賈 誼，嚴(yán)波濤，劉占峰，路慧娟

JIA Yi 1，YAN Bo－tao2，LIU Zhan－feng2，LU Hui－Juan2

1 研究目的

在進(jìn)行平面定機(jī)攝影測(cè)量時(shí)，由于所使用的光學(xué)鏡頭都會(huì)由于固有的透視失真而產(chǎn)生畸變誤差，因此，為了解析結(jié)果的精度能夠達(dá)到研究的要求，有研究人員曾對(duì)攝影過(guò)程進(jìn)行了一些規(guī)范，如“攝影機(jī)到運(yùn)動(dòng)平面的距離為拍攝范圍的5～6倍”［1］。但是，在實(shí)際拍攝過(guò)程中，由于比賽場(chǎng)地條件有限，如對(duì)競(jìng)走項(xiàng)目的拍攝，為防止欄桿和行人遮擋，常常會(huì)將攝像機(jī)架設(shè)于離運(yùn)動(dòng)平面較近的位置而無(wú)法滿(mǎn)足上述對(duì)拍攝距離的要求，加之鏡頭取景范圍有限，所采集的影像資料常常會(huì)受到鏡頭邊緣畸變的影響而降低了解析結(jié)果的精度。本文采用一種簡(jiǎn)便易行的方法，減小因近距離拍攝而產(chǎn)生的鏡頭畸變誤差，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)此方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)拍攝

為了分析鏡頭畸變對(duì)影像解析結(jié)果的影響，采用三種不同的鏡頭對(duì)固定間距標(biāo)志物進(jìn)行拍攝。鏡頭1為CASIO FH25數(shù)碼相機(jī)自帶變焦鏡頭；鏡頭2為日本產(chǎn)AVENIR TV ZOOM LENS變焦鏡頭；鏡頭3為PanasonicDVG180 A常速攝像機(jī)自帶LEICA DICOAR變焦鏡頭（表1）。

拍攝步驟：在田徑場(chǎng)內(nèi)布置一條5 m的直線(xiàn)，利用工程線(xiàn)進(jìn)行矯直。每隔50 cm，用長(zhǎng)釘將乒乓球固定在直線(xiàn)上，并用游標(biāo)卡尺對(duì)乒乓球間距進(jìn)行實(shí)測(cè)。用3種不同鏡頭對(duì)乒乓球進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)鏡頭垂直于拍攝平面，機(jī)高設(shè)為1.2 m。拍攝距離從10 m開(kāi)始，以后每隔2 m拍攝1次，到30 m結(jié)束。每次拍攝時(shí)，使得直線(xiàn)在鏡頭畫(huà)面上的成像位置保持在下1／4處，并保證1號(hào)球位于成像畫(huà)面的邊緣處。

2.2 視圖轉(zhuǎn)換與畸變修正

對(duì)拍攝視頻的修正過(guò)程如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)視頻畸變修正流程圖

2.2.1 將視頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)圖片

拍攝采集到的視頻通常為AVI格式，無(wú)法直接使用Photoshop軟件對(duì)其進(jìn)行修改，所以，必須對(duì)采集到的視頻文件先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，變?yōu)檫B續(xù)圖片后再進(jìn)行處理。

具體過(guò)程：使用Ulead GIF Animator 5.0軟件打開(kāi)要修正的視頻文件，選擇“文件”模塊中保存功能的“保存為圖像畫(huà)面”，即可將視頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)圖片，這一過(guò)程僅需要幾秒鐘的時(shí)間。

表1 本研究測(cè)試用鏡頭參數(shù)一覽表

2.2.2 利用Photoshop軟件中的Lensdoc插件對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行畸變修正

首先打開(kāi)裝有Lensdoc插件的Photoshop軟件（最好為Photoshop 7.0版本）。為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的批處理功能，在Action模塊選擇“creat new action”新建一個(gè)動(dòng)作記錄，打開(kāi)連續(xù)圖片中的第一幅圖片，選擇“filter”模塊中的“Andromeda”功能，并打開(kāi)其中的Lensdoc插件。在Lensdoc插件中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作圖片的畸變校正（校正原理及過(guò)程見(jiàn)下節(jié)內(nèi)容）。校正完畢后對(duì)圖片進(jìn)行保存并關(guān)閉，之后點(diǎn)擊Action模塊中的“Stop”按鈕結(jié)束記錄。

在上述修正過(guò)程結(jié)束之后，選擇“Automate”功能當(dāng)中的“Batch”功能，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有連續(xù)圖片進(jìn)行相同步驟畸變修正過(guò)程的批處理，整個(gè)批處理過(guò)程中所有圖片的畸變修正參數(shù)保持一致。

