高速摄影运动分析系统测量误差研究

盛德兵 周志卫 张 建

（郑州飞机装备有限责任公司，河南郑州450005）

0 概述

高速摄影运动分析系统是利用摄影手段对被测对象进行连续高速拍摄，并据此进行运动参数分析的专用设备，完成高速拍摄的设备称为高速摄影机。 高速摄影机的拍摄速率可高达每秒数千帧、数万帧乃至数十万帧；最初的高速摄影机使用摄影胶片，称为胶片式高速摄影机，近年来，随着计算机技术和数字存贮技术的发展，出现了采用数字存贮技术的数字式高速摄影机，并因其使用方便，使用成本低等优点得到迅速普及。

高速摄影运动分析系统的基本组成是： 高速摄影机及其附件、控制分析计算机和运动分析软件，各部分的作用如下：

（1）高速摄影机及其附件：高速摄影机用于将研究对象以一连串图像的方式连续记录下来，并将其存贮在内部存贮器中。 高速摄影机的附件包括镜头、接线盒、灯具等，在拍摄时起着辅助作用。

（2）控制和分析计算机：该计算机用于控制数字式高速摄影机设定拍摄参数，并完成拍摄和图像下载、传输和转换。 同时，配合运动分析软件，该计算机还可完成被测对象的运动参数分析。

（3）运动分析软件：运动分析软件是一种特殊的计算机软件，它根据高速摄影机的拍摄结果，利用图像分析技术得到图像上运动目标的运动参数，这些参数包括：时间、线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度等。

1 高速摄影运动分析的特点

目前，胶片式高速摄影机已经退出历史舞台，已被数字式高速摄影机所取代。数字式高速摄影运动分析系统的特点是数据直观、可视、便于回放观察，实现了与运动目标的无接触测量，尤其可以进行多目标、多运动参数的同步测量，且具有很强的抗干扰能力。

2 高速摄影运动分析系统测量误差的主要来源

高速摄影运动分析的误差主要来自以下几个方面：

2.1 时基误差

模拟式高速摄影机的时基误差取决于胶片走片机构的运动误差、主轴马达的运动稳定度。而数字式高速摄影机由于采用了频率高达数十兆赫兹的高精度晶振作为其时间基准，时间精度非常高，以Kodak EKTAPRO RO-Imager 型高速摄影机为例，其时间误差仅为10-7S，新型数字式高速摄影机的时基误差更低至10-8 以下；因此，数字式高速摄影机的时基误差可以忽略不计。

2.2 摄影器件的感光灵敏度

感光灵敏度是衡量摄影机质量的重要指标之一，定义为单位光照强度入射在摄影感光器件产生的输出量，单位为μA/Lx，感光灵敏度越高，获得期望的信噪比输出所需要的辐射照度越小，在同样的环境照度下就能够获得较好的图像亮度，或者说得到预期的图像亮度所需要的照度越小。 较高的灵敏度可使摄影机获得高亮度的图像，这对运动分析是非常重要的。

2.3 信噪比和动态范围

信噪比定义为器件的有用信号与噪声信号之比， 动态范围的定义为感光器件饱和信号电压与噪声电压的均方根值之比；两者都用分贝表示：

信噪比＝20log（信号/ 噪声）

动态范围＝20log（饱和信号电压/ RMS 噪声电压）

动态范围反映了摄影机的工作照度范围，信噪比则影响着图像的成像质量，两者越高，所获得的图像的质量越高；反之，图像的信噪比越差，噪声信号就会大量出现，干扰正常信号，从而给运动分析带来困难并加大测量误差。

2.4 分辨率

像素是数字图像的基本单位，图像分辨率的大小直接影响到运动分析的位置精度。 分辨率越高，像素间距越小，目标点的定位精度越高，因此分析精度越高。

2.5 拍摄速率

即摄影机在单位时间内拍摄的帧数，单位FPS（Frames Per Second）或帧/秒，对应于数字信号处理里的采样频率。 拍摄速率越高，则对运动位置的分辨能力越高，对应的曝光时间越短，要求的光照条件越高。在实际拍摄时应选用合适的拍摄速率，过高的拍摄速率可能导致速度微分处理时的误差效应；过低则帧间隔过大，会过分损失目标运动的细节和位置精度。

