Používání snímání pohybu roste ve všech oblastech sportu a zábavy, zejména na vrcholové úrovni. S tím, jak tato technologie přechází z výzkumu do klinických a komerčních tréninkových podniků, se objevují problémy při využívání dat k informovanému rozhodování.
V tomto průvodci se podíváme na nejlepší možnosti v oblasti snímání pohybu a ukážeme důležité rozdíly v tom, co konkrétní technologie umí a co ne. Snímání pohybu je velmi vágní pojem a tento článek formuluje, co přesně je skutečné trojrozměrné snímání pohybu a co ne. Snímání pohybu se vyvíjí a stále častěji se používá na všech úrovních a profesionálové v oblasti sportovních výkonů musí mít přehled o nejlepších dostupných možnostech a osvědčených postupech.
Co je to 3-D zachycení pohybu?“
Zachycení pohybu je velmi volný termín a zachycení pohybu dnes může znamenat téměř cokoli. Obvykle se však jedná o upravený záznam celkového pohybu těla ve třech rozměrech. Nyní, když na trh vstoupily senzory IMU, se akcelerometr s gyroskopem může jevit jako skutečné zachycení pohybu, ale je rozdíl mezi měřením pohybu pomocí několika senzorů a zachycením těla v akci. Většina čtenářů si při vyslovení pojmu snímání pohybu představí reflexní značky na těle pro digitalizaci sportovce ve třech rozměrech, ale je nesmírně důležité vědět, co tvoří skutečný trojrozměrný záznam.
Je rozdíl mezi měřením pohybu pomocí několika snímačů a snímáním těla v akci. Click To Tweet
Malý snímač má sice schopnost sbírat data o orientaci, ale pokud nesnímá celé tělo, je třeba tyto systémy považovat za snímače pohybu a některé systémy vytvářejí ze záznamů konkurenční vykreslení pohybu. Kritéria pro skutečné trojrozměrné snímání pohybu jsou následující:
- Vytváří kompletní a plně autentické snímání pohybu celého těla.
- Poskytuje anatomickou orientaci referenčních bodů.
- Vyžaduje přímý záznam třírozměrných dat.
- Schopnost sbírat balistické aktivity s vysokou frekvencí měření.
Jak je z tohoto seznamu patrné, pokud nejsou splněny všechny požadavky, je snadné zaměnit záznam pohybu jedním senzorem, který je nezpracovaný a vytržený z kontextu, za snímání pohybu. IMU použité společně mohou vytvořit data zachycení pohybu z výpočtů, ale přidávají další úroveň složitosti k výzvě měření pohybů těla. Bezznačkové kamery, jako je například zařízení Microsoft Kinect, používají infračervený laser a kameru společně k vytvoření hloubky ve třech rozměrech, ale tyto systémy mají ve sportu svá omezení.
Jak funguje snímání pohybu?
Snímání pohybu je z jedné části označování a sledování těla a z druhé části převod těchto informací na data, která jsou užitečná jak pro výzkum, tak pro aplikace na trzích, jako je například zábava. Množství detailů a přesnosti, které uživatel snímání pohybu potřebuje, určuje způsob sběru dat, protože každý systém má schopnosti a omezení s ohledem na přesnost i flexibilitu informací. Některé systémy pro snímání pohybu jsou určeny pro použití v interiéru, ale mají některé funkce pro venkovní použití, které jsou efektivní a vhodné. Snímání pohybu celého těla vyžaduje kontrolované prostředí, aby měl systém dostatečnou robustnost pro správný sběr dat.
U snímání pohybu existují dvě jasné možnosti: markerové nebo optické systémy a bezmarkerová řešení. Zachycení pohybu pomocí videa je možné, ale většina systémů výzkumné úrovně dává přednost použití infračervených kamer a reflexních markerů. Obliba některých méně přesných systémů roste, protože jsou levné a řeší jednodušší problémy, například analýzu běžeckého pásu s běháním. Tyto nové, méně přesné systémy nyní přebírají úzkou část trhu se snímáním pohybu.
Nositelné obleky, obvykle se senzory IMU, jsou stále populárnější díky své přenosnosti, ale jsou považovány za kliničtější varianty, které vyžadují menší granularitu a přesnost dat. Vysoce výkonné systémy pro snímání pohybu jsou tak jemné, že dokáží detailně zobrazit výrazy obličeje a pohyby prstů, například u osoby hrající na klavír. Aniž bychom proces příliš zjednodušovali, snímání pohybu začíná záznamem pohybu z kamer a označených částí těla nebo odhaduje pohyb pomocí omezenějších kamer a snímačů IMU.
