一种斯诺克台球计分器

摘要

本发明公开了一种斯诺克台球计分器。它使用摄像头实时摄取斯诺克球台上的视频数据，然后利用计算机视觉技术，采用一定的软件算法处理这些数据以获得计分所需要的信息。在软件算法部分，本发明采用10个矩阵对数据进行处理，得到2个方程组，通过解这2个方程组获取球在桌面上的实际位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种斯诺克台球计分器，属于智能体育领域。

背景技术

目前的斯诺克台球计分器都是采用手工计分板。这种手工计分板(包括机械的和电子的)需要人工手动计分，而斯诺克台球的计分规则复杂，目前的这种手动计分板使得整个计分过程复杂，人工计分负担重，并且计分容易出现人为的错误。

发明内容

本发明采用一种电子设备，用摄像头实时捕获斯诺克台球桌面上的击球过程，然后利用计算机视觉技术对捕获到的图片进行处理，根据一定的软件算法，确定桌面上的球的实际位置，从而能够分析击球运动员的击球动作、台球运动轨迹，台球碰撞的情况以及台球落袋的情况，然后根据这些信息对台球比赛进行计分。本发明通过上述技术实现了整个计分过程的自动化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1和图2是本发明的工作原理图。其中图1使用单摄像头，图2使用双摄像头。

具体实施方式

在图1中，计分器位于台球桌的上方，计分器所带的摄像头朝向台球桌，其视角必须覆盖整个台球桌面。但是，除上述要求外，计分器相对于台球桌的具体位置，摄像头朝向台球桌的角度并无特殊的要求，这一点会极大地方便计分器的安装，极大地降低对计分器使用的要求。

对于使用环境受到限制的场合，比如台球桌上方被球桌照明设备或者天花板挡住，使得摄像头的视角无法覆盖整个台球桌面，这个时候可以使用多个摄像头的方案。图2显示的是使用2个摄像头的方案。在图2中，一个摄像头覆盖台球桌面底部的半个桌面，另一个摄像头覆盖台球桌面顶部的半个桌面。这两个摄像头之间相互交换数据，从而获得整个桌面的信息。

从构造上，计分器是一个盒子，盒子上安装有一个摄像头，一个电源接口，一个麦克风和音频播放接口。盒子的里面是电路板。电路板除了连接上述外部设备外，还有以下的核心部件：CPU及外围电路，WIFI或者其它网络通信模块。

本发明的工作原理是：由摄像头不断地捕获台球桌面上的实时状况，生成视频数据供计分器的软件进行分析处理。计分器的软件根据这些数据，利用计算机视觉技术，采用一定的软件算法，获得桌面上球的实际位置信息，获得球员击球的状态，白球与其它球的撞击情况，各个球落袋的情况等信息，从而判定球员每一次击球的得分。

以下对本发明的软件算法部分进行详细的说明。

首先，斯诺克台球桌本身的尺寸是标准化的和可以测量的：斯诺克台球桌的台面内部长3569.0mm，宽1778.0mm，球的直径是52.5mm。以下两个尺寸也是可以测量的：桌边缘距台面的高度(通常是40.0mm)，桌边台尼宽度(通常是60.0mm)。

其次，照片的像素是已知的(比如4160*3120像素)，在拍得一副照片之后，可以对照片的数据进行分析(比如利用OpenCV软件)，获得台尼的四个角以及台面上所有球的中心点的位置(它们都是一些像素值)。

本发明软件算法部分所涉及的核心问题是，在获得了上述数据之后，怎样通过这些数据获得这些球在桌面的实际位置。(这里的“实际位置”指的是在台面上的以毫米为单位的位置。)

为解决这个问题，我们定义以下坐标系：

假定相机的拍摄方向与桌面垂直(注意这不是事实，我们将通过一系列变换将桌面移动到它实际所在的位置。)相机所在的位置为原点，拍摄方向为Z轴的负方向，相机向上的方向为Y轴的正方向，依据右手法则建立X轴。同时我们定义以下的视平面：视平面与X-Y平面平行且Z坐标为-1，视平面的高是2，宽是2*VW/VH(VW/VH是照片的宽高比)，Z轴通过视平面的中心。

在该坐标系下定义7个矩阵：

其中T是平移矩阵，它将桌面在其平面上进行平移。Rx，Ry，Rz是旋转矩阵，分别将桌面绕X轴，Y轴，Z轴进行旋转。U1和U2也是平移矩阵，U1将桌面沿Z轴移动depth的距离，U2则作反向的移动，P是透视矩阵。

我们令

M＝T＊U1＊Rx＊Ry＊Rz＊U2＊P

它的效果是，对桌面先做平移变换，然后沿Z轴平移到相机位置，然后分别沿X轴，Y轴，Z轴进行旋转，然后再沿Z轴负方向平移至原来的位置，然后做透视变换。这样，我们就将桌面投影到了视平面上。

设相机的分辨率是VW*VH，(VW和VH分别是成像的宽度和高度像素值，是已知的。)我们继续定义以下3个矩阵：

其中Sp是缩放矩阵，它将视平面放大到VW*VH；Tp是平移矩阵，它将视平面移动到第二象限(即视平面上所有的点的X坐标都是正值，Y坐标都是负值)；Op是翻转矩阵，它将Y轴进行翻转，即将所有的Y坐标都取反。

令

Mr＝Sp*Tp*Op

因此，矩阵Mr的效果就是，将视平面上的所有的点都映射到照片上的位置(以像素为单位)。

在前面，我们已经知道了台尼的4个角的坐标，设它们的值分别是(px1，py1)，(px2，py2)，(px3，py3)，(px4，py4)。

我们对这些坐标统一增加一个维度并设其值为1，则得到4个3维向量：PX1(px1，py1，1)，PX2(px2，py2，1)，PX3(px3，py3，1)，PX4(px4，py4，1)。我们对py4增加一个偏差值factor(它是未知量)，得到新的PX4(px4，py4+factor，1)。

接下来令

P1P＝P1*M

P2P＝P2*M

P3P＝P3*M

P4P＝P4*M

PX1P＝PX1*Mr

PX2P＝PX2*Mr

PX3P＝PX3*Mr

PX4P＝PX4*Mr

接下来得到一个由8个方程组成的方程组：

其中P1P[1]是向量P1P的第一个分量，其它同。

这个方程组中有8个未知量：dx，dy，tx，ty，tz，depth，ta，factor，它是一个非线性方程组，运用非线性方程组的数值解法可以求得这个方程组的解。

在获得了这8个未知量的值之后，接下来是算法的最后一步：怎样根据球在照片中的位置(像素值)求得其在桌面上的真实位置(以毫米为单位的数值)。

设球在照片中的位置是(px，py)(px和py都是像素值，是已知的)。取向量VX＝(px，py，1)。

设该球在桌面上的位置是(x，y)。取向量V＝(x，y，-depth-h，1)，其中depth是已知的，h是球的中心点到台尼的4个角所在平面的距离，也是已知的(它等于桌边缘距台面的高度减去球的半径)，x，y是我们要求的值。

令

VP＝V*M

VXP＝VX/Mr

则可以得到下面的方程组：

其中VP[1]是向量VP的第一个分量，其它同。

解这个方程组，即可以获得上述的x，y的值。至此，问题得到了解决。