Безконтактні (оптичні і оптико-електронні) методи контролю

Відповідно до блок-схеми інструментальних методів контролю, представленій на рис. 2.1, розглянемо безконтактні методи — оптичні та оптико-електронні.

Будова фотоапарата та кінокамери. Серед сотень сучасних моделей фотоапаратів є громіздкі й мініатюрні, більш і менш точні, складні й прості. Усі вони складаються зі світлонепроникної камери (корпусу), об'єктива, видошукача та світлочутливого матеріалу. Звичайно це фо­топлівка завширшки 36 або 60 мм, а у спеціальній вимірювальній апа­ратурі — фотопластинка розміром 130 х 80 мм. Чим більший формат матеріалу, тим вища розв'язувальна здатність фотографування. У кор­пусі знаходиться також затвор об'єктива та механізм пересування плівки на один кадр. Затвор призначений для того, щоб на короткий, точно визначений проміжок часу пропустити світловий потік на світ­лочутливий матеріал. Цей проміжок часу (або витримка) позначаєть­ся цифрами ЗО, 60, 125, 250, 500 (наприклад, витримка 125 означає, що затвор об'єктива відкритий протягом 1/125 долі секунди).

Об'єктив фотоапарата складається з оправи, лінз та діафрагми. За допомогою діафрагми можна регулювати розміри діючого отвору об'єктива. Для величини діафрагми прийнято такі позначки: 2; 28; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Переходячи від меншої цифри до наступної — біль­шої, ми вдвічі зменшуємо отвір, через котрий світло попадає на фо­топлівку. Одночасно збільшується "глибина різкості", тобто зона простору, в котрій усі предмети зображуються різко.

Таким чином, змінювати освітленість фотоматеріалу можна дво­ма способами: витримкою та діафрагмою. Наприклад, сполучення витримки 60 та діафрагми 11 є еквівалентним сполученню витримки 125 з діафрагмою 8.

Видошукач потрібний для визначення меж кадру. Він дає можли­вість встановити, які предмети входять у кадр, а які лишаються за йо­го межами. Якісний видошукач, окрім того, дозволяє наводити на різ­кість та контролювати її при зйомці.

Сучасний фотоапарат стає усе більш автоматизованим. Він має вмонтований експонометр, основною частиною котрого є фотоеле­мент, що дає струм, пропорційний освітленості. Завдяки цьому авто­матично встановлюється витримка та діафрагма. Окрім того, можли­ве автоматичне регулювання різкості.

Останнім досягненням фототехніки є використання повних фотоапаратів-автоматів з системою чіп-карт: зображення кодується на магнітну картку, котра розпізнається за допомогою персонального комп'ютера (рис. 2.18, 2.19), або цифрових фотокамер "оп-liпе", котрі кодують зображення одразу у цифровій форміі з'єднані з ПК, що дає можливість миттєво побачити відзнятий кадр на "оп-liпе"екрані фотокамери та на моніторі ПК (рис. 2.19).

.

Рис. 2.18.Зовнішній вигляд цифрового фотоапарату “Nikon D7000”.

Рис. 2.19. Встановлення чіп-карт памяти форматів SD та SDHC у фотоапаратах “ Nikon D5000 ”та “ Nikon D7000 ”(подвійне зніздо) обємом до 32 Гб.

Конструкція кінокамери відрізняється тим, що у неї кадри змінюються автоматично за допомогою пружинного механізму або електричного двигуна, котрий працює від батарейки. Кіноплівка пересувається переривчасте (кадр за кадром) зі швидкістю не нижче за 16 кадрів на секунду. Така або більш висока швидкість руху плівки потрібна для того, щоб реалізувався "кінематографічний ефект", котрий полягає у швидкому "бігу" кадрів і сприймається глядачем як безперервне зображення.

Кінокамера складається з тих самих основних частин, що й фотоапарат. Окрім того, у неї є стрічкопротяжний механізм та фільмовий канал. Фільмовий канал забезпечує суворо перпендикулярне положення плівки щодо оптичної осі об'єктиву. На відміну від фотоапаратів більшість кінокамер наводиться на різкість "на око". Кінооператор оцінює відстань об'єкта зйомки та встановлює його на дистанційній шкалі об'єктиву.

Точність кінозйомки тим більша, чим більший формат кінокадра на плівці. Використовується плівка шириною 8, 16, 35 мм. Чим шир­ша плівка, тим точніша зйомка, але застосовується складніша й до­рожча апаратура. Загалом же, граничне досягнення точності при кінозйомці значно нижче, ніж при фотографуванні. Пояснюється це тим, що фотоплівка та пластинка є нерухомими, а кіноплівка рухаєть­ся, і якою досконалою не була б конструкція фільмового каналу, не­можливо домогтися суворо фіксованого положення кіноплівки від­носно об'єктиву.

Кінопроекційна апаратура використовується для показу зобра­ження на екрані 1 х 1,37 м. Застосовуються і широкоформатні системи кінопроекції з великими кутовими розмірами зображення з екранами 1 х 2,35 м або 1 х 1,85 м. Широкоформатна система проекції передбачає застосування екранів завширшки 14-22 м.

У спортивній практиці, наприклад, для кінопроекції найчастіше використовуються пересувні кіноустановки типу "Русь", "Волна", "Ук­раїна-5", "Україна-7". Усі вони розраховані на живлення від однофаз­ної мережі перемінного струму напругою 127 і 220 В з частотою 50 Гц (для автономного електроживлення можуть застосовуватися бензино - електричні установки АБ1-О/230).

