本發(fā)明涉及一種高爾夫模擬器的技術(shù)領域，尤其涉及一種高爾夫擊打觸發(fā)器及其感測方法。

背景技術(shù)：

視覺擊打觸發(fā)器可以連續(xù)感測場景以及環(huán)境圖像，每一幅圖像都蘊含著大量的信息，其中既包含有效信息，也包含大量的無用信息。而那些感興趣的有效信息，可以通過單幅或者多幅圖像的分析、提取、比對等方式獲得。

目前已知的運動物體擊打觸發(fā)器，特別是高爾夫的視覺擊打觸發(fā)器，需要借助多個攝像頭或者結(jié)合其他傳感器進行感測，其對環(huán)境有較高要求(如特定的光照條件、球不可遮擋、場景內(nèi)不可有多個目標球等)。在高爾夫擊打觸發(fā)設計上，通常采用紅外傳感器或聲納傳感器完成，當球越過紅外線，或擊打產(chǎn)生的聲音被這類傳感器接受到，經(jīng)過一定的處理判斷，實現(xiàn)觸發(fā)。

此外，對于用于視覺感測的攝像頭普遍有較高的要求，一般地，需要配備全局快門，具備高速運動物體拍攝能力，超過400fps的幀率，特殊的焦距，高解析度和高分辨率等。

高爾夫模擬器是利用計算機圖形圖像處理技術(shù)將國際標準高爾夫球場資料裝入系統(tǒng)靜態(tài)存儲器中。當系統(tǒng)運行時，計算機便自動將該球場資料輸入系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)存儲器，并通過超大屏幕投影機將球場景觀逼真地投射到打球者前面的耐撞擊屏幕上，高爾夫模擬器使打球者有一種身臨球場的感受，高爾夫模擬器是仿真室外高爾夫而做的一項室內(nèi)高爾夫運動。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種僅使用普通民用攝像頭的普遍適用性的高爾夫擊打觸發(fā)器及其感測方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用圖像處理算法、提高觸發(fā)相應速度的高爾夫擊打觸發(fā)器及其感測方法。

本發(fā)明提供一種高爾夫擊打觸發(fā)器，用于高爾夫模擬裝置，其包括：對使用者使用高爾夫球桿狀態(tài)進行拍攝的一攝像頭、以及與該攝像頭連接且用于處理攝像頭所獲取的圖像的圖像處理裝置；其中，所示圖像處理裝置包括：處理由所述攝像頭獲取圖像并標記該圖像的預處理模塊、檢測高爾夫球的運動狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)的準備擊打狀態(tài)模塊、以及記錄擊打高爾夫球的有效幀圖像的后處理模塊。

本發(fā)明又提供一種高爾夫擊打觸發(fā)器的感測方法，包括如下步驟：

步驟S1：獲取使用者準備使用高爾夫球桿擊打高爾夫球狀態(tài)的圖像、并處理和標記該圖像；

步驟S2：識別圖像中的高爾夫球、檢測高爾夫球的運動狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)。

步驟S3：讀取圖像隊列里擊打高爾夫球的有效幀圖像和建立相應的時間軸，并按時間軸順序保存有效幀圖像。

本發(fā)明不借助其他傳感器的輔助，只使用普通民用攝像頭，為一種具備普遍適用性的高爾夫擊打觸發(fā)器，單目實現(xiàn)高爾夫擊打觸發(fā)器的設計；本高爾夫擊打觸發(fā)器利用圖像處理算法，提高觸發(fā)響應速度，同時提高圖像處理技術(shù)對多種環(huán)境因素的抗性。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實施例的高爾夫模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為圖1所示高爾夫模擬裝置的擊打觸發(fā)器的組成示意圖；

