Применение трехмерной методики регистрации локомоций в видах спорта с большой длиной шага (на примере бега на коньках)

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СПОРТА

ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МЕТОДИКИ РЕГИСТРАЦИИ ЛОКОМОЦИЙ В ВИДАХ СПОРТА С БОЛЬШОЙ ДЛИНОЙ ШАГА

А.В. ВОРОНОВ, Ю.С. ЛЕМЕШЕВА,

ВНИИФК;

Государственный научный центр «Институт медико-биологических проблем» РАН

Аннотация

Разработана методика высокоскоростной трехмерной видеосъемки, позволяющая зарегистрировать линейные и угловые характеристики в видах спорта с большой длиной шага (5-15 м). Суть метода сводится в последовательной постановке нескольких видеокамер (3-х и более) вдоль дорожки таким образом, чтобы каждая соседняя пара камер образовывала бинокулярное поле. Видеокамеры подсоединены к компьютерам, объединенным в локальную сеть. Синхронизация включения камер осуществляется внешним триггером. Наличие кинематики звеньев тела спортсменов по трем осям инерциального базиса создает условия для применения современных методов биомеханического анализа двигательных действий спортсменов, таких, как «решение обратной задачи динамики» и имитационное моделирование.

Ключевые слова: конькобежный спорт, биомеханический анализ, оптико-электронный комплекс.

Abstract

Method for high-speed three-dimensional video recording which allows to register angular and linear characteristics in sports with long stride (5-15 m) has been developed.

Its includes consecutive row of three or more cameras along track, so two adjacent cameras form binocular view. These cameras are connected to computers forming local network. Their synchronization performed by external trigger. Use of athlete’s body segments dynamics on three axes of inertial basis gives possibilities to apply modern methods for biomechanical analysis of athlete locomotions, such, as solution of inverse dynamics task and imitation modeling.

Key words: skating, biomechanical analysis, optoelectronic complex

Введение

В России биомеханические исследования в конькобежном спорте проводились в 70-80-е годы прошлого века. За прошедшие годы значительно выросли результаты, изменился спортивный инвентарь конькобежцев. Биомеханические исследования, проводимые голландскими специалистами, носили фрагментарный характер и в основном были связаны с изучением кинематики коньков новой конструкции [1-6]. Трудности, связанные с изучением техники бега на коньках, связаны с тем, что длина шага у конькобежца достигает 12-15 м. Программные алгоритмы, реализованные в зарубежных оптико-электронных комплексах, позволяют зарегистрировать трехмерную кинематику с приемлемой точностью в бинокулярном поле размером не более 3-4 м.

С целью определения кинематики в трех фазах шага конькобежца - свободном прокате, одноопорном

и двухопорном отталкиваниях - необходимо разработать алгоритм расчета кинематических характеристик в видах спорта с большой длиной шага. В оптико-электронном комплексе «Видеоанализ-3D» присутствует такой алгоритм кроме «стандартных» способов расчета трехмерных координат. Реализация этого алгоритма применительно к бегу на коньках позволила получить линейные и угловые характеристики движения при беге со старта, на прямой и повороте. Знание линейных и угловых параметров современной техники бега на коньках вносит определенный вклад в представления о механизмах функционирования двигательной системы спортсменов во время выполнения соревновательных двигательных действий. Полученные результаты имеют значение для развития теоретических представлений о причинах изменений пространственно-временной структуры сложнокоординационных двигательных действий на примере конькобежного спорта.

Медико-биологические проблемы спорта

31

Методика исследования

Контингент испытуемых. В эксперименте приняли участие 75 конькобежцев различной квалификации, в том числе члены сборной России по конькобежному спорту, основной и молодежный составы. Регистрацию трехмерной кинематики бега на коньках проводили во время тренировочных занятий (июль - октябрь 2010 г.) и в условиях соревнований: открытый Кубок Москвы на призы Н. Струнникова и отборочные соревнования на Кубки мира (г. Коломна).

Программа исследований. Спортсмены пробегали на прямой, со старта и по повороту 3-4 раза на разных скоростях: 11-11,5 и 13-16 м/с. Длительность регистрации составила 3-6 с. Частота регистрации кинематических параметров для бега по повороту и прямой составляла 60 кадров в секунду (60 Гц), для старта - 100 кадров (100 Гц).

