（运动人体科学专业论文）摄像测量方法的误差比较与分析.pdf

睿 落 味肆寸 大 梦 、 . 嘿 黑北京体育 大 学硕 士(毕业 ) 学位 论文 摄 像 测 量 方 法 的误 差 比较 与分析 c om p a r e an d a llaly ze o f th e e r r o r s f o r p h otog r am m e娜 培养单位 : 北 京体 育 大 学 一级 学科 : 体 育 学 二级学科 :运 动人体 科 学 研 究方 向: 运 动 生物 力 学 研究 生: 郑 义 指 导教 师:曲峰 二 0 0 七 年 五 月 二十八 日 论文 随机 验 证 编 号 : bt20075282o1622.774740 1 北京体 育大 学 学位论 文版权使用授权 书 本人完 全 了解 学校 有 关 保 留 、使川学 位 论文 的规 址 ， 司 意学校对 本人递交 的学位 沦文 摄像 测量 方法 的误 差 比较 与 分析 保 留井 向国家有 关部 门或机 构送 交 沦文的复印件 和 电 子版 ，允许在校 内和 与学校有 l 办议 的部 j公布论文 少 被 查阅 和借 阅 。 本厂 人授权 北京 体育 人学一!i j 以将 本学位 沦 妇沟全部或 部分 内杯 编 入 子 j 关 数据 库巡 行检索 ， ， 月 以采 川影印 、缩 印或侧描 等 复 制手段 保 存和川_ 编 本学 位 i 仑文 。 保 密口 ，在年解密后适 川本授权 1弓 。 以 、 学 位 沦文属 丁 不保 袋 越习。 ( 、 i 了 在 以 _与 一 枢 内扫一 “了” ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 郑 义 净女 l! gj:.屯 少 仁 ) 匕勺 几 /! _)一 十八 ! 之训:叶价 ， t结 叩: 1 : l 川 (， 了 亡月 洲 6止 兰 .丁 丁， 川川 北京体 育大学学位 论文原创性声 明 本人郑重声 明: 本人所 呈交 摄像测量方法 的误差 比较与分 析是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文 中己经注 明引用的内容外 ，本论文不包含任何其他个人或集 体 己经 发表或撰写过 的作 品成果 。对本文 的研究做 出重要贡献 的 个人和集体 ，均 己在文 中 以明确 方式标 明并致谢 。本人完全意识 到本声 明的法律结果 由本人承担 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 郑 义 释交 日期 : 二 0 0 七年 五 月二十 八 日 论文 随机 验 证 编 号: b r200752820 1622.774740 1 摄像测量方法 的误差 比较与分析 摘要 研 究 目的: 运动 生物 力学研 究 的一个重要部分是如何 获得科学 的 、真实 的运动学参数 ， 从而进 一步使人们 从运 动 生物 力学 的角度揭 示运动 的本质 。为 了适应深入 了解 人体运动和动作技术细节的要求 ，为使分析结果更接近 实际情况 ，提 高测量数 据 的准确性 己成 为必然 。当前对人体运动学参数研 究的主要手段是摄像测量分 析方法 ，本文主要对其 中的平面跟踪和立体 定机摄像测量法 的误差进行 比较 与 分析 。 研 究方法 : 平面跟踪摄像测量方法 、立体定机摄像测量方法 。 研究结论与建议 : l、平面跟踪摄像测量方法 中，解析点图像 的成像越大 ，标定的误差就越小 。 并且水 平方 向上产 生 的误差 明显 小于垂直方 向上 的误 差 。在平 面跟踪拍摄 时 ， 摄像机 主光轴 与垂直 方 向的夹 角要在 2 0 “的范 围以内。 2、立体 定机摄像测量方法 中，要使控制 点均匀分布在控制 空间范围 内。控 制 点的数量越 多，标 定精度越 高 。被标 定范 围的半径在 4.5 米 以邮 寸，标定精 度有所 降低 ; 被标 定范 围的半径在 6 米 以及 7.5 米 以内时 ，标 定精度显著下 降。 3、立体 定机拍摄 时 ，如果超 出控 制范 围的运动 ，建议要使被标定对象在两 台摄像机 中的成像分别位于控制 点的两侧 。同时摄像机主光轴 的夹角在 6 0 “到 120”的范 围 内，夹 角较 小 时标 定效果较 好 。 4 、立 体 定机摄 像测 量 方法 中 ，图像成像较 大 时标 定精度 较 高 。但 并不是成 像越 大越好 ，成像过 大 ，在 图像边缘 由于镜头 的畸变会使标 定精度下降。 5、立 体 定机摄 像 测 量方法 中 ，在控 制 点范 围 内，s i m i、ari e l 和视迅三种 解 析 系统 的标 定精度 基 本相 同; 在控 制 点范 围 以外 ，ar i e l和视迅 系统 的标 定误 差基本 一致 ，而 s i m i系统 的标 定误 差偏 大 ，并且 s i m i系统 中 dlt 1 6 算法 与其 它三种算法相 比标 定误 差偏大 ，其原 因还有 待进 一步研 究 。 