Більшість спортивних рухів мають складну структуру і не можуть розглядатися тільки в одній (фронтальної) площині, перпендикулярній оптичної осі. При цьому спроба вивчення кінематики рухів, що виходять з цієї площини, не несе об'єктивної інформації. Системи відеоаналізу кінематики, що дозволяють аналізувати рух в 3-х вимірах, в основі яких лежить використання двох і більше камер і складного програмного забезпечення, недоступні більшості російських дослідників. Для вирішення практичних завдань спортивної біомеханіки є доцільним створення і застосування алгоритму реконструкції просторових рухів на основі площинних координат, отриманих в результаті однокамерною відеозйомки.

Анотація наукової статті за медичними технологіями, автор наукової роботи - Померанцев Андрій Олександрович, Коршиков В. М., Воробйов Г. А.


Investigating the kinematics of a person's movements with the help of movements capture system with one video camera one often faces the problem of its limited potentialities. Most sport movements have a complicated structure and can not be viewed only in one (frontal) plane perpendicular to the optical axis. In this case the attempt to study the kinematics of the movements, going beyond this plane, does not carry objective information. Kinematics video analysis systems which make it possible to analyze a movement in 3 dimensions, based on the use of two or more cameras and highly sophisticated software are still unavailable to most Russian researchers. To solve the practical problems of sport biomechanics it is advantageous to create and apply the algorithm of the reconstruction of spatial movements on the basis of plane coordinates, obtained as a result of one camera video shoot.


Область наук:
  • Медичні технології
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Вісник спортивної науки

    Наукова стаття на тему 'Алгоритмизация реконструкції просторових координат для кінематичного аналізу техніки спортивних рухів, що виходять з фронтальній площині, з використанням однієї відеокамери'

    Текст наукової роботи на тему «Алгоритмізація реконструкції просторових координат для кінематичного аналізу техніки спортивних рухів, що виходять з фронтальній площині, з використанням однієї відеокамери»

    ?Алгоритмізація РЕКОНСТРУКЦІЇ ПРОСТОРОВИХ КООРДИНАТ ДЛЯ кінематичний аналіз ТЕХНІКИ СПОРТИВНИХ ЗМАГАНЬ, ВИХОДЯТЬ ІЗ ПЕРЕДНІМ ПЛОЩИНІ, З ВИКОРИСТАННЯМ

    ОДНІЄЇ ВІДЕОКАМЕРИ

    А.А. ПОМЕРАНЦЕВ, В.М. Коршиков, Г.А. ВОРОБЙОВ, Липецький державний педагогічний університет

    анотація

    Більшість спортивних рухів мають складну структуру і не можуть розглядатися тільки в одній (фронтальної) площині, перпендикулярній оптичної осі. При цьому спроба вивчення кінематики рухів, що виходять з цієї площини, не несе об'єктивної інформації. Системи відеоаналізу кінематики, що дозволяють аналізувати рух в 3-х вимірах, в основі яких лежить використання двох і більше камер і складного програмного забезпечення, недоступні більшості російських дослідників. Для вирішення практичних завдань спортивної біомеханіки є доцільним створення і застосування алгоритму реконструкції просторових рухів на основі площинних координат, отриманих в результаті однокамерною відеозйомки.

    Ключові слова: спортивна техніка, кінематичний аналіз, просторові координати, біомеханіка руху.

    Abstract

    Investigating the kinematics of a person's movements with the help of movements capture system with one video camera one often faces the problem of its limited potentialities. Most sport movements have a complicated structure and can not be viewed only in one (frontal) plane perpendicular to the optical axis. In this case the attempt to study the kinematics of the movements, going beyond this plane, does not carry objective information. Kinematics video analysis systems which make it possible to analyze a movement in 3 dimensions, based on the use of two or more cameras and highly sophisticated software are still unavailable to most Russian researchers. To solve the practical problems of sport biomechanics it is advantageous to create and apply the algorithm of the reconstruction of spatial movements on the basis of plane coordinates, obtained as a result of one camera video shoot.

