一种基于UDP协议实时传输视频的重力加速度测量方法

一种基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法
技术领域
1.本发明涉及视频数据处理、网络视频传输以及大学物理实验仪器领域，更具体地，涉及基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法。


背景技术：

2.在高中和大学物理教学中，测量重力加速度的方法有电磁打点计时器法、单摆法、自由落体法等。利用单摆测重力加速度时一般做法需要测量单摆的周期。在测周期时，由于是人工操作秒表开始或停止计时，不可避免会出现超前或滞后计时的情况，存在较大的计时误差。
3.随着视频技术的发展，可以通过终端实时查看摄像头端采集的实时画面，从而掌握摄像头监控区域的目标对象的活动情况；进而本发明提出一种基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对运动视频中重力加速度提取准确性不高的问题，提出一种基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法。
5.本发明的技术方案是：
6.本发明提供一种基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法，该方法包括以下步骤：
7.s1、布置摆球和摄像节点a、b，所述摄像节点a、b对称分布在摆球的两侧，用于采集摆球的运动视频；
8.s2、摄像节点a、b分别提取运动视频中的图像帧数据进行处理，获取各帧图像中摆球的空间位置数据cx、cy；在采样周期内分别计算对应节点处的摆动周期t；
9.s3、摄像节点a、b分别采用下述公式计算对应节点所获取的重力加速度g：
[0010][0011]
其中：l为单摆的摆线长度，t为对应节点所测单摆的摆动周期；
[0012]
s4、摄像节点a、b分别通过千兆以太网交换机连接终端节点，通过udp协议进行数据传输，发送图像数据帧和测量数据帧；所述的测量数据包括重力加速度g与空间位置数据；
[0013]
s5、终端节点解析数据帧，分别提取对应摄像节点所获得的图像数据和测量数据；
[0014]
s6、采用均值滤波算法对两个节点获取到的重力加速度ga、gb进行处理，获得实际重力加速度g；
[0015][0016]
式中：g
local
为当地重力加速度的估计值，t0为能够接受的最大误差。
[0017]
进一步地，所述的摆球静止位置作为o点，摄像节点a、b对称分布在摆球的两侧且沿ao、bo方向正交，所述摄像节点a、b采集摆球的运动视频并通过本地监视器进行实时显示。
[0018]
进一步地，s2中图像帧数据处理具体包括：
[0019]
s21、对摄像节点所采集到的各帧图像framea与frameb进行感兴趣区域roi的选择；
[0020]
s22、采用下述公式对提取感兴趣区域后的图像转换至hsv色彩空间：
[0021][0022][0023]
v＝max(r,g,b)
[0024]
计算结果中当出现h《0的情况时，采用下述公式进一步处理：
[0025][0026]
s23、对转换后的hsv图像进行otsu二值化滤波处理：
[0027]
s24、采用光栅扫描法对二值化处理后的hsv图像进行轮廓扫描，采用最大轮廓面积算法提取摆球初步轮廓；
[0028]
s25、获取前述摆球初步轮廓的坐标、长和宽，通过外接矩形框标记出摆球轮廓；针对前述摆球轮廓提取摆球的位置坐标(x，y，w，h)及摆球中心坐标(cx，cy)，所述的摆球中心坐标(cx，cy)即为摄像节点获取的各帧图像中摆球的空间位置数据。
[0029]
s26、摄像节点在整个采集周期内持续记录摆球运动视频中各帧图像获取的摆球中心坐标(cx，cy)，采用绝对中位值偏差法mad对采样周期内摆球中心横坐标cx进行滤波即离群值处理；
[0030][0031]
式中：i表示采样周期内获取的图像帧编号；cxi表示编号为i的图像帧中摆球中心
的横坐标；cx
median
为采样周期内所有摆球中心横坐标的中位值，mad为|cx
i-cx
median
|绝对偏差的中位值；n为滤波系数；
[0032]
s27、采用快速傅里叶变换算法fft对滤波后的摆球中心横坐标数据进行处理，得到对应的频域值，将其中幅值最大的点所对应的频率作为单摆的摆动频率f，计算对应的摆动周期t＝1/f。
[0033]
进一步地，s21中，roi区域为摆球的摆动区域在图像中所占的大小。
[0034]
进一步地，s25中，摆球中心坐标采用下述公式获取：
[0035][0036][0037]
进一步地，s4中，摄像节点a、b使用opencv编码函数将图像数据编码为jpeg格式，使其成为数据流img_data，对应的图像数据帧格式为：[帧头，img_data]；所述的测量数据帧格式为：[帧头，cx_data，cy_data，重力加速度]。
[0038]
进一步地，s5中，终端节点使用opencv解码函数imdecode(buf,flags)对接收到的数据包进行解析，并对帧头进行判断以确定其为图像数据还是所测量数据，并进行数据还原。
[0039]
进一步地，在整个采集周期内终端节点通过gui进行控制，分别或同时显示a、b两个摄像节点的实时视频与测量数据即当前捕获的摆球位置。
[0040]
进一步地，该方法还包括：根据测量数据中的摆球空间位置数据计算摆角，根据摆角和摆球空间位置数据进行二维建模，还原出xoy面摆球的摆动轨迹。
[0041]
进一步地，摆角
[0042]
本发明的有益效果：
[0043]
本发明的通过布置摆球和摄像节点a、b，采集摆球的运动视频；摄像节点a、b分别提取图像帧数据进行处理，获取各帧图像中摆球的空间位置数据并计算对应节点所获取的重力加速度发送至终端节点，再由终端节点解析数据采用均值滤波算法对两个节点获取到的重力加速度进行处理，获得实际重力加速度g。本发明通过两处数据采集，分别进行图像处理和运算获得各节点的重力加速度，再进行拟合，有效提高了单摆重力加速度测量的准确性。