关键 词 : 运动 生物 力学 : 摄像测量 ; 误 差 论 文 随 机验 证编 号 : bt2007528201622.7747401 摄像测量方法 的误差 比较与分析 a b s t r a c t r e s e r e h in t e n t io n : a n s ig n i f ie a n t p a r t o f b io m e e h a n ie s s tu d ie s 15 o n h o w to o b ta in s e ie n t if ie a n d a u t h e n t ie k in e m a t ie p a r a m e t e r s in o r d e r to 1 1 lu m in a t e t h e n a tu r e o f m o v em e n t fr o m b io m e e h a n ie s p e r s p e e t iv e . im p r o v e d a e e u r a e y o f s ta t is t ie s 15 im p e r a t iv e to m e e t th e r e q u ir e m e n t s fo r a n in 一 d e p th u n d er s ta n d in g o f te e h n ie a l d e ta ils o f h um a n m o t io n s a n d m o r e f a i t h f u l r e su l t s .c u r r e n t ly ， p h o to g r a p h ie im a g e a n a l y s is h a s b e e n a major method in para meter researeh of human b iom eehn ies. r e s e r e h m e t h o d : p a n n in g p h o t o g r a p h ie m e a s u r in g m e t h o d 、th r e e 一 d im e n s io n a l p h o to g r a p h ie m e a s u r in g m e t h o d . r e s e r e h e o n e lu s io n a n d s u g g e st io n : 1 、 in t h e p a n n in g p h o t o g r a p h ie m e t h o d ，t h e b ig g e r t h e im a g e o f m a r k e r s 15 ，t h e sm a l le r th e e r r o r 15 a n d th e h o r iz o n ta l d ir e e t io n p r o d u e e s sm a l le r e r r o r s th a n t h e v e r t ie a l d ir e e t io n .in a d d it io n ， th e a n g e o f t h e e a m e r a m a 1 n a x 1 5 a n d t h e v e r t ie a l d ir e e t io n s h o u ld w it h in 2 0 “ . 2 、 in th e t h r e e 一 d im e n s io n a l p h o to g r a p h ie m e a su r in g m e t h o d ， t h e e o n tr o l p o in t s h o u ld b e w e l l一 d i s t r ib u te d in t h e e o n tr o l s p a e e . t h e la r g e r t h e n u m b e r o f e o n tr o l p o in t ， t h e h ig h e r t h e e a l ib r a t io n a e e u r a e y .w h e n t h e r a d iu s o f t h e e o n t r o l s p a e e w i th in 4 . 5 m e t e r s ， t h e e a l ib r a t io n a e e u r a e y h a s r e d u e e s : w h e n t h e r a d iu s o f t h e e o n t r o l s p a e e w i t h in 6 m e t e r s a n d w i t h in 7 . 