Аппаратная составляющая оптико-электронного комплекса, применяемого для регистрации трехмерной кинематики бега на коньках. Для реализации целей и задач исследования был использован оптико-электронный комплекс «Видеоанализ-3D», позволяющий регистрировать биомеханические параметры движения в видах спорта с большой длиной шага (рис. 1). Состав системы: два персональных компьютера, соединенные в сеть; шесть черно-белых камер типа «Basler A601f» и «Basler A602f» для регистрации видеоизображений с последующим сохранением в виде файлов формата AVI без программного сжатия; специализированные средства освещения; фотографические фоны для уменьшения бликов от ламп дневного освещения и льда; тест-объект; комплект сферических маркеров (диаметр меток 25 мм).

Рис. 1. Комплекс «Видеоанализ-ЗО».

Верхние фотографии - фрагменты экспериментального исследования бега на повороте и прямой. Нижние фотографии - камеры, средства освещения, калибровочный тест-объект

32

Медико-биологические проблемы спорта

Управление шестью камерами осуществляли с использованием локальной сети, состоящей из головного и подчиненного компьютеров. Одновременное включение камер осуществляется по команде от головного компьютера с использованием генератора синхроимпульсов платы NI PCI-6071E (производство США).

Светоотражающие маркеры - форма, расположение и способ крепления. Для определения кинематических характеристик локомоций (координаты и их производные) на спортсмена ставили маркеры. Положение маркеров ориентировано относительно различных анатомо-биомеханических образований, таких, как мыщелки, костные выступы, центры вращения в суставах. Маркеры были выполнены в виде усеченного шарика (полого внутри), покрытого световозвращающей бумагой (типа Solaris производства США). С усеченной стороны в шарик вставлена кнопка-клипса, обеспечивающая надежную фиксацию маркера на комбинезоне с помощью стандартного электрокардиографического электрода. Для усиления контрастности метки на кардиографический электрод наклеивали бумажное кольцо черного цвета, что исключало появление бликов в области крепления маркера к сегментам тела спортсмена.

Маркеры располагали на правой половине тела:

- на голове - в центре височной области;

- маркер на плечевом суставе устанавливали по вертикали на уровне клювовидного отростка;

- на локтевой сустав маркер ставили на латеральный мыщелок плечевой кости;

- маркер на кисти устанавливали в центре тыльной поверхности кисти;

- на тазобедренном суставе - в области латеральной проекции наиболее выступающей части большого вертела;

- маркер на голеностопный сустав устанавливали на латеральной лодыжке таким образом, чтобы нижний край метки находился на одном уровне с нижним краем латеральной лодыжки;

- маркер плюснефалангового сустава устанавливали на пятую плюсневую кость посередине плюснефалангового сустава пятого пальца стопы (латеральная проекция).

Особенности регистрации кинематических параметров бега на коньках. Регистрацию кинематических параметров бега на коньках проводили с правой половины тела. Линейную и угловую кинематику рассчитывали в правой системе координат. Ось YH направлена вдоль направления движения конькобежца (вправо, если смотреть на спортсмена снаружи круга). Ось XH направлена наружу круга. Ось Zu перпендикулярна первым двум осям и направлена вертикально вверх (так, как показано на рис. 2). Видеокамеры, располагали последовательно снаружи и вдоль беговой дорожки (рис. 1). В отличие от легкоатлетических локомоций (бег, ходьба и прыжки) при беге на коньках имеют место значительные поперечные перемещения сегментов тела. По этой причине камеры устанавливали таким образом, чтобы каждая пара соседних камер образовывала бинокулярное поле1, что позволяет рассчитать для каждого маркера на теле спортсмена трехмерные координаты1 2.

Рис. 2. Метки на теле спортсмена и правая инерциальная система координат XHYHZH, используемая при расчете кинематических параметров бега на коньках.

Положение инерциальной системы координат связанно с линией разметки дорожки

1 При бинокулярном поле объект съемки виден одновременно минимум двумя соседними камерами.