    Keywords: sport technique, kinematic analysis, spatial coordinates, movement biomechanics.

    1. Визначення площинних координат з використанням спеціально розроблених програм видеозахвата руху

    В даний час існує досить велика кількість програмних продуктів, що дозволяють проводити безконтактне дослідження кінематики рухів людини за аналізом відеоряду в одній площині [3].

    В основі таких відеоаналізірующіх систем лежить алгоритм розпізнавання світлоповертаючих маркерів, прикріплених до цікавлять опорних точок на тілі спортсмена. При цьому комп'ютерна програма визначає координати маркерів і зберігає їх в пам'яті відповідно до моментами часу.

    У нашому дослідженні була використана вітчизняна розробка - програмно-апаратний комплекс Star Trace, який має одну високошвидкісну камеру Fastec InLine з максимальною частотою зйомки до 1000 кадр. / С і дозволяє визначати координати точок в площині XOY в автоматизованому режимі.

    Як приклад використання алгоритму було вибрано бистропротекающее рух ударного типу -прямий удар рукою в боксі, який має явно просторову структуру і виходить з однієї площини (рис. 1). При цьому для стислості викладу в статті

    наводиться табличний і графічний матеріал тільки для руху в найбільш значущу - ліктьовому суглобі.

    Рух в ліктьовому суглобі описує переміщення трьох точок, зафіксованих на тілі спортсмена (рис. 1):

    - плечовий суглоб (точка 1);

    - ліктьовий суглоб (точка 2);

    - променезап'ястковий суглоб (точка 3).

    Відеозйомка руху проводилася з частотою

    250 кадрів в секунду.

    Після виконання відеозйомки і використання програмно-апаратного комплексу Star Trace нами було отримано первинний матеріал для аналізу - координати 3-х шуканих точок в площині XOY (стовпці 1-6 розрахункової таблиці).

    Єдиною метою цієї роботи було покроково продемонструвати алгоритм реконструкції просторових координат, і тому докладний аналіз техніки прямого удару рукою, виконаний кандидатом в майстри спорту з боксу Шуляком В., в статті не наводиться.

    Знаходження координат z для розглянутих точок

    Основне завдання при аналізі просторової структури руху зводиться до визначення значень координати z для розглянутих точок.

    а

    Ц \: | \ 11 \

    і-ІМТ і-5 * 1 .. --9,1

    • • • • •

    К - ГчГ До -ТІР'ІЧ

    21 '25 | 29' 33 '37

    Відстань між двома точками в просторі визначається формулою [2]:

    d = ^ (х2 - х,) 2 + (у2 - У,) 2 + (z2 - z,) 2- (1)

    Таким чином, для перетворення координат з 2Б-уявних в 3Б-просторові у нас є всі необхідні змінні, за винятком відстані d і координат z, і z2.

    У своїй роботі ми вводимо допущення, що ланки розглянутої біокінематичні ланцюга є абсолютно твердими тілами, позбавленими деформації, тобто відстань між точками є постійною величиною (d = const).

    Відстань між точками d визначається інструментально або безконтактно з допомогою програми відеоаналізу руху. При визначенні довжини ланок у другому випадку важливо, щоб точки знаходилися строго в площині, перпендикулярній оптичної осі. Якщо ланка кінематичного ланцюга не виходить з фронтальній площині, тоді координати z, = z2 = 0 і формула (1) набуває такого вигляду:

    d = V (x2 - х,) 2 + (у2 - у,) 2. (2)

    В ході розрахунку отримані наступні значення: d "= 0,250 м - відстань між точками! і 2;

    d

    = 0,296 м - відстань між точками 2 і 3.

    Для застосування формули (!) Необхідно одну з точок з координатою z, = 0 розглядати в якості центру репера (точки відліку), тобто вважати її лежить у вихідній фронтальній площині (стовпець 7 розрахункової таблиці). У нашому випадку доцільно в якості точки відліку розглядати маркер, відповідний плечового суглобу. Ось OZ вибираємо паралельно оптичної осі камери. Таким чином, координати точки, на першому кадрі відеоряду в метрах рівні (,, 490; ,, 480; 0).

