Κεφάλαιο 3ο Κινηματικά χαρακτηριστικά αθλητικών κινήσεων

Transcript

1 1 Κεφάλαιο 3ο Κινηματικά χαρακτηριστικά αθλητικών κινήσεων Στις αθλητικές κινήσεις όλα τα σημεία του ανθρώπινου σώματος αλλάζουν τη θέση τους στο χώρο. Η θέση του κάθε σημείου στο χώρο προσδιορίζεται από τρεις αριθμούς (x, y, z) που αποτελούν τις συντεταγμένες της θέσης του συγκεκριμένου σημείου. Ο προσδιορισμός των συντεταγμένων γίνεται με τη βοήθεια ενός καρτεσιανού συστήματος αξόνων (Χ,Υ,Ζ), στο οποίο ο Υ άξονας αντιστοιχεί συνήθως στην διεύθυνση της κίνησης (προσθιοπίσθιος άξονας sagittal axis), ο Ζ άξονας στην κατακόρυφη διεύθυνση (κατακόρυφος άξονας vertical axis) και ο Χ άξονας στην διεύθυνση που είναι κάθετη στη διεύθυνση του βαδίσματος (εγκάρσιος άξονας transverse axis). Οι άξονες του καρτεσιανού συστήματος σχηματίζουν ανά δύο ένα επίπεδο. Έτσι, οι άξονες Ζ και Υ σχηματίζουν το επίπεδο της προώθησης του σώματος (προσθιοπίσθιο επίπεδο sagittal plane), οι άξονες Ζ και Χ το επίπεδο που είναι κάθετο στο επίπεδο προώθησης (μετωπιαίο επίπεδο frontal plane) και οι άξονες Χ και Υ το οριζόντιο επίπεδο (εγκάρσιο επίπεδο transverse plane) (Σχήμα 1). Με απλά λόγια, το προσθιοπίσθιο επίπεδο αντιστοιχεί στο πως βλέπουμε το βαδιστή από πλάγια, το μετωπιαίο επίπεδο στο πως τον βλέπουμε από μπροστά και το εγκάρσιο επίπεδο στο πως τον βλέπουμε από πάνω. Ζ z προσθιοπίσθιο επίπεδο μετωπιαίο επίπεδο x εγκάρσιο επίπεδο y Υ Χ Σχήμα 1. Οι άξονες και τα επίπεδα του καρτεσιανού συστήματος αξόνων αναφοράς

2 2 Οι τιμές των συντεταγμένων x, y, z της θέσης των σημείων του σώματος του αθλητή μετρώνται σε μέτρα (m) ή εκατοστά του μέτρου (cm) και αλλάζουν διαρκώς καθώς το σώμα κινείται κατά το βάδισμα. Από τη μεταβολή των τιμών των συντεταγμένων x, y, z της θέσης των σημείων του σώματος του αθλητή υπολογίζονται τα κινηματικά χαρακτηριστικά του βαδίσματος. Τα κινηματικά χαρακτηριστικά διακρίνονται σε γραμμικά (linear kinematics) και γωνιακά (angular kinematics), σε αντιστοιχία με τα γεγονός ότι οι αθλητικές κινήσεις αποτελούν σύνθεση των μεταφορικών (γραμμικών - linear) κινήσεων που πραγματοποιούν το κέντρο μάζας του σώματος, τα κέντρα των αρθρώσεων και οποιοδήποτε άλλο σημείο πάνω στο σώμα με τις περιστροφικές (γωνιακές - angular) κινήσεις που πραγματοποιούν τα μέλη του σώματος στις αρθρώσεις. Στα γραμμικά κινηματικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνονται: i) η γραμμική μετατόπιση (linear displacement) που υπολογίζεται ως η διαφορά των συντεταγμένων της αρχικής και τελικής θέσης του σημείου και συνήθως μετράται σε μέτρα (m) ή εκατοστά του μέτρου (cm), ii) η γραμμική ταχύτητα (linear velocity) που είναι ο ρυθμός της μεταβολής της θέσης του σώματος, υπολογίζεται ως το πηλίκο της μετατόπισης προς το χρόνο που χρειάστηκε για να μεταβληθεί η θέση του σημείου και συνήθως μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m/sec) ή εκατοστά ανά δευτερόλεπτο (cm/sec) και iii) η γραμμική επιτάχυνση (linear acceleration) που είναι ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας, υπολογίζεται ως το πηλίκο της μεταβολής της ταχύτητας (διαφορά της ταχύτητας μεταξύ δύο θέσεων) προς το χρόνο που διήρκησε η μεταβολή και συνήθως μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο (m/sec 2 ) ή εκατοστά ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο (cm/sec 2 ) Στα γωνιακά χαρακτηριστικά περιλαμβάνονται: i) η γωνιακή θέση (angular position ή angle) στην οποία βρίσκεται το μέλος σε κάθε θέση σε σχέση με έναν άξονα αναφοράς ή κάποιο άλλο μέλος, η οποία μετράται σε μοίρες (deg ή o ) ή ακτίνια (rad) ii) η γωνιακή μετατόπιση (angular displacement), που υπολογίζεται ως η διαφορά της αρχική και τελικής γωνιακής θέσης του μέλους και συνήθως μετράται σε μοίρες (deg ή o ) ή ακτίνια (rad), iii) η γωνιακή ταχύτητα (angular velocity) που είναι ο ρυθμός της μεταβολής της γωνιακής θέσης του μέλους, υπολογίζεται ως το πηλίκο της γωνιακής

3 3 μετατόπισης προς το χρόνο που χρειάστηκε για να μεταβληθεί η γωνιακή θέση του μέλους και συνήθως μετράται σε μοίρες ανά δευτερόλεπτο (deg/sec ή o /sec) ή ακτίνια ανά δευτερόλεπτο (rad/sec) και iv) η γωνιακή επιτάχυνση (angular acceleration) που είναι ο ρυθμός μεταβολής της γωνιακής ταχύτητας, υπολογίζεται ως το πηλίκο της μεταβολής της γωνιακής ταχύτητας (διαφορά της γωνιακής ταχύτητας μεταξύ δύο γωνιακών θέσεων) προς το χρόνο που διήρκησε η μεταβολή και συνήθως μετράται σε μοίρες ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο (deg/sec 2 ή o /sec 2 ) ή ακτίνια ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο (rad/sec 2 ). Α. Μέθοδοι καταγραφής των κινηματικών χαρακτηριστικών Τα κινηματικά χαρακτηριστικά των αθλητικών κινήσεων μπορούν να καταγραφούν με διάφορες μεθόδους, οι οποίες διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τις άμεσες μεθόδους και τις έμμεσες μεθόδους. Κάθε κατηγορία μεθόδων χρησιμοποιεί συγκεκριμένα μέσα για την καταγραφή των κινηματικών χαρακτηριστικών. Στα μέσα που χρησιμοποιούν οι άμεσες μέθοδοι περιλαμβάνονται τα ηλεκτρογωνιόμετρα (electrogoniometers) και τα επιταχυνσιόμετρα (accelerometers), ενώ σε αυτά των έμμεσων μεθόδων περιλαμβάνονται τα συστήματα ανάλυσης κίνησης μέσω βιντεοκάμερας (video-based motion analysis systems) και τα οπτοηλεκτρονικά συστήματα (optoelectronics). Στη συνέχεια θα γίνει μια σύντομη αναφορά στα ηλεκτρογωνιόμετρα, επιταχυνσιόμετρα και οπτοηλεκτρονικά συστήματα και εκτενέστερη αναφορά στη διαδικασία της ανάλυσης της κίνησης με βιντεοκάμερες. 1. Ηλεκτρογωνιόμετρο Το ηλεκτρογωνιόμετρο είναι ένα όργανο με τη μορφή διαβήτη και ενσωματώνει ένα ποτενσιόμετρο, το οποίο είναι ένα όργανο που αποτελείται από μια κινητή και μια σταθερή αντίσταση (Σχήμα 2). Η σταθερή αντίσταση συνδέεται με το ένα σκέλος του διαβήτη και η κινητή αντίσταση συνδέεται με το άλλο σκέλος του διαβήτη. Στα άκρα της σταθερής αντίστασης, που έχει κυκλικό σχήμα, εφαρμόζεται σταθερή ηλεκτρική τάση Ε. Αντίθετα η τάση V στο άκρο της κινητής αντίστασης εξαρτάται από το μήκος της σταθερής αντίστασης ανάμεσα στην αρχή της και στο σημείο επαφής της με την κινητή αντίσταση. Έτσι, καθώς μεταβάλλεται η γωνία των σκελών του διαβήτη, η κινητή αντίσταση περιστρέφεται πάνω στην ακίνητη αντίσταση και η τάση στο άκρο της κινητής αντίστασης μεταβάλλεται διαρκώς μεταξύ 0 (όταν η κινητή βρίσκεται στην αρχή της

