本发明为投影式台球击球智能辅助系统和方法。系统包括图像采集设备、投影设备、电脑，图像采集设备的信号输出端接至电脑的输入端，投影设备的输入端接电脑的输出端并由电脑控制，还设有中空台球照明灯和红外线补光灯。方法包括在电脑中建立台球环境模型；当台球静止时，捕捉台球桌上台球的图像，得到台球的坐标；当用户俯身用台球杆瞄准母球时，实时捕捉台球杆两个端点的坐标和击打方向，以台球杆杆头指向的第一个球作为母球；根据台球的坐标，结合预设的台球杆击打力度、击打点和台球杆水平方向夹角计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹；将母球和其他球即将运行的轨迹投影到台球桌上。本发明当用户在使用台球杆瞄准时，在台球桌上能实时投画出瞄准线和台球的运行轨迹来辅助用户击打，方便、直观。
1.一种投影式台球击球智能辅助系统，包括图像采集设备(7)、投影设备(6)、电脑(3)，图像采集设备(7)的信号输出端接至电脑(3)的输入端，投影设备(6)的输入端接电脑(3)的输出端并由电脑(3)控制，其特征在于，还设有中空台球照明灯(4)和红外线补光灯(5)；
所述图像采集设备(7)的镜头加入可见光滤片，头端部对准中空台球照明灯(4)的中空部分的中心并且不低于中空台球照明灯(4)下端，用于捕捉台球桌(8)、台球(9)和台球杆(10)的图像信息；
所述红外线补光灯(5)固定在中空台球照明灯(4)上，并且其照明端与中空台球照明灯(4)下端持平，用于对台球桌(8)进行红外线照明，滤除进入所述图像采集设备(7)中的可见光；
所述电脑(3)用于获取所述图像采集设备(7)在红外线补光灯(5)照射下捕捉的图像信息，根据台球坐标、台球杆两个端点坐标、击打方向、击打力度、击打点和出杆角度，在已知上述部分参数的情况下得到台球即将运行的轨迹信息，并将台球的轨迹信息通过所述投影设备(6)以图像的形式投射到台球桌(8)的对应位置上；
所述中空台球照明灯(4)悬挂于台球桌(8)上方，使图像采集设备(7)正对台球桌(8)中部。
2.根据权利要求1所述的投影式台球击球智能辅助系统，其特征在于，所述图像采集设备(7)通过图像采集设备吊架(2)固定。
3.根据权利要求1所述的投影式台球击球智能辅助系统，其特征在于，所述投影设备(6)和电脑(3)一同安装在投影吊架(1)的底端并吊挂于中空台球照明灯(4)的旁侧。
4.根据权利要求1所述的投影式台球击球智能辅助系统，其特征在于，所述电脑(3)具体用于：根据所述图像采集设备(7)捕捉的图像信息得到台球(9)的坐标、台球杆(10)坐标和击打方向；然后，根据台球(9)的坐标，台球杆击打力度、击打点和台球杆水平方向夹角的默认数据计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹；和/或，以用户指定台球桌上没有球的位置作为母球即将运行轨迹的终点，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和母球即将运行轨迹的终点坐标，计算出使母球到达指定终点的击打力度、击打点、出杆角度；和/或，以用户指定台球桌上的某一颗台球作为下一次叫位击打的目标球，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和下一次叫位击打的目标球坐标，计算出使母球运行到能击到所述下一次叫位击打的目标球的位置。
5.一种投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电脑(3)中建立台球环境模型，模拟母球被击打后的运行轨迹、被母球直接/间接撞击的目标球轨迹和母球、目标球的反弹轨迹；
当台球(9)静止时，捕捉台球桌(8)上台球(9)的图像，得到台球(9)的坐标；
当用户俯身用台球杆(10)瞄准母球时，实时捕捉台球杆(10)两个端点的坐标和击打方向，以台球杆(10)杆头指向的第一个球作为母球；
