CC BY
126
МЕТОДИКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ГРЕБКА В ГРЕБЛЕ НА БАЙДАРКАХ
А.А. ПОМЕРАНЦЕВ, Липецкий государственный педагогический университет
Аннотация
В настоящее время большой интерес для изучения представляют водные локомоции в спорте. Игры Олимпиады включают 302 комплекта наград, из которых 68 разыгрываются в водной среде (гребля академическая - 14, гребля на байдарках и каноэ - 16, плавание - 34, водное поло - 2, синхронное плавание - 2). Понимание фундаментальных законов гидродинамики и биомеханики, выявление оптимальных параметров движения спортсменов в этих видах спорта, в конечном счете, определяют спортивный престиж России. Описанная инновационная технология пространственной реконструкции гребка открывает широкие возможности для познания и осмысления техники гребли.
Ключевые слова: гребля на байдарках, биомеханика, пространственная реконструкция, моделирование,
визуализация, гребок.
Abstract
Aqueous locomotion is currently of great interest to study.
Olympic Games include 302 events, of which 68
are played out in an aqueous medium
(rowing - 14, kayak and canoe - 16, swimming -
34, synchronized swimming - 2, water polo - 2).
Understanding of the fundamental laws
of fluid dynamics, biomechanics, identifying the optimal
parameters of movement of athletes in these sports
eventually determine the prestige of Russian sports.
Described innovative spatial reconstruction
of the stroke offers great opportunities for learning
and understanding of kayaking technique.
Keywords: kayaking, biomechanics, spatial reconstruction, modeling, visualization, stroke.
Актуальность
Гребок - процесс создания продвигающей силы в гребле за счет взаимодействия лопасти весла с водой.
Гребля на байдарках - вид спорта, основанный на сложном движении, результат в котором во многом обусловлен не только физическими кондициями (сила, выносливость, быстрота), но и техникой движения -способностью правильно прикладывать силу и рационально использовать энергию [1].
С древнейших времен лодки, челноки, плоты являются неотъемлемым атрибутом жизни человека, и с того времени человек пытается осмыслить гре-
бок и греблю. Впервые, в известной мировой истории, механизм гребка научно исследовал Леонардо да Винчи, который изучал локомоции животных в воде [4].
До второй половины XX века достоверных данных о движении весла в воде в гребле на байдарках не было. В лучшем случае анализ сводился к дорисовке подводных положений лопасти (рис. 1) по кадрам надводной киносъемки [2].
Гребок представляет собой трехмерное пространственное движение, соответственно и кинематический анализ также должен быть пространственным [3, 5].
Рис. 1. Прорисовка подводных положений лопасти по кадрам надводной киносъемки
Гребная локомоция происходит одновременно в аэро- и гидродинамической средах, и поэтому существенная смысловая часть гребка - подводная траектория движения лопасти - в значительной степени остается недоступной для анализа. Тренеры могут судить о подводной траектории косвенно по движению надводной части весла. Получается далеко приблизительная оценка.
До появления мощных персональных компьютеров и высокоскоростных видеокамер кинематику гребли изучали с помощью стерео- и циклофотосъемки: фотографировали световые следы лампочек - меток на весле и лодке. В ряде случаев проводилась подводная киносъемка.
Качественная работа, соответствующая возможностям времени, была выполнена Е.А. Красновым и представлена в виде кандидатской диссертации «Биомеханика гребка, поступательного движения лодки и оценка техники движений в гребле на байдарках» в 1983 году [2].
Подводная видеосъемка в гребле на байдарках не получила широкого распространения. Причинами тому -мутная вода естественных водоемов и гребных каналов, сложность определения места гребка, высокая стоимость скоростных видеокамер для подводной съемки.
Современное развитие компьютерной техники и программного обеспечения открывают новые возможности для исследований гребка на современном, более фундаментальном уровне [6].
Разработанная методика и организация исследования
Для трехмерной (пространственной) реконструкции движения весла необходимы как минимум две камеры, снимающие гребок, оптические оси которых были бы перпендикулярны друг другу и направлены на объект съемки.
