保龄球旋转检测

保龄球旋转检测浙江大学计算机系971班黄劲学号：97150162001市场上相继出现了一些保龄球游戏，但是它们通常要求用户使用键盘、滚动球等来进行扔球的动作，游戏根据用户的操作来模拟随后的碰撞情况。不能够让游戏者亲身击球，保龄球运动的魅力也就失去了大半。虚拟保龄球系统提供了与真实保龄球运动相同的游戏方式，游戏者首先扔出保龄球，系统使用摄像头来检测球运动的速度和方向，然后实时的进行碰撞模拟，生成动画，展示给游戏者最终结果。虚拟保龄球系统整体外形框架系统结构

HardwareSystem3DRealTimeSimulatingSystem3DRealTimeRenderingSystemGameConfigureandScoreCalculatingSystemPCCameraTVRealtimemovementdetectingsystemSoftwareSystem系统输入（例）背景前景（1）总的思路从理论上来说，我们可以通过检测球面上两个特征点的坐标，确定两张图片上球的朝向。然后用两个时刻球朝向的变化来计算球旋转的速度。但是由于点状标记受运动模糊影响严重，因此我们采用带状标记。因为要确定球的朝向，必须要有两条以上的带子。如果用两条带子，有时候只能看到其中一条，另一条的位置只能估计。如果用三条，那就可以保证肯定能看到两根，但是由于分类数的增加，很容易错误判断带子颜色。实验结果表明，用三条带子得不偿失，因此我们在球上贴了蓝色和绿色两种带子。颜色分类234121234431颜色样品

RGB空间

HSV空间剔除背景变化部分背景前景去影子和去噪

去影效果变化部分去白杂点去黑杂点图像光顺和边缘检测dilate和bwmorph(…,'remove')光顺效果边缘去杂点球的拟合使用Matlab中的lsqnonlin大规模优化算法带子区域和细化细化结果带子区域Hough变换粗略的Hough参数空间精细的Hough参数空间Hough变换结果带子参数结果判断带子颜色不参与投票的象素点为黑，参与投票的象素点灰度依其颜色而不同，红色最亮，蓝色次之，绿色最暗，红色点不参与投票。容易看出，这条带子是绿色带子，显然符合实际情况。

球的朝向

先考虑为0时的情况

当不为0时，可以看作是椭圆和带子分别在两个坐标系中以Z’轴为旋转轴转了角。

三维右手直角坐标系：以球心为原点O’，Z’轴从圆心指向摄像头，X’轴水平向右。

固定的坐标系以球心为原点O，水平向右为X轴，竖值向上为Y轴，Z轴平行于球道指向摄像头方向，建立右手系直角坐标系。设坐标系O’X’Y’Z’的Z’轴在坐标系OXYZ中方向为[A,B,C]。

O’X’Y’Z’与OXYZ的变换矩阵如下：轴在固定坐标系中的方向为：看不见的带子显然带子处于下图中灰色的位置

因为两根轴垂直，所以它的轴在第一根（看得见的那根）带子所在的平面内。另外我们可以近似认为这根轴在O’X’Z’平面内。

轴的方向设两张照片拍摄时间间隔为ΔT，从两张照片上获得的球的朝向如下表所示：

TT+ΔT绿带蓝带假设假设两张图片上，球的转动角度比较小。设经过时间ΔT，特征点A转动到A’。

我们比较T时刻和T+ΔT时刻的两个可能的匹配点和，因为转动角度较小，因此A和A’距离也因该较小，比较这两个点和A的距离自然可以确定A’是哪一个。

几何的算法AA’BB’OO当AA’不平行于BB’时，轴方向为：

当AA’平行于BB’时，轴必然在OAB和OA’B’平面内，也就是轴为这两个平面的交线。

计算角速度得到轴后，角度容易算得。计算点A在轴上的投影P（过A做一个以轴为法线的平面，交轴于P）。PA和PA’的夹角即为所求。除以ΔT即得。

总结运动模糊严重，在Hue上汇聚情况较好的假设并不能很好的成立。计算球的旋转速度时，在两帧之间球不会转过很大角度的假设，速度过快时不能成立。现有的程序有一些依赖手工调整的参数，不能做到自动校正。今后一方面需要找到更好的采样设备，主要要求是截帧速度快，颜色正常。另一方面，在算法上要能更强的抵抗颜色混合，运动模糊以及光影变化，各种参数尽量能够自适应的调整。另外两组结果

另外两组结果感

谢在CAD&CG国家重