根据台球(9)的坐标，结合预设的台球杆(10)击打力度、击打点和台球杆水平方向夹角计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹；和/或，以用户指定台球桌上没有球的位置作为母球即将运行轨迹的终点，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和母球即将运行轨迹的终点坐标，计算出使母球到达指定终点的击打力度、击打点、出杆角度和台球即将运行的轨迹；和/或，以用户指定台球桌上的某一颗台球作为下一次叫位击打的目标球，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和下一次叫位击打的目标球坐标，计算出使母球运行到能击到所述下一次叫位击打的目标球的位置和台球即将运行的轨迹；
将台球即将运行的轨迹通过投影设备(6)投影到台球桌(8)上。
6.根据权利要求5所述的投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，所述台球环境模型为以下参数：台球桌的长度、宽度、台尼的摩擦系数、袋口形状数据、库边弹力系数、台球间的摩擦系数、库边形状、库边高度、台球杆的杆头大小、台球杆杆头与台球的摩擦系数、台球的直径、台球的质量、台球在台球桌上的弹力系数，结合用户设定的击打力度、击打点以及出杆角度信息规划出物理学关系。
7.根据权利要求5所述的投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，所述台球坐标、台球杆坐标和击打方向通过C语言调用开源计算机视觉库OpenCV来比较当前图像与背景图像或是当前图像与前帧来获得。
8.根据权利要求5所述的投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，所述台球坐标通过以下方式获得：在台球桌上没有摆放台球时，由图像采集设备抓取一张图片作为背景；
把台球摆放在台球桌之后或台球击打之后并静止后的图像与背景图片比较，即可得到台球的位置的坐标；
所述台球杆两个端点的坐标通过以下方式获得：当台球桌上的台球静止后，由图像采集设备抓取一张图片作为背景，当用户用台球杆瞄准时，再抓取有台球杆的图片，并把这两张图片进行比较后可以得到用户持杆瞄准的图像；再分析图片中的具有球杆的长方形形状特征的部分，从而获得台球杆其中一部分的始末两端的位置坐标；
所述台球杆的击打方向通过以下方式获得：根据台球杆的始末点坐标
(x1,y1),(x2,y2)，通过θ＝arctan((y2-y1)/(x2-x1))的公式计算出台球杆与水平方向的角度；再分析球杆的图像，较细的且指向台球一端为杆头，另一端为杆尾；结合台球杆与水平方向的角度与分析出的杆头、杆尾结果就可以确定图像台球杆的击打方向。
9.根据权利要求5所述的投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，所述当用户俯身用台球杆(10)瞄准母球时，如果在预设时间内图像采集设备(7)采集到的台球杆(10)的位置没有发生改变，则电脑(3)将母球和其他目标球即将运行的轨迹保持恒定不变，并通过投影设备(6)投影到台球桌(8)上，直至图像采集设备(7)采集到台球(9)的位置坐标产生变化。
10.根据权利要求5所述的投影式台球击球智能辅助方法，其特征在于，还包括：在电脑(3)中记录并保存台球静止时各个台球的坐标，在台球位置发生变化后，在外界触发条件下将所述记录的台球坐标投影到台球桌上。
投影式台球击球智能辅助系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电脑软件系统和投影技术，可应用于台球运动中的八球、九球、斯诺克等台球运动的击球时的运动辅助，适用于初、中、高级各类台球爱好者，具体属于投影式台球击球辅助系统和方法。
背景技术
[0002] 在台球运动中，击球的准度是决定胜负的第一要素，母球的走位控制是第二要素。
