CN114979409A - 采用环型拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种采用环型拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，通过环型拓扑结构将需要进行数据采集的设备连接起来，利用时序同步方式实现各个采集设备之间采集同步。采用专用的通信协议，保证同步信号与数据传输信号共用相同的物理线缆，在实现采集设备同步的同时，也能进行快速数据传输。发明的通信协议能自动给接入的设备分配通信地址，降低了设备接入的复杂性与维护成本。本发明针对大规模采集设备系统，设备之间通过环形连接，大量节省了线缆，能快速、便捷的现场部署采集设备，特别是对体育运动以及士兵训练的现场采集，具有极大的应用价值。

Description

采用环型拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法

技术领域

计算机视觉，体育运动，计算机控制。

背景技术

在体育运动的研究与分析中，常用的方法是采用录像机把运动过程拍摄下来，然后对视频进行分析，从每一帧图像中获取运动相关的数据。由于场地较大(比如100米短跑)以及需要从不同角度来获取更多的运动细节，一般采用多个相机同时进行拍摄。多个相机拍摄遇到的主要问题包括难以保证各个相机同步拍摄以及相机与电脑之间数据传输问题。目前常用的数据传输方法是将相机中的存储卡取出来放到转接器连接到电脑后进行拷贝，或者通过相机的接口线进行拷贝，这种方法的缺点是费时费力。相机之间的同步问题一般是负责拍摄的每个人根据发令人的声音或者手势来同时启动快门，这种方式的缺点是人为误差很大，无法达到精准同步。此外，相机同步启动也有通过无线的方式，但无线方式的启动一般覆盖范围较小，容易出现相机漏启动的情形(有些相机由于信号弱或者收不到信号而没有启动)，稳定性与完整性无法保证。相机启动还有另外一种方案是有线连接启动，比如工业相机的方式，这种有线连接一般是星型连接，多个相机直接连接到一个中心点上。星型连接的缺点是连线较多，中心点连线密集，边沿连线稀疏，当覆盖范围超过100米时，连线浪费比较严重。

为了保证多个相机同时启动以及解决数据传输的问题，本发明采用了有线环型连接结构以及时序同步的方式，保证所有相机的每一张图片都是同时开始的，在拍摄完成后通过可靠的有线传输方式将图像传输到控制点。

发明内容

为了解决多个相机之间的同步问题，本发明采用了有线连接方式，采用时序同步方式来保证每个相机的每帧是同时开始的。

为了解决相机之间的复杂连线问题，本发明采用了环型连接，采用“头”接“尾”的简单方式降低连接的复杂性。

为了提高传输速度，本发明采用了环形双向的通信方式，全双工通信提高了数据传输的速度。

为了提高可靠性与设备智能化，本发明提出了自动地址分配算法，无需手工配置设备地址。

为了降低设备的连线数量，本发明提出了同步封装协议，将数据块、控制信息、维护信息等封装在同一信道中。

系统功能概述

本发明主要包括控制计算机、通信线缆、相机控制器、外部存储器、同步控制器、同步收发器。

控制计算机主要负责接收与存储相机拍摄的数据，同时提供同步信息(同步时钟)，对所控制的各个相机进行参数配置与相关控制、维护。

通信线缆包括但不限于：1)普通的网线2)者光纤3)其它电缆

相机控制器主要负责对相机的控制、数据传输与保存数据到持久设备，包括拍摄触发控制以及从相机获取拍摄的图像数据并保存到外部持久存储器中，对相机进行参数配置与维护等。相机控制器与相机之间的接口包括但不限于：1)USB接口，2)以太网接口，3)MIPI接口，4)Camera Link，5)其它并行接口。

