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        平面定機(jī)拍攝中鏡頭畸變對(duì)動(dòng)作技術(shù)分析結(jié)果的影響及修正

        2013-11-16 06:47:40許建輝

        賈 誼,許建輝

        (1.中北大學(xué) 體育與藝術(shù)學(xué)院,太原 030051;2.西安體育學(xué)院,西安 710068)

        鏡頭畸變是光學(xué)透鏡固有透視失真的總稱,是透視原因造成的失真,是透鏡的固有特性。無論是高質(zhì)量的鏡頭還是低質(zhì)量的鏡頭邊緣都會(huì)發(fā)生畸變,產(chǎn)生誤差,只是誤差的大小不一樣。由于鏡頭畸變是透鏡固有的特性,所以這種誤差無法消除,只能采取一些措施降低。在對(duì)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行拍攝和分析時(shí),鑒于比賽和訓(xùn)練場(chǎng)地條件的限制,有時(shí)很難達(dá)到畸變誤差允許的拍攝距離,從而使拍攝得到的視頻資料引入畸變誤差。本研究利用一種基于圖形圖像處理技術(shù)的畸變修正方法,對(duì)產(chǎn)生畸變的視頻資料進(jìn)行快速修正,以降低鏡頭畸變誤差對(duì)解析結(jié)果的影響。

        1 研究方法

        1.1 對(duì)固定物體的拍攝

        為了分析鏡頭畸變對(duì)誤差的影響,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)自帶普通長(zhǎng)焦鏡頭;鏡頭2 為日本產(chǎn)AVENIR TV ZOOM LENS鏡頭;鏡頭3為PanasonicDVG180A 常速攝像機(jī)自帶LEICA DICOAR 鏡頭,具體參數(shù)見表1。

        表1 測(cè)試用鏡頭參數(shù)

        表2 利用游標(biāo)卡尺對(duì)標(biāo)志點(diǎn)間距的實(shí)測(cè)值 m

        拍攝步驟如下:在田徑場(chǎng)內(nèi)布置一條5m 的直線,利用工程線進(jìn)行矯直。每隔約50cm,將測(cè)量用標(biāo)定物固定在直線上,用游標(biāo)卡尺對(duì)標(biāo)定物間距進(jìn)行實(shí)測(cè),測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。用表1中的三種鏡頭對(duì)標(biāo)定物進(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 開始,以后每隔2m 拍攝一次,到30m 結(jié)束。每次拍攝時(shí),使得直線在鏡頭畫面上的成像位置保持在下四分之一處,并保證1號(hào)標(biāo)定物位于成像畫面的邊緣處。根據(jù)鏡頭成像畸變對(duì)稱性的特點(diǎn),在解析時(shí),取左邊6個(gè)標(biāo)定物(共5段間距)進(jìn)行分析。

        1.2 比賽現(xiàn)場(chǎng)拍攝的實(shí)例驗(yàn)證

        對(duì)2010年亞運(yùn)會(huì)男子20km 競(jìng)走決賽和2011年江蘇太倉舉行的國(guó)際田聯(lián)競(jìng)走挑戰(zhàn)賽男子20km 決賽進(jìn)行了拍攝。使用卡西歐FH25 數(shù)碼相機(jī)高速拍攝功能,攝距為10 m,拍攝頻率為120 Hz,快門為1/1000s,采用簡(jiǎn)易標(biāo)定法[1]進(jìn)行標(biāo)定,并在比賽后在不同運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)拍攝了用于畫面校正的標(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8Hz。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 成像位置對(duì)鏡頭畸變誤差的影響

        圖1 三種鏡頭不同成像位置誤差比較

        從理論上分析來看,成像位置越靠近畫面邊緣處,畸變效果越明顯,誤差也越大,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了這一規(guī)律。我們對(duì)每個(gè)拍攝距離下的10幅畫面進(jìn)行解析并取平均值進(jìn)行比較。圖1說明了三種鏡頭中成像位置對(duì)畸變誤差的影響。可以看出,不論使用何種鏡頭進(jìn)行拍攝,鏡頭中央3/5范圍內(nèi)解析誤差值(誤差最大值為0.022 6m)都明顯大于鏡頭邊緣2/5段產(chǎn)生的誤差(誤差最大值為0.004 1m),誤差值在第3段之前明顯下降,在第3段之后則變化不大。這意味著在取景范圍為5m 的情況下,圖像中間約3m 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,超出這一范圍,誤差會(huì)明顯增加??梢婄R頭畸變對(duì)于測(cè)量精度的影響較大,總的誤差變化趨勢(shì)是從邊緣向中間逐漸減小。

