Ventajas y desventajas del 3D en el Alto Rendimiento

Presentación del tema: "Ventajas y desventajas del 3D en el Alto Rendimiento"— Transcripción de la presentación:

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2 Ventajas y desventajas del 3D en el Alto Rendimiento
Xavier Balius Matas D. Biomecánica, U. Ciencias Deporte Centro de Alto Rendimiento de Catalunya (CAR) Ventajas y desventajas del 3D en el Alto Rendimiento Agradecimientos Organización Justificación de la charla

3 Instrumentación 3D Goniómetros instrumentados
Sensores electromagnéticos y acústicos Acelerómetros Fotogrametría Instrumentación 3D El aparato locomotor está compuesto por segmentos unidos por articulaciones. Si queremos estudiar el movimiento de alguna de estas deberemos tener en cuenta dos características principales. Que la articulación estudiada tiene un sistema de coordenadas local (SCL) cuyo origen (x, y, z) se halla dentro de un sistema de coordenadas general (SCG), y que dicho SCL rotará sobre su eje en función de (x, y,z). Estas dos características son las que definirán los seis parámetros independientes que describen la posición y orientación de una articulación en el espacio (grados de libertad). Para el cálculo de los movimientos de una articulación son varios los sistemas en el mercado que nos proporcionan información: goniómetros instrumentados, sensores electromagnéticos y acústicos, o acelerómetros son herramientas que pueden proporcionar cierta información tridimensional pero que por motivos de diseño no son del todo precisas y en muchas ocasiones resultan aparatosas para realizar sin molestias la práctica deportiva. Desde el punto de vista del equilibrio entre precisión, requerida por la idiosincrasia de la ciencia, y comodidad, o la agilidad necesaria para dar respuestas en el entrenamiento deportivo, parece que el análisis videográfico, según la técnica de reconstrucción fotogramétrica, es la herramienta que ofrece más ventajas en el análisis del movimiento. (Allard, et al.)

4 3D - Fotogrametría Transformación Linear Directa (DLT)
La reconstrucción fotogramétrica consiste en la creación virtual de un objeto tridimensional a partir de la información contenida en una imagen que representa una proyección bidimensional de un objeto real. Conseguimos por tanto, a partir de la simple información de, en realidad dos imágenes, crear un objeto virtual tridimensional muy semejante al objeto real visualizado. Este proceso, cuya base algorítmica se basa en la Transformación Lineal Directa permite fidedignamente reproducir las características de un objeto, o el movimiento de un cuerpo, además de facilitar la información cinemática y dinámica de las partes del objeto o cuerpo reconstruidas. Transformación Linear Directa (DLT)

5 3D - Fotogrametría reproducción virtual del objeto o cuerpo analizados
cálculo de la cinemática y la dinámica vinculados a este objeto o cuerpo En el terreno del análisis del movimiento la fotogrametría aporta dos tipos de información útil para su utilización en el control, interpretación y optimización del gesto técnico: - la reproducción virtual del objeto o cuerpo analizados - el cálculo de la cinemática y la dinámica vinculados a este objeto o cuerpo Parece claro que en el primer caso, la posibilidad de poder reproducir mediante una secuencia virtual una acción técnica realizada previamente, permite el trabajo mediante feedback a través del estímulo de la percepción del gesto. La celeridad en como seamos capaces de obtener esta secuencia virtual será determinante para su aplicación en la propia sesión de entrenamiento. Por otro lado los datos de física mecánica que este mismo sistema de análisis aporta permitirá objetivar el movimiento y por tanto basar la intervención del entrenador en datos irrefutables.

6 3D - Fotogrametría Determinantes de las ventajas y desventajas
capacidad tecnológica del instrumental utilizado (sistema) validez del cálculo realizado (modelo) En todo caso el principal handicap que encontraremos vendrá determinado por la capacidad tecnológica del instrumental utilizado y/o por la validez del cálculo realizado. Estos dos planteamientos, la tecnología y el resultado del análisis, son en base los que determinarán las ventajas y desventajas del 3D en su aplicación al Alto Rendimiento.