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2.6 环境光照

合适的光照是良好的拍摄效果的前提和必要保证，光照过低则图像画面昏暗、噪声加大，无法观察和分析；反之，如果光线太强，则会出现过渡曝光，损失图像的细节，也不便于观察和运动分析。

2.7 聚焦清晰度

调整物距可获得较好的图像清晰度，但如果聚焦不良，则画面模糊不清，增加了确定目标位置的难度，因而影响分析结果。

2.8 曝光时间（快门速度）

曝光时间是每一帧图像拍摄时快门的开启时间， 它与拍摄帧速率、目标运动速度等参数密切相关。 使用合适曝光时间是使运动目标得到清晰成像的前提。 曝光时间过长，目标物会在画面上留下虚影或叫拖尾，直接增大分析结果的误差；曝光时间过短，则图像曝光不充分，画面暗淡不清，无法进行分析。

2.9 光圈

光圈是调节控制镜头光线通径的装置，光圈的大小决定了单位时间内的曝光量。因此，在照度有限的情况下，较小的光圈可以得到较亮的图像效果。 但光圈同时控制着成像的景深，光圈越小则成像清晰的前后范围越大，反之则越小。

2.10 视野（或取景范围）

视野大小与物体成像的尺寸成反比。 视野太小时，虽然可以得到较大的目标图像，像素距离较小，相对应的位置精度较高，但无法得到较大的运动分析范围；视野太大时，可以统全局，有着较大的运动分析范围，但像素距离大，对应的位置精度较低。因此在拍摄时要根据实际需要，选择合适的取景范围。

2.11 镜头光学轴线与目标运动平面的垂直度

正常情况下，摄影镜头的光学轴线应与被测目标的运动平面处于垂直关系。如果发生倾斜，由于透视原理的存在，成像的不同部位将会有不同的形状比例，由此给测量结果带来误差。

2.12 摄影球面位置误差

3 减小测量误差的方法

根据上述分析结果，可有针对性地采取措施，以减小高速摄影测量误差。 下面结合实际测量经验，给出一些减小误差的方法和建议：

3.1 选择像素分辨率高的高速摄影机， 并根据测量目标的运动范围调整视野，尽可能提高图像的物理分辨率

高速摄影机的像素分辨率越高，则对于同一摄影视野，其物理分辨率也越高；同时，选择合适的摄影视野（即摄影宽度和高度），在被测目标点及其运动范围全部被包络的基础上，尽可能缩小视野，可充分利用摄影机的像素分辨率，从而使实际拍摄的物理分辨率达到最佳。

3.2 增加环境亮度并减小光圈，提高目标区域的亮度，并调整曝光时间和焦距，以获得最佳的成像质量

增加环境亮度可提高成像亮度， 减小光圈可进一步提高成像亮度，通过调整曝光时间和焦距，可依获得最佳的成像质量，即：适宜的亮度，清晰的图像。 同时，小光圈可获得较大的景深，对于运动分析来说，大景深有利于对复杂目标上的各点取得较好的清晰度。 值得注意的是：目标点的亮度并不是越高越好，适宜的目标点是其边缘清晰，内部灰度均匀，周围无明显噪点，整体不出现曝光过度。

3.3 保持摄影光轴与目标运动平面垂直

摄影光轴与目标运动平面部垂直，将导致目标在运动平面内的相同距离在成像平面内的投影距离不一致，从而产生测量误差，且此误差大小和方向随目标所处的位置不同而不同。 因此，不可为了调节拍摄范围的需要而使摄影光轴倾斜。

3.4 尽可能远的拍摄距离

如前所述，拍摄距离过近，其球面效应越明显，测量误差越大，因此，在保证拍摄范围的条件下，应尽可能将拍摄距离调远。

4 结语

数字式高速摄影机因其在运动分析上的显著优势而得到广泛应用，但由于其测量方法的特殊性，使得其在许多方面会产生测量误差，因此，根据测量误差产生的原因对测量过程中进行控制，可依有效减小测量误差。

［1］薛以平，曾勇.现代摄影教程[M].中国建筑工业出版社，2008，9.

［2］杨再华.摄影测量的动态测量应用[J].电子机械工程，2008，2.

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