Анализ движений, ходьбы и бега -

Анализ движений (также человека, в том числе, ходьбы и бега) используется в компьютерном обзоре, обработке изображений, высокоскоростной фотографии и машинном зрении, которая изучает методы и приложения, в которых два или более последовательных изображения из изображений последовательностей, например, произведенные видеокамерой или высокоскоростной камерой, обрабатываются с целью производства информации, основанной на текущем движении в изображениях. В некоторых приложениях, камера фиксируется по отношению к сцене и объекты движутся по сцене, в некоторых других приложениях сцена более или менее фиксирована и движется камера, а в других случаях и камера, и сцена движутся. Суть обработки данных для анализа движения в простейшем случае может заключаться в том, чтобы обнаружить движение, то есть, найти точки на изображении, где что-то движется.
Более сложные виды обработки могут быть предназначены для отслеживания конкретного объекта в пространственном изображении на пртяжении временного интервала, для группировки точек, которые принадлежат к тому же жесткому объекту, который движется на сцене, или определить величину и направление движения каждой точки в изображении.
Информация, которая производится, часто связана с определенным изображением в последовательности, соответствующему конкретной временной точке, но потом зависит также от соседних изображений. Это означает, что анализ движения может производить зависящую от времени информацию о времени и о движении. Применение анализа движения можно найти в довольно разнообразных областях, таких как наблю-