5 m e t e r s ， t h e e a l ib r a t io n a e e u r a e y r e m a r k a b le d r o p . 3 、 in t h e t h r e e 一 d im e n s io n a l p h o to g r a p h ie m ea s u r in g m e t h o d ， if t h e m o v e m e n t e x e e e d t h e e o n tr o l s p a e e ， w e s u g g e s t th a t m a r k e r s s h o u ld a t th e tw o s id e s o f t h e e o n tr o l p o in t in t h e im a g in g o f t h e tw o e a m e r a . s im u l ta n e o u s ly t h e a n g le o f e a m e r a s m a in a x is in 6 0 “to 12 0 “ ， t h e sm a l le r t h e a n g le ， t h e b e t te r t h e e a l ib r a t io n a e e u r a e y . 论文随机验 证 编 号 : bt20075282o 1622.7747401 摄像测量方法 的误差 比较与分析 4、in t h e t h r e e 一 d im e n s io n a l p h o t o g r a p h ie e a l ib r a t io n a e e u r a e y w i l l b e b e t t e r w h e n t h e im a g e no t th e im a g e b ig g er w e l l， if th e im a g e 15 to o la r g e ， ea n r e du e e th e ea l ib r a t io n a e e u ra e y in e d g e o f th e m e a s u r in g m e t h o d 15 la r g e r . th e le n s lm a g e . b u t it 15 d 1 s t o r t io n 5 、 in t h e th r e e 一 d im e n s io n a l p h o t o g r a p h ie m e a s u r in g m e t h o d ， in th e e o n t r o l s p a e e ， s im i 、 a r ie l a n d s h ix u n a n a ly s is s y s t em s b a s ie a l ly h a v e t h e sa m e e a l ib r a t io n a e e u r a e y .o u t o f t h e e o n tr o l s p a e e ， th e e r r o r o f t h e a r ie l a n d s h ix u n a n a ly s is sy s t e m s 1 5 b a s ie a l ly th e sa m e ，b u t th e e r r o r o f t h e s im i 1 5 la r g e r .a n d t h e e r r o r o f d l t 16 a lg o r i t hm in t h e s im i a n a ly s is s y s t em s 1 5 la r g e r t h a n t h e o th e r th r e e a lg o r it hm s ， t h e e a u s e n e e d a d v a n e e d r e s e a r e h . k e y w o r d s :b io m e e h a n ie s ;p h o t o g r a m me tr y :e r r o r s 论 文随机验 证编 号 : bt200752820 1622.774740 1 摄像测量方法 的误差 比较与分析 目录 1前 言 . 4 1.1摄像 测量方法概述 ， . 4 1.1.1摄像测 量方法 的分类 . ， . 4 1 .1.1.1平面定机摄像测量方法 . . 4 1.1.1.2平面跟踪摄像测量方法 . 5 1.1.1.3立体定机摄像测量方法 . ， . . 6 1.1.2摄 像测 量方法 的发展状况 . 6 1.2图像解析 . . 7 1.2. 1图像采集 . 7 1.2.2图数转 换 . 8 1.2.3数据 处理 .8 1.2.4录像解析 系统 的 发展状况 . . 