Кінопроектор "Русь" використовується для демонстрації 8-мілі­метрових навчальних фільмів без звукового супроводження (можливе застосування магнітофону і синхронізатора). Апарат випускається у двох варіантах (об'єктив з постійною фокусною відстанню 18 мм; від­носна фокусна відстань — 18—30 мм, відносний отвір — 1/12). Апарат оснащений кварцево галогенною проекційною лампою КГМ 12—100 (12 В, 100 Вт). Проектор дозволяє плавно регулювати швидкість про­екції, збільшувати швидкість, здійснювати покадрову проекцію, пе­реключати механізм на зворотний хід, що особливо важливо при де­тальному вивченні техніки спортивних рухів.

Кінопроектор "Волна" також дозволяє демонструвати 8-міліметрові фільми (3,25 х 4,4 мм - для звичайної плівки та 4,01 х 5,36 мм - для плівки "Супер -8"). Джерелом світла є кварцево - галогенна лампа КГМ 12 – 75 з інтерференційним відбивачем.

Пересувна установка "Україна-5" дозволяє демонструвати 16-міліметрові звукові фільми. Вона включає проектор П16П1, універ­сальний звуковідтворювальний пристрій КЗВП-10, автотрансформа­тор, кіноекран. Проектор складається з проекційної лампи розжарювання, відбивача, конденсатора та об'єктива. У якості приводу у проекторі використовується асинхронний одноразовий двигун, що забезпечує частоту руху 24 кадри на секунду. Ємність бобин — 120 та 600 м. Розміри кадру — 7,2 х 9,6 мм. Звуковідтворювальна частина проектора має лампу К4-3 (4 В, 3 Вт) та безщілинну циліндричну оптику для відтворення звуку з фотографічної фонограми (лампа жи­виться постійним струмом від випрямляча підсилювального пристрою). Перетворювачем світлових коливань працює фотодіод. Звуковий блок має магнітну головку для відтворення магнітних фо­нограм та 16-міліметрових фільмокопій.

Пересувна кіноустановка "Україна-7" відрізняється від Україна-5" новою світлооптичною системою та пристроями для відтворення фотографічних фонограм.

Фотографічний комплекс стробофотозйомки включає фотографічні камери та стереокомпаратор. Стереокомпаратор (типу "Стекометр") складається із пристрою зчитування координат, пульта управління та друкуючого автомата. Отримана в результаті стереозйомки пара знім­ків фіксується на вимірювальному столі стереокомпаратора. Потім на центр кожного маркера за допомогою трьох ручних штурвалів наво­диться "вимірювальна марка". Перший штурвал переміщує "вимірю­вальну" марку вперед-назад, другий — ліворуч-праворуч, третій — вгору-вниз. Після кожного наведення друкуючий пристрій реєструє координати точки. Реєстрація координат однієї точки триває 6—10 с, а на повну обробку стереознімка (наприклад, одного кроку) витрача­ється 1—2 год. Це у десятки разів менше, ніж при ручній обробці знімків.

Після того як визначено координати маркерів, на папері будуєть­ся схематичне зображення ("промір") поз людини, котра рухається. Раніше промір будували вручну. Останнім часом цю операцію вдало­ся автоматизувати. Для цього координати маркерів вводять у пам'ять ПК, котра управляє графопобудовником.

Відеомагнітофони та їх застосування. У фотографії та кінозйомки є великий недолік: обробка фотоматеріалів (проявлення плівки, фо­тодрук тощо) дуже трудомістка й забирає багато часу. Більш опера­тивним є запис і відтворення рухів за допомогою відеомагнітофонів. Система відеозапису складається з відеокамери (пристрій запису відеосигналу на магнітну стрічку), відеомагнітофона (пристрій відтворення) та відеомонітора (спеціальний телевізор для перегляду відеозапи­су). Сучасні відеомагнітофони дозволяють виконувати "стоп-кадр" та уповільнене відтворення зображень. Такі можливості мають вітчизня­ні відеомагнітофони "Електроніка ВМ-32", а також дуже поширені у нашій країні відеомагнітофони фірм SОNY, РАNАSОNIС, АКАІ та ін. Останні моделі відеомагнітофонів важать менше 3 кг і призначені для запису та відтворення кольорового зображення, що робить відеозапис більш привабливим у навчальному процесі.

Магнітна стрічка, на котру записується зображення, схожа на стрічку для звукозапису, але вона ширша (13, а не 6 мм) і міститься у касеті розміром із невелику книжку (188 х 104 х 25 мм). У нашій краї­ні випускаються відеокасети п'яти типів: ВК-30, ВК-60, ВК-90, ВК-120, ВК-180 (цифра означає тривалість запису або відтворення у хвилинах).

Одночасно із зображенням відеомагнітофон записує звук. На­приклад, коли відтворюється запис веслувальної гонки, чутно сплески весел, дихання веслярів, а при відтворенні футбольного матчу — звук ударів по м'ячу, шум трибун тощо. Окрім того, оператор має мож­ливість робити "мовні вставки", коментуючи події, що відбуваються.

Дуже зручним є таймер: зображення на екрані монітора супро­воджується цифрами поточного часу.

