一種高速提取圓形圖像中心點的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于數字圖像處理、機器視覺技術領域，涉及一種高速提取圓形圖像中心點的方法。
【背景技術】
[0002]機器視覺簡單說就是運用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺通常通過圖像攝取裝置將被攝取目標轉換成圖像信號，再進行圖像處理，得到被攝目標的形態信息的數字化信號。目前，機器視覺正在越來越廣泛地應用于關乎人們生活和生產的各個行業，可以說，只要是人工視覺無法完成的任務，大抵可以通過機器視覺完成。
[0003]人和物體在運動狀態下的運動數據采集分析成為了近年來運用機器視覺的重要課題。通過解決這類課題，使得機器視覺在體育運動、康復工程、人機工效、動畫制作、機械仿生等等諸多領域發揮著越來越重要的作用。以體育運動科學研究為例，如何提高競技體育運動成績，如何減少傷病發生幾率，以及如何在傷病發生后進行安全有效的康復，這些課題都需要得到機器視覺的幫助。
[0004]競技體育的運動成績需要從身體機能和運動技術兩個方面來提高。對運動技術的分析主要包括對運動數據的采集、分析和模擬仿真，并從運動生物力學角度對運動員進行細致動作指導，從而大幅提高運動成績。而運動數據的采集中最關鍵的問題就是動作捕捉。現有技術中，對運動中的人體動作的捕捉已經從傳統的人工影像解析發展到了采用紅外光點自動識別技術的機器視覺解析，紅外光點自動識別中，機器需要先獲取貼附在分析對象表面的圓形標志點的影像，然后提取各圓形標志的中心點坐標。對圓形標志中心點的提取過程中，由于圖像背景雜亂、成像品質低、掃描光照特性未知、標志點面積較小、以及成像易變形等因素廣泛存在，使得直接從圖像中提取檢測圖像邊緣和中心點比較困難。為了克服這些因素帶來的困難，現有技術的方法首先要對圖像進行平滑處理用來減少圖像的噪聲或失真，然后提取與圓形標志點相關的圖像元素;采取邊界跟蹤的方法提取圖像的邊緣，對圖像元素進行橢圓特征參數提取，以識別所需要的標志點。傳統的邊沿提取，輪廓提取等方式，雖然可以適應多種環境，適應多種形狀(圓形、矩形等)，但效率較低，不適合高速運動的情況。
【發明內容】
[0005]本發明的首要目的在于:提供一種能夠快速提取圓形圖像中心點的方法，能夠顯著提升圓形標志中心點的確定速度。
[0006]本發明的進一步的目的在于:提供一種高速運動數據捕捉方法，應用上述提取圓形圖像中心點的方法，能夠滿足高速運動下的動作捕捉要求。
[0007]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
[0008]首先，提供一種快速確定圓形圖像中心點的方法，包括以下步驟:
[0009]I)在圓形圖像范圍內平行地進行像素點逐行掃描，并記錄每行掃描的像素點數量；
[0010]2)對比步驟I)中掃描得到的每行像素點數量，找到像素點最多的行Lmax;
[0011]3)計算步驟2)中找到的Lmax的中點，該點即為所述的圓形圖像中心點。
[0012]本發明所述的確定圓形圖像中心點的方法簡單明了、針對性強、速度快，適合用于各種需要通過確定圓形標志物中心點來解決數據采集問題的領域。
[0013]在此基礎上，本發明進一步提供一種高速動作捕捉方法，主要包括:
[0014]a)將正投影形狀為圓形的反光標識固定在運動物體表面的預定位置;將固定有所述反光標識的運動物體置于成像鏡頭拍攝范圍內；
[0015]b)給予運動物體近紅外線照射，在運動物體運動過程中通過成像鏡頭持續成像，得到的圖像中包含反光標識的圓形圖像；
[0016]c)在b)中得到的每一幀圖像中，在圓形圖像范圍內平行地進行像素點逐行掃描，并記錄每行掃描的像素點數量；對比掃描得到的每行像素點數量，找到像素點最多的行Lmax ;計算Lmax的中點，作為所述的反光標識的圓形圖像的中心點，記錄其坐標；
[0017]d)基于c)得到的每一幀圖像中同一反光標識的中心點坐標變化獲得運動物體的動作軌跡，完成對運動物體的動作捕捉。
[0018]本發明所述的動作捕捉方法中，a)所述的正投影形狀為圓形的反光標識可以是球狀反光標識，也可以是圓片狀反光標識，優選球狀反光標識。
[0019]本發明優選的動作捕捉方法中，b)所述的近紅外線波長固定，且a)中所述的反光標識對所述的波長固定的近紅外線具有高亮定向反射能力。
[0020]本發明進一步優選的動作捕捉方法中，在b)所述的成像前通過濾光裝置屏蔽與b)所述的紅外線波長不同的光線，僅透過與b)所述的紅外線波長相同的光線。
[0021]本發明更進一步優選的動作捕捉方法中，b)所述的近紅外線波長在800?900nm之間，最優選800?850nm之間。
[0022]本發明優選的動作捕捉方法中，b)所述的成像通過設有所述成像鏡頭的捕捉設備完成;所述的捕捉設備內置成像電路板和圖像現場處理模塊;所述的成像電路板控制b)所述的成像;所述的圖像現場處理模塊執行c)所述圖像處理過程。
