2D a 3D analýza pohybu
Sportovní fakulta Masarykovy univerzity
Mgr. Martin Sebera, Ph.D.

3 Metodika sledování

3. 1 Charakteristika souboru

V srpnu roku 2007 jsme provedli analýzu tří přeběhů druhé překážky atleta Martina Pokorného, který trénuje ve skupině Stanislava Joukala v Brně. Martin má osobní rekord v běhu na 110 metrů překážek 13,82 s a nejlepší výkon v sezóně 2007 14,28 s.

3. 2 Metody zjišťování sledovaných ukazatelů

3. 2. 1 Kinematická analýza

Pohyb je z fyzikálního hlediska chápán jako změna souřadnic v určitém časovém rozpětí. Tento souřadnicový systém může být nejprve libovolně zvolen a následně upraven. Jsou zde však dva základní požadavky:

• souřadnicový systém
• časové údaje

3. 2. 2 Zpracování obrazu biomechanické 3D analýzy

Ve srovnání s většinou ostatních metod měření má analýza obrazu tu výhodu, že nemá přímý negativní dopad. To znamená, že stanovení kvantitativních rozměrů prostřednictvím měřicího systému nemá žádný dopad na chování měřeného objektu, protože samotné měření není prováděno na konkrétním objektu, ale na jeho obrazu.

Při použití nejjednodušší měřící techniky představuje tento fakt jednu nevýhodu: trojrozměrný objekt je zobrazen ve dvou dimenzích. Tato nevýhoda je akceptovatelná, jestliže máme zájem pouze o dvě dimenze (2D analýza), např. pro určení nejvyššího místa ve skoku, náběhové rychlosti při rozběhu na překážku nebo odrazového úhlu. Při nahrávání těchto pohybů je důležité, aby byly kompletně popsány v jedné rovině. Abychom se vyhnuli chybám plynoucím z toho, že se určité části těla pohybují mimo rovinu pohybu, kamera by měla být umístěna dostatečně daleko od této roviny. Fyzikální rozměry zaznamenané tímto měřením jsou v prvé řadě kinematografickými rozměry (vzdálenost, čas, rychlost, zrychlení, úhly).

3. 2. 3 Souřadnicový systém

Slouží ke stanovení vztahu mezi aktuálními (reálnými) řádovými hodnotami, přičemž záběr je vyhodnocen později. Pojem souřadnicový systém se stejně jako pojem kalibrační systém běžně vyskytuje v literatuře pojednávající o zpracování obrazu. Tyto dva pojmy spolu souvisejí. Kalibrační systém vymezuje prostor (ve tří-dimenzionální analýze) nebo plochu (ve dvoudimenzionální analýze), kde se odehrává pohyb. Souřadnicový systém je matematický prostředek, pomocí něhož je možné vypočítat skutečné prostorové rozměry.

Pro osobu provádějící měření není vztah mezi kalibračním a souřadnicovým systémem důležitý. Tento vztah je pevně stanoven softwarem, který zpracovává prvotní data. Jako kalibrační systém lze použít dvě měřicí tyče známé délky, které jsou navzájem kolmé a dobře viditelné na záběru. Měly by samozřejmě být na místě (nebo přinejmenším v bezprostřední blízkosti místa), kde se daná akce odehrává.

Je dostačující, pokud je kalibrační systém viditelný pouze na jednom obrázku, jestliže je zajištěno, že po nastavení kamery (ohnisková vzdálenost, pozice, zaostření, ohnisková rovina) už toto nebude změněno (Sebera, 2006).

3. 2. 4 Časové údaje

Sdělují nám detaily o tom, kdy byl záběr pořízen. Tato informace může být uvedena buď jako absolutní hodnota (např. 3. ledna 2007 ve 4:27, 12 sekund a 312 milisekund) nebo jako relativní hodnota (0,01 s po předchozím záběru). Pro většinu otázek týkajících se kinematické analýzy je důležitější relativní časová hodnota. Je to dáno frekvencí snímků použitého nahrávacího systému. Pro běžné videonahrávání se jedná o 25 kompletních snímků za sekundu nebo 50 políček za sekundu (PAL) nebo 30/60 (NTSC). Pro nahrávání pohybu je možné použít vysokorychlostní kameru s frekvencí až 500 snímků za sekundu. Systém SIMI Motion nabízený Fakultou sportovních studií MU umožňuje snímání pohybu frekvencí až 500 snímků / s.

3. 2. 5 Dvou- a třírozměrné nahrávky

Jestliže je pohyb nahráván pouze jednou kamerou, může být uspokojivých výsledků dosaženo pouze ve dvourozměrné rovině. Úsilí spojené se získáním třírozměrných výsledků je značné a musí být splněny jisté předpoklady, což může vést k podstatnějším nepřesnostem. K řešení problémů ve 2D je nutné následující vybavení:

• jedna kamera
• kalibrační systém, který se skládá ze dvou měřicích tyčí známé délky, které jsou vzájemně v pravém úhlu

K řešení problémů ve 3D je nutné následující vybavení:

• nejméně dvě kamery, jejichž optické osy by měly být v úhlu mezi 60 a 120 stupni
• tyto dvě kamery by měly být schopny současného snímání záběrů
• kalibrační systém, který je tvořen prostorovým 3D objektem (kvádr, jehlan, krychle atd.). Pozice rohů tohoto 3D objektu musí být známá (Sebera a kol., 2006).

