Аппаратно-программный модуль «Видеоанализ-Биософт 3D»

1. Основной аппаратно-программный модуль «Видеоанализ-Биософт 3D» трехмерный случай анализа локомоций

Аппарато-программный комплекс (АПП) «Видеоанализ- Биософт 3D» разработан специалистами Научно-медицинской фирмы “Биософт” для проведения видеоанализа движений.

НМФ “Биософт” является единственным отечественным производителем оптико-электронных биомеханических комплексов для плоского и трехмерного способов исследования локомоций.

Аппаратная часть комплекса представлена в виде оптико-электронной системы, предназначенной для:

— регистрации и хранения видеосигнала;

— регистрации и хранения различных биомеханических параметров (миограммы, реакций опоры, показателей стабилометрии).

Основное предназначение комплекса — проведение биомеханических исследований локомоций человека и ортопедических показателей осанки на основе биомеханического анализа видеоизображений и сигналов, полученных с различных измерительных устройств, например, таких как силовая платформа, миограф, стабилоплатформа и др. Система обеспечивает выполнение следующих задач:

  • Регистрация видеоизображений с сохранением в виде файлов формата AVI без сжатия изображения;
  • Запись и хранение миограммы, реакция опор (тензодинамография), параметров стабилометрии и сигналов с других типов измерительных устройств;
  • Построение кинетограммы с наложением на видеоизображение;
  • Автоматизированный поиск меток на видеоизображении;
  • Расчет 3-х мерных координат объекта;
  • Расчет различных биомеханических параметров: линейных и угловых перемещения звеньев тела, моментов в суставах, межсуставных силы, кинематики мышц нижних конечностей;
  • Представление результатов в виде графиков с возможностью сохранения файлов формата TXT, MS Excel;
  • Хранение информации в базе данных.

Видеоанализ движений человека
Пример проведения видеоанализа
Анализ движений человека на видео
Общий вид аппаратно-программного комплекса представлен на рисунке 1.


Рисунок 1. Общий вид методики «Видеоанализ-Биософт». Верхний левый рисунок — тест-объект; Верхний правый — испытуемый на стабилоплатформе. Нижние рисунки — видеокамера и лампы подсветки
Рисунок 1. Пример использования методики «Видеоанализ-Биософт» для регистрации различных параметров при движении по бегущей дорожке.

1.1 Состав системы (основные средства видеоанализа движений)

В состав системы входят следующие программно-технические средства:

  • Персональный компьютер (минимальная комплектация: Intel Pentium 4 CPU 1.80GHz, ROM 1024GB, HDD 100GB, Fireware-1394a) с предустановленной операционной системой Windows XP;
  • Многофункциональная плата «NI PCI-6071 (производства National Instruments) либо внешний генератор синхроимпульсов;
  • Коммутационные средства для платы «NI PCI-6071E» (терминальный блок, кабель подключения терминального блока к плате «NI PCI-6071E»);
  • Две камеры типа «Basler A601f» (частота регистрации 50 Гц) или «Basler A602f» (частота регистрации 100 Гц);
  • Коммутационные средства к камерам «Basler A601f»/ «Basler A602f» (интерфейсный кабель типа Fireware-1394, кабель синхронизации камер с платой «NI PCI-6071E»);
  • Специализированные средства освещения (в видимой и в инфракрасной частях светового спектра);
  • Тест-объект;
  • Комплект сферических пассивно отражающих маркеров;
  • Штативы для камер и ламп освещения;
  • Фон;
  • Драйвер для платы «NI PCI-6071E»;
  • Пакет драйверов для видеокамер;
  • Пакет драйверов для работы с изображением;
  • Пакет биомеханических программ.

1.2 Дополнительные аппаратные средства «Видеоанализ-Биософт»

В зависимости от целей и задач исследований АПП «Видеоанализ-БИОСОФТ» может быть доукомплектован следующим оборудованием:

— силовые платформы типа (AMTI или BERTEC, производства США);

— 8-ми канальный миограф;

— стабилограф.

