CN1981207B - 确定发射弹丸实际方向和预定方向之间偏差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于确定弹丸的路径与预定路径的偏差的方法。该方法使用目标区域的图像，在该目标区域中指出期望路径或方向。随后，确定真实方向或路径以及偏差。

Description

确定发射弹丸实际方向和预定方向之间偏差的方法和装置

本发明涉及确定所发射的弹丸，比如高尔夫球、其它类型的体育用球、或由武器发射的弹丸的实际方向和期望方向之间的偏差。

更具体地说，期望方向使用向其发射弹丸或者意在向其发射弹丸的目标区域的图像来指示。

在第一方面中，本发明涉及一种确定所发射的弹丸的实际方向和预定方向之间的偏差的方法，该方法包括：

提供表示目标区域的图像，

指示图像中的位置，该指示的位置相应于目标区域中的位置，

确定弹丸的实际方向，

确定弹丸的发射位置，

从该发射位置和该相应位置确定预定方向，以及

确定弹丸的实际方向和预定方向之间的偏差。

在本文的上下文中，图像可以是实际拍摄的表示目标区域的图像(使用例如摄像机拍摄)，或者它可以更示意性地表示目标区域或其中的部分，比如出现在目标区域中的多个元素(树、标志(flag)、房子或其它可识别元素)。

目标区域通常是在其中包括所有元素的区域，由图像边界限定或者由区域中或区域处的元素限定。或者，目标区域不需要以边界直接限定，而仅是围绕或者包括相应于所指示位置的位置的区域。

目标区域中的位置通常是目标区域的地平面中或地平面处的位置。然而这并不是必需的。可以使用比如在目标区域中垂直部分上的任何位置(比如在树上、墙上等提供的目标)，以及任何或高或低的位置(房顶等)。

图像中位置和目标区域中位置的相关性将取决于图像的实际类型和图像中表示目标区域的角度。通常，当图像是表示从特定位置观察时的目标区域的类型时，图像和目标区域中的位置之间是一一对应关系。通常，这样的特定位置是进行指示以帮助图像中位置的选择或指示的位置，或接近该位置。然后，图像指示如从该位置看的目标区域。

或者，图像可表示比如从空中看的目标区域，就像通常绘制地图的方式。

注意弹丸不需要击中或落入目标区域中并且它不需要瞄准目标区域。目标区域中指示的位置在期望方向上，但是期望的实际路径可以延伸得更远或者没有目标区域远。

目前，弹丸可以是任何飞行物体，比如体育用球(高尔夫球、棒球、足球、手球、篮球)，或由武器(手枪、机关枪、导弹、手榴弹)发射的弹丸等。

发射位置可以是弹丸从该处这样被发射的位置：通过撞击(比如球棍、球棒、手或脚)、从手部释放然后投掷、从发射台(比如武器的枪管、在发射之前固定球的球座、或发射之前弹丸放置的表面)发射。

可以以多种方式确定发射位置。一种方式是简单地假设或规定发射发生在预定位置或在预定区域内。

提供发射位置的另一种方法是使发射位置也在图像内，其中拍摄多张图像，并且相应于已发射的弹丸识别它们之间的不同之处.这种不同可以是，与发射前拍摄的一张或多张图像相比，后来的图像中缺少弹丸.

弹丸的实际方向是飞行中的弹丸的方向。该方向可以得自弹丸的实际路径。可以在预定平面中确定该方向，其中该方向可以在3-D场景(比如高尔夫球的路径)中变化，但是最感兴趣的方向是投影在地平面上的该3D路径的方向。

在本文的上下文中，可以以任何适当的方式确定偏差。如果需要，可以在预定平面中确定此偏差，其中已投影的方向也在该预定平面中。其通常是发射位置和相应于所指示位置的位置之间的水平面或地平面。

偏差可以是在比如预定平面中的两个方向之间的角度偏差。该平面可以是水平的和/或垂直的，或者可以在多个平面中提供偏差。

作为替代地或除此之外，偏差可以是比如预定平面中的实际方向和相应位置之间或预定方向和例如弹丸的着陆点(参见以下)之间的距离。

在优选实施例中，步骤1)包括以摄像机提供目标区域的图像。图像可以提供为目标区域的比如实时的视频序列，或图像可以是静止图像，比如监视器或显示器上的图像、或硬拷贝。

通常，接近所指示的图像中的位置安装摄像机。这种指示可以是显示器或监视器上的触摸板或者其他触摸敏感显示部件的指示，从而通过触摸图像中的位置可以简单地进行指示。或者，可以使用指点设备，比如计算机鼠标、光笔等。