        從三種鏡頭各段的誤差均值及誤差百分比結(jié)果來看(表3),CASIO FH25鏡頭在邊緣處的誤差值較大,為0.019 9 m,誤差百分比為4.1%。LEICA DICOAR 鏡頭最小,為2.8%??梢娪捎阽R頭性能的不同,會(huì)對(duì)解析精度產(chǎn)生一定的影響,因此在選擇鏡頭時(shí),盡量考慮選擇中、長(zhǎng)焦距鏡頭拍攝。

        另外,在畫面中央3/5處,三種鏡頭的畸變誤差值之間沒有顯著性差異,而在畫面邊緣2/5處AVENIR TV ZOOM LENS鏡頭與其他兩種鏡頭間的誤差值存在顯著性差異。說明不同型號(hào)鏡頭在畫面中央處都表現(xiàn)出比較穩(wěn)定的性能,而在畫面邊緣處則差異較大。

        表3 三種鏡頭各段誤差均值比較

        2.2 拍攝距離對(duì)誤差的影響

        早在上世紀(jì)80年代,很多學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到了拍攝距離對(duì)誤差的影響這一問題,并對(duì)實(shí)際拍攝中的規(guī)范性操作進(jìn)行過討論。例如:規(guī)定拍攝距離為拍攝范圍的5—6倍[2]。照此規(guī)定,若拍攝范圍為5 m,則拍攝距離應(yīng)該在25—30 m左右為宜。但從對(duì)三種鏡頭隨拍攝距離變化的誤差走勢(shì)情況來看(圖2—4),誤差的大小均沒有隨著拍攝距離的增大而明顯減小,鏡頭1的誤差值由0.013 2m 增大到0.016 3m;鏡頭2由0.015 6m 增大到0.018 5m;而鏡頭3的情況尤為明顯,鏡頭邊緣誤差值由0.009 7 m 增大到0.021 7 m??梢?,拍攝距離的增加并不能成為減小鏡頭邊緣畸變誤差的途徑。這可能是由于當(dāng)拍攝距離增大時(shí),物體的成像開始模糊,增大了人工解析難度所致。

        另外,三種鏡頭即使在拍攝距離達(dá)到30m 后,邊緣處的誤差百分比仍然保持在3%左右,這對(duì)研究結(jié)果還是會(huì)產(chǎn)生一定的影響,因此,有必要對(duì)這一誤差進(jìn)行修正,使其達(dá)到研究的要求。

        圖2 鏡頭1不同拍攝距離及不同畫面 位置的誤差情況

        圖3 鏡頭2不同拍攝距離及不同畫面 位置的誤差情況

        圖4 鏡頭3不同拍攝距離及不同畫面位置的誤差情況

        2.3 減小鏡頭畸變方法

        非量測(cè)攝像機(jī)的鏡頭畸變可分為徑向畸變、離心畸變、薄棱鏡畸變[3]。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[4],下面就針對(duì)這一誤差來源提出一種方便易行的修正方法。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[5]。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[6],而計(jì)算量又會(huì)隨著泰勒展開式階數(shù)的增高而加大[7]。在進(jìn)行動(dòng)作技術(shù)分析時(shí),又常常要求將結(jié)果快速反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員,因此,需要一種耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)單的修正方法來滿足體育科研的需要。目前市場(chǎng)上的商用圖形圖像處理軟件種類繁多,功能也很強(qiáng)大,可以有效地對(duì)鏡頭畸變進(jìn)行修正,很適合用于動(dòng)作技術(shù)分析當(dāng)中。

