本发明涉及基于视觉信息和语言播报技术领域，具体为一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场。
背景技术：
盲人排球是为盲人专门设计的排球活动，通常情况下排球中装有响铃，球飞行时或落地时会发出清脆悦耳的响铃声以便于盲人进行排球运动。然而，仅靠听觉判断排球的位置具有很大的局限性，如球员易受到环境噪声的影响产生误判等。
研究表明，一般人获取的信息80％来自于视觉，因此针对上述问题，提出一种基于视觉信息和语音播报的盲人排球场设计，利用高速摄像机实时获取排球运动轨迹并通过语音播报的形式将视觉信息传递给盲人球员，可有效提高盲人球员的判断能力，增强盲人排球运动的娱乐性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场,包括排球轨迹分析系统，球员定位系统，语音播报系统，所述
排球轨迹分析系统，所述排球轨迹分析系统由安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机组成，fpga控制器根据拍摄的排球图像完成排球在三维空间的轨迹分析和落点位置预测；
球员定位系统，所述球员定位系统由排球场正上方的高速摄像机和定位头盔组成，高速摄像机获取球员所在球场的位置区域，定位头盔中的陀螺仪获取球员的方向；
语音播报系统，所述语音播报系统集成在定位头盔中，向佩戴者实时提供排球轨迹和预计落点位置，并配合定位头盔中的陀螺仪传感器进行语音播报来调整击球方向。
优选的，所述排球场各半区划分为6个区域，3个前场区域和3个后场区域，6名球员处于各自区域内，初始位姿均面向球网，身体与球网平行，排球轨迹分析系统提供排球的预计落点位置，并判断落点位置所处的排球场分区，由球员定位系统识别落点分区内的球员，通过语音播报系统实时提醒相应落点位置区域内的球员做好击球准备。
优选的，所述排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机，fpga控制器和wi-fi芯片，所述排球场正上方的高速摄像机获取排球运动的平面位置信息，所述排球场正侧方的高速摄像机获取排球运动的高度信息，所述的fpga控制器分析摄像机拍摄的多帧排球图片，近似计算出排球三维空间的速度和位移，并估计出排球的预计落点位置，识别落点位置所处的排球场分区，同时fpga控制器将落点位置信息通过wi-fi发送到落点区域球员佩戴的定位头盔中，由定位头盔中的语音播报系统提醒球员做好击球准备。
优选的，所述球员定位系统上的stm32单片机控制器，陀螺仪传感器，wi-fi芯片和语音合成芯片，所述陀螺仪传感器获取球员当前的位置姿态来确保球员始终面向排球，所述wi-fi芯片接收排球轨迹分析系统发送的排球轨迹信息和落点位置信息，所述语音合成芯片将排球和球员的位置姿态信息转换成自然语言播报给球员，所述stm32单片机控制器处理陀螺仪的位置姿态信息并解析，所述wi-fi芯片接收的排球轨迹及落点信息，所述定位头盔还具有保护盲人球员的作用。
优选的，一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其工作流程包括以下步骤：
a、安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机快速拍摄排球图像；
b、fpga控制器处理图像信息，计算排球运动轨迹，并估计落点位置；
c、排球轨迹和落点位置信息通过wi-fi发送给球员，提醒球员做好击球准备；
d、为了减小排球轨迹和落点位置误差，高速摄像机实时拍摄排球图像，不断调整排球轨迹，当落点区域变化时及时通知球员；
e、球员根据定位头盔提供的排球轨迹信息和球员方向信息，不断调整击球方向，同时当排球接近球员时，可通过排球内安装的响铃进一步判断排球的位置；
f、当计算落点区域出界时，语音播报系统提醒球员不做出任何动作；当计算落点区域处于后场时，由落点区域球员垫球，相邻区域球员完成扣球动作，当落点位于前场区域时，前场球员进行拦网动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了两个高速摄像机拍摄盲人排球场中排球的图像，并利用fpga控制器对图像进行处理，分析排球的运动轨迹和估计排球的落点位置区域；
(2)本发明采用了高速摄像机和陀螺仪传感器实现盲人球员的定位；
(3)本发明采用了语音播报的形式，将排球的运动轨迹和球员自身的位置姿态信息传递给盲人球员，弥补了盲人球员视觉信息的缺失；
(4)本发明对排球场进行了合理的划分，避免了球员击球时产生的身体碰撞，同时球员佩戴定位头盔，有效的提高了盲人排球运动的安全性。
附图说明
图1为本发明的盲人排球场主视图；