4 4 ακίνητης) και Ε (όταν η κινητή βρίσκεται στο τέλος της ακίνητης). Κατά συνέπεια η ηλεκτρική τάση V στο άκρο της κινητής αντίστασης είναι ανάλογη της γωνίας θ που σχηματίζουν τα σκέλη του διαβήτη και υπολογίζεται από την εξίσωση: V k E θ θ V k E όπου k μια σταθερά του ποτενσιομέτρου που είναι γνωστή από τον κατασκευαστή του. Σχήμα 2. Μονοαξονικό ηλεκτρογωνιόμετρο και το ηλεκτρικό του κύκλωμα (Winter, 1990) Με τον τρόπο αυτό το ηλεκτρογωνιόμετρο υπολογίζει απευθείας τις τιμές της γωνίας ανάμεσα στα σκέλη του διαβήτη. Κατά τη μέτρηση των γωνιών των μελών στο βάδισμα, τα σκέλη του ηλεκτρογωνιομέτρου σταθεροποιούνται σε δύο διαδοχικά μέλη (π.χ. μηρός και κνήμη) και μετρούν τις γωνίες που σχηματίζουν τα δύο αυτά μέλη κατά την κίνηση του βαδίσματος στη διάρκεια του χρόνου της κίνησης. Τα ηλεκτρογωνιόμετρα διακρίνονται σε μονοαξονικά και πολυαξονικά. Τα μονοαξονικά (Σχήμα 2) μπορούν να μετρήσουν τη γωνία μεταξύ των μελών κατά την κίνηση τους σε ένα μόνο επίπεδο (π.χ. προσθιοπίσθιο), ενώ τα πολυαξονικά (Σχήμα 3α), αποτελούν ένα σύνολο από «διαβήτες» και μπορούν να μετρήσουν την γωνία μεταξύ των μελών και στα τρία επίπεδα της κίνησης (προσθιοπίσθιο, κατακόρυφο και εγκάρσιο). Μερικά πολυαξονικά ηλεκτρογωνιόμετρα έχουν επίσης τη μορφή εύκαμπτων πλαστικών ράβδων (Σχήμα 3β). Το κρίσιμο σημείο στην χρήση ηλεκτρογωνιομέτρων κατά την κίνηση είναι η ευθυγράμμιση τους με τα οστά των μελών που περιστρέφονται, ώστε να μετράται σωστά η γωνία μεταξύ των μελών. Αυτό αποτελεί και το κύριο μειονέκτημα τους, το οποίο

5 5 μεταφράζεται σε υπερβολικό χρόνο που απαιτείται για την σωστή τοποθέτηση τους. Στα πλεονεκτήματα τους αντίθετα περιλαμβάνονται το μικρό κόστος αγοράς και η άμεση καταγραφή των τιμών των γωνιών μεταξύ των μελών κατά την κίνηση. (α) (β) Σχήμα 3. Πολυαξονικά ηλεκτρογωνιόμετρα: με άκαμπτα σκέλη (α), με εύκαμπτα σκέλη (β) Τα ηλεκτρογωνιόμετρα συνδέονται με μικροϋπολογιστές ή Η/Υ οι οποίοι έχουν ειδικά λογισμικά για την καταγραφή των τιμών των γωνιών μεταξύ των μελών στο χρόνο και τον υπολογισμό μέσω διαφόρισης - των τιμών της γωνιακής ταχύτητας και γωνιακής επιτάχυνσης των μελών. 2. Επιταχυνσιόμετρα Τα επιταχυνσιόμετρα είναι συσκευές που όπως το λέει το όνομα τους μετρούν την επιτάχυνση (Σχήμα 4). Σχήμα 4. Επιταχυνσιόμετρο

6 6 Ουσιαστικά πρόκειται για αισθητήρες δύναμης που μετρούν την δύναμη που σχετίζεται με την παραγόμενη επιτάχυνση. Στο εσωτερικό τους τα επιταχυνσιόμετρα έχουν μια γνωστή μάζα m η οποίο μπορεί να κινείται ελεύθερα. Η μάζα αυτή συνδέεται με δύο αντιστάσεις R a και R b, οι οποίες με τη σειρά τους συνδέονται με δύο άλλες, ίσες μεταξύ τους, αντιστάσεις R 1, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ένα εξισορροπιστικό ποτενσιόμετρο. Στα άκρα του συμπλέγματος των τεσσάρων αντιστάσεων εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση (Σχήμα 5). Σχήμα 5. Ηλεκτρικό κύκλωμα επιταχυνσιόμετρου (Winter, 1990) Τα επιταχυνσιόμετρα προσδένονται στο σημείο του μέλους του οποίου επιθυμείται η μέτρηση της επιτάχυνσης. Όταν το μέλος είναι ακίνητο οι τιμές των αντιστάσεων R a και R b είναι ίσες με τις τιμές των αντιστάσεων R 1. Στην περίπτωση αυτή, με το ποτενσιόμετρο κατάλληλα ρυθμισμένο, η ηλεκτρική τάση στο άκρο 1 είναι ίση με αυτή στο άκρο 2 και η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων είναι μηδέν. Αν το μέλος επιταχυνθεί προς τη διεύθυνση του διανύσματος a, η μάζα m συμπιέζει λόγω αδράνειας την αντίσταση R a, η τιμή της οποίας μειώνεται (καθώς μειώνεται το μήκος της) και επιμηκύνει την αντίσταση R b της οποίας η τιμή αυξάνεται. Έτσι, η τάση στο άκρο 1 είναι μεγαλύτερη από ότι στο άκρο 2 και η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων αυξάνει ανάλογα με το μέγεθος της εφαρμοζόμενης επιτάχυνσης. Στην αντίθετη περίπτωση η διαφορά δυναμικού στα δύο άκρα μειώνεται. Οι μεταβολές της διαφοράς δυναμικού στα δύο άκρα καταγράφονται από τον μικροϋπολογιστή ή τον Η/Υ με τον οποίο συνδέεται το επιταχυνσιόμετρο και με τη βοήθεια του κατάλληλου λογισμικού μετατρέπονται σε τιμές επιτάχυνσης (m/sec 2 ) με το αντίστοιχο πρόσημο (+ ή -) να δηλώνει τη διεύθυνση και τη φορά της επιτάχυνσης. Από

7 7 τις τιμές της επιτάχυνσης και του χρόνου, ο οποίος επίσης καταγράφεται από τον Η/Υ υπολογίζεται στη συνέχεται μέσω ολοκλήρωσης - η ταχύτητα και η μετατόπιση. 3. Συστήματα ανάλυσης της κίνησης με βιντεοκάμερες Τα συστήματα ανάλυσης της κίνησης με βιντεοκάμερες καταγράφουν αρχικά την κίνηση του σώματος, στο οποίο σε συγκεκριμένα σημεία έχουν τοποθετηθεί ευδιάκριτα σημάδια, κατά το βάδισμα, σε βιντεοταινία (ή σε ψηφιακό μέσο αν χρησιμοποιείται ψηφιακή βιντεοκάμερα). Στη συνέχεια αναπαράγουν την ταινία και συλλαμβάνουν τις εικόνες της κίνησης από την ταινία στο σκληρό δίσκο ενός Η/Υ, όπου με τη βοήθεια ειδικού λογισμικού υπολογίζουν τις συντεταγμένες της θέσης των συγκεκριμένων σημείων του σώματος και από αυτές υπολογίζουν τις τιμές των γραμμικών και γωνιακών κινηματικών χαρακτηριστικών. Οι τιμές των κινηματικών χαρακτηριστικών υπολογίζονται για ένα επίπεδο, οπότε η ανάλυση καλείται δισδιάστατη (two-dimensional ή 2-D) είτε για τα τρία επίπεδα (προσθιοπίσθιο, μετωπιαίο και εγκάρσιο) οπότε η ανάλυση καλείται τρισδιάστατη (three-dimensional ή 3-D). Το βασικό στοιχείο που καθορίζει αν η ανάλυση θα είναι δισδιάστατη ή τρισδιάστατη είναι ο αριθμός των βιντεοκαμερών που θα χρησιμοποιηθεί. Έτσι, για μια δισδιάστατη ανάλυση είναι αρκετή μία μόνο βιντεοκάμερα, ενώ για την πραγματοποίηση τρισδιάστατης ανάλυσης απαιτούνται τουλάχιστον δύο βιντεοκάμερες για την ταυτόχρονη καταγραφή της κίνησης από δύο οπτικές γωνίες. Στην πράξη βέβαια, για την πραγματοποίηση τρισδιάστατων αναλύσεων των αθλητικών κινήσεων χρησιμοποιούνται πολύ περισσότερες βιντεοκάμερες, ώστε να είναι δυνατή η καταγραφή όλων των σημείων του σώματος ταυτόχρονα από πολλές διαφορετικές οπτικές γωνίες. Στη συνέχεια θα αναφερθούν αναλυτικά οι διαδικασίες της δισδιάστατης και τρισδιάστατης ανάλυσης μιας αθλητικής κίνησης. α) Βιντεοκάμερες Τόσο για τη δισδιάστατη όσο και για την τρισδιάστατη κινηματική ανάλυση χρησιμοποιούνται βιντεοκάμερες S-VHS ή ψηφιακές. Οι σύγχρονες βιντεοκάμερες χρησιμοποιούν για την απεικόνιση των αθλητών αισθητήρες εικόνων (image sensors). Τα βασικά χαρακτηριστικά που καθιστούν μια βιντεοκάμερα κατάλληλη για χρήση σε μια κινηματική ανάλυση της κίνησης είναι τα χαρακτηριστικά του φακού της (εστιακή απόσταση, διάφραγμα, βάθος πεδίου, εστίαση), το είδος του μέσου αποθήκευσης, η

8 8 ταχύτητα λήψης, η ταχύτητα φωτοφράκτη, και η δυνατότητα συγχρονισμού της με άλλες κάμερες ή με εξωτερικά γεγονότα. i) Αισθητήρες εικόνων Οι αισθητήρες εικόνων που είναι γνωστοί ως charged-coupled device (CCD) είναι πολύ μικρές επίπεδες επιφάνειες (περίπου 1 cm 2 ) που ενσωματώνουν μεγάλο αριθμό φωτοευαίσθητων στοιχείων (κύτταρα) (από στις συνηθισμένες μέχρι στις επαγγελματικές βιντεοκάμερες) (Σχήμα 6). Το είδωλο του αντικειμένου που βιντεοσκοπείται προβάλλεται μέσω του φακού της βιντεοκάμερας πάνω στο CCD και φορτίζει ηλεκτρικά κάποια από τα φωτοευαίσθητα κύτταρα. Όσο πιο φωτεινό είναι το βιντεοσκοπούμενο αντικείμενο τόσο μεγαλύτερο είναι το παραγόμενο ηλεκτρικό φορτίο στα αντίστοιχα κύτταρα του CCD. Το ηλεκτρικό φορτίο των κυττάρων μετατρέπεται στη συνέχεια σε ηλεκτρικό ρεύμα ή σήμα βίντεο (video signal), που περιέχει τις πληροφορίες για το χρώμα και την ένταση του φωτός του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου (Σχήμα 6). Το σήμα βίντεο αποθηκεύεται στη συνέχεια στη μαγνητοταινία της βιντεοκασέτας. Σχήμα 6. Η λειτουργία του CCD για τη δημιουργία του σήματος βίντεο με τι πληροφορίες για το χρώμα και τη φωτεινότητα του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου (Koff, 1995)

