高速攝影運動分析系統測量誤差研究

盛德兵 周志衛 張 建

（鄭州飛機裝備有限責任公司，河南鄭州450005）

0 概述

高速攝影運動分析系統是利用攝影手段對被測對象進行連續高速拍攝，并據此進行運動參數分析的專用設備，完成高速拍攝的設備稱為高速攝影機。 高速攝影機的拍攝速率可高達每秒數千幀、數萬幀乃至數十萬幀；最初的高速攝影機使用攝影膠片，稱為膠片式高速攝影機，近年來，隨著計算機技術和數字存貯技術的發展，出現了采用數字存貯技術的數字式高速攝影機，并因其使用方便，使用成本低等優點得到迅速普及。

高速攝影運動分析系統的基本組成是： 高速攝影機及其附件、控制分析計算機和運動分析軟件，各部分的作用如下：

（1）高速攝影機及其附件：高速攝影機用于將研究對象以一連串圖像的方式連續記錄下來，并將其存貯在內部存貯器中。 高速攝影機的附件包括鏡頭、接線盒、燈具等，在拍攝時起著輔助作用。

（2）控制和分析計算機：該計算機用于控制數字式高速攝影機設定拍攝參數，并完成拍攝和圖像下載、傳輸和轉換。 同時，配合運動分析軟件，該計算機還可完成被測對象的運動參數分析。

（3）運動分析軟件：運動分析軟件是一種特殊的計算機軟件，它根據高速攝影機的拍攝結果，利用圖像分析技術得到圖像上運動目標的運動參數，這些參數包括：時間、線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度、角加速度等。

1 高速攝影運動分析的特點

目前，膠片式高速攝影機已經退出歷史舞臺，已被數字式高速攝影機所取代。數字式高速攝影運動分析系統的特點是數據直觀、可視、便于回放觀察，實現了與運動目標的無接觸測量，尤其可以進行多目標、多運動參數的同步測量，且具有很強的抗干擾能力。

2 高速攝影運動分析系統測量誤差的主要來源

高速攝影運動分析的誤差主要來自以下幾個方面：

2.1 時基誤差

模擬式高速攝影機的時基誤差取決于膠片走片機構的運動誤差、主軸馬達的運動穩定度。而數字式高速攝影機由于采用了頻率高達數十兆赫茲的高精度晶振作為其時間基準，時間精度非常高，以Kodak EKTAPRO RO-Imager 型高速攝影機為例，其時間誤差僅為10-7S，新型數字式高速攝影機的時基誤差更低至10-8 以下；因此，數字式高速攝影機的時基誤差可以忽略不計。

2.2 攝影器件的感光靈敏度

感光靈敏度是衡量攝影機質量的重要指標之一，定義為單位光照強度入射在攝影感光器件產生的輸出量，單位為μA/Lx，感光靈敏度越高，獲得期望的信噪比輸出所需要的輻射照度越小，在同樣的環境照度下就能夠獲得較好的圖像亮度，或者說得到預期的圖像亮度所需要的照度越小。 較高的靈敏度可使攝影機獲得高亮度的圖像，這對運動分析是非常重要的。

2.3 信噪比和動態范圍

信噪比定義為器件的有用信號與噪聲信號之比， 動態范圍的定義為感光器件飽和信號電壓與噪聲電壓的均方根值之比；兩者都用分貝表示：

信噪比＝20log（信號/ 噪聲）

動態范圍＝20log（飽和信號電壓/ RMS 噪聲電壓）

動態范圍反映了攝影機的工作照度范圍，信噪比則影響著圖像的成像質量，兩者越高，所獲得的圖像的質量越高；反之，圖像的信噪比越差，噪聲信號就會大量出現，干擾正常信號，從而給運動分析帶來困難并加大測量誤差。

2.4 分辨率

像素是數字圖像的基本單位，圖像分辨率的大小直接影響到運動分析的位置精度。 分辨率越高，像素間距越小，目標點的定位精度越高，因此分析精度越高。

2.5 拍攝速率

即攝影機在單位時間內拍攝的幀數，單位FPS（Frames Per Second）或幀/秒，對應于數字信號處理里的采樣頻率。 拍攝速率越高，則對運動位置的分辨能力越高，對應的曝光時間越短，要求的光照條件越高。在實際拍攝時應選用合適的拍攝速率，過高的拍攝速率可能導致速度微分處理時的誤差效應；過低則幀間隔過大，會過分損失目標運動的細節和位置精度。

