Лекция 5. Информационные технологии в изучении и моделировании движений человека

Принцип действия защиты основан на сравнении фаз тока по концам защищаемой линии. За условное положительное направление тока принимается направление тока от шин в линию. В неповрежденной линии (линия АБ, см. рис. 4.3) фазы токов 1 и 2 отличаются на 180°, а в поврежденной линии (линия БВ, см. рис. 4.3) практически совпадают. Информация о фазе тока передается на противоположный конец линии с помощью высокочастотного сигнала. Высокочастотный сигнал модулируется током промышленной частоты, т.е. генератор высокой частоты (ГВЧ) работает только в положительный полупериод тока. Приемник высокой частоты (ПВЧ) воспринимает сигнал высокой частоты как от своего ГВЧ, так и от ГВЧ комплекта защиты, установленного на противоположном конце защищаемой линии. На неповрежденной линии (линия АБ, см. рис. 4.3) высокочастотный сигнал в канале связи присутствует постоянно (рис. 4.5, а), т.е. ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в разные полупериоды промышленной частоты. Постоянное наличие высокочастотного сигнала на входах приемников высокой частоты ПВЧ1 и ПВЧ2 блокирует сраба­тывание защит линии.

Рис. 4.5. Токи (i ₁, i ₂) и периоды работы генераторов высокой частоты (ГВЧ1 и ГВЧ2) по концам защищаемой линии при внешнем КЗ (а) и при КЗ на линии (б)

На поврежденной линии (линия БВ, см. рис.4.3) ГВЧ1 и ГВЧ2 работают в один и тот же период промышленной частоты, т.е. высокочастотный сигнал на входах ПВЧ1 и ПВЧ2 прерывистый (рис. 4.5, б), что приводит к срабатыванию защит линии, и поврежденная линия без выдержки времени отключается с обеих сторон.

В дифференциально-фазной защите пусковые органы принципиально не требуются, так как в рабочем режиме защиты линии оказываются заблокированными. Однако в случае сбоя в работе одного из ГВЧ защиты сработают и отключат неповрежденную линию. Поэтому дифференциально-фазная защита имеет два пусковых органа тока, один из которых, с меньшим током срабатывания, запускает ГВЧ, а второй, с бóльшим током срабатывания, разрешает защите срабатывать при наличии прерывистого высокочастотного сигнала в канале связи. Ток срабатывания пусковых органов тока дифференциально-фазной защиты выбирается так же, как и ток срабатывания пусковых органов направленной защиты с высокочастотной блокировкой.

Дифференциально-фазная защита широко используется для защиты линий 110 и 220 кВ.

Лекция 5. Информационные технологии в изучении и моделировании движений человека.

План лекции

1. 3D-графические методы в подготовке спортсменов.

2. Моделирование двигательной деятельности человека.

3. Информационная система электронный спортивный зал

1. 3D-графические методы в подготовке спортсменов.

3D-графика (3-dimension) – это трехмерная компьютерная графика, используемая либо для моделирования на ПК сцен (background), либо для моделирования движений (animation).

Классификация ПО 3D-графики: а. мультимедийные виртуальные симуляторы (компьютерные игры); б. обучающие и моделирующие системы; в. Пакеты трехмерной графики и г. системы автоматического проектирования (САПР). Ниже рассмотрены программы 3D-графики в системе физической культуры и спорта.

а. Мультимедийные виртуальные симуляторы (компьютерные игры). Социальная значимость спорта отражает этот вид деятельности в компьютерных играх – гольф и автогонки, спортивные игры и единоборства, вот далеко не полный перечень знакомых многим игр. Их социальную роль в системе ИТ ФКС можно назвать мотивирующей. Одной из наиболее точно отвечающих запросам дисциплины следует назвать детскую компьютерную игру по спортивной гимнастике «Барби Гимнастика» (Barbie: Team Gymnastics). Задача игры – составить комплексы выступлений на спортивных снарядах и подготовить спортсменок к соревнованиям. В память игры введено более ста гимнастических упражнений для опорного прыжка, бревна, брусьев (рис.5.1), упражнений на ковре.

б. 3D-графические обучающие и моделирующие системы. Получившие распространение программы моделирования тела и движений человека 3D-графика позволяют решать ряд задач тренировочного этапа технической (и тактической) подготовок. Например, пакет для 3D моделирования и анализа движений человека (рис.5.2) «Solid Dynamics», в который заложено более 100 параметров человеческого тела (http://www.soliddynamics.fr).

Иллюстрацией 3D-графического решения поставленных задач является компьютерная энциклопедия «Профессиональный бокс». Здесь приведен небольшой учебный блок для ознакомления с основными ударами и защитами в боксе. На рисунке 5.3 изображен интерфейс компьютерной энциклопедии «Профессиональный бокс», где два виртуальных бойца в 3D-графике демонстрируют удары и защиты.

в. Пакеты трехмерной графики. Наиболее распространенным программным продуктом для решения задач моделирования и анализа движенийв нашей стране следует назвать 3D Studio Max, хотя существует и множество других программ 3D-графики.

Овладение 3D-мультимедиа позволяет тренеру эффективнее реализовывать педагогический принцип наглядности: демонстрация двигательных действий, тактических замыслов, спортивного оборудования и тренажеров в 3D-графике, моделирование спортивных программ – вот неполный перечень возможностей анимации в физической культуре и спорте

г. Системы автоматического проектирования (САПР). Наиболее распространенной программой в Российской Федерации для проектирования спортивных сооружений является AutoCAD. Другим ее достоинством, для применения в физической культуре и спорте, является возможность оцифровки движений человека, например, со стробофотографии при использовании электронных планшетов (дигитайзеров).