2.2.3 連續(xù)圖片的視頻合成

在對(duì)所有連續(xù)圖片進(jìn)行畸變校正之后，需要把連續(xù)圖片再合成回視頻文件，以便后期的解析工作使用。這一過(guò)程可以通過(guò)PhotoLapse軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體操作過(guò)程：首先，導(dǎo)入修正后的連續(xù)圖片，之后選擇“create movie”并指定合成視頻的保存路徑，在視頻壓縮時(shí)選擇“全幀”模式即可。由于使用Photo Lapse軟件進(jìn)行合成視頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一幅圖像丟失的現(xiàn)象，因此，將連續(xù)圖片當(dāng)中的第一幅進(jìn)行拷貝處理即可避免圖像丟失。

2.3 畸變修正前、后誤差比較

使用APAS圖像解析軟件對(duì)畸變修正前、后的視頻資料進(jìn)行解析，并對(duì)修正前、后的誤差值進(jìn)行比較。為盡量減小隨機(jī)誤差帶來(lái)的影響，取10幅畫(huà)面進(jìn)行解析，由原始坐標(biāo)的平均值計(jì)算得到乒乓球間距，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較得到誤差值。

3 結(jié)果與分析

3.1 鏡頭畸變對(duì)圖像解析精度的影響

對(duì)每個(gè)拍攝距離下的10幅畫(huà)面進(jìn)行解析并取平均值進(jìn)行比較（表2），可以看出，不論使用何種鏡頭進(jìn)行拍攝，左1～2段誤差值明顯大于左3～5段。這意味著在取景范圍為5 m的情況下，圖像中間約2 m范圍內(nèi)的測(cè)量精度較高，誤差百分比基本維持在0.8％～0.2％的較低水平上，而超出這一范圍，則誤差會(huì)明顯增加?？梢?jiàn)，鏡頭畸變對(duì)于測(cè)量精度的影響較大。

表2 本研究3種鏡頭各段誤差均值比較一覽表

3.2 Lensdoc插件的畸變修正原理

鏡頭畸變誤差對(duì)影像測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響［2］，修正鏡頭畸變誤差的方法很多，從總體上可分為基于控制對(duì)象的方法和基于模式的方法兩大類(lèi)［4］。但這些方法大都需要對(duì)高精度標(biāo)塊進(jìn)行拍攝，并且對(duì)畸變系數(shù)進(jìn)行求解［7］，而計(jì)算量又會(huì)隨著泰勒展開(kāi)式階數(shù)的增高而加大［3］。

本實(shí)驗(yàn)使用的“Lensdoc”插件利用了視場(chǎng)中的任何特征直線(xiàn)在像平面所成的像仍然是直線(xiàn)這一原理，對(duì)鏡頭畸變進(jìn)行糾正。這種方法因?yàn)閷?duì)場(chǎng)景要求不高，不需要制作精確的校正板，僅需要一些隨處可見(jiàn)的直線(xiàn)特征，因此，這種校正方法也被稱(chēng)為非量測(cè)校正［6］。傳統(tǒng)的畸變修正軟件圖像邊緣與圖像中央的修正系數(shù)是預(yù)先設(shè)定好的，操作人員只能根據(jù)軟件所提供的改正系數(shù)進(jìn)行修正，因此，會(huì)出現(xiàn)畫(huà)面邊緣部分被修正，但是畫(huà)面中間部分修正過(guò)度或者修正不足的現(xiàn)象。而Lensdoc軟件的修正原理是根據(jù)處于畫(huà)面中不同位置的線(xiàn)性條件分別進(jìn)行修正，這樣就可以保證畫(huà)面不同位置采用不同的修正系數(shù)進(jìn)行修正，從而避免出現(xiàn)畫(huà)面被擠壓或拉伸的現(xiàn)象。只要將用于修正的線(xiàn)性條件，如直尺或標(biāo)桿攝入畫(huà)面，即可對(duì)畫(huà)面圖像中的畸形現(xiàn)象進(jìn)行有效的修正［8］。

在具體處理過(guò)程中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有直線(xiàn)，如跑道線(xiàn)、道路交通標(biāo)志線(xiàn)等作為畸變修正的參考線(xiàn)，或者在拍攝現(xiàn)場(chǎng)布置一條或幾條直線(xiàn)作為參考線(xiàn)。

3.3 鏡頭畸變修正前、后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖2是對(duì)鏡頭1進(jìn)行校正前、后的誤差對(duì)比分析結(jié)果?？梢钥闯?，進(jìn)行畸變校正處理后獲得的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)測(cè)值，左1段的平均誤差值由糾正前的0.0198 m降低為0.0039 m；左2段的平均誤差值由糾正前的0.0122 m降低為糾正后0.0021 m；左3、左4、左5點(diǎn)由于受鏡頭光學(xué)畸變影響本身已經(jīng)不大，雖然通過(guò)糾正后誤差也相對(duì)減小，但幅度沒(méi)有左1、左2兩段明顯。另外，在對(duì)圖像邊緣進(jìn)行誤差校正時(shí)，圖像中央部分的誤差均值降低了0.3 mm，并沒(méi)有出現(xiàn)擠壓或拉伸的現(xiàn)象。

