Разработка современных систем видеоанализа для исследования спортивных локомоций

Компьютерный видеоанализ двигательных действий спортсменов является одним из биомеханических методов получения информации о движениях, применяемых в области физической культуры и спорта. Ранее подобные методики применялись для измерения биомеханических параметров движений на основе обработки материалов видеосъемки (Д. Д. Донской, В. М. Зациорский, 1979). Сейчас же на основе обработки видеоматериала получают целый комплекс объек-

тивной информации разного рода о выполненных движениях.

Анализирующие двигательную деятельность средства измерения относятся к измерительным системам, так как они представляют собой комплекс самостоятельных модулей и блоков, сопряженных в единое целое.

В системах видеоанализа входной информацией являются видеосигнал и задаваемые пользователем установки, выходной – информация о фактической и модельной технике, включающая такие аспекты как:

– видеоряд;

– исследуемые точки, траектории их перемещения;

– таблицы и графики биомеханических параметров;

– значения универсальных и специальных биомеханических параметров двигательного действия;

– оценка и интерпретация выполнения упражнения;

– смешанные информационные объекты, сочетающие в себе несколько видов данных.

Управление спортсменом как сложным объектом предполагает непрерывную передачу информации о его состоянии и деятельности. Производятся ее анализ, планирование, подбор средств достижения поставленных целей. Помощь в этом могут оказать специально разработанные технические средства, предназначенные для содействия тренеру.

В сфере спортивной науки, в особенности в области спорта высоких достижений, стали планомерно использоваться разнообразные технические, в том числе электронные, измерительные и другие устройства (А. С. Аруин, В. М. Зациорский, 1989). Создание автоматизированных информационно-измерительных комплексов, включающих тензометрические (Я. М. Бади, Р. М. Биттиров, А. Р. Сокуров, 2011) и другие методы исследований, позволяет в реальном времени регистрировать и анализировать биомеханические параметры спортсменов во время выполнения поставленных задач.

Часто используемые в тренировочном процессе методы видеоанализа и хронометрирования позволяют получать информацию только о кинематических параметрах движений. Данные методы дают возможность разобраться в общей картине движений на уровне характеристики поз. Однако оценки подобных характеристик бывает недостаточно для объективного определения эффективности двигательных действий.

Часто недоступным для тренеров и спортсменов является получение очень важной информации о величине и направленности динамических усилий в опорные периоды, их стабильности, вариативности и отношениях в фазах движений, в динамике выполнения упражнения в целом (Е. А. Стеблецов, 2003).

Методика. В лаборатории анализа двигательной деятельности Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма была разработана автоматизированная система измерения кинетических и динамических характеристик спортивных движений, основанная на видеодинамометрии. Программный пользовательский интерфейс позволяет задавать режимы проведения измерений, управляет работой элементов измерительной системы, обеспечивает скоростную визуализацию исследуемых процессов. Разработанная система в режиме реального времени определяет усилия спортсмена на опору по осям абсцисс, ординат и аппликат в любой момент времени.

Одним из главных достоинств применения динамометрических платформ в учебно-тренировочном процессе стала оперативность получения информации. Биомеханические параметры получают и интерпретируют в режиме реального времени, что ускоряет процесс педагогической коррекции двигательных действий обучающихся.

Видеодинамометрический комплекс включает портативную следящую видеосистему в виде цифровой скоростной видеокамеры, множество динамометрических платформ и персональный компьютер (ПК).

Программная часть комплекса состоит из нескольких специализированных программ:

• 1)    программы ввода видеоинформации в персональный компьютер;

• 2)    программы преобразования введенной видеоинформации в другие видеоформаты, а также в последовательность jpg–файлов;

• 3)    программы отслеживания траекторий маркеров.

Видеосъёмка двигательных действий спортсменов не требует организации и создания специальных условий. Полученные данные вводятся в персональный компьютер и хранятся на жестком диске в виде raw-файла, который затем преобразуется в avi-формат, либо в последовательность изображений – jpg-файлов. В большинстве случаев нет необходимости производить съёмку неподвижной видеокамерой.

Сигнал с цифровой видеокамеры вводится в персональный компьютер в режиме реального времени, после чего полученный первичный файл обрабатывает и преобразовывает в нужный формат.

Выходная информация (последовательность . jpg-файлов) системы сбора и ввода первичной видеоинформации – входная информация для систем её дальнейшей обработки.