Идеальным вариантом можно считать съемку, осуществляемую двумя камерами: сбоку (сагиттальная плоскость) и сверху (горизонтальная плоскость). Съемка сверху наряду с существенным преимуществом имеет
Например, согнутая в локтевом суставе рука на кадре 97 (рис. 3) дает мнимый острый угол, хотя в реальном трехмерном пространстве этот угол однозначно будет тупым.
недостаток: она достаточно затруднительна, т.к. требует большой высоты для исключения перспективных искажений. В работе был выбран другой вариант расположения камер: вид сбоку (сагиттальная плоскость) и вид спереди (фронтальная плоскость).
В нашем исследовании были использованы две камеры, характеристики которых представлены в табл. 1. Положение видеокамер при съемке представлено на рис. 2.
На рисунке 3 представлена видеограмма выполнения гребка, сделанная скоростной видеокамерой. Временной интервал между кадрами составляет 0,004 с. Шаг раскадровки составляет 8 кадров или 8 х 0,004 с = 0,032 с.
Изучение исключительно видеограммы будет представлять плоскостной или двумерный (2D) анализ. Видеограмма - это ряд последовательных фотографий (проекций на плоскость), а гребок - сложное пространственное движение, анализ видеограммы сведется к изучению мнимых (кажущихся) углов, т.е. проекции реальных пространственных углов на плоскость, перпендикулярную оптической оси камеры.
Коридор движения лодки \ /
Буй -Оптические оси камер
/ / JXP
/ /
_________ Акватория
Берег ^^
Камера 1. Камера 2.
Fastec InLine Samsung
Рис. 2. Схема проведения съемки
Таким образом, видеограмма может служить отличным методическим пособием при обучении гребле, но совершенно не подходит для научных исследований.
Таблица 1
Технические характеристики видеокамер
Характеристика Камера 1 Камера 2
Название, модель Fastec InLine 1000 Samsung D 103(i)
Носитель информации 1 Гб встроенной памяти MiniDV
Частота съемки, кадров в секунду 250 (до 1000) 25
Скорость затвора, с 1/1000 1/1000
Матрица Монохромная Цветная
Рис. 3. Видеограмма выполнения гребка мсмк К.
Для реконструкции траектории движения лопасти под водой достаточно всего 6 контрольных точек: 1) хват левой руки; 2) хват правой руки; 3) середина древка весла; 4) светоотражающий маркер антенны; 5) носовая кокпитная точка; 6) кормовая кокпитная точка.
Антенна (рис. 4) представляет собой самодельное устройство, включающее хомут, велосипедную спицу и круглый маркер-отражатель. Устройство крепилось в середине древка весла с помощью затягивающегося хомута.
Основным требованием к антенне является жесткость конструкции и отсутствие колебаний при гребке, которые способны вызвать погрешности при расчетах. Длина антенны без хомута составляет 260 мм.
В период гребка возникает деформация весла под действием силы, однако это явление незначительно. Применительно к поставленной задаче разумно ввести допущение, что весло является абсолютно твердым телом, лишенным деформации, с постоянными линейными размерами. Как показали дополнительные расчеты, такой подход не приводит к сколько-нибудь существенным погрешностям.
Для анализа гребка была использована правая декартова система прямоугольных координат. При этом три взаимно перпендикулярных координатные оси были направлены следующим образом: ось абсцисс - положительное направление, совпадает с направлением движе-
1 1 ■
»
Рис. 4. Антенна, позволяющая определить поворот весла относительно собственной оси
ния лодки; ось ординат - вертикальная ось, с положительным направлением вверх; ось аппликат - ось, совпадающая с оптической осью камеры, положительное направление ориентировано в сторону наблюдателя.
Началом координат являлась точка, лежащая в левом нижнем углу кадра скоростной камеры и в плоскости симметрии лодки.