    Шукана координата z2 визначається за формулою:

    | Z2 | = V d2 - (х2 - х,) 2 + (у2 - у,) 2. (3)

    Підставляючи наявні величини, отримуємо координату точки 2 (ліктьовий суглоб) на першому кадрі, z2 = 0,077 м. Для того, щоб відобразити напрямок зсуву від фронтальної площини XOY, необхідно розглядати від'ємне значення z2, тому що точка 2 зміщується у напрямку до спостерігача, тобто, згідно з розрахунком, вона розташована ближче на 0,077 м, ніж точка ,.

    Використовуючи вираз 3 в програмі MS EXCEL, знаходимо послідовно координати z2 для всіх 200 кадрів розглянутого відеоряду (стовпець 8 розрахункової таблиці).

    Для визначення координат z3 точки 3 (променезап'ястковий суглоб) необхідно повторити процедуру розрахунку; відмінність тільки в тому, що в якості точки відліку необхідно взяти точку 2, беручи z2 = 0.

    Так як точка 3 (променезап'ястковий суглоб) розташовується далі від спостерігача, ніж точка 2, слід залишити у координати z3 mm позитивний знак (стовпець 9 розрахункової таблиці). Для визначення координати z3a6c щодо першої системи координат (центр - точка,) необхідно значення координат z2 і z3 отн скласти. Значення z3 а6с представлені в стовпці Ю розрахункової таблиці.

    Визначення реального просторового кута в суглобі

    Розглянемо відкриту кінематичний ланцюг верхньої кінцівки, що складається з двох ланок і трьох точок в якості різнобічного непрямокутних трикутника. Дві з трьох сторін: d = 0,250 м, ^, = 0,296 м - є константами, а - рас-

    пребплечье '' 1

    Відстань між точкою 1 і крапкою 3 - є змінною величиною і залежить від кута в ліктьовому суглобі. Величина визначається за вихідній формулі (1) і представлена ​​в стовпці 11 розрахункової таблиці.

    Згідно з теоремою косинусів [2], маємо співвідношення:

    = Ь2 +

    2bc •

    (4)

    Для знаходження реального просторового кута а в ліктьовому суглобі підставляємо вихідні дані в співвідношення (4), яке набуває такого вигляду:

    а = arccos

    d2 + d2

    + d2

    2.d2 .d2

    плече передпліччя

    (5)

    Використовуючи MS Excel для розрахунків, слід пам'ятати, що програма повертає величину кута в радіанах. Для перетворення величини кута в градуси необхідно її додатково помножити на величину ^. Реальні значення кута в градусах представлені в стовпці, 2 розрахункової таблиці.

    4. Результати та обговорення

    Різними авторами неодноразово зазначалося, що двовимірне площинне зображення, отримане з використанням однієї камери, є лімітуючим фактором при дослідженні просторових тривимірних рухів людини, а більш потужні багатокамерні відеограмметріческіе методи є надзвичайно складними і дорогими [2].

    Найбільш раціональним способом в такій ситуації є дослідження складних тривимірних рухів людини (рис.,) З використанням алгоритму реконструкції просторових рухів на основі первинних площинних координат, отриманих за допомогою однокамерного апаратно-програмного відеокомплексу.

    Алгоритм реконструкції просторових координат зводиться до виконання наступних операцій (кроків):

    ,. Інструментальне або програмне визначення довжини кінематичних ланок.

    2. Визначення площинних координат шуканих точок на відеокадрі.

    3. Визначення аплікат (координат z) для шуканих точок.

    4. Визначення реальних кутів в даному суглобі.

    Особливою вимогою при відеозйомці є оптимальна відстань до досліджуваного об'єкта, використання довгофокусного об'єктива з метою зниження перспективних і кутових спотворень, а також вибір достатніх значень часу експозиції і частоти кадрів.

    а

    а

    c

    cosa.