9 1.3摄像 测 量方法 的误 差 . 9 1.3.1误 差的分类 . 1 0 1.3. 1.1系统误 差 . 1 0 1.3.1.1. 1工 具误 差 . .h 1.3. 1. 1.2装 置 误 差 .1 1 1.3. 1. 1.3方 法 误 差 .h 1.3. 1. 1.4拍 摄 平 面 与运 动 平 面 不重 合造 成 的误差 .1 1 1.3.1. 1.5比例 系数 的误 差 .1 2 1.3.1.1.6解析 系统 的误 差 . 1 2 .3.1.2随机误 差 . 1 3 1.3. 1.2. 1数据 处理 中的误 差 .， .l : 3 1.3.1.2.2人体 测 量 点 的估 计 误差 .1 3 1.3.2国 内外 对摄 像测 量 方法 误 差 的研究 .，1 4 论文随机验 证编 号: bt20( )7 1 1 56 1316.7055475 一1 摄像测量方法 的误差 比较与分析 3 . 2 3 . 2 . 2 国内对摄像测 量方法误差 的研究 国外对摄 像测 量方法误 差的研究 14 l5 6 o c o c 1 1 l e e 1 1 1.4选题依据 1.5本研究 目的 . 2研 究对象和研 究方法 . 8 8 8 8 1 1 1 1 1 1 i l 2 . 2 研 究对象 .、 研 究方法 . 2.2.1研究设备 . 2 . 2 . 1 2 . 2 . 1 . 2 平面跟 踪摄 像测 量方法 使用 的仪器设备 立体定机摄像测 量方法使用的仪器设备 q 自q 自 j j 一o - o r 洲o . jn 乙9 一o 9 白曰曰9 n 乙o 山 2.2.2实验过程 . 2.2.2. 1平面跟 踪摄像测 量方法 . 2 . 2 . 2 .l i现 场 的 布 置 . 2.2.2.1.2拍摄 . ， . 2.2.2.2立体 定机摄像测 量方法 . . 2 . 2 . 2 . 2 .1现 场 的 布置 . . 2.2.2.2.2拍摄 . . 2 0 . 2 3 2 . 2 . 3 2 . 2 . 4 录像解析过程 二 实验 数据 的处理 器 朋: 3 4 3 4 3 8 4 ( ) 4 ( ) . . . . . . . - 。 3结 果 与分析 . 3 . 2 平面定机 摄 像测 量 方法 的误 差 分析 平 面跟 踪摄 像测 量方法 的误 差 比较 分析 3 . 2 3 . 2 . 2 图像成像大小对误差的影 响 摄像机转动 角度对误 差的影响 . 3.3立体定机摄 像测 量 方法 的误 差 比较 分析 3 . 3 3 . 3 . 2 实验 可行性 的检验 标 定 范 围 内框 架 内层 、 论文随机验 证编 号: 中层 和 外 层 球 彼 此 作 为 控 制 点 对 误 差 的 影 响 4 l b t z ()()7 1 1 5 6 1 3 1 6 . 7 0 5 5 4 7 5 摄像 测量方法 的误 差 比较与分析 3.3.2. 1标定 设计 . ， . ， . 4 1 3.3.2.2分析 讨 论 . 4 1 3.3.3超 出标 定范 围对误 差 的影 响 . 4 4 3.3.4摄像机 、控制点 以及被标 定对象空间位置的不 同对误差的影响4 6 3.3.5不 同图像成 像大 小对误差 的影 响 . 4 8 3.3.6使用不 同解析 系统对误差 的影响 . ，1 9 3.3.6. 1在控 制 点范 围 内不 同解析 系统的误 差 比较分析.49 3.3.6.2在控制 点范围 以外 不同解析系统 的误差 比较分析. 5 2 4结论 与建议 . .。. 5 5 一 4 . 2 结论 建议 致谢 . 参考 文献 . 附录 . 个人简历 二 6 5 论文随机验 证编 号 : i 弓 i 2()071 156 1316.7055475 摄像测量方法 的误差 比较 与分析 月 l j 吕 摄像测量方法概述 运 动 生 物 力 学 研 究 的 一 个 重 要 部 分 是 如 何 获 得 科 学 的 、真 实 的运 动 学 参 数 ，从 而进 一 步 使 人 们 从 运 动 生物 力 学 的 角 度 揭 示 运 动 的 本 质 。人 体运 动 学 参 数 的测 定 是 运 动 生 物 力 学 实 验 方 法 的 核 心 内容 ， 当 前 研 究 的 主 要 手 段 是 摄 像 测 量 分 析 方 法 。摄 像 测 量 是 一 种 非 接 触 的 定 量 测 量 方 法 ，在 不 影 响 训 练 和 比赛 ，不给 运 动 员增 加 任 何 负担 的情 况 下 ，就 可 通 过对 运 动 技 术 图像 的 获 取 、解 析 ， 获 得 人 体 运 动 的位 移 、速 度 、人 体 重 心 等 各 项 特 征 参 数 ， 以及 运 动 器 械 运 动 的 各 种 运 动 学 的 定 量 参 数 ，从 而 比较 真 实 的 反 映 出 运 动 的情 况川。