足球视频位置与平面坐标的转换

news2025/3/12 23:23:55

依赖： C# OpenCVSharp WPF Numpy

目的：解决足球场上，人物投影到二维平面的位置坐标

在这里插入图片描述

图A / B/ C

一、基础概念

1.1标准球场的定义：

参考：https://zh.m.wikipedia.org/zh/%E8%B6%B3%E7%90%83%E5%A0%B4

在这里插入图片描述

图 D

1.2 配准思路

图A->图B，建立坐标关系对；

图B->图D，建立真实坐标系的配准基准点对（需要4个以上）

图D->图C，建立显示坐标系的配准基准点对（图C尺寸已知，所有关键位置A-J均已知）

对于全局，利用OpenCV FindHomography，求得D-C坐标转换矩阵T；

对于每帧图片，利用OpenCV FindHomography，求得B-D坐标转换矩阵T1；

将对象检测的球员投影到图3

二、代码实现

2.1 标画关键点

WPF界面

    <Grid>
        <Grid.ColumnDefinitions>
            <ColumnDefinition Width="0.4*"/>
            <ColumnDefinition Width="0.6*"/>
        </Grid.ColumnDefinitions>
        <Grid x:Name="gridPointSelector" Width="350" Height="234" VerticalAlignment="Center" HorizontalAlignment="Center" >
            <Grid.ColumnDefinitions>
                <ColumnDefinition Width="0.15619*"/>
                <ColumnDefinition Width="0.34762*"/>
                <ColumnDefinition Width="0.34762*"/>
                <ColumnDefinition Width="0.15619*"/>
            </Grid.ColumnDefinitions>
            <Grid.RowDefinitions>
                <RowDefinition Height="0.20441*" />
                <RowDefinition Height="0.59118*"/>
                <RowDefinition Height="0.20441*"/>
            </Grid.RowDefinitions>
            <Image Source="{StaticResource 2D_field}" Grid.ColumnSpan="4" Grid.RowSpan="3" />
            <ToggleButton Content="A" Grid.Row="0" Grid.Column="0"  
                          HorizontalAlignment="Left" VerticalAlignment="Top"  Margin="-15,-15,0,0" Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="B" Grid.Row="0" Grid.Column="1" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top" Margin="0,-15,-15,0"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="C" Grid.Row="0" Grid.Column="3" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top" Margin="0,-15,-15,0"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="D" Grid.Row="1" Grid.Column="0" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top" Margin="0,-15,-15,0"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="E" Grid.Row="1" Grid.Column="2" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top" Margin="0,-15,-15,0"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="F" Grid.Row="2" Grid.Column="0" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top" Margin="0,-15,-15,0"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="G" Grid.Row="2" Grid.Column="2" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Top"   Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="H" Grid.Row="2" Grid.Column="0"
                          HorizontalAlignment="Left" VerticalAlignment="Bottom"    Click="ToggleButton_Click" />
            <ToggleButton Content="I" Grid.Row="2" Grid.Column="1" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Bottom"  Click="ToggleButton_Click"/>
            <ToggleButton Content="J" Grid.Row="2" Grid.Column="3" 
                          HorizontalAlignment="Right" VerticalAlignment="Bottom"  Click="ToggleButton_Click"/>
        </Grid>
        <Grid Grid.Column="1" x:Name="gridMain" ClipToBounds="True">
            <Image x:Name="imgMain" Source="{Binding OriginalImage }" Stretch="Uniform"/>
            <Canvas x:Name="canvas" Height="{Binding ElementName=imgMain,Path=ActualHeight}"
                    Width="{Binding ElementName=imgMain,Path=ActualWidth}" Background="Transparent"
                    IsEnabled="{Binding IsSelectting}" MouseLeftButtonUp="canvas_MouseLeftButtonUp">
            </Canvas>
        </Grid>
    </Grid>

数据结构

public class VedioPointMark
{
        public string? Name { get; set; }
        /// <summary>
        /// 球场坐标
        /// </summary>
        public Point2d FiledPoint { get; set; }
        /// <summary>
        /// 视频像素坐标
        /// </summary>
        public Point2d VideoPixelPoint { get; set; }
    }