一般来说，可以使用计算机或其它计算部件用于控制图像的确定、指示、提供或拍摄、指点等。

在一个实施例中，步骤1)包括提供包括多个预定位置的图像，并且步骤2)包括指示预定位置之一。以这种方式，图像和目标区域中的位置之间的相关性可以更简单并且可以仅是描述该相关性的表格。事实上，位置可以具有简单的数字，并且位置的选择可以是比如键盘上数字的指示或选择。

此实施例的特殊方面在于，其中，目标区域包括多个预定元素，其中步骤1)包括提供在相应于目标区域中元素位置的位置示出或识别多个预定元素的图像，并且其中步骤2)包括指示预定元素之一的位置(或指示图像中的元素)。

为每个位置提供数字的上述实施例同样可在这里适用。

然后图像中的这些位置相应于目标区域中的物理元素或分界线。在此情形中，图像中的多个位置和目标区域的任何相应物理部件/元素对用户来说足够指示所期望的位置，从而可以减少对图像的需求。简单的结构和各个元素与位置之间的相互关系对用户来说足够识别所期望的元素/位置。因此，图像可以是更简单或示意性的并且仅(或至少)表示所选元素或相应于图像中位置的所有元素。

同样，可使用相同配置的部件以提供多个预定方向并发射多个弹丸并确定多个偏差。

在上述实施例中，在图像中和目标区域中可看见多个元素。自然地，也可使用一个这样的元素。

在此情形中，在相应于所指示位置的位置处的元素可具有预定大小的可见部分。则步骤2)可包括：

a)从图像确定到所指示元素的角度，以及

b)通过将图像中的可见部分的范围与其预定大小相关联，从图像确定从预定位置到所指示元素的距离，

根据该角度和该距离确定该相应位置。

已知角度和距离就可以仅从图像确定元素的位置。图像中预定大小的宽度提供距离量度。可见部分可以是例如固定到地面上的杆末端或洞的一部分，或者可以是从地面到元素的预定距离。

预定点可以是图像的中心或者关于目标区域固定的点。

在感兴趣的实施例中，步骤3)包括确定弹丸的着陆点并且从该发射位置和该着陆点确定弹丸的实际方向。可以以多种方式执行着陆点的确定。目前优选的方式在申请人共同未决的申请PCT/DK2005/000336中描述，通过引用将其包括在此。

实际确定弹丸的路径或方向的优选方式是这样的，其中步骤3)包括：

接收弹丸在飞行中发射或反射的射线，以及

从接收到的射线确定弹丸的方向。

这可以是雷达系统或使用射线(或声音)确定弹丸位置/路径/方向的任何其它系统。

自然地，来自弹丸的射线可以是从弹丸发射的或者从弹丸反射的。在后一种情形中，该配置还包括向弹丸提供射线以使弹丸反射射线从而确定它的步骤。

在此实施例中，步骤4)可包括从接收到的射线确定发射位置。为此存在多种方式。一种方式是使用例如麦克风确定发射时的实际点，然后可以从弹丸的方向或路径确定发射位置。

在该情况中，雷达(或类似)系统中的定位或位置确定优选是固定的或者具有与图像或图像产生的预定关系，以使发射位置(并且可选着陆位置)与图像中识别的位置相关联。此关系可以通过简单地将图像产生(如果由例如摄像机提供)安装到雷达系统(或至少射线接收器)而提供。

在第二方面中，本发明涉及一种用于确定发射的弹丸的实际方向和预定方向之间的偏差的装置，该装置包括：

用于提供表示目标区域的图像的部件，

用于接收图像中位置的指示的部件，该接收部件适于将所指示位置与目标区域中的相应位置相关联，

用于确定弹丸的实际方向的部件，

用于确定弹丸的发射位置的部件，

用于从该发射位置和该相应位置确定预定方向的部件，以及

用于确定弹丸的实际方向和预定方向之间的偏差的部件。

优选地，提供部件包括显示器或监视器和处理单元，显示器或监视器操作地连接到处理单元并且适于提供图像，接收部件优选地也包括也连接到处理单元的指点设备。此指点设备可以是计算机鼠标、光笔等。另外，显示器/监视器可以是也包括指点设备的触摸板，在触摸板中某位置触摸显示器/监视器将输入该位置到系统中。

一般来讲，用于确定弹丸的实际方向的部件可包括用于确定弹丸的着陆点的部件和用于从发射位置和着陆点确定弹丸的实际方向的部件.

