一種無線音頻同步系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于運動影響分析領(lǐng)域，尤其涉及一種無線音頻同步系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維運動影像分析早已被廣泛使用在運動生物力學(xué)的研宄工作中了。在實際測量中，需要從兩個或兩個以上的不同視角的攝像機的圖像中測量出被測物體的二維坐標(biāo)，然后用直接線性轉(zhuǎn)換(DLT)的方法重建三維運動學(xué)數(shù)據(jù)，即使用DLT將從多臺攝像機得到的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)。在三維運動影像的測量過程中，保證測量精度、控制誤差是非常重要的。在實際測試中，有兩部份工作對提高精度、減少誤差是起關(guān)鍵作用的，即:
(1)時間同步:不同拍攝角度的運動圖像在時間上是同步的；
(2)空間標(biāo)定:獲得準(zhǔn)確的圖像與實際空間在數(shù)學(xué)上的對應(yīng)關(guān)系；
通過對國內(nèi)外目前在使用多臺攝像機進(jìn)行三維錄像解析的同步方法進(jìn)行了解和總結(jié)，主要分為以下方法:
Cl)同步采集:
同步采集是將具有同步功能的攝像機(如:工業(yè)攝像機、專用攝像機及一些專業(yè)攝像機)連接起來，以其中一臺攝像機為主，同步控制其余的攝像機采集圖像采集，實現(xiàn)不同攝像機所采集圖像之間的同步，這種同步方法具有很高的同步精度(由系統(tǒng)硬件實時控制，通常精度可達(dá)微秒量級)。
[0003]通常同步采集在測試中所使用的攝像機必須同步，以確保各攝像機所記錄的圖像之間沒有時間差，這樣在使用DLT將從多臺攝像機所拍攝圖像中分別獲得的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo)時，避免時間差引起的測量誤差。但在測試現(xiàn)場同步攝像機有許多困難，首先是需要攝像機具有同步功能，然后需要許多長電纜連接攝像機。然而目前在國內(nèi)大量使用的普通便攜手持?jǐn)z像機不具備同步功能，即便使用帶同步功能的攝像機，在測試現(xiàn)場(通常為比賽或訓(xùn)練現(xiàn)場)鋪設(shè)很長的同步電纜線(有時甚至需要穿越跑道)也是不現(xiàn)實的。
[0004](2)非同步采集:
使用不具備同步功能的普通便攜手持?jǐn)z像機，也就是不同步的攝像機捕捉運動圖像以進(jìn)行DLT三維運動分析，在拍攝現(xiàn)場并不需要額外的顯示器和電源，非常方便、省時、省力。但是不同步的圖像會帶來在時間上不同步的數(shù)據(jù)，目前常用的一些減少時間差的方法是:使用額外的燈光同步或錄像中的特殊事件同步，這些方法雖然簡單方便，但同步的精度較差。
[0005]下面的例子就是本課題組成員通過實驗來分析、計算由不同時間同步誤差在經(jīng)過DLT的計算后，造成三維運動學(xué)解析數(shù)據(jù)誤差的研宄。通過對自由落體和鐵餅投擲的測量，再使用PEAK MOTUS運動分析系統(tǒng)計算的坐標(biāo)和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。首先的例子是自由落體，攝像機的光軸垂直于運動方向，然后再用鐵餅的數(shù)據(jù)作為實際的例子進(jìn)行討論。
[0006]假設(shè)所有攝像機拍攝的速度差是很小的、可以忽略，從而攝像機的圖像之間的時間差是恒定的。首先記錄由三個同步攝像機的視頻圖像，然后將一個或兩個攝像機的原始二維坐標(biāo)在時域中移位、超前或滯后，以模擬攝像機中的圖像的時間差。然后將移位后的二維數(shù)據(jù)通過DLT和Butterworth濾波器計算后，獲得三維數(shù)據(jù)，最后比較時移數(shù)據(jù)與原始同步數(shù)據(jù)，計算出同步誤差。
