СКОРОСТНАЯ ВИДЕОСЪЕМКА СПОРТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

Цель занятия: овладеть методом оптической регистрации физического упражнения на основе высокоскоростной видеосъемки.

Теоретические сведения

В ходе биомеханических исследований важнейшим элементом является получение объективных экспериментальных данных, характеризующих двигательное действие. Такие данные могут быть получены различными способами. В основе наиболее универсального метода лежит определение координат точек движущегося объекта (тела спортсмена) через минимально возможные промежутки времени. Затем из полученного материала вычисляются практически все характеристики двигательного действия, начиная от скоростей и ускорений, интересующих исследователя точек и заканчивая энергетическими параметрами двигательного действия. Здесь, как правило, используются различные варианты оптической регистрации спортивного упражнения. Еще двадцать лет назад классическими методиками регистрации спортивных движений являлись киносъемка, циклографический и стробоскопический варианты фотосъемки. При изучении сложных пространственных вариантов двигательных действий перечисленные методы могут иметь двух, трехплоскостной или стереоскопический варианты (рис.1.1.1).

Упомянутые подходы имели приемлемую точность, однако они весьма трудоемки, а результаты могут быть получены только через достаточно длительное время, необходимое для последующей обработки кино или фото материалов.

Рис. 1.1.1 Схема осуществления двухплоскостной съемки

В настоящее время перечисленные варианты получения экспериментальных результатов существенно продвинулись вперед, благодаря развитию цифровой видеозаписи и компьютерных технологий. При использовании таких подходов интересующие исследователя данные могут быть получены практически в реальном масштабе времени. При этом современные видеокамеры позволяют разбивать реальное движение на кадры с частотой до 100000 и более кадров в секунду.

При осуществлении оптических методов регистрации биомеханических характеристик двигательного действия должен быть выполнен ряд предварительных действий.

1. Подготовка места съемки. Она включает определение зоны выполнения физического упражнения, места установки записывающей аппаратуры, высоты установки и направления оптической оси. Для биомеханического исследования записывающая камера, как правило, с помощью штатива устанавливается на уровне ОЦТ тела спортсмена так, чтобы оптическая ось была перпендикулярна плоскости его движения. При пространственных вариантах съемки несколькими камерами их оптические оси ориентируются перпендикулярно по отношению друг к другу (в некоторых случаях оптические оси могут быть ориентированы под другими заданными до начала съемки углами). Съемку, осуществляемую в лабораторных условиях, рекомендуется производить по отношению к специально подготовленному фону, на котором могут быть отчетливо видны характерные точки тела спортсмена, в частности, суставы. Традиционно в качестве фона используется сетка, нанесенная на стену или щит контрастного, по отношению к ней цвета. Сетка часто используется для определения масштаба. При отсутствии сетки в кадр помещается масштабная рейка или предмет, имеющий известные линейные размеры. При осуществлении видеозаписи, предназначенной для последующего биомеханического анализа, осуществляемой на соревнованиях в условиях стадионов или спортивных залов для определения масштаба можно использовать элементы их разметки.

В некоторых случаях, съемка может осуществляться движущейся видеокамерой. При этом для биомеханического исследования полученного материала необходимо знать точное значение скорости перемещения или поворота камеры. Для такой съемки на стадионах или в спортивных залах монтируется специальное оборудование.

2. Подготовка исполнителей. При осуществлении съемки в лабораторных условиях исполнителю исследуемого двигательного действия необходимо иметь на себе минимум одежды, причем ее элементы должны быть максимально прилегающими к телу. Перед съемкой на тело спортсмена и на элементы одежды наносятся специальные маркеры. Как правило, это кружки контрастного цвета, которые прикрепляют в центрах суставов. Иногда (если выполняется сложное движение) используют полосы, охватывающие звенья тела на уровне центров суставов и центров тяжести звеньев. Для осуществления автоматической компьютерной обработки видеосъемки маркеры делают различных цветов, что позволяет компьютерной программе самой распознавать суставы и другие характерные точки.

