二维运动学参数测量方法在线视频

同学们好

前面我们学习了运动学参数

以及影响抛体运动成绩的因素

今天我们一起来学习

运动学参数的测量方法

体育比赛中常采用秒表

红外线激光计时系统

缝隙扫描终点摄影来计时

采用卷尺激光测距仪来测距

田径赛的起跑器

游泳池的出发台上安装的压力传感器

用于监测运动员是否抢跑或提前入水

全球卫星定位系统鹰眼

能实时获得运动员

和球在场上的位置和速度

而目前当需要精确分析运动员

完成动作的技术特征的时候

如获得各个关节的角度

人体重心的位置速度

但大型比赛又很难在运动员身上

佩戴测量装置

这时影像测量这种非接触的

定量测量方法

在不影响训练和比赛

不给运动员增加任何负担的情况下

通过对运动技术图像的获取解析

获得人体及运动器械的

各种运动学的定量参数

从而比较真实的反映出运动的情况

我们先来看二维摄像

也就是平面摄像的原理与方法

摄像机最主要的部分就是镜头

镜头由凸透镜构成

根据凸透镜成像的光学原理

如图所示设物距为u

焦距为f像距为v

则f分之一等于v分之一

加上u分之一

由于使用最长的望远镜焦距

不超过150 毫米左右

而物距则可达10-50 米左右

因此u远远大于v

这时可近似认为u分之一等于0

所以上式可简化成

f分之一等于v分之一

即 f 等于v

这就是说

镜头的中心到焦点的距离

或者说到底片的距离

就可以认为是焦距

从图中不难看到

图像和实物之间的比例

就是焦距与物距之比

即按三角形相似关系可得

K等于u比上f

等于图像长度比上实际长度

K为放大倍数

它对于摄影测量是非常重要的参数

如果我们事先知道

放大系数（K）和图像尺寸

物体尺寸就可以计算出来

为了获取放大系数K的值

就必须进行二维标定

可以用两种方法获得放大倍数K的值

第一种是在拍摄现场记录下焦距f

测量从镜头到运动物体之间的物距u

u比上f即为放大倍数K

另一种方法便是把固定长度的比例尺

放在运动平面内

使比例尺与摄影机主光轴垂直

在拍摄运动物体之前或之后

拍摄比例尺

应注意固定住摄影机位置不动

摄影机主光轴发生变化

比例系数将发生变化

经过投影放大后的底片图像

可测得其图像尺寸

这时比例尺尺寸比上图像尺寸

便是放大倍数K

摄影记录下来的影像资料

是一组连续的动作图片

因此

在每两张图片之间人体各部位

会产生位置的变化

测量其长度就是位移数据

拍摄频率的倒数

是每两张图片之间的时间间隔

即运动时间

位移除以时间即可得到两相邻图片上

各点的运动速度

对于拍摄好的视频

我们需要通过专门的处理软件

对图像进行数字化处理

基本过程就是将人体运动影像

置于坐标系中

然后测量关节点及关键点的坐标数据

再以这些坐标数据为基础

计算所需要的其他运动学数据

视频中显示的

就是在获取投掷链球的运动员

右膝关节中心的坐标

下面我们来具体介绍一下

平面定机摄影测量方法

由于它是将摄影机固定在三脚架上

在摄影机的空间位置摄距

机高取景范围焦距光圈等

按规定选用合适并固定不变的条件下

拍摄人体和物体的平面运动

所以称此种测量方法

为平面定机摄影测量方法

此方法的优点是简单易行

不影响人体的运动

其缺点

一是只能测出人体和物体

在垂直于摄影机主光轴平面上的

运动参数

所以此方法只适用于人体

和物体在一平面上或

主要在一个平面上的运动项目

二是测量的平面范围较小

对运动范围大的项目

只能选择其某一运动段落进行拍摄

例如跑的一个复步等

拍摄中的注意事项

首先是焦距与摄距

原则上只能使用中长焦距镜头拍摄

而不能使用广角镜头拍摄

具体焦距要根据拍摄距离调定

如画面中的这六幅图

如果想确定图中这位女性

头与肩之间的夹角

优选哪幅图呢

获得这个夹角

我们需要头顶颈肩

三个部位关键点的坐标

当然人像太小肯定不利于解析

那么

拍摄对象在画面中是不是越大越好呢

不是的 图像大固然清晰

有利于识别

但是光学透镜固有的透视失真的属性

也就是所谓的镜头畸变

会导致拍摄画面的边缘出现变形

就像画面中显示的墙面

四周原本笔直的线条变成了弧线

镜头畸变在广角镜头中更为明显

因此我们通过调节拍摄距离和焦距

让拍摄对象清晰

且尽可能位于画面中央

三分之二的位置

此外我们的摄像机

需要安放在平分拍摄宽度

且主光轴垂直于运动面的平面上

如图中显示

如果主光轴略向左倾斜

就会导致拍摄物体的长度

小于真实长度

如果场地条件允许

摄像机应安放在

人体主要运动环节一侧

如跳远的起跳腿

标枪的投掷臂一侧

尽量避免主要观测环节被肢体遮挡

同时最好不要逆光拍摄

导致曝光不足看不清拍摄对象

摄像机的拍摄频率

有常速和高速之分

常速通常是指25Hz

拍摄频率的选择与被测体的运动速度

有直接的关系

被测体的运动速度越高

拍摄的频率也需要越高

如测量走 举重等速度较慢的运动

可采用50Hz拍摄

测量百米跑需要100Hz～200Hz

测量高尔夫击球瞬时速度

则需要达到300Hz的拍摄频率

频率太低

会出现连球在何时离杆

都难以识别清楚

相反如果不需要高速拍摄

而采用高速拍摄的话

不仅会增加不必要的工作量

还会出现因降低分辨率

而降低录像解析精度的现象

另一个摄像机的重要参数是快门速度

它通过控制光线

进行入相机时间长短来决定

感光片有效曝光时间

快门速度越慢

拍摄运动的物体就越模糊

容易出现严重的拖影现象

但是如果速度太高

画面就会很暗

通常拍摄走的动作

快门采用125分之1秒

而网球发球

需要1000分之1秒的快门速度

才不会出现球拖影的情况

此外

控制镜头进光亮的装置还有光圈

它的读数越小进光亮越大

我们使用的摄像机

一般会自动根据电子快门速度

调整光圈大小

如果光线不满足需要

还可适当调节增益增加画面的亮度

但随之带来的副作用就是噪点增多

我们这节课的内容就讲到这里

大家可以课后练习拍摄

感受摄像机的各种设置

对拍摄效果的影响

谢谢