[0044]
本发明图像传输部分基于udp(user datagram protocol)用户数据报协议，属于tcp/ip协议族中的传输层，是实时视频传输中使用较多的一种协议，是无连接的，相比于传输层的另一种有连接的协议tcp，由于没有复杂的控制过程，更能保证视频的实时性，进而可以保证其重力加速度的测量准确性。
[0045]
本发明提供一种重力加速度的测量装置及方法，用以解决传统方法测量单摆的摆动周期时，由于是人工操作秒表开始或停止计时，不可避免会出现超前或滞后计时的情况，存在较大的计时误差的问题。
[0046]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0047]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0048]
图1示出了本发明的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0050]
本发明提供一种基于udp协议实时传输视频的重力加速度测量方法，该方法包括以下步骤：
[0051]
s1、布置摆球和摄像节点a、b，所述摄像节点a、b对称分布在摆球的两侧，用于采集摆球的运动视频。
[0052]
s2、摄像节点a、b分别提取运动视频中的图像帧数据进行处理，获取各帧图像中摆球的空间位置数据cx、cy；在采样周期内分别计算对应节点处的摆动周期t，图像帧数据处理具体包括：
[0053]
s21、对摄像节点所采集到的各帧图像framea与frameb进行感兴趣区域roi的选择；roi区域为摆球的摆动区域在图像中所占的大小，去除外框背景物等；所述的摆球静止位置作为o点，摄像节点a、b对称分布在摆球的两侧且沿ao、bo方向正交，所述摄像节点a、b采集摆球的运动视频并通过本地监视器进行实时显示。
[0054]
s22、采用下述公式对提取感兴趣区域后的图像转换至hsv色彩空间：
[0055][0056][0057]
v＝max(r,g,b)
[0058]
计算结果中当出现h《0的情况时，采用下述公式进一步处理：
[0059][0060]
s23、对转换后的hsv图像进行otsu二值化滤波处理：
[0061][0062]
s24、采用光栅扫描法对二值化处理后的hsv图像img_hsv进行轮廓扫描，获取hsv图像中轮廓数据，采用最大轮廓面积算法提取最有可能是摆球的轮廓max_contour：
[0063][0064]
s25、获取前述摆球初步轮廓的坐标、长和宽，通过外接矩形框标记出摆球轮廓contour；针对前述摆球轮廓提取摆球的位置坐标(x，y，w，h)及摆球中心坐标(cx，cy)，所述的摆球中心坐标(cx，cy)即为摄像节点获取的各帧图像中摆球的空间位置数据；摆球中心坐标采用下述公式获取：
[0065][0066][0067]
s26、摄像节点在整个采集周期内持续记录摆球运动视频中各帧图像获取的摆球中心坐标(cx，cy)，采用绝对中位值偏差法mad对采样周期内摆球中心横坐标cx进行滤波即离群值处理；
[0068][0069]
式中：i表示采样周期内获取的图像帧编号；cxi表示编号为i的图像帧中摆球中心的横坐标；cx
median
为采样周期内所有摆球中心横坐标的中位值，mad为|cx
i-cx
median
|绝对偏差的中位值；n为滤波系数；
[0070]
s27、采用快速傅里叶变换算法fft对滤波后的摆球中心横坐标数据进行处理，得到对应的频域值，将其中幅值最大的点所对应的频率作为单摆的摆动频率f，计算对应的摆动周期t＝1/f。
[0071]
s3、摄像节点a、b分别采用下述公式计算对应节点所获取的重力加速度g：
[0072][0073]
其中：l为单摆的摆线长度，t为对应节点所测单摆的摆动周期。
[0074]
s4、摄像节点a、b分别通过千兆以太网交换机连接终端节点，通过udp协议进行数据传输，发送图像数据帧和测量数据帧；所述的测量数据包括重力加速度g与空间位置数据；
[0075]
摄像节点a、b使用opencv编码函数将图像数据编码为jpeg格式，使其成为数据流img_data，对应的图像数据帧格式为：[帧头，img_data]；所述的测量数据帧格式为：[帧头，cx_data，cy_data，重力加速度]；按照规定的数据帧格式使其成为数据流img_dataa,img_datab，赋值到内存缓冲区，以减少传输过程中的数据量从而实现图像数据的稳定低延时传
输。
[0076]
s5、终端节点解析数据帧，分别提取对应摄像节点所获得的图像数据和测量数据；终端节点使用opencv解码函数imdecode(buf,flags)对接收到的数据包进行解析，并对帧头进行判断以确定其为图像数据还是所测量数据，并进行数据还原；在整个采集周期内终端节点通过gui进行控制，分别或同时显示a、b两个摄像节点的实时视频与测量数据即当前捕获的摆球位置。
[0077]
s6、采用均值滤波算法对两个节点获取到的重力加速度ga、gb进行处理，获得实际重力加速度g；使用去除离群值的均值滤波算法对两个节点分别获取到的重力加速度进行处理，能够进一步保证测量精度。
[0078][0079]
式中：g
local
为当地重力加速度的估计值，t0为能够接受的最大误差。
[0080]
进一步地，该方法还包括：根据测量数据中的摆球空间位置数据计算摆角，根据摆角和摆球空间位置数据进行二维建模，还原出xoy面摆球的摆动轨迹；摆角
[0081]
本发明图像传输部分基于udp(user datagram protocol)用户数据报协议，属于tcp/ip协议族中的传输层，是实时视频传输中使用较多的一种协议，是无连接的，相比于传输层的另一种有连接的协议tcp，由于没有复杂的控制过程，更能保证视频的实时性，进而可以保证其重力加速度的测量准确性。
[0082]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。