CC BY
27ОСОБЕННОСТИ СКОРОСТНОЙ СЪЕМКИ В СОВРЕМЕННОМ СПОРТЕ
УДК/UDC 796.021
Поступила в редакцию 03.02.2023 г.
Информация для связи с автором: bilag77@mail.ru
Кандидат педагогических наук, доцент А.Г. Биленко1 Л.П. Говорков1
Доктор биологических наук, профессор Г.П. Иванова1 Доктор педагогических наук, профессор Б.Е. Лосин1 1Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург
FEATURES OF HIGH-SPEED SHOOTING IN MODERN SPORT
PhD, Associate Professor A.G. Bilenko1 L.P. Govorkov1
Dr. Biol., Professor G.P. Ivanova1 Dr. Hab., Professor B.E. Losin1 1Lesgaft National State University of Physical Education, Sports and Health, St. Petersburg
Аннотация
Цель исследования - на основе теоретического анализа выявить варианты целесообразного использования технических возможностей светорегистра-ции движений в современном спорте.
Методика и организация исследования. Проведен теоретический анализ информационных источников, посвященных рассмотрению особенностей и специфики применения видеосъемки в спортивной деятельности. Результаты исследования и выводы. Отмечены проблемы, связанные с получением и просмотром видеоматериалов со стандартными параметрами вещательного TV-сигнала: получение резкости изображений из-за «сма-занности» быстродвижущегося объекта; неполноценность информации вследствие недостатка количества кадров, приходящихся на информационно-важный момент; геометрические искажения. Предлагается создание условий для решения педагогических и научно-методических проблем в двух направлениях: получение материала для хронометрирования исследуемого фрагмента спортивного события, руководствуясь при этом выбором частоты съемки, обеспечивающей четкую границу фаз, необходимую для требуемой в педагогике достоверности результатов; при биомеханическом анализе совершаемого двигательного действия для исключения геометрических искажений требуется выбор кратковременности экспозиции (shutter) независимо от частоты съемки.
Ключевые слова: задачи спорта, светорегистрация, быстропротекающий процесс, достоверность информации.
Abstract
Objective of the study was to identify options for the expedient use of the technical capabilities of light registration of movements in modern sports on the basis of a theoretical analysis.
Methods and structure of the study. A theoretical analysis of information sources devoted to the consideration of the features and specifics of the use of video filming in sports activities has been carried out.
Results and conclusions. The problems associated with receiving and viewing video materials with standard parameters of a broadcast TV signal are noted: obtaining sharpness of images due to the "blurring" of a fast moving object; the inferiority of information due to the lack of the number of frames attributable to an information-important moment; geometric distortion. It is proposed to create conditions for solving pedagogical and scientific-methodological problems in two directions: obtaining material for timing the studied fragment of a sporting event, guided by the choice of the shooting frequency, which provides a clear phase boundary, necessary for the reliability of the results required in pedagogy; in the biomechanical analysis of the performed motor action, in order to exclude geometric distortions, it is necessary to choose a short exposure time (shutter), regardless of the frequency of shooting.
Keywords: sports tasks, light registration, fast-flowing process, reliability of information.
Введение. В практике тренерской работы давно используется метод, связанный со светорегистрацией (как правило, видео) двигательных действий спортсмена. Самый очевидный, простой и доступный способ получения полезной для тренера информации - замедленный просмотр видеоматериалов, отснятых аппаратурой вещательного телевизионного (IV) - стандарта [1]. На сегодняшний день светорегистриру-ющие системы позволяют получить практически идеальное по восприятию «художественное» изображение. Однако при изучении быстрых движений в спорте с использованием даже
суперсовременных цифровых методов светорегистрации возникают серьезные проблемы, в частности: потеря резкости движущегося объекта из-за так называемого «смаза»; недостаточность числа кадров, описывающих кратковременный фрагмент движения; появление геометрических искажений движущегося объекта.
