Metodi e strumenti per l analisi biomeccanica della prestazione motoria. Prof. Francesco Sgrò Assistant Professor francesco.sgro@unikore.
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1 Università degli Studi Kore di Enna Facoltà di Scienze dell uomo e della società Corso di Laurea Magistrale in Scienze e tecniche delle attività motorie preventive e adattate A.A Metodi e strumenti per l analisi biomeccanica della prestazione motoria Prof. Francesco Sgrò Assistant Professor francesco.sgro@unikore.it
2 ! Slide VI Lezione 27/10/2015 Tecnologie video per l analisi del movimento Tecniche e strategie per l acquisizione dei dati Scelta del software e digitalizzazione dei video Elaborazione dei dati e presentazione dei risultati
3 Procedure di raccolta dati! L elemento critico di maggiore rilevanza nel processo di raccolta dati nella video-analisi è rappresentato dall accuratezza delle misure.! Alcune procedure (o protocolli) sono utili per minimizzare questi errori sia per analisi quantitative che qualitative.! Il protocollo ha come obiettivo minimizzare l entità degli errori sistematici e strumentali commessi nell acquisizione dei video e nella loro elaborazione! Ogni procedura sarà diversa in funzione di: Tipologia di applicazioni: qualitative VS quantitative Piani di azione: 2D VS 3D! Le scelte che un tecnico deve fare sono sempre legate agli obiettivi d uscita della sessione di analisi del movimento
4 Step di lavoro! Ogni sessione di raccolta dati attraverso tecnologie video 2D deve seguire uno specifico protocollo caratterizzato dalle seguenti azioni: Organizzazione della sessione di valutazione Impostazioni e configurazioni della camera Impostazione oggetto di calibrazione Impostazione del frame rate! Nei sistemi di video-analisi 3D è necessario procedere alle seguenti procedure in maniera diversa dalle soluzioni 2D: Configurazione set-up d indagine Calibrazione del sistema
5 Organizzazione della sessione di lavoro! Gli elementi caratterizzanti questo primo step del processo valutativo sono: Scelta dei test Scelta e valutazione dell ambiente di acquisizione Procedure di familiarizzazione Scelta dell abbigliamento Consenso informato Organizzazione in gruppi e timing! Dall organizzazione della sessione dipendono: La configurazione del team di lavoro La scelta delle procedure di registrazione on-time delle acquisizioni: codifica di sessione, partecipanti e trials
6 Impostazioni e configurazioni della camera! Il set-up della videocamera per l acquisizione di performance descritte su un piano di movimento deve prevedere: L utilizzo di un base stabile per la camera (treppiedi) In caso di performance che richiedono ampi spazi, è consigliato l utilizzo di camere con vista panoramica o mobili Massimizzare la distanza di ripresa per evitare errori di prospettiva sul piano della misura lineare Massimizzare la dimensione dell immagine pre-fase di acquisizione per evitare errori di accuratezza nei processi di analisi Evitare l utilizzo di messe a fuoco automatiche Allineare l asse di vista al centro della scena (field of view), creando un allineamento perpendicolare tra piano di azione e camera
7 Impostazioni e configurazioni della camera Errori! Errori di disallineamento tra piano di azione e movimento
8 Impostazioni e configurazioni della camera Errori! Errori di prospettiva: a) La camera è posta a 3 metri, mentre nel caso b) la camera è posta a 10 metri.