WPF后端代码

 public partial class UCPointMark : UserControl
    {
        MPointMark model;
        private readonly int ellipseSize = 16;
        ToggleButton? selectButton;
        public UCPointMark()
        {
            InitializeComponent();
            model = new MPointMark();
            this.DataContext = model;
        }

        private Border? DrawPoint()
        {
            if (selectButton == null)
                return null;
            Border myBorder = new Border();
            myBorder.CornerRadius = new CornerRadius(ellipseSize);
            myBorder.Width = ellipseSize;
            myBorder.BorderBrush = new SolidColorBrush(Colors.Blue);
            myBorder.Background = new SolidColorBrush(Colors.Red);
            myBorder.Child = new TextBlock() { 
                Text = selectButton.Content.ToString(),
                Foreground = new SolidColorBrush(Colors.White),
                TextAlignment = TextAlignment.Center};
            selectButton.Tag = myBorder;
            return myBorder;
        }

        public List<VedioPointMark> CalculateTransform() 
        {
            var markPoints = new List<VedioPointMark>();
            //必须选择4各以上
            if (canvas.Children.Count < 4)
                return markPoints;
            var allPoints = VideoFieldTransform.CreatePointMarks();
            var axisX = (double)model.OriginalImageSize.Width / this.imgMain.ActualWidth;
            var axisY = (double)model.OriginalImageSize.Height / this.imgMain.ActualHeight;
            foreach (var element in this.gridPointSelector.Children)
            {
                if (element is ToggleButton toggle && toggle.Tag is Border pixcelBorder
                    && pixcelBorder.Tag is Point pixcelPoint && toggle.IsChecked == true)
                {
                    var mark = allPoints.Where(p => p.Name?.Equals(toggle.Content.ToString()) == true).FirstOrDefault();
                    if (mark == null)
                        continue;
                    mark.VideoPixelPoint = new OpenCvSharp.Point2d( pixcelPoint.X * axisX, pixcelPoint.Y * axisY -40 );
                    markPoints.Add(mark);
                }
            }
            return markPoints;
        }

        private void canvas_MouseLeftButtonUp(object sender, MouseButtonEventArgs e)
        {
            try
            {
                var clickPoint = e.GetPosition(this.canvas);
                var ellipse = DrawPoint();
                if (null == ellipse) return;
                this.canvas.Children.Add(ellipse);
                Canvas.SetLeft(ellipse, clickPoint.X - ellipseSize / 2);
                Canvas.SetTop(ellipse, clickPoint.Y - ellipseSize / 2);
                ellipse.Tag = new Point(clickPoint.X, clickPoint.Y);
                model.IsSelectting = false;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                this.Log(ex);
            }
        }

2.2 配准转换类

    public class VideoFieldTransform
    {
       private readonly Point2d[] point1;  //视频可视范围内的关键点坐标（4个以上）
       private readonly Point2d[] point2;  //真实球场坐标系 或 平面坐标系
       private readonly Mat H; //变换矩阵

        public VideoFieldTransform(List<VedioPointMark> pointMarks,bool haspoint2 = false)
        {
            if (!haspoint2)
            {
                //视频坐标投影到物理坐标
                pointMarks = pointMarks.OrderBy(p => p.Name).ToList();
                point1 = pointMarks.Select(p => p.FiledPoint).ToArray();
                point2 = pointMarks.Select(p => p.VideoPixelPoint).ToArray();
            }
            else
            {
                //物理坐标投影到图片
                point1 = new Point2d[] {
                                 new Point2d(0, 0),
                                  new Point2d(16.4f, 13.9f),
                                  new Point2d(52.5f, 0.0f),
                                  new Point2d(88.6f, 13.9f ),
                                  new Point2d(105f, 0.0f),
                                  new Point2d(105f, 68.0f),
                                  new Point2d(52.5f, 68f),
                                  new Point2d(0, 68f)
                              };
                point2 = new Point2d[] {
                                  new Point2d(0.0f, 0.0f ),
                                  new Point2d(164f, 152f ),
                                  new Point2d( 525f, 0.0f),
                                  new Point2d(886f, 152f),
                                  new Point2d(1050f, 0f),
                                  new Point2d(1050f, 699f),
                                   new Point2d(525f, 699f),
                                    new Point2d(0f, 699f),
                              };
            }
            H = CalculateHomoGraphy(haspoint2);
        }


