陳　亮，嚴(yán)　紅，門薇薇，王　嶸

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基于Kwon3D動(dòng)作分析系統(tǒng)對(duì)游泳動(dòng)作的三維測(cè)量方法研究

陳亮1，嚴(yán)紅2，門薇薇3，王嶸2

摘要運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究通常要借助專門的影像解析系統(tǒng)（軟件）來獲得三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，游泳項(xiàng)目的水中三維影像解析一直是比較復(fù)雜和有難度的測(cè)試。國外對(duì)游泳的三維影像解析，大多也是以水下攝像機(jī)為主進(jìn)行的三維測(cè)量。我國現(xiàn)階段對(duì)游泳項(xiàng)目的研究大多尚處在二維攝像解析技術(shù)狀態(tài)，而且我國使用水下三維攝像方法進(jìn)行的為數(shù)不多的研究，其測(cè)試方法也只是完全在水下進(jìn)行攝像測(cè)量。由于光線在不同介質(zhì)中傳播，會(huì)發(fā)生折射和反射。因此，對(duì)水中動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果僅使用陸上攝像機(jī)或僅使用水下攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)試，光線折射帶來的誤差就會(huì)較大，更加影響了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以蛙泳動(dòng)作為例，介紹一種基于Kwon3D動(dòng)作分析系統(tǒng)的三維測(cè)量方法，此方法不同于單純的水下攝像測(cè)試，是一種陸上攝像機(jī)與水下攝像機(jī)結(jié)合的三維測(cè)試方法。試驗(yàn)中，使用2臺(tái)水下攝像機(jī)、2臺(tái)陸上攝像機(jī)，對(duì)水上和水下空間用同一個(gè)定標(biāo)框架同時(shí)定標(biāo)。經(jīng)過對(duì)三維重構(gòu)精度進(jìn)行分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明，綜合重建誤差較小，平均相對(duì)誤差小于1%。

關(guān)鍵詞運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；三維測(cè)量；三維重構(gòu)；游泳；Kwon3D；動(dòng)作分析

Methodof3DMeasurement Appliedto Swimming Basedon Kwon3DMotion Analysis System

CHEN Liang1，YAN Hong2，Men Weiwei3，Wang Rong2
（1.Tianjin Key Lab of Exercise Physiology & Sports Medicine，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；2.Dept.of First PE and Coaching，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；3.Dept.of Sport Cultural Media，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

Abstract Study of sports biomechanics are often with the help of a special image analysis system（software）to obtain three dimensional kinematic data.The underwater three-dimensional motion image analysis of swimming is always complex and difficult.Foreign swimming 3D image analysis is mainly underwater cameras for 3D measurement.Most studies of the swimming events at the present stage in China is given priority to with two dimensional image analysis.But China's underwater 3D imaging methods are one of the few studies，its measurement method is completely underwater camera measurement.As measured in the water，therefore，if only use camera on land，or just use underwater cameras，light refraction error will be larger，more affected the accuracy of the mea?surement data.As breaststroke action as an example，this paper introduces a method of 3D measurement and digitization based on Kwon3D Motion Analysis System.This method is different from pure underwater three-dimensional camera measurement，and it is a three-dimensional test method which combines land camera with underwater camera.In the experiment two underwater cameras and two cameras of the land were used to record images，the calibration of the space underwater and out of the water were performed by the same calibration frame at the same time.Through analysis of three-dimensional reconstruc?tion precision and verification,the results showed that the comprehensive reconstruction error is small，the average relative error is less than 1%.

Key words biomechanics；3D measurement；three-dimensional reconstruction；swimming；Kwon3D；motion analysis

影像解析的方法是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)進(jìn)行人體動(dòng)作分析、獲取分析點(diǎn)三維坐標(biāo)及計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的重要方法之一，通常要借助專門的影像解析系統(tǒng)（軟件）來獲得三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。對(duì)水中動(dòng)作測(cè)量不同于陸上項(xiàng)目，由于水下三維攝像和三維解析技術(shù)比較復(fù)雜，存在以下難點(diǎn)：（1）設(shè)備要求高（至少需要水下攝像機(jī)）；（2）水下和水上運(yùn)動(dòng)中因光線傳導(dǎo)介質(zhì)的差異造成水上、水下運(yùn)動(dòng)肢體無法一次成像；（3）解析時(shí)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)信息可能不是由單一記錄視頻獲取的，至少需要有選擇的使用。國外對(duì)游泳的三維影像解析，大多也是以水下攝像機(jī)進(jìn)行的三維攝像測(cè)試。我國現(xiàn)階段對(duì)游泳項(xiàng)目大多尚處在二維攝像解析技術(shù)狀態(tài)，國內(nèi)使用水下三維攝像方法進(jìn)行的為數(shù)不多的研究，其測(cè)試方法也只是完全在水下進(jìn)行攝像測(cè)量。

