高速攝影運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)測量誤差研究

盛德兵 周志衛(wèi) 張 建

（鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南鄭州450005）

0 概述

高速攝影運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是利用攝影手段對被測對象進(jìn)行連續(xù)高速拍攝，并據(jù)此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析的專用設(shè)備，完成高速拍攝的設(shè)備稱為高速攝影機(jī)。 高速攝影機(jī)的拍攝速率可高達(dá)每秒數(shù)千幀、數(shù)萬幀乃至數(shù)十萬幀；最初的高速攝影機(jī)使用攝影膠片，稱為膠片式高速攝影機(jī)，近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字存貯技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用數(shù)字存貯技術(shù)的數(shù)字式高速攝影機(jī)，并因其使用方便，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)得到迅速普及。

高速攝影運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)的基本組成是： 高速攝影機(jī)及其附件、控制分析計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)分析軟件，各部分的作用如下：

（1）高速攝影機(jī)及其附件：高速攝影機(jī)用于將研究對象以一連串圖像的方式連續(xù)記錄下來，并將其存貯在內(nèi)部存貯器中。 高速攝影機(jī)的附件包括鏡頭、接線盒、燈具等，在拍攝時(shí)起著輔助作用。

（2）控制和分析計(jì)算機(jī)：該計(jì)算機(jī)用于控制數(shù)字式高速攝影機(jī)設(shè)定拍攝參數(shù)，并完成拍攝和圖像下載、傳輸和轉(zhuǎn)換。 同時(shí)，配合運(yùn)動(dòng)分析軟件，該計(jì)算機(jī)還可完成被測對象的運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析。

（3）運(yùn)動(dòng)分析軟件：運(yùn)動(dòng)分析軟件是一種特殊的計(jì)算機(jī)軟件，它根據(jù)高速攝影機(jī)的拍攝結(jié)果，利用圖像分析技術(shù)得到圖像上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這些參數(shù)包括：時(shí)間、線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度、角加速度等。

1 高速攝影運(yùn)動(dòng)分析的特點(diǎn)

目前，膠片式高速攝影機(jī)已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)，已被數(shù)字式高速攝影機(jī)所取代。數(shù)字式高速攝影運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)直觀、可視、便于回放觀察，實(shí)現(xiàn)了與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的無接觸測量，尤其可以進(jìn)行多目標(biāo)、多運(yùn)動(dòng)參數(shù)的同步測量，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 高速攝影運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)測量誤差的主要來源

高速攝影運(yùn)動(dòng)分析的誤差主要來自以下幾個(gè)方面：

2.1 時(shí)基誤差

模擬式高速攝影機(jī)的時(shí)基誤差取決于膠片走片機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差、主軸馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定度。而數(shù)字式高速攝影機(jī)由于采用了頻率高達(dá)數(shù)十兆赫茲的高精度晶振作為其時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)間精度非常高，以Kodak EKTAPRO RO-Imager 型高速攝影機(jī)為例，其時(shí)間誤差僅為10-7S，新型數(shù)字式高速攝影機(jī)的時(shí)基誤差更低至10-8 以下；因此，數(shù)字式高速攝影機(jī)的時(shí)基誤差可以忽略不計(jì)。

2.2 攝影器件的感光靈敏度

感光靈敏度是衡量攝影機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，定義為單位光照強(qiáng)度入射在攝影感光器件產(chǎn)生的輸出量，單位為μA/Lx，感光靈敏度越高，獲得期望的信噪比輸出所需要的輻射照度越小，在同樣的環(huán)境照度下就能夠獲得較好的圖像亮度，或者說得到預(yù)期的圖像亮度所需要的照度越小。 較高的靈敏度可使攝影機(jī)獲得高亮度的圖像，這對運(yùn)動(dòng)分析是非常重要的。

2.3 信噪比和動(dòng)態(tài)范圍

信噪比定義為器件的有用信號(hào)與噪聲信號(hào)之比， 動(dòng)態(tài)范圍的定義為感光器件飽和信號(hào)電壓與噪聲電壓的均方根值之比；兩者都用分貝表示：

信噪比＝20log（信號(hào)/ 噪聲）

動(dòng)態(tài)范圍＝20log（飽和信號(hào)電壓/ RMS 噪聲電壓）

動(dòng)態(tài)范圍反映了攝影機(jī)的工作照度范圍，信噪比則影響著圖像的成像質(zhì)量，兩者越高，所獲得的圖像的質(zhì)量越高；反之，圖像的信噪比越差，噪聲信號(hào)就會(huì)大量出現(xiàn)，干擾正常信號(hào)，從而給運(yùn)動(dòng)分析帶來困難并加大測量誤差。

2.4 分辨率

像素是數(shù)字圖像的基本單位，圖像分辨率的大小直接影響到運(yùn)動(dòng)分析的位置精度。 分辨率越高，像素間距越小，目標(biāo)點(diǎn)的定位精度越高，因此分析精度越高。

2.5 拍攝速率

即攝影機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)拍攝的幀數(shù)，單位FPS（Frames Per Second）或幀/秒，對應(yīng)于數(shù)字信號(hào)處理里的采樣頻率。 拍攝速率越高，則對運(yùn)動(dòng)位置的分辨能力越高，對應(yīng)的曝光時(shí)間越短，要求的光照條件越高。在實(shí)際拍攝時(shí)應(yīng)選用合適的拍攝速率，過高的拍攝速率可能導(dǎo)致速度微分處理時(shí)的誤差效應(yīng)；過低則幀間隔過大，會(huì)過分損失目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)和位置精度。

