運(yùn)動影像人工數(shù)字化過程中的誤差分析研究

鄭朝沙 劉 亞

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 體育部,廣東 珠海 519085)

運(yùn)動影像人工數(shù)字化過程中的誤差分析研究

鄭朝沙 劉 亞

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 體育部,廣東 珠海 519085)

對影像測量過程中的人工解析誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對關(guān)節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)和角度參數(shù)的解析結(jié)果表明，上述參數(shù)的相對誤差和誤差波動范圍較小。位移、角度及速度參數(shù)的解析精度高于加速度和角速度參數(shù)。多次解析得到的加速度和角速度參數(shù)在整體的變化趨勢上保持一致，但誤差波動范圍較大。

影像測量；誤差；解析

在運(yùn)動生物力學(xué)研究中，影像分析方法是研究運(yùn)動員動作技術(shù)的重要手段之一。由于成像大小、光線強(qiáng)弱等條件不同，加之關(guān)節(jié)點(diǎn)和關(guān)節(jié)軸位置的不斷變化以及操作員注意力不集中，都會引起對運(yùn)動點(diǎn)的判斷誤差。根據(jù)有效數(shù)字與數(shù)據(jù)運(yùn)算的理論，“在記錄或數(shù)據(jù)運(yùn)算時，所取的數(shù)據(jù)位數(shù)，其精度不能超過測量所能達(dá)到的精度”[1]，若將不必要的數(shù)字寫出來，既浪費(fèi)時間，又無意義。因此，本研究的目的就是通過多次測量以估計測量真值，并得到人工解析誤差的大致范圍和解析精度，為相關(guān)的科學(xué)研究提供參考。

1 研究對象與方法

1.1研究對象

三級跳遠(yuǎn)運(yùn)動員運(yùn)動影像人工數(shù)字化過程分析。

1.2研究方法

1.2.1 實(shí)地觀察法

使用星鎬鈦高速攝像采集系統(tǒng)，對第11屆全運(yùn)會男子三級跳遠(yuǎn)決賽中某運(yùn)動員跨步跳動作進(jìn)行平面定機(jī)拍攝，并在拍攝前后對標(biāo)尺進(jìn)行拍攝。鏡頭主光軸垂直于運(yùn)動平面，拍攝距離為25m，機(jī)高1.15m，標(biāo)尺長度1.2m，拍攝頻率為120Hz，快門速度為1/1000s，拍攝范圍約為8m，能夠捕捉到運(yùn)動員跨跳動作全過程。

1.2.2 模型分析法

采用SIMI Motion 3D運(yùn)動圖像解析分析系統(tǒng)對所采集圖像進(jìn)行解析。對運(yùn)動員六次試跳中的其中一跳的比賽錄像進(jìn)行解析，解析次數(shù)為十次。為防止疲勞，每隔一天解析一次，解析視頻的畫幅數(shù)為84幅。選用Hanavan人體模型，人體標(biāo)志點(diǎn)為19個，設(shè)置固定參考點(diǎn)1個。所有運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)都由同一解析員進(jìn)行解析得到。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計法

選擇數(shù)字濾波法對解析得到的原始運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，截斷頻率為8Hz。考慮到濾波處理時始末端的畸變率，把數(shù)據(jù)始末端分別截去10幀進(jìn)行分析，并利用Excel2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1位移參數(shù)的誤差結(jié)果

為了闡述方便，我們重點(diǎn)對左側(cè)肢體的踝、膝和髖三個關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表1是左側(cè)踝、膝和髖三個關(guān)節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計。由于被測量的真值我們無法得知，因此用10次測量的均值代替被測量的真值進(jìn)行計算，則有：

表1 左側(cè)踝、膝、髖關(guān)節(jié)點(diǎn)位移誤差統(tǒng)計 單位：m

表1是對10次測量結(jié)果的位移量誤差的總體反映。從絕對誤差水平來看，踝關(guān)節(jié)的絕對誤差值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于膝和髖關(guān)節(jié)，說明操作員對踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的判定精度較高，波動性小。從最大絕對誤差值的情況也可以反映出這一規(guī)律。其主要原因可能是由于踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面積較小，體表標(biāo)志點(diǎn)明顯，容易確定，而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)標(biāo)志點(diǎn)不易判定。