[0003] 现在在台球训练中提高击球准度的方法有以下几类：
[0004] 1.依靠想象把目标球球心与目标袋口中心的连线的延长线与目标球边缘的交点作为母球与目标球的撞击点，然后再出杆进行击打。这类瞄准方式的缺点是：台球运动员必须依靠大量的重复训练才能正确地找到击打点，而在初学者的头脑中并没有一个很清晰真实的击打路线，并且某些位置的目标球的正确击打点并不是上述所提到的交点位置。
[0005] 2.依靠在球台上放置一些辅助器材，如瞄准尺、吊位瞄准器等(例如：落袋式台球瞄测练习器-91223689.2)。这种辅助器材有的会影响母球的行进路线，有的会影响运动员的视线和注意力，都不是十分理想。
[0006] 3.一些激光类的台球瞄准辅助装置，(例如：一种激光台球杆-200820202827.0)，这类装置有几个缺点：a.由于激光只能沿直线传播，而在台球的击打过程中，有些时候运动轨迹是曲线的，这样就不利于用激光实现这个功能；b.用激光不易实现台球反弹轨迹的提示，即使是能实现也只能是简单模拟出入射角等于反射角的反弹轨迹。而台球的反弹轨迹常常是入射角不等于反射角的；c.这种装置在使用时要安装在台球杆上，是有一定重量的。在训练时可以使用这种装置，而在正式比赛中却不能使用。这样，由于重量的差异，会大大影响使用者在击球时对力量的控制和打球的手感的。
[0007] 关于母球的走位控制的训练，在现阶段还主要是由教练言传身教，再加上运动员的大量反复实践，根据经验记忆来判断和控制母球的走位。由于台球运动轨迹受到摩擦力、弹力、击打力度、击打位置、发力方式等等多种原因的影响，无论是初学者还是有经验的用户都不能确切地指出每一次击打后，台球将要运行的轨迹。
发明内容
[0008] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种能根据出杆方式的不同实时地在台球桌上显示所有台球的预判运动轨迹的投影式台球击球智能辅助系统和方法。
[0009] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种投影式台球击球智能辅助系统，包括图像采集设备、投影设备、电脑，图像采集设备的信号输出端接至电脑的输入端，投影设备的输入端接电脑的输出端并由电脑控制，还设有中空台球照明灯和红外线补光灯；
[0010] 所述图像采集设备的镜头加入可见光滤片，头端部对准中空台球灯的中空部分的中心并且不低于中空台球灯下端，用于捕捉台球桌、台球和台球杆的图像信息；
[0011] 所述红外线补光灯固定在中空台球灯上，并其照明端与中空台球灯下端持平，用于对台球桌进行红外线照明，滤除进入所述图像采集设备中的可见光；
[0012] 所述电脑用于获取所述图像采集设备在红外线补光灯照射下捕捉的图像信息，根据台球坐标、台球杆两个端点坐标、击打方向、击打力度、击打点和出杆角度，在已知上述部分参数的情况下得到台球即将运行的轨迹信息，并将台球的轨迹信息通过所述投影设备以图像的形式投射到台球桌的对应位置上；
[0013] 所述中空台球灯悬挂于台球桌上方，使图像采集设备正对台球桌中部。
[0014] 所述图像采集设备通过图像采集设备吊架固定。
[0015] 所述投影设备和电脑一同安装在投影吊架的底端并吊挂于中空台球灯的旁侧。
[0016] 所述电脑具体用于：
[0017] 根据所述图像采集设备捕捉的图像信息得到台球的坐标、台球杆坐标和击打方向；然后，
[0018] 根据台球的坐标，台球杆击打力度、击打点和台球杆水平方向夹角的默认数据计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹；和/或，
[0019] 以用户指定台球桌上没有球的位置作为母球即将运行轨迹的终点，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和母球即将运行轨迹的终点坐标，计算出使母球到达指定终点的击打力度、击打点、出杆角度；和/或，
