运动影像人工数字化过程中的误差分析研究

２０１２年第２８卷　第３期　吉林体育学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　２０１２　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　运动影像人工数字化过程中的误差分析研究　郑朝沙刘　亚　５１９０８５）　（北京理工大学珠海学院体育部，广东珠海摘要：对影像测量过程中的人工解析误差进行了实验研究，对关节点位移参数和角度参数的解析结果表明，上述参数　的相对误差和误差波动范围较小。位移、角度及速度参数的解析精度高于加速度和角速度参数。多次解析得到的加速　度和角速度参数在整体的变化趋势上保持一致，但误差波动范围较大。　关键词：影像测量；误差；解析　中圈分类号：ｃ８ｏ４．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１３６５（２０１２）０３—００９５—０４　Ｅｒｒｏｒ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｍａｎｕａｌ　Ｒｅｓｏｌｖｅ　Ｓｐｏｒｔｓ　Ｖｉｄｅｏ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｚｈｅｎｇ　Ｃｈａｃｓｈａ，Ｌｉｕ　Ｙａ　（Ｐ．Ｅ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｈｕｈｍ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｂｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｎｔｅ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，Ｚｈｕｈｍ，５１９０８５，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｘｔ　ｈａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｍａｎｕａｌ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｅｌＴｏｒ８　ｄｕｒｉｎｇ　ｖｉｄｉｏ　ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｊｏｉｎｔ　ｐｏｉｎｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｎｇｌｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｔｒｅｌｔａｉｖｅ　ｅｌＴＯｌ￣ｉｓ　ｓｍａｌｌ　ｎｄ　ａｈｅ　ｔｗａｖｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｅＦｒｏｌ￣ｉｓ　ａｌｓｏ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｓｐｌｃｅｍｅｎｔ，ａａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｒｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｈａｔｎ　ｈｅ　ｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｎｇａｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｔ　ｏｆ　ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ　ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅ，　ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｅｌｌ－ＯｒＳ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｂｉｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｄｅｏ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｅｌｒｏｒ；ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　在运动生物力学研究中，影像分析方法是研究　运动员动作技术的重要手段之一。由于成像大小、　光线强弱等条件不同，加之关节点和关节轴位置的　度为１／ｌＯ００ｓ，拍摄范围约为８ｍ，能够捕捉到运动员　跨跳动作全过程。　１．２．２模型分析法　不断变化以及操作员注意力不集中，都会引起对运　动点的判断误差。根据有效数字与数据运算的理　论，“在记录或数据运算时，所取的数据位数，其精　度不能超过测量所能达到的精度”…，若将不必要　的数字写出来，既浪费时间，又无意义。因此，本研　究的目的就是通过多次测量以估计测量真值，并得　采用ＳＩＭＩ　Ｍｏｔｉｏｎ　３Ｄ运动图像解析分析系统对　所采集图像进行解析。对运动员六次试跳中的其中　跳的比赛录像进行解析，解析次数为十次。为防　止疲劳，每隔一天解析一次，解析视频的画幅数为　一到人工解析误差的大致范围和解析精度，为相关的　科学研究提供参考。　８４幅。选用Ｈａｎａｖａｎ人体模型，人体标志点为ｌ９　个，设置固定参考点１个。所有运动学数据都由同　解析员进行解析得到。　