鄭朝沙 劉 亞

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 體育部,廣東 珠海 519085)

運(yùn)動(dòng)影像人工數(shù)字化過(guò)程中的誤差分析研究

鄭朝沙 劉 亞

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 體育部,廣東 珠海 519085)

對(duì)影像測(cè)量過(guò)程中的人工解析誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)關(guān)節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)和角度參數(shù)的解析結(jié)果表明，上述參數(shù)的相對(duì)誤差和誤差波動(dòng)范圍較小。位移、角度及速度參數(shù)的解析精度高于加速度和角速度參數(shù)。多次解析得到的加速度和角速度參數(shù)在整體的變化趨勢(shì)上保持一致，但誤差波動(dòng)范圍較大。

影像測(cè)量；誤差；解析

在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中，影像分析方法是研究運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技術(shù)的重要手段之一。由于成像大小、光線強(qiáng)弱等條件不同，加之關(guān)節(jié)點(diǎn)和關(guān)節(jié)軸位置的不斷變化以及操作員注意力不集中，都會(huì)引起對(duì)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的判斷誤差。根據(jù)有效數(shù)字與數(shù)據(jù)運(yùn)算的理論，“在記錄或數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，所取的數(shù)據(jù)位數(shù)，其精度不能超過(guò)測(cè)量所能達(dá)到的精度”[1]，若將不必要的數(shù)字寫出來(lái)，既浪費(fèi)時(shí)間，又無(wú)意義。因此，本研究的目的就是通過(guò)多次測(cè)量以估計(jì)測(cè)量真值，并得到人工解析誤差的大致范圍和解析精度，為相關(guān)的科學(xué)研究提供參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)象

三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)影像人工數(shù)字化過(guò)程分析。

1.2研究方法

1.2.1 實(shí)地觀察法

使用星鎬鈦高速攝像采集系統(tǒng)，對(duì)第11屆全運(yùn)會(huì)男子三級(jí)跳遠(yuǎn)決賽中某運(yùn)動(dòng)員跨步跳動(dòng)作進(jìn)行平面定機(jī)拍攝，并在拍攝前后對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行拍攝。鏡頭主光軸垂直于運(yùn)動(dòng)平面，拍攝距離為25m，機(jī)高1.15m，標(biāo)尺長(zhǎng)度1.2m，拍攝頻率為120Hz，快門速度為1/1000s，拍攝范圍約為8m，能夠捕捉到運(yùn)動(dòng)員跨跳動(dòng)作全過(guò)程。

1.2.2 模型分析法

采用SIMI Motion 3D運(yùn)動(dòng)圖像解析分析系統(tǒng)對(duì)所采集圖像進(jìn)行解析。對(duì)運(yùn)動(dòng)員六次試跳中的其中一跳的比賽錄像進(jìn)行解析，解析次數(shù)為十次。為防止疲勞，每隔一天解析一次，解析視頻的畫幅數(shù)為84幅。選用Hanavan人體模型，人體標(biāo)志點(diǎn)為19個(gè)，設(shè)置固定參考點(diǎn)1個(gè)。所有運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)都由同一解析員進(jìn)行解析得到。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法

選擇數(shù)字濾波法對(duì)解析得到的原始運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，截?cái)囝l率為8Hz。考慮到濾波處理時(shí)始末端的畸變率，把數(shù)據(jù)始末端分別截去10幀進(jìn)行分析，并利用Excel2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1位移參數(shù)的誤差結(jié)果

為了闡述方便，我們重點(diǎn)對(duì)左側(cè)肢體的踝、膝和髖三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表1是左側(cè)踝、膝和髖三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)。由于被測(cè)量的真值我們無(wú)法得知，因此用10次測(cè)量的均值代替被測(cè)量的真值進(jìn)行計(jì)算，則有：

表1 左側(cè)踝、膝、髖關(guān)節(jié)點(diǎn)位移誤差統(tǒng)計(jì) 單位：m

表1是對(duì)10次測(cè)量結(jié)果的位移量誤差的總體反映。從絕對(duì)誤差水平來(lái)看，踝關(guān)節(jié)的絕對(duì)誤差值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于膝和髖關(guān)節(jié)，說(shuō)明操作員對(duì)踝關(guān)節(jié)點(diǎn)的判定精度較高，波動(dòng)性小。從最大絕對(duì)誤差值的情況也可以反映出這一規(guī)律。其主要原因可能是由于踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面積較小，體表標(biāo)志點(diǎn)明顯，容易確定，而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)標(biāo)志點(diǎn)不易判定。