Зйомка відеокамерою мало чим відрізняється від кінозйомки. Єдина суттєва різниця полягає у тому, що під час відеозйомки є можливість одразу ж перевірити якість запису. Для цього плівку перекру­чують назад, включають відеомагнітофон на відтворення та розгляда­ють зображення на екрані відеокамери (цей невеликий екран розта­шований з боку, протилежного до об'єктиву, і під час запису викорис­товується для контролю записуваного зображення).

Користь, котру приносить відеомагнітофон при навчанні рухів, є безсумнівною. Він, як дзеркало, дає можливість подивитися на себе з боку і побачити усі помилки й неточності своїх рухів та швидко їх виправити.

Не менш корисно застосовувати відеотехніку при опануванні те­оретичних знань, і тут відеомагнітофон дає змогу практично реалізу­вати принцип наочності у навчанні. Відеофільм, що є у розпоряджен­ні педагога, — це дуже ефективний засіб. В будь-який момент можна зупинити перегляд або почати його з будь-якого місця запису. Мож­на пропустити нецікаві моменти (фрагменти) або, якщо якийсь епізод особливо сподобався чи зацікавив, або не засвоєно з першого разу, то можна переглянути його ще кілька разів.

У 1995 р. у світі відео відбулася революція, котру здійснила, об'єд­навшись у консорціум, невелика, але вельми впливова група, до котрої увійшли 55 міжнародних виробників електроніки, у тому числі SОNY, РНІЛIРS, НІТАСНІ, РАNАSОNIС та JVС. Було прийнято цифровий формат відеозапису на магнітну плівку DVС (Digitа1 Vіdео Саssette) або DV (Digitа1 Vіdео). І вже наприкінці 1995 р. SОNY представила першу DV-відеокамеру DVRVХ1000, що забезпечує дивовижно високу вихід­ну якість (за деякими оцінками вона наближається до якості формату Веtасаm SР), відрізняється невеликими розмірами та досить доступною ціною, що майже у три рази нижче ціни найдешевшої відеокамери, котра працює у форматі Веіасат. Але й це ще не все! Відповідно до стандартів ІЕЕЕ 1994 (Fіге Wіге) цифрове відео може переноситися з відеокамери на жорсткий диск комп'ютера і назад без поцифровки та ін­ших перетворень. Завдяки цьому стають непотрібними складні системи поцифровки відео, що коштують кілька тисяч доларів.

DV — що це таке? DV — це формат запису на магнітну стрічку завширшки 6,35 мм зі швидкістю пересування 18,831 мм·с^-1. Для по­рівняння нагадаємо, що знайомі нам VHS та S-VHS, навіть професіо­нальні Веtасаm-касети мають ширину 12,65 мм, а швидкість пересу­вання стрічки для VHS та S-VHS становить 23,39 мм·с^-1, для Веtасаm — 101,5 мм·с^-1. Це означає, що щільність запису DV - інформації над­звичайно висока — понад 0,4 Мбайт на 2 мм², і тому касета mini-DV, розрахована на 60 хв відео, має розміри 66x48 х 12,2 мм. Ємкість стандартної (великої) DV-касети (125 х 78 х 14,6 мм) може становити 120 і навіть 180 хв (було оголошено і про касету на 240 хв), а ємкість Веtаcam-касети — ЗО хв. Окрім того, SONY запропонувала DV-касети з інтегрованою мікросхемою пам'яті для збереження списку записа­них відеосюжетів: часові коди початку i кінця кожного відеосюжету, монтажні помітки, номери сцен та дублів.

Кадрові на стрічці відповідають 12 похилих рядків-доріжок (для NTSC -10) завширшки 10 мкм, на кожній з котрих, поряд із записом власне аудіо- та відеоданих, тайм-коду кадра (time-code — година, хвилина, секунда iпорядковий номер кадру) та службових даних (ITI — Іnsert and Track Іnformatiоп) передбачено можливість запису розширеної інформації про відеозйомку.

DV — це компонентний (YUV) формат зображення сигналу, котрий забезпечує пропускна здатність по горизонталі 500 ліній (для S-VHS — 400, а для Веtіасаm SР — 650 ліній), відношення сигнал/шум — 54 дБ (для Веtасаm SР — 51 дБ), а також ширину частотного діапа­зону кольоропередачі — 1,5 МГц (для Веtасаm SР — 1,5 МГц, для S-VHS — 0,5 МГц). Отже DV забезпечує професіональну якість запи­су відеосигналу.

DV — це цифровий формат запису, що само по собі гарантує ідентичність кожної копії оригіналу і можливість цифрового редагу­вання відео (до окремих кадрів) без втрати якості. Поцифровка здій­снюється з пропускною здатністю 720 х 576 відповідно до схеми 4:2:0 (для NTSC — 720x480; 4:1:1). Це означає, що кожний кадр містить 720 х 576 значень яскравості Y i по 360 х 288 значень U та V.

Однак максимальна швидкість відеозйомки (за найкращої якості) навіть у спеціальних професіональних відеокамерах, про котрі йтиметься далі, лишається 1000 кадрів на секунду. Саме тому високошвидкісні явища (наприклад, виліт кулі, вибухова хвиля, різноманітні ударні вза­ємодії та ін.) досліджуються за допомогою так званої рапідної зйомки (швидкість зйомки: 5000 — 10 000 кадрів на секунду). Немає сумніву, що цей недолік відеозйомки найближчим часом буде усунутий. Наприклад, вже у 1998 р. фірма DEDO WEIGERT FILM (Німеччина) надала на світовий ринок цифрові відеокамери "СЕDLАКЕ МОTІОN SСОРЕ", що мають швидкість зйомки до 8000 кадрів в секунду.