9 9 ii) Φακός Η ποιότητα του φακού (lens) μιας βιντεοκάμερας καθορίζει σε πολύ μεγάλο βαθμό και την ποιότητα των εικόνων που καταγράφονται στη βιντεοταινία. Η λειτουργία του φακού της βιντεοκάμερας παρουσιάζεται στο Σχήμα 7. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 25, ο φακός συγκεντρώνει την αντανάκλαση του φωτός σε κάθε σημείο του σώματος σε ανεστραμμένη θέση πάνω σε κάποιο κύτταρο του CCD. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται πάνω στο CCD ένα ανεστραμμένο είδωλο του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου. Τα βασικά χαρακτηριστικά των φακών στις βιντεοκάμερες είναι η εστιακή απόσταση, το διάφραγμα και το βάθος πεδίου. CCD εστιακή απόσταση Σχήμα 7. Σχηματική αναπαράσταση της λειτουργίας του φακού Εστιακή απόσταση Κάθε φακός έχει μια εστιακή απόσταση (focal distance ή length) που συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα (f) και αντιπροσωπεύει την απόσταση του φακού από το μέσο καταγραφής της εικόνας. Στη βιντεοκάμερα είναι η απόσταση μεταξύ του σημείου εστίασης (focal point) στο CCD (μέσο καταγραφής) και του φακού (Σχήμα 8). Σχήμα 8. Εστιακή απόσταση φακού

10 10 Η εστιακή απόσταση αναφέρεται πάντα πάνω στο φακό (π.χ. f = 50 mm). Όσο μεγαλύτερη η εστιακή απόσταση τόσο μεγαλύτερο το μέγεθος του καταγεγραμμένου ειδώλου. Ανάλογα με την εστιακή τους απόσταση υπάρχουν δύο βασικά είδη φακών: οι τηλεφακοί και οι ευρυγώνιοι φακοί. - Τηλεφακός Μια κανονική εστιακή απόσταση είναι περίπου ίση με τη διαγώνιο του πεδίου προβολής του ανεστραμμένου ειδώλου. Στη φωτογραφική και κινηματογραφική κάμερα πεδίο προβολής είναι το αρνητικό του φιλμ, ενώ στη βιντεοκάμερα το CCD. Φακός με εστιακή απόσταση μεγαλύτερη από τη διαγώνιο του πεδίου προβολής καλείται τηλεφακός (telephoto lens) και έχει ως αποτέλεσμα να απεικονίζεται στο πεδίο προβολής μικρότερο μέρος του βιντεοσκοπούμενου χώρου (αντικείμενο και περιβάλλον χώρος). Σχήμα 9. Λειτουργία του τηλεφακού και του ευρυγώνιου φακού Στην ουσία δηλαδή, ο τηλεφακός μειώνει τη γωνία προβολής της εικόνας και τα αντικείμενα φαίνονται να έρχονται πιο κοντά (Σχήμα 9). Ταυτόχρονα όμως δημιουργείται η εντύπωση ότι όλα είναι συμπιεσμένα και η προοπτική του χώρου εξαφανίζεται. - Ευρυγώνιος φακός Ο ευρυγώνιος φακός (wide-angle lens) έχει εστιακή απόσταση μικρότερη από τη διαγώνιο του πεδίου προβολής, με αποτέλεσμα να απεικονίζεται μεγαλύτερο μέρος του βιντεοσκοπούμενου χώρου στο πεδίο προβολής. Στην ουσία δηλαδή ο ευρυγώνιος φακός αυξάνει τη γωνία προβολής της εικόνας με αποτέλεσμα να βιντεοσκοπείται μεγαλύτερη έκταση του χώρου αλλά ταυτόχρονα με κάποια καμπυλότητα των περιγραμμάτων των

11 11 αντικειμένων (Σχήμα 9). Για να υπάρχει η δυνατότητα χρήσης τόσο τηλεφακών όσο και ευρυγώνιων φακών στην ίδια βιντεοκάμερα, αρκετές βιντεοκάμερες εξοπλίζονται με υποδοχή φακών (όπως οι φωτογραφικές μηχανές) που είναι γνωστή ως C-mount (διάμετρος 24.4mm). Οι περισσότερες όμως βιντεοκάμερες χρησιμοποιούν φακούς μεταβλητής εστιακής απόστασης. - Φακός μεταβλητής εστιακής απόστασης Ο φακός μεταβλητής εστιακής απόστασης (zoom lens) επιτρέπει την αλλαγή της εστιακής του απόστασης, σε όλες τις δυνατές τιμές της μεταξύ τηλεφακού και ευρυγώνιου, με χειροκίνητο ή ηλεκτρικό τρόπο. Ο φακός μεταβλητής εστιακής απόστασης χαρακτηρίζεται από ένα λόγο (π.χ. 3x, 6x, 8x, 12x) που αντιπροσωπεύει την αναλογία μεταξύ των δύο ακραίων τιμών (κατώτατης και ανώτατης) της εστιακής του απόστασης. Έτσι, φακός που έχει ακραίες τιμές εστιακής απόστασης 9 και 54 mm είναι φακός 6x, ενώ αν οι ακραίες τιμές είναι 12 και 36 mm ο φακός είναι 3x. Οι συνήθεις φακοί των βιντεοκαμερών στην ανάλυση της κίνησης είναι 6x. Διάφραγμα Το διάφραγμα (diaphragm) του φακού καθορίζει την ποσότητα του φωτός που θα επιτραπεί να περάσει στο CCD. Αν η ποσότητα του φωτός είναι μεγάλη η εικόνα θα είναι πολύ φωτεινή, ενώ στην αντίθετη περίπτωση η εικόνα θα είναι πολύ σκοτεινή. Το διάφραγμα αποτελείται από μια σειρά από ημικυκλικά ελάσματα, που μπορούν να αλλάζουν το βαθμό επικάλυψης τους, ώστε να μεγαλώνει ή να μικραίνει η διάμετρος του φακού (Σχήμα 10). (α) (β) (γ) Σχήμα 10. Το διάφραγμα του φακού σε διαφορετικές ρυθμίσεις ανοίγματος Το διάφραγμα μπορεί να ρυθμίζεται σε διαφορετικά βήματα (f-stops), οι τυπικές τιμές των οποίων είναι, Κάθε μια από αυτές τις τιμές αναπαριστά την αναλογία ανάμεσα στην διάμετρο του φακού και στην εστιακή του

12 12 απόσταση. Όσο μεγαλύτερη η τιμή του διαφράγματος τόσο μικρότερο το άνοιγμα του φακού. Με τιμή διαφράγματος 1 ο φακός είναι πλήρως ανοιχτός (Σχήμα 10α). Με τιμή διαφράγματος 22, ο φακός είναι σχεδόν πλήρως κλειστός (Σχήμα 10γ). Με τις άλλες τιμές βρίσκεται σε κάποια ενδιάμεση θέση (Σχήμα 10β). Επίσης, κάθε τιμή διαφράγματος επιτρέπει να περάσει διπλάσια ποσότητα φωτός από την προηγούμενη τιμή διαφράγματος. Για παράδειγμα, η τιμή διαφράγματος 8 επιτρέπει τη διέλευση διπλάσιας ποσότητα φωτός από την τιμή 11, τετραπλάσια ποσότητα φωτός από την τιμή 16, κ.οκ. Αντίστοιχα, η τιμή 16 επιτρέπει να περάσει το ½ της ποσότητας του φωτός σε σχέση με την τιμή 11 και το ¼ της ποσότητας του φωτός σε σχέση με την τιμή 8. Σε μερικές βιντεοκάμερες οι τιμές του διαφράγματος δεν αναγράφονται πάνω στο φακό ώστε να μπορούν να επιλεγούν χειροκίνητα (Σχήμα 11), αλλά επιλέγονται αυτόματα με βάση τις συνθήκες εξωτερικού φωτισμού. Αυτή η δυνατότητα μειώνει σε μεγάλο βαθμό τα σφάλματα λόγω υπερέκθεσης ή υποέκθεσης της βιντεοταινίας στο φως κατά τη βιντεοσκόπηση. δακτύλιος ρύθμισης δ ά Σχήμα 11. Φακός με δακτύλιο ρύθμισης των τιμών του διαφράγματος Βάθος πεδίου Το διάφραγμα δεν καθορίζει μόνο την ποσότητα του φωτός που θα περάσει στον αισθητήρα εικόνας, αλλά και το βάθος του πεδίου λήψης (depth-of-field). Ως βάθος πεδίου ορίζεται η απόσταση μπροστά και πίσω από τη θέση του αντικειμένου που βιντεοσκοπείται, κατά την οποία η κίνηση μπορεί να αποτυπωθεί ευδιάκριτα πάνω στο φιλμ. Όταν το βάθος πεδίου έχει μικρή τιμή, η κίνηση του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου προς τα εμπρός ή προς τα πίσω από τη θέση στην οποία βρίσκεται, θα έχει ως αποτέλεσμα να φαίνεται λιγότερο ευδιάκριτα. Αντίθετα, όταν το βάθος πεδίου είναι μεγάλο, τότε το αντικείμενο μπορεί να κινηθεί μπροστά ή πίσω από τη αρχική του θέση και να φαίνεται πάλι ευδιάκριτα. Αν το διάφραγμα του φακού είναι πλήρως ανοιχτό (f-stop

