三维运动图像的拍摄

三维运动图像的拍摄测量实验运动生物力学实验室2008年2月2日•进行三维运动图像的拍摄是获得人体运动技术动作图像的重要手段。三维运动图像的解析通常要求摄像机是四种摄影测量方法:•平面定点、定焦距、固定位置摄影测量；平面定点、定焦距、扫描跟踪摄影测量；平面定点、变焦距、扫描跟踪摄影测量；平面未知摄影位置，变焦距、扫描跟踪摄影测量。•这里重点讲采用平面定点、定焦距、固定位置摄影测量的方法，也是拍摄人体运动技术动作图像方法中最为简单易行的一种测量方法。实验目的•1）学会平面定点、定焦距、固定位置摄影测量的方法。•2）掌握松下MD9000数码摄像机的调整和使用方法。•3）学会正确应用或放置比例尺（或摄影框架）。•4）掌握三维运动图像拍摄现场的布置的方法。实验器材•1)松下MD9000数码摄像机（一台）•主要性能：•电视系统：625行，50帧/秒PAL制式彩色信号。•镜头：手动光圈，自动光圈，F1.8，•焦距：3.1-46.5mm。•拍摄格式：MiniDV(用户使用数码视频SD格式)。•数码接口：DV输入/输出端子。（IEEE1394，4-pin）。•影像传感器：1/4英寸CCD图像传感器。•快门速度：常速，1/50-1/8000秒。•所用磁带：6.35mm数码视频磁带。•S-Video端子：视频输入，视频输出。•2）摄像机电池（一块）CGR-D220（可使用时间3小时45分）。•3）影三脚架（一副）•用于安装固定比例尺框架、摄像机等。4）摄像磁带：MiniDV录像带（一盘）(6.35mm数码视频磁带)。•5）比例尺框架（一付）采用爱捷009-D型三维DLT辐射框架。•6）50米皮尺（一把）实验原理•从摄像机拍摄的图像上获取被研究的对象相对于某一个坐标系的坐标值，并把它们换算为实际的尺寸，为了保证定量分析，因此必须在拍摄运动图像现场设置比例尺、同步装置或参考体。其目的有二：一是为了确定坐标系的原点；二是为了从比例尺和图像上换算出实际尺寸的放大倍率。这就是进行三维运动图像拍摄的主要思路。其原理是：•如下图所示，N为比例尺，n为摄像机拍摄的图像，D为摄像机镜头的焦点到比例尺N的距离，f为摄像机镜头的焦距。•根据几何光学原理：由ΔAOB∽Δaob得：或。由Δdcd`∽ΔOCA得：，即。则；得：。所以，跑道中心处的放大系数K为：•()DDDffDKffDffnNnffDnnNDfDnNN22DDfNNnnfNDfDnNfDnN•由此可知，这种把摄像机固定不动、固定焦距、固定距离，并且使摄像机的主光轴与被测运动物体测试点的运动平面相垂直，获得成像尺寸的比例系数K。由此可获得对单幅图像画面进行长度、面积、角度测量，或者是运动分析等。•另外，运动分析中一个很重要的参数就是像点从某一位置到另一位置之间的时间间隔，而对于没有电子时间标记装置的数码摄像机来说，两帧之间的时间间隔△t就等于摄像机的摄影频率F拍的倒数，即：•△t=1/F拍摄频率（Hz）。对于两帧相连的运动图像中某一测试点来说，意味着测试点从一点运动到另一点就有了所花费的时间和路程，是不难求出有关运动学参数的。但平面定点、定焦距、固定位置摄影测量，只能测试研究运动过程中某一局部范围，即人体或物体的某一运动周期动作。要想测试研究较大的范围或过程，可考虑平面定点、定焦距、扫描跟踪摄影；平面定点、变焦距、扫描跟踪摄影；平面未知摄影位置，变焦距、扫描跟踪摄影的其它摄影测量方法。•三维运动图像是将两台或两台以上的摄像机中的运动图像直接线性变换-DLT(DirectLinearTransformation)处理，那就采用DLT方法。•DLT方法的思路是在空间内设置足够多的标定点，事先测定各个点的空间坐标位置，然后用摄影机对这些标定点进行拍摄，并测定这些点在影片上的坐标，将上述两方面的数据代入构像方程，就可以计算出摄像机的内外方位元素。DLT直接线性变换•已知DLT系数和坐标的原点，由两组平面相片的坐标可求出未知点的实际空间坐标。