Автоматизовані відеокомп'ютерні системи. Розвиток ПК та відеотехніки у світі у 1990-ті роки надало нового імпульсу в удосконаленні засобів автоматизації управління процесом рухів люди­ни. До цього часу у біомеханіці вже було накопичено багатий досвід аналізу рухів людини. Однак його широкомасштабне використання, що базувалося переважно на традиційних кіно- та фотометодах реєстрації рухів, на практиці дуже гальмувалося через складність та об'єм­ність обчислювальних операцій з обробки кінограм. Тому вдале поєд­нання відеометодів реєстрації рухів з високоефективними методами обробки їх результатів, що основуються вже на перевірених числен­ними дослідами алгоритмах біомеханічного аналізу, призвело до вель­ми вражаючих результатів.

Найбільшого розвитку цей напрям набув у розвинених країнах заходу, де вже з початку 80-х років відбувається переоснащення мате­ріальної бази в області вимірювань рухових дій людини у режимі "оп-Ііпе" (реального часу). Нові біомеханічні центри відкрилися в Австрії, Греції, Швеції, Чехії, Словаччині, Великобританії, Південній Кореї. Збільшилася кількість колективів фахівців-біомеханіків, що працю­ють у країнах, котрим належить науковий пріоритет у цій галузі, — США, Канаді, Японії, Німеччині.

Втілення у практику передових досягнень біомеханіки потягнуло за собою зміни методології досліджень, що виявилося у все більшій їх комп'ютеризації на всіх рівнях, розробкою та втіленням високопро­дуктивних та недорогих мікрокомп'ютерів. Саме тому важливою від­мінністю цих змін стала поява більш ефективних методів вимірюван­ня, складної високоточної вимірювальної апаратури, здатної зафіксу­вати усі необхідні параметри. На перший план виступають дистанцій­ні та безконтактні методи дослідження. Дані положення визначають на сьогодні у біомеханіці три основних напрями розвитку вимірю­вальних систем, основаних на застосуванні [4]:

• високошвидкісних відеокамер у комплексі з дешифраторами відеофільмів для персональних комп'ютерів (ПК);

• стаціонарно встановлених динамографічних платформ, що пра­цюють у природних умовах, з виводом даних на ПК;

• автоматизованих систем обробки відеограм на базі ПК.

У всіх трьох випадках технологія фіксування та обробки інфор­мації із застосуванням ПК у режимі реального часу дає можливість оперувати великим обсягом даних, причому акцент у дослідженнях спрямований в основному на вивчення моделей техніки спорт­сменів високого класу. Це послужило основою появи пересувних лабораторій з компактними вимірювальними системами, що дозво­ляють контролювати рухові дії спортсменів у ході тренувального процесу у природних умовах і упритул підійти до розв'язання проблеми моделювання спортивної техніки (рис. 2.20.).

.

Рис. 2.20. Приклад відео- моделювання спортивної техніки у режимі "оп-Ііпе".

До числа найсучасніших високопродуктивних систем, на наш погляд, нині можна від­нести такі:

1. Автоматизована система обробки відеограм (АСОВ) "КINЕХ" (Україна, НУФВСУ, кафедра кінезіології) дозволяє не тільки відстежувати та поцифровувати переміщення біоланок тіла людини в одноплощинній дії, як у зарубіжних аналогах 1—3, але й виконувати на базі спеціаль­них програмних продуктів широкий спектр математично-статистич­них процедур (рис. 2.21.).

Рис. 2.21. Блок-схема відеокомплексу "КINЕХ".

Для кількісного біомеханічного аналізу нині використовуєть­ся відеокомп'ютерний комплекс "КINЕХ" (Р. Хальянд, 1989), у котрому стандартний відеотелевізійний блок, що дозволяє відтворю­вати відеозображення з частотою 50 напівкадрів на секунду, сполу­чений із системою аналого-цифрового перетворення у комп'ютері (рис. 2.21). Зчитування координат точок об'єкта, котрий цікавить, здійсню­ється зі стоп-кадра відеофільму, відтворюваного на відеомоніторі, за допомогою аналогове перетворювача типу "миша". У якості моделі опорно-рухового апарату людини використовується розгалужений кі­нематичний ланцюг, ланки котрого за геометричними характеристи­ками відповідають великим сегментам тіла людини, а точки відліку координат — основним суглобам (усього 18 точок). Програмне забез­печення комп'ютера - відеоаналізатора дозволяє розраховувати кінематичні параметри руху будь-якої поцифрованої (занесеної у пам'ять) точки як у соматичній, так і в інерціальній системі координат

Реєстрація положень тіла у русі (рис. 2.22.) здійснюється відеокамерами типу GVC GF-500 зі стандартною швидкістю відеозйомки для системи VHS. Враховуються усі метрологічні вимоги, що дозволяють звести до мінімуму систематичні та випадкові похибки, котрі виникають внас­лідок специфічних якостей оптики, правильного масштабування площини зйомки для наступного визначення реальних координат необхідних точок, відповідним орієнтуванням камери у просторі від­носно площини руху.