3. Подготовка видеоаппаратуры. При осуществлении видеосъемки точная настройка записывающей аппаратуры играет важнейшую роль. Она включает в себя установку камеры и ее надежную фиксацию на штативе, установку частоты съемки, чувствительности, резкости, размеров кадра, оценку достаточности объема памяти записывающей аппаратуры, осуществление пробной записи, оценку результатов и при необходимости коррекцию указанных параметров.

При выполнении описанных операций осуществление видеозаписи не представляет сложностей, а полученные материалы в виде файла могут быть перенесены в компьютер и использованы в процессе биомеханического исследования.

В заключение следует заметить, что при обработке данных оптической регистрации точность получения кинематических характеристик зависит от частоты съемки, качества используемой аппаратуры и точности расположения маркеров. Во время дальнейшего биомеханического анализа, например при определении динамических параметров, она в некоторой степени снижается из-за отсутствия точных данных масс-инерционных характеристик тела исполнителя. Здесь, как правило, используются усредненные параметры в зависимости от роста и веса исполнителя. Кроме этого в ходе анализа тело исполнителя чаще всего представляется моделью, состоящей из связанных между собой абсолютно твердых звеньев, что не вполне соответствует реальному телу человека. Тем не менее, указанные допущения позволяют достаточно эффективно анализировать принципы построения двигательных действий и решать многие педагогические задачи, связанные с обучением спортивным упражнениям, развитием двигательных качеств и многими другими аспектами.

Порядок выполнения работы

1. Выбор объекта для биомеханического исследования. Это может быть физическое упражнение целиком, его цикл или какая-либо фаза, выполнение которой происходит в одной плоскости.

2. Подготовка места съемки:

· Определить зону выполнения упражнения, направление и безопасные границы перемещения исполнителя, относительно предполагаемого места установки камеры.

· При съемке в лаборатории обеспечить контрастный фон съемки, с помощью мела отметить на основании эталонное расстояние, с помощью которого впоследствии будет определяться масштаб.

Подготовка исполнителя.

· Показать исполнителю направление движения относительно камеры.

· Договориться о командах начала и окончания съемки.

· Обеспечить соответствующую форму одежды, закрепить на теле и (или) элементах одежды маркеры.

4. Подготовка аппаратуры:

· Установить штатив, надежно закрепить на нем камеру.

· Отрегулировать с помощью штатива высоту камеры, располагая ее на уровне ОЦТ тела исполнителя (если упражнение предполагает перемещение исполнителя по вертикали, камеру следует установить по высоте на уровне среднего положения ОЦТ при выполнении двигательного действия).

· Ориентировать оптическую ось камеры перпендикулярно плоскости предполагаемого движения.

5. Настройка камеры:

· Установить исполнителя в исходное положение, навести на него камеру и убедиться, что при выполнении двигательного действия он не выходит за пределы кадра. Если размеры кадра не позволяют целиком запечатлеть упражнение, камеру следует отнести на большее расстояние. Если движение спортсмена помещается в кадре с большим запасом, можно с помощью трансфокатора установить более крупный план съемки.

· Проверить установленную частоту съемки, навести резкость, и убедиться в достаточной освещенности объекта.

В используемой в лабораторных работах видеокамере CASIO EX-F1 наведение резкости обеспечивается наведением камеры на объект съемки и нажатием кнопки фотоспуска, расположенной на верхней панели камеры до половины. Появление зеленого прямоугольника свидетельствует об успешном установлении резкости.

Регулировка резкости совмещена с выбором величины экспозиции, значение которой появляется в правой части экрана камеры. Здесь следует обратить внимание на то, чтобы величина экспозиции не оказалась существенно больше частоты съемки. Например, при съемке с частотой 300 кадров в секунду экспозиция должна быть существенно больше 1/300 секунды. Практика показывает, что при такой съемке экспозиция 1/250 является максимально допустимой величиной. При величинах экспозиции более 1/250 следует обратиться к преподавателю для коррекции установок камеры.

Выполнение съемки.

· Нажать кнопку записи видео (расположена справа вверху от экрана камеры) и только после этого дать команду «СТАРТ» на исполнение двигательного действия. Такой порядок связан с тем, что камера включается с некоторой задержкой (в пределах 0, 5 с).

