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在油管上有這么一位博主Shane Wighton，他在運(yùn)動方面經(jīng)常被妻子血虐。于是，他經(jīng)常造一些諸如“百發(fā)百中弓箭”、“百發(fā)百中籃球板”等作弊道具來挑戰(zhàn)他妻子。
這一次，Shane Wighton買了設(shè)備跟妻子打臺球。結(jié)果不出意料，Shane Wighton再次被妻子無情嘲諷。
既然正常比賽打不過，那就用科技打敗魔法。Shane Wighton決定發(fā)動自己的天賦技能“創(chuàng)造”，打造一根全自動球桿。
這個玩意有多酷呢，球桿的算法會自動計(jì)算最優(yōu)的擊球路徑，桌球臺上方的投影儀會給出最佳擊球位置，使用者只需要扣動扳機(jī)即可變身桌球國手。
具體效果如何？咱直接看動圖。
只見使用者拿起球桿，上膛、扣扳機(jī)、球桿自瞄、擊球入洞這一系列動作行云流水。使用者需要做的僅僅是把球桿對準(zhǔn)白球，球桿就會自動計(jì)算擊球路徑，完成擊球。真正做到“我有手，我上我也行”。
那么一根自瞄球桿是怎么制作的呢？
制作自瞄球桿，需要完成“球桿改造”以及“自瞄系統(tǒng)搭建”等兩項(xiàng)工作。其工作難度，也是只有億點(diǎn)點(diǎn)拉，懂一點(diǎn)高數(shù)、機(jī)械原理、代碼編程、視覺算法、機(jī)器學(xué)習(xí)，再有一個靈光一點(diǎn)的腦子就行啦。
首先，讓我們看一下球桿改造部分。進(jìn)行球桿改造，主要需要球桿能夠?qū)崿F(xiàn)球桿方向自動調(diào)節(jié)、自動推桿擊球以及接收來自瞄準(zhǔn)系統(tǒng)反饋的擊球操作。
關(guān)于球桿的方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)，作者分享了他在前期思考時腦海中的畫面就像下圖這樣。他希望球桿能夠擁有靈活的高精度方向調(diào)控能力，同時兼具在高速撞擊臺球時能保持方向不變的剛度。
這個方向調(diào)節(jié)體型，小伙伴們心里有想法嗎？
為了實(shí)現(xiàn)球桿能夠滿足使用需求，作者采用了擁有6個自由度的平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)“Stewart”（斯圖爾特平臺），能夠很好的完成球桿調(diào)節(jié)方向的功能。
確定好調(diào)節(jié)方向的工具之后，作者開始進(jìn)入鋼鐵俠造鎧甲模式。先是計(jì)算各個元器件的尺寸，在電腦上建模模擬運(yùn)動效果，編寫代碼。
接著火力全開，自己完成零部件加工、設(shè)備安裝等。
這貨家里簡直就是個小型加工廠，我絲毫不懷疑在資金充足的情況下，他能打造出一具鋼鐵俠鎧甲。
小伙伴們要注意用于控制支腿的伺服電機(jī)進(jìn)行潤滑，不然球桿可能會像下面這樣瘋狂抽搐。。。
搞定方向調(diào)節(jié)裝置，接下來便是自動推桿擊球功能的實(shí)現(xiàn)。相較于斯圖爾特平臺的復(fù)雜，推桿擊球功能明顯要更加的簡單，使用一個氣缸即可完成。
這樣，通過斯圖爾特平臺和氣缸這兩個工具，我們的球桿已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多方向調(diào)節(jié)已經(jīng)自動推桿，接下來便是安裝單片機(jī)以及無線模塊，實(shí)現(xiàn)球桿的方向調(diào)節(jié)及推桿可控。
正所謂，不會機(jī)械加工的程序員不是好工程師，作者通過一頓操作，把代碼便攜、零件加工和設(shè)備調(diào)試等工作全部包攬了。
至此，球桿的改造工作基本完成，接下來要進(jìn)行的就是自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的制作了。
制作自瞄系統(tǒng)，一共要完成“視覺定位”、“軌跡計(jì)算”這兩大部分。
我們先來說比較容易理解的視覺定位部分。視覺定位系統(tǒng)主要有一臺安裝在桌球頂部的攝像機(jī)提供畫面支持，攝像機(jī)將錄制到的畫面?zhèn)鬏數(shù)诫娔X，電腦在進(jìn)行畫面分析。