2 Применение неметрологических регистрирующих устройств (т.е. камер без внутренней системы ориентации) создает определенные трудности в использовании программного и аппаратного обеспечения, применяемого в стереофотограмметрии. В 1971 г. Y.I. Abdel-Aziz, H.M. Karara [7] разработали метод, позволяющий применять стереофотограмметрические алгоритмы к неметрологическим камерам (т.е. камерам без фиксированного и очень точного фокусного расстояния). Этот метод получил название «прямой линейной трансформации» (в англоязычной литературе «direct linear transformation method», или DLT). Суть его состоит в том, что по двум плоским снимкам можно восстановить третью координату.

Медико-биологические проблемы спорта

33

Тест-объекты

Рис. 3. Принципиальная схема расположения камер и тест-объектов при исследовании кинематики бега на коньках

Особенности регистрации кинематических параметров бега на коньках. Длина шага у конькобежцев на прямой и повороте в среднем 13 и 10 м соответственно. Если воспользоваться стандартными методами видеосъемки, например панорамирующей съемкой, то за счет поворота камеры можно зарегистрировать вертикальные и горизонтальные координаты в нескольких последовательных шагах. Недостаток панорамирующей видеосъемки - нельзя зарегистрировать поперечные движения звеньев сегментов тела.

При регистрации кинематики бега на коньках двумя неподвижными камерами, образующими бинокулярное поле, есть возможность рассчитать три координаты (расчеты осуществляются по методу DLT [7]), но точность регистрации будет низкой. Это связано с ограниченным числом светочувствительных элементов оптического устройства. Стандартное разрешение матрицы - 640 на 490 точек. При бинокулярном поле длиной 12 м (минимально необходимое поле видения камер при регистрации кинематики бега на коньках) исходная точность определения вертикальной и горизонтальной меток 18 и 25 мм соответственно. При таких систематических погрешностях определения продольной и вертикальной координат ошибка третьей координаты (поперечной) составит 80-100 мм.

Вдоль дорожки с наружной стороны круга были расположены видеокамеры, так, как показано на рис. 1. Расстояние между камерами и дорожкой 12-15 м, между камерами 3,5-5 м. Каждая пара камер образует бинокулярное поле длиной 3,5-4 м. Например, бинокулярное поле образует первая и вторая, вторая и третья камеры и т.д. Конькобежец, пробегая по дорожке, последовательно «попадает» в бинокулярное поле видения первой и второй, второй и третьей и других камер (так, как показано на рис. 3). При таком способе видеосъемки ис-

Ш

ходная точность регистрации продольной и вертикальной координат - 6 и 8 мм соответственно. Расчетная точность регистрации поперечной координаты - 25-30 мм.

Определение границ и фазовой структуры шага на прямой. За начало шага приняли положение вертикали правого бедра по отношению ко льду (начало одноопорного отталкивания, рис. 4, верхний левый). Постановка левой ноги на лед - начало двухопорного отталкивания (рис. 4, левый посередине). Снятие конька правой ноги со льда - окончание шага и завершение фазы двухопорного отталкивания (рис. 4, левый внизу).

Определение границ и фазовой структуры шага на повороте. За начало шага приняли положение завершения отталкивания левой ногой (начало одноопорного отталкивания правой, рис. 4, верхний правый). Постановка левой ноги на лед - начало двухопорного отталкивания правой (рис. 4, правый посередине). Снятие конька правой ноги со льда - окончание шага и завершение фазы двухопорного отталкивания правой ногой (рис. 4, правый внизу).

Калибровка камер. Для калибровки камер применяли трехмерный тест-объект с 20 метками (рис. 1). Максимальный вертикальный размер 1850 мм, горизонтальный - 1800 мм, поперечный - 900 мм. Вертикальную стойку тест-объекта выставляли с помощью отвеса, горизонтальность плеч устанавливали с помощью водяного уровня. Перемещая тест-объект вдоль дорожки (так, как показано на рис. 3), последовательно калибровали 4-5 бинокулярных полей. Теоретическая точность регистрации меток на тест-объекте при поле видения камер 3,5 м составляет: по вертикали - 6 мм, по горизонтали - 5 мм. При такой точности оценки вертикальной и продольной координат точность расчета поперечной координаты по методу DLT составила 20-25 мм.

