【原】常用三维运动录像解析及其标定

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三维运动录像解析是运动生物力学领域，获得三维运动学数据常用的方法，利用三维运动解析系统可以记录运动员的技术动作，通过后期的处理分析，将其以数字形式展现。

从而可以与以往的数据以及优秀运动员的数据进行比较、综合评定，发现每名运动员各自运动技术特点的优势与不足，科研人员及教练员能够及时的对其进行指导纠正，提高运动技术水平。

目前，体育技术动作三维解析的原理主要运用的是传统摄像机标定技术，其具体方法有立体摄像测量方法、红外光点摄像测量方法等。

1. 立体摄像测量方法，即两台或两台以上摄像机跟踪同一目标的三维拍摄方法。

一般又可以分为水平方向跟踪以及水平和垂直方向跟踪两类，其优点是适用于运动视场较大的项目，但是方法本身也存在拍摄过程繁琐、标定精度要求高、解析算法复杂、结果精度较低等缺点。

2. 红外光点摄像测量方法是使用高精度的红外光点摄像测量系统的红外光摄像机， 对固定在运动物体（例如人的关节点和运动器械等的选测点）上的红外发光射点进行拍摄，然后，通过系统的采集部件和专用计算机对红外光点（代表人体和器械选测点）运动的数据进行采集、运算、处理。

从而获得人体和运动器械等的运动学数据、曲线、图表等，其优势在于时效性和精度更高，但是对环境的要求以及设备的成本都相对较高。

常用摄像机标定技术：

1. 三维立体框架标定

三维标定框架是确定二维图像坐标系与三维世界坐标系间对应关系的重要工具。目前，使用的三维立体框架多是静态的标定框架，框架形状各异，但常用的是立方体形状、角锥状或是辐射状的框架等，要求具有较高的精度与刚度，框架上要有多个已知坐标的标定点，均匀分布在框架的各个边、角、对角线或辐射杆上。

下图示出了典型的辐射状三维立体标定框架，框架呈发射状，每一根杆件由两段组成，中间是由螺旋连接。标定框架首先需要按照每根杆件上面的标号装配起来，并与中间连接体相连接，装配完毕之后，按照框架放置示意图将框架移动到运动场地所要测量的位置，待拍摄后再移走，通过对标定框架的25个控制点（空间坐标已知）的拍摄、解析来对整个运动空间进行标定。

典型的辐射状三维立体标定框架示意图

目前，辐射状三维立体标定框架优于其他几种框架主要表现在：其结构不是很复杂，框架使用的杆件相对较少，安装、拆卸相对较容易，节点在空间的分布也比较均匀、合理。其不足表现在：框架的控制场不能太大，原因是每一根杆件的一端处于游离端，如果太长则会产生向下弯曲变形。

在实际应用中，往往会对运动项目特点的不同需求，而采用不同的拍摄方法，如三维定点定焦同步采集、三维定点变焦同步采集、三维定点变焦大范围扫描同步采集等，但这些方法都需要进行一项必不可少的步骤-摄像机标定。

体育运动科研实践中所使用的相对较多的三维运动录像解析软件有：APAS、SIMI、Dartfish、PEAK、爱捷、DV coach等。这些解析软件主要使用的标定方法都是基于三维辐射状框架的传统摄像机标定，然后将标定过的二维数据经过直接线性变换（Direct Linear Transformation，DLT）后，从而获得人体运动时相关的运动学参数。

2. 红外光学式运动捕捉自动识别

红外光学式运动捕捉的出现，使得自动获取人体运动的运动学参数成为了可能，因而它能够在运动解析中大大地节约人工打点的时间。光学式运动捕捉是通过对拍摄目标上特定的光点进行跟踪和监视来完成整个运动捕捉任务的。典型的红外光学式运动捕捉系统一般会至少有6台相机，环绕测试场地一周均匀排列，其拍摄画面的重叠区域就是运动者的运动范围。

为了使后期处理更为方便，一般要求运动者穿着单色的服装，并在身体的主要关节部位（如肘、腕、髋部、膝关节等位置）贴上特制的小半球形或小球形的反射标志物，称为“Marker”，摄像机发射红外光，再由能回返的标志物反射回来，视觉系统则只能识别和处理这些标志。

对于红外拍摄与解析系统，三维标定框架多是专用的。下图可显示出：一对典型的基于使用反射标志点的三维运动自动化分析系统标定框架，包括一动一静两个标定物体。

① L形框架固定在实验室，并确定了坐标轴的方向，②手持T型标定杆围绕L型框架转圈，在预先确定的拍摄空间中挥舞，使其最大程度的在测试空间内运动。

这个过程确保摄像机的位置和方向已知，以便总的标定尽可能地精确。

与三维立体框架标定的三维运动录像解析系统相比，红外光学式运动捕捉的优点是运动者活动范围相对较大，无需在视频解析过程中进行人工打点，使用很方便。其采样速率也较高，可以满足多数体育运动测量的需要。