CN104754271A - 一种无线音频同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线音频同步系统及方法，所述无线音频同步系统，包括同步发射器和同步接收器；所述无线音频同步方法包括如下步骤：步骤一）仪器安装、步骤二）同步点设置、步骤三）设备关闭、步骤四）录像输入、步骤五）图像同步处理、步骤六）文件导出。本发明的同步精度提高显著，提高目前常用测试方法的同步精度1个数量级左右：从10毫秒量级到1毫秒量级。实用性强，对国内目前普遍应用的三维录像解析方法、软硬件基本没有改变。成本低，量产后的音频同步系统成本低，改进/升级现有系统的费用小。易于推广使用，由于是直接针对目前国内现场测试方法所存在的问题设计的解决方案，加上上述优点，适于推广。

Description

一种无线音频同步系统及方法

技术领域

本发明属于运动影响分析领域，尤其涉及一种无线音频同步系统及方法。

背景技术

三维运动影像分析早已被广泛使用在运动生物力学的研究工作中了。在实际测量中，需要从两个或两个以上的不同视角的摄像机的图像中测量出被测物体的二维坐标，然后用直接线性转换（DLT）的方法重建三维运动学数据，即使用DLT将从多台摄像机得到的二维坐标转换为三维坐标。在三维运动影像的测量过程中，保证测量精度、控制误差是非常重要的。在实际测试中，有两部份工作对提高精度、减少误差是起关键作用的，即：

（1）时间同步：不同拍摄角度的运动图像在时间上是同步的；

（2）空间标定：获得准确的图像与实际空间在数学上的对应关系；

通过对国内外目前在使用多台摄像机进行三维录像解析的同步方法进行了解和总结，主要分为以下方法：

（1）同步采集：

同步采集是将具有同步功能的摄像机（如：工业摄像机、专用摄像机及一些专业摄像机）连接起来，以其中一台摄像机为主，同步控制其余的摄像机采集图像采集，实现不同摄像机所采集图像之间的同步，这种同步方法具有很高的同步精度（由系统硬件实时控制，通常精度可达微秒量级）。

通常同步采集在测试中所使用的摄像机必须同步，以确保各摄像机所记录的图像之间没有时间差，这样在使用DLT将从多台摄像机所拍摄图像中分别获得的二维坐标转换为三维空间坐标时，避免时间差引起的测量误差。但在测试现场同步摄像机有许多困难，首先是需要摄像机具有同步功能，然后需要许多长电缆连接摄像机。然而目前在国内大量使用的普通便携手持摄像机不具备同步功能，即便使用带同步功能的摄像机，在测试现场（通常为比赛或训练现场）铺设很长的同步电缆线（有时甚至需要穿越跑道）也是不现实的。

（2）非同步采集：

使用不具备同步功能的普通便携手持摄像机，也就是不同步的摄像机捕捉运动图像以进行DLT三维运动分析，在拍摄现场并不需要额外的显示器和电源，非常方便、省时、省力。但是不同步的图像会带来在时间上不同步的数据，目前常用的一些减少时间差的方法是：使用额外的灯光同步或录像中的特殊事件同步，这些方法虽然简单方便，但同步的精度较差。

下面的例子就是本课题组成员通过实验来分析、计算由不同时间同步误差在经过DLT的计算后，造成三维运动学解析数据误差的研究。通过对自由落体和铁饼投掷的测量，再使用PEAK MOTUS运动分析系统计算的坐标和速度数据进行讨论。首先的例子是自由落体，摄像机的光轴垂直于运动方向，然后再用铁饼的数据作为实际的例子进行讨论。

    假设所有摄像机拍摄的速度差是很小的、可以忽略，从而摄像机的图像之间的时间差是恒定的。首先记录由三个同步摄像机的视频图像，然后将一个或两个摄像机的原始二维坐标在时域中移位、超前或滞后，以模拟摄像机中的图像的时间差。然后将移位后的二维数据通过DLT和Butterworth滤波器计算后，获得三维数据，最后比较时移数据与原始同步数据，计算出同步误差。

    上面自由落体和投掷铁饼的研究结果表明，在使用三台未同步的摄像机进行三维录像解析且摄像机之间的时间差不超过0.01秒时，由图像的不同步造成被测物体三维坐标的误差DX，DY和DZ小于0.1米，DV/ V为约10％。尽管非同步的家用手持摄像机会带来同步误差，但由于价格便宜、使用方便，它们目前还是被广泛的应用在三维录像解析中。研究表明可以用实验的方法事先对由不同步图像造成的测量误差进行评估，而且可以通过下列方法进行控制：（1）尽量减小光轴垂直于运动方向的摄像机的时间误差；（2）使用第三台（多台）摄像机；（3）选择同步事件来控制摄像机的图像之间的时间差。本发明的这部分研究就是要针对使用多台非同步摄像机进行三维录像解析时造成的同步误差，研发出进一步控制和减小这种误差的方法和仪器设备。

目前国内绝大多数在比赛和训练现场采集用于三维解析的录像时，采用的是非同步采集方法中的最接近近画面近似法，即不同摄像机用这种方法采集的原始图像不是同步的，但在图像采集的同时，使用采用闪光或其他特殊事件作为多台摄像机的同步信号，用来查找不同摄像机的录像中最接近同步事件的画面。

图1给出了非同步摄像机录像画面及时间关系，这里：T是录像采集周期（频率=1/T）、DT是单幅画面采集时间、Dt是同步误差。使用方法（1）采集的录像画面Dt很小、基本可以忽略不计，而使用方法（3）采集的录像画面时非同步的，在图像处理时只能根据画面中的同步事件找到各录像画面序列中最接近同步时间发生时刻的画面，使同步误差Dt小于图像采集周期。以常用的、采集周期为20毫秒（频率为50幅/秒）的摄像机为例，这时只能将同步误差控制在20毫秒以内（10毫秒左右）。

非同步采集方法的另外一种方法为插值同步修正法，即不同摄像机用这种方法采集的原始图像不是同步的，但在图像采集的同时，使用图像以外的媒介来准确记录同步信息，然后在进行数据处理时，首先将采集的图像和记录的同步信息放在同一个时间坐标系中，用数据插值的方法，修正和提高时间同步的精度，减少同步误差。这种方法的同步精度可达毫秒或亚毫秒量级。

但是采用哪种媒介信息进行同步；如何使同步信息与原始图像结合；如何确保各摄像机上的同步信息装置同时发出同步信息信号；如何得到更精确的同步结果；如何将同步信息装置小型化、便捷化；如何增加同步摄像机的数量、同步摄像的场地范围有限、同步成本高等，一直是本领域存在的难题。

发明内容

为解决上述问题本发明提供了一种无线音频同步系统及方法。能提高目前常用测试方法的同步精度1个数量级左右：从10毫秒量级到1毫秒量级；装置体积小、使用方便；同步摄像的范围大，可用于同步摄像的摄像机数量不限。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种无线音频同步系统，包括同步发射器和同步接收器，

所述同步发射器内部设有产生射频信号的射频发生模块，射频发生模块产生的射频信号经射频发射模块，传递到将射频信号转化为数字信号的数字信号发生模块；数字信号经同步发射器内的叠加模块载波调制和放大后，形成发射信号，发射信号经发射天线发送到同步接收器；所述同步发射器外部设有发射器开关；

所述同步接收器外部设置有接收发射信号的接收天线；发射信号被接收天线接收放大后，经接收模块传至数字解码模块；发射信号被数字解码模块进行信号解调和数字信号辨别后转化为音频信号，音频信号经音频发生模块进行音频信号选择后，经音频信号输出模块传至外接MIC。

进一步的改进，所述发射器开关为两个，分别为低频开关和高频开关；启动不同的开关时所产生音频信号频率不同。

进一步的改进，所述发射信号的频率为315MHz，低频开关启动时音频信号频率为1000Hz，高频开关启动时音频信号频率为2000Hz。

进一步的改进，所述同步发射器和同步接收器均设有电源。

一种无线音频同步方法，包括如下步骤：

步骤一）仪器安装：准备若干带Mic输入功能的摄像机，将摄像机架设安装好后，每个摄像机的旁边放置外接MIC的同步接收器；

步骤二）同步点设置：开启同步接收器和摄像机，在需要设置同步的时间点短暂开启同步发射器发射摄像同步信号；

步骤三）设备关闭：拍摄结束后关闭摄像机和无线音频同步系统；

步骤四）录像输入：将录取的摄像分别输入计算机，形成若干音像数据文件；

步骤五）图像同步处理：将图像进行同步处理，包括如下步骤：

5-1将音像数据文件放入音像同步处理软件，在各音像数据文件中找到同步信号出现的画面，删除同步信号出现之前的画面；

5-2将各音像数据文件从头对齐，改变各音像数据文件的播放速度以其中一个音像数据文件为基准音像数据文件对其它音像数据文件进行图像插值，找到被插值的音像数据文件中同步信号位置与基准音像数据文件相同或最接近的画幅；删除所述画幅之前的画面；

5-3.根据分析需要确定基准音像数据文件的长度，裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分，对齐裁剪后的音像数据文件，然后恢复各音像数据文件的播放速度；

步骤六）文件导出：将裁剪后的音像数据文件分别导出，即得到同步的音像数据文件。

进一步的改进，所述步骤二中，在拍摄结束的时间点短暂开启同步发射器发射与摄像同步信号频率不同的摄像结束信号。

进一步的改进，所述步骤5-3中，根据摄像结束信号裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分。

本发明的优点：

（1） 同步精度提高显著。提高目前常用测试方法的同步精度1个数量级左右：从10毫秒量级到1毫秒量级；

（2） 实用性强。对国内目前普遍应用的三维录像解析方法、软硬件基本没有改变；

（3） 成本低。量产后的音频同步系统成本低，改进/升级现有系统的费用小；

（4） 易于推广使用。由于是直接针对目前国内现场测试方法所存在的问题设计的解决方案，加上上述优点，适于推广。

附图说明

图1非同步摄像机录像画面及时间关系示意图；

图2实施例1的结构示意图；

图3无线音频同步系统的设计原理示意图；

图4同步发射器的程序流程示意图；

图5同步接收器的程序流程示意图；

图6同步接收器的现场安装示意图；

图7录像同步处理的简化流程框图；

图8音频同步信号示意图；

图9同步处理原理示意图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示的一种无线音频同步系统，包括同步发射器1和同步接收器2，

所述同步发射器1内部设有产生射频信号的射频发生模块11，射频发生模块11产生的射频信号经射频发射模块12，传递到将射频信号转化为数字信号的数字信号发生模块13；数字信号经同步发射器1内的叠加模块14载波调制和放大后，形成发射信号，发射信号经发射天线15发送到同步接收器2；所述同步发射器1外部设有发射器开关16；

所述同步接收器2外部设置有接收发射信号的接收天线21；发射信号被接收天线21接收放大后，经接收模块22传至数字解码模块23；发射信号被数字解码模块23进行信号解调和数字信号辨别后转化为音频信号，音频信号经音频发生模块24进行音频信号选择后，经音频信号输出模块25传至外接MIC26。

所述发射器开关16为两个，分别为低频开关161和高频开关162；启动不同的开关时所产生音频信号频率不同。所述发射信号的频率为315MHz，低频开关161启动时音频信号频率为1000Hz，高频开关162启动时音频信号频率为2000Hz。所述同步发射器1和同步接收器2均设有电源。

本实施例的无线音频同步系统的设计原理如图3所示； 同步发射器和同步接收器的程序流程分别如图4和图5所示。

本实施例制作的无线音频同步系统参数如下：

1．         无线同步信号精度：优于0.1毫秒。

2．         无线同步范围：不小于200米。

3．         同步摄像机数量：不限。

4．         无线载频频率：315MHz。

5．         音频同步信号频率：双频，1KHz和2KHz。

6．         同期现场录音：集成麦克风。

7．         无线同步信号发射器尺寸：（12厘米）X（4厘米）X（1厘米）。

8．         无线同步信号发射器重量：（10克）。

9．         无线同步信号接收器尺寸：（13厘米）X（7厘米）X（4.5厘米）。

10．      无线同步信号接收器重量：（20克）。

实施例2

一种无线音频同步方法，包括如下步骤：

步骤一）仪器安装：准备若干带Mic输入功能的摄像机3，将摄像机3架设安装好后，每个摄像机的旁边放置外接MIC26的同步接收器，如图6所示；

步骤二）同步点设置：开启同步接收器2和摄像机3，在需要设置同步的时间点短暂开启同步发射器发射摄像同步信号1；在拍摄结束的时间点短暂开启同步发射器发射1与摄像同步信号频率不同的摄像结束信号；

步骤三）设备关闭：拍摄结束后关闭摄像机3和无线音频同步系统；

步骤四）录像输入：将录取的摄像分别输入计算机，形成若干音像数据文件；

步骤五）图像同步处理：将图像进行同步处理，如图7所示包括如下步骤：

5-1.将音像数据文件放入音像同步处理软件，在各音像数据文件中找到同步信号出现的画面，删除同步信号出现之前的画面；

5-2.将各音像数据文件从头对齐，改变各音像数据文件的播放速度以其中一个音像数据文件为基准音像数据文件对其它音像数据文件进行图像插值，找到被插值的音像数据文件中同步信号位置与基准音像数据文件相同或最接近的画幅；删除所述画幅之前的画面；