13 13 = 1) τότε το αντικείμενο που βιντεοσκοπείται φαίνεται καθαρά στην αναπαραγόμενη εικόνα, όταν βρίσκεται μόνο στη συγκεκριμένη θέση (ελάχιστο βάθος πεδίου). Όσο περισσότερο κλειστό είναι το διάφραγμα (f-stop > 5.6), τόσο περισσότερο το βάθος πεδίου εκτείνεται μπρος και πίσω από τη θέση του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου. Το βάθος πεδίου δεν θα πρέπει να συγχέεται με την οξύτητα (sharpness) της εικόνας. Μια εικόνα έχει πάντα μεγάλη οξύτητα (αν έχει γίνει σωστά η εστίαση πάνω στο βιντεοσκοπούμενο αντικείμενο) ανεξάρτητα από το μέγεθος του βάθους πεδίου. Απλώς στην περίπτωση μεγάλου βάθους πεδίου υπάρχει αυξημένη οξύτητα τόσο στην εμπρός του βιντεοσκοπούμενο αντικειμένου περιοχή όσο και στην πίσω από αυτό περιοχή. Το κέντρο της εστίασης στην περίπτωση αυτή δεν είναι ακριβώς στη μέση μεταξύ του εμπρός και πίσω ορίου, αλλά στο 1/3 περίπου, προς το εμπρός όριο, της περιοχής της οξύτητας. Σαν αποτέλεσμα είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί μεγάλο βάθος πεδίου όταν βιντεοσκοπούνται αντικείμενα σε κοντινές αποστάσεις από ότι σε μακρινές. Για αυτό όσο μικρότερη είναι η απόσταση του βιντεοσκοπούμενου αντικειμένου από την κάμερα, τόσο πιο ακριβής θα πρέπει να είναι η εστίαση πάνω σε αυτό. Το βάθος πεδίου σχετίζεται επίσης με την εστιακή απόσταση του φακού. Όσο μεγαλύτερη είναι η εστιακή απόσταση τόσο μικρότερο είναι το βάθος πεδίου και αντίστροφα. Έτσι, με τη χρήση τηλεφακού το βάθος πεδίου είναι μικρό και η εστίαση πάνω στο αντικείμενο θα πρέπει να γίνει με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αντίθετα με τη χρήση ευρυγώνιου φακού, λόγω μεγάλου βάθους πεδίου η εικόνα θα είναι ευδιάκριτη καθ όλη τη διαδικασία λήψης. Μόνο όταν το αντικείμενο βρεθεί στα όρια του πεδίου λήψης μπορεί να χρειαστεί εκ νέου ρύθμιση της εστίασης, αλλά αυτό εξαρτάται από την ποιότητα του φακού. Εστίαση Για να φαίνεται ευκρινές το βιντεοσκοπούμενο αντικείμενο στην εικόνα, θα πρέπει ο φακός να εστιάσει πάνω σε αυτό. Η βασικότερη προϋπόθεση για τη σωστή εστίαση (focus) αφορά στη σωστή αντίληψη της απόστασης του αντικειμένου από το φακό. Κάθε βιντεοκάμερα έχει τη δυνατότητα χειροκίνητης εστίασης (manual focus) και αυτόματης εστίασης (auto focus). Στη χειροκίνητη ρύθμιση της εστίασης, εργαλείο είναι το μάτι του χειριστή και η ρύθμιση γίνεται περιστρέφοντας ένα δακτύλιο του φακού (σε κάποια φθηνότερα μοντέλα αντί του δακτυλίου υπάρχει περιστρεφόμενος τροχός στο σώμα της κάμερας), στον οποίο αναγράφονται τιμές απόστασης σε μέτρα. Η αυτόματη εστίαση λειτουργεί όπως η χειροκίνητη εστίαση, αλλά όχι τόσο γρήγορα, αν και μερικά νέα

14 14 συστήματα είναι σχεδόν τέλεια. Για να λειτουργήσει η αυτόματη εστίαση θα πρέπει ο φακός να μπορεί να προσδιορίσει που θα εστιάσει. Δεν είναι μόνο αναγκαίο να μετρηθεί με ακρίβεια η απόσταση στην οποία βρίσκεται το βιντεοσκοπούμενο αντικείμενο, αλλά χρειάζεται να προσδιοριστεί και το αντικείμενο πάνω στο οποίο θα γίνει η εστίαση. Στη συνέχεια θα πρέπει οι πληροφορίες αυτές να μεταφερθούν στιγμιαία σε ένα μηχανισμό που θα κάνει τις κατάλληλες ρυθμίσεις στο φακό εξίσου γρήγορα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί από δύο είδη συστημάτων αυτόματης εστίασης: τα ενεργητικά και τα παθητικά. Ενεργητικά συστήματα αυτόματης εστίασης (active autofocus systems) Τα συστήματα αυτά ονομάζονται ενεργητικά διότι εκπέμπουν ένα σήμα για να μετρήσουν που και πάνω σε τι θα εστιάσουν. Κάποιες κάμερες διαθέτουν για το σκοπό αυτό ένα είδος υπέρυθρου (infrared, IR) συστήματος αυτόματης εστίασης ή ένα σύστημα με υπερήχους (ultrasonic), τα οποία λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο, εκπέμποντας παλμούς υπέρυθρου σήματος ή σήματος υπερήχων. Τα σήματα αυτά αντανακλώνται από τα αντικείμενα και επιστρέφουν στο δέκτη της κάμερας. Από τη χρονική διαφορά των στιγμών εκπομπής και λήψης του σήματος (και με γνωστή την ταχύτητα του σήματος) υπολογίζεται με ακρίβεια η απόσταση στην οποία βρίσκεται το βιντεοσκοπούμενο αντικείμενο. Λειτουργούν δηλαδή με τον ίδιο τρόπο που λειτουργούν τα ραντάρ των τροχονόμων. Επειδή δε, τα ηχητικά κύματα μεταδίδονται με μικρότερη ταχύτητα από τα φωτεινά, τα συστήματα αυτόματης εστίασης με υπέρηχους καθυστερούν ελαφρά σε σχέση με τα συστήματα με υπέρυθρες. Ένα άλλο πλεονέκτημα των συστημάτων με υπέρυθρες είναι ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνθήκες μειωμένου ή καθόλου φωτισμού. Υπάρχουν όμως και μειονεκτήματα. Το σύστημα των υπερύθρων είναι ευαίσθητο σε υπέρυθρες ακτίνες που εκπέμπονται από άλλες πηγές, όπως π.χ. εστίες φωτιάς. Επίσης, σε περίπτωση που η βιντεοσκόπηση γίνει μέσα από κλειστό παράθυρο, παρόλο που οι υπέρυθρες ακτίνες διαπερνούν το γυαλί, ενδεχόμενη αντανάκλαση φωτός πάνω στο γυαλί θα έχει ως αποτέλεσμα την εστίαση πάνω στο γυαλί του παραθύρου κι όχι στο επιθυμητό αντικείμενο. Η υπέρυθρη ακτίνα επίσης μπορεί να απορροφηθεί από σκοτεινές μαύρες επιφάνειες, οπότε η εστίαση τίθεται στο άπειρο. Σε κάθε περίπτωση μετά τη σωστή μέτρηση της απόστασης, κάποιος ηλεκτρικός μηχανισμός ρυθμίζει το φακό κατάλληλα για τη σωστή εστίαση.

15 15 Όσον αφορά τα αντικείμενο πάνω στο οποίο θα γίνει η εστίαση, τόσο τα συστήματα υπερύθρων όσο και τα συστήματα υπερήχων, μετρούν την απόσταση του αντικειμένου στο οποίο στοχεύει ένα ειδικό στόχαστρο που βρίσκεται στο κέντρο του φακού. Παθητικά συστήματα αυτόματης εστίασης (passive autofocus systems) Οι περισσότερες σύγχρονες βιντεοκάμερες έχουν αντίθετα κάποιο σύστημα παθητικής αυτόματης εστίασης. Οι κάμερες αυτές δεν εκπέμπουν κάποιο σήμα υπέρυθρων ή υπερήχων αλλά απλά αντιδρούν στο εισερχόμενο φως. Η βασική αρχή της λειτουργίας τους είναι ότι ο αισθητήρας CCD προσπαθεί να δημιουργήσει μια όσο το δυνατόν οξύτερη εικόνα. Αυτό γίνεται καθώς είτε ο φακός είτε το CCD μετατοπίζονται μπρος πίσω με μεγάλη συχνότητα προσπαθώντας να καθορίσουν τη θέση στη οποία η οξύτητα της εικόνας είναι μέγιστη. Τόσο τα παθητικά όσο και τα ενεργητικά συστήματα επιλέγουν να εστιάσουν πάνω στο αντικείμενο που βρίσκεται στο κέντρο ή κοντύτερα στο κέντρο του πεδίου λήψης. Στην περίπτωση που κοντά στο κέντρο βρίσκονται δύο αντικείμενα η εστίαση θα γίνει πάνω στο εγγύτερο στο φακό αντικείμενο. Βέβαια, θα πρέπει να αναφερθεί ότι όλες οι κάμερες έχουν τη δυνατότητα χειροκίνητης εστίασης σε περίπτωση που τα συστήματα αυτόματης εστίασης δεν καταφέρνουν να εστιάσουν σωστά. iii) Μέσο αποθήκευσης εικόνων Οι εικόνες που λαμβάνονται από τις βιντεοκάμερες που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση του βαδίσματος αποθηκεύονται είτε σε Super VHS (S-VHS) βιντεοταινίες είτε se ψηφιακή μορφή άμεσα σε σκληρό δίσκο Η/Υ (ή σε κάποιο δίσκο DVD) με τον οποίο συνδέεται η κάμερα, μέσα μιας κάρτα βίντεο (video card). Οι S-VHS βιντεοταινίες προτιμώνται έναντι των απλών VHS ταινιών διότι έχουν μεγαλύτερη ανάλυση (400 γραμμές αντί 240 γραμμών στις VHS) και η εικόνα καταγράφεται με περισσότερες λεπτομέρειες και υψηλή ποιότητα. Το μειονέκτημα των S-VHS ταινιών είναι ότι απαιτούνται S-VHS βίντεο για να αναπαραχθούν, αλλά πλέον αυτά διατίθενται στην αγορά σε πολύ χαμηλές τιμές. iv) Ταχύτητα λήψης Ως ταχύτητα λήψης (frame rate) μιας βιντεοκάμερας ορίζεται ο αριθμός των διακριτών εικόνων ή καρέ (frames) που μπορεί να καταγράψει η βιντεοκάμερα στη διάρκεια ενός δευτερολέπτου. Έτσι, για παράδειγμα υπάρχουν βιντεοκάμερες με ταχύτητες λήψης 30 καρέ το δευτερόλεπτο (30 frame/sec), 50, 60, 100 κ.λ.π. frames/sec. Η ταχύτητα λήψης