    плечі

    - 0,6 -0,4 -0,2

    0,2

    2.4 2,2 2 1,8 1,6

    1.4 1,2

    0,4

    0,6

    Мал. 2. Реконструкція просторової структури техніки виконання прямого удару: а - у фронтальній площині ХОУ (вид зверху); б - в горизонтальній площині XOZ (вид зверху); в - в сагітальній площині ZOY (вид спереду); г - порівняння уявних (2Б) і реальних (ЗІ) кутів в ліктьовому суглобі

    Теорія і методика спорту вищих досягнень

    Представлений алгоритм значно розширює можливості однокамерних апаратно-програмних біомеханічних комплексів. Однак він не може в повній мірі замінити багатоінсценує просторовий аналіз, тому що при повному обертанні тіла або сегмента тіла точки стають невидимими для спостерігача і однокамерною аналізує системи. Тому додатковою вимогою є те, що маркери точок повинні залишатися видимими протягом усього відеоряду.

    На рис. 2 (а, б, в) показано рух в ліктьовому суглобі в трьох взаємно площинах, з якого видно, що удар не може бути проаналізований з використанням однокамерного біомеханічного відеокомплексу в одній площині без реконструкції координат 7. Аналіз спортивної техніки із застосуванням представленого алгоритму значно розширює віз-

    можности дослідника, дозволяючи врахувати всі нюанси просторової структури руху.

    Мал. 2 (г) свідчить про відмінність уявних кутів, розрахованих по плоскій «картинці», і реальних просторових кутів. Реальні кути значно менше спостережуваних кутів. Це неважко пояснити, тому що зігнута в ліктьовому суглобі рука під кутом 90 ° і повернена в площині так, щоб всі три точки розташовувалися на одній прямій, дає кут 180 °.

    Складність розрахунків, яка полягає у виконанні великого числа однотипних математичних операцій, легко подолати за допомогою сучасної обчислювальної техніки і програмних засобів. Найбільш доцільним є доповнити вже існуючі програмні продукти для однокамерного біомеханічного аналізу рухів подібним алгоритмом.

    розрахункова таблиця

    Номер кадру Плечовий суглоб (горизонталь) в а) ть? ^ Уа ст 5§ 1 - 2 єї тр до про ^ Ч Променевозап'ястний суглоб (горизонталь) й) ь ов л а ЛСР До? Ліктьовий суглоб (вертикаль) Променевозап'ястний суглоб (вертикаль) в а т у й т ° 5 чс л (П ліктьовий суглоб (сагітталь) Променевозап'ястний суглоб (сагітталь) Відстань між точками 1 і 3, м Реальний кут, градуси Уявний кут, градуси

    Координати точок, м

    хі Х2 Х3 УІ У2 Уз 71 72 7 3 (отн) 7 3 (абс)? 3 "майорів а уявно

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    1 1,49 1,58 1,79 1,48 1,26 1,44 0 -0,08 0,11 0,03 0,30 67,03 69,71

