基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，屬于計算機(jī)視 覺、圖像處理和模式識別領(lǐng)域，適用于圖像檢索、視頻摘要等方面。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今體育運(yùn)動種類繁多，互聯(lián)網(wǎng)上關(guān)于運(yùn)動方面的圖片和視頻不計其數(shù)。大量的 圖片使圖片檢索變得困難，這體現(xiàn)在Google、百度等圖片檢索引擎目前還不能夠準(zhǔn)確地檢 索出真實的圖片。例如，當(dāng)用戶輸入"籃球場"時，搜索結(jié)果除了包括真實的籃球場圖像外， 還含有籃球場的尺寸圖以及其他與籃球場完全不相關(guān)的圖片。這是由于傳統(tǒng)的圖片檢索是 基于文本的檢索，即通過圖片的名字、文字信息和索引關(guān)系來實現(xiàn)查詢功能，需要對每一張 圖片進(jìn)行人工標(biāo)注，不僅耗費大量的人力，且存在主觀性，可能造成理解差異。
[0003] 為了解決上述問題，研宄人員提出了多種方法以實現(xiàn)基于內(nèi)容的圖片檢索 (content-based image retrieval)。目前的主流算法以感興趣點的檢測與匹配為基礎(chǔ)，側(cè) 重于紋理豐富的自然場景物體，對于體育運(yùn)動場地這類幾何結(jié)構(gòu)清晰但紋理簡單的物體并 不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種魯棒、快速的平面單應(yīng)驗證方法以判斷體育場地標(biāo)準(zhǔn)圖 和真實圖像之間平面匹配的正確性，從而完成物體檢測。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn) 動場地快速檢測方法，其特征在于，步驟為：
[0006] 第一步、獲得某種運(yùn)動場地的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖，記錄該標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上由2條水平直線 和2條豎直線所圍成的矩形的所有組合；
[0007] 第二步、獲得運(yùn)動場地的實際拍攝圖像，提取出實際拍攝圖像的所有直線線段，從 所有直線線段中任意提取4條進(jìn)行組合圍成四邊形并遍歷所有直線線段，從而得到多組四 邊形的組合；
[0008] 第三步、排除明顯錯誤的四邊形的組合，若任意一組四邊形的組合至少滿足以下 兩個條件之一，則該組四邊形的組合為明顯錯誤的四邊形的組合：條件一、該組四邊形的頂 點不在實際拍攝圖像上；條件二、在該組四邊形假設(shè)相交點的鄰域范圍內(nèi)不存在真實的角 占.
[0009] 第四步、計算每組四邊形的組合與第一步得到的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上每個矩形的投影對 應(yīng)關(guān)系，該投影對應(yīng)關(guān)系表示為標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上當(dāng)前矩形與當(dāng)前四邊形的組合之間計算的附 帶未知矩形長寬比參數(shù)的單應(yīng)矩陣，再排除不合理的矩形長寬比參數(shù)所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣， 得到可能正確的單應(yīng)矩陣；
[0010] 第五步、利用第四步得到的可能正確的單應(yīng)矩陣，將第一步中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖中除 矩形外的其他基元投影到第二步獲得的實際拍攝圖像上，若能與實際拍攝圖像上對應(yīng)的基 元重合，則實際拍攝圖像的運(yùn)動場地類型與第一步中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖的運(yùn)動場地類型相同， 若不能與實際拍攝圖像上對應(yīng)的基元重合，則實際拍攝圖像的運(yùn)動場地類型與第一步中的 標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖的運(yùn)動場地類型不同。
[0011] 優(yōu)選地，在所述第一步中，所述矩形表示為加入未知縮放變換的正方形。
[0012] 優(yōu)選地，在所述第四步中，利用攝像機(jī)中心的長方體邊界約束對單應(yīng)矩陣中大量 未知矩形長寬比參數(shù)形成反向約束，從而判斷其合理性。
