CC BY
1
ТРУДЫ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ
ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ X-ФАКТОРА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ БРОСКОВ С ПОВОРОТОМ В САМБО
А.Г. ЛАПАЕВА, С.Е. ТАБАКОВ, А.В. ЕРМАКОВ, РУС «ГЦОЛИФК», г. Москва
Аннотация
Оценка угловых характеристик движения в спорте происходит с использованием различных инструментов: оптико-электронных систем измерения, методов искусственного интеллекта, анализа цифровых видео. Авторы в своих исследованиях, посвященных биомеханическому анализу, использовали различные методы для описания X-фактора. Однако существует ряд ограничений при оценке техники в самбо. Следовательно, вопрос о наиболее подходящем методе определения Х-фактора в самбо при выполнении бросков остается открытым. Данное исследование посвящено разработке и верификации методики определения Х-фактора при выполнении бросков с поворотом в самбо.
Ключевые слова: Х-фактор, самбо, броски с поворотом, биомеханический анализ, компьютерное зрение,
искусственный интеллект.
VERIFICATION OF THE METHOD OF MEASURING THE X-FACTOR WHEN PERFORMING THROWS WITH A TURN IN SAMBO
A.G. LAPAEVA, S.E. TABAKOV, A.V. ERMAKOV, RUS "GTSOLIFK", Moscow city
Abstract
The assessment of the angular characteristics of movement in sports is carried out using various tools: optoelectronic measurement systems, artificial intelligence methods, and digital video analysis. The authors in their studies on biomechanical analysis used various methods to describe the X-factor. However, there are a number of limitations when evaluating technique in sambo. Therefore, the question of the most appropriate method for determining the X-factor in sambo when performing throws remains open. This study is devoted to the development and verification of the methodology for determining the X-factor
when performing throws with a turn in sambo.
Keywords: X-factor, sambo, turn throws, biomechanical analysis, computer vision, artificial intelligence.
Введение
Х-фактор является наиболее распространенным явлением, описанным в научной литературе при анализе движений спортсмена в гольфе. Впервые понятие было введено McLean [13], описывало диссоциацию между осями таза и плеч во время перехода между фазами замаха и опускания. «Х-фактор» - это угол в поперечной плоскости между линией оси таза, проведенной через передне-верхнюю ость подвздошной кости, на правом и левом отростках и линией плечевого пояса, проведенной через акромиальные отростки [14, 15]. Считается, что увеличение Х-фактора приводит к увеличению осевой
ротации туловища и плечевого пояса и таким образом -накоплению упругой потенциальной энергии мышц туловища [6, 8]. С другой стороны, данный фактор, вероятно, способен усугубить уже имеющиеся дегенеративные повреждения нижней части спины [2]. В самбо броски с поворотом также имеют схожую механику движений и могут нести в себе потенциальную опасность повреждений поясничного и грудного отделов позвоночника [2]. Авторы в своих исследованиях, посвященных биомеханическому анализу, использовали различные методы для описания X-фактора. Было выделено несколько аспектов
С*)
для понимания производительности и возникновения травм. Результаты ранее опубликованных исследований показывают, что существуют значительные различия в методах оценки взаимодействия таза и грудной клетки при ротационных движениях [6, 7, 9]. По-видимому, отсутствует консенсус в отношении методологий расчета Х-фактора [6, 10], а именно: параметр диссоциации таз/ плечевой пояс или определение кинематической последовательности (последовательность сегментарных угловых скоростей) [12]. Оценка угловых характеристик движения происходит с использованием различных инструментов: оптико-электронных систем измерения, методов искусственного интеллекта, анализа цифровых видео [6]. Технология Qualisys Tracking Manager считается «золотым стандартом» анализа движения [6, 11]. Однако существует ряд ограничений при оценке техники самбо, в связи с чем авторы вынуждены прибегать к использованию манекена вместо партнера [3, 5]. Следовательно, вопрос о наиболее подходящем методе определения Х-фактора в самбо при выполнении бросков остается открытым.
Цель исследования - верифицировать методику измерения Х-фактора при выполнении бросков с поворотом в самбо.
Материал и методы исследования
Во время исследования были использованы следующие методы: систематический поиск научно-методической литературы; видеоанализ; биомеханический анализ; математическая статистика.
