Фотограмметрия

Фотограмметрия (от греч. фотос — свет, грамма — запись, метрио — измеряю) — научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением размеров, формы и положения объектов по их изображениям на фотоснимках.

Фотограмметрия изучает и разрабатывает точные методы фотосъемки и, кроме того, методы автоматизированной обработки фотоснимков и кинограмм. В спорте фотограмметрические методы основаны на точной регистрации и полуавтоматической обработке циклограмм.

В фотограмметрии используют либо одиночные снимки, либо стереоскопические пары снимков (стереопары). Раздел фотограмметрии, изучающий объекты по стереопарам, называется стереофотограмметрией. При стереофотограмметрическом исследовании абсолютная погрешность измерения координат и перемещений может быть снижена до ±1 мм. В этом случае относительная приведенная погрешность при измерении перемещений не превысит 0,1%, а при измерении ускорений — 10%.

Повышенная точность стереофотограмметрии объясняется свойствами стереоскопического (бинокулярного) зрения, позволяющего ощущать взаимное расположение предметов в пространстве. Дело в том, что никакое движение человека не протекает строг одной плоскости. Например, при беге перемещение стопы в направлении, перпендикулярном к основному движению, достигает 20 см. Стереоскопическое зрение, в отличии от плоскостного, позволяет зарегистрировать это перемещение.

Для стереофотограмметрического анализа движений необходима следующая аппаратура: стереофотограмметрическая мера, стробоскоп, стереокомпаратор и специальное электронно-вычислительное устройство.

Стереофотограмметрическая камера (рис. 42) состоит из двух высокочастотных, фотосъемочных аппаратов, укрепленных на жесткой подставке. Расстояние между их объективами называется базисом. Он устанавливается с точностью до ±0,05 мм.

Рис. 42

Исследование движений спортсмена мето­дом стереофотограмметрии:

А —момент исследования, Б— стереофотограмметрическая камера

с механическим стробоскопом:

У₁ и У₂ — оптическая ось, в— базис;

стрелками отмечены места крепления маркеров

Стереосъемку нужно вести так, чтобы фотографируемый объект находился стереоскопическом пространстве, т. е. в поле зрения обоих объективов. Требуемое стереоскопическое пространство («перекрытие») определяется, исходя из задачи исследования. Например, если необходимо отснять один цикл бега, то у бегущего спортсмена измеряют длину двойного шага и принимают ее за величину стереоскопического пространства.

Используются три основных варианта взаимного расположения съемочных стереокамер (рис. 43):

1) «нормальный случай» стереофотосъемки, когда оптические оси объективов перпендикулярны (нормальны) к базису; этот вид съемки наиболее удобен с организационной точки зрения;

2) «конвергентный случай» стереофотосъемки, когда угол между оптическими осями объективов может принимать любое значение; при этом можно получить большее стереоскопическое пространство, но значительно усложняются формул при расчете действительных координат объекта;

3) двусторонняя (билатеральная) стереофотосъемка, когда используются две стереокамеры, устанавливаемые слева и справа от спортсмена при этом оптические оси могут быть направлены под любым углом к линии движения спортсмена; этот вид съемки необходим, если надо зарегистрировать движение всех частей тела спортсмена.

Точность стереофотограмметрической регистрации движений зависит от погрешностей, вносимых стереокамерой, а также стробоскопом и стереокомпаратором. От стробоскопа требуется высокая синхронность съемки обеими камерами и высокая стабильность частоты съемки. Поэтому иногда отказываются от механического стробоскопа с вращающимися обтюраторами и пользуются электронным стробоскопом — генератором световых импульсов, периодически освещающих спортсмена стороны съемки. Съемку в этом случае ведут в полузатемненном помещении.

Стереокомпаратор служит для измерения и регистрации координат объектов на стереоскопических парах сним­ков. Он состоит из измерительного стола, оснащенного бинокулярным микроскопом, пульта управления и печатающего автомата (например, ленточного перфоратора). Фо­тоснимки устанавливают на измерительном столе и, глядя в бинокулярный микроскоп, с помощью ручных штурвалов совмещают измерительную марку с маркером спортсме­на. После этого печатающее' устройство регистрирует координаты точки.

Найденные на стереокомпараторе коор­динаты маркеров преобразуют в действи­тельные координаты в специальном вычис­лительном устройстве. Кроме того, вычис­лив (по частоте съемки) временные интер­валы между соседними позами, можно авто­матически рассчитать скорости и ускорения.

Стереофотограмметрическая регист­рация движений — сложный и трудоемкий процесс, требующий дорогостоящей аппа­ратуры. Затраты окупаются тем, что стереофотограмметрия позволяет дистанцион­но, бесконтактно и наиболее точно изме­рять кинематические характеристики движе­ний спортсмена.

Рис. 43

Различные случаи стереофотограмметри­ческой съемки:

А — нормальный, Б — конвергентный,

В — дву­сторонняя съемка;

заштриховано стереоскопиче­ское пространство;