Результаты. Разработанная в лаборатории анализа двигательной деятельности система сбора и обработки введенной видеоинформации о спортсмене представляет собой интегрированный универсальный программный комплекс, обеспечивающий единый технологический цикл получения всей необходимой тренеру информации.

Система обработки видеоинформации позволила обеспечить:

• 1.    Формирование цепочки видеокадров нужных данных без излишней информации.

• 2.    Двумерный и трехмерный комплексный видеоанализ спортивной техники с последующей обработкой и конвертацией в нужный формат полученных данных.

• 3.    Расчет необходимых биомеханических параметров. Результаты могут быть выданы как в табличной, так и в графической форме.

• 4.    Создание схем, на которых могут быть отражены как истинные позы спортсмена (снятые видеокамерой), так и биомеханический многозвенник (Bobbert, Huijing, Schenau, 1986). Схемы могут комбинировать не только графическую, но и текстовую (номера маркеров, наименование фаз и т. д.) и числовую (углы в суставах) информацию. Один из полученных биомеханических многозвенников, изображающих модели мышц нижних конечностей, представлен на рисунке.

Рисунок. Схематическое изображение модели мышц нижних конечностей

Обработка и анализ полученных данных заключалась в следующем:

• 1.    На основе исходных графических файлов была сформирована видеограмма.

• 2.    Целостная картина выполнения упражнения разбивалась на фазы с выделением значимых параметров.

• 3.    Производились оцифровка цепочки кадров и анализ фактической техники, заключающийся в разделении упражнения на фазы и расчете биомеханических характеристик выполнения упражнения. Информация о технике спортсмена может быть представлена в различных формах: графиках биомеханических параметров, траекториях узловых точек и комбинированных видеограммах (M. B. Simonsen, 1985).

• 4.    Следующим этапом является моделирование техники. При этом рассчитываются оптимальные биомеханические параметры движений (М. Ф. Иваницкий, 2011). Сопоставление фактической и модельной техники также может осуществляться в разных формах: графиках биомеханических параметров и др.

На основе проведенных исследований было сделано предположение, что имитационную модель двигательных действий спортсмена необходимо строить следующим образом:

• 1.    Определить зависимость координат от времени одной из анализируемых точек (данную точку и звено, начальной точкой которого она является, условно принимают за начальные).

• 2.    Определить зависимость вертикальных и горизонтальных углов от времени всех анализируемых звеньев тела.

• 3.    Определить координаты конечной точки звена. Данная точка считается начальной точкой следующего звена.

• 4.    Остальные биокинематические параметры вычисляются на основе знания координат дистальных и проксимальных концов звеньев.

Анализируя существующие системы, можно сделать ряд выводов:

• 1.    По своей аппаратной структуре существующие системы видеоанализа можно разделить на 2 типа: системы, состоящие из относительно независимых аппаратных блоков – персонального компьютера и видеокамеры, либо следящей системы, управляемых соответствующим программным обеспечением, и портативные системы видеоанализа, интегрирующие в одном модуле системы получения и обработки видеоданных.

• 2.    Большинство существующих систем видеоанализа являются многофункциональными и интегрированными. Многофункциональность и интегрированность заключается прежде всего в объединении видеоанализа с другими методами получения информации о спортсмене.

• 3.    Большинство видеоанализирующих систем созданы специалистами, в недостаточной степени разбирающимися в области физической культуры и спорта. Это обусловливает то обстоятельство, что существующие системы видеоанализа неадаптивны, не способны органически реализовывать программу тренировочного процесса и, вследствие этого, малоэффективны.

Заключение.

Основные отличия созданной лабораторией анализа двигательной деятельности системы от существующих:

• 1.    Система обладает гибкостью, т. е. обеспечивает пользователю многорежимность работы с ней, что дает возможность оптимального применения системы в широком диапазоне условий и задач учебно-тренировочного процесса.

• 2.    Адаптивность системы, т. е. органическая приспо-сабливаемость к учебно-тренировочному процессу.

• 3.    Система обеспечивает возможность ее органического наращивания, добавления модулей и функций без изменения существующих.

Конструктивный анализ существующих видеоанализирующих систем показал, что в настоящее время необходима разработка систем современного типа, многофункциональных и недорогих. Такие системы должны быть адаптированы, с одной стороны, к пользователю, с другой стороны, к целесмысловой программе динамической системы, к учебно-тренировочному процессу.

Профессиональная физическая подготовка детей и учащейся молодежи