        在這里,我們選擇使用Photoshop軟件中包含的“l(fā)ens-doc”模塊插件,可以有效矯正鏡頭畸變部分。Lensdoc插件利用了視場(chǎng)中的任何特征直線在像平面所成的像仍然是直線這一原理,對(duì)鏡頭畸變進(jìn)行修正。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的直線特征,因此被稱為非量測(cè)校正[8]。傳統(tǒng)的畸變修正軟件只能對(duì)拍攝圖像進(jìn)行大范圍修正,即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)畫面一部分被修正,而另一部分修正過度或者修正不足的現(xiàn)象。例如,畫面邊緣被修正,而畫面中央則出現(xiàn)擠壓變形的情況。而Lensdoc軟件的修正原理是根據(jù)處于畫面中不同位置的線性條件分別進(jìn)行修正,這樣就可以保證畫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)畫面被擠壓或拉伸的現(xiàn)象。只要將用于修正的線性條件,例如直尺或標(biāo)桿攝入畫面,即可對(duì)畫面圖像中的畸變現(xiàn)象進(jìn)行有效的修正。

        2.4 對(duì)視頻圖像中鏡頭畸變的快速修正

        2.4.1 將視頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)圖片

        由于拍攝采集到的視頻通常為AVI或MPG 格式,無法直接使用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)圖片后再通過PhotoShop軟件進(jìn)行處理。具體過程如下:首先將視頻文件轉(zhuǎn)換成圖片形式的文件,以便使用PhotoShop軟件進(jìn)行處理。本研究使用的是Ulead GIF Animator 5軟件,此軟件的優(yōu)點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)便,并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)視頻文件的分場(chǎng)轉(zhuǎn)換,可將一個(gè)動(dòng)作視頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)圖片,為下一步進(jìn)行畸變修正做好準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)換后的圖像文件分辨率不會(huì)丟失,有助于后續(xù)處理。操作界面如圖5所示。

        圖5 Ulead GIF Animator 5軟件操作界面

        2.4.2 利用Lensdoc插件對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像的處理

        得到由動(dòng)作視頻轉(zhuǎn)換后的連續(xù)圖片后,利用PhotoShop軟件中的“Lensdoc”功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)動(dòng)作圖片中的某一張圖片進(jìn)行畸變校正。圖6是校正前后的效果對(duì)比圖,以賽場(chǎng)地面上的直線作為參照對(duì)象進(jìn)行校正。從校正前的圖片中可以看出,賽場(chǎng)地面上的直線在畫面邊緣處出現(xiàn)了明顯的畸變(桶形畸變),而在校正后的圖片中,基本成一條直線,與實(shí)際情況更加吻合。

        圖6 圖像校正前后對(duì)比

        在具體處理過程中,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有直線,如:跑道線,道路交通標(biāo)志線作為畸變修正的參考線,或者在拍攝現(xiàn)場(chǎng)布置一條或幾條直線作為參考線。由于拍攝視頻轉(zhuǎn)換為連續(xù)圖片的數(shù)量較大,對(duì)圖片進(jìn)行逐張?zhí)幚砉ぷ髁繕O大,為使工作量減小,縮短所需的時(shí)間,可以選擇Photoshop軟件中的“批處理”工具,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有圖片的自動(dòng)批處理。實(shí)踐證明,對(duì)競(jìng)走一個(gè)步幅約90張連續(xù)圖片進(jìn)行處理所需時(shí)間在1min以內(nèi)。

        另外,如果在現(xiàn)場(chǎng)拍攝過程中,攝像機(jī)沒有放置水平,還可以通過Photoshop軟件中的水平調(diào)整功能進(jìn)行修復(fù),以彌補(bǔ)由于現(xiàn)場(chǎng)拍攝失誤造成的損失。

        2.4.3 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。這一過程可以通過Photolapse軟件來實(shí)現(xiàn)。由于使用Photolapse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,將每段視頻的第一幅圖片進(jìn)行拷貝處理即可避免上述情況發(fā)生。

        2.5 鏡頭畸變修正前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析

        為了對(duì)比分析鏡頭畸變修正前后數(shù)據(jù)的變化,以鏡頭1所測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。對(duì)鏡頭1拍攝的視頻圖像進(jìn)行了畸變校正處理,利用APAS圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行解析,將解析前后的誤差進(jìn)行比較,結(jié)果如表4所示:

        表4 畸變校正前后誤差數(shù)據(jù)比較 m

        圖7 畸變修正前后誤差均值比較

        從表4和圖7中可以看出,利用Photoshop軟件進(jìn)行畸變校正處理后獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,從左1到左5的誤差值逐漸減小,誤差大小的趨勢(shì)更接近直線,這主要是由于校正處理后獲得的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)測(cè)值,糾正后與實(shí)測(cè)值的誤差最大僅為6.6mm,最小為0.2mm。

