千眼狼高速摄像机与REMA运动分析测量软件在体育动作捕捉与生物力学研究中的应用
摘要： 球拍触球、投掷出手、举重提拉和跳跃离地，都包含需要细致观察的动作变化。千眼狼（Revealer）高速摄像机用于记录关键过程，REMA运动分析测量软件根据目标特征、标定方式和模块配置，提取位移、轨迹、速度及姿态等运动学信息，为体育技术分析、训练复盘和生物力学研究提供测量支持。
一次击球没有达到预期效果，变化发生在挥拍阶段，还是触球前后？举重提拉出现偏差，杠铃轨迹从哪个阶段开始改变？两次看起来相似的跳跃，支撑转换与离地时刻有什么不同？
教练能够凭经验发现问题，运动员也能感受到动作差异。进一步开展技术分析，需要将这些判断落实到具体对象、动作阶段和可比较的参数上。
高速摄像机记录快速变化，运动分析软件则从连续图像中提取运动信息。将参数曲线与原始画面对应起来，教练和研究人员可以检查差异发生的时刻，并结合训练任务解释其意义。
一 高速摄像机为体育科研提供怎样的动作信息
体育动作的变化速度并不均匀。一次挥拍包含准备、加速和随挥等阶段，球拍接触却发生在很短的时间内；完整起跳动作包含多个环节，支撑转换和离地过程则集中在较短的时间窗口内。
对于乒乓球、羽毛球、射箭、投掷、体操和跳水等项目，研究人员常常需要观察快速运动、旋转和姿态转换。如果时间采样不足，关键变化可能发生在相邻两帧之间，影响事件定位和后续分析。
千眼狼（Revealer）高速摄像机可用于记录高速运动过程，并通过慢速回放和逐帧观察，分析触球、离地、出手、离弦、入水等关键动作，查看事件发生的先后顺序及其前后的动作变化。
二 REMA如何从图像序列中提取运动学参数
千眼狼REMA（Revealer Motion Analysis）运动分析测量软件面向视觉测量任务，提供标定、目标定义、运动跟踪、参数计算、结果复核与导出等功能。
使用千眼狼高速摄像机与REMA开展体育运动测量，步骤如下：
●确定测量对象和动作区间，例如杠铃片中心、拍头特征或投掷器械端点。
●根据二维或三维任务完成相应标定，建立图像坐标与实际尺度或空间坐标的关系。
●在连续图像中跟踪目标，检查遮挡、误识别和轨迹中断。
●输出轨迹及相关参数，并回到原始图像核对关键变化。
位置表示目标在所设坐标系中的坐标，位移表示相对于参考位置的变化。速度和加速度由位置随时间的变化计算，结果会受到定位误差、采样间隔以及滤波、求导方法的影响。比较不同动作时，应保持坐标系、事件定义和处理方法一致。
1通用运动分析
通用运动分析模块基于标记点、轮廓、纹理块或角点等特征开展识别与跟踪，可输出位移、速度、加速度、角运动及二维或三维轨迹等结果。
在体育研究中，可围绕杠铃、球拍、投掷器械或训练装置上的可识别特征，分析轨迹变化和动作时序。例如，观察提拉过程中杠铃的垂直位移与水平偏移，或比较触球前后拍头的运动变化。
图1 杠铃垂直位移测量
2双目位姿测量
双目位姿模块通过同步图像和双目标定，分析具有可辨识中轴线或关键点的目标在空间中的位置与姿态变化。
对于可近似为刚体的运动器械或试验对象，可评估其在轨迹与方向分析中的适用性。该模块包含空间位置、偏航、俯仰等输出，其中滚转默认为零。
3多目标追踪测量
多目标追踪测量模块面向多个离散目标，通过目标检测、帧间关联和身份保持，形成连续轨迹并计算相关运动参数。
在球类或训练装置试验中，如果需要同时观察多个独立运动目标，可评估该模块的适用性。相机数量、标定方式和目标可见性决定了能够获得二维还是三维结果。
4三维重建
三维重建模块利用同步多视角图像恢复目标的空间形态，可输出点云、网格、三维中心及空间尺寸等信息。