[0020] 以用户指定台球桌上的某一颗台球作为下一次叫位击打的目标球，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和下一次叫位击打的目标球坐标，计算出使母球运行到能击到所述下一次叫位击打的目标球的位置。
[0021] 一种投影式台球击球智能辅助方法，包括以下步骤：
[0022] 在电脑中建立台球环境模型，模拟母球被击打后的运行轨迹、被母球直接/间接撞击的目标球轨迹和母球、目标球的反弹轨迹；
[0023] 当台球静止时，捕捉台球桌上台球的图像，得到台球的坐标；
[0024] 当用户俯身用台球杆瞄准母球时，实时捕捉台球杆两个端点的坐标和击打方向，以台球杆杆头指向的第一个球作为母球；
[0025] 根据台球的坐标，结合预设的台球杆击打力度、击打点和台球杆水平方向夹角计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹；和/或，
[0026] 以用户指定台球桌上没有球的位置作为母球即将运行轨迹的终点，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和母球即将运行轨迹的终点坐标，计算出使母球到达指定终点的击打力度、击打点、出杆角度和台球即将运行的轨迹；和/或，
[0027] 以用户指定台球桌上的某一颗台球作为下一次叫位击打的目标球，根据台球杆坐标、目标球坐标、母球坐标和下一次叫位击打的目标球坐标，计算出使母球运行到能击到所述下一次叫位击打的目标球的位置和台球即将运行的轨迹；
[0028] 将台球即将运行的轨迹通过投影设备投影到台球桌上。
[0029] 所述台球环境模型为以下参数：台球桌的长度、宽度、台尼的摩擦系数、袋口形状数据、库边弹力系数、台球间的摩擦系数、库边形状、库边高度、台球杆的杆头大小、台球杆杆头与台球的摩擦系数、台球的直径、台球的质量、台球在台球桌上的弹力系数，结合用户设定的击打力度、击打点以及出杆角度信息规划出物理学关系。
[0030] 所述台球坐标、台球杆坐标和击打方向通过C语言调用开源计算机视觉库OpenCV来比较当前图像与背景图像或是当前图像与前帧来获得。
[0031] 所述台球坐标通过以下方式获得：在台球桌上没有摆放台球时，由图像采集设备抓取一张图片作为背景；把台球摆放在台球桌之后或台球击打之后并静止后的图像与背景图片比较，即可得到台球的位置的坐标；
[0032] 所述台球杆两个端点的坐标通过以下方式获得：当台球桌上的台球静止后，由图像采集设备抓取一张图片作为背景，当用户用台球杆瞄准时，再抓取有台球杆的图片，并把这两张图片进行比较后可以得到用户持杆瞄准的图像；再分析图片中的具有球杆的长方形形状特征的部分，从而获得台球杆其中一部分的始末两端的位置坐标；
[0033] 所述台球杆的击打方向通过以下方式获得：根据台球杆的始末点坐标(x1,y1),(x2,y2)，通过θ＝arctan((y2-y1)/(x2-x1))的公式计算出台球杆与水平方向的角度；再分析球杆的图像，较细的且指向台球一端为杆头，另一端为杆尾；结合台球杆与水平方向的角度与分析出的杆头、杆尾结果就可以确定图像台球杆的击打方向。
[0034] 所述当用户俯身用台球杆瞄准母球时，如果在预设时间内图像采集设备采集到的台球杆的位置没有发生改变，则电脑将母球和其他目标球即将运行的轨迹保持恒定不变，并通过投影设备投影到台球桌上，直至图像采集设备采集到台球的位置坐标产生变化。
[0035] 还包括：在电脑中记录并保存台球静止时各个台球的坐标，在台球位置发生变化后，在外界触发条件下将所述记录的台球坐标投影到台球桌上。
[0036] 本发明具有以下优点及有益效果：
[0037] 1.当用户在使用台球杆瞄准时，在台球桌上能实时投画出瞄准线和台球的运行轨迹来辅助用户击打，方便、直观。
[0038] 2.由于投在台球桌上的路线只是光影，所以不会因为像以往要摆放瞄准的辅助器材而影响台球的运行，同时也不会因为在台尼上用粉笔画线而损伤台尼；且本发明的红外线补光灯用于对台球桌进行的照明，又可以在采集图像设备对台球桌面进行图像采集时减少投影等可见光的干扰。
