坐标、x_t1为标准网格图像中点T₁的横坐标，(x_t2,y_t2)为标准网格图像中点T₂的坐标，y_t3为标准网格图像中点T₃的纵坐标；

通过以上方法，把图像采集设备采集的台球位置图像与定位基底的标准正方形网格建立起点与点一一对应关系。

7.根据权利要求1所述的基于投影式台球***的投影和图像采集的坐标匹配方法，其特征在于，所述建立标准正方形网格与投影网格图像的匹配关系，包括以下步骤：

过标准网格中的一点T做两条直线，一条与标准网格的横向边垂直，另一条与标准网格的纵向边垂直，这两条直线与点T所在的最小网格交于四个点，按顺时针顺序分别为T_U、T_R、T_D、T_L；其中，点T所在的最小网格的四个顶点按顺时针顺序分别为T₁、T₂、T₃、T₄，点T_U在线段T₁T₂上；

计算出T_UT、T_UT_D、T_RT、T_LT_R这四条线段的两个比值：

$s_x=\frac{x_{t2}-x_t}{x_{t2}-x_{t1}},s_y=\frac{y_{t2}-y_t}{y_{t2}-y_{t3}}$

在投影网格中找到与点T₁、T₂、T₃、T₄对应的最小投影网格P₁、P₂、P₃、P₄，根据点P₁、P₂、P₃、P₄的坐标，计算出P₁P₂和P₃P₄的两个斜率；

$k_y=\frac{y_{p2}-y_{p1}}{x_{p2}-x_{p1}},k_x=\frac{y_{p2}-y_{p3}}{x_{p2}-x_{p3}},$ 其中x_p2-x_p3≠0

然后再计算出P_U点坐标和P_R点坐标：

x_pU＝x_p2-s_x(x_p2-x_p1)，y_pU＝k_y x_pU

y_pR＝y_p2-s_y(y_p2-x_p3)， $x_{\mathrm{pU}}=\frac{y_{\mathrm{pu}}}{k_x}$

其中，P_U，P_R两点是在投影的图像中，过目标点P点与网格右线和上线的平行线后与上线和右线的交叉点；

最后根据P_U点坐标和斜率k_x，P_R点坐标和斜率k_y计算这两条线的交点P点，P点即为标准正方形网格中的T点在投影网格图像中的坐标匹配点。