由于光線在不同介質(zhì)中傳播，會(huì)發(fā)生折射和反射。因此，對(duì)水中動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如游泳動(dòng)作會(huì)有部分肢體時(shí)而在水面上，時(shí)而在水下，如果僅使用陸上攝像機(jī)或僅使用水下攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)試，由于光線折射帶來的誤差就會(huì)較大，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文以蛙泳為例，介紹一種基于Kown3D三維動(dòng)作解析系統(tǒng)，采用水下和陸上攝像相結(jié)合的定標(biāo)及解析方法。該測(cè)量方法在理論上會(huì)比僅使用水下或僅使用水上測(cè)試更為合理，對(duì)由于光線折射產(chǎn)生的誤差大大減小。

1　現(xiàn)場(chǎng)視頻采集

前期在現(xiàn)場(chǎng)先拍攝視頻，在后期進(jìn)行三維解析時(shí)，再導(dǎo)入剪輯好的視頻進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)解析。

1.1測(cè)試設(shè)備及器材

北京泰和中怡水下采集系統(tǒng)（2臺(tái)水下攝像頭）、2臺(tái)sony高清攝像機(jī)（拍攝頻率50 Hz）、Kwon3d三維定標(biāo)框架、閃光燈、自制LED發(fā)光小燈、醫(yī)用膠布和雙面膠等。

1.2三維拍攝方案

本試驗(yàn)采用三維定點(diǎn)定標(biāo)攝像的方法，水上運(yùn)用2臺(tái)sony攝像機(jī)，拍攝頻率為50 Hz；水下使用2臺(tái)北京泰和中怡水下攝像系統(tǒng)，并采用閃關(guān)燈同步的方法在后期數(shù)據(jù)整理中對(duì)4臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行同步處理（見圖1）。

三維定標(biāo)框架放置于測(cè)試區(qū)域，即拍攝范圍中間，框架采用的是Kwon3D配套的立方體型定標(biāo)框架，框架由若干1 m長的桿組成，可自由組合大小。本次測(cè)試采用的框架為2 m×1 m× 2 m（長×寬×高），水深2 m左右，在水下架設(shè)2個(gè)長80 cm、高43 cm的救生凳，三維框架置于水池底部救生凳上，使框架露出水面約1 m（保證框架豎桿上的3個(gè)白球全部露出水面），即2 m高的框架一半露在水上，一半在水下（見圖2）。三維測(cè)試的攝像機(jī)架設(shè)原則為，2臺(tái)攝像機(jī)的主光軸夾角在60°～120°。李世明[1]在《對(duì)運(yùn)動(dòng)影像解析中若干運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)算法的探討中》中提出，“對(duì)于三維解析數(shù)據(jù)的精度，拍攝相機(jī)位置的放置是有一定影響的。當(dāng)相機(jī)交角在60°～90°之間具有較好的重構(gòu)精度，可以減少二維圖像坐標(biāo)誤差對(duì)三維重構(gòu)的影響”。本測(cè)試2臺(tái)攝像機(jī)夾角選取在80°左右。2臺(tái)水下攝像機(jī)連線中點(diǎn)距離拍攝范圍中心的水平距離為7.8 m，2臺(tái)攝像機(jī)的之間的距離為13 m；2臺(tái)水上攝像機(jī)的中點(diǎn)連線距拍攝范圍中心的水平距離為8.85 m，2臺(tái)攝像機(jī)之間的距離也為13 m；2臺(tái)水上攝像機(jī)機(jī)高約1.02 m。每臺(tái)攝像機(jī)主光軸均對(duì)準(zhǔn)定標(biāo)框架中心位置，拍攝范圍約5 m。測(cè)量框架的精度有效范圍約為3 m×3 m×2 m（見圖3）。