如上所述，该提供部件可包括用于提供目标区域的图像的摄像机。此摄像机可以是静止图像摄像机或视频摄像机。广泛使用数字摄像机，但是同样可使用其它类型的摄像机。

在一个实施例中，提供部件适于提供包括多个预定位置的图像，并且接收部件适于接收预定位置之一的指示。

除此以外或者与此结合，目标区域优选地包括多个预定元素，其中，提供部件适于提供在相应于目标区域中元素位置的位置示出或识别多个预定元素的图像，并且接收部件则适于接收预定元素之一的位置指示。因此，位置可相应于目标区域中的物理“目标”。

在该情形中，在与所指示位置相关的位置的元素可具有预定大小的可见部分，并且接收部件可包括以下用途的部件：

a)从图像中指示的位置确定到所指示元素的角度，以及

b)通过将图像中的可见部分的范围与其预定大小相关联，从图像确定从预定位置到所指示元素的距离，

接收部件适于根据该角度和该距离确定相应位置。

可见部分可以是杆末端的部分并且可以包括可见图案，可以从该可见图案确定可见部分的边界或可见部分的尺寸。

如上所述，用于确定弹丸的实际方向的部件可包括以下用途的部件：

接收弹丸飞行中发射或反射的射线，以及

从接收到的射线确定弹丸的方向。

因此，用于确定实际方向的部件可以是雷达系统或适于从接收到的射线(或声音)确定位置/路径/方向的其它系统。

射线可以是由弹丸放射/发射的或者从弹丸反射的。在后一种情形中，该装置还包括用于向弹丸提供射线的部件。

在此实施例中，用于确定弹丸的发射位置的部件可适于从接收到的射线确定发射位置。

在其它实施例中，用于确定弹丸发射位置的部件适于假设在预定位置进行发射。这是“获取”该信息的简单方式。

在装置包括摄像机的实施例中，希望发射位置/着陆位置和/或弹丸的路径/方向/位置的确定彼此相关。当摄像机和射线接收部件彼此相关地安装，使得射线接收部件适于接收来自摄像机所观察到的目标区域的射线时，可以实现该相关。

事实上，可以引导射线接收部件朝向目标区域，使得至少对于弹丸的期望路径或方向来说，射线接收部件的视野和摄像机相同或者一个包含在另一个中。

本发明的第三方面涉及上述方法或上述装置中使用的元素，该元素包括具有预定大小的可见部分。

此可见部分可以是具有从远处可见的任何适当形状的元素，比如球形、圆形、方形的元素。该元素可具有比如边界的可见分界线，以便从这些分界线的范围可确定到元素的距离。

可见部件可安装在距地面比如预定距离的距离处，并且可以在杆(比如在杆的末端)、洞等处提供可见部件.

可见部件可以是实体的，也可以是标志，在可见部分上提供分界线。标志则可以保持伸展的方式以便在无风天气中也可看到分界线。

以下，将参考附图描述本发明，在附图中：

图1是本发明中主要元件的框图。

图2是示出俯视图中不同坐标系的位置。

图3是在期望坐标系中选择目标和获取球的飞行数据的处理流程。

图4示出从发射位置后面向目标区域看的摄像机的图像。

图5示出可以帮助目标识别的目标的物理布置的实例。

在本发明的优选实施例中，弹丸是朝向目标发射的高尔夫球，图像拍摄设备是摄像机1并且确定实际弹丸路径的测量装备是雷达2，如图1所示。图像和雷达数据都送到计算机3，计算机3在显示器4上显示图像和雷达数据。为了便于识别图像中的目标，使用触摸屏5。

与雷达的位置和物理方位无关，期望的高尔夫球的轨迹数据，特别是着陆点，在起点位于发射点12并具有经过目标10的水平基准线11的坐标系中。据此限定的坐标系称作高尔夫选手坐标系15，如图2所示。