Po zachycení dat se provádí další filtrování a výpočty, aby se data vyčistila a zajistilo se, že pohybové artefakty nevytvářejí falešné zprávy. Na tělo jsou umístěny reflexní značky se specifickými pokyny, aby se zajistila přesnost a preciznost dat, protože svaly a kůže se mohou pohybovat vysokou rychlostí, což vytváří problém s kvalitou dat. Anatomické orientační body jsou vybírány pro svou spolehlivost a hodnotu při propojování pohybu kloubů. Body a systémy IMU se řídí podobným přístupem k umístění, ale mají jedinečná umístění na základě konstrukce svého vybavení, nikoliv podle vědeckého osvědčeného postupu. Systémy bez markerů vyžadují správné nastavení kamery na základě potřeb, protože většina systémů sleduje pohyby, které mají stacionární polohu, jako je chůze na místě, dřepování nahoru a dolů a provádění dalších základních funkcí.
Posledním krokem je převzetí dat a jejich převedení do zpráv nebo použití funkce, která je transformuje do animace nebo simulace. Kromě dat shromážděných pomocí snímání pohybu vytvářejí společnosti řešení, která uživatelům umožňují kombinovat více souborů dat, například silové desky a údaje EMG. Většina vývoje v posledních několika letech se týkala softwarové stránky optických systémů a hardwarové stránky řešení bez markerů a IMU. Všechny typy řešení vyžadují velké množství vyhlazování a čištění dat, ale obecně je třeba více práce s IMU oproti optickým možnostem.
Různé možnosti s hardwarem pro snímání pohybu
Hardware pro snímání pohybu je většinou určen pro výzkum nebo velmi progresivní klinické potřeby. Videoanalýza je běžnější jako možnost biofeedbacku u trenérů, ale snímání pohybu roste díky trhu s IMU. Trh s optickými systémy, známými také jako systémy založené na kamerách, bývá vhodnější pro výzkum, zatímco trh se senzory bývá více zaměřen na klinické účely a sportovní výkony.
Například společnost Motus poskytuje možnost jednoho senzoru pro sportovce, kteří házejí, například nadhazují (baseball), hrají kuželky (kriket) a přihrávají (americký fotbal). Tento systém sice zachycuje pohyby v blízkosti lokte, ale jedná se hlavně o výpočet, protože se vychází z mnoha předpokladů, když nejsou k dispozici jiné soubory dat, například o trupu a nohách. Systémy IMU mají obvykle menší přesnost a preciznost, ale tato technologie se zlepšuje a pomalu se vyrovnává.
Nejzřetelnější hodnotou technologie snímání pohybu je automatická analýza dat pro uživatele. Click To Tweet
Konvenční video – ani s více kamerami – bychom neměli zahrnovat jako možnost snímání pohybu, a to z několika důvodů. Nejzřejmější hodnotou technologie snímání pohybu je to, že data analyzuje automaticky, místo aby to uživatel softwaru musel dělat ručně. Některé videosystémy automatizují video jako zachycení pohybu, digitalizují sérii kamer pro výpočet pohybu, ale problémem této techniky je, že omezení osvětlení a další faktory s vizuálními daty mohou omezit požadavky na vysokou přesnost. Přímé markery mají spolehlivější historii stabilních dat, ale vzhledem k omezenosti soutěže je video stále životaschopné, protože markery nejsou praktické nebo vhodné.
Markery jsou běžně malé kuličkové nástavce velikosti kuličky nebo reflexní kruhy aplikované na sportovce. Některé systémy používají nástavce podobné omotávkám, jako jsou potní pásky a náramky, a některé systémy poskytují obleky nasazované vyškolenými uživateli. Varianty bez markerů využívají pouze hardware pro snímání videa, ale poskytují mnohem méně informací a vyžadují, aby byl hardware v extrémní blízkosti uživatele, například ve vzdálenosti několika metrů. Tyto systémy v současné době nemohou vyhodnocovat sportovní akce, které jsou velmi rychlé nebo mají vysoké nároky na posun.