34

Медико-биологические проблемы спорта

Рис. 4. Границы и фазовая структура шага при беге на прямой (слева) и на повороте (справа). Фотографии сверху - начало одноопорного отталкивания; фотографии посередине - начало двухопорного положения; фотографии внизу - завершение двухопорного отталкивания правой ногой

Медико-биологические проблемы спорта

35

Рис. 5. Направление отсчета углов в тазобедренном (Т) и коленном суставах (К) толчковой ноги

Направление отсчета углов в суставах. При расчете кинематических параметров техники бега на коньках отсчитывали следующие углы в суставах толчковой ноги:

- угол разгибания в тазобедренном суставе отсчитывали от вертикальной оси Zu и продольной осью бедра по часовой стрелке в сагиттальной плоскости (рис. 5);

- угол отведения в тазобедренном суставе отсчитывали от вертикальной оси Zu и продольной осью бедра против часовой стрелки во фронтальной плоскости (рис. 5);

- угол в коленном суставе отсчитывали между продольными осями бедра и голени как межзвенной угол (рис. 5) с дорсальной стороны.

Сглаживание кинематических данных. При расчете трехмерных координат присутствуют случайные ошибки измерений, связанные с работой оператора, вибрацией маркеров и камер, деформацией формы маркеров по причине неравномерности засветки и т.п. Кинематические параметры сглаживали низкочастотным фильтром Баттерворта 2-го рода с частотой отсечки 5 Гц.

Фазовая траектория в коленном суставе в зависимости от скорости бега на прямой

Фазовой плоскостью называется двухкоординатная плоскость, в которой по одной из осей откладывается исследуемая величина, а по другой - скорость изменения этой величины во времени. Каждому состоянию описываемого процесса соответствует точка на фазовой плоскости. Так как исследуемая величина и ее производная конечны в любой момент времени, то процесс изображается кривой, называемой фазовой траекторией, ограниченной в направлении обеих осей координат.

На рис. 6 представлены результаты кинематического анализа для коленного сустава правой ноги. Слева на рис. 6 представлен профиль фазовых траекторий

Ш

и кинетограммы для скорости бега 10,5 м/с (время круга - 38,1 с), справа - для скорости 12,8 м/с (время круга - 31,2 с). Цифрами на фазовых траекториях обозначены соответствующие кинетограммы. За 100% было принято время шага (граничные положения фаз даны на рис. 4). Справа от кинетограмм представлено время в процентах от начала шага.

При увеличении линейной скорости бега на 2 м/с максимальная угловая скорость в коленном суставе возрастает почти в 1,5 раза - с 300 до 440 град./с (рис. 6).

Результаты

1. Основное отличие бега на коньках от других циклических локомоций, например нормальной ходьбы, заключается в большой длине шага. При регистрации биомеханических параметров нормальной ходьбы достаточно регистрировать бинокулярное поле длиною около 2 м. При этом точность определения меток на сегментах тела составит по горизонтали 3 мм, по вертикали - 4 мм (при размере матрицы 640 на 480 точек). Увеличение поля регистрации, например, в 5 раз (10 м - минимальное поле видения камер при регистрации кинематики бега на коньках) снизит точность регистрации пропорционально расстоянию до объекта съемки. Поэтому применение «бытовых» видеокамер для анализа техники бега на коньках имеет ограниченное применение.

2. Разработана методика регистрации трехмерной кинематики применительно к бегу на коньках. Шесть высокоскоростных 60-100 Гц камер были установлены снаружи круга на расстоянии 12-15 м от дорожки. Камеры соединены в сеть и синхронизированы внешним триггером (рис. 1). Каждая пара камер образует бинокулярное поле видения с размерами по вертикали и горизонтали около 4 м. Такая постановка камер позволяет получить координаты суставов с точностью 6, 8 и 20 мм по продольной, вертикальной и поперечной осям инерциального базиса (рис. 2).