•设各摄影机的影片坐标为：Xi’、Yi’,代表摄影机数，i2,DLT转换系数为L，坐标原点为P0（X0、Y0Z0），则由直接线性变换误差方程可得：•Vx[i]=-[(Li1+Xi’Li9)X+(Li2+Xi’Li10)Y+(Li3+Xi’Li11)Z+(Li4+Xi’)]/A•Vy[i]=-[(Li5+Yi’Li9)X+(Li6+Yi’Li10)Y+(Li7+Yi’Li11)Z+(Li8+Yi’)]/A把各摄影机的影片数据代入上述两方程求解后，再由三维实际相对坐标x´、y´、z´，并根据坐标原点（x。、y。、z。）平移后得出三维实际绝对坐标x、y、z:x=x。+x´y=y。+y´z=z。+z´摄像机与摄像机之间的同步•三维运动图像是由两台或两台以上的摄像机同时从不同的角度拍摄的影像合成的。但由于摄像机开启的时间存在先后次序的问题，从而获得的影像就会有多少的问题存在，要想在多台摄像机拍摄的这些图像帧中找到某时刻、某帧同步的图像是相当困难的，为了解决这一问题，就必须考虑多台摄像机拍摄的同步问题。•同步的方法：外同步内同步内时标同步等预习要求•1）掌握松下MD9000数码摄像机的调整和使用方法•2）了解体育运动中使用摄像机的摄像技巧•3）熟悉松下MD9000数码摄像机的功能•4）三维运动图像解析中人体运动技术动作的合理安排•5）掌握三维运动图像拍摄现场布置的方法实验预备知识•松下MD9000数码摄像机的使用方法和调整•在正式拍摄录制之前，先熟悉数码摄像机的使用说明书内容，以便正确理解MD9000数码摄像机的各种按键的功能与作用。•由于松下MD9000数码摄像机的使用方法、调整和使用技巧较多，下面对数码摄像机调整使用仅局限在平面定点、定焦距、固定位置摄影测量方法中使用。安装电池•在松下MD9000数码摄像机机身上找到电池座，用右手将摄像机电池的定位槽朝上，电极朝下拿起，将摄像机电池靠着电池座上部插入座中，直到摄像机电池完全与电池座底部接触，然后将摄像机电池向电池座的下部滑动，听到“喀哒”声后，说明摄像机电池已经安装到位。•起出电池时，先按下电池座内的电池锁定按钮然后将摄像机电池向上推，可取出电池。安装数码视频磁带•在松下MD9000数码摄像机机身上找到磁带弹出杆（▲/EJECT），左手扶住数码摄像机，右手食指按住磁带弹出杆（▲/EJECT）向上拨动，当“吱吱”声和“咔哒”声响后，磁带盒盖自动弹开。此时拿起录像带，将录像带传动孔朝着数码摄像机机身，录像带带口朝下，轻轻插入磁带盒内，然后用右手食指按住磁带盒锁定钮，合上磁带盒盖即可。•更换录像带时，只要拨动数码摄像机机身上的磁带弹出杆，可打开磁带盒盖，取出录像带更换了。•提示：松下MD9000数码摄像机磁带盒盖的开关，不受电源开关的控制；关闭磁带盒盖时，必须按住磁带弹出杆，否则，磁带盒无法合上。松下MD9000摄像机的功用MD9000数码摄像机的电源开/关使用•用右手向下拨动“开/关”钮，使拨动“开/关”钮的突起指针指向“ON”标记，此时操作模式指示灯发出红光，这表明数码摄像机处于待拍摄状态。只要打开镜头盖，如果LCD监视器是合上的话，就会从取景器中看到镜头前的景象了。当LCD监视器从摄像机机身旁打开时，取景器电源关闭，此时就会从LCD监视器上看到镜头前的景象了。这种设计是为了节省电源。•如果按动对变焦杆船形开关的T方向，则采用近景拍摄，图像放大；反之，按动对变焦杆船形开关的W方向，则采用广角拍摄，图像缩小。•同样，用右手向上拨动“开/关”钮，使拨动“开/关”钮的突起指针指向“OFF”标记，MD9000数码摄像机的电源关闭。•提示；如果拍摄暂停模式持续时间超过6分钟，摄像机电源会自动关闭，以保护磁带并且节约电源。如果要从此状态下恢复录制，需先关闭摄像机电源，然后再打开电源。自动、手动拍摄调整模式的使用•模式选择开关•（AUTO/MANUAL/PROG.AE）有三种方式：选择第一种AUTO（自动）功能方式时，摄像机将自动调节焦距和白平衡。这种操作可对拍摄人体运动技术动作现场图像的监测时有利，因为在无须调整数码摄像机的同时，可获得最佳效果的图像，以便对测量现场布置进行及时调整。•选择第二种MANUAL（手动）功能方式时，可对数码摄像机的白平衡、快门速度、光圈和焦距进行手动调整。手动调整白平衡•由于对运动中的动体进行拍摄的场景或光线条件有限，自动白平衡调节模式可能无法实现自然色彩。在这种情况下，可以使用手动调节白平衡。•注意：如果在镜头盖未取下的情况下打开摄像机，可能无法正常使用白平衡调节功能。请务必在取下镜头盖之后再打开摄像机。•先把模式选择开关（AUTO/MANUAL/PROG.AE）置于MANUAL位置。此时会在LCD监视器或取景器的右上方出现MNL指示，在数码摄像机上选择多功能（PUSH）旋钮，此时会在LCD监视器或取景器上的右上方出现AWB指示，转动（PUSH）旋钮直到出现指示，按住（PUSH）旋钮直到出现指示停止闪烁。然后自动调节，转动（PUSH）旋钮直到出现AWB指示为止。手动调整快门速度•把模式选择开关（AUTO/MANUAL/PROG.AE）置于MANUAL位置。此时会在LCD监视器或取景器的右上方出现MNL指示，在数码摄像机上选择多功能（PUSH）旋钮按下，直到在LCD监视器或取景器上的右上方出现快门速度指示。转动（PUSH）旋钮来调节快门速度，快门速度调节范围为1/50、1/100、1/150、1/180…1/8000秒。手动光圈的调节•将模式选择开关（AUTO/MANUAL/PROG.AE）置于MANUAL位置。此时会在LCD监视器或取景器的右上方出现MNL指示。在数码摄像机上选择多功能（PUSH）旋钮按下，直到在LCD监视器或取景器上的右上方出现光圈指示。转动（PUSH）旋钮来调节光圈。光圈调节范围为CLOSE（关闭），F16，…F2.0，OP（打开）+0db，…，OP+18db。•注意：选择的数值越接近CLOSE，影像将变得越暗；选择的数值越接近OP+18db，影像将变得越亮。如果此值太大，影像质量会下降。手动调节焦距•在自动调焦不能正常工作的情况下，可以进行手动调节焦距。方法是，将模式选择开关（AUTO/MANUAL/PROG.AE）置于MANUAL位置。此时会在LCD监视器或取景器的右上方出现MNL指示。在数码摄像机上选择调焦按钮FOCUS按下，此时会在LCD监视器或取景器上的右上方出现MF指示（手动调焦模式）。然后在数码摄像机上的镜头上找到焦距环，并且旋转它，则可达到调整焦距的目的。•注意：在以下情况下不能使用焦距环：出现菜单屏幕时；正在调节白平衡、快门速度或光圈时。拍摄钮的使用•OFF/ON开关设置为ON位置，此时CAMERA指示灯亮起红光。中的、、、和五个功能按钮为双重功能键，在模式开关为“CAMERA”时，指示灯亮起红光，相对应的功能均处于“逆光补偿”、“快进搜索”、“倒带搜索”、“画面静止”、“淡变”的录像机功能；在模式开关为“VCR”时，指示灯亮起绿光，相对应的功能均处于“播放”、“快进”、“快退”、“暂停”、“停止”、的放像机功能。•逆光补偿：此功能用于防止拍摄目标在逆光环境中拍摄得过于黑暗。按下“逆光补偿”按钮，监视器右上角上出现闪烁，然后保持显示，此时整个屏幕将变得更亮。如果要恢复正常拍摄，再次按（逆光补偿）按钮即可。•快进搜索：在拍摄暂停模式中，要查看摄录的现场场景，按下“快进搜索”钮，可以正向回放影像。•倒带搜索：在拍摄暂停模式中，要查看摄录的现场场景，按下“倒带搜索”钮，可以反向回放影像。按“倒带搜索”钮，可以回放最后几秒钟摄录的场景。检查完毕摄像机将自动恢复拍摄暂停模式。•画面静止：当按下此按钮时，影像将变成静态图片。再次按此键可取消数码静态图片功能模式。•淡变：在拍摄暂停模式中，按住“淡变”钮，影像渐渐淡出，待影像完全消失后可按拍摄钮拍摄。在开始拍摄录制后约3秒钟，松开“淡变”钮，影像再次显现。静态图片不能淡入淡出。•拍摄：在摄