Některé systémy poskytují synchronizační hardware a další nástroje pro pokročilé studie nebo specifické potřeby, jako je natáčení pod vodou a snímání na dálku. Většina vybavení nad rámec kamer a markerů je navržena tak, aby pomáhala spouštět a zastavovat další senzory, jako jsou silové desky, EMG a tlak v botě. Některé systémy obsahují náhlavní soupravy pro virtuální realitu nebo způsoby připojení k těmto zařízením, ale většinu příslušenství tvoří jednoduchá kabeláž a podobně.
Poznání softwaru pro snímání pohybu
Většina možností softwaru pro snímání pohybu má dva účely: převést data o pohybu na animaci buď pro vědecké přehrávání, nebo pro zábavné účely. Téměř všechny společnosti poskytují možnost přehrávání a některé softwary umožňují volbu perspektiv a stylů animace, například čáry (tyčové postavy), kostry nebo lidské postavy. Pokročilý software dokáže izolovaně měřit velmi přesné pohyby nebo vytvářet zprávy na základě osvědčených postupů metodiky analýzy. Několik variant softwaru je hardwarově agnostických, což znamená, že k softwaru lze připojit téměř jakýkoli hardware.
Cílem softwaru pro sport je zobrazit pohyb bez vizuálních nečistot, které video někdy obsahuje. Stejně jako video pomáhá snímání pohybu jako způsob propojení dalších souborů dat, které jsou méně vizuální, například EMG a silová analýza. Výzkumníci si mohou prohlédnout vztahy mezi pohybem a náběrem svalů, v případě potřeby spolu se silami reakce na zem.
Cílem softwaru pro snímání pohybu ve sportu je zobrazit pohyb bez vizuálních nečistot. Click To Tweet
Někdy se pohyby pomocí snímání pohybu ve skutečnosti neměří, protože uživatelé chtějí pouze kvalitativní zobrazení synchronizovat s kvantifikovanými měřeními, jako jsou kinetická data ze senzorů. Někdy se provádí manuální analýza pomocí softwaru pro snímání pohybu, zejména při výzkumu cyklických pohybů. Vytrvalostní sporty – ty, které jsou typicky cyklické, například běh – obvykle průměrují nebo statisticky vyhodnocují opakované pohyby, aby získaly přehled o biomechanických chybách nebo možných chybách v technice.
Softwarové platformy se mohou pohybovat od velmi drahých sad až po zjednodušené 3-D přehrávače, ale téměř všechny výzkumné softwary se dostatečně překrývají, takže rozdíly jsou velmi malé. Některé softwarové platformy jsou pouze možností správce souborů, protože od dodavatelů hardwaru se očekává, že trh s platformami umožní analýzu analogových dat. Tím omezují vývoj softwaru a zaměřují se pouze na hardware. Možnosti pouze hardwarové a pouze softwarové jsou vzácné, ale existuje několik malých společností, které poskytují pouze jedno nebo druhé.
Nejlepší využití snímání pohybu ve sportu
Praktici často používají řešení pro snímání pohybu k zobrazení funkce těla ve všech perspektivách a k extrakci úhlů kloubů. Ti, kteří se zabývají výkonem, například biomechanici, chtějí data ke studiu toho, jak se sportovci pohybují, zatímco lékařští specialisté chtějí zjistit, proč se sportovci vůbec zraní. Oblast sportovní medicíny se zajímá o dysfunkce před, během a po zranění a výkonnostní oblast potřebuje zjistit, co způsobuje úspěch sportovce, pokud jde o pohyb. Při poklesu základních údajů dochází ke snížení výkonnosti a zvýšení rizika zranění a trenéři a lékaři někdy používají technologii snímání pohybu k řešení důležitých nebo složitých zranění.
Nejčastějším využitím snímání pohybu je analýza chůze. I když jsou ve sportu důležité i jiné pohyby, téměř každá pozemní aktivita zahrnuje nějaký druh pohybu při běhu, ať už jde o sprint, běh nebo chůzi. Některé kliniky vynakládají obrovské množství prostředků na reedukační programy pro zraněné sportovce, ale většina soukromých zařízení používá analýzu snímání pohybu spíše pro marketing značky nebo zařízení než pro skutečná řešení založená na intervenci.
Pracovní postup snímání pohybu nepředstavuje velkou zátěž, ale také není vhodný pro skupiny ani není řešením s okamžitou zpětnou vazbou. Menší aplikace, jako jsou řešení s jedním senzorem IMU, mohou efektivně využívat chytrá zařízení pro biofeedback; vzhledem k neúplnému obrazu se však nejedná o skutečné snímání pohybu a neměli byste je zaměňovat s kompletní analýzou.