[0013] 本發(fā)明提出了一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地檢測方法，通過檢測圖像上 的直線幾何基元（簡稱線元），與體育運(yùn)動場地線元進(jìn)行對應(yīng)，計算出圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖之間的 二維射影變換，也稱平面單應(yīng)（2D homography)。具體實施中使用"攝像機(jī)中心的長方體邊 界約束"等原理來快速判斷單應(yīng)的正確性，從而得到正確的線元匹配結(jié)果，實現(xiàn)各類運(yùn)動場 地的智能檢測。
[0014] 基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法是一種基于幾何框架的圖像檢 索。它通過匹配運(yùn)動場地的線元特征并計算單應(yīng)映射關(guān)系，來驗證圖像中的線元特征是否 由體育運(yùn)動的場地線投影而來，使計算機(jī)完成圖片的自動檢索，節(jié)省大量人力。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不再使用人工標(biāo)注的方法來實現(xiàn)圖片搜索，能避免準(zhǔn)確 性低，人工描述工作量大的問題。基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地檢測方法可以使計算 機(jī)非?？焖贉?zhǔn)確和智能地檢測和識別物體，且不受拍攝角度、光照、遮擋等因素的影響。特 別地，本發(fā)明提出的運(yùn)用"攝像機(jī)中心的長方體邊界約束"原理來直接排除大量未知尺寸長 方形的對應(yīng)可以快速地篩去大量錯誤的對應(yīng)，極大地提高了程序的運(yùn)行效率，使得本發(fā)明 的方法具有可行性和實用性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為單應(yīng)決定的中心圓和攝像機(jī)中心的長方體邊界；
[0017] 圖2為基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法的流程圖；
[0018] 圖3為單應(yīng)決定的中心線與圖像中心處正方形相交示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0020] 本實施例以用MATLAB處理一幅NBA籃球比賽視頻截圖為例，具體說明本發(fā)明提供 的一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，其步驟為：
[0021] 步驟1、已知NBA籃球場的標(biāo)準(zhǔn)圖以及標(biāo)準(zhǔn)圖上主要的線段，記為Ii, i = 1，2，···， 11，其中5條水平線段，6條豎直線段。在標(biāo)準(zhǔn)圖上建立坐標(biāo)系，記錄每條線段的位置。
[0022] 步驟2、讀入一幅籃球場的圖像，記為img。首先將img轉(zhuǎn)化為灰度圖像，接著用 Canny邊緣檢測算子處理灰度圖像，提取得到二值的邊緣圖edge_img。再使用霍夫變換算 法提取邊緣圖edge_img上的線段，對提取出來的η條線段按1-n的次序進(jìn)行編號。把這η 條線段記為lj_img，j = 1，2，…，η。
[0023] 步驟3、將img上的所有直線挑選四條進(jìn)行組合，共有C=種組合來構(gòu)成四邊形。將 標(biāo)準(zhǔn)圖上的水平線段和豎直線段分別挑兩條進(jìn)行四條線的組合，共有Cf XC62 =150種組合 構(gòu)成矩形；對于img上四邊形的每一種組合，遍歷標(biāo)準(zhǔn)圖上的所有構(gòu)成矩形的四條線組合 來確定對應(yīng)關(guān)系；再考慮順時針排序帶來的四重歧義性，因此滿足計算單應(yīng)矩陣H用的4條 直線間的對應(yīng)可能性的總數(shù)目為C52 XC62 X4 = 600xCn4。
[0024] 接下來論述我們?nèi)绾位喬幚磉@些對應(yīng)可能性的細(xì)節(jié)步驟。
[0025] 步驟4、首先，刪除img上對應(yīng)明顯錯誤的四邊形。合理的四邊形圖像應(yīng)滿足：
[0026] (I) img上的2條直線不能重合；
[0027] (2) img上4條直線圍成的四邊形的頂點在圖像內(nèi)；
[0028] (3) img上4條直線圍成的四邊形為凸多邊形；
[0029] (4)在假設(shè)相交點的領(lǐng)域范圍內(nèi)存在真實的角點。
[0030] 正確對應(yīng)^與I ^img應(yīng)滿足單應(yīng)性，如下式所示：
[0031] lj_img = H-tXI1 (1)
[0032] 由于1占 I j_img已知，根據(jù)公式⑴便可算出單應(yīng)矩陣Η。