7 Objetivación y representación gráfica del movimiento
Descripción (cinemática) Explicación (dinámica) Frecuencia, marcadores, digit. manual Definición del modelo El análisis 3D suple estos problemas, aunque la aplicación del protocolo es tan o más estricta que el 2D. El análisis 3D nos ofrece poder calcular con más o menos sencillez la cinemática linear y angular, pero deberemos ir con mucho cuidado a la hora de entrar en el terreno de la dinámica inversa, es decir en el terreno del cálculo de parámetros de la cinética (por ejemplo fuerzas interóseas y momentos interarticulares) a partir de los resultados obtenidos de la cinemática. En este caso los problemas principales vendrán derivados tecnológicamente de la frecuencia de muestreo, el número de imágenes por segundo, y también de la definición y personalización del modelo mecánico según la determinación de los Parámetros de los Segmentos del Cuerpo (BSP). (CodaMotion)

8 Objetivación y representación gráfica del movimiento
(Dapena) Frecuencia + nº cámaras Por otro lado será necesario obtener el máximo de información en el transcurso del movimiento en el tiempo. Cuanta más frecuencia en el muestreo menos error en el incremento de derivadas. Es por ello que será aconsejable el uso de cámaras de alta frecuencia principalmente para controlar mejor los cambios bruscos de posición de los puntos que definan el modelo mecánico. Será también aconsejable aumentar el número de cámaras para mejorar el visionado de los mencionados puntos y la redundancia en el cálculo de sus coordenadas 3D. En la actualidad se está trabajando en estudios que pretenden incluso determinar aspectos de la calidad de la articulación y que a través de simulaciones intentan predecir la supuesta carga sobre una articulación en una determinada situación imaginaria. Este interesantísimo proceso denominado “forward dynamics” es el futuro inmediato en el control de la rehabilitación y tal vez la solución definitiva en la prevención de lesiones. (ViconPeak) (Elliot)

9 Objetivación y representación gráfica del movimiento
Modelo COMPAMM_SPORT (CEIT San Sebastián) Desde los modelos basados en cadáveres según Chandler o Dempster, hasta los geométricos según Kwon y Yeadon o Kwon y Havanan, pasando por los modelos de masas escaneadas según Zatsiorsky y Seluyanov, en función de cómo describamos el modelo seremos capaces de crear un cuerpo virtual, y por tanto de calcular una serie datos, con más o menos precisión: “la precisión de cualquier evaluación es solo tan buena como su propio modelo” A medida que aumentamos las derivadas de cálculo para el conocimiento de parámetros relacionados con la dinámica del movimiento, es decir, las fuerzas inter-óseas y musculares producidas a nivel de la articulación, incrementa la exigencia en la definición del modelo. Actualmente existen técnicas para poder calcular con más o menos detalle el momento generado por un determinado grupo muscular. La utilización de elementos de apoyo al análisis 3D, a través de la dinámica inversa, como la plataforma de fuerzas o el electromiógrafo, nos facilitará un cálculo más detallado de la dinámica de la articulación. “la precisión de cualquier evaluación es solo tan buena como su propio modelo” (Winter, 1979)

10 Objetivación y representación gráfica del movimiento
visualización volumétrica interactiva Para finalizar este apartado añadir el otro aporte fundamental del análisis 3D al análisis del movimiento: la visualización volumétrica interactiva. Dependiendo del software utilizado dispondremos de modelos gráficos que reproducirán el movimiento estudiado con más o menos suerte plástica. Además en deporte el poder incluir un escenario donde se desenvuelva la acción reproducida es a veces imprescindible para que se cumpla de manera idónea el principal objetivo de esta reproducción: el feedback.