在雷达坐标系16中测量轨迹数据。由摄像机8拍摄的图像限定在摄像机坐标系17中。

每次击高尔夫球典型地将从略微不同的位置发射，并且目标在高尔夫过程期间也经常变化。这意味着高尔夫选手坐标系15的位置和方位一般来讲每次击高尔夫球都不同。这说明需要有效的方式自动将测量数据从雷达坐标系16转换到高尔夫选手坐标系15。

现有技术通过机械地调整例如雷达2的测量系统直接指向目标或距目标预定的偏移量来限定目标。

在一些技术中，存储若干预定的目标位置，以便于在这些预定目标之间的选择。无论如何，这意味着无论何时选择位置尚属未知的新目标，都将需要新的机械调整。

本发明的实施例不需要任何机械调整，只要期望目标在摄像机1和雷达2的视野中。此视野典型地在10到30度之间。

现有技术典型地通过规定发射位置在预定的严格受限制的区域内，例如，雷达2前面2～4m处的20cm直径的圆内，来获取发射位置。

在本发明的实施例中，通过雷达2直接测量发射位置，作为属于高尔夫球飞行的第一数据点。以下简述其它方法。

摄像机1相对于雷达2的物理方位和位置必须已知。这很容易通过在雷达上或雷达内安装摄像机来实现，这样该两个单元相对于彼此将是固定的。通过校准过程确定该相对方位和位置。当操作系统时，雷达和摄像机单元假定被调整为水平。

图3中简述了在本发明中选择新目标的过程。首先在步骤19中拍摄图片，这典型地由用户发起。显示所拍摄的图像，并且如果存在多个目标，则用户确定图片21中优选目标的位置。如果目标不在视野中，必须执行摄像机和雷达单元的粗略校准27。

呈现给用户的图像28将类似于图4中所示.图像28中的水平线29代表坐标系17的水平面，并且垂直线30代表相同的坐标系17中在基准水平角度处的垂直平面.因此摄像机的中心31是基准线9.

在图像中，典型地将显示多个目标34、35。为了指出特定的目标，调整垂直和水平基准线32、33以指出期望目标34的确切位置。可以由用户通过键盘、触摸板、鼠标等手动地进行这种调整。在如下的一些情况中，系统也可以自动地检测和定位基准线32、33的中心以指向期望目标。

如果目标具有预定形状或图案，如图5，则系统可以自动定位垂直和水平基准线32、33的中心。如果在目标区域中出现若干个目标，则优选地目标是不同形状的，以便使得系统可以区别它们。在这种情况中，用户将指示目标号码给系统，或指出图像中目标的大概位置。

以上简述了确定到目标的角度的多种方法。为了计算目标位置10，还需要到目标的距离。有多种途径确定此距离。

确定到目标的距离的一种方法是简单地使用户输入该距离，当然这需要用户知道该距离。

确定到目标的距离的另一种方法是测量目标的预定图案的角度范围。已知此预定图案的大小，可直接计算到目标的距离。可以做此用途的一个预定目标图案38如图5中所示，角度尺寸DH和/或DV可以通过边缘检测技术从图像28容易地确定。

一旦到目标的角度和距离已经确定，就可以计算22目标位置。

对于每次击球，雷达测量球的飞行13。这包括测量球的发射位置12和球的着陆点14。

测量球发射位置的其它方法是分析在发射之前和之后拍摄的图像28的序列。通过此方法可以在图像28中识别发射的球36。从而可以确定从摄像机8到发射位置的垂直和水平角度。从摄像机到发射位置的距离至少可以以两种方法确定。

第一种方法测量图像28中球的角度范围并且与球的预定大小相比较。对于大多数体育用球，可以很好地定义此大小。

第二种方法假设雷达2处于发射位置上方给定的高度。则通过从上面已知到发射位置的垂直角度，可以使用参数之间的简单的三角关系直接计算该距离。

通过已知发射位置12和目标位置10，确定高尔夫选手坐标系15。

雷达将测量雷达坐标系16中的球的飞行13。然后通过三维平移和旋转将这些数据坐标变换25到高尔夫选手坐标系15中。

最后球飞行数据呈现给用户26。

Claims (19)