圖2　 4臺(tái)攝像機(jī)的拍攝定標(biāo)框架畫面Figure2 Four images of camera calibration framework

圖3　測(cè)試布局平面俯視示意圖Figure3 The experimental layout plan

現(xiàn)場(chǎng)將攝像機(jī)及框架按圖示位置安放調(diào)試好，由于在水中安放框架，下水時(shí)人員較多造成泳池水面波動(dòng)較大，會(huì)造成框架晃動(dòng)。因此，需要在安放好框架，安裝人員全部上岸，等待水面平靜后，再開始進(jìn)行框架定標(biāo)拍攝。

攝像機(jī)先拍攝靜態(tài)定標(biāo)框架，記錄5～10 s畫面即可，再將框架取走，拍攝受試者動(dòng)作，受試者按照研究者的要求直線游進(jìn)，當(dāng)受試者經(jīng)過拍攝范圍時(shí)，各攝像機(jī)記錄下動(dòng)作過程。并且，閃光燈的操作人員（位于受試者相鄰泳道）盡可能在受試者游經(jīng)拍攝范圍過程中，按下閃光燈，使各攝像機(jī)均能看到這一閃光畫面。

所有拍攝視頻，本研究采用非線編軟件EDIUS進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和剪輯（本文不進(jìn)行詳述），然后再導(dǎo)入Kwon3d軟件進(jìn)行后期解析。

2　　空間三維重構(gòu)

2.1框架標(biāo)定

定標(biāo)框架為Kwon3d系統(tǒng)配套的立方體結(jié)構(gòu)框架，長×寬×高為2 m×1 m×2 m，由33根1 m長的桿連接而成，每根桿上有3顆白球精確定位。在定標(biāo)過程中，只對(duì)豎桿上的白球進(jìn)行“打點(diǎn)兒”標(biāo)定，定標(biāo)點(diǎn)共計(jì)36個(gè)點(diǎn)，其中18個(gè)點(diǎn)位于水下，18個(gè)點(diǎn)位于水面上。以整個(gè)立方框架的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，在軟件中輸入這36個(gè)定標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。在后期的軟件操作中，進(jìn)行“框架定標(biāo)”步驟的操作時(shí)，水下2臺(tái)攝像機(jī)畫面的定標(biāo)僅對(duì)水下18個(gè)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行“打點(diǎn)兒”標(biāo)定操作；水上2臺(tái)攝像機(jī)畫面的定標(biāo)僅對(duì)露出水面的18個(gè)定標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行“打點(diǎn)兒”定標(biāo)操作，36個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及誤差見表1。在定標(biāo)的計(jì)算界面，Kwon3D系統(tǒng)關(guān)于定標(biāo)的三維重構(gòu)計(jì)算法有2種選擇：DLT[2-4]算法（Direct linear transformation，直接線性轉(zhuǎn)換）和DSM[5]（Direct Solution Method，直接求解法）。在本研究中，選取DSM算法，獲得的重建綜合誤差最小。經(jīng)多次定標(biāo)后，選取較好的一次，系統(tǒng)顯示“重建誤差”為0.306 413 cm（見圖4）。

表1　框架36個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)及重建誤差/cmTable1 The coordinates of 36 frame control points and the reconstruction error/cm

2.2重構(gòu)精度的驗(yàn)證

本研究采用水上水下相結(jié)合的測(cè)試方法進(jìn)行蛙泳動(dòng)作研究，在以往的研究文獻(xiàn)中很少見到。因此，在使用此方法正式測(cè)試受試者動(dòng)作前，雖然理論上是可行的，但還是要進(jìn)行測(cè)試精度的簡單驗(yàn)證。驗(yàn)證方法為：在拍攝定標(biāo)框架畫面后，讓一名工作人員手持一根定標(biāo)桿，在被定標(biāo)區(qū)域進(jìn)行上下?lián)]動(dòng)，揮動(dòng)動(dòng)作包括從水面揮桿并將桿插入水中的隨機(jī)動(dòng)作，對(duì)定標(biāo)桿上的固定間距的白球進(jìn)行測(cè)定，白球的間距是已知的（中間白球距2邊白球之間的間距均是30 cm，即2邊白球的間距是60 cm），用實(shí)測(cè)的白球間距驗(yàn)證測(cè)量方法的精度。尤其是測(cè)定定標(biāo)桿一部分在水下一部分在水上時(shí)，桿上白球動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的空間距離。

