Видеотехнический комплекс для анализа движений спортсменов

 

Использование: Изобретение относится к области спортивной медицины и может быть использовано для контроля и анализа качества выполнения спортсменами различных движений и управления тренировочным процессом. Сущность изобретения: С помощью комплекса производится синхронная видеосъемка движений спортсмена несколькими видеокамерами, полученные видеофрагменты передаются в компьютер, где вычисляется траектория интересующей контрольной точки. Камеры установлены так, что возможная помеха, появляющаяся перед одной из камер и закрывающая для нее в определенный момент какую-либо контрольную точку, не закрывает в то же время эту точку для других камер, а при вычислении траекторий выявляют кадры на видеофрагментах всех камер, где контрольная точка закрыта помехой, и исключают эти кадры из дальнейшей обработки, а для остальных кадров рассчитывают координаты контрольной точки, затем для одноименных кадров производят осреднение вычисленных координат по всем видеофрагментам. Техническим результатом является повышение помехозащищенности отслеживания положения контрольных точек на теле спортсмена или снаряде, а при отсутствии помехи - уменьшение случайной погрешности отслеживания координат контрольных точек, что достигнуто благодаря введенной аппаратной избыточности и наличию операции осреднения результатов.

Полезная модель относится к области спортивной медицины и может быть использована для контроля и анализа качества выполнения спортсменами различных движений и управления тренировочным процессом.

Оценка эффективности спортивных тренировок (с возможным выявлением усталостных явлений в мышцах), а также контроль состояния опорно-двигательного аппарата (суставов, нервно-мышечных тканей) в процессе реабилитационных процедур, проводимых после каких-либо повреждений (переломов, растяжений, ушибов и т.д.), обычно проводится с помощью специальных тестов для спортсмена по выполнению определенных физических упражнений.

Системы анализа качества движений, как правило, основаны на применении датчиков для измерения параметров движения (обычно это перемещение части тела (угловое или линейное), скорость или (и) ускорение, сила, время выполнения упражнения или удержание какого-либо параметра, количество повторов упражнения), а также каких-либо вычислительных и регистрирующих устройств.

Так, например, в наиболее простом виде такая система контроля и анализа может включать в себя плоский лист - хранитель изображения, на котором с помощью специального пишущего устройства, соединенного с исследуемой частью тела, наносят метки до начала и после окончания движения. Затем полученное изображение подвергается анализу [Заявка на изобретение РФ №97100008, А61В 5/103, опубл. 1999.02.10]. Очевидно, что такая система отличается простотой и низкой стоимостью реализации, но она далека от совершенства в смысле удобства его применения, информативности получаемых данных, автоматизации

выполнения теста и обработки данных.

Существует много других более производительных систем для исследования двигательных функций, в которых используются элементы, жестко прикрепляемые к исследуемым частям тела и осуществляющие механическую передачу движений к угломерным устройствам. Так, в устройстве [Пат. РФ №2215467, А61В 5/103, опубл. 2003.11.10] такое угломерное устройство выполнено в виде шкалы или указателя, шарнирно связанного с элементами, перемещаемыми вместе с исследуемой конечностью. Однако недостатком таких систем анализа движений является то, что в них стесняются движения спортсмена из-за жесткого способа крепления измерительных устройств.

Полностью освободить спортсмена от контакта с механическими датчиками можно только с применением таких способов, когда осуществляется бесконтактная, например, оптическая, регистрация движений.

Например, известна система изучения движения объекта [Пат. США №6266136, G01B 011/26, НКИ 356/139.03, опубл. July 24, 2001], включающая в себя закрепленные на объекте (спортивном снаряде) отражающие метки, осветитель объекта, фотоприемники, воспринимающие переотраженное от меток-отражателей излучение в процессе движения объекта и компьютер, с помощью которого вычисляются координаты объекта. Однако точность определения координат такой системой невысока, и кроме того, требуется довольно сложная процедура калибровки. Неудобным и не всегда приемлемым является также закрепление на изучаемом объекте отражательных меток.

Известны также системы, реализуемые на основе фотографической записи движений, кино- или видеозаписи [Уткин В.Л. Биомеханика физических упражнений. - М: Просвещение, 1989, гл.3].

Преимущества таких систем очевидны: полное отсутствие механического контакта со спортсменом, универсальность применения, большие возможности по компьютерной обработке полученной информации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой системе является видеотехнический комплекс, реализующий способ контроля и анализа движений спортсменов [Патент РФ №2233685, МПК А63В 71/00, опубл. 10.08.2004 / Зайцев В.К. и др. Способ контроля и анализа биомеханических параметров спортсменов]. Видеотехнический комплекс содержит видеокамеру, подключенную к компьютеру. Функционирование комплекса не предусматривает размещения специальных отражающих меток на спортсмене или снаряде, а отслеживание положения контрольной точки, показанной на первом кадре, по всем последующим кадрам, происходит в автоматическом или ручном режиме.

Недостатком указанного видеотехнического комплекса является то, что в случае, если между камерой и изучаемой контрольной точкой возникает помеха (судья, тренер, ассистент, часть снаряда и т.д.), то даже ее кратковременное появление приводит к сбою отслеживания движения контрольной точки, и даже при отслеживании в ручном режиме часть полезной информации теряется или искажается.

Техническая задача, решаемая данной полезной моделью, заключается в повышении помехозащищенности видеотехнического комплекса за счет аппаратной избыточности и исключения из обработки кадров с искаженной информацией.