дение, разлмчные области медицины, киноиндустрии, автомобильной безопасности при краш тестах, при исследованиях баллистического огнестрельного оружия, биологических наук, распространения пламени, и навигации автономных транспортных средства. Видеокамера может рассматриваться как приближение камеры-обскуры, что означает , что каждая точка на изображении освещается какой-то (обычно одной) точкой в сцене напротив камеры, как правило, с помощью света таким образом, что точка сцены отражается от источника света. Каждая точка на сцене прецируется вдоль прямой линии, которая проходит через апертуру камеры и пересекает плоскость изображения . Это означает, что в определенный момент времени, каждая точка на изображении относится к определенной точке сцены. Эта точка сцены имеет определенную позицию по отношению к камере, и если это относительное положение меняется, то оно соответствует относительному движению в 3D. Это относительное движение не имеет значения до тех пор, пока это точка сцены, или камеры, или обеих, что находятся в движении. Только тогда, когда происходит изменение в относительном положении, что камера способна обнаружить, можно считать, что произошло некоторые движение. Проектируя относительное 3D движение всех видимых точек обратно в изображение, в результате получаем поле движения, описывая видимое движение каждой точки изображения с точки зрения величины и направления скорости этой точки в плоскости изображения. Следствием этого наблюдения является то, что если относительное движение 3D некоторых точек сцены происходит вдоль их линий проекции, соответствующее видимое движение равно нулю.
Камера измеряет интенсивность света в каждой точке изображения, световое поле. На практике цифровая камера измеряет этот свет поля на дискретных точках, пикселей, но, учитывая, что пиксели достаточно плотные, интенсивность пикселей может использоваться для представления большинства характеристик светового поля, которое падает на плоскость изображения. Обычным допущением анализа движений является то, что свет, отраженный от точек сцены не изменяется с течением времени. Как следствие, если имеется интенсивность I, которая наблюдалось в некоторой точке в изображении в какой-то момент времени, то та же интенсивность I будет наблюдаться в положении, которая смещается относительно первой вследствие очевидного движения. Еще одна распространенное допущение о том, что имеется изрядное количество вариаций в обнаруженной интенсивности по пикселам в изображении. Следствием этого допущения является то, что если точка сцены, которая соответствует определенному пикселю в изображении имеет относительное 3D движение, то интенсивность пиксела, скорее всего, меняться с течением времени.
Один из самых простых типов анализа движения является выявление точек изображения, которые ссылаются на движущиеся точки в сцене. Типичный результат такой обработки представляет собой бинарное изображение, где все точки изображения (пикселей), которые относятся к движущимся точкам в сцене устанавливаются в значение 1, а все остальные точки установливаются в 0. Это бинарное изображение затем подвергают дальнейшей обработке, например, для удаления шума, группировки соседних пикселей, и разметки объектов. Обнаружение движения может быть сделано, используя несколько методов; две основные группы это дифференциальные методы и методы, основанные на фоновой сегментации.
В областях медицины, спорта, видеонаблюдения и кинезиологии, анализ движений человека стал исследовательским и диагностическим инструментом. Анализ движений человека можно разделить на три категории: распознавание активности человека, отслеживание движения человека, и наконец, анализ движения тела и части тела.В областях медицины, спорта, видеонаблюдения и кинезиологии, анализ движений человека стал исследовательским и диагностическим инструментом. Анализ движений человека можно разделить на три категории: распознавание активности человека, отслеживание движения человека, и наконец, анализ движения тела и части тела.
Распознавание активности человека наиболее часто используется для видеонаблюдения, в частности автоматический контроль движения в целях безопасности. Большинство усилий в этой области зависят от подходов состояния-пространства в которых последовательности статических поз статистически анализируются и сравниваются с смоделированными движениями. Сопоставление с шаблоном является альтернативным методом при котором статические формы паттернов сравниваются с уже существующими прототипами.
Отслеживание движения человека могут быть выполнены в двух или трех измерениях. В зависимости от сложности анализа, размах представление тела человека тянется от основных неподвижных фигур до объемных моделей. Отслеживание базируется на соответствие деталей изображения между последовательными кадрами видео, с учетом такой информации, как положение, цвет, форма и текстура. Обнаружение края может быть выполнена путем сравнения цвета и/или контраста соседних пикселей, обращая специальное внимание на разрывы или быстрые изменения. Трехмерные отслеживания принципиально идентичны двумерному отслеживанию, с дополнительным коэффициентом пространственной калибровки. Анализ движения частей тела имеет решающее значение в медицинской области. В процессе анализа осанки и походки суставные углы используются для отслеживания местоположения и ориентации частей тела. Анализ походки (или ходьбы) также используется в спорте для оптимизации спортивных результатов или для идентификации движений, которые могут привести к травме или деформациям. Отслеживающее программное обеспечение, которое не требует использования оптических маркеров, особенно важно в тех областях, где использование маркеров может препятствовать естественным движениям.
Ходьбу при различных заболеваниях изучает раздел медицины - клиническая биомеханика; ходьбу как средство достижения спортивного результата или повышения уровня физической подготовленности изучает раздел физической культуры - спортивная биомеханика. Ходьбу изучают многие другие науки: компьютерная биомеханика, театральное и балетное искусство, военное дело. Основой для изучения всех биомеханических наук является биомеханика ходьбы здорового человека в естественных условиях. Ходьбу рассматривают с позиции единства биомеханических и нейрофизиологических процессов, которые определяют функционирование локомоторной системы человека.
Биомеханическая структура ходьбы = временная структура ходьбы + кинематика ходьбы + динамика ходьбы + иннервационная структура ходьбы. Временная структура ходьбы, обычно основана на анализе результатов подографии. Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой. На этом основании определяют временные фазы шага. Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а также с применением гироскопов - приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии - метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела. Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы. При опоре силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её составляющие. Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики, вмонтированные в подошву обуви. Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии - регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и иннервационного анализа ходьбы. Основной метод исследования временно?й структуры — метод подографии. Например исследование ходьбы с применением самой простой, двухконтактной электроподографии заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы. Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта — опора на пятку, замыкание заднего и переднего - опора на всю стопу, замыкание переднего контакта - опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги. График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде подограммы правой ноги и подограмма левой ноги. Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы - двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел. Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на ее передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100 %. Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме - основному методу оценки временной характеристики ходьбы. Проводя кинематический анализ ходьбы, прежде всего, определяют перемещение общего центра масс тела и угловые перемещения в крупных суставах нижних конечностей и в суставах стопы. Кинематический анализ проводят, исследуя эти движения в трех основных анатомических плоскостях тела: в сагиттальной, в горизонтальной и во фронтальной плоскости. Движения сегментов тела соотносят с фазами временной характеристики ходьбы. Регистрация движений сегментов тела проводится как контактным, так и бесконтактным методом. Исследуют линейные и угловые перемещения, скорость и ускорение. Основные методы исследования: циклография, гониометрия и оценка движения сегмента тела при помощи гироскопа. Метод циклографии позволяет регистрировать изменение координат светящихся точек тела в системе координат. Гониометрия - изменение угла ноги прямым методом с применением угловых датчиков и неконтактным по данным анализа циклограммы. Кроме того, применяют специальные датчики гироскопы и акселерометры. Гироскоп позволяет регистрировать угол поворота сегмента тела, к которому он прикреплен, вокруг одной из осей вращения, условно названной осью отсчета. Обычно гироскопы применяют для оценки движения тазового и плечевого пояса, при этом последовательно регистрируют направление движения в трех анатомических плоскостях - фронтальной, сагиттальной и горизонтальной. Оценка результатов позволяет определить в любой момент шага угол поворота таза и плечевого пояса в сторону, вперед или назад, а также поворот вокруг продольной оси. В специальных исследованиях применяют акселерометры для измерения в данном случае тангенциального ускорения голени. Для исследования ходьбы используют специальную биомеханическую дорожку, покрытую электропроводным слоем. Важную информацию получают при проведении традиционного в биомеханике циклографического исследования, которое, как известно, основано на регистрации методом видео- кинофотосъёмки координат светящихся маркеров, расположенных на теле испытуемого. Динамика ходьбы не может быть изучена методом прямого измерения силы, которая продуцируется работающими мышцами. До настоящего времени отсутствуют доступные для широкого использования методики измерения момента силы живой мышцы, сухожилия или сустава. Хотя следует отметить, что прямой метод, метод имплантации датчиков силы и давления непосредственно в мышцу или сухожилие применяется в специальных лабораториях. Прямой метод исследования вращающего момента осуществляется также при использовании датчиков в протезах нижних конечностей и в эндопротезах суставов. Представление о силах, воздействующих на человека при ходьбе, может быть получено или в определении усилия в центре масс всего тела, или путём регистрации опорных реакций. Практически, силы мышечной тяги при циклическом движении можно оценить, только, решая задачу обратной динамики. То есть зная скорость и ускорение движущегося сегмента, а также его массу и центр масс, мы можем определить силу, которая вызывает это движение, следуя второму закону Ньютона (сила прямо пропорциональна массе тела и ускорению). Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить — это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяют оценить величину вращающего момента сустава. Расчет вращающего момента мышцы может быть произведён исходя из сопоставления кинематических параметров, точки приложения реакции опоры и биоэлектрической активности мышцы. Сила реакции опоры это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры. Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы — силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры. Динамическая характеристика ходьбы оценивается путём исследования опорных реакций, которые отражают взаимодействие сил, принимающих участие в построении локомоторного акта: мышечных, гравитационных и инерционных. Вектор опорной реакции в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие: вертикальную, продольную и поперечную. Эти составляющие позволяют судить об усилиях, связанных с вертикальным, продольным и поперечным перемещением общего центра масс. Сила реакции опоры включает в себя вертикальную составляющую, действующую в направлении вверх-вниз, продольную составляющую, направленную вперед-назад по оси Y, и поперечную составляющую, направленную медиально-латерально по оси X. Это производная от силы мышц, силы гравитации и силы инерции тела.

Продолжениие см. в соответствующем разделе "Информация" горизонтального меню нашего сайта.