        public static List<VedioPointMark> CreatePointMarks()
        {
            return new List<VedioPointMark>()
            {
                new VedioPointMark() {  Name = "A", FiledPoint = new Point2d(0, 0)},
                new VedioPointMark() {  Name = "D", FiledPoint = new Point2d(16.4f, 13.9f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "B", FiledPoint = new Point2d(52.5f, 0.0f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "E", FiledPoint = new Point2d(88.6f, 13.9f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "C", FiledPoint = new Point2d(105f, 0.0f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "J", FiledPoint = new Point2d(105f, 68.0f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "I", FiledPoint = new Point2d(52.5f, 68f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "H", FiledPoint = new Point2d(0, 68f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "F", FiledPoint = new Point2d(16.4f, 40.2f)},
                new VedioPointMark() {  Name = "G", FiledPoint = new Point2d(88.6, 40.2f)},
             };
        }

        /// <summary>
        ///     视频帧(假定摄像头位置不变)与 平面模式的球场位置的坐标系换算，求得矩阵
        /// </summary>
        /// <param name="make_rotate"></param>
        /// <returns>返回H 为变换矩阵</returns>
        private Mat CalculateHomoGraphy(bool make_rotate = false)
        {
            //var k = InputArray.Create(point2.GetData<float[]>());
            if (!make_rotate)
                return Cv2.FindHomography(point2, point1, HomographyMethods.Ransac);
            return Cv2.FindHomography(point1,point2, HomographyMethods.Ransac);
        }

        /// <summary>
        /// 根据坐标点(X,Y) 与 坐标系变换矩阵乘积，换算帧图像的位置到平面球场坐标的位置
        /// </summary>
        public Point Transform(Point p)
        {
            var img2Bounds = new[]
            {
                new Point2d(p.X, p.Y)
            };
            var img2BoundsTransformed = Cv2.PerspectiveTransform(img2Bounds, H);
            var drawingPoints = img2BoundsTransformed.Select(p => (Point)p).FirstOrDefault();
            return drawingPoints;
        }

    }

2.3 初始化

图D->图C，建立显示坐标系的配准基准点对（图C尺寸已知，所有关键位置A-J均已知）

其中，pointMarks为WPF标记的点集

if (pointMarks?.Count > 3)
     proj_field_to_top = new VideoFieldTransform(pointMarks);  //真实球场坐标

从绝对球场尺寸到显示尺寸的变换，参见1.2 D-C变换

 proj_field_2d = new VideoFieldTransform(true);  //平面显示坐标

加载底图

//加载球场真实坐标系底图
D_field_photo = LoadImages.Load("2D_field.png");

初始化目标检测

//对象检测,此处略...参见AI机器学习（五）相关的内容 
detector = new DetectorYolov7();

2.4 逐帧变换

假设某个球员的Mat 区域，在视频中的像素位置标记为rect

//获取帧图片
foreach(var frame in LoadImages.LoadVideo("你的视频路径"))
{
    Mat imagedetect = new Mat();
    //投影所有的球员
    foreach(var prediction =detector.Detect(imagedetect))
    {
        var rect = prediction.Rectangle;
        //拷贝真实球场坐标底图  
        var J = D_field_photo.Clone();
        //转换坐标系
        var pfield = proj_field_to_top.Transform(new OpenCvSharp.Point(rect.X , rect.Y));
        //用于显示的图像
        var pshow = proj_field_2d.Transform(new OpenCvSharp.Point(pfield.X, pfield.Y));
        Cv2.Circle(J, pshow.X, pshow.Y, 10, Scalar.LightCyan, -1);
        //发送给前端WPF，这里没给出用于显示的页面，大家自己实现一个即可，只需要一个Image控件
        OnDisplay?.Invoke(null, J.Resize(new OpenCvSharp.Size(300, 200)).ToBytes());
    }
}