1.一种确定所发射弹丸的实际方向和第一方向之间的偏差的方法，该方法包括：

1)提供表示目标区域的图像，

2)指示图像中的位置，该指示的位置相应于目标区域中的相应位置，

3)使用雷达接收弹丸在飞行中发射或反射的射线，

4)从接收到的射线确定弹丸的实际方向，

5)确定弹丸的发射位置，

6)从该发射位置和该相应位置确定第一方向，以及

7)确定弹丸的实际方向和第一方向之间的偏差。

2.如权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括以摄像机提供目标区域的图像。

3.如权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括提供一个包括多个预定位置的图像，并且其中步骤2)包括指示预定位置之一。

4.如权利要求1所述的方法，其中目标区域包括多个预定元素，并且其中步骤1)包括提供在相应于目标区域中元素的相应位置的位置示出或识别多个预定元素的图像，步骤2)包括指示预定元素之一的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其中在相应于所指示位置的位置处的元素具有预定大小的可见部分，并且其中步骤2)包括：

a)从图像确定到所指示元素的角度，以及

b)通过将图像中的可见部分的范围与其预定大小相关联，从图像确定从预定位置到所指示元素的距离，

根据该角度和该距离确定该相应位置。

6.如权利要求1所述的方法，其中步骤1)包括在连接到处理单元的显示器或监视器上提供图像，并且其中步骤2)包括使用也连接到处理单元的指点设备。

7.如权利要求1所述的方法，其中步骤3)包括确定弹丸的着陆点，并且从发射位置和该着陆点确定弹丸的实际方向。

8.如权利要求1所述的方法，其中步骤4)包括从接收到的射线确定发射位置。

9.如权利要求1所述的方法，其中步骤4)包括假设在预定位置进行发射。

10.一种用于确定所发射弹丸的实际方向和第一方向之间的偏差的装置，该装置包括：

提供部件，用于提供表示目标区域的图像并输出图像数据，

用于接收图像中位置的指示的部件，该接收部件适于将所指示位置与目标区域中的相应位置相关联并输出相应位置信息，

接收弹丸在飞行中发射或反射的射线的雷达，

从接收到的射线确定弹丸的实际方向并输出实际方向信息的部件，

用于确定弹丸的发射位置并输出发射位置信息的部件，

用于接收发射位置信息和相应位置信息、从该发射位置和该相应位置确定第一方向、并输出第一方向信息的部件，以及

用于接收第一方向信息和实际方向信息并用于确定弹丸的实际方向和第一方向之间的偏差的部件。

11.如权利要求10所述的装置，其中提供部件包括用于提供目标区域的图像的摄像机.

12.如权利要求10所述的装置，其中提供部件适于提供包括多个预定位置的图像，并且其中接收部件适于接收预定位置之一的指示。

13.如权利要求10所述的装置，其中目标区域包括多个预定元素，其中，提供部件适于提供在相应于目标区域中元素位置的位置示出或识别多个预定元素的图像，并且其中接收部件适于接收预定元素之一的位置指示。

14.如权利要求13所述的装置，其中在与所指示位置相关的位置的元素具有预定大小的可见部分，其中用于接收指示的部件还适于输出所指示的位置信息，并且其中接收部件包括：

a)用于接收指示的位置信息，从图像中所指示的位置确定到所指示元素的角度，并输出角度信息的部件；以及

b)用于接收图像数据，通过将图像中的可见部分的范围与其预定大小相关联、从图像确定从预定位置到所指示元素的距离，并输出距离信息的部件，

接收部件适于接收角度信息和距离信息并根据该角度和该距离确定相应位置。

15.如权利要求10所述的装置，其中提供部件包括显示器或监视器和处理单元，显示器或监视器可操作地连接到处理单元并且适于提供图像，接收部件包括也连接到处理单元的指点设备。

16.如权利要求10所述的装置，其中用于确定弹丸的实际方向的部件包括用于确定弹丸的着陆点的部件，并适于从发射位置和着陆点确定弹丸的实际方向。

17.如权利要求10所述的装置，其中用于确定弹丸的发射位置的部件适于从接收到的射线确定发射位置。

18.如权利要求10所述的装置，其中用于确定弹丸的发射位置的部件适于假设在预定位置进行发射。

19.如权利要求11所述的装置，其中摄像机和射线接收部件彼此相关地安装，使得射线接收部件适于接收来自摄像机所观察到的目标区域的射线。

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