[0023]本發明進一步優選的動作捕捉方法中，所述的圖像現場處理模塊是基于現場可編程邏輯門陣列(FPGA)的硬件模塊。
[0024]本發明最優選的一種高速動作捕捉方法，包括:
[0025]a)將球狀反光標識固定在運動物體表面的預定位置;將固定有所述反光標識的運動物體置于被動式光學動作捕捉系統拍攝范圍內；
[0026]所述的球狀反光標識對800?850nm波長的紅外線具有高亮定向反射能力；
[0027]所述的被動式光學動作捕捉系統由6-8臺被動式光學動作捕捉設備、POE交換機和主控制計算機組成;被動式光學動作捕捉設備包括照射光源組件、光學鏡頭、控制艙;所述的照射光源組件包括光源和光源的控制電路板，所述的光源由5個以上的LED燈珠組成，設置在所述的光學鏡頭周圍;所述的控制艙內設成像電路板來控制成像，同時設主控制板，并在主控制板設FPGA模塊來控制數據處理、數據同步和供電；所述的成像電路板上設置圖像傳感器，成像電路板與主控制板之間通過FMC接口電聯接;所述的控制艙表面有開孔，所述的光學鏡頭后部固定安裝在控制艙外表面所述開孔處，光學鏡頭通過所述的開孔與控制艙內成像電路板上的圖像傳感器相對;所述的光源的控制電路板與所述的主控制板電聯接；6-8臺所述的被動式光學動作捕捉設備分別與POE交換機聯接，POE交換機與主控計算機聯接；
[0028]b)啟動a)中所述的被動式光學動作捕捉系統，在運動物體運動過程中，每臺被動式光學動作捕捉設備按照以下過程捕捉動作數據:光源給予運動物體800?850nm波長的紅外線照射，在光學鏡頭前設置濾光裝置屏蔽運動物體反射光中波長不在800?850nm范圍的光線，僅透過反光標識反射的光線，同時通過圖像傳感器持續得到包含反光標識的圓形圖像的視頻數據，得到的視頻數據由成像電路板通過FMC接口傳輸給主控制板的FPGA模塊進行處理；
[0029]c)通過FPGA模塊對b)得到的視頻數據進行如下現場處理:在每一幀圖像中，在圓形圖像范圍內平行地進行像素點逐行掃描，并記錄每行掃描的像素點數量;對比掃描得到的每行像素點數量，找到像素點最多的行Lmax;計算Lmax的中點，作為所述的反光標識的圓形圖像的中心點，記錄其坐標；
[0030]d)每臺被動式光學動作捕捉設備基于c)得到的每一幀圖像中同一反光標識的中心點坐標變化獲得運動物體的動作軌跡后，將數據傳輸至POE交換機，再由POE交換機傳輸至主控制計算機，完成對運動物體的動作捕捉。
[0031]本發明所述的方法可以應用于各種運動物體的動作捕捉，與現有技術相比，本發明的方法在圖像處理和數據提取的速度上取得了意料不到的大幅提升，這種提升主要緣于以下幾個技術手段:
[0032]1.成像前強化待提取圓心的圓形影像
[0033]為了減少圓心提取前的圖像預處理工作(主要是減少圖像噪聲和干擾)，本發明在成像前的以下兩個環節中采取手段，實現了反光標識影像的強化:一是采用對特定波長的紅外光具有高亮定向反射能力的反光標識固定于運動物體上，當采用所述特定波長的紅外光照射運動物體時，只有運動物體表面的反光標識可以高效反射該波長的紅外光;二是在成像前采用濾光裝置進一步濾掉其他波段的光線，只保留反光標識反射回來的特定波長光線。這樣一來，成像前就能有效去除復雜背景干擾，得到只含有反光標識的圖像，為下一步快速鎖定圓形處理目標打下良好的基礎。
[0034]2.成像后運用了快速簡便的圓心提取方法
[0035]本發明所述的快速確定圓形圖像中心點的方法簡單明了、處理速度快，特別適用于高速運動物體的動作捕捉分析。因為衡量高速運動下的物體動作捕捉是否成功時，最重要的標準不是標志點坐標的提取精度，而是提取速度。本發明中對圓形圖像圓心的提取方法基于反光標識按像素點行列組合成像的原理，以及圓形內部平行線中直徑最長且圓心位于直徑中心的規律和特征，先直接通過對反光標識所形成的圓形圖像進行像素逐行掃描找到直徑，再找到直徑的中點即可獲得圓形圖像的中心點。這種方法抓住了解決問題的要害，摒棄了不必要的繁瑣計算過程，與現有的圓心提取方法相比，在提取速度上提高了十幾倍甚至幾十倍，而在精度方面并沒有大幅度降低。這對于需要現場同步進行分析的應用場合來說是有重要意義的。
[0036]3.動作捕捉與圖像處理同步現場完成
[0037]本發明的優選方案中，將圓心的提取在FPGA模塊中直接進行處理，這樣圖像不需要經過傳輸，使圖像處理、圓心坐標提取和成像基本上同步完成，不但解決了圖像傳輸對處理速度造成的瓶頸問題，更進一步提升了動作捕捉的總體速度。
[0038]總之，本發明的方法通過上述幾方面的手段顯著提升了動作捕捉的速度，經測算，本發明的方法處理速度可達5000幀/秒及以上，是現有技術60幀/秒的八十多倍。
【附圖說明】
[0039]圖1是實施例2所述的被動式光學動作捕捉系統的組成結構示意圖。
[0040]圖2是實施例2所述的被動式光學動作捕捉設備的結構示意圖。
[0041 ]圖中標記說明如下: