运动影像分析中对镜头畸变的快速修正方法及应用实例

贾 谊，严波涛，刘占峰，路慧娟

JIA Yi 1，YAN Bo－tao2，LIU Zhan－feng2，LU Hui－Juan2

1 研究目的

在进行平面定机摄影测量时，由于所使用的光学镜头都会由于固有的透视失真而产生畸变误差，因此，为了解析结果的精度能够达到研究的要求，有研究人员曾对摄影过程进行了一些规范，如“摄影机到运动平面的距离为拍摄范围的5～6倍”［1］。但是，在实际拍摄过程中，由于比赛场地条件有限，如对竞走项目的拍摄，为防止栏杆和行人遮挡，常常会将摄像机架设于离运动平面较近的位置而无法满足上述对拍摄距离的要求，加之镜头取景范围有限，所采集的影像资料常常会受到镜头边缘畸变的影响而降低了解析结果的精度。本文采用一种简便易行的方法，减小因近距离拍摄而产生的镜头畸变误差，并通过实验对此方法进行检验。

2 研究方法

2.1 现场拍摄

为了分析镜头畸变对影像解析结果的影响，采用三种不同的镜头对固定间距标志物进行拍摄。镜头1为CASIO FH25数码相机自带变焦镜头；镜头2为日本产AVENIR TV ZOOM LENS变焦镜头；镜头3为PanasonicDVG180 A常速摄像机自带LEICA DICOAR变焦镜头（表1）。

拍摄步骤：在田径场内布置一条5 m的直线，利用工程线进行矫直。每隔50 cm，用长钉将乒乓球固定在直线上，并用游标卡尺对乒乓球间距进行实测。用3种不同镜头对乒乓球进行拍摄，摄像机镜头垂直于拍摄平面，机高设为1.2 m。拍摄距离从10 m开始，以后每隔2 m拍摄1次，到30 m结束。每次拍摄时，使得直线在镜头画面上的成像位置保持在下1／4处，并保证1号球位于成像画面的边缘处。

2.2 视图转换与畸变修正

对拍摄视频的修正过程如图1所示。

图1 运动视频畸变修正流程图

2.2.1 将视频转换为连续图片

拍摄采集到的视频通常为AVI格式，无法直接使用Photoshop软件对其进行修改，所以，必须对采集到的视频文件先进行格式转换，变为连续图片后再进行处理。

具体过程：使用Ulead GIF Animator 5.0软件打开要修正的视频文件，选择“文件”模块中保存功能的“保存为图像画面”，即可将视频转换为连续图片，这一过程仅需要几秒钟的时间。

表1 本研究测试用镜头参数一览表

2.2.2 利用Photoshop软件中的Lensdoc插件对运动图像进行畸变修正

首先打开装有Lensdoc插件的Photoshop软件（最好为Photoshop 7.0版本）。为实现后续的批处理功能，在Action模块选择“creat new action”新建一个动作记录，打开连续图片中的第一幅图片，选择“filter”模块中的“Andromeda”功能，并打开其中的Lensdoc插件。在Lensdoc插件中即可实现对动作图片的畸变校正（校正原理及过程见下节内容）。校正完毕后对图片进行保存并关闭，之后点击Action模块中的“Stop”按钮结束记录。

在上述修正过程结束之后，选择“Automate”功能当中的“Batch”功能，即可实现对所有连续图片进行相同步骤畸变修正过程的批处理，整个批处理过程中所有图片的畸变修正参数保持一致。

2.2.3 连续图片的视频合成

在对所有连续图片进行畸变校正之后，需要把连续图片再合成回视频文件，以便后期的解析工作使用。这一过程可以通过PhotoLapse软件来实现。

具体操作过程：首先，导入修正后的连续图片，之后选择“create movie”并指定合成视频的保存路径，在视频压缩时选择“全帧”模式即可。由于使用Photo Lapse软件进行合成视频时会出现第一幅图像丢失的现象，因此，将连续图片当中的第一幅进行拷贝处理即可避免图像丢失。

2.3 畸变修正前、后误差比较

使用APAS图像解析软件对畸变修正前、后的视频资料进行解析，并对修正前、后的误差值进行比较。为尽量减小随机误差带来的影响，取10幅画面进行解析，由原始坐标的平均值计算得到乒乓球间距，并与实测值进行比较得到误差值。

3 结果与分析

3.1 镜头畸变对图像解析精度的影响

对每个拍摄距离下的10幅画面进行解析并取平均值进行比较（表2），可以看出，不论使用何种镜头进行拍摄，左1～2段误差值明显大于左3～5段。这意味着在取景范围为5 m的情况下，图像中间约2 m范围内的测量精度较高，误差百分比基本维持在0.8％～0.2％的较低水平上，而超出这一范围，则误差会明显增加。可见，镜头畸变对于测量精度的影响较大。

表2 本研究3种镜头各段误差均值比较一览表

3.2 Lensdoc插件的畸变修正原理

镜头畸变误差对影像测量结果会产生一定的影响［2］，修正镜头畸变误差的方法很多，从总体上可分为基于控制对象的方法和基于模式的方法两大类［4］。但这些方法大都需要对高精度标块进行拍摄，并且对畸变系数进行求解［7］，而计算量又会随着泰勒展开式阶数的增高而加大［3］。

本实验使用的“Lensdoc”插件利用了视场中的任何特征直线在像平面所成的像仍然是直线这一原理，对镜头畸变进行纠正。这种方法因为对场景要求不高，不需要制作精确的校正板，仅需要一些随处可见的直线特征，因此，这种校正方法也被称为非量测校正［6］。传统的畸变修正软件图像边缘与图像中央的修正系数是预先设定好的，操作人员只能根据软件所提供的改正系数进行修正，因此，会出现画面边缘部分被修正，但是画面中间部分修正过度或者修正不足的现象。而Lensdoc软件的修正原理是根据处于画面中不同位置的线性条件分别进行修正，这样就可以保证画面不同位置采用不同的修正系数进行修正，从而避免出现画面被挤压或拉伸的现象。只要将用于修正的线性条件，如直尺或标杆摄入画面，即可对画面图像中的畸形现象进行有效的修正［8］。

在具体处理过程中，可以根据现场已有直线，如跑道线、道路交通标志线等作为畸变修正的参考线，或者在拍摄现场布置一条或几条直线作为参考线。

3.3 镜头畸变修正前、后数据对比分析

图2是对镜头1进行校正前、后的误差对比分析结果。可以看出，进行畸变校正处理后获得的数据更加接近实测值，左1段的平均误差值由纠正前的0.0198 m降低为0.0039 m；左2段的平均误差值由纠正前的0.0122 m降低为纠正后0.0021 m；左3、左4、左5点由于受镜头光学畸变影响本身已经不大，虽然通过纠正后误差也相对减小，但幅度没有左1、左2两段明显。另外，在对图像边缘进行误差校正时，图像中央部分的误差均值降低了0.3 mm，并没有出现挤压或拉伸的现象。

图2 镜头1畸变修正前、后误差均值比较示意图

3.4 畸变修正方法的效率

在进行体育科研服务时，教练员和运动员需要在第一时间得到反馈结果，这就要求整个畸变修正过程所需时间不宜过长。经过实际测试，完成一段90幅画面视频图像（约为竞走的一个复步过程）所需时间在3 min左右。

4 对实际比赛视频处理的实践验证

为了验证上述畸变修正方法在实际应用中的效果，对2010年广州亚运会男子20 km竞走决赛运动员的视频资料进行了实际验证。

4.1 比赛现场拍摄

使用卡西欧FH25摄像机进行拍摄，拍摄频率为120 Hz，快门速度1／1 000 s，比赛整个过程中保持摄像机位置固定不变，采用简易标定法［5］进行标定。由于场地条件的限制，摄像机距离运动员的运动平面最近距离仅为7 m，因此，在比赛后在不同运动平面内拍摄了用于画面校正的标杆。

使用APAS运动图像解析系统进行解析。选择较易观察到的运动员耳屏点进行分析，数据平滑采用数字滤波法，截断频率为8 Hz。从运动员耳屏点进入画面开始至离开结束，有效画幅数为96幅。

4.2 对比赛视频的畸变修正及结果分析

由于每一圈运动员所在运动平面不惟一，因此，以运动员所在平面的标杆为参照对画面畸变进行修正。由于畸变量与拍摄距离有关，拍摄距离越近，畸变越明显，因此，选择运动员距离摄像机最近（7 m）的第5圈视频资料进行分析。对修正前、后的视频资料分别进行5次解析（表3），从整体来看，修正前、后平均速度差为0.05 m／s，差值百分比为1.3％。

由图3可以看出，在画面边缘处，修正前、后差异明显，修正前、后最大速度差值为0.26 m／s，差值百分比为5.9％。在实际研究中，由于竞走项目研究的是运动员一个复步，即左脚着地到左脚再次着地的动作过程，而优秀运动员一个复步的距离大约为2.5 m左右，加之解析时一般前后要多截取10～20幅画面，因此，拍摄时的取景范围必须保证在3.5 m以上才能够满足研究的需要；另外，竞走项目通常在公路上进行，画面的景深通常在7 m以上，而运动员行进的路线并不固定，运动平面与镜头的距离也忽近忽远，为了保证所有运动平面的成像效果达到最佳化，通常摄像机距离最近的运动平面只有不到10 m的距离，因此，对于近距离拍摄的运动图像来说，对镜头畸变的修正是有必要的。

图3 本研究修正前、后运动员耳屏点速度比较示意图

5 结论与建议

5.1 结论

1.利用Photoshop软件中的Lensdoc插件，可以对近距离拍摄的运动图像中由于画面边缘处镜头畸变产生的解析误差进行较好的修正，且不会对画面中央成像结构造成影响。

2.使用Ulead GIF Animator 5.0和PhotoLapse软件以及Photoshop软件中的“批处理”功能，可实现对运动视频的分解、合成以及对大量连续图片的快速畸变修正，能够满足体育科研服务中快速反馈结果的要求。

5.2 建议

在比赛现场，由于受到拍摄条件的限制需要进行近距离拍摄的情况下，图像画面边缘的镜头畸变误差会对解析结果的精度带来影响，建议先对近距离拍摄视频进行画面畸变的修正后再进行解析和量化分析。

［1］钱竞光.平面摄影与影片解析方法规范化［J］.体育与科学，1992，13（5）：25－26.

［2］苏小华，赵继广，李建峰.CCD摄像机径向畸变的校准方法［J］.大学物理，2004，23（8）：43－47.

［3］王军德.径向畸变摄像机的标定［J］.科技信息，2009，（25）：465－466.

［4］杨必武，郭晓松.摄像机镜头非线性畸变校正方法综述［J］.中国图像图形学报，2005，10（3）：269－274.

［5］苑廷刚，李汀，李爱东，等.十运会男、女20km竞走前5名运动员运动技术分析［J］.体育科学，2006，26（8）：41－47.

［6］张靖，朱大勇，张志勇.摄像机镜头畸变的一种非量测校正方法［J］.光学学报，2008，28（8）：1552－1557.

［7］朱铮涛，黎绍发.镜头畸变及其校正技术［J］.光学技术，2005，31（1）：136－141.

［8］Andromeda Software Inc.Andromeda Lensdoc Filter User Manual［Z］.2000：31－33.