圖3所示為圖2所示擊打觸發(fā)器的觸發(fā)方法的過程示意圖；

圖4為圖3所示觸發(fā)方法的步驟S1的過程示意圖；

圖5為圖3所示觸發(fā)方法的步驟S2的過程示意圖；

圖6為圖3所示觸發(fā)方法的步驟S3的過程示意圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。在以下詳細的描述中，列出了許多具體的細節(jié)，以提供對權(quán)利要求所保護的主題的透徹理解。但是，本技術(shù)領域的人員將會理解，權(quán)利要求所要求保護的主題可以被實施，而不需要這些具體的細節(jié)。另外，顯而易見地，下面描述僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些實施例獲得其他的實施例。另外，被普通技術(shù)人員熟知的方法、設備或系統(tǒng)沒有被詳細描述，以避免使得權(quán)利要求所保護的主體變得不明顯。

本發(fā)明揭示一種用于高爾夫擊打觸發(fā)器，請參閱圖1所示為高爾夫模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中高爾夫模擬裝置100應用在屏幕高爾夫系統(tǒng)上、用于感測使用者1使用高爾夫球桿2的模擬裝置。該高爾夫模擬裝置100包括用于感測使用者1使用高爾夫球桿2狀態(tài)的擊打觸發(fā)器。

在本實施中，擊打觸發(fā)器包括對使用者1使用高爾夫球桿2狀態(tài)進行拍攝的一攝像頭3、以及與該攝像頭3連接且用于處理攝像頭3所獲取的圖像的圖像處理裝置4。

其中，攝像頭3為普通的民用攝像頭，其不具備圖像優(yōu)化與高解析高分辨要求、且無全局快門攝像能力；攝像頭3的幀率滿足一般的20-80fps，其曝光率可調(diào)；攝像頭3拍攝出來的影像為單目視覺圖像(單目視覺是指僅利用一臺攝像機完成定位工作)；攝像頭3拍攝的圖像為低曝光度(低曝光度是指通過調(diào)整鏡頭快門速度，以及鏡頭光圈大小，降低鏡頭進光量，得到的較為昏暗的圖像)。

本擊打觸發(fā)器經(jīng)過光照與陰影的抗性設計，當遮擋或高爾夫球遮擋時，攝像頭3無法獲取圖像，本擊打觸發(fā)器具備多干擾抗性能。

本擊打觸發(fā)器經(jīng)過光照與陰影的抗性設計、基于梯度特征訓練的識別方法、以及過程中特征集的更新與學習，同時還包括圖像的軟件預處理(如:軟件補光、濾波、形態(tài)學處理、去噪)。高爾夫球遮擋、非擊打移動抗性，以及高爾夫球擊打準備的快速恢復，采用圖5所示方法快讀提取的高爾夫球物理信息進行處理。

本發(fā)明通過攝像頭3實現(xiàn)高爾夫擊打觸發(fā)的目的；本發(fā)明利用圖像處理裝置的圖像處理算法，提高觸發(fā)響應速度，同時提高擊打觸發(fā)器對多種環(huán)境因素的抗性。

請參閱圖2所示，在本實施例中，圖像處理裝置4讀取由攝像頭3所獲取的圖像進行預處理、變成可以被進一步有效信息提取的可用圖像。該圖像處理裝置4包括：處理由攝像頭3獲取圖像并標記該圖像的預處理模塊41、檢測高爾夫球的運動狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)的準備擊打狀態(tài)模塊42、以及記錄擊打高爾夫球的有效幀圖像的后處理模塊43。

預處理模塊41提取高爾夫球的物理信息包括：高爾夫球的大小、紋理、輪廓、位置等，利用提取到的高爾夫球物理信息進行實時判斷使用者1目前在推桿過程中的狀態(tài)。

該預處理模塊41包括：對攝影頭3獲取圖像進行處理的圖像補光單元411、對由該圖像補光單元處理的圖像進行濾波處理的圖像濾波單元412、以及對由該圖形濾波單元412進行處理和標記的形態(tài)學處理及聚類單元413。