16 16 μιας κάμερας καθορίζει και το χρόνο που αντιστοιχεί σε κάθε εικόνα. Με άλλα λόγια, σε μια κάμερα με ταχύτητα λήψης 100 frames/sec κάθε εικόνα αντιπροσωπεύει 0.01 sec (100 εικόνες αντιπροσωπεύουν 1 sec). Μερικές φορές αντί του όρου ταχύτητα λήψης χρησιμοποιείται ο όρος συχνότητα λήψης (sampling frequency). Η συχνότητα λήψης είναι το αντίστροφο του χρόνου που αντιστοιχεί σε κάθε εικόνα. και μετράται σε Hertz (Hz). Έτσι, συχνότητα λήψης π.χ. 50Hz σημαίνει ότι κάθε εικόνα αντιστοιχεί σε χρόνο 0.02 sec (1/0.02 = 50), δηλαδή ότι η κάμερα καταγράφει 50 εικόνες το δευτερόλεπτο. Η συχνότητα λήψης μιας κάμερας αποτελεί κρίσιμο χαρακτηριστικό της κάμερας γιατί καθορίζει αν η κάμερα είναι κατάλληλη για την καταγραφή μιας κίνησης ή όχι. Για την κατανόηση της κρισιμότητας της συχνότητας λήψης αναφέρεται το παράδειγμα που ακολουθεί. A B 0 sec 0.01 sec sec sec (a) 400Hz (κάθε εικόνα αντιστοιχεί σε sec) (b) 100Hz (κάθε εικόνα αντιστοιχεί σε 0.01 sec) (c) 50Hz (κάθε εικόνα αντιστοιχεί σε 0.02 sec) Σχήμα 12. Καταγραφή της κίνησης ενός εκκρεμούς με κάμερες με διαφορετικές συχνότητες λήψης: (a) 400Hz, (b) 100Hz, (c) 50Hz

17 17 Φανταστείτε ένα εκκρεμές που αιωρείται από το Α στο Β και πάλι πίσω, με τέτοιο τρόπο ώστε μεταξύ των θέσεων του Α και Β να μεσολαβεί χρόνος 0.01 sec (Σχήμα 12). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 30, στην περίπτωση (a) που χρησιμοποιηθεί κάμερα με συχνότητα λήψης 400Hz (κάθε εικόνα της κίνησης του εκκρεμούς αντιστοιχεί σε χρόνο sec), κατά την κανονική αναπαραγωγή της ταινίας θα φαίνεται το εκκρεμές να αιωρείται δεξιά-αριστερά και σε αργή αναπαραγωγή της (slow motion) θα διακρίνονται τέσσερις διαφορετικές θέσεις του εκκρεμούς. Στην περίπτωση (b) που χρησιμοποιηθεί κάμερα με συχνότητα λήψης 100Hz (κάθε εικόνα της κίνησης του εκκρεμούς αντιστοιχεί σε χρόνο 0.01sec), κατά την κανονική αναπαραγωγή της ταινίας θα φαίνεται πάλι το εκκρεμές να αιωρείται δεξιά-αριστερά, αλλά σε αργή αναπαραγωγή της θα διακρίνονται μόνο δύο διαφορετικές θέσεις του εκκρεμούς. Αντίθετα, στην περίπτωση (c) που χρησιμοποιηθεί κάμερα με συχνότητα λήψης 50Hz (κάθε εικόνα της κίνησης του εκκρεμούς αντιστοιχεί σε χρόνο 0.02sec), κατά την αναπαραγωγή της ταινίας, το εκκρεμές θα φαίνεται διαρκώς ακίνητο (στη θέση Α) είτε η ταινία αναπαράγεται με κανονική είτε με αργή ταχύτητα. Κατά συνέπεια, για την καταγραφή και ανάλυση της κίνησης του εκκρεμούς, καταλληλότερη είναι η κάμερα με συχνότητα λήψης 400Hz, λιγότερο κατάλληλη αυτή με τα 100Hz, ενώ η τρίτη κάμερα με συχνότητα λήψης 50Hz είναι ακατάλληλη για την καταγραφή της κίνησης, διότι δεν καταγράφει καθόλου μεταβολή της θέσης του εκκρεμούς. Για την ακρίβεια, απαιτείται η κίνηση του εκκρεμούς να καταγραφεί με συχνότητα λήψης μεγαλύτερη των 400Hz, ώστε να υπάρχουν διαθέσιμες περισσότερες από τέσσερις διαφορετικές θέσεις του εκκρεμούς σε κάθε αιώρηση του, προκειμένου να μελετήσουμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια την κίνηση του. Από το παραπάνω παράδειγμα, διαπιστώνεται επίσης ότι η κατάλληλη συχνότητα λήψης για τη μελέτη μιας κίνησης εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία εκτελείται η κίνηση. Πράγματι, αν η αιώρηση του εκκρεμούς από τη θέση Α στη θέση Β διαρκούσε 0.5 sec, τότε ακόμη και η κάμερα με την συχνότητα λήψης των 50Hz θα ήταν κατάλληλη, καθώς θα κατέγραφε 25 (0.5/0.02) διαφορετικές εικόνες του εκκρεμούς σε κάθε αιώρηση του. Όσον αφορά στην καταγραφή των αθλητικών κινήσεων, ως ελάχιστη αποδεκτή συχνότητα λήψης θεωρείται σήμερα η συχνότητα των 100Hz (100 εικόνες/sec). Βέβαια όταν οι κινήσεις που μελετώνται είναι ιδιαίτερα εκρηκτικές ή περιλαμβάνουν κρούσης (π.χ. πάτημα στο άλμα σε μήκος, σερβίς στην αντισφαίριση) τότε οι κατάλληλες συχνότητες λήψεις υπερβαίνουν τη συχνότητα των 500Hz.

18 18 v) Ταχύτητα φωτοφράκτη (κλείστρου) Σε όλες τις βιντεοκάμερες η καταγραφή ενός ειδώλου (π.χ. αθλητής) βασίζεται στην έκθεση του CCD στην αντανάκλαση του φωτός πάνω στο είδωλο και στο εξωτερικό περιβάλλον. Απαραίτητη προϋπόθεση για την ευκρινή καταγραφή της εικόνας του ειδώλου είναι η έκθεση του CCD στο φώς για συγκεκριμένο χρόνο, ο οποίος εξαρτάται από παραμέτρους, όπως η συχνότητα λήψης, η ταχύτητα του φωτοφράκτη, το διάφραγμα του φακού και η ένταση του εξωτερικού φωτισμού. Το διάφραγμα του φακού έχει ήδη αναφερθεί, ενώ η επίδραση της έντασης του εξωτερικού φωτισμού θα συζητηθεί σε επόμενη παράγραφο. Ο φωτοφράκτης ή κλείστρο (shutter) στις φωτογραφικές μηχανές ή στις κινηματογραφικές κάμερες είναι μια επίπεδη επιφάνεια, η οποία παρεμβάλλεται μεταξύ του φακού της κάμερας και του φιλμ και ο σκοπός της είναι να μην επιτρέπει στο εξωτερικό φως να περνάει στο φιλμ. Σχήμα 13. Εικόνα δρομέων που καταγράφηκε με μικρή ταχύτητα φωτοφράκτη Στις σύγχρονες βιντεοκάμερες ο φωτοφράκτης είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που επιτελεί την ίδια λειτουργία. Κατά τη λήψη μιας εικόνας, ο φωτοφράκτης της βιντεοκάμερας ανοίγει για να επιτρέψει τη δίοδο της αναγκαίας ποσότητας φωτός στο

