运动影像人工数字化过程中的误差分析研究

郑朝沙 刘 亚

(北京理工大学珠海学院 体育部,广东 珠海 519085)

运动影像人工数字化过程中的误差分析研究

郑朝沙 刘 亚

(北京理工大学珠海学院 体育部,广东 珠海 519085)

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。

影像测量；误差；解析

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”[1]，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。

1 研究对象与方法

1.1研究对象

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

使用星镐钛高速摄像采集系统，对第11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，快门速度为1/1000s，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

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一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84幅。选用Hanavan人体模型，人体标志点为19个，设置固定参考点1个。所有运动学数据都由同一解析员进行解析得到。

1.2.3 数据统计法

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。

2 结果与分析

2.1位移参数的误差结果

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：

表1 左侧踝、膝、髋关节点位移误差统计 单位：m

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[2]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[3]的研究结果略小。若我们以m作为单位，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

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：m/s

另外，根据vi=v0+at这一关系式，对运动员腾空时相的重心垂直速度进行了理论计算，并将计算结果与实测结果进行对比后发现，十次测量结果的均值与理论值存在差异，误差均值为0.13m/s，如图1所示。造成这一差异的原因可能是由拍摄系统和测试方法中存在系统误差所致，具体原因还有待与进一步分析研究。

图1 腾空时重心垂直速度计算值与解析值比较

2.2.2 加速度参数误差结果

表3为离地和着地时刻运动员重心以及三个关节点加速度均值及标准差的比较。从数值我们可以看到，三个关节的相对误差踝关节最小，而髋关节最大。

表3 关键时相加速度均值及标准差 单位：m/s2

图2为重心垂直方向加速度情况，十次解析所得加速度数据的整体趋势保持一致。其中误差百分比均值为22%。而对于单个关节点的加速度误差值，如左膝关节点某些时相的加速度全距误差为30.68m/s2，误差率达到了55%。就本研究整体来看，加速度参数的平均误差百分比在10%以上，而髋关节加速度平均误差率高达166%。

图2 重心垂直方向加速度曲线比较

2.3关节角度参数的误差结果

表4是对着地大腿夹角、离地大腿夹角和最大缓冲膝角的误差统计情况。上述三个角度10次测量后的标准差分别为0.9°、1.0°和1.4°，全距分别为3°、3°和5°，最大误差百分比为4.3%。由此推断，对角度参数的人工解析精度约为1°左右。

表4 角度参数误差统计情况 单位：度

2.4关节角速度的误差结果

表5 角速度参数误差统计情况 单位：度/s

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71幅，第5、7、8、10次出现在第72幅。

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。

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。

[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．

[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．

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

郑朝沙(1980-)，男，海南文昌人，讲师，研究方向：体育教育训练学、体育文化。