圖4　定標(biāo)計(jì)算界面截圖Figure4 Calibration calculation interface screenshots

表2與表3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為一小段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.02 s，平均誤差分別為-0.003 94 m和-0.002 499 m，即在3 m的測(cè)試范圍內(nèi)，測(cè)試區(qū)域中間部分的平均相對(duì)誤差為0.83%～0.66%（平均相對(duì)誤差=平均誤差值/理論值），即平均相對(duì)誤差小于1%。對(duì)于目前的體育測(cè)試，尤其是水中測(cè)試，本文認(rèn)為這種定標(biāo)方法產(chǎn)生的誤差已經(jīng)是非常小的，在測(cè)量大部分常用“游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)”[6-8]時(shí)是可以接受的誤差范圍。

表2　運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的桿兩端白球距離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table2 The measured length of both ends of the white ball in motion

3　測(cè)量點(diǎn)解析

3.1模型的建立

本試驗(yàn)以蛙泳為例進(jìn)行測(cè)試，由于儀器數(shù)量的限制，在前期測(cè)試時(shí)，僅對(duì)動(dòng)作的一側(cè)進(jìn)行拍攝。另一側(cè)關(guān)節(jié)點(diǎn)是不能完全看到的，在后期解析時(shí)，假定受試者蛙泳動(dòng)作是左右完全對(duì)稱的動(dòng)作結(jié)構(gòu)，在建立模型時(shí)，僅建立一側(cè)的點(diǎn)，即只對(duì)運(yùn)動(dòng)員一側(cè)的頭、手、腕、肘、肩、髖、膝、踝、足尖、足跟關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解析。模型的各環(huán)節(jié)慣性參數(shù)，均按照系統(tǒng)自帶參數(shù)，但其中頭與軀干的質(zhì)量百分比按照原有數(shù)據(jù)的1/2進(jìn)行修正，用于人體重心數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算，這便形成一個(gè)人體“單側(cè)模型”。

表3　運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的桿中間白球與一端白球距離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table3 The measured length of the middle white ball from the end of the white ball in motion

關(guān)于人體重心，由于模型是“單側(cè)模型”，因此在重心計(jì)算時(shí)，不能計(jì)算出全身身體重心的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但由于人體是對(duì)稱的，并且假設(shè)運(yùn)動(dòng)員的蛙泳動(dòng)作也是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，使用該模型計(jì)算出的重心，可以用于分析“以游進(jìn)方向?yàn)閄軸，以垂直水面為Z軸的二維坐標(biāo)系”下的重心運(yùn)動(dòng)特征，即向前游進(jìn)的前后方向與上下起伏的重心運(yùn)動(dòng)特征。向前游進(jìn)的左右晃動(dòng)暫時(shí)不進(jìn)行分析，也暫時(shí)假定受試者動(dòng)作為理想的左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)動(dòng)作，動(dòng)作的左右方向沒有晃動(dòng)。事實(shí)上，由于人體的左右肢體力量不可能完全對(duì)稱，會(huì)有輕微的左右擺動(dòng)，僅是由于儀器設(shè)備的限制暫不進(jìn)行研究，在儀器條件允許的情況下，可增加攝像機(jī)數(shù)量，對(duì)另一側(cè)動(dòng)作進(jìn)行解析測(cè)試，進(jìn)而分析整體重心的三維運(yùn)動(dòng)情況，可以分析身體運(yùn)動(dòng)時(shí)左右晃動(dòng)的程度。

3.2解析

解析，即指對(duì)所選取的測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)字化的過程，如對(duì)肩、肘、腕、髖、膝、踝等關(guān)節(jié)點(diǎn)的人工“打點(diǎn)”過程。

對(duì)于某些關(guān)鍵時(shí)相的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，解析員帶來的判讀誤差有時(shí)會(huì)超過動(dòng)作本身的差異。因此，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)作解析時(shí)，應(yīng)對(duì)打點(diǎn)人員進(jìn)行必要的關(guān)節(jié)點(diǎn)知識(shí)的培訓(xùn)[9]。