19 19 CCD και στη συνέχεια ξανακλείνει, πριν ξανανοίξει για να επιτρέψει την νέα έκθεση του CCD στο φως κ.ο.κ. Ο ρυθμός με τον οποίο ανοιγοκλείνει ο φωτοφράκτης καλείται ταχύτητα του φωτοφράκτη (shutter speed) και αντιστοιχεί στο κλάσμα του χρόνου για τον οποίο το CCD θα εκτεθεί στο φως. Οι τιμές της ταχύτητας του φωτοφράκτη στις βιντεοκάμερες κυμαίνονται από 1/150 μέχρι 1/10000 ή και περισσότερο. Ταχύτητα φωτοφράκτη 1/150 σημαίνει ότι το CCD της βιντεοκάμερας θα εκτεθεί στο φως για 1/150 του δευτερολέπτου. Ο χρόνος έκθεσης του CCD στο φως καθορίζει την ευκρίνεια του ειδώλου. Στην περίπτωση που ο χρόνος έκθεσης είναι μεγάλος (μικρή ταχύτητα φωτοφράκτη, π.χ. 1/150), το κινούμενο σώμα θα φαίνεται κατά την αναπαραγωγή της βιντεοταινίας θολό, με το περίγραμμα του να διαφεύγει προς κάθε κατεύθυνση (Σχήμα 13). Για να μην συμβαίνει αυτό και να εμφανίζεται το κινούμενο σώμα με ευκρίνεια απαιτείται η ταχύτητα του φωτοφράκτη να είναι μεγάλη (μικρός χρόνος έκθεσης), π.χ. 1/500 ή 1/1000. Επιπλέον, η ταχύτητα του φωτοφράκτη θα πρέπει να αυξάνει όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα της κίνησης του σώματος. Πολλές φορές επίσης, η ταχύτητα του φωτοφράκτη αναφέρεται σαν αντίστροφο γινόμενο της συχνότητας λήψης. Έτσι, ταχύτητα φωτοφράκτη 3x με συχνότητα λήψης 125 καρέ/sec μεταφράζεται σε χρόνο έκθεσης 1/3x125=1/375 sec. Στις αθλητικές κινήσεις οι συνήθεις κατάλληλες τιμές ταχύτητας φωτοφράκτη είναι οι 1/250, 1/500 και σε μεγαλύτερες ταχύτητες κίνησης 1/1000. Θα πρέπει εδώ να σημειωθεί, ότι όσο μεγαλώνει η ταχύτητα του φωτοφράκτη, δηλαδή όσο μικραίνει ο χρόνος έκθεσης του CCD στο φως, τόσο περισσότερο θα πρέπει να φωτίζεται ο χώρος λήψης με προβολείς. vi) Συγχρονισμός Κατά την καταγραφή μιας κίνησης με μια βιντεοκάμερα (δισδιάστατη ανάλυση), η κάμερα μπορεί να ενεργοποιηθεί με δύο τρόπους: χειροκίνητα (πιέζοντας το πλήκτρο εγγραφής-record) και μέσω ενός αυτόματου μηχανισμού ενεργοποίησης (trigger). Ο αυτόματος μηχανισμός ενεργοποίησης ενεργοποιεί την κάμερα με την εμφάνιση κάποιου είδους ερεθίσματος. Το ερέθισμα μπορεί να είναι ηλεκτρικό σήμα, φωτεινό σήμα, ηχητικό σήμα ή δόνηση. Ιδιαίτερα στις σύγχρονες ψηφιακές βιντεοκάμερες που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση του βαδίσματος, οι οποίες έχουν περιορισμένη δυνατότητα αποθήκευσης εικόνων στην προσωρινή τους μνήμη, η χρήση ενός αυτόματου μηχανισμού τόσο για την ενεργοποίηση τους όσο και για το σταμάτημα τους είναι επιβεβλημένη. Στις κάμερες

20 20 αυτές, απαιτείται να ρυθμιστεί το ποσοστό του χρόνου (trigger point) κατά τον οποίο θα αποθηκευτούν οι εικόνες της κίνησης πριν και μετά το ερέθισμα ενεργοποίησης. Έτσι, αν οριστεί ως ποσοστό χρόνου π.χ. 50%, ερέθισμα ενεργοποίησης είναι το άναμμα μιας λάμπας και η κάμερα έχει τη δυνατότητα λήψης εικόνων διάρκειας 8 sec, αυτό σημαίνει ότι θα αποθηκευτούν οι εικόνες της κίνησης για 4 sec πριν από το άναμμα της λάμπας και για τα επόμενα 4 sec μετά το άναμμα της λάμπας. Για την τρισδιάστατη ανάλυση του βαδίσματος, απαιτείται ο συγχρονισμός των δύο ή περισσοτέρων βιντεοκαμερών που χρησιμοποιούνται. Κι αυτό γιατί βασική προϋπόθεση για την πραγματοποίηση της τρισδιάστατης ανάλυσης είναι όλες οι κάμερες να καταγράφουν ταυτόχρονα το ίδιο γεγονός. Στο Σχήμα 14 παριστάνονται οι εικόνες που καταγράφηκαν από δύο βιντεοκάμερες Α και Β, οι οποίες κατέγραψαν την κίνηση με ταχύτητα λήψης 50frames/sec (κάθε εικόνα αντιπροσωπεύει χρόνο 0.02s). Η χρονική στιγμή 0s αντιστοιχεί στη στιγμή που ενεργοποιήθηκε η κάθε βιντεοκάμερα. Χρόνος (0 s) (0.02 s) (0.04 s) (0.06 s) (0.08 s) Κάμερα Α (α) Κάμερα Β Χρόνος (0 s) (0.02 s) (0.04 s) Χρόνος (0 s) (0.02 s) (0.04 s) (0.06 s) (0.08 s) Κάμερα Α (β) Κάμερα Β Χρόνος (0 s) (0.02 s) (0.04 s) (0.06 s) (0.08 s) Σχήμα 14. Σχηματική αναπαράσταση εικόνων από ασυγχρόνιστες (α) και συγχρονισμένες (β) κάμερες

21 21 Στην περίπτωση (α) οι δύο κάμερες δεν ενεργοποιήθηκαν ταυτόχρονα, αλλά η κάμερα Β ενεργοποιήθηκε 0.04s μετά την ενεργοποίηση της κάμερας Α. Σαν αποτέλεσμα το ίδιο γεγονός (απογείωση δακτύλων αριστερού ποδιού) καταγράφηκε από την κάμερα Α 0.06s μετά την ενεργοποίηση της, ενώ από την κάμερα Β 0.02s μετά την ενεργοποίηση της. Στην περίπτωση αυτή δηλαδή το ίδιο γεγονός δεν καταγράφηκε στον ίδιο χρόνο από τις δύο κάμερες μετά την ενεργοποίηση τους. Αυτό αποτελεί παράδειγμα ασυγχρόνιστων καμερών. Αντίθετα στην περίπτωση (β) και οι δυο κάμερες κατέγραψαν το ίδιο γεγονός (απογείωση δακτύλων αριστερού ποδιού) 0.06 s μετά την ενεργοποίηση τους. Αυτό αποτελεί παράδειγμα συγχρονισμένων καμερών. Κατά συνέπεια, τρισδιάστατη ανάλυση του βαδίσματος μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο στην περίπτωση (β). Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να επιτευχθεί ο συγχρονισμός δύο ή περισσοτέρων μηχανών λήψης, μεταξύ των οποίων ο συνηθέστερος είναι το ηλεκτρονικό κλείδωμα των καμερών μεταξύ τους (genlock). Προϋπόθεση για αυτό είναι να διαθέτουν οι κάμερες υποδοχές (είσοδο-έξοδο) για τη σύνδεση τους. Αφού οι κάμερες συνδεθούν μεταξύ τους σε διάταξη genlock, η ενεργοποίηση μιας από αυτές που ορίζεται εκ των προτέρων ως κύρια (master camera) ενεργοποιεί ταυτόχρονα και τις υπόλοιπες που ορίζονται ως δευτερεύουσες (slave). Η ενεργοποίηση της κύριας κάμερας μπορεί να γίνει με χειροκίνητο τρόπο (πιέζοντας το πλήκτρο εγγραφής) ή μέσω ενός trigger. Στην περίπτωση που οι κάμερες που χρησιμοποιούνται δεν διαθέτουν υποδοχές για σύνδεση genlock, τότε ακολουθείται μια εναλλακτική τεχνική. Με την τεχνική αυτή εκτός από την κίνηση του αθλητή καταγράφεται από τις κάμερες και ένα στιγμιαίο γεγονός (π.χ. το άναμμα ενός λαμπτήρα LED) που καλείται γεγονός συγχρονισμού (synchronization event). Εφόσον οι κάμερες δεν ενεργοποιούνται ταυτόχρονα, το γεγονός συγχρονισμού θα καταγραφεί σε διαφορετικό, για την κάθε κάμερα, χρόνο από την ενεργοποίηση τους (π.χ. για την κάμερα 1, στο 0.04s ενώ για την κάμερα 2 στο 0.10s). Στη συνέχεια ο συγχρονισμός των εικόνων της κίνησης του βαδίσματος γίνεται μέσω ενός ειδικού λογισμικού (software) στο στάδιο της επεξεργασίας των εικόνων. Το πρόγραμμα αυτό διορθώνει τους χρόνους των εικόνων σε κάθε κάμερα στη βάση της χρονικής διαφοράς των εμφανίσεων του γεγονότος συγχρονισμού. Έτσι, π.χ. στην κάμερα 1, ο χρόνος της εικόνας που ανάβει το LED θα γίνει 0s (από 0.04s), ο χρόνος της επόμενης εικόνας 0.02s (από 0.06s), κ.οκ., ενώ στην κάμερα 2, ο χρόνος της εικόνας που ανάβει το LED θα γίνει επίσης 0s (από 0.10s), ο χρόνος της επόμενης εικόνας 0.02s (από 0.12s), κ.ο.κ. Επειδή όμως η αποτελεσματικότητα της τεχνικής του συγχρονισμού μέσω λογισμικού εξαρτάται από το πόσο στιγμιαίο είναι το γεγονός συγχρονισμού και επιπλέον υπάρχει η πιθανότητα