Исследование проходило на кафедре теории и методики единоборств Российского университета спорта «ГЦОЛИФК». В качестве испытуемого выступил студент 3 курса специализации самбо (квалификация -1 спортивный разряд, масса тела - 58 кг). Видеосъемка осуществлялась с помощью высокоскоростной камеры Huawei.
Методика определения Х-фактора состояла в следующем:
♦ Выбор оптимальных вариантов бросков для последующего видеоанализа.
♦ Непосредственно видеозапись бросков.
♦ Проведение пост-анализа записанного видеоряда двумя методами: анализ видео с использованием специального программного обеспечения MediaPipe (3D метод), а также авторский метод плоского (2D) анализа отдельных кадров из видео с использованием программы Adobe Photoshop.
♦ Статистическое сравнение двух методов анализа.
Испытуемый выполнял 9 вариантов бросков с поворотом (табл. 1), по 3 попытки на каждый вариант (итого 27 попыток). После чего для более детального анализа и обработки результатов из всех попыток были отобраны 9, по одной на каждый вариант броска. Указанная выборка определялась по следующим критериям:
1. Ось туловища испытуемого должна быть максимально приближена к оси камеры и располагаться в процессе броска параллельно продольной оси камеры.
2. Контрольные точки туловища испытуемого обозначались цветным тейпом симметрично на акромиаль-ных отростках и подвздошных костях испытуемого, были максимально открыты для сьемки.
Проведение видеозаписи осуществлялось с выполнением следующих условий:
• параметры съемки: Video HVC1 1920x1080, 60 кадр/с;
• камера должна быть установлена на высоте 1,2 м для дальнейшей фиксации прямой проекции тела как наиболее подходящей для последующего двумерного анализа;
• поперечная ось камеры располагалась параллельно оси горизонта.
3. Проведение пост-анализа полученных данных.
Как и было указано выше, обработка данных для
получения количественных угловых показателей осуществлялась двумя методами. На первом этапе был использован фреймворк MediaPipe (рис. 1), который обеспечивает кроссплатформенные настраиваемые решения машинного обучения и распознавания видео как для уже подготовленных мультимедиа файлов, так и для работы с потоковыми видео в реальном времени.
Рис. 1. Оценка изменения Х-фактора с помощью 3D анализа броска - передняя подножка с захватом рукава и одноименного отворота
Специальное программное обеспечение MediaPipe позволяет обрабатывать с помощью встроенных возможностей искусственного интеллекта положение до 33 точек на теле человека в трехмерном пространстве, а также давать оценку их взаимного положения. Подробное описание построения алгоритмов для определения биомеханических характеристик движения было дано ранее [1]. Результаты исследования Lafayette с соавт. [11] продемонстрировали возможность применения MediaPipe для оценки измерения углового отклонения для биомеханической оценки по сравнению с «золотым стандартом».
На втором этапе использовался графический редактор Adobe Photoshop CS6 для двухмерного анализа. На выделенном ранее видеокадре с помощью инструмента «линейка», выполняющего функции транспортира (угломера). Для этого были проведены линии через заранее
выявленные контрольные точки на туловище спортсмена. Х-фактор был определен как угол между этими осями в плоскости XY (рис. 2).
Рис. 2. Оценка изменения Х-фактора с помощью 2Б анализа броска - передняя подножка с захватом рукава и одноименного отворота
1 фаза
4. Статистическое сравнение указанных методов.
Статистический анализ проводился в программе IBM SPSS Statistics Base 26.0 с помощью метода Бланда-Альтмана, который заключается в сопоставлении измерений количественных показателей двумя разными методами.
Результаты исследования и их обсуждение
В нашей работе для биомеханического анализа были отобраны 9 вариантов бросков с поворотом с различными захватами (табл.). Далее описан подробный анализ на примере броска «передняя подножка с захватом рукава и одноименного отворота».
При анализе биомеханической структуры бросков мы основывались на работах Г.С. Туманяна [4]. Согласно его работам наиболее удобно разделять бросок на три фазы. Эти фазы отмечены (рис. 3) по результатам динамики изменения Х-фактора, выполненного с помощью программного обеспечения MediaPipe. Для повышения точности определения показателей Х-фактора в пост-обработке видео было замедлено в 3 раза.