Методы оптикоэлектронного измерения движений человека – 3D–сканирование. Технология «motion capture».

Методы оптикоэлектронного измерения движений человека в спорте (3D–сканирование). Исследование движений человека (спортивных в частности) требует регистрации, измерения и анализа характеристик процессов различий природы (биомеханических, физиологических, биохимических, психологических и др.). Биомеханический процесс, представляющий собой перемещение тела человека и/или его звеньев во времени и пространстве, является одним из текущих «выходов» двигательной деятельности человека. На оптимальное обеспечение биомеханической программы движения должны быть направлены все остальные процессы.

Для адекватной постановки цели и задач спортивных движений, а также для оптимизации управления и контроля в процессе их освоения и совершенствования необходимо исследовать биомеханические характеристики движений, которые регистрируются, измеряются и анализируются различными методами. В настоящее время доминируют бесконтактные оптико-электронные методы. Основные из них: 1. стробоскопическая стереофотограмметрия, 2. биомеханическая кинематография, 3. компьютерный видеоанализ.

1. Стробоскопическая стереофотограмметрия является наиболее точным методом измерения кинематических характеристик движения человека. Однако это достаточно дорогой, громоздкий, трудоемкий и недостаточно гибкий метод, применимый лишь в лабораторных условиях.

2. Биомеханическая кинематография. С появлением в 70-х годах прецизионных высокоскоростных кинокамер с высокой стабильностью транспорта пленки в фильмовом канале (±1 кадр при частоте съемки 50 к/с) и киноанализаторов фильмов, в которых стандартный кинопроецирующий блок сопряжен через систему аналого-цифрового преобразования с микрокомпьютером, более широкое распространение получили кинематографические методы измерения биомеханических характеристик движений. Вследствие более простой и гибкой процедуры оцифровки точек метод биомеханической кинематографии стал доминировать в экспериментальной биомеханике спорта 80-90 гг. (особенно при анализе техники спортивных движений). По сравнению со стереофотограмметрическим методом метод биомеханической кинематографии менее точен.

3. Компьютерный видеоанализ. Его основными достоинствами являются достаточно высокая точность измерений, относительная простота и гибкость использования, возможность автоматической оцифровки точек движущегося объекта и сопряжения видеоизображения с широким диапазоном аналоговых сигналов, получаемых от других средств регистрации и измерения движений (тензография, гониография, кардиография и т.п.). Исходный материал не требует предварительной обработки и анализ можно начинать сразу после видеосъемки или в процессе ее (при использовании устройств автоматической оцифровки в режиме «on-line»). По сравнению с фотограмметрическим и кинематографическим методами видеоанализирующие системы относительно недороги и коммерчески доступны.

Автоматическая оцифровка движений основана на распознавании анализирующей системой или маркеров, излучающих инфракрасный свет, или светоотражающих датчиков, прикрепленных к опорным точкам тела человека согласно избранной модели (обычно это проекции центров вращений суставов или суставных осей на кожу испытуемого).

Однако, такие системы не применимы в практике соревнований и могут быть использованы в основном в лабораторных условиях. Системы с автоматической оцифровкой не уступают видеоанализирующим системам с ручной оцифровкой по точности измерений координат точек. Однако они стоят значительно дороже и, кроме того, на анализируемые в процессе эксперимента движения накладываются дополнительные ограничения. Эти системы получили название «захват движения» (motion capture).

Видеоанализирующие системы в физической культуре и спорте должны, прежде всего, отвечать на следующие вопросы:

а) каковы биомеханические параметры оптимизированной модели техники конкретного движения?

б) в чем техника движений конкретного индивидуума параметрически отличается от оптимальной?

в) что произойдет в биомеханическом плане, если конкретный индивидуум определенным образом изменит параметры своего движения?

г) как следует изменить параметры движения конкретного индивидуума, чтобы достичь заданный результат?

Системы захвата движений подразделяются на механические, магнитные и оптические. Механические системы представляют собой скелет с системой датчиков, надеваемый на человека. Таким образом, отслеживается как положение всего скелета в целом, так и положение относительно друг друга отдельных его сегментов.

Магнитные системы представляют собой комплекс датчиков, закрепляемых на теле человека, и генератора магнитного поля, установленного снаружи. Магнитные системы дают не такие качественные результаты, как оптические системы

Выделяют механические, магнитные и оптические системы. Данные технологии Motion Capture могут, например, обрабатываться пакетом трехмерной графики 3ds max.

Системы автоматической оцифровки движений человека - «захват движения» (Motion Capture) - появились в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Использоваться в спорте, при подготовке гимнастов к олимпийским играм, они начали с 1993 года в США.

Одна из программ 3D-графики, которая обрабатывает данные по системе «захват движения», является 3ds max

Моделирование мышечной деятельности.

Высшим пиком моделирования двигательной деятельности человека является робототехника.

В компьютерной имитации боты учатся играть в футбол путем выполнения случайной последовательности основных движений - они ведут мяч, бегут за ним, бьют по нему, перехватывают. За каждую последовательность действий программа либо награждает, либо наказывает бота, посылая ему цифровой сигнал, сообщающий, удалась ли "атака" или же ее надо повторить.

Кроме того, существует так называемая лига симуляторов. Такие игры являются полностью виртуальными и проводятся внутри распределённой клиент-серверной системы, состоящей из сервера, содержащего информацию о ситуации на футбольном поле, и нескольких клиентов, представляющих собой игроков