Рис. 2.22. Умови відеозйомки.

Для зменшення похибок вимірювань просто­рових характеристик під час руху людини при зйомці використову­ється високошвидкісний електронний режим, що дозволяє знімати з витримкою 0,001 с. Зменшення похибки обчислень часових та просторово-часових характеристик, пов'язаних зі швидкістю протя­гування плівки та випадковими помилками оператора при покадровому "гортанні" зображення на відеокомп’ютерному комплексі, здій­снюється за рахунок кодування відеосигналу під час відеозапису, котрий згодом при скануванні розпізнається та зчитується відеокомп’ютером..

2. Система аналізу рухів у двох і трьох площинах "ТАКЕL" (Японія), котра може аналізувати рухи тіла людини при зчитуванні з точністю до хвилини, коли кольорові маркери кріпляться на суглоби. Спеціальна кольорова ТУ-камера має високошвидкісний затвор, котрий можна використовувати як сенсор, а камеру скон­струйовано таким чином, щоб розпізнавати та визначати кольори кожного маркера, прикріпленого до людини. Ця система вимірює локальні координати маркера зі швидкістю до 60 кадрів на секунду у реальному часі та запам'ятовує результати вимірювання на гнучко­му диску. Потім дані вимірювання можуть бути проаналізовані без­посередньо після вимірювання. Зовнішнє розняття системи дозво­ляє легко приєднувати інші пристрої, включаючи тензоплатформи з синхронізованою базою таким чином, щоб можна було швидко й легко зібрати необхідні додаткові дані. Можлива конфігурація ос­новних блоків у двох варіантах: для аналізу рухів тіла у двох площи­нах і для аналізу рухів у трьох площинах, її можливості включають такі операції:

• вимірювання проводяться незалежно від розміру простору, внаслідок чого отримуються високоточні та об'єктивні дані (кількість каналів — 4, 8 або 12);

• механізм визначення кольорового маркера виключає необхід­ність у задньому фоні, тому вимірювання при зчитуванні їхніх коор­динат проводяться у реальних умовах;

• під час вимірювання місцеположення рухомих частин тіла вис­вітлюється на моніторі, тому рухи можна попередньо переглянути;

• дані координат запам'ятовуються на гнучкому диску безпосеред­ньо наприкінці вимірювання, тим самим підвищується ефективність вимірювання;

• дані координат, переміщень, швидкостей, прискорень, кутів, кутових швидкостей графічно представляються на дисплеї у кольорі; числові дані можуть бути одразу надруковані;

• вимірювання та аналіз можуть проводитися після запису на відеострічку.

3. Система "VІСОN-370" (Великобританія) складається зі станції-сервера бази даних, з'єднаних високошвидкісною мережею з од­нієї або більше робочих станцій. У системі встановлюється від 4 до 7 відеокамер. Станція даних синхронізує відеокамери та поцифровує у реальному часі зображення пасивних ретрорефлективних (обер­нено відбиваючих) маркерів, прикріплених на суглоби спортсмена. Число необхідних камер залежить від природи та складності руху, що вивчається. Звичайно використовується не менше 5 камер для трасування білатерального руху у трьох координатах. Конструкція системи дозволяє розміщувати камери у будь-якій конфігурації, що найкращим чином фіксують об'єкт. Камери обладнані інфрачерво­ними стробоскопічними джерелами світла, котрі не відволікають уваги досліджуваного та дозволяють використовувати систему у нормальних умовах флуоресцентного освітлення всередині примі­щення. До "VІСОN-370" за допомогою додаткового аналогового блоку можуть бути приєднані динамоплатформи, електроміографи та інші аналогові пристрої. Велика кількість рухів людини успішно вимірюється камерами, котрі працюють зі швидкістю від 50 до 60 кадрів на секунду, що відповідає більшості європейських або американських відеостандартів. Однак для вимірювання високошвидкісних рухів або ударних взаємодій "VІСОN-370" пропонує до використання камери з діапазоном швидкостей до 240 кадрів на секунду (рис. 2.24).

4. Модульні аналізатори рухів "РЕАК-3D РЕRFОМАNСЕ" та “QUALISYS” (Канада–США-Німеччина) дозволяють виконати безконтактні вимірювання у сагітальній, фронтальній та горизонтальній площинах на базі використання трьох професійних відеокамер та відеокомп'ютерного інтерфейсу, що фіксують траєкторії переміщення біоланок за допомогою спеціальних світловідбивачів-маркерів, закріплених на суглобах тіла людини (усього 24 канали; рис. 2.23).

Система "РЕАК РЕRFОМАNСЕ" працюють у комплексі з тензоплатформами, електроміографами, електрокардіографами, електроенцефалографами, акселе­рометрами, лічильниками деформації, електрогоніометрами, датчиками тиску. Швидкість зйомки — до 1000 кадрів на секунду.

5. Оптична електронна система UltraMotion Pro SPORT: високопродуктивний програмно-апаратний комплекс, призначений для аналізу та кількісної оцінки кінематичних характеристик руховихих локомоцій. Комплекс є незамінним для професійної практики у фізичному вихованні, фізичній реабілітації, спорті вищих досягнень і спортивної медицини (рис. 2.24.).