[0007]上面自由落體和投擲鐵餅的研宄結(jié)果表明，在使用三臺未同步的攝像機進(jìn)行三維錄像解析且攝像機之間的時間差不超過0.01秒時，由圖像的不同步造成被測物體三維坐標(biāo)的誤差DX，DY和DZ小于0.1米，DV/ V為約10%。盡管非同步的家用手持?jǐn)z像機會帶來同步誤差，但由于價格便宜、使用方便，它們目前還是被廣泛的應(yīng)用在三維錄像解析中。研宄表明可以用實驗的方法事先對由不同步圖像造成的測量誤差進(jìn)行評估，而且可以通過下列方法進(jìn)行控制:(1)盡量減小光軸垂直于運動方向的攝像機的時間誤差；(2)使用第三臺(多臺)攝像機；(3)選擇同步事件來控制攝像機的圖像之間的時間差。本發(fā)明的這部分研宄就是要針對使用多臺非同步攝像機進(jìn)行三維錄像解析時造成的同步誤差，研發(fā)出進(jìn)一步控制和減小這種誤差的方法和儀器設(shè)備。
[0008]目前國內(nèi)絕大多數(shù)在比賽和訓(xùn)練現(xiàn)場采集用于三維解析的錄像時，采用的是非同步采集方法中的最接近近畫面近似法，即不同攝像機用這種方法采集的原始圖像不是同步的，但在圖像采集的同時，使用采用閃光或其他特殊事件作為多臺攝像機的同步信號，用來查找不同攝像機的錄像中最接近同步事件的畫面。
[0009]圖1給出了非同步攝像機錄像畫面及時間關(guān)系，這里:T是錄像采集周期(頻率=1/T)、DT是單幅畫面采集時間、Dt是同步誤差。使用方法(I)采集的錄像畫面Dt很小、基本可以忽略不計，而使用方法(3)采集的錄像畫面時非同步的，在圖像處理時只能根據(jù)畫面中的同步事件找到各錄像畫面序列中最接近同步時間發(fā)生時刻的畫面，使同步誤差Dt小于圖像采集周期。以常用的、采集周期為20毫秒(頻率為50幅/秒)的攝像機為例，這時只能將同步誤差控制在20毫秒以內(nèi)(10毫秒左右)。
[0010]非同步采集方法的另外一種方法為插值同步修正法，即不同攝像機用這種方法采集的原始圖像不是同步的，但在圖像采集的同時，使用圖像以外的媒介來準(zhǔn)確記錄同步信息，然后在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，首先將采集的圖像和記錄的同步信息放在同一個時間坐標(biāo)系中，用數(shù)據(jù)插值的方法，修正和提高時間同步的精度，減少同步誤差。這種方法的同步精度可達(dá)毫秒或亞毫秒量級。
[0011]但是采用哪種媒介信息進(jìn)行同步；如何使同步信息與原始圖像結(jié)合；如何確保各攝像機上的同步信息裝置同時發(fā)出同步信息信號；如何得到更精確的同步結(jié)果；如何將同步信息裝置小型化、便捷化；如何增加同步攝像機的數(shù)量、同步攝像的場地范圍有限、同步成本高等，一直是本領(lǐng)域存在的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問題本發(fā)明提供了一種無線音頻同步系統(tǒng)及方法。能提高目前常用測試方法的同步精度I個數(shù)量級左右:從10毫秒量級到I毫秒量級；裝置體積小、使用方便；同步攝像的范圍大，可用于同步攝像的攝像機數(shù)量不限。
[0013]為達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種無線音頻同步系統(tǒng)，包括同步發(fā)射器和同步接收器，
所述同步發(fā)射器內(nèi)部設(shè)有產(chǎn)生射頻信號的射頻發(fā)生模塊，射頻發(fā)生模塊產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)射頻發(fā)射模塊，傳遞到將射頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的數(shù)字信號發(fā)生模塊；數(shù)字信號經(jīng)同步發(fā)射器內(nèi)的疊加模塊載波調(diào)制和放大后，形成發(fā)射信號，發(fā)射信號經(jīng)發(fā)射天線發(fā)送到同步接收器；所述同步發(fā)射器外部設(shè)有發(fā)射器開關(guān)；
所述同步接收器外部設(shè)置有接收發(fā)射信號的接收天線；發(fā)射信號被接收天線接收放大后，經(jīng)接收模塊傳至數(shù)字解碼模塊；發(fā)射信號被數(shù)字解碼模塊進(jìn)行信號解調(diào)和數(shù)字信號辨別后轉(zhuǎn)化為音頻信號，音頻信號經(jīng)音頻發(fā)生模塊進(jìn)行音頻信號選擇后，經(jīng)音頻信號輸出模塊傳至外接MIC。