2 фаза
3 фаза
а
Q.
Л
Ф I-
га
со
о с
>5 О m о с;
4 Ю IS N СО О)
см" см" см" см" см" см"
« со со" со" со со" со" со" со"
^ C\J_ СО Ю_ CD Г- 00 СП Ю C\l_ С0_ ^t Ю (О Is- СО_ О) CD т"_ Csl
■f "tf ^t Tt ^f ^t Ю ю" ю" ю" ю" ю" ю" ю" ю" <ß со"
Время (с)
Сырые данные
MA (jk = 5)
Рис. 3. Оценка изменения Х-фактора во всех фазах выполнения передней подножки с захватом рукава и одноименного отворота
Первая фаза броска - вход атакующего из исходного положения в стартовое (t = 1,6 с). Вторая фаза - выведение партнера из равновесия (t = 1,2 с). Именно в этой фазе находилось искомое значение Х-фактора, которое соответствовало 4,67 с (ось Х - время) и 29,6о (ось Y - угловые показатели). Третья фаза - полет и приземление (t = 1 с).
Для оценки изменения Х-фактора во всех фазах выполнения броска была построена диаграмма. На ней представлены первичные данные, которые были отобраны с помощью фильтра скользящего среднего (MA) с интервалом 5. При сопоставлении данных видеосъемки
и диаграммы нами были определены временные отрезки, соответствующие фазам броска. Далее пик Х-фактора был определен визуально как наибольшее значение во второй фазе: по оси Y - 36о, а по оси X - 4,25 с.
На графике можно выделить описанные выше три фазы броска. Характер изменения кривой, а также соответствие стоп-кадров ключевым точкам на графике подтверждают достоверность полученных данных. Аналогичным образом были определены показатели Х-фактора для всех 9 вариантов бросков с поворотом. Результаты представлены в таблице.
С*)
Труды молодых ученых
Таблица
Определение Х-фактора двумя методами при выполнении вариантов бросков с поворотом в самбо
Вариант броска Х-фактор в MediaPipe (3D)(град.) МА ± SD Х-фактор в Photoshop (град.)
Передняя подножка с захватом рукава и пояса 19,5 ± 5,02 20
Передняя подножка с захватом рукава и куртки на спине из-под руки 15,3 ± 3,81 17
Передняя подножка с захватом рукава и ворота 29,5 ± 9,06 28
Передняя подножка с захватом рукава и разноименного отворота на груди 19,97 ± 9,78 20
Передняя подножка с захватом рукава и одноименного отворота 29,6 ± 17,25 29
Через бедро с захватом рукава и пояса 32,3 ± 6,92 34
Через бедро с захватом рукава и шеи 37,6 ± 9,44 36
Через спину захватом руки на плечо 16,5 ± 2,33 18
Через спину захватом рукава и одноименного отворота 16,2 ± 6,87 13
4,00
5 2,00
I
а о,оо
-2,00 -4,00
М=( 1,96хЭО)
О о
о
о о М
О М = -{ 1,96 хЭО)
10,00 15,00
20,00 25,00 30,00 ММЕАЫ (М среднее)
35,00 40,00
Рис. 4. Диаграмма Бланда-Альтмана, характеризующая зависимость разности измерений двух методов от величины показателя Х-фактора
Проведенный анализ показал, что при сопоставлении оценок показателей Х-фактора, полученных разными методами, разность измерений существенно не зависела от величины показателя (гху = -0,007, р = 0,985). А значение средней разности между измерениями составило
всего 0,056 (стандартное отклонение разности: ±1,685), что свидетельствует об отсутствии систематического расхождения данных и хорошей сопоставимости результатов исследуемых методов биомеханического анализа движения (рис. 4).
Заключение
Отсутствие оптимальных методов биомеханического анализа движения, в частности определения угловых характеристик при выполнении бросков в самбо, вынуждает авторов исследования прибегнуть к поиску альтернативы и разработке наиболее информативных методик
определения искомых показателей. Результаты статистического анализа дают основание считать, что указанные выше методы могут быть использованы для оценки Х-фактора, а непосредственно методика его измерения является верифицированной.
