基于Kwon3D動作分析系統(tǒng)對游泳動作的三維測量方法研究

陳　亮，嚴　紅，門薇薇，王　嶸

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基于Kwon3D動作分析系統(tǒng)對游泳動作的三維測量方法研究

陳亮1，嚴紅2，門薇薇3，王嶸2

摘要運動生物力學(xué)的研究通常要借助專門的影像解析系統(tǒng)（軟件）來獲得三維運動學(xué)數(shù)據(jù)，游泳項目的水中三維影像解析一直是比較復(fù)雜和有難度的測試。國外對游泳的三維影像解析，大多也是以水下攝像機為主進行的三維測量。我國現(xiàn)階段對游泳項目的研究大多尚處在二維攝像解析技術(shù)狀態(tài)，而且我國使用水下三維攝像方法進行的為數(shù)不多的研究，其測試方法也只是完全在水下進行攝像測量。由于光線在不同介質(zhì)中傳播，會發(fā)生折射和反射。因此，對水中動作進行測試時，如果僅使用陸上攝像機或僅使用水下攝像機進行測試，光線折射帶來的誤差就會較大，更加影響了測試數(shù)據(jù)的準確性。以蛙泳動作為例，介紹一種基于Kwon3D動作分析系統(tǒng)的三維測量方法，此方法不同于單純的水下攝像測試，是一種陸上攝像機與水下攝像機結(jié)合的三維測試方法。試驗中，使用2臺水下攝像機、2臺陸上攝像機，對水上和水下空間用同一個定標框架同時定標。經(jīng)過對三維重構(gòu)精度進行分析和驗證，結(jié)果表明，綜合重建誤差較小，平均相對誤差小于1%。

關(guān)鍵詞運動生物力學(xué)；三維測量；三維重構(gòu)；游泳；Kwon3D；動作分析

Methodof3DMeasurement Appliedto Swimming Basedon Kwon3DMotion Analysis System

CHEN Liang1，YAN Hong2，Men Weiwei3，Wang Rong2
（1.Tianjin Key Lab of Exercise Physiology & Sports Medicine，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；2.Dept.of First PE and Coaching，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；3.Dept.of Sport Cultural Media，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

Abstract Study of sports biomechanics are often with the help of a special image analysis system（software）to obtain three dimensional kinematic data.The underwater three-dimensional motion image analysis of swimming is always complex and difficult.Foreign swimming 3D image analysis is mainly underwater cameras for 3D measurement.Most studies of the swimming events at the present stage in China is given priority to with two dimensional image analysis.But China's underwater 3D imaging methods are one of the few studies，its measurement method is completely underwater camera measurement.As measured in the water，therefore，if only use camera on land，or just use underwater cameras，light refraction error will be larger，more affected the accuracy of the mea?surement data.As breaststroke action as an example，this paper introduces a method of 3D measurement and digitization based on Kwon3D Motion Analysis System.This method is different from pure underwater three-dimensional camera measurement，and it is a three-dimensional test method which combines land camera with underwater camera.In the experiment two underwater cameras and two cameras of the land were used to record images，the calibration of the space underwater and out of the water were performed by the same calibration frame at the same time.Through analysis of three-dimensional reconstruc?tion precision and verification,the results showed that the comprehensive reconstruction error is small，the average relative error is less than 1%.

Key words biomechanics；3D measurement；three-dimensional reconstruction；swimming；Kwon3D；motion analysis

影像解析的方法是運動生物力學(xué)進行人體動作分析、獲取分析點三維坐標及計算運動學(xué)參數(shù)的重要方法之一，通常要借助專門的影像解析系統(tǒng)（軟件）來獲得三維運動學(xué)數(shù)據(jù)。對水中動作測量不同于陸上項目，由于水下三維攝像和三維解析技術(shù)比較復(fù)雜，存在以下難點：（1）設(shè)備要求高（至少需要水下攝像機）；（2）水下和水上運動中因光線傳導(dǎo)介質(zhì)的差異造成水上、水下運動肢體無法一次成像；（3）解析時，一個運動點的連續(xù)運動信息可能不是由單一記錄視頻獲取的，至少需要有選擇的使用。國外對游泳的三維影像解析，大多也是以水下攝像機進行的三維攝像測試。我國現(xiàn)階段對游泳項目大多尚處在二維攝像解析技術(shù)狀態(tài)，國內(nèi)使用水下三維攝像方法進行的為數(shù)不多的研究，其測試方法也只是完全在水下進行攝像測量。

