本發明屬于圖像處理方法，特別涉及一種基于機器視覺提高報靶精度的方法，適用于射箭運動著箭報靶。

背景技術：

射箭運動不僅可以達到健身的目的，有利于提高普通居民的身體素質，還可以作為一種娛樂休閑和競技體育的項目，因而目前許多國家都在對這項運動進行推廣普及；隨著這項運動的普及，對箭靶的需求和要求也逐漸提高。

以往常用的箭靶，往往是被放置在距離射擊者一定距離的地方，射擊結束后由專門的工作人員進行測量讀數并且記錄射箭的環數；這種工作方式不僅耗費比較大的人力物力，而且效率低下，不利于這項運動的推廣。因此有必要提高箭靶和計環步驟的質量，最好是能夠實現自動計環?，F有的自動定位識別報靶方法主要有光電自動報靶、超聲傳感器報靶、電子傳感器報靶、圖像掃描報靶等多種方法。現有圖像掃描報靶方法，如公開號為cn102688587a的中國發明專利，通常是采用單個相機進行拍攝，容易在著箭點被遮擋的時候失效，不能真實反映著箭點的坐標位置，導致報靶準確度較低。

技術實現要素：

本發明提供一種基于機器視覺提高報靶精度的方法，解決現有方法存在的箭體遮擋導致識別錯誤的問題，以提高報靶準確率。

本發明所提供的一種基于機器視覺提高報靶精度的方法，包括報靶裝置安裝調試步驟、確定箭靶平面方程步驟、判斷著箭環數步驟，其特征在于：

(1)報靶裝置安裝調試步驟：

選取m個相機面對箭靶固定，m≥2；確保各相機底座安裝平面與地面保持平行，確定相機之間的對應位置，并且獲取相機之間的相對距離，當箭靶面占據相機視野的1/2～2/3并形成清晰影像時，相機安裝調試完成；

(2)確定箭靶平面方程步驟，包括下述子步驟：

(2.1)構建全局坐標系和局部坐標系：以任一相機的光學中心點為原點，以該相機鏡頭軸線為y軸，其指向箭靶方向為y軸正方向，以垂直于y軸且朝上的方向為z軸正方向，通過坐標系右手定則確定x軸正方向，構建全局直角坐標系；其他相機各自以自身的光學中心點為原點，以各相機鏡頭軸線為各自yi軸，以該相機鏡頭軸線指向箭靶方向為yi軸正方向，由于各相機xy平面平行或重合，通過坐標系右手定則確定zj軸正方向，建立各自局部直角坐標系，i＝1、…、m-1；

(2.2)確定箭靶平面方程：首先解出全局直角坐標系下箭靶上不在同一直線上的三個特征點與每個相機的光學中心連線的直線方程；

接著，解算出箭靶上每個特征點的坐標，由于三點確定一個平面，最終確定箭靶平面方程，

(3)判斷著箭環數步驟，包括下述子步驟：

(3.1)用當前拍攝到的圖像與此前得到的圖像進行對比，判斷是否有箭上靶，是則執行子步驟(3.2)，否則，重新執行子步驟(3.1)；

(3.2)確定著箭點位置并報靶，構建射入的箭體中心軸線的直線方程，求得該直線與子步驟(2.2)中得到的箭靶平面的交點，即為著箭點，接著計算著箭點與靶心的距離l，考慮箭體直徑r，與各環半徑對比，確定其所在環數，輸出中靶環數。

所述的基于機器視覺提高報靶精度的方法，其特征在于，子步驟(2.2)確定箭靶平面方程包括下述過程：

(2.2a)對于箭靶上特征點pn(xn，yn，zn)，其投影到某相機圖像上對應特征點pi(n)，n＝1、2、3；分別確定出在全局坐標系下經過某相機圖像上對應特征點pi(n)及其局部直角坐標系原點oi的直線方程：

x-xi(n)＝m(n)×(y-yi(n))+n(n)×(z-zi(n))，(a)

x-tx(i)＝m(n)×(y-ty(i))+n(n)×(z-tz(i))；(b)

其中，tx(i)、ty(i)、tz(i)為某相機的局部直角坐標系原點oi(光學中心)在全局直角坐標系中坐標，

xi(n)、yi(n)、zi(n)和(xi(n)，yi(n)，zi(n))分別為對應特征點pi(n)在全局直角坐標系及局部直角坐標系中的坐標：

γ(i)為該局部直角坐標系yi軸在全局坐標系xy平面的投影與y軸的逆時針方向偏角；

m(n)、n(n)為待求解系數，聯立方程(a)和(b)即可求解得到通過某相機光學中心與相機圖像上對應特征點pi(n)的三條直線方程；

(2.2b)所述三條直線方程也表示經過相機的光學中心與箭靶上3個特征點pn(xn，yn，zn)的直線方程，每個相機均得到這樣的3條直線方程，聯立某特征點pn與各相機光學中心oi的m條直線方程，即可解出該特征點在全局直角坐標系的坐標xn，yn，zn，再以三個特征點的坐標確定箭靶平面方程。

