在油管上有這么一位博主 Shane Wighton，他在運(yùn)動(dòng)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(lái)挑戰(zhàn)他妻子。

這一次，Shane Wighton 買(mǎi)了設(shè)備跟妻子打臺(tái)球。結(jié)果不出意料，Shane Wighton 再次被妻子無(wú)情嘲諷。

既然正常比賽打不過(guò)，那就用科技打敗魔法。Shane Wighton 決定發(fā)動(dòng)自己的天賦技能 " 創(chuàng)造 "，打造一根全自動(dòng)球桿。

這個(gè)玩意有多酷呢，球桿的算法會(huì)自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)的擊球路徑，桌球臺(tái)上方的投影儀會(huì)給出最佳擊球位置，使用者只需要扣動(dòng)扳機(jī)即可變身桌球國(guó)手。

具體效果如何？咱直接看動(dòng)圖。

只見(jiàn)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(dòng)作行云流水。使用者需要做的僅僅是把球桿對(duì)準(zhǔn)白球，球桿就會(huì)自動(dòng)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？

兩大裝置打造自瞄球桿

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(jué)算法、機(jī)器學(xué)習(xí)，再有一個(gè)靈光一點(diǎn)的腦子就行啦。

球桿改造

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(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)推桿擊球以及接收來(lái)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(shí)腦海中的畫(huà)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(shí)兼具在高速撞擊臺(tái)球時(shí)能保持方向不變的剛度。

這個(gè)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(gè)自由度的平臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu) "Stewart"（斯圖爾特平臺(tái)），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(kāi)始進(jìn)入鋼鐵俠造鎧甲模式。先是計(jì)算各個(gè)元器件的尺寸，在電腦上建模模擬運(yùn)動(dòng)效果，編寫(xiě)代碼。

接著火力全開(kāi)，自己完成零部件加工、設(shè)備安裝等。

這貨家里簡(jiǎn)直就是個(gè)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(rùn)滑，不然球桿可能會(huì)像下面這樣瘋狂抽搐。。。

搞定方向調(diào)節(jié)裝置，接下來(lái)便是自動(dòng)推桿擊球功能的實(shí)現(xiàn)。相較于斯圖爾特平臺(tái)的復(fù)雜，推桿擊球功能明顯要更加的簡(jiǎn)單，使用一個(gè)氣缸即可完成。

這樣，通過(guò)斯圖爾特平臺(tái)和氣缸這兩個(gè)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(dòng)推桿，接下來(lái)便是安裝單片機(jī)以及無(wú)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(huì)機(jī)械加工的程序員不是好工程師，作者通過(guò)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(lái)要進(jìn)行的就是自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的制作了。

自瞄系統(tǒng)

制作自瞄系統(tǒng)，一共要完成 " 視覺(jué)定位 "、" 軌跡計(jì)算 " 這兩大部分。

我們先來(lái)說(shuō)比較容易理解的視覺(jué)定位部分。視覺(jué)定位系統(tǒng)主要有一臺(tái)安裝在桌球頂部的攝像機(jī)提供畫(huà)面支持，攝像機(jī)將錄制到的畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)诫娔X，電腦在進(jìn)行畫(huà)面分析。

嗯，這臺(tái)攝像機(jī)還可以進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整錄制角度，全方面無(wú)死角的捕捉臺(tái)球桌上的臺(tái)球，掌控全局！是不是有種動(dòng)漫里面主角開(kāi)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(huà)面調(diào)整為與實(shí)際畫(huà)面一致，防止擊球軌跡出錯(cuò)，導(dǎo)致球不入洞。

作者通過(guò)在臺(tái)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(tái)球桌在電腦內(nèi)畫(huà)面始終方正的樣子。

接下來(lái)，使用一丟丟魔法代碼，讓計(jì)算機(jī)識(shí)別臺(tái)球、球洞以及庫(kù)邊。

代碼完成。接下來(lái)，電腦可以根據(jù)基準(zhǔn)面反推出球洞、桌面保險(xiǎn)桿以及球的位置，再通過(guò)視覺(jué)算法進(jìn)行標(biāo)記，完成目標(biāo)識(shí)別。

這下球和球洞都能識(shí)別了，該開(kāi)始讓球桿自己開(kāi)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(wàn)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(shí)候豈不是亂了套？

那怎么省時(shí)省力的獲取傾斜角呢？讓我們看看電腦感知到的畫(huà)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(gè) QR 碼所生成圖像長(zhǎng)度的變化，而圖像長(zhǎng)度的變化受傾斜角的影響。（這題我會(huì)啊，小學(xué)時(shí)候?qū)W的解方程嘛！）

