Методика экспресс-оценки результативности выполнения движений хоккеистом с применением компьютерного зрения

I.I. Novikova1, ,

V.N. Konovalov2, ,

D.A. Bernatavicius3, ,

N.S. Veremchuk4, ,

M.V. Semenikhina1, ,

Введение. Вопросам применения технологий компьютерного зрения в хоккее при оценке различных аспектов достижений спортсменов уделяется значительное внимание. Библиографический поиск по указанной проблематике показал, что в настоящее время при подготовке хоккеистов активно используются стандартизированные тесты для оценки двигательных действий спортсменов. Как считают специалисты (В.П. Савин, 1993), критерии оценивания универсализированы и позволяют оценить любое техническое двигательное действие хоккеиста [2]. Но данные тесты основаны на применении экспертного анализа, что определяет наличие субъективности при решении вопросов оценки и не позволяет получать результаты достаточной точности, которая необходима в современном спорте, а также в ряде случаев полученные результаты невоспроизводимы [1, 3].

Как показал мировой и отечественный опыт, для решения вопросов объективной оценки в спорте необходимо применение технологий компьютерного зрения и глубокого обучения [4–9].

В настоящее время в хоккее технологии компьютерного зрения применяются для детектирования движения спортсменов на среднем и дальнем полях с применением различных типов нейронных сетей [7], технологий STIP (survey of human action recognition with spatio-temporal interest point) [6] и MoSIFT (Motion scale-invariant feature transform) [4].

Авторское исследование направлено на совершенствование инструментария оценки специальной и физической подготовленности хоккеистов с применением технологий компьютерного зрения.

Цель исследования: разработать методику экспресс-оценки результативности вы- полнения движений хоккеистом в процессе тренировки с применением компьютерного зрения.

Методика экспресс-оценки результативности выполнения движений хоккеистом в процессе тренировки. В основе методики лежит сравнение построенных траекторий движения хоккеиста во время выполнения упражнения в трехмерном пространстве с эталонными. При решении задачи трехмерной реконструкции используется модель BODY_25 [8]. С учетом специфики упражнений экспертным путем выбираются наиболее значимые для оценки результативности ключевые точки, характеризующие положение суставов спортсмена во времени в пространстве. Проводится видеосъемка выполнения упражнения синхронно на две RGB-камеры, расположенные перпендикулярно друг другу (рис. 1). В качестве RGB-камер могут быть использованы сотовые телефоны. Далее полученные видеоряды обрабатываются в видеоредакторе. С применением нейросетей, методов начертательной и параметрической геометрии определяются значения координат точек для каждого такта времени в трехмерном пространстве. Для построения траекторий движения ключевых точек в трехмерном пространстве используется аппроксимация полиномами.

Рис. 1. Расположение камер во время съемки упражнения Fig. 1. Camera placement for exercise recording

В качестве эталонных движений выбраны те движения хоккеиста, которые на основании опыта эксперта (тренера) признаны правильными (выполненными без ошибок). При необходимости могут быть сформированы усред- ненные эталонные траектории движений спортсмена. Эталонные движения формируют базу данных эталонных движений.

Сравнение построенных траекторий движения хоккеиста с эталонными проводилось путем расчета среднего расстояния между соответствующими точками кривой. Расстояние определялось по формуле ek =1 Ед/(xs -xr )2 +(ys -Уг )2 +(zs -zr )2 , n i=1

где x _s , y _s , z _s - коорди н аты ключевой точки, задающей траекторию движения спортсмена во время выполнения упражнения; x _r , y _r , z _r -координаты ключевой точки, задающей траекторию эталонного движения спортсмена во время выполнения упражнения.

Попытка выполнен и я упражнения спортсменом считается результативной, если е _к для всех кривых, задаю щ их движения спортсмена, меньше порогового значения, которое определяется в ходе ряда предварительных исследований и корректируется э к спертным путем.

Материалы и методы. Исследование проводилось на базе СДЮСАШОР А.В. Кожевникова (г. Омск). Осуществлял а сь запись пяти попыток выполнения квалифицированным хоккеистом одного из ос н овных видов бросков в хоккее – броска с длинным разгоном шайбы. Упражнение выполнено в условиях зала. Одна из попыток выбрана в качестве эталона.

В исследовании использованы две IP-камеры, размещенные на штативах (1/2.9" SmartSens CMOS (SC307E), XM530; 1080p, 720p@ 25 к/с). Перед проведением видеосъемки с помощью специальных меток выделен квадрат с длиной стороны 2 м. В квадрате испытуемый выполнял упражнение. Камеры располагались перпендикулярно друг другу на расстоянии 1 м от центра стор о н указанного квадрата. Начало и конец выполнения у п ражнения сопровождались специальными звуковыми сигналами, которые и с пользовались для обрезки видеофрагментов и подгот о вки их к обработке. Средняя длительность видеофрагментов составила 4,5 с.

Результаты. По данным В.П. Савина (1993), подготовительная фаза выполнения упражнения включает отведение клюшки назад-вверх, затем маховое движение вниз-вперед [2]. В фазе зама х а хоккеист одновременно с отведением клюшки «скручивает» т у ловище. Маховое движение клюшки вниз-

а)                                 b)                                c)

d)

Рис. 2. Скриншоты из видео выполнения броска хоккеистом во второй попытке: а – подготовительная фаза, b – основная фаза, c – заключительная фаза, d – возвращение на исходную позицию Fig. 2. Screenshots of throwing performance during the second attempt: а – preparatory phase, b – main phase, c – final phase, d – return to the starting position

c)

Рис. 3. Траектории движений: а – фронтальная проекция, b – профильная проекция, c – горизонтальная проекция, d – 3d-реконструкция

Fig. 3. Movement trajectories: а – frontal projection, b – profile projection, c – horizontal projection, d – 3d-reconstruction

Результаты расчета расстояний между построенными кривыми, характеризующими движения ключевых точек, во время попыток выполнения упражнения хоккеистом и соответствующими эталонами Comparison of reconstructed trajectories against reference movements

Траектория движения, задаваемая точкой		Значение расстояний Distance
		Попытка 2 Attempt 2	Попытка 3 Attempt 3	Попытка 4 Attempt 4	Попытка 5 Attempt 5
2	Правое плечо Right shoulder	34,15	36,15	34,35	34,6
5	Левое плечо Left shoulder	32,11	32,12	30,41	31,14
9	Тазобедренный сустав правая конечность Right sacroiliac joint	30,01	35,3	33,01	31,01
12	Тазобедренный сустав левая конечность Left sacroiliac joint	35,16	35,4	31,16	33,18
4	Запястье правой руки Right wrist	31,2	32,12	36,2	36,42
7	Запястье левой руки Left wrist	33,5	37,6	34,5	34,85
		Не результативна Failed attempt	Не результативна Failed attempt	Не результативна Failed attempt	Не результативна Failed attempt

Примечание. Пороговое значение результативности – 30,03.

Note. Threshold performance – 30,03.

ным хоккеистом броска с длинным разгоном шайбы в условиях зала. Показано, что данная методика позволяет объективно и с достаточной точностью оценить результативность выполнения упражнения. Дополнительно при этом изучены траектории движения различных звеньев тела спортсмена в трех фазах технического действия «бросок шайбы» в условиях зала. Эталонные траектории движения,

разработанные в ходе проведения исследования, могут быть использованы в дальнейшем в качестве моделей технической подготовленности спортсменов.

Разработанный в статье инструментарий может быть полезен специалистам в области спортивной подготовки для создания новых методик тренировок высококвалифицированных спортсменов.