Stejně jako analýza videa je pro sportovce neocenitelná možnost vidět se na obrazovce v různých rychlostech a perspektivách. Většina elitních sportovců v olympijských sportech se nakonec s nějakou formou snímání pohybu setká, ale spousta sportovců ji uvidí pouze v televizi.
Příkladové možnosti technologie snímání pohybu
Existují více než dvě desítky dodavatelů systémů pro snímání pohybu specifických pro daný sport a spousta dalších řešení je vynikající a efektivní v přidané hodnotě pro týmy, nemocnice a soukromá zařízení. V tomto přehledu jsme vynechali několik společností, včetně softwarových řešení, jako je C-Motion. Není to proto, že by nestály za uvedení, ale proto, že přístup ke každému systému (pro účely recenze) je téměř nemožný.
Qualisys: Jedna z mála společností mimo Spojené státy, švédská společnost Qualisys, poskytuje řešení pro nesčetné potřeby mimo sport, například pro animaci a inženýrství. Zaměřuje se na trh s virtuální realitou a má řešení, která pomáhají s požadavky pod vodou. Jednou ze silných stránek společnosti je integrace jejích produktů s dalšími systémy (silové desky) a softwarem, jako jsou MATLAB a LabVIEW. Jsou inovativní a rychle využili trh s chytrými telefony tím, že poskytli trojrozměrný přehrávač a také spouštěcí aplikaci pro jednoduché nahrávání.
Vicon: Tato britská společnost je výjimečně silná v oblasti systémů ve stylu optických kamer, ale nedávno zariskovala akvizicí IMeasureU, startupu z Nového Zélandu, který poskytuje sportovcům možnost využití jednoho senzoru IMU. Většina zkušeností společnosti Vicon se týká sportovních výkonů a klinických věd, ale úspěchy mají i v oblasti zábavy. Stejně jako mnoho jiných společností v oblasti snímání pohybu mají přitažlivost v zábavě i v inženýrství. Přední biomechanici a odborníci na vědu o pohybu používají Vicon jako způsob kvantifikace své práce se sportovci a pacienty.
Analýza pohybu: Společnost Motion Analysis, která jako jedna z prvních vytvořila robustní řešení bez šumu, pochází z kalifornské Santa Rosy a svou činnost zahájila počátkem 80. let. Mnoho průkopnických studií o baseballu začalo s analýzou pohybu a rozšířilo se na další trhy, jako jsou videohry, animace, inženýrství a dokonce i vysílání. Společnost je ve sportu dobře známá díky rozsáhlému vývoji kamer a softwaru a stovky výzkumných prací obsahují jejich systém jako součást sekce materiálů.
Xsens: Společnost Xsens je průkopníkem v oblasti nositelného snímání pohybu a patří k lídrům v oblasti možnosti analýzy pohybu na základě IMU. Xsens je nizozemská společnost, ale má silné zastoupení v USA, protože sídlí také v Los Angeles. Jejich řešení sahají od sportu až po zemědělství, protože jsou více než jen společností, která chce pomoci s analýzou chůze a výzkumem. Jsou mimořádně propojeni s technickým trhem a mají mnoho aplikací i mimo biologické vědy a sportovní výkony. Silnou stránkou jejich systému je, že jej můžete používat v reálném čase i v reálném prostředí, například ve výrobě a v přírodě.
OptiTrack: Další lídr v oblasti snímání pohybu, společnost OptiTrack, poskytuje tradiční optická řešení i nově vznikající bezznačková řešení. Společnost OptiTrack má vedoucí postavení v oblasti animace, pohybových věd, virtuální reality a robotiky. Jedná se o mezinárodní společnost, která poskytuje vlastní proprietární software a také sadu pro vývojáře softwaru (SDK). Nabízejí také další zásuvné moduly a nástroje, které pomáhají synchronizovat silové desky a další soubory dat. OptiTrack poskytuje ověřovací studii, která ukazuje, že jde o životaschopné řešení pro výzkum i klinický trh.
