POSIBILITATI SI TEHNICI DE URMARIRE A MISCARII SPORTIVULUI

Dr. ing. DAN BOBOC

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE PENTRU SPORT

Cuvinte cheie: miscare, masurare , analiza

 Key words: movement, measuring, analysis

 Acceptiunea generala a termenului de 'captura de miscare' este aceea de inregistrare a miscarii corpului omenesc in vederea redarii/reluarii si analizei. Captura se poate referi la urmarirea pozitiei corpului in spatiu sau la deformatii si deplasari ale masei musculare. Captura de miscare realizata se poate aplica peste modele matematico-grafice ale corpului uman (aici, se foloseste tot mai des termenul de mapare), ceea ce permite analize complexe, cinematice si dinamice.

Exista trei tipuri de sisteme de urmarire, clasificate dupa pozitia senzorilor si a surselor:

• Sisteme inside in utilizand senzori si surse montate pe corp (exemplu, manusi piezorezistive, senzori de flexie). Aceste sisteme se folosesc pentru urmarirea anumitor parti ale corpului, intr-un spatiu de lucru nelimitat, fara a furniza informatii de pozitionare 3D. De regula, senzorii sunt miniaturali, dar oarecum 'invazivi' si limitati fie ca directie de masurare, fie ca raza de actiune.
• Sisteme inside-out cu senzori montati pe corp si surse externe artificiale (de exemplu, miscarea unui magnet atasat bratului intr-un camp electromagnetic generat extern) sau surse externe naturale (exemplu, urmarirea miscarii capului cu un accelerometru actionand in campul gravitational terestru). Aceste sisteme sunt capabile de a furniza informatii de pozitie 3D privitoare la parti mari ale corpului, dar functioneaza, in general, in spatii limitate.
• Sisteme outside-in utilizand senzori externi impreuna cu surse artificiale sau markeri montati pe corp (exemplu, sisteme electro-optice cu markeri reflectori). Aceasta tehnica este considerata mai putin invaziva, insa urmarirea markerilor este mai greoaie si se poate realiza doar in spatii strict limitate, cu utilizarea unei aparaturi si a unui software sofisticat si de aceea scump.

Figura 1. Variante de sisteme de urmarire a miscarii umane

Sisteme de urmarire a miscarii

 ELECTROMECANICE

 Sistemele electromecanice se bazeaza pe structuri/armaturi interlegate si potentiometre capabile sa inregistreze direct deplasari sau rotatii. Exemplu: o armatura mecanica face conexiunea dintre casca purtata de subiectul in miscare si un dispozitiv de codare mobil, montat in tavan si legat la un computer. Desi precis, sistemul se utilizeaza foarte rar din cauza limitarilor sale constructive.

Avantaje: -  sistemele sunt relativ ieftine si portabile;

• colectarea datelor se poate face in timp real, fara multa cheltuiala;
• senzorii nu sunt niciodata 'obstructionati' ;
• sunt posibile aranjamente de captura pe mai multi 'actori' simultan.

• puse pe sportiv, aplica diverse constrangeri asupra acestuia;
• configuratia de senzori este fixa.

 ACUSTICE SI MAGNETICE

 Detectorii acustici se bazeaza pe emisia de semnale de inalta frecventa pentru a triangula o sursa aflata in zona de lucru. In acest caz, trebuie sa existe camp liber intre sursa si microfoane; reflexiile induse de existenta unor pereti sau a altor obstacole afecteaza negativ calitatea determinarilor.

 Sistemele magnetice sunt compuse dintr-una sau mai multe surse radiind camp magnetic si senzori care raporteaza pozitia sursei/surselor. Acest tip de urmarire nu este influentat de blocarea liniei directe de observatie, ca in cazul sistemelor acustice sau optice. Un sistem magnetic complex, multi-sursa si multi-senzor, poate urmari un numar suficient de mare de puncte, pe distante de pana la 25m, cu o precizie de pozitionare liniara de pana la 1-3 mm si unghiulara de 0,1 grade.

Avantaje: -  preluarea datelor in timp real poate furniza un feedback imediat;

• nu este nevoie de post-procesarea semnalelor achizitionate;
• cost mediu, chiar pentru sisteme cu multi senzori;
• senzorii nu sunt niciodata 'obstructionati';
• simultan, sunt posibile aranjamente de captura pe mai multi 'actori'.

• 'actorii' sunt cablati, ceea ce le restrange posibilitatea de miscare;
• schimbarea configuratiei de senzori este greoaie.

 Aceste sisteme se bazeaza pe tehnica videocontrastului aplicata unor markeri retro-reflectori atasati persoanei sau obiectului in miscare. Numarul de camere video necesare depinde de complexitatea miscarii ce se inregistreaza, astfel ca pentru miscarea intregului corp uzual se folosesc 4-6 camere. Inainte de inregistrare, este obligatorie inregistrarea unei secvente 3D de calibrare, cu markerii in pozitiile initiale (secventa de referinta). Dupa o sesiune de lucru, inregistrarea se post-proceseaza imagine cu imagine, astfel incat, printr-o tehnica de triangulare, sa se obtina pozitia spatiala (3D) a markerilor. Timpul de post-procesare poate varia, in functie de numarul de camere, de markeri si de complexitatea miscarii de la 3 la 30 de minute pentru fiecare secunda de inregistrare.