一１．２．３数据统计法　１　研究对象与方法　１．１　研究对象　选择数字滤波法对解析得到的原始运动学数据　进行平滑处理，截断频率为８Ｈｚ。考虑到滤波处理　时始末端的畸变率，把数据始末端分别截去１０帧进　行分析，并利用Ｅｘｃｅｌ２００３软件进行统计学处理。　三级跳远运动员运动影像人工数字化过程分　析。　１．２研究方法　１．２．１实地观察法　２结果与分析　２．１　位移参数的误差结果　使用星镐钛高速摄像采集系统，对第１ｌ届全运　会男子三级跳远决赛中某运动员跨步跳动作进行平　面定机拍摄，并在拍摄前后对标尺进行拍摄。镜头　主光轴垂直于运动平面，拍摄距离为２５ｍ，机高　１．１５ｍ，标尺长度１．２ｍ，拍摄频率为１２０Ｈｚ，快门速　收稿日期：２０１２—０１—２５；修回日期：２０１２—０３—０１　为了阐述方便，我们重点对左侧肢体的踝、膝和　髋三个关节点的运动学数据进行分析。表１是左侧　踝、膝和髋三个关节点的位移数据误差统计。由于　被测量的真值我们无法得知，因此用１０次测量的均　值代替被测量的真值进行计算，则有：　第一作者简介：郑朝沙（１９８０一），男，海南文昌人，讲师，研究方向：体育教育训练学、体育文化。　第２８卷　吉林体育学院学报　第３期　画幅数），　为第ｉ次测量的残余误差的标准差（　式中，ｆｉ为第ｉ个测得值；　为残余误差，代替绝对误　差；　为测量的均值，代替真值。另外，在表１中，　为第ｉ次测量时的残余误差的均值（　＝　／ｎ，ｎ为　一　＝　），　为残余误差的最大值。　表ｌ左侧踝、膝、髋关节点位移误差统计　单位＂－Ｉ１１１　表１是对１０次测量结果的位移量误差的总体　反映。从绝对误差水平来看，踝关节的绝对误差值　和标准差均小于膝和髋关节，说明操作员对踝关节　点的判定精度较高，波动性小。从最大绝对误差值　的情况也可以反映出这一规律。其主要原因可能是　由于踝关节关节面积较小，体表标志点明显，容易确　我们选择运动学分析当中较为常用的重心速度　参数进行分析。表２是着地和离地时刻的重心水平　和垂直速度误差情况统计。在着地时刻，十次测量　的重心水平和垂直速度的平均值分别为７．１０１ｍ／ｓ　和２．４１３ｍ／ｓ，标准差分别为０．０４７ｍ／ｓ和０．０６２ｍ／ｓ，　全距误差为０．１５　ｍ／ｓ和０．１９ｍ／ｓ；在离地时刻，重　心水平和垂直速度的平均值分别为６．３５６ｍ／ｓ和　２．８３１ｍ／ｓ，离地时标准差为０．１７１ｍ／ｓ和０．１３２ｍ／ｓ；　全距误差为０．５１ｍ／ｓ和０．４１ｍ／ｓ。　从重心速度参数来看，误差均值和标准差基本　定，而髋关节和膝关节标志点不易判定。　从绝对误差值的大小来看，９８．８％的关节点位　移量误差值在１ｃｍ之内，这一结果与安朝臣　的研　究结果一致。位移量最大全距（最大全距即在十次　测量中，同一时刻同一关节点位移量的最大值与最　小值之差）出现在髋关节第１画幅，为３．７４ｃｍ，较钱　竞光等人口　的研究结果略小。若我们以ｍ作为单　都在０．１０ｍ／ｓ以下，误差百分比均值为１．４％。对　于单个关节点来说，髋关节的误差值波动最大，例如　髋关节着地时的速度均值为６．９３ｍ／ｓ，标准差为　０．１７ｍ／ｓ；而踝关节和膝关节的均值与标准差分别　为８．２５ｍ／ｓ、０．０８ｍ／ｓ和７．７１ｍ／ｓ、０．０７ｍ／ｓ。说明　三个关节点中，对髋关节位置的判断精度要低于其　位，那么小数点后第二位的数字应该为估计值，因此　在本次研究当中，位移量数据的人工数字化精度为　０．０１ｍ左右。　２．２　速度和加速度参数的误差结果　２．２．１速度参数误差结果　他两个关节，其主要原因是由于髋关节面积较大，加　之衣物遮盖等原因，影响了判读的精度。　表２重心速度参数误差统计　单位：ｌｎ／ｓ　注：　为测量均值，Ｓ为标准差，Ｒ为全距误差。　・９６・　第２８卷　吉林体育学院学报　第３期　在研究关节角速度误差时，选择较为常用的摆　动腿摆速作为研究对象。从表５数据可知，所选时　相的摆动腿摆速的标准差分别为４６．９。／ｓ和　０．１３ｍ／ｓ，造成这一误差的原因可能与测量系统误　差有关，例如：拍摄时的透视误差；另外，数据处理的　方法和人体惯性参数模型的选择等原因也可能引起　这一误差。　５９．３。／ｓ，全距分别为１２９。／ｓ１８８。／ｓ。在本次研究　中，对角速度参数进行测量时的精度约为５０。／ｓ左　右，最大误差百分比为３４．７％，大大高于角度参数　的测量精度。另外，由于误差的存在，１０次测量中　最大摆速出现的画幅数也存在不一致，其中，第２次　测量出现在第６９幅，第１、３、４次出现在第７０幅，第　６、９次出现在第７ｌ幅，第５、７、８、ｌ０次出现在第７２　幅。　３）从对加速度参数的分析来看，十次解析得到　的加速度值，在整体的变化趋势上是保持一致的，但　误差波动范围较大，因此，在对关键时相的加速度值　进行比较分析时，最好使用多次解析后得到的均值　较为可靠。　４）从十次解析的情况看，对关节角度解析的相　对误差要小于对角速度参数。由于角速度误差值的　波动，会影响对某些关键时相出现的画幅数的判断。　３结论　１）同一解析员十次解析的结果表明，位移量参　数的误差值波动较小。踝关节位移量误差最小，髋　关节最大。说明关节体表标志点的明显程度和有无　服装遮挡等因素，对人工数字化精度有一定程度的　参考文献：　［１］费业泰．误差理论与数据处理［Ｍ］．北京：机械工业出版　社，２００４：６—７．　［２］安朝臣．影像测量减少误差的方法［Ｊ］．四川体育科学，　１９８５（３）．５０—５６．　影响，体表标志点越明显的小关节解析精度较高。　２）从速度参数来看，受到解析精度的影响，三　个关节点中，髋关节点标准差均值最大。解析得到　的重心垂直速度与理论推算结果的误差均值为　［３］钱竞光，卢青，蔡国钧．关于用解析仪分析体育动作所产　生误差的探讨［Ｊ］．江苏体育科技，１９８４（２）：１０—１２．　・９８・