NDI: Ačkoli nejde o možnost snímání pohybu při sportovním výkonu, NDI je skvělým příkladem toho, jak může technologie maximalizovat přesnost. NDI, známý jako řešení pro lékařství, konkrétně pro chirurgii a nemocniční péči, poskytuje jak optické, tak elektromagnetické sledování. Společnost NDI však není určena pouze pro nemocnice, protože poskytuje také vojenská řešení a snímání pohybu pro pohyb těla. NDI je kanadská společnost a má několik patentů a ocenění za inovace. V neposlední řadě je společnost NDI silná na mezinárodním poli a má zastoupení v Evropě a Asii.
Phoenix Technologies, Inc.: Tato kanadská společnost je mimořádně silná v oblasti robotiky a dalších technologických trhů, včetně vesmírných a průmyslových aplikací. Společnost se zaměřuje na přenosné kamery a řešení bezdrátových senzorů, přičemž obojí zvládne sportovní i klinické potřeby. Jednou ze silných stránek produktu je superrychlé vzorkování a přesnost; vlastnosti, které vysvětlují, proč má Phoenix klienty z oblasti kosmonautiky, jako je Mezinárodní vesmírná stanice a NASA. Ačkoli mají vlastní software, integrují se s možnostmi třetích stran a mohou se integrovat i s jinými platformami.
myoMOTION: Produkt společnosti Noraxon, myoMOTION, má jedno z nejúžasnějších vizuálních zobrazení více sad dat a jsou známí svými systémy EMG i nositelným systémem snímání pohybu založeným na IMU. Společnost Noraxon sídlí v Arizoně a velká část její minulosti je spojena s EMG. Před několika lety společnost Noraxon učinila strategický krok k větší integraci dat s dalšími senzory, jako je analýza síly a snímání pohybu. Software společnosti Noraxon vytváří přehledy a lze jej exportovat do řešení třetích stran pro výzkum i vytěžování dat.
DARI Motion: Společnost DARI se sídlem v Kansasu začala se zaměřením na atletiku a špičkové výkony a rozšířila se na firemní wellness, armádu a biomechanický výzkum. Společnost DARI poskytuje ověřenou kinematickou a kinetickou analýzu pohybu a hluboké biomechanické poznatky ve zcela bezznačkovém optickém systému – bez senzorů, značek, speciálních obleků a silových desek. Jeho reportovací výstupy poskytují data v různé komplexnosti, od jednoduchých, personalizovaných reportů až po hluboké ponory do základní biomechaniky.
Všechny tyto společnosti se natolik liší, že vyžadují další srovnání a výzkum nad rámec tohoto průvodce. Nejčastějším požadavkem je školení, tedy jak používat nejen produkt, ale snímání pohybu obecně. Většina praktických zkušeností s doktorskými programy nebo progresivními postgraduálními a bakalářskými programy by měla stačit k efektivnímu používání uvedených systémů. Vydat se mimo biomechaniku představuje výzvu pro trenéry, kteří nemusí mít kineziologické vzdělání pro plné využití snímání pohybu, ale některé aplikace nejsou příliš náročné, protože spousta vysokoškolských výkonnostních programů snímání pohybu efektivně využívá.
Snímání pohybu je skutečná investice
Cena většiny systémů snímání pohybu není levná a plná laboratoř se pohybuje v průměru nad šestimístnou částkou. Většina dodavatelů má obchodní oddělení, se kterým se můžete poradit, a někteří vám produkt předvedou, pokud jsou ve vaší oblasti. Nejlepším způsobem, jak investovat do snímání pohybu, je nejprve navštívit nejlepší možnosti na univerzitách, protože většina výzkumných oddělení je otevřená a používá systém pro ušlechtilé účely, nikoliv pro vytvoření marketingového povyku pro své zařízení nebo kliniku.
Naopak, občas je rozumné podívat se do komerčních zařízení, která skutečně poskytují privatizované služby, protože tato centra musí být efektivní a výkonná, aby se udržela v provozu. Snímání pohybu je na vzestupu a řešení jsou rok od roku lepší. Směrem dolů bude budoucnost ještě špičkovější, ale čas ukáže, zda systémy bez markerů postupně vytlačí konvenční možnosti.
Když už jste tady…
…máme na vás malou prosbu. SimpliFaster čte více lidí než kdy jindy a každý týden vám přinášíme zajímavý obsah od trenérů, sportovních vědců a fyzioterapeutů, kteří se věnují budování lepších sportovců. Věnujte prosím chvilku sdílení článků na sociálních sítích, zapojte autory do otázek a komentářů níže, a pokud máte blog nebo se účastníte fór o souvisejících tématech, odkazujte na články, pokud je to vhodné. – SF