Avantaje: -  extrem de precise, la o rata de achizitie de pana la 60 cadre/s;

• simultan, se poate folosi un numar mare de markeri;
• schimbarea configuratiei de markeri este facila;
• este posibila aproximarea scheletului prin amplasarea corespunzatoare a markerilor;
• 'actorii' nu sunt cablati, deci, se pot misca fara constrangeri;
• arie de lucru relativ mare.

• sistemele sunt costisitoare;
• captura se face numai intr-un mediu controlat (lumina, culoare).

TEHNICI COMBINATE

 In cadrul INSEP Franta, Daniel Dinu si colaboratorii au dezvoltat un studiu complex asupra miscarii de aruncare a discului. In cadrul acestui studiu, s-au folosit in paralel tehnici de inregistrare video cu mai multe camere simultan, combinate cu electromiografia principalelor grupe de muschi implicate in miscarea de aruncare. In figura, se poate observa nivelul de activare a muschilor monitorizati, in functie de pozitia (A,B…) din miscarea aruncatorului. Una din concluziile interesante ale studiului a fost ca, la antrenament sau pentru debutanti, se pot folosi discuri mai usoare (pana la 80%), fara a altera cinematica miscarii, dar cu avantajul diminuarii stresului mecanic si a riscurilor de accidentare.

Figura 2. Nivelul de activare a muschiului deltoid anterior si viteza dezvoltata in aruncare, functie de pozitie (A…E), la aruncarea discului de 2kg (stanga), respectiv de 1,7kg (dreapta)

Urmarirea calitatii executiei

 La sfarsitul secolului XIX, Marey si Muybridge au efectuat independent studii ale miscarii umane si animale prin fotografiere multipla, intr-un timp foarte scurt, a unor subiecti aflati in miscare. Astfel, s-au nascut fotociclogramele, care, timp de multe decenii, au fost folosite si in obiectivizarea miscarii sportivilor, in scopul depistarii si corectarii erorilor de tehnica. In IEFS, in anii 1952-1953, Iosif Maier realiza un ingenios fotociclograf, iar in Centrul de Cercetare pentru Probleme de Sport, Ilie Stupineanu a utilizat o varianta perfectionata a acestui fotociclograf (vezi foto) in anii 1970-1976 pentru investigatii pe tehnica de miscare in diferite ramuri de sport (gimnastica, atletism, handbal).

Figura 3. Fotociclograf si fotociclograma, ambele realizate in CCPS

 Astazi, s-a ajuns prin utilizarea sistemelor de inregistrare video digitale si a calculatoarelor performante la tehnica computer vision, capabila sa segmenteze partile corpului uman intr-o imagine, sa urmareasca miscarea lor si a articulatiilor si sa recompuna structura 3D a corpului intr-o grafica utila pentru analiza precisa a performantelor sportive si/sau pentru diagnoza medicala.

 Recent, Laboratorul tehnologia performantei sportive si biologia efortului din cadrul INCS a achizitionat DartTrainer 2.0 Professional Suite, un software de analiza de miscare. DartTrainer este util in dezvoltarea calitatilor sportive prin cresterea valorii programului de antrenament cu ajutorul analizelor video calitative. Cateva avantaje indiscutabile fac acest program o unealta valoroasa in pregatirea sportivilor:

• feedback vizual pe posibilitatea de comparatie cu structuri de miscare model;
• scule de analiza performante (redare cadru cu cadru sau la viteza mica, posibilitate de a masura distante si unghiuri pe imagine, inserare de text, afisare simultana de 2-4 ferestre, miscare stroboscopica, suprapunere de miscare);
• sistem avansat de management al imaginilor achizitionate si prelucrate;
• indrumarile antrenorului devin mai clare in combinatie cu imaginile;
• sportivul constientizeaza rapid greselile si poate actiona pentru eliminarea lor;
• un laptop si o camera video digitala este tot hardware-ul necesar, asa ca antrenorii si sportivii se pot concentra asupra antrenamentului si nu asupra „tehnologiei'.

Figura 4. Adina Anton (saritura in lungime) la un antrenament de sala.

Prelucrarea a fost facuta cu optiunea de miscare stroboscopica a programului DartTrainer

Urmarirea traiectoriei sportivului

 Facultatea de sport si Laboratorul de imagistica ale Universitatii din Liubliana (Slovenia) au studiat si au pus la punct un sistem video de urmarire a pozitiei si traiectoriei jucatorilor, in contextul handbalului, ca joc de sala.

 Partea hard a sistemului consta in doua camere digitale video, amplasate la 10m deasupra terenului si avand lentile superangulare de 103°, o interfata video cu doua canale si un computer central. Imaginea este preluata cu 25 cadre/s, la o rezolutie de 384x288 pixeli. Datorita cantitatii mari de informatie de procesat (pana la 14 jucatori, pe durata a 60 minute, adica aproape 12 GB de imagine comprimata Motion JPEG pentru un meci), sistemul are nevoie de o post-procesare laborioasa, ceea ce il face sa functioneze off-line .