圖像補光單元411：根據(jù)局部光照條件，進行圖像亮度的補償。圖像濾波單元412：主要分為環(huán)境噪點的濾波、以及亮度噪點的濾波，去除圖像的雜質(zhì)同時對反光的高亮區(qū)域進行處理。形態(tài)學處理及聚類單元413：用于將圖像中各個物體分割開，并聚類用不同的符號標記。

準備擊打狀態(tài)模塊42包括：檢測圖像是否有高爾夫球的背景分離單元421、對高爾夫球的物理狀態(tài)分析的識別器422、以及檢測高爾夫球的運動狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)的檢測單元423。

背景分離單元421：使用背景差、分離前景物體，根據(jù)形態(tài)學處理及聚類單元413的結(jié)果記錄，具體利用混合背景模型的構(gòu)建，有效的檢測出所有前景，即檢測圖像中的高爾夫球。通過背景分離單元421，剔除了擊打觸發(fā)器無效信息并縮小可能有效信息區(qū)域，大大提高了運算的效率。識別器421：訓練利用紋理梯度、輪廓、像素密度，識別各個前景物體，尋找高爾夫球，再利用形狀特性，定位球的位置。檢測單元423：根據(jù)球所在的不同位置，判斷球所處的運動狀態(tài)，并利用檢測到的高爾夫球的不同運動狀態(tài)判斷擊打觸發(fā)與否。

擊打觸發(fā)后進入后處理模塊43，該后處理模塊43包括：提取高爾夫球擊打狀態(tài)的有效幀圖像的幀選取單元431、以及制定每個幀圖像時間軸的時間軸設定單元432。

其中，單幀圖像就是指一幅靜止的畫面。幀——就是影像動畫中最小單位的單幅影像畫面，相當于電影膠片上的每一格鏡頭。單幀就是一幅靜止的畫面，連續(xù)的幀就形成動畫，如電視圖象等。

幀選取單元431：選取有效幀，攝像頭3感測的圖像以環(huán)形隊列形式連續(xù)地、循環(huán)地保存在緩存中。當擊打觸發(fā)后，由于擊打觸發(fā)幀的的有效性，以此為原點，用向前回溯以及向后延伸的方式提取有效幀。時間軸設定單元432：為每一幀圖像制作時間軸，以便其他信息的計算，同時根據(jù)環(huán)形隊列的性質(zhì)，結(jié)合對應的時間軸，將有效幀按時間順序保存下來。

本高爾夫模擬裝置的擊打觸發(fā)器基于高爾夫球物理信息的擊打狀態(tài)判斷，根據(jù)實時的擊打觸發(fā)球和對有效運動幀圖像的選擇和儲存，并根據(jù)魯棒的背景模型構(gòu)建與學習，構(gòu)建高爾夫模擬裝置。

本發(fā)明還揭示一種用于高爾夫模擬裝置的感測方法，請參閱圖3所示，本感測方法包括如下步驟：

步驟S1：采用預處理模塊41，獲取使用者準備使用高爾夫球桿擊打高爾夫球狀態(tài)的圖像、并處理和標記該圖像。

步驟S2：采用準備擊打狀態(tài)模塊42，識別圖像中的高爾夫球、檢測高爾夫球的運動狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)。

步驟S3：采用后處理模塊43，讀取圖像隊列里擊打高爾夫球的有效幀圖像和建立相應的時間軸，并按時間軸順序保存有效幀圖像。

本發(fā)明結(jié)合背景模型與高爾夫球物理信息的快速觸發(fā)判斷。采用圖5所示方法提高對多干擾的抗性，利用連續(xù)幀以及背景模型，在一定的比對規(guī)則下快速縮小并提取興趣區(qū)域，再利用高爾夫球物理信息檢測觸發(fā)。