外部存储器负责图像的持久保存。

同步控制器主要负责数据的同步传输，解析通信帧结构并将不同的信息路由到不同的功能模块，并合并数据、控制信息与维护信息到通信帧中。保证各个相机之间进行同步数据传输。

同步收发器主要负责数据的接收与发送，采用同步双工的通信方式进行数据传输。

本发明的主要组成部分如图1所示。

通信帧格式

每个帧的最大长度为256个字节。第一个字节表示帧类型，第二个字节表示长度，剩余的字节表示负荷信息，负荷信息最长254个字节。

1)帧类型字节取值：

00无效帧，01地址分配帧，02地址校验帧，03相机触发帧，04数据帧，05控制帧， 06同步帧，其它值保留将来扩展用。

2)帧长度字节取值：

为负荷字节的实际个数。

通信地址自动分配算法

为了保证整个系统有效通信，需要给每个同步控制器自动分配一个唯一地址。本发明采用了地址自动分配算法，避免了手工配置，提高了系统的自动化程度与智能程度。

地址自动分配算法：

1)系统加电启动，控制计算机进入初始化状态，所有同步控制器进度地址等待状态。

2)由于采用的是同步双工通信，所有同步收发器(图3中的左口与右口)在相同的通信速率下进行通信，自动进入正常通信状态。

3)控制计算机进入地址分配状态，从左口与右口中随机选择一个为发送口(Active主动口)，另一个为接收口(Standby被动口)。

4)控制计算机将自己的地址设置为X(一般为0)，然后将X+1的值作为地址通过Active主动口发送给与该口连接的同步控制器地址分配命令(帧类型为01，地址分配帧)。

5)与计算机Active口连接的同步控制器1收到X+1的地址信息，将X+1作为自己的同步控制器地址。并将(X+1)增加1后(即X+2)发送给下一个同步控制器。

6)第二个同步控制器收到地址信息(X+2)后，将X+2作为自己的同步控制器地址。并将(X+2)增加1后(即X+3)发送给下一个同步控制器。

7)上面的过程反复进行，直到控制计算机的Standby口收到地址分配命令即结束同步控制器的地址分配过程。

经过上面的自动地址分配算法，所有的同步控制器都能分配到一个唯一地址，且相邻同步控制器的地址之间差为1。

地址的自动分配算法，增加了系统的智能化与自动化，同时降低了系统维护的难度。

数据传输流程

数据传输是将相机的图像数据传输到控制电脑的过程。该过程有控制电脑主动发起。

在控制电脑发起数据传输前，控制电脑需要知道目标相机对应的同步控制器地址，为了描述方便，将目标地址表示TargetAddress。

数据传输流程如下：

1)控制计算机从Active口发送数据帧(帧类型为04)，并将目标地址TargetAddress信息放在负荷字段。并指示设备收到信息后马上启动数据传输。

2)当该信息被同步控制器收到时，先检查目标地址是否为自己的地址，如果不是自己的地址，同步控制器直接将数据帧发送给下一个设备。如果目标地址是自己的地址，则将数据帧传递给相机控制器。

3)相机控制器收到数据帧后，根据数据指示，从相机或者外部存储器中获取需要传输的图像数据，然后将数据封装为多个数据帧(最后一个数据帧的长度为0，且负荷全为0)，且设置数据帧的目标地址为控制计算机的地址(默认为00)，并保存到同步控制器的数据队列。

4)同步控制器的将数据队列的数据帧通过两个接口(左口与右口)发送给控制计算机。

5)其它的同步控制器收到数据帧后，检查目标地址是否为自己的地址。如果目标地址不是自己的地址，则将数据进行旁路传输。

6)当控制计算机收到目标地址为自己的数据帧时，将数据保存到外部存储，或者提交给上层应用。

7)当控制计算机收到长度为0且负荷全为0的数据帧时，表示目标设备的数据应完成了传输。本次数据传输结束。

控制信息传输流程

控制信息传输是指控制计算机将需要的配置参数等信息发送给目标相机。该过程为控制计算机发起，且需要知道目标相机的同步控制器地址。为了描述方便，将目标地址表示 TargetAddress。