图2为本发明高速摄像机一，高速摄像机二，排球场地，定位头盔的位置示意图；
图3为本发明盲人排球场分区示意图；
图4为本发明定位头盔硬件结构示意图；
图5为本发明监控系统的工作流程示意图。
图中：1、高速摄像机一；2、高速摄像机二；3、排球场地；4、定位头盔；5、fpga控制器；6、wi-fi芯片；7、stm32单片机控制器；8、陀螺仪传感器；9、语音合成芯片；10、wi-fi芯片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5,本发明提供一种技术方案：一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场,包括排球轨迹分析系统，球员定位系统，语音播报系统。
排球轨迹分析系统由安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机组成，fpga控制器根据拍摄的排球图像完成排球在三维空间的轨迹分析和落点位置预测,将排球场各半区划分为6个区域，3个前场区域和3个后场区域，6名球员处于各自区域内，初始位姿均面向球网，身体与球网平行，排球轨迹分析系统提供排球的预计落点位置，并判断落点位置所处的排球场分区，由球员定位系统识别落点分区内的球员，通过语音播报系统实时提醒相应落点位置区域内的球员做好击球准备。
球员定位系统由排球场正上方的高速摄像机和定位头盔组成，高速摄像机获取球员所在球场的位置区域，定位头盔中的陀螺仪获取球员的方向,排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机，fpga控制器和wi-fi芯片,排球场正上方的高速摄像机获取排球运动的平面位置信息,排球场正侧方的高速摄像机获取排球运动的高度信息,fpga控制器分析摄像机拍摄的多帧排球图片，近似计算出排球三维空间的速度和位移，并估计出排球的预计落点位置，识别落点位置所处的排球场分区，同时fpga控制器将落点位置信息通过wi-fi发送到落点区域球员佩戴的定位头盔中，由定位头盔中的语音播报系统提醒球员做好击球准备。
语音播报系统集成在定位头盔中，向佩戴者实时提供排球轨迹和预计落点位置，并配合定位头盔中的陀螺仪传感器进行语音播报来调整击球方向,球员定位系统上的stm32单片机控制器，陀螺仪传感器，wi-fi芯片和语音合成芯片,陀螺仪传感器获取球员当前的位置姿态来确保球员始终面向排球,wi-fi芯片接收排球轨迹分析系统发送的排球轨迹信息和落点位置信息,语音合成芯片将排球和球员的位置姿态信息转换成自然语言播报给球员,stm32单片机控制器处理陀螺仪的位置姿态信息并解析，定位头盔还具有保护盲人球员的作用。
fpga控制器5进行排球轨迹分析和排球落点位置估计的过程如下：
选取高速摄像机一1和高速摄像机二2连续拍摄的四帧排球图片，第一帧图片为排球飞行过程中的初始位置为(x0,y0,z0)，则排球的飞行方程为
第2帧排球图片中，排球的空间位置为：
第3帧排球图片中，排球的空间位置为：
第4帧排球图片中，排球的空间位置为：
其中xi,yi,zi为排球所在排球场的空间位置信息，dt为每帧图片之间的时间间隔，g为重力加速度。经过透视变换空间位置与图像位置关系为：
x＝x/(1-z/h)
y＝y/(1-z/h)
其中，x，y为图像坐标，h为摄像机距离拍摄点的距离。
考虑x，z平面使用图像坐标表达：
根据上式可以求解出排球的飞行速度，同理选取y，z平面可以计算出。
由求解排球的飞行时间，将飞行时间分解为排球上升时间和排球下落时间，首先求解上升时间，排球上升到最高点处的速度为0：
0＝vz-gtup
此时排球的高度为：
zp＝vz*tup-0.5gtup2 z0
计算排球下落的时间，即z方向飞行距离为zp：
0.5gtdown2＝zp
则排球的飞行时间为上升时间加上下落时间：
te＝tup tdown
由此可以计算出排球平面方向飞行的距离，即可预测排球的落点位置：
xg＝x0 vx*te
yg＝y0 vy*te
球员定位系统由高速摄像机一1和定位头盔4组成，摄像机一1识别球员所在排球场的位置区域，定位头盔识别球员的正面朝向，并根据击球点的不同提醒球员调整击球方向，定位头盔由stm32单片机控制器6，陀螺仪传感器8，语音合成芯片9和wi-fi芯片10组成，wi-fi芯片10接收排球轨迹分析系统发送的排球轨迹和落点位置信息，经stm32单片机控制器6处理后由语音合成芯片将排球信息播报给球员，同时陀螺仪传感器8识别球员的朝向，并通过语音播报提醒球员调整击球方向。
一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其工作流程包括以下步骤：
a、安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机快速拍摄排球图像；