由于光線在不同介質(zhì)中傳播，會發(fā)生折射和反射。因此，對水中動作進行測試時，如游泳動作會有部分肢體時而在水面上，時而在水下，如果僅使用陸上攝像機或僅使用水下攝像機進行測試，由于光線折射帶來的誤差就會較大，影響測試數(shù)據(jù)的準確性。

本文以蛙泳為例，介紹一種基于Kown3D三維動作解析系統(tǒng)，采用水下和陸上攝像相結(jié)合的定標及解析方法。該測量方法在理論上會比僅使用水下或僅使用水上測試更為合理，對由于光線折射產(chǎn)生的誤差大大減小。

1　現(xiàn)場視頻采集

前期在現(xiàn)場先拍攝視頻，在后期進行三維解析時，再導(dǎo)入剪輯好的視頻進行測量點解析。

1.1測試設(shè)備及器材

北京泰和中怡水下采集系統(tǒng)（2臺水下攝像頭）、2臺sony高清攝像機（拍攝頻率50 Hz）、Kwon3d三維定標框架、閃光燈、自制LED發(fā)光小燈、醫(yī)用膠布和雙面膠等。

1.2三維拍攝方案

本試驗采用三維定點定標攝像的方法，水上運用2臺sony攝像機，拍攝頻率為50 Hz；水下使用2臺北京泰和中怡水下攝像系統(tǒng)，并采用閃關(guān)燈同步的方法在后期數(shù)據(jù)整理中對4臺攝像機進行同步處理（見圖1）。

三維定標框架放置于測試區(qū)域，即拍攝范圍中間，框架采用的是Kwon3D配套的立方體型定標框架，框架由若干1 m長的桿組成，可自由組合大小。本次測試采用的框架為2 m×1 m× 2 m（長×寬×高），水深2 m左右，在水下架設(shè)2個長80 cm、高43 cm的救生凳，三維框架置于水池底部救生凳上，使框架露出水面約1 m（保證框架豎桿上的3個白球全部露出水面），即2 m高的框架一半露在水上，一半在水下（見圖2）。三維測試的攝像機架設(shè)原則為，2臺攝像機的主光軸夾角在60°～120°。李世明[1]在《對運動影像解析中若干運動學(xué)指標算法的探討中》中提出，“對于三維解析數(shù)據(jù)的精度，拍攝相機位置的放置是有一定影響的。當相機交角在60°～90°之間具有較好的重構(gòu)精度，可以減少二維圖像坐標誤差對三維重構(gòu)的影響”。本測試2臺攝像機夾角選取在80°左右。2臺水下攝像機連線中點距離拍攝范圍中心的水平距離為7.8 m，2臺攝像機的之間的距離為13 m；2臺水上攝像機的中點連線距拍攝范圍中心的水平距離為8.85 m，2臺攝像機之間的距離也為13 m；2臺水上攝像機機高約1.02 m。每臺攝像機主光軸均對準定標框架中心位置，拍攝范圍約5 m。測量框架的精度有效范圍約為3 m×3 m×2 m（見圖3）。

圖2　 4臺攝像機的拍攝定標框架畫面Figure2 Four images of camera calibration framework

圖3　測試布局平面俯視示意圖Figure3 The experimental layout plan

現(xiàn)場將攝像機及框架按圖示位置安放調(diào)試好，由于在水中安放框架，下水時人員較多造成泳池水面波動較大，會造成框架晃動。因此，需要在安放好框架，安裝人員全部上岸，等待水面平靜后，再開始進行框架定標拍攝。

攝像機先拍攝靜態(tài)定標框架，記錄5～10 s畫面即可，再將框架取走，拍攝受試者動作，受試者按照研究者的要求直線游進，當受試者經(jīng)過拍攝范圍時，各攝像機記錄下動作過程。并且，閃光燈的操作人員（位于受試者相鄰泳道）盡可能在受試者游經(jīng)拍攝范圍過程中，按下閃光燈，使各攝像機均能看到這一閃光畫面。

所有拍攝視頻，本研究采用非線編軟件EDIUS進行格式轉(zhuǎn)換和剪輯（本文不進行詳述），然后再導(dǎo)入Kwon3d軟件進行后期解析。

2　　空間三維重構(gòu)