嗯，這臺攝像機(jī)還可以進(jìn)行移動調(diào)整錄制角度，全方面無死角的捕捉臺球桌上的臺球，掌控全局！是不是有種動漫里面主角開掛的既視感，五條悟直呼內(nèi)行。
當(dāng)然，我們還需要一些輔助措施讓電腦將接收到的畫面調(diào)整為與實(shí)際畫面一致，防止擊球軌跡出錯，導(dǎo)致球不入洞。
作者通過在臺球桌上黏貼白點(diǎn)以及QR碼的方式，讓電腦進(jìn)行基準(zhǔn)面調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了臺球桌在電腦內(nèi)畫面始終方正的樣子。
接下來，使用一丟丟魔法代碼，讓計(jì)算機(jī)識別臺球、球洞以及庫邊。
代碼完成。接下來，電腦可以根據(jù)基準(zhǔn)面反推出球洞、桌面保險桿以及球的位置，再通過視覺算法進(jìn)行標(biāo)記，完成目標(biāo)識別。
這下球和球洞都能識別了，該開始讓球桿自己開始學(xué)習(xí)擊球了，也就是進(jìn)入自瞄系統(tǒng)的“軌跡計(jì)算”部分。
要想完成軌跡計(jì)算，首先要讓電腦知道球桿朝向。萬能QR貼紙?jiān)俅纬霈F(xiàn)，一張貼紙能讓電腦找到球桿，兩張貼紙讓電腦明白球桿指向，居家diy必備好伴侶。
QR貼紙：我標(biāo)記了一處地點(diǎn)。
但是等一下，這兩張QR碼只能在電腦上形成也和2D圖像，電腦并不知道球桿的傾斜角呀，這擊球的時候豈不是亂了套？
那怎么省時省力的獲取傾斜角呢？讓我們看看電腦感知到的畫面中哪些數(shù)據(jù)跟傾斜角相關(guān)。
最后，作者發(fā)現(xiàn)電腦能直觀獲得的便是球桿2個QR碼所生成圖像長度的變化，而圖像長度的變化受傾斜角的影響。（這題我會啊，小學(xué)時候?qū)W的解方程嘛！）
也就是說，我們用一把量角器量得傾斜角的度數(shù)，再結(jié)合電腦中圖像長度的變化，我們就可以獲得傾斜角和圖像長度的變化關(guān)系。將這個變化關(guān)系輸入到代碼中，代碼便可以通過圖像長度自動計(jì)算球桿的傾斜角。
為了減少用手支撐球桿發(fā)生的抖動影響計(jì)算機(jī)計(jì)算傾斜角，作者還給球桿設(shè)計(jì)了一個支架，增加球桿的穩(wěn)定性。
這樣架起來的球桿，倒是有幾分炮臺的感覺了~
球桿及臺面數(shù)據(jù)已經(jīng)識別完成，接下來就是進(jìn)入擊球軌跡測算的環(huán)節(jié)。在算法實(shí)裝之前，作者先在電腦上做了一個簡單的算法進(jìn)行球桿的擊球測試。這個算法會告訴作者擊球路徑及角度。
看著好像挺酷的，但是電腦桌面跟臺球桌面離那么遠(yuǎn)，不可能每次測試都往電腦瞟一眼呀。
于是乎，作者做了一件非常酷的事情，他將投影儀安裝到臺球桌頂部，將電腦畫面投影到桌面上，直接把臺球桌變成了星際作戰(zhàn)會議桌。
不得不說，這個投影儀和界面設(shè)計(jì)，很有衛(wèi)星追蹤的感覺。
接下來，萬事俱備，只欠東風(fēng)。最后再把算法這些再過一遍，自瞄球桿準(zhǔn)備進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)！
把老婆叫過來，摩拳擦掌，準(zhǔn)備讓她看一眼自己的發(fā)明。
天際鷹眼系統(tǒng)已就位，地面已接收到鷹眼運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)，球桿出擊！
嗯，怎么說呢，這么近距離能夠成功讓球不進(jìn)洞，也算是一種另類的精準(zhǔn)吧。難道說運(yùn)動天賦差的人做出來的道具也沒有運(yùn)動天賦嗎？
再把各種公式各種軌跡運(yùn)算數(shù)據(jù)重新計(jì)算整理，球桿還是時靈時不靈，完全摸不透出錯的規(guī)律。
思來想去，軌跡計(jì)算公式?jīng)]有出錯，球桿的推桿精度沒有出錯，那只能是在進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)之前的某個環(huán)節(jié)存在問題。最終，作者將問題鎖定到了用于錄制畫面的攝像機(jī)上面。
由于廣角攝像頭的采用，攝像機(jī)錄錄制的畫面是存在光學(xué)畸變的，即便通過算法進(jìn)行畸變校正，問題仍然存在。