Градусы/с

36

Медико-биологические проблемы спорта

Рис. 6. Фазовая траектория угла в коленном суставе при беге на прямой

(направление отсчета представлено на рис. 5). ^

Средняя внутрицикловая скорость бега 10,5 м/с

Градусы/с

Медико-биологические проблемы спорта

37

Окончание рис. 6

38

Медико-биологические проблемы спорта

3. Для перерасчета двумерных координат, зарегистрированных каждой камерой, используется алгоритм «прямой линейной трансформации». Перед проведением эксперимента в каждое бинокулярное поле помещается тест-объект и калибровочный тест-объект (рис. 1, правый нижний). Вертикаль основной стойки тест-объекта контролируется отвесом, горизонтальное положение плеч тест-объекта выставляется водяным уровнем. Для проверки точности работы алгоритма проводили тестирующую процедуру, обычно применяемую в биомеханике, - оценивали ускорение свободного падения шарика. Расчетное значение ускорения свободного падения находится в диапазоне 8,5-10,5 м/с2, что свидетельствует о приемлемой точности при расчете кинематических параметров.

4. При расчете углов в суставах правой половины тела использовали углы Эйлера. На верхней конечности определяли углы сгибания-разгибания и отведения-приведения в плечевом суставе. В локтевом суставе

1. Bobbert M.F., Houdijk H., de Koning J.J. & de Groot G. From a one-leg vertical jump to the speed skating push-off: а simulation study // Journal of Applied Biomechanics. -2002. - V. 18.- P. 28-45.

2. Gemser H. & Kristiansen H. The technique of speed skating. In H. Gemser, J. de Koning & GJ. van Ingen Schenau ^ds.) // Handbook of competitive speed skating. -Leeuwarden: Eisma Publ. bv., 1999 . - P. 12-40.

3. Houdijk H, Bobbert M.F., de Koning J.J. & de Groot G. How klapskate hinge position couples with push-off performance in speed skating: a simulation study. In H. Houdijk // The klapskate, shifting gears in speed skating. Amsterdam: Vije Universiteit. - 2001. - P. 91-110.

4. Houdijk H, de KoningJJ, de Groot G, & Bobbert M.F. The effect of klapskate hinge position on the kinematics of speed skating // Medicine and Science in Sports and Exercise. - 1999. -V. 31. - S. 147.

оценивали угол сгибания-разгибания. На нижней конечности рассчитывали три угла в тазобедренном суставе: сгибания-разгибания, отведения-приведения, пронации-супинации. В коленном суставе рассчитывали угол сгибания-разгибания. В голеностопном суставе определяли два угла: отведения-приведения и сгибания-разгибания.

5. Применение трехмерной видеосъемки позволяет:

- зарегистрировать линейную и угловую кинематику движения в суставах в видах спорта с большой длиной шага (бег на коньках, лыжи, фигурное катание и др. виды спорта);

- построить фазовые траектории углов в суставах;

- оценить изменение угловых характеристик в зависимости от линейной скорости бега;

- создает условия для применения современных методов биомеханического анализа двигательных действий спортсменов, таких, как «решение обратной задачи динамики» и имитационное моделирование.

5. Houdijk H, de Koning J.J, de Groot G, Bobbert M.F. & van Ingen Schenau G.J. (2000). Push-off mechanics in speed skating with conventional skates and klapskates // Medicine and Science in Sports and Exercise. - 2000. -V. 32. - P. 635-641.

6. van Ingen Schenau G.J., de Groot G, Scheurs A.W., Meester H. & de Koning J.J. (1996). A new skate allowing powerful plantar flexions improves performance // Medicine and Science in Sports and Exercise. - 1996. - V. 28. -P. 531-535.

7. Abdel-Aziz Y.I. Direct linear transformation from comparator coordinates into object space coordinates in close-range photogrammetry / Y.I. Abdel-Aziz, H.M. Ka-rara // Proceedings of the Symposium on Close - Range Photorgrammetry, Falls Church, VA: American Society of Photogrammetry, 1971. - P. 1-18.

Работа выполнена на основе Государственного контракта № 211 от 26.07.2010 г. Министерства спорта, туризма и молодежной политики Российской Федерации.