5-3. 根据分析需要确定基准音像数据文件的长度，裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分，对齐裁剪后的音像数据文件，然后恢复各音像数据文件的播放速度；根据摄像结束信号裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分；

步骤六）文件导出：将裁剪后的音像数据文件分别导出，即得到同步的音像数据文件。

本发明所述的音频同步方法原理如图8和图9所示，具体来说是利用摄像机的音频（麦克风输入）功能，将同步的音频电压信号连续地记录下来，用来对同步误差进行修正。如图8是单声道音频同步信号示意图，两个时间轴分别表示音频同步信号在两台摄像机所录音频轨迹中的位置，方框表示它们的其实录制位置，通常它们距录制起始点的位置是不同的，所以需要平移同步处理。

图9是同步处理原理示意图，其中图的上下半部各分别是两台摄像机同步记录的、各自的视频和音频信号。其中长的黑色填充框表示摄像机采集的原始图像，可以看到由于非同步拍摄的原因，两摄像机音频同步信号与原始帧的相对位置是不同的。为了减小同步误差，对摄像机2的录像进行插值，这里用较短的无色填充框和点状填充框来表示插值的帧。同步处理就是将音频同步信号与图像帧的相对位置与摄像机1一致的无色填充框的图像帧平行移动至与摄像机1的原始帧对齐，剪裁后的录像片段就是同步的了。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1. 一种无线音频同步系统，包括同步发射器（1）和同步接收器（2），其特征在于，

所述同步发射器（1）内部设有产生射频信号的射频发生模块（11），射频发生模块（11）产生的射频信号经射频发射模块（12），传递到将射频信号转化为数字信号的数字信号发生模块（13）；数字信号经同步发射器（1）内的叠加模块（14）载波调制和放大后，形成发射信号，发射信号经发射天线（15）发送到同步接收器（2）；所述同步发射器（1）外部设有发射器开关（16）；

所述同步接收器（2）外部设置有接收发射信号的接收天线（21）；发射信号被接收天线（21）接收放大后，经接收模块（22）传至数字解码模块（23）；发射信号被数字解码模块（23）进行信号解调和数字信号辨别后转化为音频信号，音频信号经音频发生模块（24）进行音频信号选择后，经音频信号输出模块（25）传至外接MIC（26）。

2.如权利要求1所述的无线音频同步系统，其特征在于，所述发射器开关（16）为两个，分别为低频开关（161）和高频开关（162）。

3.如权利要求2所述的无线音频同步系统，其特征在于，所述发射信号的频率为315MHz，低频开关（161）启动时音频信号频率为1000Hz，高频开关（162）启动时音频信号频率为2000Hz。

4.如权利要求1所述的无线音频同步系统，其特征在于，所述同步发射器（1）和同步接收器（2）均设有电源。

5.一种无线音频同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一）仪器安装：准备若干带Mic输入功能的摄像机，将摄像机架设安装好后，每个摄像机的旁边放置外接MIC的同步接收器（2）；

步骤二）同步点设置：开启同步接收器（2）和摄像机，在需要设置同步的时间点短暂开启同步发射器（1）发射摄像同步信号；

步骤三）设备关闭：拍摄结束后关闭摄像机和无线音频同步系统；

步骤四）录像输入：将录取的摄像分别输入计算机，形成若干音像数据文件；

步骤五）图像同步处理：将图像进行同步处理，包括如下步骤：

5-1将音像数据文件放入音像同步处理软件，在各音像数据文件中找到同步信号出现的画面，删除同步信号出现之前的画面；

5-2将各音像数据文件从头对齐，改变各音像数据文件的播放速度以其中一个音像数据文件为基准音像数据文件对其它音像数据文件进行图像插值，找到被插值的音像数据文件中同步信号位置与基准音像数据文件相同或最接近的画幅；删除所述画幅之前的画面；

5-3.根据分析需要确定基准音像数据文件的长度，裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分，对齐裁剪后的音像数据文件，然后恢复各音像数据文件的播放速度；

步骤六）文件导出：将裁剪后的音像数据文件分别导出，即得到同步的音像数据文件。

6.如权利要求5所述的无线音频同步方法，其特征在于，所述步骤二）中，在拍摄结束的时间点短暂开启同步发射器（1）发射与摄像同步信号频率不同的摄像结束信号。

7.如权利要求6所述的无线音频同步方法，其特征在于，所述步骤5-3中，根据摄像结束信号裁剪并清除所有音像数据文件尾部不需要的部分。