· После завершения двигательного действия следует дать команду «СТОП» и повторно нажать кнопку записи видео.

7. Просмотр записи:

· Нажать зеленую кнопку, расположенную над экраном

· Кнопкой SET, расположенной справа от экрана запустить просмотр.

· Оценить качество съемки.

· Нажатием красной кнопки, расположенной над экраном, перейти в рабочий режим и при необходимости провести повторную съемку.

8. Сохранение материалов:

· Снять камеру со штатива.

· Соединить включенную камеру с компьютером с помощью специального кабеля.

· Открыть карту память камеры.

· Найти отснятый материал и перенести его на свою флеш-карту.

· Используя «безопасное извлечение устройства», остановить взаимодействие камеры и компьютера, достать соединительный кабель из гнезд компьютера и камеры.

· Кнопкой «ON/OFF», расположенной на верхней панели отключить камеру.

КИНЕМАТИКА ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ

Кинематика – (греч. kinema – движение) раздел механики, изучающий движения физических тел, оставляя вне рассмотрения причины, вызывающие или изменяющие эти движения.

Прежде, чем перейти непосредственно к заданиям данного раздела практикума, вспомним некоторые общенаучные понятия и термины, знание которых необходимо для работы над заданиями. Заметим, что речь идет, в первую очередь, об описании и объяснении понятий, а не о строгих формулировках.

Первым из таких понятий будет понятие величины.

Величина – то, что можно измерить или вычислить по известным или предварительно выведенным формулам.

Поскольку механика – раздел физики, нас, в первую очередь, будет интересовать понятие физической величины.

Величина физическая – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Примерами физических величин являются масса, энергия, скорость, ускорение и т. д. Например, все физические объекты обладают массой. Но количество массы в каждом из них свое. Один объект имеет массу, скажем, 5 кг, а другой 0, 1 кг. Видим, что для того, чтобы охарактеризовать объект по его массе достаточно задать только одно именованное число. Так же обстоят дела с энергией, работой, мощностью, пройденным путем и некоторыми другими физическими величинами.

Величины, для задания которых достаточно одного числа называются скалярными величинами или просто скалярами.

Другие физические величины, например, такие как скорость или ускорение, невозможно задать одним числом – необходимо как минимум два числа. Действительно, недостаточно сказать: «Я еду из Минска со скоростью 28 м/с (~100 км/час)», надо еще указать направление движения, скажем, в Борисов или в Столбцы.

Величины, для задания которых необходимо более одного числа, называются векторными величинами или, кратко, векторами. Существуют различные способы задания векторных величин. Поскольку биомеханические исследования физических упражнений производятся на примере плоских перемещений тела спортсмена (как в данном практикуме), либо перемещений в пространстве, векторную физическую величину зачастую удобно представлять направленным отрезком. Поэтому вполне естественно воспринимается следующий факт.

Вектор – в биомеханике чаще всего понимается как направленный отрезок на плоскости или в пространстве.

Обозначается он символом , где точки A и B – соответственно, начало и конец отрезка. Вектор обозначают также одной жирной латинской буквой , например, a, либо символом: . Направление вектора указывают стрелкой на его конце.

Под длиной вектора (используется также термин модуль вектора ) понимают расстояние между началом его и концом. Длину вектора обозначают | |. Если вектор обозначен одной буквой, например, , то длину вектора обозначают | |. Зачастую, если имеется в виду только численное значение (модуль) данного вектора, стрелку над его обозначением не ставят или не производят выделение символа вектора жирным шрифтом.

Описанный способ задания вектора основан на геометрии плоскости и пространства, и поэтому вектор, представленный направленным отрезком, принято называть геометрическим вектором.

Примерами векторных величин являются сила, скорость, ускорение, угловые скорость и ускорение, момент силы и т. д.

При представлении физических векторных величин геометрическими векторами длина вектора в выбранном масштабе совпадает с численным значением физической величины, а направление его совпадает с направлением изображаемой величины.