Реєстраційний елемент системи Ultra Motion Pro SPORT - спеціалізована високошвидкісна CCD-камера BONITA. Дані у комп'ютер поставляються в режимі on-line, за допомогою стандарту GigE, при цьому довжина кабеля для підключення відеокамери у комп'ютер, може сягати до 100 метрів, і швидкість каналу передачі інформації -1 гігабіт на секунду. Відеозапис при роздільній здатності екрану 640 x 480 виконюється з частотою до 200 кадрів в секунду, достатньої для аналізу найшвидших рухів. Змінна професійна оптика підвищує точність вимірювань шляхом мінімізації краю аберації.

Рис. 2.23. Загальний вигляд досліджуваного зі спеціальними світловідбивачами-маркерами, закріпленими на суглобах тіла у модульномі аналізаторі рухів РЕАК-3D РЕRFОМАNСЕ - QUALISYS.

Рис. 2.24. Оптико-електронна система Ultra Motion Pro SPORT з міні відеокамерою BONITA (2010)

Області застосування: дослідження спортивних локомоцій, оптимізація режимів тренувань, навчання грі у різних видах спорту: гольф, теніс, і т. д., розробка і тестування спортивного обладнання, експертиза працездатності і професійний відбір, балет і циркове мистецтво, реабілітація після травм.

Характеристики та можливості:

· частота відеозапису рухів - до 200 кадрів в секунду;

· інтерфейс підключення відеокамери – GigabitEthernet;

· модель дослідження у режимі 2d;

· легкі маркери - світловідбивачі (кулі), рис. 2.24;

· керівництво користувача на російській мові;

· вибір професійної оптики.

6. Швидкісний видеосзапис (на основі відеокамери CASIO EX-F1 [6]: Найважливішим елементом біомеханічних досліджень є отримання об'єктивних експериментальних даних рухової активності. Отримати такі дані можна по різному. Приоритетною основою найбільш універсальних сучасних методів є пряме визначення координат точок рухового об'єкта (тіла спортсмен) через найкоротші проміжки часу. Потім з отриманого матеріалу є можливість розрахунку практично всіх похідних характеристик рухової дії, починаючи від швидкостей, прискорень (окремих біоланок чи всього тіла) до енергетичних параметрів руху. Тут, як правило, використовуються різноманітні варіанти оптичної реєстрації та запису фізичної вправи. Ще двадцять років тому, класичними методами запису рухової дії були: кінозйомка, циклографічний і стробоскопічний варіанти фотозйомки. При вивченні складної просторової варіації рухів, з перерахованих методів може бути використано тільки двох, трьохплощинний або стереостробоскопічний варіанти фотозйомки (рис.2.25.). Ці підходи мали сприйнятливу точність, але вони були дуже вимогливі і складні у практичному застосуванні, а кількісні результати можна було отримати тільки через достатньо довгий період часу, необхідний для обробки фотоматеріалів чи кінострічки.

Рис.2.25. Схема застосування двохплощинної зйомки.

В наш час вищеперераховані варіанти отримання експериментальних результатів цифрового відео, завдяки розвитку комп'ютерних технологій, істотно продвинуто вперед. При використанні таких підходів данні поцифровки, в яких зацікавлений дослідник, можуть бути отримані в умовах майже реального часу. Сучасні відеокомп'ютерні комплекси дозволяють розділити реальний рух на кадри з частотою до 10000 і більше кадрів в секунду і миттєво їх обробити.

Далі наведено прилад використання одного з найсучасних цифрових оптико-електронних відеометодів реєстрації біомеханічних характеристик рухів людини на основі відеокамери CASIO EX-F1.

Порядок виконання необхідних попередніх підготовчих дій (за даними Сотського М.Б., Екимова В.Ю., Пономаренко В.К., 2010) наступний [16]:

1. Підготовка місця зйомки. Воно включає: певне місце виконання фізичної вправи; зони встановлення обладнання, висота установки і напрямок оптичної вісі. Для біомеханічних досліджень відеокамера зазвичай встановлюється за допомогою штатива на рівні ЗЦМ тіла спортсмена, причому оптична вісь відеокамери повинна бути розташована перпендикулярно до площини руху. Коли використовується кілька камер, їх оптичні вісі встановлюються перпендикулярно одна одній (у деяких випадках оптичну вісь камер можна спрямувати на інших кутах до початку зйомки).

Зйомку в лабораторних умовах, рекомендується проводити на спеціально підготовленому фоні, на якому характерні точки тіла спортсмена, зокрема, маркери на суглобах чітко контрастно виділено. Традиційно, в якості фону використовується масштабована сітка на стіні, або на щиті контрастного кольору. Сітка обов’язково необхідна для визначення масштабу. При відсутності сітки до кадру поміщають масштабну рейку, або предмет з відомими лінійними розмірами. При виконанні відеозапису, призначеного для біомеханічних досліджень, що проводяться на змаганнях, на стадіонах та в спортивних залах для визначення шкали можна використовувати елементи їх розмітки.

У деяких випадках відеозйомка може виконана відеокамерою, що рухається. Напрямок, швидкість руху і кути повороту відеокамери розраховуються заздалегідь до початку зйомки. Для цього на стадіонах та в спортивних залах монтується спеціального обладнання.