11 Objetivación y representación gráfica del movimiento
visualización volumétrica interactiva

12 Objetivos Biomecánica - 3D
Definición de la técnica más idónea Prevención de lesiones Información inmediata, o no, … depende del tipo de planteamiento Objetivo de la biomecánica y del análisis 3D en el entrenamiento deportivo de alto rendimiento. Los dos objetivos principales de la biomecánica del deporte son: - definir la técnica deportiva más idónea para conseguir el mejor rendimiento del deportista - prevenir la lesión deportiva Una de las herramientas más comunes para alcanzar estas metas son los sistemas de análisis videográfico 3D. Pero, ¿son realmente útiles estos sistemas?, y, aunque el tipo de información pueda llegar a ser muy preciso y explicativo, ¿son prácticos?. El análisis 3D puede aportar casi siempre mucha información, incluso puede llegar a desbordar a entrenadores y biomecánicos con excesiva información, pudiendo incluso su aplicación llegar a ser un problema. La reflexión se dirige en parte hacia los objetivos inmediatos, o no, que queramos conseguir. El análisis científico requiere tiempo y control del protocolo de actuación, aspectos a veces incompatibles con el día a día del entrenamiento de alta competición: los resultados tienen que ser obtenidos en la misma sesión de entrenamiento, si es posible, dejando todo lo que sea post-proceso para una intervención más cercana a la investigación que al propio entrenamiento. cualquier herramienta que utilicemos para entrenar deberá aportar feedback inmediato ¿Significa esto que solamente podemos emplear herramientas de digitalización automática en el análisis 3D? Evidentemente la respuesta es no. Dependiendo del enfoque del proyecto de entrenamiento en el que trabajemos y teniendo en cuenta las limitaciones tecnológicas que tengamos, será más o menos difícil, más o menos eficaz, la obtención de información y su posterior aplicación. A continuación mostraremos dos ejemplos reales de aplicación del sistema de análisis videográfico 3D con los que ejemplarizaremos las ventajas y desventajas.

13 Asistencia Golf Servicio prestado:
análisis de la técnica mediante 3D y vídeo valoración indirecta de la fuerza en la velocidad de golpeo (radar) GOLF Servicio prestado: análisis de la técnica mediante 3D y vídeo valoración indirecta del trabajo de fuerza mediante el cálculo de la velocidad de golpeo (radar)

14 Asistencia Golf Objetivos análisis 3D
Diagnosticar Cinemática del Swing Visualizar de manera inmediata Objetivo del proyecto de análisis 3D: analizar la cinemática y la dinámica de los swings del golfista para modelar la técnica más idónea reproducir tridimensionalmente los swings analizados para su visualización en la propia sesión de entrenamiento

15 Ventajas / desventajas Golf
Permite cinemática Reproducción interactiva 3D inmediata Facilita percepción del gesto Facilita comunicación entrenador-jugador Las ventajas son muy claras permite el cálculo de datos de mecánica permite la reproducción interactiva 3D en un espacio muy corto de tiempo permitiendo además la repetitividad facilita el proceso de interiorización del gesto facilita la comunicación entrenador – deportista

16 Ventajas / desventajas Golf
Marcadores pueden mediatizar Espacio controlado (cubierto) No competición Los principales inconvenientes son: los marcadores necesarios para poder realizar este tipo de análisis pueden mediatizar la realización del gesto el lugar donde se realizará la acción requerirá normalmente de un cierto control del entorno, y normalmente será bajo cubierto #### se utilizarán marcadores externos que pueden ser imprecisos en la determinación indirecta del centro de la articulación. En el caso de los estudios clínicos los marcadores normalmente irán pegados a la piel, hecho que facilitará la precisión #### no pueden utilizarse estos sistemas en competición

17 Asistencia Salto de Altura
Servicio prestado: análisis de la técnica mediante 3D colaboración en el control de la fuerza SALTO DE ALTURA Servicio prestado: - análisis de la técnica mediante 3D - colaboración en el control de la fuerza (Kistler)

18 Asistencia Salto de Altura
Objetivos análisis 3D Diagnosticar Cine/Din 2/3 comp/entren Determinar mejoras Visualizar los saltos 3D Objetivos del proyecto de análisis 3D: - analizar la cinemática y la dinámica del mejor salto de todos los atletas en una competición de pista cubierta. El análisis se centra en los 2 o 3 últimos pasos de carrera - determinar las mejoras a realizar de cara al desarrollo de la técnica en pista al aire libre - reproducir tridimensionalmente los saltos analizados para su posterior visualización con el atleta

19 Ventajas / desventajas Salto de Altura
Permite cine. / din. en competición Reproducción interactiva 3D Obviamente las ventajas principales en este y en todos los análisis del movimiento son que: permite el cálculo cinemático y dinámico de la propia competición permite la reproducción interactiva 3D de cada uno de los saltos

