Метрология метода видеоанализа — точность регистрации кинематических характеристик

Сравнение экспериментальных значений вертикального ускорения, полученного по траектории движения тела в свободном полете, с величиной g (g=9,81 м/с*с), является стандартным биомеханическим способом оценки метода видеоанализа (Dapena, 1982).
Методика. Для оценки точности регистрации кинематических характеристик, провели эксперимент по оценке ускорения свободного полета мяча. Для этого подбрасывали мяч диаметром 20 мм на высоту около 1,7 м. Регистрировали кинематику мяча в свободном полете с помощью двух видеокамер с частой 100 Гц (рисунки 1 А и Б). Калибровку камер проводили с помощью трехмерного тест-объекта, представленного на рисунке 2.
Спектр сигнала по вертикали представлен на рисунке 3. Около 80 % мощности сигнала находится на частоту 5 Гц.
Для получения «не зашумленных» вторых производных, кинематические данные сглаживали фильтром Баттерворта второго порядка. Для определения оптимальной частоты среза фильтра применяли спектральный анализ с отсечкой 75% (3 Гц), 90% (12 Гц) и 80% (6 Гц) мощности спектра. Результаты расчетов представлены на рисунках 4, 5 и 6 соответственно.
При низкой частоте среза (около 3 Гц) получается сильно сглаженный сигнал со значительными фазовыми сдвигами в точках «разрыва» производных: при отрыве мяча от руки и ударе об опору (отмечено на рисунках 4 -6 вертикальными линиями зеленого цвета левой и правой соответственно).
При высокой частоте среза (около 12 Гц) получается зашумленный сигнал с диапазоном ускорения от 7,5 до 12,5 м/с*с (рисунок 5).
Наилучшие результаты (экспериментальное ускорение мяча по вертикали должно быть близко к 9,81 м/с2), получали при использовании фильтра Баттерворта второго порядка с частотой отсечки 6 Гц (рисунок 6). Диапазон ускорения при свободном полете мяча 9,3 — 10,3 м/с*с

Рисунок 1 А — Исследование кинематики мяча при свободном падении (левая камера)

 

 

Рисунок 1 Б — Исследование кинематики мяча при свободном падении (правая камера)

 

Рисунок 2 – Тест-объект, используемый для калибровки камер (левая камера)

 

Рисунок 3 – Спектральная плотность вертикальной координаты (Z) мяча

 

Рисунок 4 — Ускорение при свободном падении мяча, зарегистрированного с помощью системы «Видеоанализ-Биософт». Частота среза сигнала фильтром Баттерворта 2- го рода – 3 Гц (75 % мощности спектра)

Рисунок 5 — Ускорение при свободном падении мяча, зарегистрированного с помощью системы «Видеоанализ-Биософт». Частота среза сигнала фильтром Баттерворта 2- го рода – 12 Гц (90 % мощности спектра)

 

Рисунок 6 — Ускорение при свободном падении мяча, зарегистрированного с помощью системы «Видеоанализ-Биософт». Частота среза сигнала фильтром Баттерворта 2- го рода – 6 Гц (80 % мощности спектра)