Литература
1. Ермаков, А.В. Анализ движения в единоборствах с помощью библиотек «компьютерного зрения» OpenCV и фреймворка искусственного интеллекта MediaPipe // Боевые искусства и спортивные единоборства: наука, практика, воспитание. - 2021. - С. 106-111.
2. Лапаева, А.Г., Табаков, С.Е., Табаков, Р.С. Влияние ротационных движений позвоночника (Х-фактора) на боль и связанные с ней травмы спины у атлетов в различных видах спорта: систематический обзор // Спортивно-педагогическое образование. - 2022. - № 4. -С. 103-115. - DOI: 10.52563/2618-7604_2022_4_ 103
3. Свиридов, Б.А., Попов, Г.И., Тарханов, И.В. Биомеханический анализ структуры бросков через туловище у квалифицированных борцов-самбистов // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. - 2019. - № 5 (171). - С. 277-281.
4. Туманян, Г.С. Спортивная борьба: теория, методика, организация тренировки: учебное пособие. - Кн. II. Ки-незиология и психология. - М.: Советский спорт, 1998. -280 с.
5. Шипилов А.А. Сравнительный анализ кинематических характеристик движения манекена при выполнении бросков подворотом и прогибом // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. - 2017. - № 10 (152). -С. 301-305.
6. Bourgain, M, Rouch, P., Rouillon, O., Thoreux, P., Sauret, C. Golf Swing Biomechanics: A Systematic Review and Methodological Recommendations for Kinematics // Sports (Basel). - 2022. - No. 10 (6). - P. 91. - DOI: 10.3390/sports10060091
7. Brown, SJ., Selbie, W.S., Wallace, E.S. The X-Factor: an evaluation of common methods used to analyse major inter-segment kinematics during the golf swing // J. Sports Sci. - 2013. - No. 31 (11). - Pp. 1156-1163. - DOI: 10.1080/02640414.2013.775474
8. Cole, M.H., Grimshaw, P.N. The Biomechanics of the Modern Golf Swing: Implications for Lower Back Injuries // Sports Med. - 2016. - No. 46 (3). - Pp. 339-351. - DOI: 10.1007/s40279-015-0429-1
9. Joyce, C., Burnett, A., Ball, K. Methodological considerations for the 3D measurement of the X-factor and lower trunk movement in golf // Sports Biomech. - 2010. - No. 9 (3). - Pp. 206-221. - DOI: 10.1080/14763141.2010.516446
10. Kwon, Y.H., Han, K.H., Como, C., Lee, S., Singhal, K. Validity of the X-factor computation methods and relationship between the X-factor parameters and clubhead velocity in skilled golfers // Sports Biomech. - 2013. - No. 12. -Pp. 231-246. - DOI: 10.1080/14763141.2013.771896
11. Lafayette, T.B.G., Kunst, V.H.L., Melo, P.V.S., et al. Validation of Angle Estimation Based on Body Tracking Data from RGB-D and RGB Cameras for Biomechanical Assessment // Sensors (Basel). - 2022. - No. 23 (1). -P. 3. - DOI: 10.3390/s23010003
12. Marsan, T., Thoreux, P., Bourgain, M., Rouillon, O., Rouch, P., Sauret, C. Biomechanical analysis of the golf swing: Methodological effect of angular velocity component on the identification of the kinematic sequence // Acta Bioeng. Biomech. - 2019. - No. 21. - Pp. 115-120. - DOI: 10.5277/ ABB-01318-2019-02
13. McLean, J. Widen the gap // Golf Mag. - 1992. -No. 34. - Pp. 49-53.
14. Robinson, P.G., Murray, I.R., Duckworth, A.D., Haw-kes, R., Glover, D., Tilley, N.R., Hillman, R., Oliver, C.W., Murray, A.D. Systematic review of musculoskeletal injuries in professional golfers // Br. J. Sports Med. - 2019. - No. 53 (1). - Pp. 13-18. - DOI: 10.1136/bjsports-2018-099572
15. Smith, J.A., Hawkins, A., Grant-Beuttler, M., Beuttler, R., Lee, S.P. Risk Factors Associated with Low Back Pain in Golfers: A Systematic Review and Meta-analysis // Sports health. - 2018. - No. 10 (6). - Pp. 538-546. - DOI: org/10.1177/1941738118795425
References
1. Ermakov, A.V. (2021), Movement analysis in martial arts using OpenCV "computer vision" libraries and MediaPipe artificial intelligence framework, Martial arts and combat sports: science, practice, education, pp. 106111.