通 过这 些 参 数 和 图像 的 比较 分 析 ，能 使 教 练 员 、运 动 员和 科 研 人 员 观 察 到 技 术 细 节 ， 发 现 运 动 员 动 作 过 程 中 的 优 缺 点 ，探 索 运 动 技 术 原 理 ，建 立 正确 的动 作 技 术 模 式 ，为 改 善运 动 训 练 、改进 和 优 化 运 动 技 术 、 提 高运 动 成 绩 、预 防运 动 损 伤 提 供 科 学 依 据 。 测 试 的 主 要 仪 器 是 录 像 解 析 系 统 ，包 括 运 动 图像 采 集 、 图数 转 换 及 数 据 处 理 和 分 析 三 大 部 分 。 摄像测量方法 的分类 摄 像 测 量 方 法 包 括 : 平 面 定 机 摄 像 测 量 方 法 、平 面 跟 踪 摄 像 测 量 方 法 、 立 体 定 机 摄 像 测 量 方 法 、红 外 光 点 摄 像 测 量 方 法 等 。 由 于 受 到 场 地 、 外 界 条件 等 各 种 因 素 的 影 响 ， 目前 研 究 人 员在 实 际 应 用 中 多采 用 平 面 跟 踪 摄 像 测 量 方 法 和 立 体 定 机 摄 像 测 量 方 法 。 因 此 本 文 也 主 要 对 这 两 种 摄 像 测 量 方 法 的误 差 进 行 比较 与 分 析 。 平面 定机摄 像测 量方法 平 面 定 机 摄 像 测 量 方 法 是 几 种 方 法 中最 为 简 单 易 行 的 一 种 。它 是 将 摄 像 机 固 定 在 三 脚 架 土 ，在 摄 像 机 的 空 间 位 置 、拍 摄 距 离 、机 高 、取 景 范 围 、 焦 距 、光 圈 等 固 定 不 变 的 条 件 下，拍 摄 人 体 和 物 体 的 平 面 运 动 的 测 量 方法 。 沦文 随机 验 证编 号 : btzo( )7 1 156 13 16.7055475 一 4 摄像测量方法 的误差 比较与分析 其 优 点 是 ，简 单 易行 ; 不 影 响 人 体 的 运 动 ，可 以在 训 练 或 正 式 比赛 中进 行 测 量 。存 在 的 缺 点 是 ， 只 能 测 出人 体和 物 体 在 垂 直 于 摄 像 机 主 光 轴 平 面 上 的运 动 学 参 数 ，所 以此 种 方 法 只 适 用 于 人 体 和 物 体 在 一 个 平 面 上 或 主 要 在 一 个 平 面 上 的运 动 项 目; 并 且 测 量 的平 面 范 围 较 小 ，对 运 动 范 围 大 的项 目， 只 能 选 择 其 某 一 运 动 段 落 进 行 拍 摄 i z 1 。 1 .1 .1 .2平面 跟踪摄像测量方法 平 面 跟 踪 摄 像 测 量 方 法 是 将 摄 像 机 支 撑 在 三 脚 架 上 ，但 不 固 定 ，拍 摄 时摄 像 机 的 主 光 轴 始 终 尽可 能 对 准 受 测 体 ，跟 踪 受 测 体 的运 动 而 转 动 。其 优 点 表 现 在 ，测 量 范 围 大 ，可 以测 量 运 动 范 围 大 、动 作 周 期 距 离 长 的运 动 项 目; 取 景 范 围较 小 ，因而测 量 体在 画 面 上 的成像 较 大 ，有 利 于减 小误 差 。 其 缺 点 包 括 ，拍 摄 复 杂 、难 度 大 ， 必 须 分段 放 置 并 拍 摄 比例 尺 ， 并对 比例 尺 进 行 修 正和 分 段 计算 ; 测 量 误 差 可 能 较 大 i 2 。该 方 法 在 精 度 上有 较 大 的缺 陷 ， 由 于运 动 主 体和 摄 像 机 均 在 作 无 规 则 运 动( 即 参 考 坐 标 系 是 无 规 则 运 动 的动 坐 标 系 )，极 难 做 到 使 摄 像 机 的速 度 与 受 测 体 的速 度 完 全相 同 ，即参 考 坐 标 系 是 无 规 则 运 动 的动 坐 标 系 ，这 样 采 得 的数 据 在 理 论 上 要 保 证 其 精 确 度 是 十 分 困 难 的 ， 因 而 导 致 多 种 测 量 误 差 的 出现 ， 并 且 难 以确 定 其 误 差 值 s 。要 想 使 得 到 的 图像 用 于 定 量 分 析 ，就 需 要 严 格 的理 论 论 证和 可 靠 的 实 测 数 值 精 度 校 验 ，这 是 摄 像 和 图像 解 析 方 面 又 一 需 要 研 究 解 决 的 方 法 学 问 题 。 在 测 量 学 中 ，确 定运 动 实 体 尺 寸 与 图像 尺 寸 的 比值 k是 十 分 重 要 的 参 数 ，而 k又 取 决 于 厂(摄 像 机 焦 距 )、厂(像 距 ) 和 u(摄 像 机 与 运 动 主 体 采 样 点 的 距 离 )。在 定 机 拍 摄 时 ，以上 参 数 均 大 致 确 定 ，即 便 是 物 距 u 也 仅 在 小 范 围 内 变 化 ， 所 以近 似 可 认 为 k值 在 运 动 中基 本 不 变 。 而 平 面 跟 踪 拍 摄 则 不 同 ，在 运 动 的 全 过 程 中 ，k值 始 终 是 变 量 。