    5 1,49 1,58 1,79 1,48 1,26 1,44 0 -0,08 0,11 0,03 0,30 67,03 68,65

    9 1,49 1,57 1,78 1.49 1.26 1,44 0 -0,06 0,11 0,05 0,30 65,60 68,65

    13 1.49 1,57 1,78 1,49 1,26 1,44 0 -0,06 0,11 0,05 0,30 65,60 68,65

    17 1,49 1,58 1,78 1,49 1,26 1,44 0 -0,04 0,12 0,08 0,31 67,62 69,02

    21 1,49 1,58 1,79 1,49 1,26 1,44 0 -0,04 0,11 0,07 0,31 68,94 69,63

    25 1,49 1,58 1,79 1,48 1,26 1,44 0 -0,08 0,11 0,03 0,30 67,03 67,98

    29 1,5 1,58 1.79 1,48 1,26 1,44 0 -0,09 0,11 0,02 0,29 64,32 67,98

    33 1,5 1,59 1,79 1,48 1,25 1,44 0 -0,04 0,11 0,07 0,30 66,20 68,1

    37 1,51 1,6 1,8 1,48 1,25 1,44 0 -0,04 0,11 0,07 0,30 66,20 67,06

    41 1,52 1,61 1,8 1,47 1,25 1,44 0 -0,08 0,12 0,05 0,29 62,36 66,8

    45 1,53 1,62 1,81 1,47 1,25 1,44 0 -0,08 0,12 0,05 0,29 62,36 67,12

    49 1,55 1,65 1,83 1,47 1,25 1,45 0 -0,06 0,12 0,06 0,29 62,73 65,12

    53 1,59 1,68 1,85 1,48 1,26 1,46 0 -0,08 0,14 0,06 0,27 57,92 60,37

    57 1,65 1,73 1,88 1,5 1,27 1,48 0 -0,06 0,15 0,09 0,25 53,04 56,46

    61 1,7 1,8 1,93 1,51 1,3 1,5 0 -0,09 0,18 0,08 0,25 52,49 58,36

    Номер кадру Плечовий суглоб (горизонталь) Ліктьовий суглоб (горизонталь) Променевозап'ястний суглоб (горизонталь) й) ь ов л ва * До% Ліктьовий суглоб (вертикаль) Променевозап'ястний суглоб (вертикаль) Плечовий суглоб (сагітталь) в а т) у u «й т про е S * еа а 3 про (Ло Променевозап'ястний суглоб (сагітталь) Відстань між точками 1 і 3, м Реальний кут, градуси Уявний кут, градуси

    Координати точок, м

    xi Х2 Х3 УІ У2 Уз zi Z2 Z3 (отн) z 3 (абс)? з а реал а уявно

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    65 1,77 1,88 2 1,54 1,34 1,52 0 -0,10 0,20 0,10 0,25 54,09 63,62

    69 1,83 1,97 2,09 1,57 1,39 1,55 0 -0,10 0,22 0,12 0,29 62,33 76,95

    73 1,89 2,05 2,19 1,59 1,45 1,58 0 -0,13 0,23 0,09 0,31 69,80 94,27

    77 1,95 2,13 2,31 1,62 1,51 1,61 0 -0,13 0,21 0,08 0,37 84,45 118,7

    81 1,99 2,2 2,44 1,63 1,56 1,62 0 -0,12 0,16 0,05 0,45 111,63 144,8

    85 2,03 2,25 2,53 1,64 1,61 1,64 0 -0,11 0,09 -0,02 0,50 132,66 166,8

    89 2,04 2,24 2,53 1,65 1,61 1,66 0 -0,14 0,03 -0,11 0,50 133,76 160,2

    93 2,04 2,24 2,52 1,64 1,61 1,68 0 -0,15 0,07 -0,08 0,49 126,61 160,8

    97 2,04 2,24 2,52 1,64 1,62 1,7 0 -0,15 0,05 -0,09 0,49 128,80 158,4

    література

    1. Бернштейн Н.А. Вибрані праці з біомеханіки і кібернетики / Ред.-упоряд. М.П. Шестаков. - М .: Спорт-АКАДЕМПРЕС, 2001. - 296 с. (Класичне наукова спадщина. Фізична культура).

    2. Довідник з математики / І.М. Бронштейн, К.А. Семендяев - М .: Гос. вид-во техніко-теоретичної літератури, 1957. - 608 с.

    3. Сучілін Н.Г., Аркаєв Л.Я., Савельєв В.С. Педагогікобіомеханіческій аналіз техніки спортивних рухів на основі програмно-апаратного відеокомплексу // Теорія і практика фізичної культури. - 1996. - № 4.


    Ключові слова: СПОРТИВНА ТЕХНІКА / Кінематичний АНАЛІЗ / ПРОСТОРОВІ КООРДИНАТИ / Біомеханіка РУХУ / SPORT TECHNIQUE / KINEMATIC ANALYSIS / SPATIAL COORDINATES / MOVEMENT BIOMECHANICS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити