艾康偉,貴慧宏,王博偉,彭磊華

三維影像分析控制點(diǎn)測(cè)量與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

艾康偉1,貴慧宏2,王博偉1,彭磊華1

三維運(yùn)動(dòng)影像分析通常采用的算法是直接線性變換法(DL T),而控制點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)是應(yīng)用直接線性變換法進(jìn)行標(biāo)定基本參數(shù),它目前是通過(guò)三維標(biāo)定框架的已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)所獲得的。由于三維標(biāo)定框架所覆蓋的空間有限,對(duì)于較大運(yùn)動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的三維運(yùn)動(dòng)影像分析會(huì)造成較大的誤差。研究目的是在全站儀(Topcon GPT-3002N)為硬件的基礎(chǔ)上,以對(duì)象編程語(yǔ)言C#為開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了三維影像分析控制點(diǎn)測(cè)量與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)。此系統(tǒng)為對(duì)運(yùn)動(dòng)空間任意布置的控制點(diǎn),或標(biāo)定框架上的控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)的精確測(cè)量提供了實(shí)用的工具,也為在運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷和分析中應(yīng)用三維跟蹤掃描影像分析方法奠定了基礎(chǔ)。此外,還對(duì)控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)框架換算系統(tǒng)的需求、總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、具體功能和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。

控制點(diǎn);標(biāo)定;DL T算法;全站儀;羅德里格矩陣

1 前言

三維運(yùn)動(dòng)錄像分析是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的基本手段之一,在運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與分析方面起著重要的作用。三維運(yùn)動(dòng)影像分析的目的是將兩臺(tái)以上攝像機(jī)拍攝的空間目標(biāo)點(diǎn)的像坐標(biāo)通過(guò)特定的算法解算出目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)。目前,通常采用的算法是直接線性變換法[12](簡(jiǎn)稱(chēng)DL T),根據(jù)直接線性變換法公式,空間目標(biāo)點(diǎn)的像坐標(biāo)與實(shí)際空間坐標(biāo)的關(guān)系是由11個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)所確定的,求解這11個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)的過(guò)程稱(chēng)為標(biāo)定。

對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定通常是采用三維標(biāo)定框架來(lái)完成。標(biāo)定框架一般是由若干個(gè)控制點(diǎn)(球)所構(gòu)成,這些控制點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)通常是用測(cè)繪儀器精確測(cè)量得到。依據(jù)直接線性變換法公式,要完成求解11個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)的標(biāo)定過(guò)程,至少需要已知6個(gè)以上控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)。除了控制點(diǎn)的測(cè)量準(zhǔn)確性外,控制點(diǎn)的空間分布和數(shù)目對(duì)標(biāo)定的精度也會(huì)產(chǎn)生影響[5]。

由于三維標(biāo)定框架控制點(diǎn)的坐標(biāo)事先已測(cè)量得到,所以在使用時(shí)省時(shí)方便,但由于加工和攜帶方面的原因,三維標(biāo)定框架不可能做得很大。因此,三維標(biāo)定框架所覆蓋的空間范圍有限,當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在三維標(biāo)定框架所確定的空間范圍之外時(shí),其三維錄像解析的精度存在較大的不確定性[10];這樣,對(duì)于運(yùn)動(dòng)范圍較大的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目應(yīng)用三維錄像解析分析作為技術(shù)診斷和評(píng)價(jià)的手段有較大局限性。

在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的三維運(yùn)動(dòng)錄像分析系統(tǒng),如德國(guó)的SIM IMotion、美國(guó)Peak Motus等系統(tǒng)都具有三維跟蹤掃描影像分析的功能,簡(jiǎn)稱(chēng)Pan/Tilt/Zoom功能[11]。要實(shí)現(xiàn)此功能,就要對(duì)較大運(yùn)動(dòng)空間所放置的若干附加控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,并將其轉(zhuǎn)換到三維標(biāo)定框架所確定的參考坐標(biāo)系中,在三維跟蹤掃描影像拍攝時(shí),除了拍攝運(yùn)動(dòng)目標(biāo)外,還要在運(yùn)動(dòng)畫(huà)面中至少拍攝下2個(gè)以上的附加控制點(diǎn),這樣才能應(yīng)用影像分析系統(tǒng)的Pan/Tilt/ Zoom功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維坐標(biāo)的解析計(jì)算①SIM IMotion User Manual,Simi Reality Motion Systems GmbH,Germany.。因此,對(duì)附加控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,并將其轉(zhuǎn)換到任意指定的坐標(biāo)系中是實(shí)現(xiàn)三維跟蹤掃描影像分析的前提。