对于需要理解空间变化的科研任务，三维信息能够补充二维画面的局限。具体可获得的结果，取决于相机布局、标定、目标可见性及重建方法。
图2 乒乓球击球试验与轨迹、落点结果
三 哪些体育项目适合引入高速摄像机与REMA运动分析测量软件
是否需要高速摄像机与运动分析软件，取决于研究问题、目标运动速度和所需结果。以下任务可作为方案设计的起点，具体输出仍需结合成像条件与软件模块确认。
四 测量结果怎样用于训练与生物力学研究
1.比较重复动作：将同一运动员的多次动作按触球、出手或离地等共同事件对齐，比较轨迹、速度和阶段时间。试验条件应尽量一致，避免将拍摄角度或坐标变化误认为技术变化。
2.分析动作衔接：围绕准备、加速、接触、随挥等阶段，检查事件间隔及目标运动变化。结合原始画面，可以进一步讨论某一动作调整是否改变了后续过程。
3.观察人与器械的配合：同步记录运动员的可识别特征与器械运动，比较二者的相对位置和时序，为技术分析提供依据。人体特征的选择和解释仍需符合具体研究设计。
4.检查训练调整：围绕明确的训练假设，比较调整前后的运动学参数。一次拍摄中的差异不足以证明训练效果，应结合重复试验和实际运动表现判断。
在生物力学研究中，高速视觉测量主要提供运动学信息。关节力矩、接触力和肌肉力量的分析，通常还需要测力数据、人体参数及相应模型。
千眼狼高速摄像机与REMA可用于记录和分析快速运动过程。需要与测力台、肌电或其他设备联合使用时，应核对采样时间、同步方式和坐标关系，再开展跨数据分析。
五 乒乓球机器人研究带来的应用启示
乒乓球机器人研究中，球的位置、旋转状态与击球动作需要分别观察。追踪球的飞行轨迹，要让球在连续画面中保持可见；分析旋转，需要看清球面特征的变化；研究击球动作，则要覆盖球拍与球接触前后的过程。这些任务对拍摄视角、画面范围和采集速度的要求并不相同，相机布置应围绕具体测量目标确定。
体育训练与生物力学研究也面临类似问题。以乒乓球击球分析为例，可以先聚焦拍头轨迹、挥拍速度或触球前后的运动变化，利用高速摄像机记录关键过程，再通过REMA相应测量模块提取运动学参数。把测量对象和观察范围确定下来，才能让图像中的动作细节成为可用于技术比较和训练讨论的信息。
图3 千眼狼高速摄像机记录的乒乓球试验场景及三维位置。上海理工大学季云峰团队通过高速摄像重建小丘机器人的运动轨迹，为实验研究和吉尼斯世界纪录认证提供视觉数据支持。
六 如何确定适合的测量方案
选择体育科研用高速摄像机和运动分析软件，可以从四个问题开始：
1.测什么？ 明确对象是球体、杠铃、球拍、投掷器械，还是人体上的可识别特征。同时确定特征在运动过程中能否持续观察。
2.记录哪个阶段？ 确定需要记录完整动作，还是触球、离地、出手等短时过程。
3.需要什么结果？ 区分图像回放、二维位移、三维轨迹、速度、角度和刚体姿态。二维平面测量与三维空间测量需要不同的标定和相机配置。
4.怎样使用结果？ 确定主要用于离线科研分析、训练复盘，还是需要进一步开发现场反馈功能。
这些问题会影响帧率、曝光、镜头、相机数量和REMA模块选择。特别是实时反馈，应同时考虑采集、传输、计算与结果输出，不能仅依据高速摄像机帧率判断。
千眼狼（Revealer）高速摄像机与REMA运动分析测量软件，可以围绕快速动作记录、目标运动跟踪和空间参数分析组织方案，把具体动作问题落实为可观察的过程和可复核的参数，使数据服务于训练和科研判断。
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