保齡球旋轉(zhuǎn)檢測(cè)

保齡球旋轉(zhuǎn)檢測(cè)浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系971班黃勁學(xué)號(hào)：97150162001市場(chǎng)上相繼出現(xiàn)了一些保齡球游戲，但是它們通常要求用戶使用鍵盤、滾動(dòng)球等來進(jìn)行扔球的動(dòng)作，游戲根據(jù)用戶的操作來模擬隨后的碰撞情況。不能夠讓游戲者親身擊球，保齡球運(yùn)動(dòng)的魅力也就失去了大半。虛擬保齡球系統(tǒng)提供了與真實(shí)保齡球運(yùn)動(dòng)相同的游戲方式，游戲者首先扔出保齡球，系統(tǒng)使用攝像頭來檢測(cè)球運(yùn)動(dòng)的速度和方向，然后實(shí)時(shí)的進(jìn)行碰撞模擬，生成動(dòng)畫，展示給游戲者最終結(jié)果。虛擬保齡球系統(tǒng)整體外形框架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HardwareSystem3DRealTimeSimulatingSystem3DRealTimeRenderingSystemGameConfigureandScoreCalculatingSystemPCCameraTVRealtimemovementdetectingsystemSoftwareSystem系統(tǒng)輸入（例）背景前景（1）總的思路從理論上來說，我們可以通過檢測(cè)球面上兩個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，確定兩張圖片上球的朝向。然后用兩個(gè)時(shí)刻球朝向的變化來計(jì)算球旋轉(zhuǎn)的速度。但是由于點(diǎn)狀標(biāo)記受運(yùn)動(dòng)模糊影響嚴(yán)重，因此我們采用帶狀標(biāo)記。因?yàn)橐_定球的朝向，必須要有兩條以上的帶子。如果用兩條帶子，有時(shí)候只能看到其中一條，另一條的位置只能估計(jì)。如果用三條，那就可以保證肯定能看到兩根，但是由于分類數(shù)的增加，很容易錯(cuò)誤判斷帶子顏色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用三條帶子得不償失，因此我們?cè)谇蛏腺N了藍(lán)色和綠色兩種帶子。顏色分類234121234431顏色樣品

RGB空間

HSV空間剔除背景變化部分背景前景去影子和去噪

去影效果變化部分去白雜點(diǎn)去黑雜點(diǎn)圖像光順和邊緣檢測(cè)dilate和bwmorph(…,'remove')光順效果邊緣去雜點(diǎn)球的擬合使用Matlab中的lsqnonlin大規(guī)模優(yōu)化算法帶子區(qū)域和細(xì)化細(xì)化結(jié)果帶子區(qū)域Hough變換粗略的Hough參數(shù)空間精細(xì)的Hough參數(shù)空間Hough變換結(jié)果帶子參數(shù)結(jié)果判斷帶子顏色不參與投票的象素點(diǎn)為黑，參與投票的象素點(diǎn)灰度依其顏色而不同，紅色最亮，藍(lán)色次之，綠色最暗，紅色點(diǎn)不參與投票。容易看出，這條帶子是綠色帶子，顯然符合實(shí)際情況。

球的朝向

先考慮為0時(shí)的情況

當(dāng)不為0時(shí)，可以看作是橢圓和帶子分別在兩個(gè)坐標(biāo)系中以Z’軸為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)了角。

三維右手直角坐標(biāo)系：以球心為原點(diǎn)O’，Z’軸從圓心指向攝像頭，X’軸水平向右。

固定的坐標(biāo)系以球心為原點(diǎn)O，水平向右為X軸，豎值向上為Y軸，Z軸平行于球道指向攝像頭方向，建立右手系直角坐標(biāo)系。設(shè)坐標(biāo)系O’X’Y’Z’的Z’軸在坐標(biāo)系OXYZ中方向?yàn)閇A,B,C]。

O’X’Y’Z’與OXYZ的變換矩陣如下：軸在固定坐標(biāo)系中的方向?yàn)椋嚎床灰姷膸ё语@然帶子處于下圖中灰色的位置

因?yàn)閮筛S垂直，所以它的軸在第一根（看得見的那根）帶子所在的平面內(nèi)。另外我們可以近似認(rèn)為這根軸在O’X’Z’平面內(nèi)。

軸的方向設(shè)兩張照片拍攝時(shí)間間隔為ΔT，從兩張照片上獲得的球的朝向如下表所示：

TT+ΔT綠帶藍(lán)帶假設(shè)假設(shè)兩張圖片上，球的轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較小。設(shè)經(jīng)過時(shí)間ΔT，特征點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)到A’。

我們比較T時(shí)刻和T+ΔT時(shí)刻的兩個(gè)可能的匹配點(diǎn)和，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)角度較小，因此A和A’距離也因該較小，比較這兩個(gè)點(diǎn)和A的距離自然可以確定A’是哪一個(gè)。

幾何的算法AA’BB’OO當(dāng)AA’不平行于BB’時(shí)，軸方向?yàn)椋?/p>

當(dāng)AA’平行于BB’時(shí)，軸必然在OAB和OA’B’平面內(nèi)，也就是軸為這兩個(gè)平面的交線。

計(jì)算角速度得到軸后，角度容易算得。計(jì)算點(diǎn)A在軸上的投影P（過A做一個(gè)以軸為法線的平面，交軸于P）。PA和PA’的夾角即為所求。除以ΔT即得。

總結(jié)運(yùn)動(dòng)模糊嚴(yán)重，在Hue上匯聚情況較好的假設(shè)并不能很好的成立。計(jì)算球的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，在兩幀之間球不會(huì)轉(zhuǎn)過很大角度的假設(shè)，速度過快時(shí)不能成立。現(xiàn)有的程序有一些依賴手工調(diào)整的參數(shù)，不能做到自動(dòng)校正。今后一方面需要找到更好的采樣設(shè)備，主要要求是截幀速度快，顏色正常。另一方面，在算法上要能更強(qiáng)的抵抗顏色混合，運(yùn)動(dòng)模糊以及光影變化，各種參數(shù)盡量能夠自適應(yīng)的調(diào)整。另外兩組結(jié)果

另外兩組結(jié)果感

謝在CAD&CG國家重