也就是說(shuō)，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(zhǎng)度的變化，我們就可以獲得傾斜角和圖像長(zhǎng)度的變化關(guān)系。將這個(gè)變化關(guān)系輸入到代碼中，代碼便可以通過(guò)圖像長(zhǎng)度自動(dòng)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(dòng)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(gè)支架，增加球桿的穩(wěn)定性。

這樣架起來(lái)的球桿，倒是有幾分炮臺(tái)的感覺(jué)了 ~

球桿及臺(tái)面數(shù)據(jù)已經(jīng)識(shí)別完成，接下來(lái)就是進(jìn)入擊球軌跡測(cè)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(gè)簡(jiǎn)單的算法進(jìn)行球桿的擊球測(cè)試。這個(gè)算法會(huì)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(tái)球桌面離那么遠(yuǎn)，不可能每次測(cè)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(tái)球桌頂部，將電腦畫(huà)面投影到桌面上，直接把臺(tái)球桌變成了星際作戰(zhàn)會(huì)議桌。

不得不說(shuō)，這個(gè)投影儀和界面設(shè)計(jì)，很有衛(wèi)星追蹤的感覺(jué)。

接下來(lái)，萬(wàn)事俱備，只欠東風(fēng)。最后再把算法這些再過(guò)一遍，自瞄球桿準(zhǔn)備進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)！

把老婆叫過(guò)來(lái)，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(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，球桿出擊！

嗯，怎么說(shuō)呢，這么近距離能夠成功讓球不進(jìn)洞，也算是一種另類(lèi)的精準(zhǔn)吧。難道說(shuō)運(yùn)動(dòng)天賦差的人做出來(lái)的道具也沒(méi)有運(yùn)動(dòng)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(shí)靈時(shí)不靈，完全摸不透出錯(cuò)的規(guī)律。

思來(lái)想去，軌跡計(jì)算公式?jīng)]有出錯(cuò)，球桿的推桿精度沒(méi)有出錯(cuò)，那只能是在進(jìn)入計(jì)算環(huán)節(jié)之前的某個(gè)環(huán)節(jié)存在問(wèn)題。最終，作者將問(wèn)題鎖定到了用于錄制畫(huà)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(huà)面是存在光學(xué)畸變的，即便通過(guò)算法進(jìn)行畸變校正，問(wèn)題仍然存在。

面對(duì)這種畸變，作者最開(kāi)始想通過(guò)物理校準(zhǔn)的方式來(lái)消除畸變，但連續(xù)四天的失敗嘗試，讓他意識(shí)到情況不對(duì)勁，不論他怎么做，軌跡測(cè)算就是會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

想來(lái)想去沒(méi)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(duì)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(kāi)發(fā)自瞄功能，目前也只是充當(dāng)了自動(dòng)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(dòng)，先多番測(cè)試一下球桿的穩(wěn)定性。

不得不說(shuō)，Shane Wighton 確實(shí)是一個(gè)會(huì)整活的鬼才。測(cè)試算法是枯燥的，于是他想了個(gè)辦法，拉別人入伙來(lái)一起做測(cè)試。

通過(guò)在網(wǎng)站上制作一個(gè)簡(jiǎn)單的小程序，參與測(cè)試的人可以獲得自動(dòng)球桿的控制權(quán)以及在桌球臺(tái)上標(biāo)記擊球點(diǎn)進(jìn)行擊球。

經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試以后，球桿的擊球獲得了保證，作者同時(shí)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(wèn)題已經(jīng)解決，接下來(lái)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(kāi)始時(shí)，電腦會(huì)自動(dòng)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(shí)間在機(jī)器學(xué)習(xí)上面。

于是乎，作者采用了一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)更便捷高效的方法——繪制有向圖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過(guò)有向圖，作者讓電腦學(xué)會(huì)了在保證能進(jìn)球的情況下計(jì)算擊球時(shí)的最短路徑。

這一頓操作下來(lái)，臺(tái)球桌在電腦眼里看來(lái)已經(jīng)變成這個(gè)樣子了，有種在打海戰(zhàn)時(shí)，魚(yú)雷追蹤船只的感覺(jué)。

接下來(lái)，超級(jí)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(dòng)天賦確實(shí)過(guò)于強(qiáng)大，導(dǎo)致 Shane Wighton 經(jīng)常需要制作一些黑科技來(lái)找回一點(diǎn) " 面子 "。

除了自瞄球桿以外，作者還制作了，全自動(dòng)瞄準(zhǔn)弓箭，百發(fā)百中籃球板，全自動(dòng)理發(fā)機(jī)等黑科技設(shè)備，活脫脫的物理外掛制造家。