從絕對誤差值的大小來看，98.8%的關(guān)節(jié)點(diǎn)位移量誤差值在1cm之內(nèi)，這一結(jié)果與安朝臣[2]的研究結(jié)果一致。位移量最大全距(最大全距即在十次測量中，同一時刻同一關(guān)節(jié)點(diǎn)位移量的最大值與最小值之差)出現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)第1畫幅，為3.74cm，較錢競光等人[3]的研究結(jié)果略小。若我們以m作為單位，那么小數(shù)點(diǎn)后第二位的數(shù)字應(yīng)該為估計值，因此在本次研究當(dāng)中，位移量數(shù)據(jù)的人工數(shù)字化精度為0.01m左右。

2.2速度和加速度參數(shù)的誤差結(jié)果

2.2.1 速度參數(shù)誤差結(jié)果

我們選擇運(yùn)動學(xué)分析當(dāng)中較為常用的重心速度參數(shù)進(jìn)行分析。表2是著地和離地時刻的重心水平和垂直速度誤差情況統(tǒng)計。在著地時刻，十次測量的重心水平和垂直速度的平均值分別為7.101m/s和2.413m/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.047m/s和0.062m/s，全距誤差為0.15 m/s和0.19m/s；在離地時刻，重心水平和垂直速度的平均值分別為6.356m/s和2.831m/s，離地時標(biāo)準(zhǔn)差為0.171m/s和0.132m/s；全距誤差為0.51m/s和0.41m/s。

從重心速度參數(shù)來看，誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)差基本都在0.10m/s以下，誤差百分比均值為1.4%。對于單個關(guān)節(jié)點(diǎn)來說，髖關(guān)節(jié)的誤差值波動最大，例如髖關(guān)節(jié)著地時的速度均值為6.93m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.17m/s；而踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.25m/s、0.08m/s和7.71m/s、0.07m/s。說明三個關(guān)節(jié)點(diǎn)中，對髖關(guān)節(jié)位置的判斷精度要低于其他兩個關(guān)節(jié)，其主要原因是由于髖關(guān)節(jié)面積較大，加之衣物遮蓋等原因，影響了判讀的精度。

表2 重心速度參數(shù)誤差統(tǒng)計 單位：m/s

另外，根據(jù)vi=v0+at這一關(guān)系式，對運(yùn)動員騰空時相的重心垂直速度進(jìn)行了理論計算，并將計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，十次測量結(jié)果的均值與理論值存在差異，誤差均值為0.13m/s，如圖1所示。造成這一差異的原因可能是由拍攝系統(tǒng)和測試方法中存在系統(tǒng)誤差所致，具體原因還有待與進(jìn)一步分析研究。

圖1 騰空時重心垂直速度計算值與解析值比較

2.2.2 加速度參數(shù)誤差結(jié)果

表3為離地和著地時刻運(yùn)動員重心以及三個關(guān)節(jié)點(diǎn)加速度均值及標(biāo)準(zhǔn)差的比較。從數(shù)值我們可以看到，三個關(guān)節(jié)的相對誤差踝關(guān)節(jié)最小，而髖關(guān)節(jié)最大。

表3 關(guān)鍵時相加速度均值及標(biāo)準(zhǔn)差 單位：m/s2

圖2為重心垂直方向加速度情況，十次解析所得加速度數(shù)據(jù)的整體趨勢保持一致。其中誤差百分比均值為22%。而對于單個關(guān)節(jié)點(diǎn)的加速度誤差值，如左膝關(guān)節(jié)點(diǎn)某些時相的加速度全距誤差為30.68m/s2，誤差率達(dá)到了55%。就本研究整體來看，加速度參數(shù)的平均誤差百分比在10%以上，而髖關(guān)節(jié)加速度平均誤差率高達(dá)166%。