В этой связи актуализируется поиск, анализ и применение эффективных инструментов и методов светорегистрации движений в спорте при решении определенного круга задач: повышение качества судейства за счет объективизации пред-
□ и
£ г. CL
ч—
О 0J и
CL ' -о с
га
^
О (U .с Н
ставления фактической информации при оценке быстропро-текающих движений путем увеличения точности локализации места и времени в контактных фазах; модернизация тренерской работы посредством безошибочной диагностики техники движений, особенно быстрых, благодаря использованию биомеханического анализа, в котором сведены к минимуму геометрические искажения изображений; в научно-методическом обеспечении подготовки спортивного резерва, где необходим качественный и объективный визуальный контроль быстро-протекающих и информационно важных фрагментов для полноценного и достоверного восприятия педагогических рекомендаций.
Цель исследования - на основе теоретического анализа выявить варианты целесообразного использования технических возможностей светорегистрации движений в современном спорте.
Результаты исследования и их обсуждение. Широко используемая в спортивной практике зрительная информация, получаемая в результате замедленного просмотра видеоматериалов со стандартными параметрами вещательного TV-сигнала, в настоящий момент не является полноценной и качественной в части: 1) резкости изображений из-за «сма-занности» быстродвижущегося объекта; 2) неполноценности информации вследствие недостатка количества кадров, приходящихся на информационно-важный момент; 3) степени геометрических искажений.
Получение высококачественного изображения объекта в кадре. Первую проблему - с резкостью одиночных фотоснимков - решает способ получения изображений супербыстрых движений, известный уже почти 100 лет, предложенный, в частности, известным американским исследователем Гарольдом Эджертоном. При создании серии последовательных кадров, в том числе и телевизионных, возникают сложности устранения эффекта размытости, или так называемого «сма-за» изображения [1, 4, 5]. Пример визуальной фиксации полета теннисного мяча показан на рисунке 1.
В подобной ситуации получить резкие стоп-кадры можно двумя способами: либо «проводкой» камеры (угловое перемещение камеры с сохранением движущегося объекта съемки в центре кадра), либо применением во время съемки относительно распространенного в профессиональных и продвинутых любительских камерах специального устройства - shutter. Последний способ обеспечивает принудительное уменьшение времени экспозиции одиночного кадра на два порядка по сравнению со стандартным значением для вещательного TV.
Режим «с проводкой» требует минимальных усилий и реализуется достаточно успешно оператором средней квалификации на стандартной аппаратуре. Но в рассматриваемом случае воз-
Рис. 1. «Смаз» изображения полета теннисного мяча при просмотре его стандартной вещательной аппаратурой
Рис. 2. Демонстрация работы shutter при частоте съемки 30 к/с: верхний ряд - видеограмма без shutter, выдержка - 1/60; средний ряд -видеограмма с shutter, выдержка - 1/500; нижний ряд - видеограмма с shutter, выдержка - 1/4000
никает зрительный парадокс: изображение быстродвижущего-ся объекта резкое, а неподвижный фон смазывается.
При использовании скоростного затвора - shutter - уменьшается стандартное время экспонирования каждого кадра до 1/500-1/50 000 с за счет резерва по светочувствительности современных сенсорных материалов матриц, которая может доходить до 5000 единиц ISO (рис. 2).
При рассмотрении видеограмм (рис. 2) видно, что качество отдельных изображений, снятых с shutter, улучшается до определенного предела (рис. 2, средний ряд). Дальнейшее искусственное сокращение времени экспонирования (рис. 2, нижний ряд) позволяет получить несмазанное изображение, но уже отличное от идеала - теперь не за счет «смаза», а по причине появления структурности (зернистости) и так называемого шума изображения, что особенно становится заметно при недостаточной освещенности.
В итоге и смазывание (без shutter), и низкое разрешение (c shutter) в равной степени ведут к потере четкости, а значит, и качества изображения, что требует обдуманного оптимального решения в соответствии с целями и условиями конкретной съемки быстропротекающего процесса. Наглядным примером компромиссного решения могут служить кадры среднего ряда видеограммы (рис. 2).