2. Підготовка виконавців. При зйомці в лабораторних умовах виконавці повинні мати мінімум одягу, причому її елементи мають бути максимально прилягати до тіла. Перед зйомкою на тілі спортсмена і предмети одягу наносяться спеціальні маркери. Зазвичай, це паперові круги контрастного кольору, закріпленні у центрах суглобів. Іноді (якщо виконуються складні руху) використовувати смуги, що охоплюють частини тіла на рівні центрів суглобів і центри тяжіння біоланок. Для здійснення автоматичної комп'ютерної обробки відео маркери робляться різних кольорів, що дозволяє комп'ютерній програмі автоматично визначати координати відповідних суглобів та інших характерних точок.

3. Підготовка відео обладнання. При виконанні відеозапису настройка відео обладнання має важливе значення. Вона включає в себе: установку камери і її надійну фіксацію на штативі, встановлення частоти зйомки, чутливості, різкості та розміру кадру, установку достатнього об’єму пам'яті записуючого обладнання, виконання пробного запису, оцінку результатів та корекцію (якщо необхідно) вказаних параметрів.

При виконанні вказаних операцій сам процес відеозапису достатньо простий, а отримані матеріали у вигляді файлу можуть бути передані на комп'ютер і використані у біомеханічних дослідженнях.

В заключенні слід відмітити, що при обробці даних оптичної реєстрації рухів, точність отримання кінематичних характеристик залежить: від частоти зйомки; якості обладнання, що використовується; якості маркерів, їх розташування та кріплення. Під час подальшого біомеханічного аналізу (наприклад, при розрахунках біодинамічних параметрів) точність дещо зменшується через відсутність точних даних про мас-інерційні характеристики тіла виконавця. Тут, як правило, використовуються усереднені параметри, в залежності від росту та ваги виконавця.Крім того, в ході аналізу, тіло людини моделюється у вигляді біокінематичної схеми (рис. 2.26), що являє собою взаємопов'язані абсолютно тверді сегменти (біоланки), які не відповідають реальним властивостям живого людського тіла. Однак, ці припущення дозволяють достатньо ефективно аналізувати принципи побудови рухових (моторних) дій і вирішити багато педагогічних завдань, пов’язаних з навчанням виконання складних (спортивних) вправ, розвитку рухових здібностей і багато інших аспектів.

Рис. 2.26. Побудова біокінематичної схеми фізичних вправ за матеріалами відеозйомки.

Приклад проведення швидкісного видеосзапису рухової дії

(на основі відеокамери CASIO EX-F1 (рис. 2.27, а, б):

1. Виберіть об'єкт для біомеханічних досліджень. Це може бути окрема фізична вправа в цілому, її частина, або будь-яка фаза, що виконується в одній площині.

2. Підготовка місця зйомки:

· визначати зону виконання вправи, напрямок і безпечні кордони переміщення виконавця, відносно запропонованого розташування відеокамери;

· при дослідженнях в лабораторних умовах, забезпечити фон зйомки високої контрастності та встановити масштабну планку.

3. Підготовка виконавця:

· показати виконавцю напрямок руху по відношенню до камери;

· вказати команди початку і кінця зйомки;

· забезпечити відповідну форму одягу;

· закріпити на тілі виконавця, або на елементах його одягу маркери.

4. Підготовка обладнання:

· встановити штатив, надійно закріпити камеру;

· відрегулювати за допомогою штативу висота камери на рівні ЗЦМ тіла виконавця (якщо передбачається вертикальне переміщення виконавця, камеру слід розташувати на висоті середнього рівня ЗЦМ тіла виконавця при виконанні рухових дій;

· зорієнтувати оптична вісь камери перпендикулярно до площини очікуваного руху.

5. Налаштування камери:

· встановити виконавця у вихідне положення, навести на нього камеру і переконатись, що при виконанні рухових дій він не виходить за межі кадру;

· якщо рух виконавця розміщується в кадрі з великим запасом, можна за допомогою трансфокатора встановити більш крупніший план зйомки;

· перевірити частоту зйомки, різкість і забезпечити достатнє освітлення об'єкту. В лабораторних умовах в камері CASIO EX-F1 наведення різкості забезпечується наведенням камери на об’єкт зйомки і дотику на кнопку фотоспуску 1 (рис. 2.27, а), розташованій у верхній частині камери до половини. Поява зеленого прямокутника вказує на успішне встановлення різкості;

· регулювання різкості поєднано з вибором величини експозиції, значення якої з'являється на правій стороні екрану камери. Тут зверніть увагу на те, щоб величина експозиції не була значно більше частоти зйомки. Наприклад, при зйомці з частотою 300 кадрів в секунду експозиція має бути значно більше 1/300 секунду. Практика показує, що під час такої зйомки експозиція в 1/250 є максимальним значенням. При значеннях експозиції більше, ніж 1/250, необхідно порадитися з інструктором, щоб настроїти параметри камери.

6. Виконання відеозапису досліджень (рис. 2.27, б):

· натисніть кнопку 2 запису відео (розташованій у правому верхньому кутку екрана камери і тільки після цього дати команду "Старт" на виконання рухових дій. Такий порядок зв’язаний з тим, що камера включається з деякою затримкою (в межах 0,5 с);

· після завершення рухових дій надати команду "Стоп" і повторно натиснути кнопку 2 запису відео.