從絕對(duì)誤差值的大小來(lái)看，98.8%的關(guān)節(jié)點(diǎn)位移量誤差值在1cm之內(nèi)，這一結(jié)果與安朝臣[2]的研究結(jié)果一致。位移量最大全距(最大全距即在十次測(cè)量中，同一時(shí)刻同一關(guān)節(jié)點(diǎn)位移量的最大值與最小值之差)出現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)第1畫幅，為3.74cm，較錢競(jìng)光等人[3]的研究結(jié)果略小。若我們以m作為單位，那么小數(shù)點(diǎn)后第二位的數(shù)字應(yīng)該為估計(jì)值，因此在本次研究當(dāng)中，位移量數(shù)據(jù)的人工數(shù)字化精度為0.01m左右。

2.2速度和加速度參數(shù)的誤差結(jié)果

2.2.1 速度參數(shù)誤差結(jié)果

我們選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)分析當(dāng)中較為常用的重心速度參數(shù)進(jìn)行分析。表2是著地和離地時(shí)刻的重心水平和垂直速度誤差情況統(tǒng)計(jì)。在著地時(shí)刻，十次測(cè)量的重心水平和垂直速度的平均值分別為7.101m/s和2.413m/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.047m/s和0.062m/s，全距誤差為0.15 m/s和0.19m/s；在離地時(shí)刻，重心水平和垂直速度的平均值分別為6.356m/s和2.831m/s，離地時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為0.171m/s和0.132m/s；全距誤差為0.51m/s和0.41m/s。

從重心速度參數(shù)來(lái)看，誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)差基本都在0.10m/s以下，誤差百分比均值為1.4%。對(duì)于單個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，髖關(guān)節(jié)的誤差值波動(dòng)最大，例如髖關(guān)節(jié)著地時(shí)的速度均值為6.93m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.17m/s；而踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.25m/s、0.08m/s和7.71m/s、0.07m/s。說(shuō)明三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，對(duì)髖關(guān)節(jié)位置的判斷精度要低于其他兩個(gè)關(guān)節(jié)，其主要原因是由于髖關(guān)節(jié)面積較大，加之衣物遮蓋等原因，影響了判讀的精度。

表2 重心速度參數(shù)誤差統(tǒng)計(jì) 單位：m/s

另外，根據(jù)vi=v0+at這一關(guān)系式，對(duì)運(yùn)動(dòng)員騰空時(shí)相的重心垂直速度進(jìn)行了理論計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，十次測(cè)量結(jié)果的均值與理論值存在差異，誤差均值為0.13m/s，如圖1所示。造成這一差異的原因可能是由拍攝系統(tǒng)和測(cè)試方法中存在系統(tǒng)誤差所致，具體原因還有待與進(jìn)一步分析研究。

圖1 騰空時(shí)重心垂直速度計(jì)算值與解析值比較

2.2.2 加速度參數(shù)誤差結(jié)果

表3為離地和著地時(shí)刻運(yùn)動(dòng)員重心以及三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)加速度均值及標(biāo)準(zhǔn)差的比較。從數(shù)值我們可以看到，三個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)誤差踝關(guān)節(jié)最小，而髖關(guān)節(jié)最大。

表3 關(guān)鍵時(shí)相加速度均值及標(biāo)準(zhǔn)差 單位：m/s2

圖2為重心垂直方向加速度情況，十次解析所得加速度數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)保持一致。其中誤差百分比均值為22%。而對(duì)于單個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的加速度誤差值，如左膝關(guān)節(jié)點(diǎn)某些時(shí)相的加速度全距誤差為30.68m/s2，誤差率達(dá)到了55%。就本研究整體來(lái)看，加速度參數(shù)的平均誤差百分比在10%以上，而髖關(guān)節(jié)加速度平均誤差率高達(dá)166%。