22 22 το γεγονός συγχρονισμού να εμφανιστεί για πρώτη φορά σε χρονική στιγμή για την οποία δεν υπάρχει εικόνα (π.χ. στο 0.03s ενώ η κάμερα καταγράφει εικόνες κάθε 0.02s) και επομένως δεν είναι γνωστή με ακρίβεια η χρονική στιγμή της εμφάνισης του γεγονότος συγχρονισμού, συνιστάται να χρησιμοποιούνται κάμερες με δυνατότητα genlock. β) Φωτισμός Παρ όλες τις ρυθμίσεις που έχει στη διάθεσή του ο χειριστής, οι καλές συνθήκες φωτισμού του πεδίου λήψης ανάγονται σε σημαντικό παράγοντα για την ποιότητα της κινηματογράφησης. Ιδίως στις περιπτώσεις που γίνεται λήψη σε εσωτερικό χώρο είναι απαραίτητη η παρουσία τεχνητού φωτισμού. Ο τεχνητός φωτισμός παρέχεται από προβολείς ή φωτογραφικές ομπρέλες. Αν επιλεγούν προβολείς θα πρέπει να είναι διάχυτου φωτός κι όχι δέσμης, για να μην προκαλούνται αντανακλάσεις στο φιλμ. Για τον ίδιο λόγο το φως θα πρέπει να πέφτει υπό γωνία στο επίπεδο της κίνησης κι όχι κάθετα. Η μέγιστη απόδοση των προβολέων επιτυγχάνεται αν τοποθετηθούν έτσι ώστε ο άξονας της φωτεινής τους δέσμης να σχηματίζει γωνία 30 μοιρών με το επίπεδο της λήψης. γ) Διαδικασία καταγραφής της κίνησης Η διαδικασία που ακολουθείται για την καταγραφή της κίνησης εξαρτάται από τον αν θα πραγματοποιηθεί δισδιάστατη ή τρισδιάστατη ανάλυση. Τα βασικά στοιχεία που πρέπει να προσεχθούν είναι η τοποθέτηση των ανακλαστήρων πάνω στο σώμα του βαδιστή, η τοποθέτηση της κάμερας και η διαβάθμιση του χώρου λήψης i) Τοποθέτηση σημαδιών πάνω στο σώμα του βαδιστή Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η κινηματική ανάλυση του βαδίσματος, δισδιάστατη ή τρισδιάστατη απαιτεί τον προσδιορισμό των συντεταγμένων της θέσης των αρθρώσεων των μελών του σώματος και ιδιαίτερα των κάτω άκρων. Για να εντοπίζονται εύκολα οι θέσεις των αρθρώσεων στις εικόνες που καταγράφουν οι κάμερες, είναι απαραίτητη η τοποθέτηση πάνω σε συγκεκριμένα σημεία των μελών ευδιάκριτα σημάδια. Δισδιάστατη ανάλυση Πριν την έναρξη της καταγραφής της κίνησης του βαδίσματος για τη διενέργεια δισδιάστατης κινηματικής ανάλυσης τοποθετούνται λευκά αυτοκόλλητα σημάδια (markers) πάνω στα εξής σημεία της δεξιάς και αριστερής πλευράς του σώματος:

23 23 - στην κεφαλή του 5 ου μεταταρσίου (metatarsal head V) - στο άκρο της έξω επιφάνειας της φτέρνας (lateral heel) - στο έξω σφυρό (lateral malleolus) - στον έξω μηριαίο κόνδυλο (lateral femoral epicondyle) - στην προεξοχή της έξω πλευράς του μείζονα τροχαντήρα του μηριαίου οστού (prominence of the greater trochanter external surface) - στην πρόσθια άνω λαγόνια άκανθα (anterior superior iliac spine-asis) - στην έξω πλευρά του αυχένα στο ύψος του 5 ου αυχενικού σπονδύλου (lateral aspect of fifth cervical vertebra) - στο άκρο της έσω επιφάνειας της φτέρνας του αντίθετου ποδιού (lateral opposite heel) Τρισδιάστατη ανάλυση Για την τρισδιάστατη κινηματική ανάλυση του βαδίσματος τοποθετούνται αυτοκόλλητοι σφαιρικοί ανακλαστήρες σε επιλεγμένα ανατομικά σημεία (Πίνακας 1) της κάθε πλευράς του σώματος. Υπάρχουν διάφορα σετ από σημάδια (marker set) τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν: Helen Hayes original και Helen Hayes modified marker set, Kit Vaughan s original και Kit Vaughan s modified marker set, Cleveland Clinic marker set κ.λ.π. Ανάλογα με το σετ των σημαδιών που χρησιμοποιείται (Σχήματα 15 έως 17), τα σημάδια τοποθετούνται σε συγκεκριμένα σημεία του σώματος (Πίνακας 2). Πίνακας 1. Ανατομικά σημεία τοποθέτησης σημαδιών Πλήρες όνομα ανατομικού σημείου Συντομο γραφία Λεπτομέρειες Ιερό οστό (sacrum) SACR το κέντρο του σημαδιού στο μέσο της απόστασης μεταξύ δεξιάς και αριστερής πρόσθιας άνω λαγόνιας άκανθας Πρόσθια άνω λαγόνια άκανθα (anterior superior iliac spine) Μείζων τροχαντήρας (greater trochanter) Ράβδος μηρού (thigh wand) Έξω πλευρά μηρού (thigh lateral) R, L ASIS R, L GTRO R, L THI_W R, L THI_L το κέντρο του κάθε σημαδιού στο κέντρο της αντίστοιχης άκανθας το κέντρο του σημαδιού στην προεξοχή του μείζονα τροχαντήρα του μηριαίου οστού το κέντρο του σημαδιού στην άκρη μιας ράβδου μήκους περίπου cm, το άλλο άκρο της οποίας στερεώνεται στο μέσο (ή στο κάτω μέρος) της έξω πλευράς του μηρού. Θα πρέπει να είναι στο επίπεδο που σχηματίζεται από την άρθρωση του ισχίου, του γόνατος και το σημάδι στον έξω μηριαίο κόνδυλο το σημάδι τοποθετείται στην έξω πλευρά του μηρού. Το επίπεδο που σχηματίζει με την άρθρωση του ισχίου και του γόνατος αντιστοιχεί στο προσθιοπίσθιο επίπεδο του μηρού

24 24 Πίνακας 1. Ανατομικά σημεία τοποθέτησης σημαδιών (συνέχεια) Πλήρες όνομα ανατομικού σημείου Πρόσθια πλευρά μηρού (thigh anterior) Έξω μηριαίος κόνδυλος (lateral epicondyle) Έσω μηριαίος κόνδυλος (medial epicondyle) Ράβδος κνήμης Κνημιαίο κύρτωμα (tibial tuberosity) Κεφαλή περόνης (fibular head) Έξω σφυρό (lateral malleolus) Έσω σφυρό (medial malleolus) Κεφαλή 2 ου μεταταρσίου (head of 2 nd metatarsal) Κεφαλή 5 ου μεταταρσίου (head of 5 th metatarsal) Φτέρνα (heel) Συντομο γραφία R, L THI_A R, L LCON R, L MCON R, L TIB_W R, L TTUB Λεπτομέρειες το σημάδι τοποθετείται στην πρόσθια πλευρά του μηρού, στο επίπεδο που σχηματίζεται από την άρθρωση του ισχίου, του γόνατος και τον έξω μηριαίο κόνδυλο στο κέντρο του έξω μηριαίου κονδύλου. Το σημείο εντοπίζεται ευκολότερα με το γόνατο σε ελαφρά κάμψη στο κέντρο του έξω μηριαίου κονδύλου. Το σημείο εντοπίζεται ευκολότερα με το γόνατο σε ελαφρά κάμψη. (χρησιμοποιείται μόνο για ρύθμιση των συστημάτων αναφοράς από κάποια συστήματα κινηματικής ανάλυσης κι όχι για την ανάλυση του βαδίσματος) το σημάδι στο άκρο μιας ράβδου που στερεώνεται στο μέσο της έξω πλευράς της κνήμης ή στο άνω 1/3 της απόστασης μεταξύ κεφαλής περόνης και έξω σφυρού στην έξω πλευρά της κνήμης, όπου δεν παρουσιάζει στροφικές κινήσεις η κνήμη στο κνημιαίο κύρτωμα R, L FH στην κεφαλή της περόνης. Προτείνεται επίσης να τοποθετείται 2 με 3cm κάτω από την κεφαλή της περόνης για να μην μπερδεύεται με το σημάδι στο έξω μηριαίο κόνδυλο R, L LMAL R, L MMAL R, L MT ΙΙ R, L MT V R, L HEEL στο κέντρο του έξω σφυρού στο κέντρο του έσω σφυρού στην κεφαλή του 2ου μεταταρσίου στην κεφαλή του 5ου μεταταρσίου στη φτέρνα. Η γραμμή που ενώνει το σημάδι στη φτέρνα και στην κεφαλή του 2 ου μεταταρσίου πρέπει να είναι παράλληλη με το έδαφος (μετράται το ύψος της κεφαλής του 2 ου μεταταρσίου και το σημάδι της φτέρνας τοποθετείται στο ίδιο ύψος από το έδαφος.

25 25 πρόσθια άνω λαγόνια άκανθα ιερό οστό ράβδος μηρού ράβδος κνήμης φτέρνα έξω σφυρό έξω μηριαίος κόνδυλος κεφαλή 2 ου μεταταρσίου Σχήμα 15. Τοποθέτηση σετ σημαδιών Helen Hayes πρόσθια άνω λαγόνια άκανθα ιερό οστό μείζων τροχαντήρας έξω μηριαίος κόνδυλος φτέρνα έξω σφυρό κνημιαίο κύρτωμα κεφαλή 5 ου μεταταρσίου Σχήμα 16. Τοποθέτηση σετ σημαδιών Kit Vaughan s

26 26 πρόσθια άνω λαγόνια άκανθα ιερό οστό σύμπλεγμα σημαδιών μηρού έξω μηριαίος κόνδυλος φτέρνα έξω σφυρό σύμπλεγμα σημαδιών κνήμης κεφαλή 5 ου μεταταρσίου Σχήμα 17. Τοποθέτηση σετ σημαδιών Cleveland Clinic Πίνακας 2. Ανατομικά σημεία τοποθέτησης ανάλογα με το σετ σημαδιών που χρησιμοποιείται Συντομογραφία σημαδιού Helen Hayes original Helen Hayes modified Kit Vaughan s original Kit Vaughan s modified Cleveland Clinic SACR R, L ASIS R, L GTRO R, L THI_W * R, L LCON R, L TIB_W * R, L TTUB R, L LMAL R, L MT ΙΙ R, L MT V R, L HEEL Σύνολο * σύμπλεγμα σημαδιών