9 Impostazioni e configurazioni della camera! Ulteriori elementi di set-up post fissaggio della camera Modulare l apertura dello shutter in funzione della rapidità dei movimenti dei marcatori: Walking 1/150-1/250 (Slow Movements) Running: 1/350-1/750 (Moderately fast Movements) Tennis Serve: 1/1000 (Fast Movements) In condizioni closed-field: regolare la luminosità con sorgenti di luce artificiale: Bartlett (1997) suggerisce di usare una sorgente perpendicolare al piano di azione ed una posta a 30 dallo stesso piano utilizzare sfondi di colore omogeneo e non riflettenti In condizioni open-field regolare la camera in posizione utile rispetto alla luce del sole e rispetto alla variazione di luminosità
10 Y Frame 1 (x4,y4) (x5,y5) (x3,y3) (x1,y1) (x2,y2) (0,0) X Ripresa video P x y CALIBRAZIONE DEL SISTEMA DI SET-UP DI ANALISI
11 Oggetto di calibrazione! La calibrazione del sistema di video-analisi avviene mediante la digitalizzazione di un oggetto di dimensioni note! L oggetto di calibrazione potrebbe essere utilizzato come origine del sistema di riferimento globale.! L oggetto di calibrazione dovrà essere digitalizzato in un punto sempre inquadrato dalla camera! E opportuno scegliere le dimensioni dell oggetto in funzione dell ampiezza del campo di vista! E opportuno scegliere oggetti bi-dimensionali per minimizzare problemi di mis-allineamento delle coordinate dei marcatori
12 Esempio di oggetto di calibrazione! Il seguente oggetto di calibrazione ha le seguenti misure: 2*1 metri.! Il fattore di scala da usare per la calibrazione del set-up d indagine è: 1 metro = 283 pixel
13 Definizione del frame-rate! Definire con accuratezza il frame rate (f c ) in funzione della tipologia di movimento da riprendere è fondamentale per avere acquisizioni valide per la video-analisi! La scelta del frame rate dovrebbe essere guidata dal teorema di Shannon: f R > 2f M! Frequenze di acquisizione più elevate garantisco maggiore precisione sia nelle misure spaziali (spostamenti di repere anatomici) che temporali (durata delle fasi)! In via indicativa, Payton e Batlett hanno fornito i seguenti valori: Hz: walking, swimming Hz: running, shot put, vertical jump Hz: sprinting, throwing Hz: tennis serve, golf swing
14 Frame Rate! Rapporto tra n. di frame e fasi di contatto piedepalla
15 Configurazione set-up acquisizione 3D! E necessario utilizzare almeno due camere per una ricostruzione tridimensionale della posizione dei marcatori nello spazio! E necessario definire un sistema di riferimento tridimensionale coerente con le direttive del ISB e con le convenzioni discusse in aula! E opportuno garantire una sincronizzazione fisica delle camere per avere acquisizioni temporalmente allineate
16 Calibrazione del sistema 3D! La calibrazione dei sistemi 3D è realizzabile attraverso diverse tipologie di algoritmi, che differiscono per complessità e per restrizioni nel posizionamento delle camere! Martin e Pongratz (1994) hanno sviluppato un algoritmo che richiede un allineamento tra gli assi ottici delle camere tale da formare angoli di 90 al centro della scena! La tecnica di ricostruzione tridimensionale dei marcatori con video-analisi DLT Direct Linear Transformation (3D-DLT) è quella più spesso utilizzata nell ambito delle scienze motorie
17 Calibrazione di un sistema 3D - DLT OGGETTO DI CALIBRAZIONE A 64 PUNTI DI CONTROLLO! L oggetto di calibrazione deve essere 3D e costituito da almeno 6 punti di controllo non tutti complanari ed equi distanziati tra loro! E necessario definire un sistema di riferimento globale! Il rapporto tra le coordinate 2D (x,y) della camera e quello 3D dei punti (X,Y,Z) è determinato dalla seguenti equazioni per ogni punto di controllo:
18 Software! La scelta del software è indipendente dall azienda produttrice dell infrastruttura di acquisizione utilizzata.! Gli elementi che devono caratterizzare un software sono: Compatibilità con i meccanismi di memorizzazione dei video; Compatibilità con gli obiettivi 2D delle analisi: possibilità di suddividere un intero video in brevi frammenti, ognuno individuabile con un opportuna etichetta; possibilità di riprodurre con tecniche di slowmotion e fermo immagine; possibilità di sovrapporre al video elementi identificativi o distintivi di azioni e atleti; possibilità di salvare i video elaborati.