本研究的目的是以全站儀(Topcon GPT-3002N)為硬件開(kāi)發(fā)出一套對(duì)空間任意擺放的控制點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)觀測(cè),并將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到指定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)的軟件系統(tǒng)。應(yīng)用此系統(tǒng)除了可對(duì)三維標(biāo)定框架控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)測(cè)量,或校驗(yàn)測(cè)量;還可對(duì)空間任意放置的附加控制點(diǎn)進(jìn)行三維空間坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和轉(zhuǎn)換,為較大范圍運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目跟蹤掃描三維影像分析奠定基礎(chǔ)。

2 全站儀簡(jiǎn)介

2.1 全站儀的概念

由于電子測(cè)距儀、電子經(jīng)緯儀以及微處理機(jī)的產(chǎn)生和性能不斷完善,在20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了把電子測(cè)距、電子測(cè)角和微處理機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體,能自動(dòng)記錄、儲(chǔ)存并具備某些固定計(jì)算程序的電子速測(cè)儀。因該儀器在一個(gè)測(cè)站點(diǎn)能快速進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量、定位和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存等工作,較完善地實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程的電子化和一體化,所以稱(chēng)為“全站型電子速測(cè)儀”,通常又稱(chēng)為“電子全站儀”或簡(jiǎn)稱(chēng)“全站儀”。

2.2 全站儀的基本組成

全站儀由電子測(cè)角、電子測(cè)距、電子補(bǔ)償、微機(jī)處理裝置4部分組成,它本身就是一個(gè)帶有特殊功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),其微機(jī)處理裝置由微處理器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出部分組成。由微處理器對(duì)獲取的傾斜距離、水平角、垂直角、垂直軸傾斜誤差、視準(zhǔn)軸誤差、垂直度盤(pán)標(biāo)差、棱鏡常數(shù)、氣溫、氣壓等信息加以處理,從而獲得各項(xiàng)改正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)。在儀器中的只讀存儲(chǔ)器中固化了測(cè)量程序,測(cè)量過(guò)程由程序來(lái)完成。

2.3 全站儀基本原理

全站儀角度測(cè)量所采用的電子經(jīng)緯儀在結(jié)構(gòu)和外觀上與光學(xué)經(jīng)緯儀類(lèi)似,它采用光電掃描和電子元件進(jìn)行自動(dòng)讀數(shù)和液晶顯示。電子測(cè)角雖仍然采用度盤(pán),但它不是按照度盤(pán)上的分劃線用光學(xué)讀數(shù)法讀取角度值,而是從度盤(pán)上取得電信號(hào),再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字并顯示角度值。目前,主流全站儀的測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)角精度可達(dá)±0.5″。

全站儀測(cè)距采用電子測(cè)距即電磁波測(cè)距,它是以電磁波作為載波,傳輸光信號(hào)來(lái)測(cè)量距離的一種方法。它的基本原理是利用儀器發(fā)出的光波(光速C已知),通過(guò)測(cè)定出光波在測(cè)線兩端點(diǎn)間往返傳播的時(shí)間t來(lái)測(cè)量距離S,公式如下:

長(zhǎng)測(cè)程全站儀測(cè)程可大于15 km,一般的測(cè)量精度為±(5 mm+1×10-6D),D為測(cè)量的距離。

全站儀所采用的無(wú)棱鏡測(cè)距技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于只要測(cè)點(diǎn)的反射介質(zhì)符合無(wú)棱鏡測(cè)量的條件,就不需要在測(cè)點(diǎn)上放置棱鏡,即可測(cè)量出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前,無(wú)棱鏡測(cè)距技術(shù)的一般測(cè)程在300 m左右,精度約為±(3 mm+2 ×10-6D)。

2.4 全站儀的應(yīng)用

全站儀的應(yīng)用范圍已不只是局限于測(cè)繪工程、建筑工程、交通與水利工程、地基與房地產(chǎn)測(cè)量,在大型工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和構(gòu)件的安裝調(diào)試、船體設(shè)計(jì)施工,大橋水壩的變形觀測(cè)以及競(jìng)技體育,如田徑項(xiàng)目田賽的成績(jī)測(cè)量等領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。

3 控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的需求分析

3.1 總體描述

本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是使用全站儀無(wú)棱鏡測(cè)量技術(shù)對(duì)三維標(biāo)定框架各桿上的控制點(diǎn)(球)和附加控制點(diǎn)(球)進(jìn)行觀測(cè),獲取其精確坐標(biāo),并將其轉(zhuǎn)換到指定坐標(biāo)系?；谶@一目標(biāo),對(duì)項(xiàng)目軟件的主要描述如下(圖1),系統(tǒng)部署于計(jì)算機(jī)中,一方面,以串口通訊的方式,向全站儀發(fā)送觀測(cè)指令,由全站儀完成對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的測(cè)量,并將觀測(cè)結(jié)果返還給系統(tǒng)軟件;另一方面,系統(tǒng)軟件將觀測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中,允許用戶定義坐標(biāo)系,可將觀測(cè)結(jié)果換算于該坐標(biāo)系并導(dǎo)出[3]。

系統(tǒng)具體觀測(cè)要求:

測(cè)量一:使用全站儀精確測(cè)量三維標(biāo)定框架各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo),并將其轉(zhuǎn)換到以指定控制點(diǎn)為原點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)系中。

測(cè)量二:對(duì)三維標(biāo)定框架之外放置的附加若干個(gè)控制點(diǎn)(球)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,并將其轉(zhuǎn)換到三維標(biāo)定框架所定義的直角坐標(biāo)系中。

系統(tǒng)軟件的總體作業(yè)流程為由全站儀采集觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo),計(jì)算各目標(biāo)點(diǎn)的站心坐標(biāo),并制定目標(biāo)圖片;從觀測(cè)目標(biāo)中,指定基準(zhǔn)點(diǎn),確定坐標(biāo)系統(tǒng);若選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)不滿足條件,則重新選擇;反之則換算所有觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo),并導(dǎo)出給用戶(圖2)。

圖1 系統(tǒng)模型圖

圖2 觀測(cè)流程圖

3.2 用例分析

按照總體作業(yè)流程,首先新建數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)換算和目標(biāo)操作4個(gè)功能包。

3.2.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要指項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和數(shù)據(jù)查詢(xún)。項(xiàng)目管理包括創(chuàng)建項(xiàng)目、編輯項(xiàng)目和刪除項(xiàng)目,參數(shù)項(xiàng)有名稱(chēng)、創(chuàng)建時(shí)間、相關(guān)圖片文件夾路徑以及備注;數(shù)據(jù)導(dǎo)出指將目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的觀測(cè)和換算結(jié)果導(dǎo)出為txt或csv格式;歷史查詢(xún),指系統(tǒng)允許用戶對(duì)系統(tǒng)中的項(xiàng)目信息進(jìn)行查詢(xún)。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要指儀器連接、觀測(cè)方式設(shè)置和方位觀測(cè)。儀器連接指全站儀與計(jì)算機(jī)通訊的端口號(hào)與通訊參數(shù)的設(shè)置;觀測(cè)方式設(shè)置包括單面測(cè)試和雙面測(cè)試的選定;方位觀測(cè)則包括目標(biāo)點(diǎn)的觀測(cè)、坐標(biāo)計(jì)算和保存。

3.2.3 坐標(biāo)換算

坐標(biāo)換算包括框架坐標(biāo)系創(chuàng)建和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)換算?？蚣茏鴺?biāo)系創(chuàng)建,指通過(guò)設(shè)定框架原點(diǎn)、X軸向點(diǎn)和XY共面點(diǎn)定義框架坐標(biāo)系;而目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)換算,則指將目標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)到的站心坐標(biāo)換算至框架坐標(biāo)系中。

3.2.4 目標(biāo)操作

目標(biāo)操作包括添加目標(biāo)和刪除目標(biāo),主要考慮到可能部分參算點(diǎn)的站心坐標(biāo)為已知值允許用戶直接輸入,此外,可能誤輸或誤測(cè)的情況允許刪除。添加目標(biāo),指由用戶直接輸入目標(biāo)點(diǎn)的站心坐標(biāo)創(chuàng)建目標(biāo)點(diǎn);刪除目標(biāo)點(diǎn),指由用戶選擇所要?jiǎng)h除的目標(biāo)點(diǎn)記錄,直接刪除。

4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)上面對(duì)系統(tǒng)需求的分析,將系統(tǒng)切分為數(shù)據(jù)管理、坐標(biāo)換算、數(shù)據(jù)采集和目標(biāo)操作4個(gè)主要功能模塊。此外,考慮到系統(tǒng)易用性,增添視圖和幫助模板(圖3、圖4)。