Figura 5. Monitorizarea video a unui teren de handbal, in vederea urmaririi traiectoriilor sportivilor

 Specialistii sloveni au folosit trei metode de urmarire: detectia de miscare, urmarirea schimbarilor fundalului si urmarirea schimbarilor de culoare, ajungand, in final, la o tehnica mixta, care a permis preluarea si prelucrarea imaginilor cu o buna acuratete. Rezultatele post-procesarii pot fi exportate sub forma de tabele, ceea ce permite o integrare usoara cu alte aplicatii, sau sub forma de ilustratii grafice, o maniera de prezentare atractiva pentru analizele expertilor/tehnicienilor de sport. In figura 6, se prezinta, in nuante de gri, deplasarea celor 7 sportivi ai echipei castigatoare, pe durata a 10 minute de meci.

Figura 6.Traiectoriile a 7 handbalisti (A…G) pe parcursul a 10 minute de joc

 Inca din anul 2001, in Institutul National de Cercetare pentru Sport, se deruleaza un proiect ambitios legat de urmarirea in timp real (on-line) a traiectoriilor sportivilor. Proiectul REALTRACE propune realizarea unui sistem destinat urmaririi pozitiei instantanee a sportivilor angrenati in jocuri de echipa pe teren mare (fotbal, rugby), reconstituirea traiectoriilor, determinarea unor parametri cinematici, vizualizarea si arhivarea informatiilor. Tehnicile folosite in acest scop sunt un spin-off al tehnologiilor spatiale, urmarirea realizandu-se prin tehnica GPS (Global Positioning System), transferul de date jucator - monitor central prin tehnica GSM (Global System for Mobile Communication) in varianta GPRS VPN (General Packet Radio Service, Virtual Private Network), iar vizualizarea si arhivarea pe PC sub Windows (vezi figura 7).

 Obiectivele avute in vedere se inscriu in domeniul cresterii calitative si cantitative a informatiei puse la dispozitia specialistilor in metodica antrenamentului jocurilor sportive, precum si in domeniul exploatarii spectacolului generat de jocurile sportive prin realizarea unor noi metode de vizualizare si analiza. In acest sens, este investigat impactul implementarii sistemului in cadrul spectacolului sportiv televizat.

 In teren, fiecare jucator poarta cate un echipament GPS de localizare si un modul GSM de transfer de date, in timp ce monitorul central, echipament stationar, proceseaza informatia intr-un format compatibil cu aplicatiile metodologice si/sau de spectacol vizual. Proiectul se afla in stadiul finalizarii experimentelor. Figura 8 prezinta o reconstituire pe computer a traiectoriei unui jucator pe un teren de joc determinat.

Figura 8. Reconstituire a traiectoriei unui sportiv urmarit prin sistemul REALTRACE

In loc de concluzii

 Prezentul articol s-a dorit numai o trecere in revista a unor solutii de urmarire a miscarii sportivului, fara prea multe detalii tehnice si fara pretentia exhaustivitatii. Antrenori, sportivi si cercetatori devenim din ce in ce mai constienti ca mijloacele tehnice puse la indemana noastra de tehnologiile noii societati bazata pe cunoastere sunt de natura sa contribuie substantial la imbunatatirea performantelor sportive, la diversificarea spectacolului sportiv si, in final, la cresterea calitatii vietii.

Abstract

Movement is performed and then lost, evaporating into thin air. A musical score written 200 years ago can be reread and interpreted with precision and fidelity to the original composition, but historical dances are lost. The paper is a review of the various techniques used for human mouvement tracking, focused on sport applications.

Bibliografie

*** DartTrainer User Guide. www.dartfish.com

Dinu, D., Levèque, J-M., Natta, F., Vandewalle, H., Portero, P., Evolution of Kinematic and Electromyographic Parameters During the Differents Phases of a Throw - A Preliminary Study. Noua Zeelanda, ISBA, 2003

Mulder, A., Human movement tracking technology. HTML document, School of Kinesiology, Simon Fraser University, 1994

Perales, F.J., Human Motion Analysis & Synthesis using Computer Vision and Graphic Techniques. State of the Art and Applications. PDF document subsidized by CICYT through TIC98-0302-C02-01 project

Pers, J., Vuckovic, G., Kovacik, S., Dezman, B., A, Low-Cost Real Time Tracker for Live Sport Events. Proceedings of Sixth Computer Vision Winter Workshop, Blend, Slovenia, 2001

Pers, J., Bon, M., Kovacik, S., Errors and Mistakes in Automated Player Tracking. Proceedings of Sixth Computer Vision Winter Workshop, Blend, Slovenia, 2001

*** REALTRACE, proiect finantat prin Programul AEROSPATIAL (2001-2003). Director de proiect Pierre Joseph de Hillerin, INCS

Schor, V., Stupineanu I., De Hillerin, P.J., Constantinescu D., Endurance in Swimming, Analized from the Standpoint of Automatic Regulation Theory. In: Biomechanics and Medicine in Swimming, vol.14, 1983