請參閱圖4所示為預處理模塊的感測方法步驟圖，也即上述步驟S1的具體步驟，預處理模塊41的補光單元411對攝像頭3獲取的圖像具有如下處理步驟：

步驟A1：讀入由攝像頭3獲取使用者1準備使用高爾夫球桿2擊打高爾夫球狀態(tài)的低曝光度圖像。

步驟A2：低曝光度圖像由紅綠藍三通道的數(shù)據(jù)形成空間轉(zhuǎn)換為灰度圖像表示(具體為0-255的灰度形成的單通道值進行表示)。

步驟A3：統(tǒng)計灰度圖像的直方圖，根據(jù)直方圖特征將圖像像素進行壓縮，減少反光干擾。

步驟A4：根據(jù)像素概率局部峰值的分布，判斷圖像可用性，對可用圖像進行局部補光。

其中，局部補光采用小區(qū)域統(tǒng)計的自適應閾值進行，目的是似的圖像亮度分布均勻、柔和。

步驟A5：經(jīng)過補光處理后的圖像，如果確定可用，繼續(xù)下一步；如果確定不可用，重復上述步驟A1至A4的步驟，直至確定可用為止。

步驟A6：根據(jù)灰度圖像的上下限，進行圖像像素的展寬，提高圖像的對比度。

上述處理后，原本低曝光度圖像變成一幅亮度均勻、對比度高、可視性好的圖像。

在對低曝光度圖像處理的的過程中，低曝光圖像的噪音等雜質(zhì)也被放大，預處理模塊41的圖像濾波單元412對由補光單元411處理后的圖像進行濾波去噪處理。

圖像濾波單元412先采用中值濾波在最大限度的保留邊緣以及紋理信息的情況下去除椒鹽噪點，再采用高斯濾波平滑整體圖像的像素值。聚類之前，再通過形態(tài)學處理及聚類單元412的形態(tài)學濾波，去除無意義的類噪點。最終經(jīng)過形態(tài)學處理及聚類單元412的聚類單元，得到一幅較純凈且平滑的高清晰圖像，并較完整的標記出不同的物體圖像。

經(jīng)過該預處理模塊41處理得到據(jù)標記的高清晰圖像、并將該圖像輸入至準備擊打狀態(tài)模塊42。

請參閱圖5所示為準備擊打狀態(tài)模塊的感測方法步驟圖，圖5示意了從系統(tǒng)初始化狀態(tài)、到準備狀態(tài)，再到觸發(fā)狀態(tài)的檢測過程。

準備擊打狀態(tài)模塊42包括如下步驟：

步驟B1：讀取一張經(jīng)過預處理圖像的初始狀態(tài)。

步驟B2：先采用背景分離單元421，再采用識別器422，檢測到圖像中是否有高爾夫球，如果有，進入下一步準備狀態(tài)；如果沒有，繼續(xù)步驟B1的讀取圖像。

采用預先用高爾夫球紋理、梯度、像素密度特征訓練好的識別器422，進行高爾夫球的識別，再利用形狀信息計算高爾夫球的位置、大小等物理信息。當在上述的特定區(qū)域檢測到的高爾夫球的物理信息滿足可擊打條件，則系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。

步驟B3：準備擊打高爾夫球的準備狀態(tài)，準備狀態(tài)內(nèi)學習并更新背景模型，以便后續(xù)高爾夫球運動信息的檢測。

步驟B4：在準備狀態(tài)內(nèi)，采用檢測單元423持續(xù)檢測高爾夫球的運動狀態(tài)，并結(jié)合高爾夫球物理的位置信息。

如果高爾夫球不是運動狀態(tài)，則回到步驟B3；如果高爾夫球處于運動狀態(tài)，繼續(xù)進入下一步。

步驟B5：當高爾夫球位置產(chǎn)生變化時，判斷高爾夫球的運動狀態(tài)，是否由于干擾、遮擋、光照變化等環(huán)境因素造成誤判，如果不是，則進入步驟B6或步驟B7；如果是，回到步驟B3。

