JEDNODUCHÁ BIOMECHANICKÁ ANALÝZA BĚHEM 3 MINUT
Martin Sebera* - Josef Michálek - Jan Cacek - Petr Lajkeb
Katedra kinantropologie*, Katedra sportovní edukace, Sladkého 13 Brno,
Masarykova univerzita, Fakulta sportovních studií, Česká republika
Klíčová slova: biomechanická analýza, atletika, video, střih, PC
Úvod
Kinematická analýza pohybu charakterizuje pohyb jako změnu souřadnic v určitém
časovém rozpětí, tj. zjištěním geometrie trajektorií, rychlostí a zrychlením
charakteristických bodů antropomorfního mechanismu, který simuluje pohyb reálného
objektu. Nejčastěji vychází z následné analýzy obrazové scény reálného pohybu
(videozáznam, kinematografie,…..) v rovině (2D analýza) či prostoru (3D analýza).
Do oboru působnosti patří i oblast sportu pro diagnostiku různých pohybových dovedností
s výhodou nulového negativního dopadu na měřený objekt.
Kinematické vyšetřování pohybu. Průběh pohybu se analyzuje jako změna místa hmoty
v prostoru a čase bez ohledu na síly, které jsou bezprostředními příčinami pohybu.
K analýze pohybu jako vnějšího jevu se s výhodou používá filmové či video techniky. Ta
dovoluje zachytit průběh pohybu a sledovat časovou závislost dráhy těžiště nebo
kteréhokoliv jiného hmotného bodu vyznačeného podle cíle výzkumu. Ze známé
záznamové frekvence kamery (filmové – video) je znám časový posun mezi jednotlivými
snímky, a tedy je znám i časový posun vyšetřovaných bodů. Ze známé časové závislosti
pohybu vyšetřovaného bodu je možné spočítat jeho další kinematické parametry (rychlost,
zrychlení).
Princip vyhodnocení dat z analýzy obrazového záznamu pohybu a jeho interpretace
v experimentální biomechanice vychází ze správné interpretace obrazové a datové
dokumentace.
Existují složité a vyspělé systémy pro diagnostiku vybraných pohybových činností (SIMI
Motion Analysis, Ariel APAS, ...), které vyžaduje též velmi vyspělou záznamovou
techniku (kamera se záznamem 25 snímku/s je nedostatečná), dále i podmínky pro vlastní
analýzu (kalibrace prostoru, vzdálenosti kamery od snímané scény, úhly pod kterými je
scéna snímána, senzory a reflexní značky – elektromechanické, optické a magnetické).
Další bezesporu nevýhodou je vlastní složitost analýzy - systém zpracovává velké
množství dat v krátkém čase a vzniká tak problém pomalé zpětné vazby, která je spojena se
značnou časovou náročností kompletních prostorových analýz.
Cíl
V našem příspěvku chceme uchopit tuto problematiku z ryze praktického hlediska trenéra
atletiky. Za cíl si klademe především rychlou zpětnou vazbu, kterou považujeme v daném
okamžiku za důležitější než maximální přesnost. Analyzujeme výkon ve skoku dalekém.
Metodika
Použili jsme vybavení, které je běžně dostupné a není finančně náročné. Kamera Panasonic
DV NV-GS5, notebook Dell (procesor 1,73 GHz, 512 MB RAM, 60 GB HDD,
integrovaná grafická karta), propojení port FireWire 1394. Cenový odhad: digitální kamera
cca 6000,- Kč, notebook 19000,- Kč. Střih, úpravu a použití nástrojů k jednoduché analýze
provádíme v software Adobe Premiere, který je možné získat na zkušební dobu 30 dní
zdarma. Software umožňuje nahrání záznamu, střih jednotlivých scén, odečet souřadnic,
zastavení a vracení pohybu, tvorbu kinogramů a export do formátů k dalšímu použití.
Praktické rady, jak postupovat při práci s kamerou od jejího výběru, funkcí ovlivňující
kvalitu záznamu nalezneme např. v (Sebera, M. 2006). Práce obsahuje i praktické rady při
kompozici obrazu a záběrů, pro vedení a pohyb kamery, pro práci se zoomem, jak nastavit
velikost záběru, základní postupy při střihu videa a další.
Scénář
Náš experiment provedeme podle níže uvedeného scénáře
příprava: zapnutý notebook s otevřeným projektem v Adobe Premiere, miniDV kazeta
v kameře s nabitými bateriemi
0:00 pokus atletky ve skoku do dálky
0:06 dokončení skoku
0:10 přetočení záznamového pásku na začátek záznamu
0:14 propojení kamery s notebookem – rozhraní FireWire 1394
0:19 záznam do notebooku
0:27 automatický rendering zvuku, který provádí Adobe Premiera
0:37 nalezení analyzovaného okamžiku
0:40 zpětné a zpomalené přehrávání inkriminované situace
0:55 měření základních veličin
• úhly – úhel je dán třemi body, odečtením ze souřadnic obrazovky a doplněním do
kosinové věty získáme výpočtem úhel. Věta kosinová: V libovolném trojúhelníku
ABC platí: a2
= b2
+ c2
- 2bc cos α, b2
= a2
+ c2
- 2ac cos β, c2
= a2
+ b2
- 2ab cos γ;
tj. druhá mocnina strany trojúhelníka je rovna součtu druhých mocnin zbývajících
stran zmenšenému o dvojnásobný součin těchto stran a kosinu úhlu jimi sevřeného.