新疆油田油井油層的深度深淺不一，非均質(zhì)性嚴(yán)重，產(chǎn)量壓力大，限產(chǎn)井與非限產(chǎn)井并存，采油單位每年檢泵工作量非常大，大約占油井總數(shù)的90%以上，因此急需一套適合新疆油田油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行技術(shù)支持。新疆油田油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)按照“先產(chǎn)量，后效率，同時(shí)也要兼顧產(chǎn)量與效率均衡”的原則和目標(biāo)，開展油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法研究和系統(tǒng)研發(fā)。

2.6 環(huán)境光照

合適的光照是良好的拍攝效果的前提和必要保證，光照過低則圖像畫面昏暗、噪聲加大，無法觀察和分析；反之，如果光線太強(qiáng)，則會(huì)出現(xiàn)過渡曝光，損失圖像的細(xì)節(jié)，也不便于觀察和運(yùn)動(dòng)分析。

2.7 聚焦清晰度

調(diào)整物距可獲得較好的圖像清晰度，但如果聚焦不良，則畫面模糊不清，增加了確定目標(biāo)位置的難度，因而影響分析結(jié)果。

2.8 曝光時(shí)間（快門速度）

曝光時(shí)間是每一幀圖像拍攝時(shí)快門的開啟時(shí)間， 它與拍攝幀速率、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)密切相關(guān)。 使用合適曝光時(shí)間是使運(yùn)動(dòng)目標(biāo)得到清晰成像的前提。 曝光時(shí)間過長，目標(biāo)物會(huì)在畫面上留下虛影或叫拖尾，直接增大分析結(jié)果的誤差；曝光時(shí)間過短，則圖像曝光不充分，畫面暗淡不清，無法進(jìn)行分析。

2.9 光圈

光圈是調(diào)節(jié)控制鏡頭光線通徑的裝置，光圈的大小決定了單位時(shí)間內(nèi)的曝光量。因此，在照度有限的情況下，較小的光圈可以得到較亮的圖像效果。 但光圈同時(shí)控制著成像的景深，光圈越小則成像清晰的前后范圍越大，反之則越小。

2.10 視野（或取景范圍）

視野大小與物體成像的尺寸成反比。 視野太小時(shí)，雖然可以得到較大的目標(biāo)圖像，像素距離較小，相對應(yīng)的位置精度較高，但無法得到較大的運(yùn)動(dòng)分析范圍；視野太大時(shí)，可以統(tǒng)全局，有著較大的運(yùn)動(dòng)分析范圍，但像素距離大，對應(yīng)的位置精度較低。因此在拍攝時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的取景范圍。

2.11 鏡頭光學(xué)軸線與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平面的垂直度

正常情況下，攝影鏡頭的光學(xué)軸線應(yīng)與被測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)平面處于垂直關(guān)系。如果發(fā)生傾斜，由于透視原理的存在，成像的不同部位將會(huì)有不同的形狀比例，由此給測量結(jié)果帶來誤差。

2.12 攝影球面位置誤差

3 減小測量誤差的方法

根據(jù)上述分析結(jié)果，可有針對性地采取措施，以減小高速攝影測量誤差。 下面結(jié)合實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)，給出一些減小誤差的方法和建議：

3.1 選擇像素分辨率高的高速攝影機(jī)， 并根據(jù)測量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)范圍調(diào)整視野，盡可能提高圖像的物理分辨率

高速攝影機(jī)的像素分辨率越高，則對于同一攝影視野，其物理分辨率也越高；同時(shí)，選擇合適的攝影視野（即攝影寬度和高度），在被測目標(biāo)點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)范圍全部被包絡(luò)的基礎(chǔ)上，盡可能縮小視野，可充分利用攝影機(jī)的像素分辨率，從而使實(shí)際拍攝的物理分辨率達(dá)到最佳。

3.2 增加環(huán)境亮度并減小光圈，提高目標(biāo)區(qū)域的亮度，并調(diào)整曝光時(shí)間和焦距，以獲得最佳的成像質(zhì)量

增加環(huán)境亮度可提高成像亮度， 減小光圈可進(jìn)一步提高成像亮度，通過調(diào)整曝光時(shí)間和焦距，可依獲得最佳的成像質(zhì)量，即：適宜的亮度，清晰的圖像。 同時(shí)，小光圈可獲得較大的景深，對于運(yùn)動(dòng)分析來說，大景深有利于對復(fù)雜目標(biāo)上的各點(diǎn)取得較好的清晰度。 值得注意的是：目標(biāo)點(diǎn)的亮度并不是越高越好，適宜的目標(biāo)點(diǎn)是其邊緣清晰，內(nèi)部灰度均勻，周圍無明顯噪點(diǎn)，整體不出現(xiàn)曝光過度。

3.3 保持?jǐn)z影光軸與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平面垂直

攝影光軸與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)平面部垂直，將導(dǎo)致目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的相同距離在成像平面內(nèi)的投影距離不一致，從而產(chǎn)生測量誤差，且此誤差大小和方向隨目標(biāo)所處的位置不同而不同。 因此，不可為了調(diào)節(jié)拍攝范圍的需要而使攝影光軸傾斜。

3.4 盡可能遠(yuǎn)的拍攝距離

如前所述，拍攝距離過近，其球面效應(yīng)越明顯，測量誤差越大，因此，在保證拍攝范圍的條件下，應(yīng)盡可能將拍攝距離調(diào)遠(yuǎn)。

4 結(jié)語

數(shù)字式高速攝影機(jī)因其在運(yùn)動(dòng)分析上的顯著優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，但由于其測量方法的特殊性，使得其在許多方面會(huì)產(chǎn)生測量誤差，因此，根據(jù)測量誤差產(chǎn)生的原因?qū)y量過程中進(jìn)行控制，可依有效減小測量誤差。

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