20 Ventajas / desventajas Salto de Altura
Espacio calibración y planos amplios No marcadores + digitalizadores expertos Sistema manual lento Frecuencia muestreo Los principales inconvenientes para el análisis y con respecto a la metodología utilizada son: al ser competición no es posible poner marcadores ni focos especiales a los deportistas el espacio de calibración y los planos de digitalización son relativamente amplios para la obtención de datos precisos el tiempo de procesado, puesto que vamos a utilizar un sistema manual, va a ser largo, luego los resultados de algunos atletas pueden tardar semanas. No es muy útil para el entrenamiento día a día la digitalización manual requiere de personal experimentado además puesto que vamos a utilizar un sistema manual no vamos a utilizar alta frecuencia (aunque normalmente el problema es otro), y no vamos a redundar añadiendo más de dos cámaras, hecho que nos facilitaría el poder visualizar mejor algunos rincones que quedan escondidos

21 Ventajas / desventajas Salto de Altura

22 Ventajas / desventajas Salto de Altura

23 Ventajas / desventajas Salto de Altura

24 Ventajas / desventajas Salto de Altura

25 Ventajas / desventajas Salto de Altura
(Dapena)

26 Conclusiones Principales ventajas Principales inconvenientes
Calidad de información Feedback 3D interactivo Principales inconvenientes Sistemas automáticos no en competición Sistemas manuales son demasiado lentos Hemos podido observar 2 aplicaciones reales llevadas a cabo por el Departamento de Biomecánica del CAR. El alto rendimiento exige inmediatez pero permite también plantear una estrategia de intervención cuando las soluciones del proyecto planteado son de verdad útiles. Resumiendo el capítulo de ventajas de los sistemas de análisis 3D observamos que tanto la calidad de información, como sus representaciones gráficas 3D a modo de feedback son herramientas útiles y necesarias para el desarrollo de programas de entrenamiento modernos y eficaces. En realidad hemos intentado plantear aquí las ventajas y desventajas de cada sistema de análisis videográfico 3D a través de dos aplicaciones en deportes individuales que exigen un alto grado de preparación técnica. Es evidente que si el planteamiento de análisis de la técnica del golf fuera en competición nos encontraríamos exactamente con los mismos problemas que con el salto de altura. Desarrollando el resumen de inconvenientes de cada uno de los sistemas lo que queda claro es que los sistemas automáticos no pueden ser utilizados en competición, y que los sistemas manuales requieren demasiadas horas de procesado para pocos análisis

27 Conclusiones Elliot (errores RMS)
Usando modelo UWA: S. Opto-reflectivo (0.5º) vs S. Video (4.4º) Comparando modelos (S. Video) UWA (4.4º) vs Vector (10.3º) ¿Cuál es el límite de error que podemos asumir en nuestra intervención? Inmediatez y estrategia Elliot Hemos podido observar 2 aplicaciones reales llevadas a cabo por el Departamento de Biomecánica del CAR. El alto rendimiento exige inmediatez pero permite también plantear una estrategia de intervención cuando las soluciones del proyecto planteado son de verdad útiles. Resumiendo el capítulo de ventajas de los sistemas de análisis 3D observamos que tanto la calidad de información, como sus representaciones gráficas 3D a modo de feedback son herramientas útiles y necesarias para el desarrollo de programas de entrenamiento modernos y eficaces. En realidad hemos intentado plantear aquí las ventajas y desventajas de cada sistema de análisis videográfico 3D a través de dos aplicaciones en deportes individuales que exigen un alto grado de preparación técnica. Es evidente que si el planteamiento de análisis de la técnica del golf fuera en competición nos encontraríamos exactamente con los mismos problemas que con el salto de altura. Desarrollando el resumen de inconvenientes de cada uno de los sistemas lo que queda claro es que los sistemas automáticos no pueden ser utilizados en competición, y que los sistemas manuales requieren demasiadas horas de procesado para pocos análisis

28 Bibliografía Allard, P; Stokes, I; Blanchi J.P (1995) “Three-Dimensional Analysis of Human Movement”. Human Kinetics Knudson, D. (1999). Using sport science to observe & correct tennis strokes. Internet: Coaching Information Service, Winter, D (1979) “Biomechanics of Human Movement”. John Wiley & Sons, Inc.