2.1框架標定

定標框架為Kwon3d系統(tǒng)配套的立方體結(jié)構(gòu)框架，長×寬×高為2 m×1 m×2 m，由33根1 m長的桿連接而成，每根桿上有3顆白球精確定位。在定標過程中，只對豎桿上的白球進行“打點兒”標定，定標點共計36個點，其中18個點位于水下，18個點位于水面上。以整個立方框架的一個頂點為原點，建立直角坐標系，在軟件中輸入這36個定標點相對于坐標原點的三維坐標值。在后期的軟件操作中，進行“框架定標”步驟的操作時，水下2臺攝像機畫面的定標僅對水下18個定標點進行“打點兒”標定操作；水上2臺攝像機畫面的定標僅對露出水面的18個定標點進行“打點兒”定標操作，36個控制點坐標及誤差見表1。在定標的計算界面，Kwon3D系統(tǒng)關(guān)于定標的三維重構(gòu)計算法有2種選擇：DLT[2-4]算法（Direct linear transformation，直接線性轉(zhuǎn)換）和DSM[5]（Direct Solution Method，直接求解法）。在本研究中，選取DSM算法，獲得的重建綜合誤差最小。經(jīng)多次定標后，選取較好的一次，系統(tǒng)顯示“重建誤差”為0.306 413 cm（見圖4）。

表1　框架36個控制點坐標及重建誤差/cmTable1 The coordinates of 36 frame control points and the reconstruction error/cm

2.2重構(gòu)精度的驗證

本研究采用水上水下相結(jié)合的測試方法進行蛙泳動作研究，在以往的研究文獻中很少見到。因此，在使用此方法正式測試受試者動作前，雖然理論上是可行的，但還是要進行測試精度的簡單驗證。驗證方法為：在拍攝定標框架畫面后，讓一名工作人員手持一根定標桿，在被定標區(qū)域進行上下?lián)]動，揮動動作包括從水面揮桿并將桿插入水中的隨機動作，對定標桿上的固定間距的白球進行測定，白球的間距是已知的（中間白球距2邊白球之間的間距均是30 cm，即2邊白球的間距是60 cm），用實測的白球間距驗證測量方法的精度。尤其是測定定標桿一部分在水下一部分在水上時，桿上白球動態(tài)運動時的空間距離。

圖4　定標計算界面截圖Figure4 Calibration calculation interface screenshots

表2與表3的實測數(shù)據(jù)為一小段時間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時間間隔為0.02 s，平均誤差分別為-0.003 94 m和-0.002 499 m，即在3 m的測試范圍內(nèi)，測試區(qū)域中間部分的平均相對誤差為0.83%～0.66%（平均相對誤差=平均誤差值/理論值），即平均相對誤差小于1%。對于目前的體育測試，尤其是水中測試，本文認為這種定標方法產(chǎn)生的誤差已經(jīng)是非常小的，在測量大部分常用“游泳運動學(xué)指標”[6-8]時是可以接受的誤差范圍。

表2　運動狀態(tài)下的桿兩端白球距離實測數(shù)據(jù)Table2 The measured length of both ends of the white ball in motion

3　測量點解析

3.1模型的建立

本試驗以蛙泳為例進行測試，由于儀器數(shù)量的限制，在前期測試時，僅對動作的一側(cè)進行拍攝。另一側(cè)關(guān)節(jié)點是不能完全看到的，在后期解析時，假定受試者蛙泳動作是左右完全對稱的動作結(jié)構(gòu)，在建立模型時，僅建立一側(cè)的點，即只對運動員一側(cè)的頭、手、腕、肘、肩、髖、膝、踝、足尖、足跟關(guān)節(jié)點進行解析。模型的各環(huán)節(jié)慣性參數(shù)，均按照系統(tǒng)自帶參數(shù)，但其中頭與軀干的質(zhì)量百分比按照原有數(shù)據(jù)的1/2進行修正，用于人體重心數(shù)據(jù)的相關(guān)計算，這便形成一個人體“單側(cè)模型”。

表3　運動狀態(tài)下的桿中間白球與一端白球距離實測數(shù)據(jù)Table3 The measured length of the middle white ball from the end of the white ball in motion

關(guān)于人體重心，由于模型是“單側(cè)模型”，因此在重心計算時，不能計算出全身身體重心的三維坐標數(shù)據(jù)，但由于人體是對稱的，并且假設(shè)運動員的蛙泳動作也是左右對稱結(jié)構(gòu)，因此，使用該模型計算出的重心，可以用于分析“以游進方向為X軸，以垂直水面為Z軸的二維坐標系”下的重心運動特征，即向前游進的前后方向與上下起伏的重心運動特征。向前游進的左右晃動暫時不進行分析，也暫時假定受試者動作為理想的左右對稱結(jié)構(gòu)動作，動作的左右方向沒有晃動。事實上，由于人體的左右肢體力量不可能完全對稱，會有輕微的左右擺動，僅是由于儀器設(shè)備的限制暫不進行研究，在儀器條件允許的情況下，可增加攝像機數(shù)量，對另一側(cè)動作進行解析測試，進而分析整體重心的三維運動情況，可以分析身體運動時左右晃動的程度。