3. 2. 6 Problémy související s analýzou obrazu

Poté co byl pohyb nahrán, můžeme záběr analyzovat. Abychom analýzu mohli provést, musí být určeny body na těle a nebo body, které jsou určitým způsobem důležité pro vykonání pohybu. Použitými body na těle jsou většinou průsečíky kloubních os nebo jejich středy. Při tomto určování můžeme narazit na tři hlavní zdroje chyb:

• osy kloubů nemohou být jasně definovány
• průsečíky os nelze na záběru jasně rozlišit
• průsečíky jsou skryty za ostatními částmi těla a na záběru nejsou viditelné

Řešení

• tuto chybu může minimalizovat pouze precizní znalost anatomie
• průsečíky lze označit jasně kontrastní barvou
• střed kloubů musí být interpolován, popřípadě odhadnut

3. 2. 7 Chyby a tolerance chyb

Při analýze rozeznáváme tyto chyby a nedostatky:

• chyby v určování časového rozpětí mezi jednotlivými snímky záznamu
• chyby v určování pozice měřených bodů
• kumulativní chyby, které nastanou, když k výpočtům použijeme nesprávné hodnoty, např. rychlost = vzdálenost / čas, přičemž naměřené hodnoty vzdálenosti i času jsou nepřesné.

Rozsah těchto chyb může být vyjádřen jako matematická funkce citlivosti použitého filmu, přesnosti snímací metody, přesnosti určení ohniskových bodů při měření, chyb vzniklých při zaznamenáváni času atd. Různorodost těchto faktorů ukazuje, jak komplikované mohou výpočty být.

V praxi je dostačující, že tolerance chyb jsou zjištěny s odvoláním na známé vnější hodnoty. Jestliže je například známá hodnota vzdálenosti mezi vrchním hlezenním kloubem a kolenním kloubem, potom musíme dospět ke stejné hodnotě i po sejmutí obrazu a provedení výpočtů.

3. 2. 8 Zobrazení dat

Sledovat lze jednotlivý bod, spojnice bodů a těžiště. Je možné zvýraznit tyto spojnice a sledovat je během pohybu. Například spojnice mezi kyčlí a kolenem může být v průběhu určité fáze pohybu vyobrazena v jiné barvě.

Existují různé typy těžiště pro různé pohybové sekvence. Pro každý model je požadován určitý počet bodů. To znamená, že body specifikace musí být nejprve přiřazeny k bodům daného modelu. Určování těžiště je matematickým odhadem a je založeno na zkušenostech a naměřených hodnotách. Přesné parametry pro výpočet těžiště jsou pro každého člověka rozdílné, takže s použitím jednoho modelu pro různé typy lidí (muži/ženy, dospělí/děti, sprinteři/vytrvalci) by se mělo zacházet opatrně. Je možné chybu minimalizovat pomocí softwarového doplňku, umožňuje získání parametrů určité osoby na základě individuálních měření (váha, výška, velikost hrudního koše, šíře zad, délka nohy atd.).

Následné zobrazení modelovaných dat v libovolné ose x, y, z třírozměrného prostoru spolu se sledováním jednotlivých charakteristik – vzdálenosti, rychlosti, zrychlení, úhly se sledováním vlastního provedení sportovního výkonu trenérovi dává do rukou velmi účinný nástroj na posouzení individuální technické vyspělosti atleta

3. 2. 9 Použití

Identifikace bodů

3D biomechanickou analýzu lze provést v reálném závodě i na tréninku. Pro lepší identifikaci tzv. bifurkačních bodů jsou atletovi připevněny na vybrané části těla reflexní body, které budou sloužit jednak pro snazší rozpoznání pohybu jednotlivých segmentů z videozáznamu, jednak pro výpočet těžiště. Gubitzův model výpočtu těžiště vyžaduje informace o těchto bodech: hlava, levé a pravé rameno, levý a pravý loket, levé a pravé zápěstí, levý a pravý kyčel, levé a pravé koleno, levý a pravý kotník. V závodě není možné na atleta připevnit žádné reflexní body, vyhodnocení je posléze pracnější, není možné využít automatického trackování a automatického rozpoznání pomocí specializovaného softwaru (manuál SIMI Motion).

Vyhodnocení

Vyhodnocení provádíme s trenérem, kdy máme k dispozici velké množství informací:

• délkové, úhlové, časové a rychlostní charakteristiky jednotlivých segmentů těla, resp. těžiště
• jsme schopni sledovat úhly a postavení jednotlivých segmentů před, při a po odraze, úhly odrazu a vzletu, postavení a vzájemnou polohu segmentů
• dráhu těžiště, resp. jednotlivých segmentů v průběhu celého skoku
• poklesy rychlosti před odrazem a po odrazu
• dráhy, rychlosti a zrychlení v jednotlivých osách X, Y a Z

Součástí analýzy je systém 3 os X, Y a Z (obr.11). Osa X představuje horizontální směr, osa Y boční a osa Z vertikální.

DOPLNIT Obr. 11 osy X, Y, Z