圖3 坐標(biāo)觀測(cè)與框架換算系統(tǒng)圖

圖4 觀測(cè)軟件功能模塊圖

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)特性,即為特定應(yīng)用環(huán)境構(gòu)造出最優(yōu)的數(shù)據(jù)模型[4]。根據(jù)系統(tǒng)需求,系統(tǒng)按照項(xiàng)目方式組織數(shù)據(jù),需要?jiǎng)?chuàng)建項(xiàng)目表(Projects)存儲(chǔ)項(xiàng)目的基本信息;目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)源有全站儀觀測(cè)和用戶輸入,全站儀觀測(cè)將產(chǎn)生直接觀測(cè)值和計(jì)算出的坐標(biāo),分別存儲(chǔ)于直接觀測(cè)值表(GPTMeasurements)和坐標(biāo)解算值表(Points);此外,為了關(guān)聯(lián)點(diǎn)與項(xiàng)目,便于查詢(xún)維護(hù),創(chuàng)建關(guān)聯(lián)表(Relations)。

5.2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

全站儀的觀測(cè)方法有極坐標(biāo)法和方向觀測(cè)法[9]。系統(tǒng)中,主要采用極坐標(biāo)法實(shí)現(xiàn),該方法將儀器架設(shè)到已知坐標(biāo)的穩(wěn)定點(diǎn),利用另一已知點(diǎn)進(jìn)行定向,然后觀測(cè)未知點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距,最后通過(guò)觀測(cè)量和已知點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。而框架坐標(biāo)的換算,則直接采用羅德里格矩陣[6-7],采用3對(duì)公共點(diǎn)計(jì)算出轉(zhuǎn)換七參,即3個(gè)平移量、3個(gè)旋轉(zhuǎn)量和1個(gè)尺度量;然后,換算出所有目標(biāo)點(diǎn)的框架坐標(biāo)值。系統(tǒng)的關(guān)鍵算法流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)算法流程圖

6 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì),采用了面向?qū)ο蟮臋C(jī)制和思想。對(duì)系統(tǒng)建模而言,如果模型越接近現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),就越容易反映現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng),并且適應(yīng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的變化[1,2]。本系統(tǒng)軟件選擇了面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言C#,完成系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn),下面將對(duì)系統(tǒng)整體功能,如串口通信實(shí)現(xiàn)、對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)連接接口與類(lèi)、自定義類(lèi)和窗體類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

全站儀的數(shù)據(jù)采集主要由計(jì)算機(jī)與全站儀通信和坐標(biāo)解算兩部分組成。計(jì)算機(jī)與全站儀之間的通信是坐標(biāo)換算的前提,通信模式主要包括有線和無(wú)線(圖6)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的接連主要采用抽象工廠模式設(shè)計(jì),允許以多種方式連接多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù),具體包括ODBC、Orcale、MsSql和OleDb。為實(shí)現(xiàn)全站儀數(shù)據(jù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)保存功能,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全站儀類(lèi)、觀測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)、常用數(shù)據(jù)方法類(lèi)、坐標(biāo)換算類(lèi)、三維點(diǎn)類(lèi)、目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)象類(lèi)。為了更好地與用戶交互,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主窗體、觀測(cè)窗體、工程歷史查詢(xún)窗體、工程窗體、坐標(biāo)解算窗體、儀器設(shè)置窗體和系統(tǒng)關(guān)于窗體。

圖6 全站儀作業(yè)流程圖

7 控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能,對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛使用的Peak三維標(biāo)定框架上的24個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,并將所得到的數(shù)據(jù)與Peak三維標(biāo)定框架制造廠家給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

7.1 準(zhǔn)備工作

使用串口線連接計(jì)算機(jī)和Topcon GPT-3002N全站儀,并測(cè)試端口的可用性;正確架設(shè)三維標(biāo)定框架;啟動(dòng)全站儀,將全站儀置于斜距觀測(cè)模式下,并設(shè)目標(biāo)常數(shù)為0;啟動(dòng)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)框架換算系統(tǒng)。