Используя компьютерную программу биомеханического анализа Tracker Video Motion, были проанализированы два снятых видеоряда двумя перпендикулярно расположенными видеокамерами. В результате анализа были получены координаты контрольных точек в плоскостях Oxy - скоростная камера (сагиттальная плоскость) и Oyz - любительская видеокамера Samsung (фронтальная плоскость).
Для определения линейных характеристик требуется ввести стандартизированный тест-объект, позволяющий оценить соотношение его длины в метрах и его отображение на экране в пикселях. При изучении гребли возникает определенная сложность, заключающаяся в том, что невозможно просто поставить стандартный тест-объект на воду. Возможной альтернативой является создание плавающего тест-объекта, либо фиксация стандартного тест-объекта на шлюпке. Вместе с тем сама байдарка, проходящая в сагиттальной плоскости, представляет собой идеальный «тест-объект» стандартизованной длины.
В целях уменьшения погрешности и исключения перспективного искажения нами был использован длиннофокусный объектив и выставлено оптимальное приближение объекта съемки. При таком приближении лодка полностью не входила в кадр, и, следовательно, ее полная длина не могла быть использована в качестве «тест-объекта». Исходя из этого, было принято решение установить 2 контрольные точки (рис. 5) выше ватерлинии, которые служили тест-объектом при съемке скоростной камерой. Расстояние между точками составляло 600 мм. Таким образом, однажды зафиксированный «тест-объект» служил для анализа всего видеоряда, снятого скоростной камерой.
После определения пространственных координат контрольных точек, используя математические програм-
Рис. 5. Линейные размеры весла с лодкой и прикрепленная антенна (кадр из видеоряда, сделанного скоростной камерой Fastec Inline)
мы, строилась пространственная реконструкция гребка. Такой подход целесообразен для ученых, но не приемлем для тренеров, которые должны иметь возможность изучения гребка с помощью понятного компьютерного приложения.
Для автоматизации описанных вычислений и визуализации пространственной реконструкции движения весла в гидродинамической среде было написано специализированное компьютерное приложение Grebok 1.1, разработанное в среде программирования Borland Delphi с использованием OpenGL.
В начале работы с приложением предлагается определить параметры будущей визуализации реконструкции гребка. Можно настроить цвета осей, плоскости воды и прочих важных элементов. Также важной настройкой является изменение времени паузы между кадрами, что дает впоследствии возможность более детального анализа гребка [8].
После этого необходимо загрузить данные из текстовых файлов с помощью функциональной кнопки «Загрузить данные» и выполнить расчет данных.
В нижней части рабочей области приложения отображаются как данные, полученные из файлов, так и данные рассчитанные на их основе: конечные точки весла, середина весла, маркер; углы поворота; траектория 11 точек.
В программе заложена возможность просмотра гребка с разных углов, а также возможность приближения и удаления изображения.
Результаты и обсуждения
Представленные в работе фото, таблица и графики являются примером, призванным показать возможности предлагаемого метода, и не могут рассматриваться в качестве конечной цели исследования.
Описанная инновационная технология пространственной реконструкции гребка открывает широкие возможности для познания и осмысления техники выполнения движений. Исследователи получают в свое распоряжение универсальный инструмент для изучения кинематики гребка, а тренеры - возможность проведения строгого количественного биомеханического анализа взамен качественной визуальной оценки.
Точность метода позволяет проводить различные сравнительные исследования техники на современном научном уровне, например:
• сравнение пространственной структуры гребка нескольких спортсменов и выявление отличительных признаков в технике;
• проведение долгосрочных исследований техники у отдельного спортсмена в различных структурных образованиях годичного тренировочного цикла.
Фундаментальные законы гидродинамики и строгость алгоритма позволяют значительно продвинуться в вопросе поиска оптимальной техники выполнения гребка с учетом индивидуальных особенностей спортсмена и параметров конкретной модели весла.
Пространственная реконструкция будет востребована при анализе синхронности гребли в командных
лодках. Трехмерные модели гребков всех членов экипажа и сравнение подводной траектории, позволят определить степень сходства и различия в технике.