控制信息传输流程如下：

1)控制计算机将需要给目标设备的控制信息封装为多个控制帧(帧类型为05)，控制帧的目标地址为需要接收控制信息的相机的同步控制器地址，最后一个帧的长度为0且负荷为0，表示控制信息传输结束。

2)控制计算机将控制帧放入到控制信息队列中。控制信息队列的优先级比同步信号队列的优先级低。

3)控制计算机检查同步信号队列，如果有同步信息，则先将同步信息发送完成。

4)当同步信息队列没有信息时，再发送控制队列中的消息。

5)反复执行3)与4)，直到所有控制信息发送完成。为了提高速度，可以考虑从控制计算机的Active口与Standby口发送。

6)同步控制器接收到控制帧时，先检查目标地址是否为自己的地址。如果目标地址不是自己的地址，则将控制帧转发给下一个同步控制器。

7)如果控制帧是同步控制器自己的地址，则将控制信息提交给相机控制器。

8)相机控制器将接收到的控制帧进行组装，等控制帧接收完成后，解析控制信息，并按照指示对相机进行配置。

9)控制信息传输过程结束。

同步信息传输流程

同步信息传输是控制计算机对各个相机进行同步的方法，由控制计算机主动发起，对环形拓扑上的所有相机进行控制，不需要知道目标地址。流程如下：

1)控制计算机根据定时器或者软件设置，在规定时刻将相机触发帧(帧类型为03)放入控制计算机的同步队列。

2)同步队列中的信息会有最高优先级，收到即发送。

3)控制计算机从Active口发送相机触发帧

4)步控制器收到相机触发帧后，一方面提交给相机控制器触发相机拍照，同时也将相机触发帧发送给下一个同步控制器。

5)相机控制器接收到相机触发帧后，启动相机拍摄，同时将拍摄的图片存入相机控制器连接的外部存储器中。

6)当控制计算机技术相机触发时，则停止发送相机触发帧。

整个系统工作流程

整个系统的工作流程如下图4所示。

将控制计算机与各个同步控制器、相机等连接好后，可以启动系统(每个物理实体需要独立供电或者直接从交流电变直流电)。1.控制计算机自动给各个同步控制器分配通信地址2.控制计算机通过控制信息传输流程给每个相机进行配置3.控制计算机通过同步信息传输流程来控制多个相机进行同步拍摄，拍摄的同时存入外部存储器4.拍摄结束后，控制计算机通过数据传输流程来获取各个相机拍摄的图像。

说明书附图说明

图1是环形时序同步多相机功能图

图2是通信帧格式图

图3是通信地址自动分配示意图

图4是整个系统工作流程图

Claims (8)

1.采用环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，包括控制计算机、同步收发器、同步控制器、相机控制器、外部存储器5个主要逻辑模块；在系统启动时，采用地址自动分配算法对同步控制器进行通信地址自动分配；然后采用控制信息传输流程来对各个相机进行逐个配置；采用同步信息传输流程来控制多个相机进行同步拍摄；最后采用数据传输流程将各个相机拍摄的图像回传到控制计算机中进行保存，完成对多个相机的数据采集工作。

2.根据权利要求1所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，所应用的场景包括但不限于体育运动，也包括其它的多相机数据采集场景。

3.根据权利要求1或2所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，采用自动地址分配算法来自动生成通信地址。

4.根据权利要求1或2或3所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，采用时序同步方式发送相机触发信号来实现相机同步拍摄。

5.根据权利要求1或2或3所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，数据传输采用两个方向同时传输数据，提高数据传输的速度。

6.根据权利要求1或2或3所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，通过控制信息传输来完成相机配置信息的控制。

7.根据权利要求1或2或3所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，同步控制器与控制计算机的连接拓扑结构是环形的。

8.根据权利要求1或2或3所述的环形拓扑与时序同步的体育视觉数据采集方法，其特征在于，同步控制器与控制计算机之间采用全双工同步通信。

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