19 Software! Gli elementi che devono caratterizzare un software sono: Compatibilità con gli obiettivi 3D delle analisi: Possibilità di definire sistemi di riferimento globale e locale Possibilità di definire modelli biomeccanici; Etichettamento di repere anatomici frame-by-frame Possibilità di analisi dei dati e di rappresentazione di curve caratterizzanti la biomeccanica del movimento! Alcune tipologie di software con le predette caratteristiche sono: Longo Match Kinovea Skill Spector Dartfish
20 Ricostruzione digitale delle coordinate! Il processo di ricostruzione digitale delle coordinate (video digitising) è, sicuramente, il più delicato quando di implementano sessioni di video analisi del movimento! Il processo di video digitising può essere: Automatico Manuale! In letteratura sono state individuate una serie di elementi che possono limitare l insorgere di errori sistematici susseguenti al processo di video digitising manuale (Atkinson enevil, 1998)! Il processo di video digitising manuale va fatto frame-by-frame
21 Y Frame 1 (x4,y4) (x5,y5) (x3,y3) (x1,y1) (x2,y2) Digitalizzazione manuale (x4,y4) (x5,y5) Frame N (x3,y3) (x1,y1) (x2,y2) (0,0) TEMPO X INDIVIDUAZIONE DI OGNI REPERE, FRAME-PER-FRAME, ATTRAVERSO IL MOUSE
22 Ricostruzione digitale delle coordinate! Elementi da rispettare accuratamente per avere una buona affidabilità dei dati: L operatore che esegue la digitalizzazione manuale deve essere sempre lo stesso per incrementare la reliability (ripetibilità, consistenza) tra trials E opportuno procedere ad una serie di acquisizioni ripetute, per valutare la reliability intra-operatore e, se necessario, anche inter-operatore E richiesta una conoscenza approfondita del sistema muscolo-scheletrico per la corretta individuazione dei repere anatomici su cui apporre i marcatori La digitalizzazione dei sistemi di scaling deve essere il più accurata possibile per evitare errori sistematici che influenzano tutta la serie di misure Con riferimento ai sistemi 3D, sono state individuate soglie di errore limite, in termini di Root Mean Square, oltre i quali la valutazione non è accettabile: 3.9, 3.8, 4.8 mm nelle direzioni X, Y, e Z rispettivamente (Sanders et al., 2006)
23 Elaborazione, analisi e presentazione dei risultati! Il processo di digitalizzazione restituirà serie temporali interessate da rumore ad alta frequenza che andrà eliminato.! I processi successivi, quindi, si declinano in tra fasi: Screening e trasformazione dei dati Stima ed analisi delle variabili cinematiche Presentazione dei risultati
24 Screening e trasformazione dei dati! Il processo con cui rimuovere il rumore introdotto dalla digitalizzazione è chiamato filtraggio! E possibile procedere a questa operazione con le seguenti tecniche: Filtri digitali: Butterworth Spline fitting Trasformate di Fourier! Il processo di filtering influenzerà drasticamente il successivo processo di calcolo delle grandezze cinematiche: Filtraggio troppo soft : grandezze affette da errore Filtraggio troppo hard : perdita di contenuto informativo
25 Stima ed analisi delle variabili cinematiche! Il processo in questione è profondamente influenzato dalle scelte poste in precedenza con riferimento al modello biomeccanico scelto! La scelta potrebbe essere di due tipi: Valutazione di singoli segmenti corporei in maniera isolata Valutazione del CoM ottenuto attraverso il metodo della segmentazione! Le principali grandezze cinematiche stimabili sono: Lineari: spostamento (Δx), velocità ed accelerazione Angolari: angoli articolari relativi ed assoluti! Le grandezze derivate possono essere stimate con metodi numerici (metodo delle differenze finite) o analitici (funzioni matematiche)
26 Presentazione dei risultati! La scelta degli elementi da utilizzare per la presentazione dei risultati dipende dai destinatari! I metodi più diffusi per la presentazione delle grandezze cinematiche sono: Misure discrete (gradi di flesso estensione dell anca) associate a stime dell errore Plot temporali (velocità /tempo)! Nella preparazione di un report è necessario comunque descrivere e/o indicar: Partecipanti Infrastruttura di acquisizione Software per la digitalizzazione Tecniche di analisi dei dati utilizzate
27 Bibliografia! Carl J. Payton and Roger M. Bartlett (2008) Biomechanical Evaluation of Movement in Sport and Exercise! Atkinson, G. and Nevill, A.M. (1998) Statistical methods for assessing measurement error (reliability) in variables relevant to sports medicine, Sports Medicine, 26(4):
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