Задача решается тем, что в известном видеотехническом комплексе для анализа движений спортсменов по траекториям контрольных точек на теле спортсмена или снаряде, содержащем видеокамеру и компьютер, структура изменена таким образом, что комплекс содержит две или более видеокамеры, подключенные к компьютеру через синхронизирующее устройство и установленные так, что возможная помеха, появляющаяся перед одной из камер и закрывающая для нее в определенный момент какую-либо контрольную точку, не закрывает в то же время эту точку для других камер.

Предлагаемая система показана на фиг.1. Схематично (вид сверху) показаны спортсмен 1, снаряд 2 (например, штанга), контрольная точка 3

(для примера расположенная на торце грифа штанги), видеокамеры 4, 5, 6, подключенные через синхронизирующее устройство 7 к компьютеру 8, возможная помеха для видеосъемки 9. Камеры 4, 5, 6 расположены таким образом, чтобы при появлении возможной помехи 9 контрольная точка 3 оставалась бы в зоне видимости хотя бы одной из камер.

Видеотехнический комплекс работает следующим образом. На компьютере 8 оператором производится запуск программы записи видеоизображений, которая посредством устройства синхронизации 7 инициирует одновременное включение видеокамер 4, 5, 6 в режиме записи. Спортсмен 1 при этом выполняет упражнение. Контролируемая точка 3 находится в зоне видимости всех камер. Если в процессе выполнения упражнения появляется помеха 9, она может закрыть контрольную точку 3 для одной или двух камер, но хотя бы для одной камеры эта точка остается видимой. По окончании упражнения с компьютера 8 подается команда остановки записи, и посредством синхронизирующего устройства 7 инициируется синхронная остановка записи всех камер. Далее по команде с компьютера 8 организуется последовательная перезапись записанных видеофрагментов из памяти видеокамер 4, 5, 6 (функции которой могут выполнять флэш-карты или кассеты с магнитной лентой) в память компьютера 8. В частном случае, если видеокамеры являются аналоговыми, компьютер 8 дополнительно выполняет функцию преобразования аналогового вида записи в цифровой. В итоге в памяти компьютера будут записаны по одному стандартному цифровому видеофрагменту одинаковой длины для каждой из камер. Далее на компьютере 8 запускается диалоговая программа отслеживания положения контрольной точки 3 для каждого из видеофрагментов. При этом на первом кадре каждого видеофрагмента оператор показывает курсором положение интересующей контрольной точки и производят калибровку расстояний, которая заключается в показе на видеокадре известных расстояний по вертикали и по горизонтали в плоскости, для которой предполагается дальнейшее построение траектории движения точки, и вводе с клавиатуры соответствующих известных истинных значений.

Например, при изучении движений тяжелоатлетов в качестве контрольной точки часто берут центр торца грифа штанги и исследуют ее траекторию в вертикальной плоскости, перпендикулярной грифу. Для калибровки в этом случае удобно использовать изображения ближайших к камере дисков штанги, которые имеют стандартный диаметр 45 см. В других случаях могут быть использованы плоские разметочные калибры, устанавливаемые в интересующей плоскости движения. После калибровки в памяти компьютера сохраняются коэффициенты пересчета координат экранных пикселей в истинные прямоугольные декартовы координаты для каждого из видеофрагментов. Далее оператором производится запуск программы автоматического отслеживания положения контрольной точки для каждого из видеофрагментов. Последовательность действий этой программы основана на поиске на каждом последующем кадре центра небольшой области, наиболее похожей на область такого же размера с центром, совпадающим с положением контрольной точки на текущем кадре. Найденный центр наиболее похожей области принимается за следующее положение контрольной точки и осуществляется переход к следующему кадру и т.д. При этом оператору представляются уже пересчитанные с учетом калибровочных коэффициентов истинные значения координат (например, в сантиметрах). До тех пор, пока на видеофрагментах отсутствует помеха, вычисленные значения координат осредняются путем сложения значений соответствующих координат, полученных от разных видеокамер, и делением сумм на число видеокамер. Тем самым существенно уменьшается случайная погрешность отслеживания контрольной точки. Если же на каком-либо из видеофрагментов появляется перекрывающая контрольную точку помеха, то процесс отслеживания на этом видеофрагменте тормозится оператором, и на время действия помехи этот видеофрагмент исключается из вычисления осредненных координат контрольной точки. Таким образом, осреднение вычисленных координат производится для одноименных кадров (кадров с одинаковым номером) по всем видеофрагментам, исключая кадры с закрытой контрольной точкой. В частном случае, когда контрольная

точка открыта только для одной камеры, осреднение не производится.

Осредненные координаты затем используются для графического представления полученной траектории контрольной точки, а также для других вычислений и построения различных зависимостей (например, временных зависимостей перемещений, скоростей и ускорений).

Таким образом, описанный видеотехнический комплекс, благодаря введенной аппаратной избыточности и применяемым диалоговым программам обработки видеофрагментов, выгодно отличается от известных, обеспечивая повышенную помехозащищенность отслеживания положения контрольных точек, а при отсутствии помехи - уменьшение случайной погрешности отслеживания координат контрольных точек.

Для удобства реализации программной части комплекса все необходимые операции выполняются в диалоговом режиме в среде программы-оболочки, из которой осуществляется запуск других описанные выше программ.

Видеотехнический комплекс для анализа движений спортсменов по траекториям контрольных точек на теле спортсмена или снаряде, содержащий видеокамеру и компьютер, отличающийся тем, что комплекс содержит две или более видеокамеры, подключенные к компьютеру через синхронизирующее устройство и установленные так, что возможная помеха, появляющаяся перед одной из камер и закрывающая для нее в определенный момент какую-либо контрольную точку, не закрывает в то же время эту точку для других камер.



 

Наверх