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文章目录123.买卖股票的最佳时机III188.买卖股票的最佳时机IV123.买卖股票的最佳时机III 文章讲解&#xff1a;代码随想录 (programmercarl.com) 题目链接&#xff1a;123. 买卖股票的最佳时机 III - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09; 题目&#xff1a; 给定一个数组&…
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[附源码]Python计算机毕业设计感动校园人物投稿网站Django（程序+LW）

[附源码]Python计算机毕业设计感动校园人物投稿网站Django（程序+LW）

该项目含有源码、文档、程序、数据库、配套开发软件、软件安装教程 项目运行 环境配置&#xff1a; Pychram社区版 python3.7.7 Mysql5.7 HBuilderXlist pipNavicat11Djangonodejs。 项目技术&#xff1a; django python Vue 等等组成&#xff0c;B/S模式 pychram管理等…
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极简入门 2022 docker 部署skywalking9.2.0

极简入门 2022 docker 部署skywalking9.2.0

安装skywalking服务 官方地址&#xff1a;官网 安装文档&#xff1a;文档地址 拉取镜像 docker pull apache/skywalking-oap-server:9.2.0 docker pull apache/skywalking-ui:9.2.0运行skywalking-oap容器 docker run --name skywalking-oap -e TZAsia/Shanghai -p 12800:1…
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ffmpeg的基本用法

ffmpeg的基本用法

title: ffmpeg的基本用法 categories:[ffmpeg] tags:[音视频编程] 一、ffmpeg的安装 1.Centos安装 FFmpeg 在默认的CentOS 8 源仓库中没有提供。你可以选择通过源文件编译安装 FFmpeg&#xff0c;或者使用dnf工具从Negativo17源仓库中安装。我们将会使用第二个选项。 完成…
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正大期货数据整合 新鲜事简单报

正大期货数据整合 新鲜事简单报

本周观察重点: &#x1f539;美国11月CPI数据昨晚公布为7.1%&#xff0c;低于市场预期7.3%&#xff0c;较于前值7.7%大幅回落&#xff0c;随通膨回落&#xff0c;静待联准会未来货币政策方向。 12/15 (四) 美国、香港、欧洲、英国、台湾央行12月利率决策会议 12/16 (六) 日本、…
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基于java+springboot+mybatis+vue+mysql的小学家校一体作业帮

基于java+springboot+mybatis+vue+mysql的小学家校一体作业帮

项目介绍 本系统采用java语言开发&#xff0c;后端采用springboot框架&#xff0c;前端采用vue技术&#xff0c;数据库采用mysql进行数据存储。系统功能如下&#xff1a; 前台&#xff1a; 首页、微社区、试卷、公告通知、个人中心、后台管理 后台&#xff1a; 首页、个人中…
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SpringCloud02

SpringCloud02

1.Nacos配置管理 Nacos除了可以做注册中心&#xff0c;同样可以做配置管理来使用。 1.1.统一配置管理 当微服务部署的实例越来越多&#xff0c;达到数十、数百时&#xff0c;逐个修改微服务配置就会让人抓狂&#xff0c;而且很容易出错。我们需要一种统一配置管理方案&#xff…
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技术分享 | 软件项目管理与跨部门沟通协作

技术分享 | 软件项目管理与跨部门沟通协作

项目管理是在项目活动中运用知识、技能、工具和方法&#xff0c;以便达到项目要求。 软件项目管理有其特定的对象、范围和活动&#xff0c;着重关注成本、进度、风险和质量的管理&#xff0c;还需要协调开发团队和客户的关系&#xff0c;协调内部各个团队之间的关系&#xff0…
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怎么把pdf格式转成word文档？如何将 PDF 转换为 Word

怎么把pdf格式转成word文档？如何将 PDF 转换为 Word

怎么把pdf格式转成word文档&#xff1f;PDF是运用得很广泛地的办公文档&#xff0c;但是不能编辑&#xff0c;为了方便编辑&#xff0c;需要将PDF转换为word&#xff0c;那么&#xff0c;如何将 PDF 转换为 Word&#xff0c;下面&#xff0c;易我小编会讲解实用的pdf转word的操…
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