在打點(diǎn)解析時(shí)，當(dāng)需要測(cè)試解析的肢體關(guān)節(jié)點(diǎn)在水下時(shí)，只對(duì)水下圖像解析；當(dāng)肢體關(guān)節(jié)點(diǎn)露在水面時(shí)，則只對(duì)水上圖像進(jìn)行解析。Kwon3D系統(tǒng)可以將這2部分?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)連接起來，并且軟件中可以對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)需要進(jìn)行平滑處理。如當(dāng)對(duì)肩關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行打點(diǎn)解析時(shí)，某一時(shí)段是由水下攝像機(jī)獲取的圖像進(jìn)行打點(diǎn)，某一時(shí)段又是由水面上攝像機(jī)獲取的圖像進(jìn)行打點(diǎn)。在打點(diǎn)解析時(shí)，還要進(jìn)行一些必要的設(shè)置：在點(diǎn)擊“2D”按鈕進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)解析時(shí)，先要在The Camera Pairs選項(xiàng)中將攝像機(jī)進(jìn)行“配對(duì)”，將水下的2臺(tái)攝像機(jī)勾選配成一組，將水上的2臺(tái)攝像機(jī)勾選配成一組。如此，在生成三維數(shù)據(jù)的時(shí)候，位于水下的關(guān)節(jié)點(diǎn)則是由水下2臺(tái)攝像機(jī)圖像“打點(diǎn)”生成，有些時(shí)刻，關(guān)節(jié)點(diǎn)露出水面（如頭、肩），則三維數(shù)據(jù)是由水上2臺(tái)攝像機(jī)圖像“打點(diǎn)”生成。所有關(guān)節(jié)點(diǎn)解析完畢后，點(diǎn)擊“3D”按鈕，軟件自動(dòng)生成三維棍圖。

此外，由于光線，以及泳池中水的渾濁度等原因都會(huì)降低圖像的清晰度，為了提高圖像解析清晰度，可以在受試者進(jìn)行熱身之后，在被測(cè)試關(guān)節(jié)點(diǎn)位置貼上自制LED發(fā)光燈，在后期圖像解析中可以看清發(fā)光燈的位置，為提高解析精度提供重要參考。

理論上，三維測(cè)試是可以對(duì)受試者進(jìn)行全部關(guān)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試，但由于設(shè)備數(shù)量有限，本研究暫時(shí)只對(duì)受試者一側(cè)肢體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)三維測(cè)試。在攝像機(jī)數(shù)量允許的情況下，可以進(jìn)行水下4臺(tái)攝像機(jī)、水上4臺(tái)攝像機(jī)或多機(jī)同步測(cè)試，可以進(jìn)行兩側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)據(jù)解析，可以更加精細(xì)地研究運(yùn)動(dòng)員左右肢體動(dòng)作的對(duì)稱性，對(duì)重心左右偏移等進(jìn)行更加合理的分析。

4　結(jié)語

（1）本文以蛙泳為例，提供了一種基于Kwon3d三維解析系統(tǒng)對(duì)游泳動(dòng)作進(jìn)行三維測(cè)量的定標(biāo)及解析方法，是一種水上攝像與水下攝像結(jié)合的三維測(cè)試方法，為進(jìn)一步提高水中動(dòng)作三維測(cè)試精度提供了有意義的參考借鑒。

（2）本文介紹的定標(biāo)方法，理論上進(jìn)一步減少了光線折射產(chǎn)生的誤差。試驗(yàn)中，平均相對(duì)誤差小于1%。對(duì)于目前的體育測(cè)試，尤其是水中測(cè)試，本文認(rèn)為這種定標(biāo)產(chǎn)生的誤差在測(cè)量大部分常用游泳運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)時(shí)，是可以接受的誤差范圍。

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●研究報(bào)道Short Comunications

作者簡介：陳亮（1977-），男，天津市人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

基金項(xiàng)目：國家體育總局科教司重點(diǎn)研究領(lǐng)域攻關(guān)課題（項(xiàng)目編號(hào)：2012B058）

收稿日期：2015-06-18；修回日期：2015-12-28；錄用日期：2015-12-29

DOI：10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.01.014

中圖分類號(hào)：G 804.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0000（2016）01-073-04

作者單位：1.天津體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)生理與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300381；2.天津體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練一系，天津300381；3.天津體育學(xué)院體育文化傳媒系，天津300381。