27 27 ii) Τοποθέτηση της κάμερας Δισδιάστατη ανάλυση Όπως έχει ήδη αναφερθεί για την πραγματοποίηση δισδιάστατης ανάλυσης είναι αρκετή η χρήση μιας μόνο κάμερας για κάθε επίπεδο της κίνησης (επίπεδο προώθησηςπροσθιοπίσθιο, επίπεδο κάθετο στο επίπεδο προώθησης-μετωπιαίο και οριζόντιο επίπεδοεγκάρσιο). Η βασική αρχή της καταγραφής της κίνησης, κατά τη δισδιάστατη κινηματογράφηση, είναι η τοποθέτηση της κάμερας με τέτοιο τρόπο, ώστε ο κεντρικός οπτικός άξονας του φακού να είναι κάθετος στο επίπεδο που καταγράφεται. Στην πράξη, αυτή η αρχή περιορίζει την εφαρμογή των δισδιάστατων αναλύσεων στο επίπεδο της προώθησης (η κάμερα τοποθετείται πλάγια του βαδιστή) και στο κάθετο σε αυτό επίπεδο (η κάμερα τοποθετείται μπροστά από το βαδιστή), καθώς για το οριζόντιο επίπεδο η κάμερα πρέπει να τοποθετηθεί από πάνω, διαδικασία που εμπεριέχει κάποιες πρακτικές δυσκολίες. Τρισδιάστατη ανάλυση Στην τρισδιάστατη ανάλυση του βαδίσματος χρησιμοποιούνται δύο ή περισσότερες κάμερες, έτσι ώστε να λαμβάνονται ταυτόχρονα όλα τα σημεία του σώματος του βαδιστή από δύο τουλάχιστον κάμερες. Στην πράξη, για την τρισδιάστατη ανάλυση όλων των σημείων και των δύο πλευρών του σώματος του βαδιστή απαιτείται η χρήση τουλάχιστον τεσσάρων και καλύτερα έξι καμερών, οι οποίες τοποθετούνται έτσι ώστε οι κεντρικοί οπτικοί τους άξονες να σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία μεγαλύτερη των 45 ο. Ένας πρακτικός τρόπος για τον προσδιορισμό της θέσης των μηχανών λήψης στο χώρο του εργαστηρίου είναι ο ακόλουθος. Αρχικά δημιουργείται ένα σχεδιάγραμμα του χώρου του εργαστηρίου υπό κλίμακα και σχεδιάζεται ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο με τις διαστάσεις (υπό την ίδια κλίμακα) του χώρου λήψης. Στη συνέχεια, κατασκευάζονται στην ίδια κλίμακα, πλαστικά ημιδιαφανή τρίγωνα (ένα για κάθε κάμερα), με την οξεία γωνία τους ίση με την οπτική γωνία του φακού της κάθε κάμερας. Η οπτική γωνία του φακού της κάθε κάμερας, σε περίπτωση που δεν τη δίνει ο κατασκευαστής, βρίσκεται αν παρατηρήσουμε στο μόνιτορ της κάμερας ένα αντικείμενο που κινείται παράλληλα με την κάμερα. Σημειώνεται στο δάπεδο του εργαστηρίου η θέση στην οποία το αντικείμενο εισέρχεται στη μια πλευρά του οπτικού πεδίου της κάμερας και στη συνέχεια η θέση του όταν εξέρχεται από το οπτικό πεδίο της κάμερας, ενώνονται με ευθείες γραμμές οι δύο θέσεις με τη θέση του φακού της κάμερας και μετράται η γωνία που σχηματίζεται. Αυτή είναι η οπτική γωνία του φακού της συγκεκριμένης κάμερας.

28 28 Τα τρίγωνα τοποθετούνται στο σχεδιάγραμμα του χώρου λήψης, ώστε να τον καλύπτουν πλήρως και η οξύτερη κορυφή τους αντιστοιχεί στη θέση της κάμερας. Στη συνέχεια μετρώνται στο σχέδιο οι αποστάσεις της θέσης της κάθε κάμερας από τα όρια του χώρου του εργαστηρίου. Μετατρέποντας τις αποστάσεις αυτές σε πραγματικές τιμές (πολλαπλασιάζοντας με την κλίμακα) προσδιορίζεται η πραγματική θέση της κάθε κάμερας σε σχέση με τα όρια του εργαστηρίου (Σχήμα 18). κάμερα 2 κάμερα 3 χώρος λήψης κάμερα 1 κάμερα 4 κάμερα 6 κάμερα 5 Σχήμα 18. Τοποθέτηση των μηχανών λήψης για τρισδιάστατη ανάλυση του βαδίσματος iii) Βαθμονόμηση (διαβάθμιση) του χώρου λήψης Για τον υπολογισμό των κινηματικών χαρακτηριστικών απαιτείται, όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο προσδιορισμός των συντεταγμένων της θέσης των σημαδιών που τοποθετούνται πάνω στο σώμα. Οι συντεταγμένες προσδιορίζονται με βάση ένα καρτεσιανό σύστημα αξόνων αναφοράς του χώρου (global reference system). Η διαδικασία ορισμού του συστήματος αναφοράς στο χώρο λήψης καλείται βαθμονόμηση ή διαβάθμιση του χώρου λήψης (calibration). Για τη βαθμονόμηση του χώρου λήψης απαιτείται, πριν από την καταγραφή της κίνησης του βαδίσματος, να καταγραφεί ένα σύνολο σημείων με γνωστές συντεταγμένες θέσης, που καλείται βαθμονομητής ή διαβαθμιστής (calibration frame). Το σύνολο αυτό των σημείων μπορεί να είναι τοποθετημένα στις ακμές ενός ορθογωνίου

29 29 παραλληλεπιπέδου (Σχήμα 19) ή στις άκρες ενός συμπλέγματος ράβδων με τη μορφή ενός δένδρου (Σχήμα 20). Τα σημεία του βαθμονομητή καλούνται σημεία ελέγχου (control points) και οι συντεταγμένες της θέσης τους πάνω στον βαθμονομητή μετρώνται με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια μέσω μιας αξιόπιστης μετροταινίας ή με τη χρήση ειδικών αποστασιόμετρων λέϊζερ. Εκτός από το βαθμονομητή απαιτείται να τοποθετηθεί στο χώρο λήψης ένα σταθερό ευδιάκριτο σημείο (fixed point), το οποίο θα είναι ορατό τόσο στην εικόνα του βαθμονομητή όσο και στις εικόνες της κίνησης, την οποία δεν θα πρέπει να εμποδίζει. Η λειτουργία του σταθερού σημείου θα αναφερθεί στην ενότητα της ψηφιοποίησης. Ζ Χ Υ Σχήμα 19. Βαθμονομητής με τη μορφή ορθογωνίων παραλληλεπιπέδων Σχήμα 20. Βαθμονομητής με τη μορφή δένδρου

30 30 iv) Καταγραφή της κίνησης Αφού τοποθετηθούν οι κάμερες και ρυθμιστούν οι παράμετροι τους, ρυθμίζονται και οι φακοί τους (εστιακή απόσταση, εστίαση) έτσι ώστε να είναι δυνατή η ευδιάκριτη καταγραφή του επιθυμητού πεδίου λήψης (field of view). Πεδίο λήψης καλείται η περιοχή που θα αποτυπωθεί στη βιντεοταινία. Κατά συνέπεια, τα όρια του πεδίου λήψης επιλέγονται ώστε να μπορεί να καταγραφεί τουλάχιστον ένας πλήρης κύκλος βαδίσματος για το κάθε κάτω άκρο. Βέβαια, ρυθμίζοντας την εστιακή απόσταση των φακών ώστε να είναι πλήρως ευρυγώνιοι και απομακρύνοντας τις κάμερες από τη γραμμή της κίνησης, είναι δυνατή η καταγραφή μεγαλύτερου μέρους των αθλητικών κινήσεων, αλλά τότε η εικόνα του σώματος του αθλητή στη βιντεοταινία θα έχει πολύ μικρές διαστάσεις και θα είναι δύσκολος ο εντοπισμός των σημαδιών στα επιλεγμένα ανατομικά σημεία του σώματος. Αφού, ρυθμιστούν τα όρια του πεδίου λήψης, ρυθμίζεται το διάφραγμα των φακών σε σχέση με τις συνθήκες φωτισμού του πεδίου λήψης και τοποθετείται ο βαθμονομητής. Μετά τη λήψη της εικόνας του βαθμονομητή, όλα είναι έτοιμα για την καταγραφή της αθλητικής κίνησης. δ) Διαδικασία επεξεργασίας των εικόνων Η διαδικασία επεξεργασίας των εικόνων περιλαμβάνει τη σύλληψη των εικόνων από τη βιντεοταινία, τη μετατροπή τους σε ψηφιακή μορφή (στην περίπτωση που χρησιμοποιηθεί ψηφιακή βιντεοκάμερα, η μετατροπή αυτή δεν χρειάζεται μιας και οι εικόνες ήδη βρίσκονται σε ψηφιακή μορφή) και την αποθήκευση τους στον Η/Υ, την ψηφιοποίηση των εικόνων για τον υπολογισμό των συντεταγμένων των επιλεγμένων σημαδιών, την αφαίρεση του σφάλματος της ψηφιοποίησης και τέλος τον υπολογισμό των κινηματικών χαρακτηριστικών. i) Μεταφορά εικόνων από βιντεοταινία σε Η/Υ Η βιντεοταινία με τις εικόνες του βαδίσματος από την κάθε κάμερα αναπαράγεται σε ένα βίντεο που συνδέεται με έναν Η/Υ μέσω μιας κάρτας σύλληψης εικόνων (frame grabber). Κατά την αναπαραγωγή της βιντεοταινίας και την προβολή των εικόνων στο μόνιτορ του Η/Υ επιλέγονται οι εικόνες που θα μεταφερθούν σε ψηφιακή μορφή στον Η/Υ. Συνήθως επιλέγονται η εικόνα του βαθμονομητή και όλες οι σημαντικές εικόνες της κίνησης, από την εικόνα της αρχής της κίνησης μέχρι την εικόνα ενός γεγονότος που σηματοδοτεί το τέλος της κίνησης. Οι εικόνες αυτές μετατρέπονται σε ψηφιακή μορφή και