• rychlosti a vzdálenost – odečtení časových údajů a dosazení do vzorce s = v · t (s
dráha, v rychlost, t čas) – viz. příklad
3:00 ukončení analýzy
Příklad - určení délky skoku
Příkladem využití 2D analýzy záznamu je měření charakteristik dálkařského skoku – délka
skoku, čas, rychlost letu ap. Pro odpočet plošných souřadnic je v tomto případě nutno
provést kalibraci přímo na dráze - obr. 1. V uvedeném příkladu je změřena vzdálenost
odrazového břevna od doskočiště 202 cm (x-ové souřadnice) a šířka dána parametry
běžecké dráhy, tedy 1,2 m (y-ové souřadnice) – obr 2.
Přepočtem vzhledem ke kalibraci byla na monitoru změřena délka od doskočiště
k břevnu 151 pixelů, což v reálu představuje 202 cm.
Délka skoku byla 334 pixelů, což představuje 447 cm
Oficiálně změřený výkon byl 450 cm.
Důležitým prvkem pro určení délky skoku je stanovení vlastního bodu, který se bude
odečítat. Výhodným místem je např. místo kontaktu boty atletky s podložkou v okamžiku
doteku s dráhou. Vzhledem k tomu, že při snímcích frekvence 25 snímků za sekundu není
možné nalézt absolutně přesný okamžik, je snaha určit polohu co nejbližší k této poloze.
Odečet bodu v konkrétním (shodném) okamžiku umožní doplnit analýzu o měření času. To
je znázorněno na obrázku ze střihového programu Adobe Premiere – obr. 3 a 4. Je patrné,
že doba trvání skoku je 19 snímků, což představuje 0,76 s (jeden snímek trvá 1/25 s, tj.
0,04 s).
Rychlost vypočteme podle vztahu v = s / t, v našem případě v = 4,5 / 0,76 = 5,92 m/s
Obr. 1 Kalibrace
Obr. 2 Měření
Obr. 3 Odečet časové informace
Obr. 4 Odečet časové informace
Nejčastější problémy a jejich řešení
• vybité baterie kamery nebo notebooku
řešení: náhradní zdroje, případně přímý zdroj elektrické energie
• notebook nerozpozná digitální zařízení – kameru
řešení: notebook restartovat, kameru přepnout do režimu PLAY
• snímaný objekt je malý
řešení: větší přiblížení pomocí optického zoomu (nikoliv digitálního)
• ostatní chyby
řešení: zásah technika
• minimalizace chyb měření
řešení: např. postavení kamery kolmo na snímaný objekt, částečná kalibrace (šířka dráhy,
vzdálenost odrazového prkna od doskočiště, výška překážek, ap.), použití stativu, použití
filtrů na kameře
• vzdálenost snímané scény
řešení: postavení kamery na vhodném místě (i na ploše), zacvičení kameramana
• rušivé momenty – pohyb osob před objektivem (rozhodčí, ostatní závodníci, ...)
řešení: cit pro situaci, asertivita
Závěr
Ceny audiovizuální techniky jsou natolik přijatelné, že podobnou analýzu je možné běžně
provádět. Domníváme se, že při tréninku je rychlá zpětná vazba mnohem důležitější než
chyby měření. Navíc atlet mnohem lépe reaguje na trenérovy připomínky, pokud vidí sám
sebe, své vlastní provedení. Výsledky těchto jednoduchých analýz z tréninku je možné
posléze kompletovat a po ukončení tréninkové jednotky provést podrobnější rozbor.
Literatura
• Janura, M. – Zahálka, F. Kinematická analýza pohybu člověka. Olomouc: 2004. 1.
vyd. ISBN 80-244-0930-5
• Sebera, M. Využití multimediálních prostředků v práci trenéra atletiky. Brno: 2006.
Závěrečná práce Trenérské školy. FSpS MU – CŽV. 62 s.
Simple biomechanics analysis during 3 minutes
Keywords: biomechanics analysis, athletics, video-cut, PC
Summary:
The price of audiovisual techniques is so such acceptable that it is possible to perform the
fundamental simple biomechanics analyses in very short time. We assume that at training
the fast feedback is more important beyond errors in measurement. In addition athlete
much better responds to coach reminders as far as he sees himself. Records from training
we can finally complete and perform more detailed analysis after finishing training session.
Our paper describes procedure of making of this material with using of cutting software
Adobe Premiere.
Mgr. Martin Sebera
Katedra kinantropologie
Fakulta sportovních studií MU
Sladkého 13, 617 00 Brno
tel.: +420 549 498 645
email: sebera@fsps.muni.cz