Полноценность зрительной информации. Проблема, связанная с полноценностью зрительной информации, на сегодняшний день имеет только одно решение - увеличение частоты съемки [1]. Время межкадрового интервала при стандартной TV-съемке порой оказывается длительнее времени информационно-важной фазы быстрого процесса, например, времени фазы взаимодействия или контакта в любом виде спорта. В случае рассмотрения подачи в теннисе (рис. 1) за время межкадрового интервала мяч успеет пролететь 1,2 м, а спортсмен полностью завершить фазу приема мяча, которая длится обычно не более 20 мс.
Для получения достоверной картины быстропротекающего процесса необходимо использование скоростных и суперскоростных съемочных камер [2, 4].
Высокая частота съемки таит много дополнительных технических сложностей. Современные сенсоры большинства профессиональных скоростных камер на сегодняшний день обеспечивают частоту 500 Гц [1, 3]. Дальнейшее увеличение частоты кадров ведет к пропорциональному ухудшению разрешения. Последнее связано с уменьшением количества пикселей изображения либо за счет их объединения, либо за счет кашетирования изображения сначала по вертикали, а затем
22
http://www.teoriya.ru
№4 • 2023 Апрель | April
и по горизонтали. Этот факт производителями аппаратуры всегда указывается в технических характеристиках в виде соответствия возможного разрешения для выбранной частоты съемки. Таким образом, для скоростных режимов объявленный производителем объем матрицы практически не имеет значения.
Искажения изображений при съемке быстрых процессов. При съемке быстрых движений особое место занимают так называемые пространственно-временные искажения, то есть нарушение геометрического подобия (гомотетия). Последнее связано с принципом работы шторно-щелевого затвора и особенностями строчной развертки, используемой на сегодняшний день во всех системах светорегистрации. Рассматриваемые искажения возникают за счет относительно длительного временного интервала формирования изображения по отношению к скоростным характеристикам снимаемого процесса, за который объект съемки успевает заметно переместиться [2].
Возможным решением в получении неискаженных одиночных кадров видеоизображения также может служить использование электронного затвора shutter, который позволяет искусственно сократить время формирования одиночного кадра изображения при неизменной (возможно и низкой) частоте съемки [2].
Такой эффект достигается только при использовании классической конструкции так называемого глобального затвора (global snapshot shutter) [6]. Он обеспечивает высокую кратковременность и единовременность создания изображения на всей площади сенсора, которое, очевидно, будет резким и без искажений [2, 5]. Глобальные затворы используются на сегодняшний день в профессиональных камерах с «быстрыми» матрицами. В качестве примера представлены два видеокадра (рис. 2, нижний ряд), выполненные камкордером фирмы HITACHI, снабженным глобальным shutter с режимами 1/500 и 1/1000.
В устройствах с КМОП-матрицами (как пример, аппараты фирмы CASIO [6]) используется иной, более простой тип shutter - строчный затвор (electronic rolling shutter). Принцип работы этого затвора состоит в том, что экспозиция отдельных строк матрицы проводится последовательным образом, то есть имеет место задержка по времени между строками одного кадра [3].
Выводы. При изучении быстропротекающих двигательных действий в современном спорте с использованием аппаратуры видеорегистрации возникает возможность расширить круг решаемых задач, связанных с объективизацией процесса судейства (судья не всегда может объективно оценить игровую ситуацию, длительностью в сотые доли секунды, особенно в контактных видах спорта). Современная аппаратура видеорегистрации расширяет возможности тренеров во многих видах спорта, что связано с оптимизацией технико-тактической подготовленности спортсменов на основе высококачественного биомеханического анализа.
В рассмотренных случаях создаются условия для решения педагогических и научно-методических проблем в двух направлениях:
- получение материала для хронометрирования исследуемого фрагмента спортивного события, при этом следует руководствоваться выбором частоты съемки, обеспечивающей четкую границу фаз, необходимую для требуемой в педагогике достоверности результатов. (Чем короче по времени фрагмент, тем выше частота съемки);
- при биомеханическом анализе совершаемого двигательного действия, для исключения геометрических искажений требуется выбор кратковременности экспозиции (shutter) независимо от частоты съемки.