圖2 重心垂直方向加速度曲線比較

2.3關(guān)節(jié)角度參數(shù)的誤差結(jié)果

表4是對(duì)著地大腿夾角、離地大腿夾角和最大緩沖膝角的誤差統(tǒng)計(jì)情況。上述三個(gè)角度10次測(cè)量后的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.9°、1.0°和1.4°，全距分別為3°、3°和5°，最大誤差百分比為4.3%。由此推斷，對(duì)角度參數(shù)的人工解析精度約為1°左右。

表4 角度參數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)情況 單位：度

2.4關(guān)節(jié)角速度的誤差結(jié)果

表5 角速度參數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)情況 單位：度/s

在研究關(guān)節(jié)角速度誤差時(shí)，選擇較為常用的擺動(dòng)腿擺速作為研究對(duì)象。從表5數(shù)據(jù)可知，所選時(shí)相的擺動(dòng)腿擺速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為46.9°/s和59.3°/s，全距分別為129°/s188°/s。在本次研究中，對(duì)角速度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的精度約為50°/s左右，最大誤差百分比為34.7%，大大高于角度參數(shù)的測(cè)量精度。另外，由于誤差的存在，10次測(cè)量中最大擺速出現(xiàn)的畫幅數(shù)也存在不一致，其中，第2次測(cè)量出現(xiàn)在第69幅，第1、3、4次出現(xiàn)在第70幅，第6、9次出現(xiàn)在第71幅，第5、7、8、10次出現(xiàn)在第72幅。

3 結(jié)論

1)同一解析員十次解析的結(jié)果表明，位移量參數(shù)的誤差值波動(dòng)較小。踝關(guān)節(jié)位移量誤差最小，髖關(guān)節(jié)最大。說(shuō)明關(guān)節(jié)體表標(biāo)志點(diǎn)的明顯程度和有無(wú)服裝遮擋等因素，對(duì)人工數(shù)字化精度有一定程度的影響，體表標(biāo)志點(diǎn)越明顯的小關(guān)節(jié)解析精度較高。

2)從速度參數(shù)來(lái)看，受到解析精度的影響，三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，髖關(guān)節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差均值最大。解析得到的重心垂直速度與理論推算結(jié)果的誤差均值為0.13m/s，造成這一誤差的原因可能與測(cè)量系統(tǒng)誤差有關(guān)，例如：拍攝時(shí)的透視誤差；另外，數(shù)據(jù)處理的方法和人體慣性參數(shù)模型的選擇等原因也可能引起這一誤差。

3)從對(duì)加速度參數(shù)的分析來(lái)看，十次解析得到的加速度值，在整體的變化趨勢(shì)上是保持一致的，但誤差波動(dòng)范圍較大，因此，在對(duì)關(guān)鍵時(shí)相的加速度值進(jìn)行比較分析時(shí)，最好使用多次解析后得到的均值較為可靠。

4)從十次解析的情況看，對(duì)關(guān)節(jié)角度解析的相對(duì)誤差要小于對(duì)角速度參數(shù)。由于角速度誤差值的波動(dòng)，會(huì)影響對(duì)某些關(guān)鍵時(shí)相出現(xiàn)的畫幅數(shù)的判斷。

[1] 費(fèi)業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：6-7．

[2] 安朝臣．影像測(cè)量減少誤差的方法[J]．四川體育科學(xué)，1985(3)：50-56．

[3] 錢競(jìng)光，盧青，蔡國(guó)鈞．關(guān)于用解析儀分析體育動(dòng)作所產(chǎn)生誤差的探討[J]．江蘇體育科技，1984(2)：10-12．

ErrorAnalysisofManualResolveSportsVideoProcess

Zheng Chaosha,Liu Ya

(P.E. Department,Zhuhai College of Beijing Institnte of Technoloy,Zhuhai,519085,Guangdong,China)

The text has performed the experimental study of manual resolution errors during vidio measurment. The result of quantization about joint point displacement and angle shows that the relative errors is small and the wave range of errors is also in the low level.The precision of parameters of displacement, angle and velocity are higher than the parameters of angle speed and acceleration. The trends of the result of repeatedly quantization about the angle speed and acceleration is consistent on the hole, but the wave range of errors is more big.

video measurement; error; resolution

G804.6

A

1672-1365(2012)03-0095-04

2012-01-25；

2012-03-01

鄭朝沙(1980-)，男，海南文昌人，講師，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)、體育文化。