На рисунке 2 представлен фрагмент исследования биомеханики прыжков с одновременной регистрацией трехмерной кинематики сегментов тела, миограммы и реакции опоры.

Рисунок 3 — Регистрация кинематики движений, электрической активности мышц нижних конечностей и реакции опоры

(представлена вертикальная составляющая реакции опоры) при прыжке вверх

1.3. Расширенные возможности оптико-электронного комплекса

«Видеоанализ-Биософт»

В некоторых видах спорта с большой длиной шага, таких как: конькобежный спорт, лыжи, тройной прыжок в легкой атлетике, прыжки в фигурном катании — поля видения двух камер недостаточно для регистрации внутрицикловой кинематики звеньев тела.

Специалистами НМФ «Биософт» разработан метод регистрации трехмерных координат сегментов тела человека в локомоциях с большой длиной шага. Этот метод был реализован при исследовании кинематики бега на коньках на прямой и по повороту.

Видеокамеры, располагали последовательно снаружи и вдоль беговой дорожки (общий вид методики представлен на рисунке 3). В отличие от легкоатлетических локомоций (бег, ходьба и прыжки) при беге на коньках имеют место значительные поперечные перемещения сегментов тела. По этой причине камеры устанавливали таким образом, чтобы каждая пара соседних камер образовывала бинокулярное поле (при бинокулярном поле объект съемки виден одновременно минимум двумя соседними камерами), что позволяет рассчитать для каждого маркера на теле спортсмена трехмерные координаты (принципиальная схема представлена на рисунке 4). Регистрацию кинематики осуществляли в видимом спектре с частотой 60-100 кадров в секунду. В связи аппаратными ограничениями по скорости передачи данных по портам типа 1394, максимальное число камер, подключенное к одному компьютеру не более 4-х. Управление камерами осуществляли с использованием локальной сети, состоящей из головного и подчиненного компьютеров. Камеры синхронизированы внешним триггером. Каждая пара камер образует бинокулярное поле видения размерами по вертикали и горизонтали около 3500 мм. Для перерасчета двумерных координат, зарегистрированных каждой камерой, используется алгоритм DLT.

Перед проведением эксперимента в каждое бинокулярное поле помещается тест-объект (рисунок 5). Вертикаль основной стойки тест-объекта контролируется отвесом, горизонтальное положение плеч тест-объекта выставляется водяным уровнем. Тест-обьекты по горизонтальным плечам выравниваются в одну линию. При таком способе калибровки камер отсутствует «смещение» координат при переходе из одной системы координат в другую.
Появляется
возможность зарегистрировать бинокулярное поле длиной более 10 м, что создает условия для регистрации кинематики бега на коньках;

Рисунок 3 — Аппаратная составляющая видеоанализирующего комплекса. Верхние фотографии — фрагменты экспериментального исследования бега на прямой и на повороте. Нижние фотографии — камеры Basler (1), средства освещения (2), генератор синхроимпульсов (3), компьютерная локальная сеть: головной (4) и подчиненный (5) компьютеры

Рисунок 4 — Принципиальная схема расположения камер и тест-объектов для исследования локомоций человека с большой длиной шага

Рисунок 5 — Верхние фотографии — положение тест-объекта при проведении биомеханических исследований на прямой и повороте; 1 — горизонтальный уровень (хорда), вдоль которого смещается тест-объект при калибровке бинокулярных полей на повороте. Нижние фотографии — выставление плеч тест-объекта по вертикали и горизонтали соответственно.

Систематическая погрешность определения координат при скорости бега 10 м/с (минимальная скорость бега) и частоте видеосъемки 100 Гц составляет менее 5%.

Результаты обработки видеосъемки бега на коньках на прямой представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Верхние рисунки — кинетограммы движения спортсмена в проекции на три плоскости (сагиттальную, фронтальную и продольную). Нижний левый рисунок — угол наклона толчкового бедра к вертикали