圖2 鏡頭1畸變修正前、后誤差均值比較示意圖

3.4 畸變修正方法的效率

在進(jìn)行體育科研服務(wù)時(shí)，教練員和運(yùn)動(dòng)員需要在第一時(shí)間得到反饋結(jié)果，這就要求整個(gè)畸變修正過(guò)程所需時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，完成一段90幅畫(huà)面視頻圖像（約為競(jìng)走的一個(gè)復(fù)步過(guò)程）所需時(shí)間在3 min左右。

4 對(duì)實(shí)際比賽視頻處理的實(shí)踐驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述畸變修正方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，對(duì)2010年廣州亞運(yùn)會(huì)男子20 km競(jìng)走決賽運(yùn)動(dòng)員的視頻資料進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

4.1 比賽現(xiàn)場(chǎng)拍攝

使用卡西歐FH25攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝頻率為120 Hz，快門(mén)速度1／1 000 s，比賽整個(gè)過(guò)程中保持?jǐn)z像機(jī)位置固定不變，采用簡(jiǎn)易標(biāo)定法［5］進(jìn)行標(biāo)定。由于場(chǎng)地條件的限制，攝像機(jī)距離運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)平面最近距離僅為7 m，因此，在比賽后在不同運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)拍攝了用于畫(huà)面校正的標(biāo)桿。

使用APAS運(yùn)動(dòng)圖像解析系統(tǒng)進(jìn)行解析。選擇較易觀察到的運(yùn)動(dòng)員耳屏點(diǎn)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)平滑采用數(shù)字濾波法，截?cái)囝l率為8 Hz。從運(yùn)動(dòng)員耳屏點(diǎn)進(jìn)入畫(huà)面開(kāi)始至離開(kāi)結(jié)束，有效畫(huà)幅數(shù)為96幅。

4.2 對(duì)比賽視頻的畸變修正及結(jié)果分析

由于每一圈運(yùn)動(dòng)員所在運(yùn)動(dòng)平面不惟一，因此，以運(yùn)動(dòng)員所在平面的標(biāo)桿為參照對(duì)畫(huà)面畸變進(jìn)行修正。由于畸變量與拍攝距離有關(guān)，拍攝距離越近，畸變?cè)矫黠@，因此，選擇運(yùn)動(dòng)員距離攝像機(jī)最近（7 m）的第5圈視頻資料進(jìn)行分析。對(duì)修正前、后的視頻資料分別進(jìn)行5次解析（表3），從整體來(lái)看，修正前、后平均速度差為0.05 m／s，差值百分比為1.3％。

由圖3可以看出，在畫(huà)面邊緣處，修正前、后差異明顯，修正前、后最大速度差值為0.26 m／s，差值百分比為5.9％。在實(shí)際研究中，由于競(jìng)走項(xiàng)目研究的是運(yùn)動(dòng)員一個(gè)復(fù)步，即左腳著地到左腳再次著地的動(dòng)作過(guò)程，而優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員一個(gè)復(fù)步的距離大約為2.5 m左右，加之解析時(shí)一般前后要多截取10～20幅畫(huà)面，因此，拍攝時(shí)的取景范圍必須保證在3.5 m以上才能夠滿(mǎn)足研究的需要；另外，競(jìng)走項(xiàng)目通常在公路上進(jìn)行，畫(huà)面的景深通常在7 m以上，而運(yùn)動(dòng)員行進(jìn)的路線(xiàn)并不固定，運(yùn)動(dòng)平面與鏡頭的距離也忽近忽遠(yuǎn)，為了保證所有運(yùn)動(dòng)平面的成像效果達(dá)到最佳化，通常攝像機(jī)距離最近的運(yùn)動(dòng)平面只有不到10 m的距離，因此，對(duì)于近距離拍攝的運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)說(shuō)，對(duì)鏡頭畸變的修正是有必要的。

圖3 本研究修正前、后運(yùn)動(dòng)員耳屏點(diǎn)速度比較示意圖

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1.利用Photoshop軟件中的Lensdoc插件，可以對(duì)近距離拍攝的運(yùn)動(dòng)圖像中由于畫(huà)面邊緣處鏡頭畸變產(chǎn)生的解析誤差進(jìn)行較好的修正，且不會(huì)對(duì)畫(huà)面中央成像結(jié)構(gòu)造成影響。

2.使用Ulead GIF Animator 5.0和PhotoLapse軟件以及Photoshop軟件中的“批處理”功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)視頻的分解、合成以及對(duì)大量連續(xù)圖片的快速畸變修正，能夠滿(mǎn)足體育科研服務(wù)中快速反饋結(jié)果的要求。

5.2 建議

在比賽現(xiàn)場(chǎng)，由于受到拍攝條件的限制需要進(jìn)行近距離拍攝的情況下，圖像畫(huà)面邊緣的鏡頭畸變誤差會(huì)對(duì)解析結(jié)果的精度帶來(lái)影響，建議先對(duì)近距離拍攝視頻進(jìn)行畫(huà)面畸變的修正后再進(jìn)行解析和量化分析。

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