它 不 但 随 运 动 主 体 变 化 ， 而 且 也 随 摄 像 机 的运 动 而 变 化 ，简 单 的可 表 示 为 k 抓 h ( o ，g ( t ) ，其 中 h ( o 为摄 像 机 运 动 规 律 ， g ( l ) 为运 动 主 体 运 动 规 律 ， 而 两 者 均 属 规 律 不 确 定运 动 ， 所 以理 论 卜确 定 k 值 是 十 分 困难 的 。但 平 面 跟 踪 摄 像 有 相 当 大 的 实 用 性 ， 使 用 者 可 用 调 整 比 例 尺 的 各 种 方 法 和 经 验 公 式 尽 可 能 使 测 得 的 数 据 减 小 误 差 3。 沦文随机验证编 号: 叶2007 1 1 5 6 1 316.7055475 摄像测量方法 的误差 比较与分析 1 .1 .1 .3立休 定机摄像侧量方法 立 体 定 机 摄 像 测 量 方 法 是 采 用 两 台或 多 台摄 像 机 从 不 同角 度 对 同一 研 究 对 象 进 行 同 步 拍 摄 ，然 后 把 两 台或 多 台机 所 拍 摄 的平 面 录 像 带 进 行 数 字 化 ，通 过直 接 线 性变 换 (d l t) 算 法 ，将 二 维 的像 坐 标 转 换 成 实 际 空 间 的三 维 坐 标 ，从 而 获 得 所 需 的 人 体 三 维 运 动 的 空 间坐 标 ，计 算 有 关 的运 动 学 参 数 2 。由于 多数 的运 动 是 非 对 称 性 的三 维 空 间运 动 ，因此 就 需 要 采 用 立 体 定 机 摄 像 测 量 方 法 对 其 进 行 描 述 ，其 优 点 就 是 能够 准 确 的 反 映物 体或 人 体在 空 间 中 的 实 际运 动 特 征 ，但 拍 摄 及数 据 处 理 的过程 较 复 杂 ，至 少 需用 两 台 摄 像 机 ， 多数 情 况 下 要 使 拍 摄 平 面垂 直 相 交 ，记 录 下 每 一 元 素运 动 的空 间 位 置 1 3。 其 中 ，直 接 线 性 变 换 (d l t) 算 法 是 指 在 一 个 特 定 的控 制 空 间 内 ，通 过 有 精 确 位 置 的控 制 点来 确 定 d l t算 法 中 的 1 1个 参数 ， 从 而 计算 其 内部 参 数 和 摄 像机 的方位 ，实现 二 维像 平 面和 三 维物 空 间之 间 的坐标 转 换 。d l t方 法 可 允 许 摄 像 机 的 摆 设 有 很 大 的 灵 活 性 ， 并 且 不 需 要 摄 像 机 的 主 光轴 必 须 相 交 ， 也 不 需 要 测 量 出摄 像 机 的 具 体位 置 ，使 用 起 来 具有 简 便 的优 点 ，是 当今 进 行 三 维 空 间 重 构 最 常 用 的方 法 之 一 。 1 .1 .2摄 像 测 量 方 法 的发 展状 况 运 动 生 物 力 学 的 摄 像 测 量 分 析 方 法 测 定 人 体 运 动 的 运 动 学 参 数 是 实 验 方 法 中最 常 用 、最 基 本 的 测 试 方 法 ， 该 方 法 在 我 国运 动 生 物 力 学 界 运 用 得 极 为 普 遍 ，从 二 十 世 纪 八 十 年 代 起 ，它 的发 展 大 致 可 分 为 三 个 阶 段 : 第 一 个 阶 段 ，基 本 是 用 高 速 摄 影 加 图数 转 换 板 ，通 过 高 速 摄 影 将 影 片 投 放 到 图 数 板 上 去 解 析 数 据 ，那 时 测 试 方 法 尚 未 完 善 ， 大 家 集 中探 讨 的 是 如 何 准 确 求 出速 度 参 数 、 数 据 平 滑 处 理 、 重 心 测 定 等 方 法 ， 主 要 围绕 求 得 基 本 准 确 的 人 体 运 动 参 数 问题 进 行 探 索 。第 二 阶 段 ， 大 致 在 二 十 世 纪 八 十 年 代 末 ， 其 特 征 是逐 步 用 录 像 分 析 替 代 了影 片 分 析 ， 图数 转 换 板 与 电脑 显 示 器 已一 体 化 ， 以前 讨 论 的 热 点 如 数 据 平滑 、重 心 确 定 、速 度 、 加 速 度 参 数 的 处 理 方 法 ， 己经 形 成 了统 一 的 软 件 ， 仪 器 和 计 算 机 的进 步 对 运 动 生 物 力 学 实 验 方法 提 出 了 新 要 求 。 目前 实 验 测 试 方 法 在 国 外 己进 入 第 三 阶 段 ， 主 要 标 志 是 计 算 机 自动 识 别 功 能 建 立 和 录 像 分 析 系统 与测 力 台 同 步 连 用 ，这 样 一 方 论 文随机 验 证编 号: br20071156 1316.7055475 摄像测量方法 的误差 比较 与分析 面 可 以避 免 繁 琐 的 点关 节 点 的 技 术操 作 ，另 一 方 面 ，能 使 测 力 与测 速 有 机 的联 系在 一起 ，这 使运 动 生物 力 学 实验 测 试 方法 有 了质 的 改进 1 3 1 。 当前 ，我 国运 动 生物 力 学 界 实 验 测 试 方 法 正 处 于 第 二 阶 段 向第 三 阶 段 的过 渡 时期 。 