Представленная работа неоспоримо имеет и методическое значение при обучении гребли. Данный алгоритм и минимальные знания компьютера, позволят любому тренеру смоделировать пространственный гребок таким, какой он считает наиболее правильным, и к которому должен стремиться его воспитанник. Демонстрация
«эталонного» гребка спортсмену, а также визуальное и количественное сопоставление его с реальным гребком, будут являться эффективным средством срочной информации и коррекции техники.
Представленный алгоритм является основой для дальнейших исследований, которые позволят численно определить, насколько спортсмен грамотно и рационально прикладывает силу и расходует энергию [7].
Литература
1. Иссурин В.Б. Биомеханика гребли на байдарках и каноэ / под ред. В.М. Зациорского. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - 112 с.
2. Краснов Е.А. Биомеханика гребка, поступательного движения лодки и оценка техники движений в гребле на байдарках: автореф. дис. ... канд. пед. наук / Краснов Евгений Алексеевич; ВНИИФК. - М., 1982. - 16 с.
3. Краснов Е.А. Некоторые вопросы техники гребли на байдарках и каноэ / Е.А. Краснов, О.К. Химич / Гребной спорт: Ежегодник. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - С. 31-34.
4. Леонардо да Винчи. Избранные естественнонаучные, произведения / редакция, перевод, статья и комментарии В.П. Зубова. - М.: Издательство Академии наук СССР, 1955. - 1030 с.: ил.
5. Оптимизация пространственного построения гребка при плавании / В.Б. Иссурин, Ю.И. Костюк //
Теория и практика физ. культуры. - 1984. - № 4. -С.10-12.
6. Померанцев А.А. Компьютерное моделирование взаимодействия биомеханической гребной системы (БГС) со средой / МГАФК. Том VI. Ред.-составитель
B.Б. Коренберг. - Малаховка: Московская государственная академия физической культуры, 2004. -
C.360-367.
7. Померанцев А.А. Методика пространственной реконструкции подводной траектории движения весла как основа теоретических и прикладных исследований в гребном спорте / А.А. Померанцев. - Липецк: ФГБОУ ВПО «ЛГПУ», 2012. - 184 с.: ил.
8. Гребок // Википедия. [Электронный ресурс]. http://ru.wikipedia.org/?oldid=49857862 (дата обращения: 15.11.2012).
References
1. Issurin V.B. Biomechanics of rowing and canoeing / Ed. V.M. Zatsiorsky. - M.: Physical Culture and Sport, 1986. - 112 p.
2. Krasnov E.A. Biomechanics of the stroke, forward movement of the boat and assessment technique in canoeing: author. dis. ... candidate. ped. science / ed E.A. Krasnov, VNIIFK. - M., 1982. - 16 p.
3. Krasnov E.A. Some technical problems in kayaking and canoeing / E.A. Krasnov, D.C. Khimich / Canoeing: Yearbook. - M.: Physical Culture and Sport, 1986. -Pp. 31-34.
4. Leonardo da Vinci. Selected scientific, product / Editorial, translation, article and comments V.P. Zubova. -M.: Academy of Sciences, 1955. - 1030.
5. Optimization of spatial construction stroke while swimming / V.B. Issurin, Y.I. Kostyuk // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 1984. - No. 4. - Pp. 10-12.
6. Pomerantsev A.A. Computer simulation of the interaction of biomechanical propulsion system (BSS) with the medium / MGAFK. Volume VI. Ed. compiler V.B. Korenberg. - Malakhovka: Moscow State Academy of Physical Education, 2004. - Pp. 360 - 367.
7. Pomerantsev A.A. Methods of spatial reconstruction of underwater trajectory of the paddle as the basis of theoretical and applied research in canoeing / A.A. Pomerantsev. -Lipetsk.: FGBOU VPO "LGPU", 2012. - 184 p.
8. Stroke // Wikipedia. [Electronic resource]. http:// ru.wikipedia.org/?oldid=49857862 (access date: 15.11.2012).