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2.6 環境光照

合適的光照是良好的拍攝效果的前提和必要保證，光照過低則圖像畫面昏暗、噪聲加大，無法觀察和分析；反之，如果光線太強，則會出現過渡曝光，損失圖像的細節，也不便于觀察和運動分析。

2.7 聚焦清晰度

調整物距可獲得較好的圖像清晰度，但如果聚焦不良，則畫面模糊不清，增加了確定目標位置的難度，因而影響分析結果。

2.8 曝光時間（快門速度）

曝光時間是每一幀圖像拍攝時快門的開啟時間， 它與拍攝幀速率、目標運動速度等參數密切相關。 使用合適曝光時間是使運動目標得到清晰成像的前提。 曝光時間過長，目標物會在畫面上留下虛影或叫拖尾，直接增大分析結果的誤差；曝光時間過短，則圖像曝光不充分，畫面暗淡不清，無法進行分析。

2.9 光圈

光圈是調節控制鏡頭光線通徑的裝置，光圈的大小決定了單位時間內的曝光量。因此，在照度有限的情況下，較小的光圈可以得到較亮的圖像效果。 但光圈同時控制著成像的景深，光圈越小則成像清晰的前后范圍越大，反之則越小。

2.10 視野（或取景范圍）

視野大小與物體成像的尺寸成反比。 視野太小時，雖然可以得到較大的目標圖像，像素距離較小，相對應的位置精度較高，但無法得到較大的運動分析范圍；視野太大時，可以統全局，有著較大的運動分析范圍，但像素距離大，對應的位置精度較低。因此在拍攝時要根據實際需要，選擇合適的取景范圍。

2.11 鏡頭光學軸線與目標運動平面的垂直度

正常情況下，攝影鏡頭的光學軸線應與被測目標的運動平面處于垂直關系。如果發生傾斜，由于透視原理的存在，成像的不同部位將會有不同的形狀比例，由此給測量結果帶來誤差。

2.12 攝影球面位置誤差

3 減小測量誤差的方法

根據上述分析結果，可有針對性地采取措施，以減小高速攝影測量誤差。 下面結合實際測量經驗，給出一些減小誤差的方法和建議：

3.1 選擇像素分辨率高的高速攝影機， 并根據測量目標的運動范圍調整視野，盡可能提高圖像的物理分辨率

高速攝影機的像素分辨率越高，則對于同一攝影視野，其物理分辨率也越高；同時，選擇合適的攝影視野（即攝影寬度和高度），在被測目標點及其運動范圍全部被包絡的基礎上，盡可能縮小視野，可充分利用攝影機的像素分辨率，從而使實際拍攝的物理分辨率達到最佳。

3.2 增加環境亮度并減小光圈，提高目標區域的亮度，并調整曝光時間和焦距，以獲得最佳的成像質量

增加環境亮度可提高成像亮度， 減小光圈可進一步提高成像亮度，通過調整曝光時間和焦距，可依獲得最佳的成像質量，即：適宜的亮度，清晰的圖像。 同時，小光圈可獲得較大的景深，對于運動分析來說，大景深有利于對復雜目標上的各點取得較好的清晰度。 值得注意的是：目標點的亮度并不是越高越好，適宜的目標點是其邊緣清晰，內部灰度均勻，周圍無明顯噪點，整體不出現曝光過度。

3.3 保持攝影光軸與目標運動平面垂直

攝影光軸與目標運動平面部垂直，將導致目標在運動平面內的相同距離在成像平面內的投影距離不一致，從而產生測量誤差，且此誤差大小和方向隨目標所處的位置不同而不同。 因此，不可為了調節拍攝范圍的需要而使攝影光軸傾斜。

3.4 盡可能遠的拍攝距離

如前所述，拍攝距離過近，其球面效應越明顯，測量誤差越大，因此，在保證拍攝范圍的條件下，應盡可能將拍攝距離調遠。

4 結語

數字式高速攝影機因其在運動分析上的顯著優勢而得到廣泛應用，但由于其測量方法的特殊性，使得其在許多方面會產生測量誤差，因此，根據測量誤差產生的原因對測量過程中進行控制，可依有效減小測量誤差。

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