Видеосъемка и системы биомеханического компьютерного видеоанализа

Видеосъемка – это общедоступный информативный педагогический и биомеханический метод исследования в спорте. Видеосъемка обеспечивает последовательную съемку движущихся объектов и производится при помощи видеокамеры. Видеокамера – это устройство, которое применяется с целью получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе (матрице). Видеокамеры бывают со стандартной скоростью видеосъемки 24 к/сек и специальные высокочастотные до 100000 к/сек.

Биомеханические требования к видеосъемке:

1. На тело спортсмена нанести специальные маркеры.

2. Видеокамера устанавливается на штатив.

3. Установить нужную частоту съемки, учитывая то что максимально-допустимая ошибка 5%.

4. Установить режим светочувствительности для видеокамеры.

5. Минимальное расстояние до объекта 10-12 м.

6. Перед камерой устанавливают масштабную линейку, которая должна находится в плоскости объекта съемки.

7. Объектив камеры должен располагаться перпендикулярно плоскости перемещения объекта съемки и ОЦМ спортсмена.

Набольшее развитие метод видеорегистрации движений получил благодаря трудам Н.А. Бернштейна. Суть метода предложенного, Н.А. Бернштейном, заключалась в регистрации перемещения суставов тела человека неподвижной фотокамерой. На суставы испытуемого крепили лампочки. Испытуемый с включенными лампочками двигался перпендикулярно оптической оси камеры. Обтюратор, с вырезанным окном, вращался перед открытым объективом фотокамеры. Окно обтюратора, периодически появляясь перед объективом, делало траекторию движения суставов прерывистой.

Дальнейшее совершенствование метода оптической регистрации локомоций состояло в замене маркеров типа "лампочки" на пассивно отражающие метки. Использование стробоскопа с частотой пульсации 100 Гц дало возможность определить кинематические характеристики локомоций с большой скоростью перемещения, например, бег, тройной прыжок.

В 70-80-ые годы в Швеции и Италии были разработаны методики, исключающие ручную работу при определении координат. Суть регистрации состояла в том, что на тело испытуемого крепили активные маркёры, работающие в инфракрасном невидимом спектре. Светочувствительная матрица фотокамер трансформировала зарегистрированное инфракрасное изображение маркёров в цифровой ряд и записывала координаты меток в оперативную память компьютера. Несмотря на существенную скорость получения кинематической информации, перечисленная выше методика была лабораторной, так как источники излучения находились на проводной связи с камерами.

Последним достижением в этой области является создание высокочастотных цифровых камер. Основным их отличием от обычных видеокамер является исходящее от них инфракрасное излучение, направленное на прикреплённые к телу испытуемого лёгкие маркёры. Будучи совершенно незаметным и безвредным для человеческого глаза, инфракрасное излучение не отвлекает испытуемого от выполняемого в момент исследования задания. Отражение инфракрасного света от маркёров в свою очередь регистрируется установленным в камере CCD-датчиком, определяющим в режиме реального времени двумерные координаты центров каждого светоотражающего маркёра. При одновременном использовании нескольких камер, подключенных к компьютеру, компьютер строит трехмерную модель исследуемого движения. Обычно программный инструментарий подобных систем обладает богатыми возможностями для визуализации и количественного анализа различных параметров движения.

Все современные аппаратно-программные средства представлены контактными и дистанционными системами. Контактные (механические) используют в качестве регистрирующих элементов датчики, непосредственно устанавливаемые на исследуемый движущийся объект. Сегодня в контактных системах используются высокоточные дву- и трехкомпонентные цифровые электрогониометры. И все же, связанные проводом с регистрирующей аппаратурой, датчики ограничивают свободное перемещение испытуемых и, так или иначе, искажают его.

Дистанционные системы "наблюдают" за процессом произвольного движения со стороны, никак в этот процесс не вмешиваясь. Современные магнитные дистанционные системы хороши для исследования элементарных движений, но не обладают помехоустойчивостью, достаточной для исследования целостного двигательного акта (например, ходьбы), а также требуют для корректной работы соблюдения ряда ограничивающих условий, порой совершенно несовместимых с методологией проводимых исследований.