Существуют и другие способы задания вектора. Как уже отмечалось, для задания вектора требуется более чем одно число. Так, для задания вектора на плоскости, необходимо два числа, например, модуль вектора и его направление, т.е. угол, образованный им с одной из осей координат, или его проекции на оси координат, т.е. a =(a_x, a_y). Для задания вектора в пространстве необходимо три числа: a =(a_x, a_y, a_z). Таким образом, вектор может быть задан своими проекциями на оси координат.

Над векторами можно производить арифметические действия: сложение и вычитание, умножение и деление их на постоянное число. При этом операции сложения и вычитания имеют смысл только для векторов, представляющих одну и ту же физическую величину.

Сложение и вычитание геометрических векторов на плоскости обычно производится по правилу параллелограмма (как это делается см. ниже в описании лабораторной работы 1.3).

При задании векторов проекциями на оси координат все названные выше операции производятся покоординатно. Например, пусть даны векторы a =(a_x, a_y, a_z), b =(b_x, b_y, b_z) и c =(c_x, c_y, c_z). Тогда, если надо первые два из них сложить и из полученной суммы вычесть третий, то при координатном задании векторов требуемые операции можно совместить и без труда получить результат:

a+b-c = (a_x+ b_x – c_x, a_y+ b_y – c_y, a_z+ b_z – c_z),

приведем теперь пример умножения вектора на постоянное число λ:

a∙ λ = (a_x∙ λ, a_y∙ λ, a_z∙ λ ).

Выполнение физического упражнения развивается во времени и пространстве. Физические величины, как говорится, «задействованные» в упражнении, в соответствии с законами природы находятся во взаимодействии, взаимосвязи друг с другом. Если эта взаимосвязь такова, что одна величина полностью определяет значение другой, то имеет место функциональная зависимость между величинами. Более точной будет следующая формулировка понятия функции.

Функция – такое соответствие величин, которое каждому значению одной величины (называемой аргументом) однозначно соотносит одно и только одно значение другой (называемой функцией).

При исследовании функциональных зависимостей (не только физической природы) часто возникает необходимость оценить, как быстро изменяется значение функции с изменением значения аргумента. Иными словами, надо установить скорость изменения функции в зависимости от изменения аргумента. Решить эту проблему позволяет связанная с функцией величина, характеризующая функцию именно по названному критерию. Этой величиной является производная.

Чтобы понять, что же такое производная функции y=f(x), рассмотрим следующую процедуру. В области определения функции y зафиксируем некоторое значение аргумента x=x₀. Возьмем также произвольное значение x, для определенности x> x₀. Тогда y₀= f(x₀), y= f(x). Найдем разности

x-x₀, y- y₀=f(x)- f(x₀),

и вторую из них разделим на первую. Получим . Это отношение выражает собой среднюю скорость изменения функции по отношению к изменению аргумента на отрезке [x₀, x]. Чем меньше длина этого отрезка, тем точнее значение рассматриваемого отношения будет характеризовать скорость изменения функции y= f(x) в точке x₀. Точное значение этой характеристики достигается при бесконечно малой длине отрезка [x₀, x], стремящейся к нулю, и определяется пределом

Этот предел и называется производной от функции f(x) в точке x₀. Если положить x-x₀=Δ x, f(x)-f(x₀)=f(x₀+Δ x)-f(x₀)=Δ y, то указанный выше предел запишется так:

(*)

Существуют различные обозначения производной: f^׳′ (x₀), y′, , , и некоторые другие. Многие физические величины являются производными от других величин. Физические величины, участвующие в спортивном движении, в большинстве своем могут рассматриваться как функции от времени. Тогда и их производные также функции от времени. Так, скорость V есть производная от пути S по времени t: , ускорение – производная от скорости: и т.д.

Параметр – неизвестная величина, в рамках данного рассмотрения (исследования) остающаяся постоянной. Например, параметрическое задание квадратного уравнения имеет вид:

ax²+bx+c=0

Здесь a, b, c – параметры, x – неизвестная переменная величина.

Цикл – последовательность явлений (процессов), осуществляющихся друг за другом в течение определенного промежутка времени и повторяющихся затем в том же порядке (то есть, образуя новый такой же цикл).

Циклограмма – графическое изображение цикла.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