实验 测 试 方 法 的精 确 度 的研 究 ， 已成 为 当前运 动 生物 力 学 实 验 方 法 深 化 的 一 个 重 要 方 面 。 1 .2图像解析 运 动 图像解 析 是对 某一段 动 作 图像进 行连 续或 等 间隔 的采 集 并分析 。 它 包括 : 图像采 集 、图数转 换 和数据 处理三大 部分 。 1.2.1图像采集 人 体运 动 的 图像 采 集 的 实 验 工 作 是将 实 际 的运 动 完整 地 用 图像 形 式 记 录 下 来 。它 需 要 的 仪 器 主 要 是 摄 像 机 ， 以及 附 带 的确 定 几 何 量 度 比例 的器 材 ，如 比例 尺 、标 定 杆 、框 架 等 。对 于 一 般 的运 动 ，大 多数 采 用 2 5帧 /秒 的 拍 摄 速 度 ，即 1 秒 钟 内可 取 5 0个 画 面 。根 据 研 究 内容 的不 同 ，选 择 不 同 的 摄 像 测 量 方 法 。 在 图像 采 集 的 过 程 中 ，确 定 采 样 图 像 尺 寸 和 实 际运 动 物 体 尺 寸 的 比例 是 十 分 重 要 的 ，只 要 确 定 了换 算 的 比例 ，才 能 使 图像 有 转 换 成 数 字 的依 据 ， 比例 标 尺 相 当 于 物 理 学 中 的 参 考 坐 标 系 。运 动 生 物 力 学 测 量 最 原 始 确 定 比 例 的 方 法 是 在 运 动 主 体 活 动 中心 点(作 为 标 准 点 ) 先 拍 摄 一 标 有 记 号 的 直 尺 作 为 比例 标 尺 。这 样 设 置 比例 标 尺 的 方 法 无 疑 是 比较 粗 糙 的 。 随 着 运 动 主 体 的 活 动( 即 瞬 时 采 样 点 ) 偏 离 中心 点越 远 ，所 得 的 参 数 精 度 越 差 。特 别 对 于 三 维 的 空 间 拍 摄 和 平 面 跟 踪 拍 摄 ，这 样 简 单 确 定 比例 标 尺 显 然 是 不 行 的 。 随 着 运 动 图像 分 析 系 统 研 制 的 完 整化 ， 比例 标 尺 也 逐 步 改 进 ， 产 生 了带 有 标 记 点 和 确 定 长 度 的 立 体 框 架 ， 用 它 作 为 比例 标 尺 明 显 提 高 了测 量 的 精 确 度 。但 这 类框 架 的 大 小 毕 竟 远 小 于 运 动 主体 的 活 动 范 围 ，p e a k 公 司 最 新 设 计 的 发 射 式 、天 线 型 框 架 是 目前 最 先 进 的 一 种 比例 标 尺 。它 将 较 大 的 活 动 空 间 划 分 成 若 干 个 小 块 ， 每 一 小 块 空 间 均 有 一 参 考 点 能 确 定 其 邻 近 区 域 的 比例 系 数 。这 样 的 比例 标 尺 提 高 了立 体 定 机 拍 摄 的 精 度 l 3 。 论 文随机 验 证 编 号 : rr20071156 13 16.7( )55475 摄像测量方法 的误差 比较与分析 但 对 于 平 面 跟 踪 拍 摄 ，这 样 的 框 架 仍 不 能 适 用 。在 跟 踪 拍 摄 时 ，有 两 种 确 定 比例 标 尺 的 方 法 在 实 际测 量 中经 常 使 用 。一 是 将 比例 标 尺 延 长 扩 展 到运 动 主 体 运 动 的全 部 范 围 ，然 后 将 运 动 区域 分 割 成 若 干 块 ，每块 区域 中 有 其 确 定 的 比例 系 数 ，在 两 区 域 交 界 处 数 值 可 取 两 者 的平 均 值 。这 种 方 法 比较 实 用 ，其 操 作 原 理 也 较 易 理 解 ，但 其 缺 陷 是 设 置 标 记 范 围过 大 ， 易 受 干 扰 ，在 图数 转 换 时 需 设 计 独 立 的操 作 程 序 进 行 数 据 校 正 。 另 一 种 方 法 称 为 随 体 法 。这 种 方 法 是 将 运 动 主 体 中一 部 分 直 接 定 义 为 比例 标 尺 。这 样 不 管 运 动 怎 样 变 化 ， 总 可 使 物 距 视 作 相 对 不 变 的 定 值 。例 如 测 量 赛 艇 运 动 ， 可 将 赛 艇 长 度 直 接 定 为 比例 标 尺 ，摄 像 跟 踪 拍 摄 时 ，机 与艇 之 间 的物 距 可 视 为 定 值 。这 种 方 法 的 优 点 是 : 不 用 在 测 试 前 设 标 记 和 作 详 细 的场 记 ，而 且 测 试 精 度 比较 精 确 。但 这 类 方 法 不 能 无 条件 随便 采 用 ，因此 目前 较 多 使 用 前 一 种 确 定 比例 标 尺 的方 法 l s l 。 .2.2图数转换 图数 转 换 是 运 动 学 参 数 测 定 和 分 析 的 核 心 部 分 。它 的基 本 原 理 是 : 将 采 集 的运 动 图像 通 过 放 大 输 入 图数 转 换 系统 ， 在 系 统 中将 需研 究 的运 动 主 体 被 标 定 点 点 出其 在 参 考 坐 标 系 中 的 坐 标 值 (x ， y ，:)，然 后进 行 数 据 处 理 、 计 算 ，得 出所 需 求 的运 动 参 数 和 运 动 规 律 3 i 。 .2.3数 据处理 采 样 中 图 像 第 一 次 转 换 所 得 数 据 在 运 动 分 析 系 统 中作 为 原 始 数 据 ，这 些 数 据 其 中 带 有 摄 像 机 转 动 时 造 成 的 高 频 噪 声 ，它 以 高 频 波 形 形 式 留 在 原 始 数 据 中 ，所 以这 些 数 据 必 须 先 经 过 滤 波 处 理 除 去 噪 声 干 扰 信 号 ，这 也 就 是 我 们 所 说 的 数 据 处 理 过 程 。其 次 ，所 得 的 原 始 数 据 曲线 多 数 不 是 属 于 全 程 连 续 可 导 的 曲线 。即 便 经 滤 波 处 理 后 ， 曲线 中仍 存 在 许 多 不 可 导 的 奇 点 。 因 为 计 算 机 通 常 是 用 差 分 计 算 方 法 替 代 微 分运 算 ，这 样 在 奇 点 附近 所 得 的 一 次 微 分 、特 别 是 二 次 微 分 数 据 将 产 生 极 大 的 误 差 。 即 说 明 如 果 不 对 原 始 数 据 进 行 适 当 处 理 ，最 终 求 得 的速 度 曲线 将 严 重 失真 ， 加速 度 曲线 则 根 本 不 能 置 信 。将 原 始 曲线 除 去 奇 点 的 处 理 方 法 是 各 种 数 据 平 滑 方 法 。数 据 平 滑 的 基 本 目的 是 用 曲线 拟 合 的 方 法 将 连 续 可 导 的 平 滑 曲线 替 代 原 始 图 中 带 沦文随机验 证编 号 : i 飞 t20( )7 1 1 56 13 16.7055475 8 摄像测量方法 的误差 比较与 分析 有 各 类 奇 点 的 曲线 ， 使 其 能 够 合 理 地 完 成 一 次 微 分 ， 甚 至 二 次 微 分 的 计 算 l 3 。 .2.4录像解析系统 的发展状况 目前 ，常 用 的 图像 解 析 系 统 有 : 美 国 的 pe a k系 统 、a rie l(艾 里尔 ) 运 动 图像 分 析 系 统 、德 国 的 s i m i 系 统 和 我 国 的 视迅 、爱捷 解 析 系 统 。 爱 捷 系 统 采 用 的 是 大 容 量 的 图像 存 储 器 ，一 次最 多可 采 集 1 0秒 的连 续 图像 (常速 、pa l 制 录 像 信 号 )， 由于运 动 分 析 一 般 是对 某 一 动 作 的特 定 环 节 进 行 分 析 ，如 跳 远 的 踏 跳 、跳 高 的 起 跳 等 ，所 以 1 0秒 的连 续 图像 可 以满 足 绝 大 部 分 运 动 项 目的 数 据 采 集 和 分 析 ，也 可 以满 足 大 部 分 运 动 项 目的三 维 分 析 4。 新 型 的 pe a k m o t u s 解 析 系 统 、a r i e l 解 析 系统 、s i m i 解 析 系统 的采 集 方 式 更 为先进 ， 图像 以视 频 文件(通 常 为 a v i 格 式 ) 的动 态连 接 形式 ， 直 接 写 入 计 算 机 硬 盘 ，操 作 更 加 简 单 、方 便 ，容 量 也 大 ，更 有 效 的控 制 了 图像 质 量 的衰 减 。 同 时 采 集 图像 一 次 到 位 ，还 满 足 了许 多其 他 解 析 方 法 所 不 能 满 足 的 要 求 ，如 采 集 图像 时 ，可 以参 照 其 他 图像 的信 息 。在 解 析 过 程 中或 解 析 完 毕 时 ，可 以任 意 修 改 任 何 画 面 上 的 任何 解 析 点 的 内容 ，可 以通 过 切 割 画 面 同 屏 显示 同 一 时 刻 多 机 拍 摄 的 图像 内容 ，这 些 都 对 三 维 解 析 十 分 有 益 。所 有 上述 功 能 都 有 利 于 识 别 被 标 定 点 ，提 高解 析 精 度 ，尤 其 适 用 于三 维 解 析 。 另 外 ，还 可 将 采 集 的 图像 信 息 经 过 加 工(标 上 解 析 数 据 、人 体 线 条 图和 说 明 等 ) 输 出到 录 像 带 上 、激 光 打 印 ，或 直 接 进 入 多媒 体 播 放 器 播 放 。 为 快 速 及 时 反 馈 信 息 和 生 动 形 象 的 生 物 力 学 教 学 演 示 提 供 有 力 的 手 段 1 4。 .3摄 像测 量方法 的误 差 摄 像 测 量 方 法 是 运 动 生 物 力 学 实 验 研 究 的基 本 方法 。 由 于它 测 定 的 是 生物 体( 主 要 是 人 体 ) 的 各 类 运 动 参 数 ，所 以它 的 实 验 对 象 与 其 他 学 科 有 着 本 质 的 不 同 ， 实 验 结 果 的 不 确 定性 和 不可 重 复 性 使 摄 像 测 量 方 法 始 终 不 能 做 到 规 范 化 、标 准 化 和 数 据 高 度 精 确 。实 测 参