2. Lapaeva, A.G., Tabakov, S.Ye. and Tabakov, R.S. (2022), Influence of rotational movements of the spine (X-factor) on pain and associated back injuries in athletes in various sports: a systematic review, Sports and Pedagogical Education, no. 4, pp. 103-115.
3. Sviridov, B.A., Popov, G.I. and Tarkhanov, I.V. (2019), Biomechanical analysis of the structure of throws through the body in qualified sambo wrestlers, Uchyonye zapiski universiteta im. P.F. Lesgaft, no. 5 (171), pp. 277-281.
4. Tumanyan, G.S. (1998), Sports wrestling: theory, methodology, organization of training. Kinesiology and psychology, Moscow: Soviet Sport, 280 p.
5. Shipilov, A.A. (2017), Comparative analysis of the kinematic characteristics of the movement of a dummy when
performing throws with a turn and deflection, Uchyonye zapiski universiteta im. P.F. Lesgaft, no. 10 (152), pp. 301-305.
6. Bourgain, M., Rouch, P., Rouillon, O., Thoreux, P. and Sauret, C. (2022), Golf Swing Biomechanics: A Systematic Review and Methodological Recommendations for Kinematics, Sports, no. 10 (6), p. 91, DOI: org/10.3390/ sports10060091
7. Brown, S.J., Selbie, W.S. and Wallace, E.S. (2013), The X-Factor: an evaluation of common methods used to analyse major inter-segment kinematics during the golf swing, J. Sports Sci, no. 31 (11), pp. 1156-1163, DOI: 10.1080/02640414.2013.775474
8. Cole, M.H. and Grimshaw, P.N. (2016), The Biome-chanics of the Modern Golf Swing: Implications for Lower Back Injuries, Sports Med., no. 46 (3), pp. 339-351, DOI: 10.1007/s40279-015-0429-1
9. Joyce, C., Burnett, A. and Ball, K. (2010), Methodological considerations for the 3D measurement of the X-factor and lower trunk movement in golf, Sports Biomech, no. 9 (3), pp. 206-221, DOI: 10.1080/14763141.2010.516446
G*)
10. Kwon, Y.H., Han, K.H., Como, C., Lee, S. and Sing-hal, K. (2013), Validity of the X-factor computation methods and relationship between the X-factor parameters and clubhead velocity in skilled golfers, Sports Biomech., no. 12, pp. 231-246, DOI: 10.1080/14763141.2013.771896
11. Lafayette, T.B.G., Kunst, V.H.L., Melo, P.V.S., et al. (2022), Validation of Angle Estimation Based on Body Tracking Data from RGB-D and RGB Cameras for Biome-chanical Assessment, Sensors, no. 23 (1), p. 3, DOI: 10.3390/ s23010003
12. Marsan, T., Thoreux, P., Bourgain, M., Rouillon, O., Rouch, P. and Sauret, C. (2019), Biomechanical analysis of the golf swing: Methodological effect of angular velocity component on the identification of the kinematic sequence,
Acta Bioeng. Biomech., no. 21, pp. 115-120, DOI: 10.5277/ ABB-01318-2019-02
13. McLean, J. (1992), Widen the gap, Golf Mag, no. 34, pp. 49-53.
14. Robinson, P.G., Murray, I.R., Duckworth, A.D., Haw-kes, R., Glover, D., Tilley, N.R., Hillman, R., Oliver, C.W. and Murray, A.D. (2019), Systematic review of musculoskeletal injuries in professional golfers, Br. J. Sports Med, no. 53 (1), pp. 13-18, DOI: 10.1136/bjsports-2018-099572
15. Smith, J.A., Hawkins, A., Grant-Beuttler, M., Beuttler, R. and Lee, S.P. (2018), Risk Factors Associated With Low Back Pain in Golfers: A Systematic Review and Meta-analysis, Sports health, no. 10 (6), pp. 538-546, DOI: org/10.1177/1941738118795425