圖2 重心垂直方向加速度曲線比較

2.3關(guān)節(jié)角度參數(shù)的誤差結(jié)果

表4是對著地大腿夾角、離地大腿夾角和最大緩沖膝角的誤差統(tǒng)計情況。上述三個角度10次測量后的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.9°、1.0°和1.4°，全距分別為3°、3°和5°，最大誤差百分比為4.3%。由此推斷，對角度參數(shù)的人工解析精度約為1°左右。

表4 角度參數(shù)誤差統(tǒng)計情況 單位：度

2.4關(guān)節(jié)角速度的誤差結(jié)果

表5 角速度參數(shù)誤差統(tǒng)計情況 單位：度/s

在研究關(guān)節(jié)角速度誤差時，選擇較為常用的擺動腿擺速作為研究對象。從表5數(shù)據(jù)可知，所選時相的擺動腿擺速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為46.9°/s和59.3°/s，全距分別為129°/s188°/s。在本次研究中，對角速度參數(shù)進(jìn)行測量時的精度約為50°/s左右，最大誤差百分比為34.7%，大大高于角度參數(shù)的測量精度。另外，由于誤差的存在，10次測量中最大擺速出現(xiàn)的畫幅數(shù)也存在不一致，其中，第2次測量出現(xiàn)在第69幅，第1、3、4次出現(xiàn)在第70幅，第6、9次出現(xiàn)在第71幅，第5、7、8、10次出現(xiàn)在第72幅。

3 結(jié)論

1)同一解析員十次解析的結(jié)果表明，位移量參數(shù)的誤差值波動較小。踝關(guān)節(jié)位移量誤差最小，髖關(guān)節(jié)最大。說明關(guān)節(jié)體表標(biāo)志點(diǎn)的明顯程度和有無服裝遮擋等因素，對人工數(shù)字化精度有一定程度的影響，體表標(biāo)志點(diǎn)越明顯的小關(guān)節(jié)解析精度較高。

2)從速度參數(shù)來看，受到解析精度的影響，三個關(guān)節(jié)點(diǎn)中，髖關(guān)節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差均值最大。解析得到的重心垂直速度與理論推算結(jié)果的誤差均值為0.13m/s，造成這一誤差的原因可能與測量系統(tǒng)誤差有關(guān)，例如：拍攝時的透視誤差；另外，數(shù)據(jù)處理的方法和人體慣性參數(shù)模型的選擇等原因也可能引起這一誤差。

3)從對加速度參數(shù)的分析來看，十次解析得到的加速度值，在整體的變化趨勢上是保持一致的，但誤差波動范圍較大，因此，在對關(guān)鍵時相的加速度值進(jìn)行比較分析時，最好使用多次解析后得到的均值較為可靠。

4)從十次解析的情況看，對關(guān)節(jié)角度解析的相對誤差要小于對角速度參數(shù)。由于角速度誤差值的波動，會影響對某些關(guān)鍵時相出現(xiàn)的畫幅數(shù)的判斷。

[1] 費(fèi)業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：6-7．

[2] 安朝臣．影像測量減少誤差的方法[J]．四川體育科學(xué)，1985(3)：50-56．

[3] 錢競光，盧青，蔡國鈞．關(guān)于用解析儀分析體育動作所產(chǎn)生誤差的探討[J]．江蘇體育科技，1984(2)：10-12．

ErrorAnalysisofManualResolveSportsVideoProcess

Zheng Chaosha,Liu Ya

(P.E. Department,Zhuhai College of Beijing Institnte of Technoloy,Zhuhai,519085,Guangdong,China)

The text has performed the experimental study of manual resolution errors during vidio measurment. The result of quantization about joint point displacement and angle shows that the relative errors is small and the wave range of errors is also in the low level.The precision of parameters of displacement, angle and velocity are higher than the parameters of angle speed and acceleration. The trends of the result of repeatedly quantization about the angle speed and acceleration is consistent on the hole, but the wave range of errors is more big.

video measurement; error; resolution

G804.6

A

1672-1365(2012)03-0095-04

2012-01-25；

2012-03-01

鄭朝沙(1980-)，男，海南文昌人，講師，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)、體育文化。