7. Перегляд запису (рис. 2.27, б):

· натиснути зелену кнопку 3, яка розташована над екраном;

· кнопкою SET (4), розташованій праворуч екрану, запустити перегляд;

· оцініть якість зйомки;

· Натисканням червоної кнопки 5 над екраном, перейти в робочий режим і при необхідності виконати повторну зйомку.

8. Збереження матеріалів:

· видалити камеру зі штатива;

· підключити камеру до комп'ютера за допомогою спеціального кабелю;

· відкрити картку пам'яті камери;

· знайти опрацьований матеріал і перенести його на свою карту флеш-пам'яті;

· Використовуючи режим "безпечне видалення обладнання", зупинити взаємодії камери та комп'ютера, видалити з’єднувальний кабель з гнізд комп'ютера і камери;

· Кнопкою 6 (рис. 2.27 а) «ON/OFF» кнопки, розташованій на верхній панелі, виключити камеру.

Рис.2.27 (а). Зовнішній вигляд відеокамери CASIO EX-F1 (сагітальна площина).

Рис.2.27(б). Зовнішній вигляд відеокамери CASIO EX-F1 (фронтальна площина)

Аналіз існуючих розробок у даній галузі дозволяє зробити вис­новок, що безконтактні оптико-електронні методи відеокомп'ютерного аналізу мають найбільші перспективи щодо:

• по втіленню у теорію та практику біомеханіки рухів людини;

• для отримання об'єктивної кількісної інформації про рухову ді­яльність людини;

• по ефективному управлінню руховою структурою складнокоор-динаційних вправ у спортсменів вищих розрядів;

• по визначенню нових педагогічних засобів в управлінні рухами.

7. Star Trace 2D - пакет програм, призначених для кількісного аналізу біомеханічних характеристик рухів біологічних об'єктів, математичного моделювання окремих рухів і цілісних рухових актів (рис. 2.28). Як видно з назви, дослідженню піддається двовимірна (плоска) біомеханічна модель. StarTrace 2D використовується у всій лінійці апаратно-програмних комплексів UltraMotion Pro і функціонує на базі Intel Pentium 4 під управлінням операційних систем Microsoft Windows містить декілька основних модулів, що виконують різні задачі.

Рис. 2.28. Робочий момент комплексних біомеханічних досліджень на програмно-апаратному комплексі StarTrace 2D.

Характеристики і можливості StarTrace 2D:

• Захоплення та збереження відео на комп'ютері дослідника.

• Прямий і зворотній перегляд відео, у тому числі уповільнений і покадровий.

• Створення проекту багатоланкової біомеханічної моделі сукупності маркерних точок на тілі випробуваного й послідовності їх з'єднання.

• Поцифровка положення маркованих точок на тілі випробуваного в напівавтоматичному і повністю автоматичному режимах.

• Поцифровка положення немаркованих точок на тілі випробуваного в ручному режимі.

• Дослідження лінійних кінематичних параметрів (переміщення, швидкість, прискорення)

• Дослідження кутових кінематичних параметрів (кут, кутова швидкість, кутове прискорення).

• Аналіз похідних характеристик руху, таких, як фазові, характеристики траєкторії і сінкінезії.

• Порівняльний аналіз та статистична обробка кінематичних даних.

Особливості ПО StarTrace 2D:

• Одночасний захоплення до 30 маркерів.

• Використання фільтра Баттерворта другого порядку для відсіювання артефактів і виділення корисного сигналу.

• Швидкий пошук і зручне зберігання інформації в єдиній базі даних.

• Експорт інформації в Microsoft Excel і інші популярні формати.

• Наочна візуалізація результатів дослідження за допомогою синхронізації руху біомеханічної моделі з переміщенням міток на графіках кінематичних характеристик.

• Текстові коментарі дослідника до будь-яких ділянках графіків.

• Друк графіків з текстовими коментарями до них.

• Інтуїтивно зрозумілий користувальницький інтерфейс [7,6]

Висновки

Кожен педагогічний процес і, зокрема, спортивне тренування - це, перш за все, динамічний процес вдосконалення, поліпшення вихідного стану об’єкта навчання. Ці характерні особливості виділяються і при його програмно-цільової організації. При реалізації керуючої програми в автоматизованому режимі може вийти так, що учень засвоює досліджуване рух в такому ритмі, при якому кількість відхилень зменшується, збільшується, або залишається незмінним. Може бути й так, що після декількох виконань рухів вони будуть перебудовані зовсім в іншому напрямку, з абсолютно іншими корекціями і біомеханічними характеристиками. Якщо цього не врахувати, то ефективність управління буде дуже низькою. Переваги цільових програм навчання складним рухам полягають в тому, що вони призначені для вирішення головних цілей педагогічного процесу на тому чи іншому його етапі. Досягнення учнями певних цілей навчання рухам реально тільки за умови найбільш точного виконання відповідних програм, закономірно ведуть до поставленим цілям педагогічного процесу. Необхідний перехід від системно-диференціюючого до системно-інтегруючої організації технічної підготовки спортсмена.Традиційний поділ спеціальної підготовки на фізичну, технічну і т. д., що використовується при системно-диференціюючому підході, повинно поступитися місцем процесу навчання, який інтегрує в системній єдності освоєння всіх численних структур рухових дій, починаючи від їх геометричних образів, до зовнішніх і внутрішніх біодинамічних взаємодій підсистем і до підсистем функціонально-морфологічного забезпечення необхідного для цього рівня рухової активності організму.