盛德兵 周志衛(wèi) 張 建

（鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司，河南鄭州450005）

0 概述

高速攝影運動分析系統(tǒng)是利用攝影手段對被測對象進行連續(xù)高速拍攝，并據(jù)此進行運動參數(shù)分析的專用設(shè)備，完成高速拍攝的設(shè)備稱為高速攝影機。 高速攝影機的拍攝速率可高達每秒數(shù)千幀、數(shù)萬幀乃至數(shù)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(shù)和數(shù)字存貯技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用數(shù)字存貯技術(shù)的數(shù)字式高速攝影機，并因其使用方便，使用成本低等優(yōu)點得到迅速普及。

高速攝影運動分析系統(tǒng)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(xù)記錄下來，并將其存貯在內(nèi)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(shù)字式高速攝影機設(shè)定拍攝參數(shù)，并完成拍攝和圖像下載、傳輸和轉(zhuǎn)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(shù)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(jù)高速攝影機的拍攝結(jié)果，利用圖像分析技術(shù)得到圖像上運動目標的運動參數(shù)，這些參數(shù)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(jīng)退出歷史舞臺，已被數(shù)字式高速攝影機所取代。數(shù)字式高速攝影運動分析系統(tǒng)的特點是數(shù)據(jù)直觀、可視、便于回放觀察，實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)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(gòu)的運動誤差、主軸馬達的運動穩(wěn)定度。而數(shù)字式高速攝影機由于采用了頻率高達數(shù)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(shù)字式高速攝影機的時基誤差更低至10-8 以下；因此，數(shù)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(zhì)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(chǎn)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(huán)境照度下就能夠獲得較好的圖像亮度，或者說得到預(yù)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(tài)范圍

信噪比定義為器件的有用信號與噪聲信號之比， 動態(tài)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(tài)范圍＝20log（飽和信號電壓/ RMS 噪聲電壓）

動態(tài)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(zhì)量，兩者越高，所獲得的圖像的質(zhì)量越高；反之，圖像的信噪比越差，噪聲信號就會大量出現(xiàn)，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(shù)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(nèi)拍攝的幀數(shù)，單位FPS（Frames Per Second）或幀/秒，對應(yīng)于數(shù)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(yīng)的曝光時間越短，要求的光照條件越高。在實際拍攝時應(yīng)選用合適的拍攝速率，過高的拍攝速率可能導(dǎo)致速度微分處理時的誤差效應(yīng)；過低則幀間隔過大，會過分損失目標運動的細節(jié)和位置精度。

新疆油田油井油層的深度深淺不一，非均質(zhì)性嚴重，產(chǎn)量壓力大，限產(chǎn)井與非限產(chǎn)井并存，采油單位每年檢泵工作量非常大，大約占油井總數(shù)的90%以上，因此急需一套適合新疆油田油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件進行技術(shù)支持。新疆油田油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計按照“先產(chǎn)量，后效率，同時也要兼顧產(chǎn)量與效率均衡”的原則和目標，開展油井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計算法研究和系統(tǒng)研發(fā)。

2.6 環(huán)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(xiàn)過渡曝光，損失圖像的細節(jié)，也不便于觀察和運動分析。

2.7 聚焦清晰度

調(diào)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(jié)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(shù)密切相關(guān)。 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(jié)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(diào)節(jié)控制鏡頭光線通徑的裝置，光圈的大小決定了單位時間內(nèi)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(yīng)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(tǒng)全局，有著較大的運動分析范圍，但像素距離大，對應(yīng)的位置精度較低。因此在拍攝時要根據(jù)實際需要，選擇合適的取景范圍。

2.11 鏡頭光學(xué)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(xué)軸線應(yīng)與被測目標的運動平面處于垂直關(guān)系。如果發(fā)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(jié)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(jù)上述分析結(jié)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(jié)合實際測量經(jīng)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(jù)測量目標的運動范圍調(diào)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(luò)的基礎(chǔ)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(huán)境亮度并減小光圈，提高目標區(qū)域的亮度，并調(diào)整曝光時間和焦距，以獲得最佳的成像質(zhì)量

增加環(huán)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(diào)整曝光時間和焦距，可依獲得最佳的成像質(zhì)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(fù)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(nèi)部灰度均勻，周圍無明顯噪點，整體不出現(xiàn)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(dǎo)致目標在運動平面內(nèi)的相同距離在成像平面內(nèi)的投影距離不一致，從而產(chǎn)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(diào)節(jié)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(yīng)越明顯，測量誤差越大，因此，在保證拍攝范圍的條件下，應(yīng)盡可能將拍攝距離調(diào)遠。

4 結(jié)語

數(shù)字式高速攝影機因其在運動分析上的顯著優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用，但由于其測量方法的特殊性，使得其在許多方面會產(chǎn)生測量誤差，因此，根據(jù)測量誤差產(chǎn)生的原因?qū)y量過程中進行控制，可依有效減小測量誤差。

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