Оптические системы таких ограничений не требуют и в качестве "датчиков" системы биомеханической видеосъемки используют шаровидной формы маркеры малой массы, покрытые световозвращающим материалом. При хорошем качестве видеозаписывающей аппаратуры оптические системы соответствуют требованиям, предъявляемым к точности регистрации движений и воспроизводимости результатов.

Технология биомеханической видеосъемки и математического моделирования двигательной активности человека позволяет с высокой точностью диагностировать различные виды нарушеий функций костно-мышечной и нервной системы, объективно оценивать эффективность проводимых лечебных мероприятий, а так же исследовать выполняемые различные двигательные действия.

Регистрирующим устройством в составе АПК является цифровая видеокамера с частотой видеосъемки 25 кадров в секунду. Высокопроизводительное программное обеспечение StarTrace 2D содержит модуль удвоения частоты видео StarTrace Gazer, который преобразует видеопоследовательность, снятую в чересстрочном режиме и содержащую чётные и нечётные полукадры, в видеоряд удвоенной частоты с применением алгоритмов интерполяции. Частоты 50 измерений в секунду более чем достаточно для проведения анализа обычных наземных локомоций (ходьба, бег, и др.). Видеокамера полностью автономна и позволяет производить записи не только в лаборатории, но и в условиях соревнований.

StarTrace 2D - пакет программ, предназначенных для количественного анализа биомеханических характеристик движений биологических объектов, математического моделирования отдельных движений и целостных двигательных актов. Как видно из названия, исследованию подвергается двумерная (плоская) биомеханическая модель. StarTrace 2D используется во всей линейке аппаратно-программных комплексов UltraMotion Pro и функционирует на базе Intel Pentium 4 под управлением операционных систем Microsoft Windows. Программный пакет StarTrace 2D содержит несколько основных модулей, выполняющих различные задачи.

Характеристики и возможности:

Оцифровка положения маркированных точек на теле испытуемого в полуавтоматическом и полностью автоматическом режимах. Оцифровка положения немаркированных точек на теле испытуемого в ручном режиме. Исследование линейных кинематических параметров (перемещение, скорость, ускорение). Исследование угловых кинематических параметров (угол, угловая скорость, угловое ускорение). Анализ производных характеристик движения, таких как фазовые траектории и синкинезии. Сравнительный анализ и статистическая обработка кинематических данных.

Регистрирующий элемент системы UltraMotion Pro SPORT - специализированная скоростная CCD-камера. Данные в компьютер поступают в режиме online с использованием стандарта GigE, при этом длина кабеля, соединяющего компьютер с видеокамерой, может достигать 100 метров, а скорость канала передачи информации составляет 1 гигабит в секунду. Видеосъемка при разрешении 640 x 480 осуществляется с частотой до 200 кадров в секунду, достаточной для анализа самых быстрых спортивных локомоций. Сменная профессиональная оптика повышает точность измерений, минимизируя краевые аберрации.

Система UltraMotion Pro SPORT предназначена для анализа биомеханических моделей с любым количеством световозвращающих маркеров, необходимым для исследования целостного двигательного акта.

Регистрирующим элементом системы UltraMotion Pro FAST является профессиональная видеокамера Fastec. Камеры Fastec выгодно отличаются от видеокамер, передающих видеопоток в компьютер в режиме online, так как снабжены встроенной памятью. Видеосъемка происходит непосрественно в память камеры, чем достигаются высокие скорости и полностью исключаются потери кадров. Заказчик имеет возможность выбора для камеры Fastec объектива с характеристиками, подходящими под конкретные исследовательские задачи.

Программный комплекс биомеханического видеокомпьютерного анализа «Bio Video» предназначен для получения кинематических и динамических характеристик двигательных действий человека. Программа позволяет создать массив координат точек, центров суставов тела человека в разные моменты выполнения данного двигательного действия. Использование программы «Bio Video» имеют большие перспективы при внедрении ее в теорию и практику обучения различных видов спорта.

Данная программа может использоваться для получения объективной количественной информации о движениях атлетов. Которая значительно повысит эффективность перестройки биомеханической структуры двигательных действий спортсменов в ходе тренировочного процесса.