Опыт использования скоростных режимов съемки и теоретический анализ вышеизложенного материала позволяет сделать ряд практических рекомендаций:
• для высококачественного биомеханического анализа техники быстрых спортивных движений необходимы скоростные съемочные камеры, но выбирать рекомендуется минимально возможную частоту съемки, обеспечивающую необходимую полноценность и достоверность получаемой зрительной информации. (Нужно помнить, что излишняя частота съемки ведет к снижению качества изображений);
• неискаженная зрительная информация, столь необходимая для биомеханического анализа спортивных движений и работы тренера, связана также с минимизацией геометрических искажений, которые достигают приемлемой величины при частоте кадров 200-250 к/с независимо от типа затвора (shutter);
• для получения несмазанной (четкой) пространственной и временной картины границ фаз спортивного движения, необходимой для объективного судейства и работы тренера, достаточно выбрать минимально короткую выдержку в диапазоне 1/500-1/2000 (режим работы shutter).
В случае заметных геометрических искажений при использовании строчного shutter (electronic rolling shutter) рекомендуется увеличить частоту съемки. Литература
1. Биленко А. Г. Резкость и полноценность изображений при трансляции спортивных программ. / А. Г. Биленко, Л. П. Говорков, Г. П. Иванова // НГУ им. П. Ф. Лесгафта. Труды кафедры биомеханики: междисциплинарный сборник статей. - СПб., 2011. -Вып. V. - С. 14-23.
2. Биленко А. Г. Инструментальные методы контроля физической подготовленности спортсменов: учебное пособие / А. Г. Биленко, Л. П. Говорков, Л. Л. Ципин // НГУ им. П. Ф. Лесгафта. - СПб., 2019. - 152 с.
3. Высокоскоростные камеры / http://www.fastvideo.ru/products/video. htm. - Дата обращения: 15.10.2022.
4. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов / А. С. Дубовик. - М.: Наука, 1964. - 466 с.
5. Дубовик А. С. Высокоскоростная фотография и фотоника в исследовании быстропротекающих процессов: учебное пособие / А. С. Дубовик, А. Н. Андреев. - М.: Логус, 2002. - 456 с.
6. Фотоаппарат CASIO EXILIM PRO EX-F1 и скоростная съемка / http://www.fastvideo.ru/ info/ compare/ exilim-ex-f1.htm - Дата обращения: 15.10.2022.
References
1. Bilenko A.G., Govorkov L.P., Ivanova G.P. Rezkost i polnotsennost izobrazheniy pri translyatsii sportivnykh programm [Sharpness and usefulness of images when broadcasting sports programs]. Lesgaft University. Proceedings of the Department of Biomechanics: an interdisciplinary collection of articles. St. Petersburg, 2011. Issue V. pp. 14-23.
2. Bilenko A.G., Govorkov L.P., Tsipin L.L. Instrumentalnyye metody kon-trolya fizicheskoy podgotovlennosti sportsmenov [Instrumental methods of sportsmen's physical readiness control]. Study guide. Lesgaft University. St. Petersburg, 2019. 152 p.
3. Vysokoskorostnyye kamery [High-speed cameras]. Available at: http:// www.fastvideo.ru/products/video.htm. (date of access: 10.15.2022).
4. Dubovik A.S. Fotograficheskaya registratsiya bystroprotekayushchikh protsessov [Photographic registration of fast processes]. Moscow: Nauka publ., 1964. 466 p.
5. Dubovik A.S., Andreev A.N. Vysokoskorostnaya fotografiya i fotonika v issledovanii bystroprotekayushchikh protsessov [High-speed photography and photonics in the study of fast processes]. Study guide. Moscow: Logus publ., 2002. 456 p.
6. Fotoapparat CASIO EXILIM PRO EX-F1 i skorostnaya syemka [Camera CASIO EXILIM PRO EX-F1 and high-speed shooting]. Available at: http://www.fastvideo.ru/ info/ compare/exilim-ex-f1.htm. (date of access: 10.15.2022).