        通過對(duì)比糾正前后各段的誤差發(fā)現(xiàn),左1段在糾正前的平均誤差為0.019 8m,糾正后的平均誤差0.003 9m,誤差明顯變小;左2點(diǎn)在糾正前的平均誤差為0.012 2m,糾正后的平均誤差0.002 1m,誤差也明顯減??;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,雖然通過糾正后誤差也相對(duì)減小,但幅度沒有左1、左2兩段明顯。從圖9中可以看出,利用Photoshop軟件進(jìn)行畸變糾正解析,雖然不能完全消除誤差,但可以使誤差明顯減小,尤其是對(duì)圖像邊緣由于鏡頭畸變產(chǎn)生的誤差。在對(duì)圖像邊緣進(jìn)行誤差校正的同時(shí),圖像中央部分的形變沒有受到影響,并且誤差值也同時(shí)在減小,誤差均值降低了0.3mm。

        綜上所述,圖像解析前后誤差的大小趨勢(shì)均為從兩邊到中間逐漸遞減,但糾正前兩邊誤差較大,通過校正處理后誤差明顯減小,且對(duì)中間圖像沒有產(chǎn)生大的影響。所以此方法對(duì)降低鏡頭畸變帶來的誤差效果比較理想,在對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行解析時(shí),可以利用Photoshop軟件處理鏡頭畸變,使獲得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

        2.6 對(duì)實(shí)際比賽視頻的實(shí)踐驗(yàn)證

        如圖8所示,由于每一圈運(yùn)動(dòng)員所在運(yùn)動(dòng)平面不唯一,因此以運(yùn)動(dòng)員所在平面的地面標(biāo)志線為參照對(duì)畫面畸變進(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(10m)、畸變量最大的第五圈視頻資料進(jìn)行分析。對(duì)修正前后的視頻資料分別進(jìn)行5次解析后的結(jié)果如表5所示。從整體來看,修正前后平均速度差為0.05m/s,差值百分比為1.3%,對(duì)進(jìn)行動(dòng)作技術(shù)分析影響不大。

        圖8 拍攝現(xiàn)場(chǎng)示意圖

        表5 修正前后耳屏點(diǎn)速度變化情況 m/s

        圖9 修正前后運(yùn)動(dòng)員耳屏點(diǎn)速度比較(2010亞運(yùn)會(huì))

        圖10 修正前后運(yùn)動(dòng)員耳屏點(diǎn)速度比較(2011太倉國(guó)際挑戰(zhàn)賽)

        從圖9、10也可以看出,在畫面邊緣處,修正前后差異明顯,修正前后最大速度差值達(dá)到0.26 m/s,差值百分比分別為5.9%和8.18%。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)作過程,而優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員一個(gè)復(fù)步的距離為2.5m 左右,加之解析時(shí)一般前后要多截取10—20幅畫面,因此拍攝時(shí)的取景范圍必須保證在3.5m 以上才能夠滿足研究的需要;另外,競(jìng)走項(xiàng)目通常在公路上進(jìn)行,畫面的景深通常在7m 以上,而運(yùn)動(dòng)員行進(jìn)的路線并不固定,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10m 的距離,因此,對(duì)于近距離拍攝的運(yùn)動(dòng)圖像來說,對(duì)鏡頭畸變的修正是有必要的。

        3 結(jié)論

        畫面成像位置對(duì)鏡頭畸變量影響較大,畫面邊緣處畸變量明顯大于畫面中央。

        增大拍攝距離在一定程度上可以減小鏡頭畸變量,但由于受到成像質(zhì)量以及鏡頭性能等因素的影響,在到達(dá)一定距離后可能會(huì)對(duì)解析結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面作用。

        利用現(xiàn)有圖形圖像處理軟件,可以對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像中由于鏡頭畸變產(chǎn)生的解析誤差進(jìn)行較好地修正,且操作簡(jiǎn)便易行。

        通過實(shí)際檢驗(yàn),對(duì)競(jìng)走項(xiàng)目平均速度的修正值為0.05 m/s,差值百分比為1.3%。在畫面邊緣處差值最大百分比為8.18%。

        [1]苑廷剛,李汀,李愛東,等.十運(yùn)會(huì)男、女20km 競(jìng)走前5名運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析[J].體育科學(xué),2006,26(8):41-47.

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