[0039] 3.台球的撞击点、反弹点、母球目标球的运行轨迹都投画在台球桌上，用户不再需靠想象和经验去判断，缩短了训练进度。
[0040] 4.在打球时，随时会有图像或语音提示击球的力度、击打点位和球杆角度，如一位贴身教练实时指导。这样能快速提高用户的台球水平。
附图说明
[0041] 图1为本发明的系统结构图；
[0042] 其中，1.投影吊架，2.图像采集设备吊架，3.电脑，4.中空台球照明灯，5.红外线补光灯，6.投影设备，7.图像采集设备，8.台球桌，9.台球，10台球杆；
[0043] 图2是台球杆击打点和台球杆水平方向夹角的示意图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0045] 如图1所示，包括图像采集设备7、投影设备6、电脑3，图像采集设备7的信号输出端接至电脑3的输入端，投影设备6的输入端接电脑3的输出端并由电脑3控制，还设有中空台球照明灯4和红外线补光灯5；所述图像采集设备7头端部对准中空台球灯4的中空部分的中心并且不低于中空台球灯4下端，用于捕捉台球桌8、台球9和台球杆10的图像信息；所述红外线补光灯5固定在中空台球灯4上，并其照明端与中空台球灯4下端持平，用于对台球桌8的红外线照明，并在图像采集设备中加入可见光滤片，可滤除进入图像采集设备中的可见光；所述电脑3用于获取所述图像采集设备7和红外线补光灯5捕捉的图像信息，根据台球坐标、台球杆两个端点坐标、击打方向、击打力度、击打点和出杆角度，在已知上述部分参数的情况下得到其他参数，并将其他参数信息通过所述投影设备6以图像的形式投射到台球桌7的对应位置上；所述中空台球灯4悬挂于台球桌8上方，使图像采集设备7正对台球桌8中部。所述图像采集设备7通过图像采集设备吊架2固定。所述投影设备6和电脑3一同安装在投影吊架1的底端并吊挂于中空台球灯4的旁侧。
[0046] 本发明的实施例如下：
[0047] 用电脑建立台球环境模型。其内容包括：台球桌的长度、宽度、台尼的摩擦系数、袋口形状数据、库边弹力系数、台球间的摩擦系数、库边形状、库边高度、台球杆的杆头大小、台球杆杆头与台球的摩擦系数、台球的直径、台球的质量、台球在台球桌上的弹力系数等等。再根据用户设定的击打力度、击打点以及出杆角度，利用物理学原理模拟出母球和目标球的运行轨迹。其中的过程算法参考论文《基于物理的台球动画》中的“第二章台球运动的物理分析”和“第四章基于物理的台球动画实现”中的“4.1主球(母球)的运动的模拟”和“4.2靶球(目标球)运动的模拟”的内容。
[0048] 用电脑建立台球运动的模拟程序。根据母球的击打数据，也就是台球杆的击打方向、台球杆与水平方向夹角(如图2所示)、击打点、击打力度等数据运用物理法则来模拟出母球被击打后的运行轨迹、被母球直接间接撞击的目标球轨迹和母球目标球的反弹轨迹。同时建立母球击打数据的程序接口。
[0049] 用图像捕捉设备，捕捉台球桌上台球的图像，并由电脑分析出台球的准备位置，然后将台球位置坐标传给台球运动的模拟程序。
[0050] 用户俯身用台球杆瞄准母球时，图像捕捉设备实时捕捉用户的台球杆动作。并由电脑分析出台球杆的位置和击打方向，结合以上得到的台球位置坐标，把台球杆杆头指向的第一个球作为母球。然后把击打的默认数据(台球杆击打力度为中力，击打点为母球中心点，台球杆水平方向夹角为0度)传给台球运动轨迹的模拟程序，由模拟程序再根据台球坐标数据分析计算出母球和其他目标球即将运行的轨迹。
[0051] 由电脑控制投影设备将以上这些运动轨迹实时投画在台球桌上。然后，用户可以根据投画在台球桌上的母球轨迹进行击打，以达到使目标球入袋以及控制母球走到理想位置的目的。