7.2 實(shí)際操作

Peak三維標(biāo)定框架是輻射式標(biāo)定框架,由8根桿(桿號(hào)由1～8),每根桿上有3個(gè)控制點(diǎn)(球)(點(diǎn)分別以A～X字母表示)所構(gòu)成,控制球的直徑為D=35 mm。將Peak標(biāo)定框架以水平擺放方式①Peak Calibration Frame User’s Reference Manual,PEAK Perfo rmance Technologies INC.,USA.架設(shè)在三角架上,使用全站儀目標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)框架上的24個(gè)控制點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,一遍測(cè)量完成后,將框架任意旋轉(zhuǎn)一角度進(jìn)行下一次的測(cè)量,這樣的過(guò)程共進(jìn)行3次,得到3組觀測(cè)數(shù)據(jù)。應(yīng)用系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能,將3組控制點(diǎn)的站心坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到Peak框架以水平擺放所確定的直角坐標(biāo)系中(圖1)。

7.3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

表1給出了Peak框架制造廠家給出的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)對(duì)Peak框架24個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行3次觀測(cè)測(cè)量得到的三維坐標(biāo)平均值的數(shù)據(jù)對(duì)比。

從兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可知:對(duì)所有的24個(gè)控制點(diǎn)來(lái)說(shuō),在X軸、Y軸和Z軸方向上最大差值分別是0.0186 m(發(fā)生在J控制點(diǎn)),0.0128 m(發(fā)生在D控制點(diǎn))和0.0165 m(發(fā)生在G控制點(diǎn)),在X軸、Y軸和Z軸方向上所有的24個(gè)控制點(diǎn)平均差值分別是0.0088 m、0.0056 m和0.0034 m。

Peak框架所給出的24個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)是在標(biāo)定框架出廠前測(cè)量得到的,測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的和人為的誤差,在框架使用10多年后,其真值也會(huì)發(fā)生變化。本次測(cè)量是對(duì)框架當(dāng)前的真值進(jìn)行的測(cè)量,兩組測(cè)量的數(shù)據(jù)有差別是完全可以理解的。從整體上看,在X軸、Y軸和Z軸方向平均差值不超過(guò)0.01 m,說(shuō)明所開(kāi)發(fā)的控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的功能得到了實(shí)現(xiàn)。

表1 與Peak框架控制點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比一覽表

8 總結(jié)

本文從控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)框架換算系統(tǒng)的需求、總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、具體功能和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述,對(duì)將來(lái)同領(lǐng)域的研究和嘗試有一定的借鑒意義。此外,控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)與坐標(biāo)框架換算系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)、通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)了控制點(diǎn)目標(biāo)觀測(cè)、坐標(biāo)換算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,極大程度地提高了控制點(diǎn)目標(biāo)方位獲取的高效性和準(zhǔn)確性,為體育運(yùn)動(dòng)研究中應(yīng)用三維掃描錄像分析方法對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行全面深入的分析診斷和研究奠定了基礎(chǔ)。

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The Design and Realization of the Software System to Measure Control Points and Transform Coordinates in 3D M otion Analysis

A I Kang-w ei1,GU I Hui-hong2,WANG Bo-wei1,PENG Lei-hua1

Direct Linear Transfo rmation(DL T)is one of main algo rithm s used in 3D motion image analysis,moreover the spatial coo rdinates of control points are the fundamental parameters to calibrate the cameras using DL T algorithm,and are usually given by 3D calibration frame.Because of the lim ited room covered by 3D calibration frame,the error w ill occur w hen using 3D mo tion image analysis system to track and measure the moving object in the relative large range.The purpose of this study was to develop the software system to measure control points and transform coo rdinates using C#p rogramm ing language w ith the total station(Topcon GPT-3002N).This system can p rovide an app lied tool to survey the accurate spatial coo rdinates of control points positioned as you w ish in the large range,o r fixed on the 3D calibration frame,and meet the needs to carry out 3D tracking mo tion image analysis in analyzing and diagnosing the techniques in spo rt movements.In addition,the demands of the system to measure control points and transfo rm coordinates,general structure,design of database and algorithm,functions and realization in p ractice were describe in details in this paper.

control points;calibration;DL T a lgorithm;tota l station;Lod rigues M atrix

G804.6

A

1000-677X(2011)01-0039-05

2010-08-11;

2010-12-09

國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(09-04)。

艾康偉(1959-),男,江蘇南京人,研究員,研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和體育工程,Tel:(010)87182535,E-mail:aikangwei@126.com。

1.國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所,北京100061;2.北京中軟強(qiáng)網(wǎng)信息技術(shù)有限公司,北京100094

1.China Institute of Spo rts Science,Beijing 100061,China;2.Beijing Chinasoft Powernet Info rmation Technology Co.Ltd.,Beijing 100094,China.