面對這種畸變，作者最開始想通過物理校準(zhǔn)的方式來消除畸變，但連續(xù)四天的失敗嘗試，讓他意識到情況不對勁，不論他怎么做，軌跡測算就是會出現(xiàn)問題。
想來想去沒辦法，他重新聚焦算法，想從算法這一塊入手。這一看直接讓他發(fā)現(xiàn)了失誤的源頭——他用于矯正畸變的算法，其實(shí)是之前針對另一款攝像機(jī)設(shè)計(jì)的，他只要將算法修改為適用于正在工作的攝像機(jī)就好了。
終于，皇天不負(fù)有心人，修改完算法之后的擊球軌跡總算正常了，擊球嘎嘎猛。
至此，雖然球桿還未開發(fā)自瞄功能，目前也只是充當(dāng)了自動擊球的作用，但經(jīng)歷了第一波被老婆嘲諷以后。他決定謹(jǐn)慎行動，先多番測試一下球桿的穩(wěn)定性。
不得不說，Shane Wighton確實(shí)是一個會整活的鬼才。測試算法是枯燥的，于是他想了個辦法，拉別人入伙來一起做測試。
通過在網(wǎng)站上制作一個簡單的小程序，參與測試的人可以獲得自動球桿的控制權(quán)以及在桌球臺上標(biāo)記擊球點(diǎn)進(jìn)行擊球。
經(jīng)過多輪測試以后，球桿的擊球獲得了保證，作者同時還獲得了大量的擊球數(shù)據(jù)，為后面的自瞄算法提供了數(shù)據(jù)支撐。
所有的基礎(chǔ)問題已經(jīng)解決，接下來就是完善算法，實(shí)現(xiàn)球桿擁有大腦，成為真正的自瞄球桿。
在算法設(shè)計(jì)當(dāng)中，作者希望每次擊球開始時，電腦會自動計(jì)算所有潛在的擊球路徑，并選擇能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)擊球進(jìn)洞的最優(yōu)路徑。
要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)能夠提供精準(zhǔn)的擊球路徑，大量的機(jī)器學(xué)習(xí)那是必須的。但是迫切想要一雪前恥的心不允許作者花費(fèi)太多的時間在機(jī)器學(xué)習(xí)上面。
于是乎，作者采用了一個相對來說更便捷高效的方法——繪制有向圖。簡單來說，通過有向圖，作者讓電腦學(xué)會了在保證能進(jìn)球的情況下計(jì)算擊球時的最短路徑。
這一頓操作下來，臺球桌在電腦眼里看來已經(jīng)變成這個樣子了，有種在打海戰(zhàn)時，魚雷追蹤船只的感覺。
接下來，超級大腦已部署，星際目標(biāo)指引衛(wèi)星（投影儀）已部署，球桿準(zhǔn)備就緒。Shane Wighton再次向他老婆發(fā)起了挑戰(zhàn)。
這一次，由Shane Wighton的老婆開球，打了2桿之后，輪到Shane Wighton擊球。然后，便是Shane Wighton的擊球，Shane Wighton的擊球，Shane Wighton的擊球，徹底展示什么叫做理工直男。
最后，讓我們了解一下作者。Shane Wighton之前就讀于北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校，擁有機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位和計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位，目前在 3D 打印技術(shù)開發(fā)商和制造商 Formlabs 公司擔(dān)任首席工程師。
Shane Wighton本人在油管上擁有非常高的熱度，因?yàn)樗拮拥倪\(yùn)動天賦確實(shí)過于強(qiáng)大，導(dǎo)致Shane Wighton經(jīng)常需要制作一些黑科技來找回一點(diǎn)“面子”。
除了自瞄球桿以外，作者還制作了，全自動瞄準(zhǔn)弓箭，百發(fā)百中籃球板，全自動理發(fā)機(jī)等黑科技設(shè)備，活脫脫的物理外掛制造家。
原視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=vsTTXYxydOE
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