[0052] 把沿台球杆的击打方向并且离台球杆头端最近的台球作为将要击打的母球，之后由电脑按中等力度、击打母球中点以及台球杆与水平方向夹角为0度的这三个默认值计算出母球和其他目标将要运行的轨迹。再将这些预判的轨迹由投影设备实时地投影到台球桌上。用户可以根据这些投影在台球桌上的轨迹同时按照中等力度、击打母球中点以及台球杆与水平方向夹角为0度的击球方式进行击打。也可以在击打时适当调整击球力度、击打点以及台球杆与水平方向夹角，以便使母球的走位更加符合自己的意愿。
[0053] 用户还可以控制电脑更精确地按自己想要的击球方式来调整投影到台球桌上的台球轨迹路线。具体方法如下：用户在俯下身用台球杆去瞄准时，如果在一定时间内(N秒之内，N<＝3)台球杆不再晃动，则视为用户瞄准结束。那么此时，由电脑根据中等力度、击打母球中点以及台球杆与水平方向夹角为0度的这三个默认值计算出母球和其他目标将要运行的轨迹将稳定地由投影设备投画到台球桌上不再改变。然后用户可以起身自行控制电脑，根据自己的要求改变击球力度、击打点以及台球杆与水平方向夹角这三个数值，使台球的运行轨迹达到自己需要的理想轨迹。之后再俯下身，用台球杆按照刚才自己设定的击球力度、击打点和台球杆与水平方向夹角去击打母球，使母球与目标球的真实运行轨迹达到理想的轨迹状态。
[0054] 由电脑将这个目标球的坐标分别与6个台球桌袋口连线，分析每条连线间是否有其他的台球挡住了这个目标球的进球路线。如果6个袋口的进球路线都被挡住，则由电脑提示用户不能进行智能击打提示。如果其中的一个或几个袋口没有障碍球遮档，那么选择其中最短的路线作为击打提示的首选路线，并把这个路线对应的袋口作为目标袋口。再将目标袋口与这个目标球进行连线，在目标球的延长线方向选择一个即不贴库边，也不是离目标球太近的点，以这个点的位置坐标作为母球即将运行轨迹的终点坐标。同时，由电脑计算出母球要运行到这个位置所需要的击打力度、击打点和出杆角度，并通过电脑进行语音提示来辅助用户进行击打。
[0055] 在轨迹固定后，用户既可以按固定轨迹击打，也可以起身观察母球和目标球即将的运行轨迹。还可以在此时控制电脑，改变台球杆的击打力度、击打母球的点位和台球杆的水平夹角这些数据来使母球和目标球的运行轨迹发生变化，直到用户满意为止。然后，用户再遵循自己调整的击打力度、击打母球的点位和台球杆的水平夹角来实际用台球杆击打母球，使母球和目标球能沿着模拟的理想轨迹运行。
[0056] 用户也可以事先控制电脑设定台球杆的击打力度、击打母球的点位和台球杆的水平夹角。然后电脑根据这些数据模拟出母球和目标球的运行轨迹，再控制投影设备把这些轨迹投画到台球桌上。之后，用户再遵循自己调整的击打力度、击打母球的点位和台球杆的水平夹角来实际用台球杆击打母球，使母球和目标球能沿着模拟的理想轨迹运行。
[0057] 用户可以控制电脑来指定球台上的没有球位置，作为母球即将运行轨迹的终点。然后根据图像捕捉设备捕捉到的用户的台球杆、将要击打的母球以及母球将要撞击入袋的目标球的位置信息，由电脑程序智能分析后，分析出用什么样的击打力度、击打点、出杆角度才能使母球的运行轨迹达到用户的理想目标位置。分析之后再利用语音和图像的形式提示用户，同时将台球即将的运行轨迹投画在台球桌上，以此来辅助用户进行台球击打。
[0058] 还有，用户可以控制电脑来指定台球桌上的某一颗台球(B球)作为下一次叫位击打的目标球。然后根据图像捕捉设备捕捉到的用户的台球杆和将要击打的母球以及母球将要撞击入袋的目标球(A球)的位置信息由电脑程序智能分析。经电脑程序分析出使用怎样的击打力度、击打点、出杆角度才能使母球运行到能击到B球的合适位置。之后，利用语音和图像的形式提示用户，同时将台球即将的运行轨迹投画在台球桌上，以此来辅助用户进行台球击打。
[0059] 在用户击打之后，如果击打效果不满意，可以由用户控制电脑重复进行击打过程。也就是让电脑将上一次击打的台球位置，经投影设备重新投画到台球桌上。用户重新将打乱的台球，根据投画的位置复位，然后重新进行击打。
[0060] 电脑可以根据智能分析出来的台球运行轨迹，制作台球运动的模拟动画，在用户击打前，显示在台球桌上。这样用户可以更加直观生动地看到台球即将运行的影像。