b、fpga控制器处理图像信息，计算排球运动轨迹，并估计落点位置；
c、排球轨迹和落点位置信息通过wi-fi发送给球员，提醒球员做好击球准备；
d、为了减小排球轨迹和落点位置误差，高速摄像机实时拍摄排球图像，不断调整排球轨迹，当落点区域变化时及时通知球员；
e、球员根据定位头盔提供的排球轨迹信息和球员方向信息，不断调整击球方向，同时当排球接近球员时，可通过排球内安装的响铃进一步判断排球的位置；
f、当计算落点区域出界时，语音播报系统提醒球员不做出任何动作；当计算落点区域处于后场时，由落点区域球员垫球，相邻区域球员完成扣球动作，当落点位于前场区域时，前场球员进行拦网动作。
本发明采用了两个高速摄像机拍摄盲人排球场中排球的图像，并利用fpga控制器对图像进行处理，分析排球的运动轨迹和估计排球的落点位置区域，采用了高速摄像机和陀螺仪传感器实现盲人球员的定位，并采用了语音播报的形式，将排球的运动轨迹和球员自身的位置姿态信息传递给盲人球员，弥补了盲人球员视觉信息的缺失，本发明对排球场进行了合理的划分，避免了球员击球时产生的身体碰撞，同时球员佩戴定位头盔，有效的提高了盲人排球运动的安全性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场,包括排球轨迹分析系统，球员定位系统，语音播报系统，其特征在于：所述
排球轨迹分析系统，所述排球轨迹分析系统由安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机组成，fpga控制器根据拍摄的排球图像完成排球在三维空间的轨迹分析和落点位置预测；
球员定位系统，所述球员定位系统由排球场正上方的高速摄像机和定位头盔组成，高速摄像机获取球员所在球场的位置区域，定位头盔中的陀螺仪获取球员的方向；
语音播报系统，所述语音播报系统集成在定位头盔中，向佩戴者实时提供排球轨迹和预计落点位置，并配合定位头盔中的陀螺仪传感器进行语音播报来调整击球方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其特征在于：所述排球场各半区划分为6个区域，3个前场区域和3个后场区域，6名球员处于各自区域内，初始位姿均面向球网，身体与球网平行，排球轨迹分析系统提供排球的预计落点位置，并判断落点位置所处的排球场分区，由球员定位系统识别落点分区内的球员，通过语音播报系统实时提醒相应落点位置区域内的球员做好击球准备。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其特征在于：所述排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机，fpga控制器和wi-fi芯片，所述排球场正上方的高速摄像机获取排球运动的平面位置信息，所述排球场正侧方的高速摄像机获取排球运动的高度信息，所述的fpga控制器分析摄像机拍摄的多帧排球图片，近似计算出排球三维空间的速度和位移，并估计出排球的预计落点位置，识别落点位置所处的排球场分区，同时fpga控制器将落点位置信息通过wi-fi发送到落点区域球员佩戴的定位头盔中，由定位头盔中的语音播报系统提醒球员做好击球准备。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其特征在于：所述球员定位系统上的stm32单片机控制器，陀螺仪传感器，wi-fi芯片和语音合成芯片，所述陀螺仪传感器获取球员当前的位置姿态来确保球员始终面向排球，所述wi-fi芯片接收排球轨迹分析系统发送的排球轨迹信息和落点位置信息，所述语音合成芯片将排球和球员的位置姿态信息转换成自然语言播报给球员，所述stm32单片机控制器处理陀螺仪的位置姿态信息并解析，所述wi-fi芯片接收的排球轨迹及落点信息，所述定位头盔还具有保护盲人球员的作用。
5.实现权利要求1所述的一种基于视觉信息智能识别与定位的盲人排球场，其工作流程包括以下步骤：
a、安装在排球场正上方和正侧方的两个高速摄像机快速拍摄排球图像；
b、fpga控制器处理图像信息，计算排球运动轨迹，并估计落点位置；
c、排球轨迹和落点位置信息通过wi-fi发送给球员，提醒球员做好击球准备；
d、为了减小排球轨迹和落点位置误差，高速摄像机实时拍摄排球图像，不断调整排球轨迹，当落点区域变化时及时通知球员；
e、球员根据定位头盔提供的排球轨迹信息和球员方向信息，不断调整击球方向，同时当排球接近球员时，可通过排球内安装的响铃进一步判断排球的位置；
f、当计算落点区域出界时，语音播报系统提醒球员不做出任何动作；当计算落点区域处于后场时，由落点区域球员垫球，相邻区域球员完成扣球动作，当落点位于前场区域时，前场球员进行拦网动作。
技术总结