[0033] 步驟5、對一個合理的四邊形，首先計算由標(biāo)準(zhǔn)正方形投影成此四邊形的單應(yīng)Η_ sq，它與正確對應(yīng)的長方形所形成的單應(yīng)投影關(guān)系如下所示：
[0034] H_sq = HXS (2)
[0035] 其中S是含有未知長寬比參數(shù)τ的3X3矩陣：
【主權(quán)項】
1. 一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，其特征在于，步驟為： 第一步、獲得某種運(yùn)動場地的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖，記錄該標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上由2條水平直線和2條 豎直線所圍成的矩形的所有組合； 第二步、獲得運(yùn)動場地的實際拍攝圖像，提取出實際拍攝圖像的所有直線線段，從所有 直線線段中任意提取4條進(jìn)行組合圍成四邊形并遍歷所有直線線段，從而得到多組四邊形 的組合； 第=步、排除明顯錯誤的四邊形的組合，若任意一組四邊形的組合至少滿足W下兩個 條件之一，則該組四邊形的組合為明顯錯誤的四邊形的組合；條件一、該組四邊形的頂點不 在實際拍攝圖像上；條件二、在該組四邊形假設(shè)相交點的鄰域范圍內(nèi)不存在真實的角點； 第四步、計算每組四邊形的組合與第一步得到的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上每個矩形的投影對應(yīng)關(guān) 系，該投影對應(yīng)關(guān)系表示為標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上當(dāng)前矩形與當(dāng)前四邊形的組合之間計算的附帶未 知矩形長寬比參數(shù)的單應(yīng)矩陣，再排除不合理的矩形長寬比參數(shù)所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣，得到 可能正確的單應(yīng)矩陣； 第五步、利用第四步得到的可能正確的單應(yīng)矩陣，將第一步中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖中除矩形 外的其他基元投影到第二步獲得的實際拍攝圖像上，若能與實際拍攝圖像上對應(yīng)的基元重 合，則實際拍攝圖像的運(yùn)動場地類型與第一步中的標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖的運(yùn)動場地類型相同，若不 能與實際拍攝圖像上對應(yīng)的基元重合，則實際拍攝圖像的運(yùn)動場地類型與第一步中的標(biāo)準(zhǔn) 尺寸圖的運(yùn)動場地類型不同。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，其特征 在于，在所述第一步中，所述矩形表示為加入未知縮放變換的正方形。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，其特征 在于，在所述第四步中，利用攝像機(jī)中屯、的長方體邊界約束對單應(yīng)矩陣中大量未知矩形長 寬比參數(shù)形成反向約束，從而判斷其合理性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于圖像線元對應(yīng)的體育運(yùn)動場地快速檢測方法，其步驟為：統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)尺寸圖上所有矩形的位置和尺寸信息。讀入一幅運(yùn)動場地圖像后，在提取的圖像線元選取四條圍成四邊形并遍歷所有情況，判斷是否是標(biāo)準(zhǔn)圖上某個矩形的可能投影；刪除明顯不正確的組合；對于圖像上剩余的每一組線元圍成四邊形的組合，認(rèn)為其可能是標(biāo)準(zhǔn)圖上一個未知尺寸矩形通過單應(yīng)矩陣投影產(chǎn)生的。由此推導(dǎo)出統(tǒng)一的未知尺寸矩形的單應(yīng)表達(dá)形式，快速排除所有不合理的矩形對應(yīng)可能性。最后利用場地尺寸圖中其它線、圓等基元在圖像上的投影來輔助判斷單應(yīng)的正確性，最終得到唯一正確的單應(yīng)，實現(xiàn)運(yùn)動場地的智能檢測。
【IPC分類】G06F17-30, G06T7-40
【公開號】CN104680560
【申請?zhí)枴緾N201510090729
【發(fā)明人】王佳純, 蔡棽, 雷微, 郭娟
【申請人】東華大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月28日