[0014]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述發(fā)射器開關(guān)為兩個，分別為低頻開關(guān)和高頻開關(guān)；啟動不同的開關(guān)時所產(chǎn)生音頻信號頻率不同。
[0015]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述發(fā)射信號的頻率為315MHz，低頻開關(guān)啟動時音頻信號頻率為1000Hz，高頻開關(guān)啟動時音頻信號頻率為2000Hz。
[0016]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述同步發(fā)射器和同步接收器均設(shè)有電源。
[0017]一種無線音頻同步方法，包括如下步驟:
步驟一)儀器安裝:準(zhǔn)備若干帶Mic輸入功能的攝像機，將攝像機架設(shè)安裝好后，每個攝像機的旁邊放置外接MIC的同步接收器；
步驟二)同步點設(shè)置:開啟同步接收器和攝像機，在需要設(shè)置同步的時間點短暫開啟同步發(fā)射器發(fā)射攝像同步信號；
步驟三)設(shè)備關(guān)閉:拍攝結(jié)束后關(guān)閉攝像機和無線音頻同步系統(tǒng)；
步驟四)錄像輸入:將錄取的攝像分別輸入計算機，形成若干音像數(shù)據(jù)文件；
步驟五)圖像同步處理:將圖像進(jìn)行同步處理，包括如下步驟:
5-1將音像數(shù)據(jù)文件放入音像同步處理軟件，在各音像數(shù)據(jù)文件中找到同步信號出現(xiàn)的畫面，刪除同步信號出現(xiàn)之前的畫面；
5-2將各音像數(shù)據(jù)文件從頭對齊，改變各音像數(shù)據(jù)文件的播放速度以其中一個音像數(shù)據(jù)文件為基準(zhǔn)音像數(shù)據(jù)文件對其它音像數(shù)據(jù)文件進(jìn)行圖像插值，找到被插值的音像數(shù)據(jù)文件中同步信號位置與基準(zhǔn)音像數(shù)據(jù)文件相同或最接近的畫幅；刪除所述畫幅之前的畫面；5-3.根據(jù)分析需要確定基準(zhǔn)音像數(shù)據(jù)文件的長度，裁剪并清除所有音像數(shù)據(jù)文件尾部不需要的部分，對齊裁剪后的音像數(shù)據(jù)文件，然后恢復(fù)各音像數(shù)據(jù)文件的播放速度；
步驟六)文件導(dǎo)出:將裁剪后的音像數(shù)據(jù)文件分別導(dǎo)出，即得到同步的音像數(shù)據(jù)文件。
[0018]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述步驟二中，在拍攝結(jié)束的時間點短暫開啟同步發(fā)射器發(fā)射與攝像同步信號頻率不同的攝像結(jié)束信號。
[0019]進(jìn)一步的改進(jìn)，所述步驟5-3中，根據(jù)攝像結(jié)束信號裁剪并清除所有音像數(shù)據(jù)文件尾部不需要的部分。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點:
(O同步精度提高顯著。提高目前常用測試方法的同步精度I個數(shù)量級左右:從10毫秒量級到I毫秒量級；
(2)實用性強。對國內(nèi)目前普遍應(yīng)用的三維錄像解析方法、軟硬件基本沒有改變；
(3)成本低。量產(chǎn)后的音頻同步系統(tǒng)成本低，改進(jìn)/升級現(xiàn)有系統(tǒng)的費用?。?br>(4)易于推廣使用。由于是直接針對目前國內(nèi)現(xiàn)場測試方法所存在的問題設(shè)計的解決方案，加上上述優(yōu)點，適于推廣。
【附圖說明】
[0021]圖1非同步攝像機錄像畫面及時間關(guān)系不意圖；
圖2實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3無線音頻同步系統(tǒng)的設(shè)計原理示意圖；
圖4同步發(fā)射器的程序流程示意圖