所述的基于機器視覺提高報靶精度的方法，其特征在于：

所述子步驟(3.1)包括下述過程：

將當前拍攝到的圖像與上一幀圖像相減，判斷所得到結果中非0值像素點的數量是否少于圖像總像素的千分之一，是則確定無箭上靶，否則對各非0值像素點在圖像平面內進行直線擬合，進一步判斷直線擬合的方差是否大于0.4，是則確定有箭上靶，執行子步驟(3.2)，否則無箭上靶；

所述子步驟(3.2)包括下述過程：

將子步驟(3.1)中擬合成的直線，與對應相機的光學中心共同構成局部坐標系下的著箭平面方程，再將其轉換為全局直角坐標系下的著箭平面方程；

聯立各相機著箭平面方程以求解平面相交線，得到最多m×(m-1)/2條直線方程，各直線方程均代表箭體的中心軸線方程；

用所述m×(m-1)/2條直線方程與所述箭靶平面方程求交點，得到m×(m-1)/2個交點，取以這些交點為頂點的多邊形的重心作為著箭點，計算著箭點與靶心的距離l，考慮箭體直徑r，與各環半徑對比，輸出中靶環數。

本發明采用的報靶系統構建簡單，實施成本低，適應性強，重構箭體和箭靶面三維坐標，和現有公開號為cn102688587a的專利相比，有效解決了箭體與箭靶面交點處受遮擋產生的錯誤識別問題，簡化了對箭身穩定性檢測環節，提高了報靶精度。

附圖說明

圖1為本發明流程框圖；

圖2為相機與箭靶分布位置示意圖，圖中標記：左相機光學中心1，右相機光學中心2，左相機成像平面3，右相機成像平面4，左相機光軸5，右相機光軸6，箭靶7，靶面法線8。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

本發明的實施例，包括報靶裝置安裝調試步驟、確定箭靶平面方程步驟、判斷著箭環數步驟：

(1)報靶裝置安裝調試步驟：

選取2個500萬像素的相機面對箭靶平行固定，確保各相機底座安裝平面與地面保持平行，相機鏡頭盡量垂直指向箭靶面，垂直距離箭靶面1.5m左右，確定相機之間的對應位置，并且獲取相機之間的相對距離，當箭靶面占據相機視野的1/2～2/3并形成清晰影像時，相機安裝調試完成；

(2)確定箭靶平面方程步驟，包括下述子步驟：

(2.1)構建全局坐標系和局部坐標系：如圖2所示，以左邊的相機作為主相機，以其光學中心點1為原點，以該相機鏡頭軸線為y軸，其指向箭靶方向為y軸正方向，以垂直于y軸且朝上的方向為z軸正方向，通過坐標系右手定則確定x軸正方向，構建全局直角坐標系；

右邊相機以自身的光學中心點2為原點，以該相機鏡頭軸線為y1軸，以該相機鏡頭軸線指向箭靶方向為y1軸正方向，兩個相機xy平面重合，通過坐標系右手定則確定z1軸正方向，建立其局部直角坐標系；右邊相機光學中心點2位于主相機x軸正方向距離a為10cm處。

(2.2)確定箭靶平面方程：首先解出全局直角坐標系下箭靶上不在同一直線上的三個特征點與每個相機的光學中心連線的直線方程；在箭靶上選取最外環上端點、左端點以及靶環圓心為三個特征點；

接著，解算出箭靶上每個特征點的坐標，由于三點確定一個平面，最終確定箭靶平面方程；

(3)判斷著箭環數步驟，包括下述子步驟：

(3.1)將當前拍攝到的圖像與上一幀圖像相減，判斷所得到結果中非0值像素點的數量是否少于圖像總像素(500萬)的千分之一(5000)，是則確定無箭上靶，否則對各非0值像素點在圖像平面內進行直線擬合，進一步判斷直線擬合的方差是否大于0.4，是則確定有箭上靶，執行子步驟(3.2)，否則無箭上靶；

(3.2)將子步驟(3.1)中擬合成的直線，與對應相機的光學中心共同構成局部坐標系下的著箭平面方程，再將其轉換為全局直角坐標系下的著箭平面方程；

聯立各相機著箭平面方程以求解平面相交線，得到一條直線方程，代表箭體的中心軸線方程；

用所述直線方程與所述箭靶平面方程求交點，以其作為著箭點，計算著箭點與靶心的距離l，考慮箭體直徑r，與各環半徑對比，輸出中靶環數。