步驟B6：是否滿足瞬發(fā)條件，如果是，則進入步驟B8；如果不是，則進入步驟B7。

為提高擊打觸發(fā)的體驗和實用性，擊打觸發(fā)器引入瞬發(fā)機制。瞬發(fā)機制是在準備狀態(tài)與觸發(fā)狀態(tài)切換時進行判斷的。若高爾夫球在遮擋或者其他環(huán)境原因，無法被攝像頭3捕獲時，當高爾夫球再次出現(xiàn)，且高爾夫球的物理位置與之前狀態(tài)球的物理位置滿足特定關(guān)系時，擊打觸發(fā)器忽略之前環(huán)境的干擾，直接完成擊打狀態(tài)的切換，觸發(fā)計數(shù)加一。

這么做的目的是為了解決揮桿瞬間環(huán)境總是存在干擾的問題，由于桿的運動、人的陰影、手或桿對球的遮擋等情況，揮桿瞬間總是比一般時候存在更大的干擾，為保證觸發(fā)的響應速度，采用瞬發(fā)裝置，在干擾下依然實現(xiàn)觸發(fā)的準確判斷。

步驟B7：持續(xù)判斷一段時間的高爾夫球運動狀態(tài)，若其運動狀態(tài)一直滿足觸發(fā)條件，觸發(fā)計數(shù)大于閾值后，擊打觸發(fā)器進入觸發(fā)狀態(tài)。

步驟B8：檢測高爾夫球的觸發(fā)狀態(tài)，即：檢測使用者1使用高爾夫球桿2對高爾夫球進行觸發(fā)打擊。

請參閱圖6所示為后處理模塊43的感測方法步驟圖，即：上述步驟S3的具體步驟，高爾夫球擊打觸發(fā)之后的后處理過程43。

后處理模塊43包括如下步驟：

步驟C1：觸發(fā)響應之后，先停止環(huán)形隊列的讀寫操作，即不再將攝像頭感測到的數(shù)據(jù)寫入緩存，這樣確保了有效幀能正確的保留在圖像隊列中；再采用幀選取單元431，從圖像隊列里讀取擊打高爾夫球的有效幀圖像。

步驟C2：采用時間軸設定單元432，將隊列里每一幀的截取時間記錄下來，保存對應的時間軸。

步驟C3：以觸發(fā)幀為原點，在緩存的圖像隊列里，按一定的范圍的有效圖像幀保存下來。

由于觸發(fā)幀一定是有效幀，且一般為擊打的第2幀，擊打觸發(fā)器利用這個規(guī)則可以大大的減小用于保存圖像的隊列長度以及有效幀搜索范圍。這樣提高了運算的效率。

采用回溯的方式，避免有效幀的丟失。利用擊打觸發(fā)幀的有效性，以此作為提取原點，回溯以及延伸提取一定數(shù)量幀。其中，由于觸發(fā)幀必定包含高爾夫球球信息，換言之觸發(fā)幀必定是有效的，以此幀作為起點向前、向后提取的幀，必定與有效幀存在子集關(guān)系，此設計方法，大大減少內(nèi)存占用量以及運算時間，提高觸發(fā)的實時性。

步驟C4：當觸發(fā)以及有效幀都保存完成之后，擊打觸發(fā)器根據(jù)之前記錄的圖像截取時間，建立相應時間的時間軸，并按照時間軸由小到大的順序?qū)⒂行瑘D像按截取順序保存下來。

整個擊打觸發(fā)器的設計以及觸發(fā)流程也就完成了。

本發(fā)明還揭示一種高爾夫模擬裝置，其包括上述擊打觸發(fā)器。

本發(fā)明不借助其他傳感器的輔助，只使用普通民用攝像頭，為一種具備普遍適用性的高爾夫擊打觸發(fā)器，單目實現(xiàn)高爾夫擊打觸發(fā)器的設計；本高爾夫擊打觸發(fā)器利用圖像處理算法，提高觸發(fā)響應速度，同時提高圖像處理技術(shù)對多種環(huán)境因素的抗性。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細說明，但內(nèi)容僅為本發(fā)明創(chuàng)造的典型實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明創(chuàng)造的實施范圍。凡依本發(fā)明創(chuàng)造申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。