3.2解析

解析，即指對所選取的測量點的空間坐標數(shù)字化的過程，如對肩、肘、腕、髖、膝、踝等關(guān)節(jié)點的人工“打點”過程。

對于某些關(guān)鍵時相的運動學(xué)參數(shù)，解析員帶來的判讀誤差有時會超過動作本身的差異。因此，對其進行動作解析時，應(yīng)對打點人員進行必要的關(guān)節(jié)點知識的培訓(xùn)[9]。

在打點解析時，當需要測試解析的肢體關(guān)節(jié)點在水下時，只對水下圖像解析；當肢體關(guān)節(jié)點露在水面時，則只對水上圖像進行解析。Kwon3D系統(tǒng)可以將這2部分數(shù)據(jù)自動連接起來，并且軟件中可以對數(shù)據(jù)根據(jù)需要進行平滑處理。如當對肩關(guān)節(jié)點進行打點解析時，某一時段是由水下攝像機獲取的圖像進行打點，某一時段又是由水面上攝像機獲取的圖像進行打點。在打點解析時，還要進行一些必要的設(shè)置：在點擊“2D”按鈕進行測量點解析時，先要在The Camera Pairs選項中將攝像機進行“配對”，將水下的2臺攝像機勾選配成一組，將水上的2臺攝像機勾選配成一組。如此，在生成三維數(shù)據(jù)的時候，位于水下的關(guān)節(jié)點則是由水下2臺攝像機圖像“打點”生成，有些時刻，關(guān)節(jié)點露出水面（如頭、肩），則三維數(shù)據(jù)是由水上2臺攝像機圖像“打點”生成。所有關(guān)節(jié)點解析完畢后，點擊“3D”按鈕，軟件自動生成三維棍圖。

此外，由于光線，以及泳池中水的渾濁度等原因都會降低圖像的清晰度，為了提高圖像解析清晰度，可以在受試者進行熱身之后，在被測試關(guān)節(jié)點位置貼上自制LED發(fā)光燈，在后期圖像解析中可以看清發(fā)光燈的位置，為提高解析精度提供重要參考。

理論上，三維測試是可以對受試者進行全部關(guān)節(jié)點的測試，但由于設(shè)備數(shù)量有限，本研究暫時只對受試者一側(cè)肢體進行運動三維測試。在攝像機數(shù)量允許的情況下，可以進行水下4臺攝像機、水上4臺攝像機或多機同步測試，可以進行兩側(cè)肢體運動的三維數(shù)據(jù)解析，可以更加精細地研究運動員左右肢體動作的對稱性，對重心左右偏移等進行更加合理的分析。

4　結(jié)語

（1）本文以蛙泳為例，提供了一種基于Kwon3d三維解析系統(tǒng)對游泳動作進行三維測量的定標及解析方法，是一種水上攝像與水下攝像結(jié)合的三維測試方法，為進一步提高水中動作三維測試精度提供了有意義的參考借鑒。

（2）本文介紹的定標方法，理論上進一步減少了光線折射產(chǎn)生的誤差。試驗中，平均相對誤差小于1%。對于目前的體育測試，尤其是水中測試，本文認為這種定標產(chǎn)生的誤差在測量大部分常用游泳運動學(xué)指標時，是可以接受的誤差范圍。

參考文獻：

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[8]張怡.優(yōu)秀女子蛙泳運動員孫燁季麗萍蛙泳技術(shù)改進過程[D].上海：上海體育學(xué)院，2010.

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●研究報道Short Comunications

作者簡介：陳亮（1977-），男，天津市人，實驗師，研究方向為運動生物力學(xué)。

基金項目：國家體育總局科教司重點研究領(lǐng)域攻關(guān)課題（項目編號：2012B058）

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-12-28；錄用日期：2015-12-29

DOI：10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.01.014

中圖分類號：G 804.6

文獻標志碼：A

文章編號：1005-0000（2016）01-073-04

作者單位：1.天津體育學(xué)院運動生理與運動醫(yī)學(xué)重點實驗室，天津300381；2.天津體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練一系，天津300381；3.天津體育學(xué)院體育文化傳媒系，天津300381。