Popis pohybu

Co je pohyb a proč ho zkoumáme

Pohyb můžeme definovat velice jednoduše jako změnu polohy (pozice) v čase. Tato jednotlivá definice v sobě různorodé jevy: padající jablko ze stromu, Měsíc na obloze, tekoucí voda z kohoutku, vrzající dveře - všechny se pohybují. I dýchání je spojeno s pohybem vzduchu a dokonce i když vzduch neproudí jeho jednotlivé molekuly se rychle pohybují. Můžeme tedy říct, že jsme součástí vesmíru v pohybu. Krása mechaniky je v tom, že všechny tyto pohyby můžeme ve své podstatě popsat pomoci stejných principů.

V biomechanice se samotné studium pohybu označuje jako analýza pohybu.

Protože je biomechanika vědou kvantitativní, snažíme se nejen popsat pohyb pomocí čísel a grafu ale predevším porozumět co pohyb způsobuje. Analýza pohybu našla uplatnění v mnoha disciplinách.

• Medicína:

  • Diagnostika: Pomáhá při diagnostice pohybových poruch, neurologických onemocnění a ortopedických problémů.

  • Rehabilitace: Umožňuje sledovat průběh rehabilitace a vyhodnocovat její účinnost.

  • Protetika: Používá se při návrhu a optimalizaci protéz a ortéz.

• Sport:

  • Zlepšení výkonu: Analýza pohybu umožňuje identifikovat nedostatky ve sportovní technice a navrhnout zlepšení.

  • Prevence zranění: Pomáhá odhalit pohybové vzorce, které mohou vést ke zranění.

  • Vývoj vybavení: Výsledky analýzy se využívají při vývoji sportovního vybavení a oděvů.

• Ergonomie:

  • Návrh pracovních míst: Pomáhá optimalizovat pracovní prostředí a nástroje, aby se snížilo riziko úrazů a zvýšila efektivita práce.

  • Návrh produktů: Používá se při návrhu produktů, jako jsou nábytek nebo automobilové sedačky, aby co nejlépe vyhovovaly potřebám uživatelů.

• Biomechanika:

  • Základní výzkum: Pro pochopení principů lidského pohybu a interakce s okolním prostředím.

  • Vývoj modelů: Vytváření matematických modelů lidského pohybu pro simulační účely.

• Animace a virtuální realita:

  • Vytváření realistických pohybů postav v počítačových hrách, filmech a simulacích.

Analýza pohybu v biomechanice

Rané začátky

• Pravěk: První pokusy o analýzu pohybu můžeme najít již v pravěku, kdy lidé pozorovali pohyb zvířat a snažili se napodobit jejich dovednosti při lovu.

• Starověk a středověk: Aristoteles se ve svém díle “O pohybu zvířat” zabýval studiem pohybu a jeho příčinami. Leonardo da Vinci zase prováděl podrobná anatomická studia a vytvořil mnoho kreseb zobrazujících lidské tělo v pohybu.

19. století: Fotografie a chronofotografie

• Eadweard Muybridge: Tento anglický fotograf je považován za průkopníka analýzy pohybu. Jeho sériové fotografie koně v pohybu, pořízené v roce 1878, byly průlomové a ukázaly, že kůň ve fázi cvalu zvedá všechna čtyři kopyta od země současně.

• Étienne-Jules Marey: Francouzský fyziolog a fotograf, který se zaměřil na studium pohybu zvířat a lidí pomocí chronofotografie. Vytvořil speciální kamery, které umožňovaly zaznamenat rychlé pohyby.

20. století: Rozvoj filmové technologie a biomechaniky

• Vynález filmu: S příchodem filmu se otevřely nové možnosti pro studium pohybu. Filmové záběry umožnily detailnější analýzu pohybových vzorců.

• Rotoskopie: Technika, při které se animátoři inspirovali živými záběry, aby vytvořili realistické pohyby animovaných postav. Zároveň bylo možné analyzovat pohyb v jednotlivých políčkách filmu.

• Vývoj vysokorychlostních kamer: Umožnily zaznamenat velmi rychlé pohyby, jako například pohyb sportovců.

Metody záznamu pohybu ve filmu

• 1878: Anglický fotograf Eadweard Muybridge vytvořil sérii fotografií známých jako “Kůň v pohybu”. Tyto snímky pohybu koně v rychlém sledu byly prvními příklady chronofotografie, která se ukázala jako důležitá součást vývoje filmu.

• 1915: Americký animátor Max Fleischer, který později vytvořil kreslené filmy s Betty Boop, vynalezl rotoskopii. Tato animační technika byla použita k přidání realismu pohybu postav pomocí živých záběrů, které se překreslovaly.

• 1939: Ve filmu “Sněhurka a sedm trpaslíků” od studia Walt Disneyho byla poprvé použita rotoskopie.

• 1959: Americký animátor Lee Harrison III vytvořil tělový oblek vybavený nastavitelnými rezistory (potenciometry), které mu umožnily zaznamenávat a animovat pohyby herců. První příklad snímání pohybu v reálném čase.

• 80. léta 20. století: Animátoři používali velké kamery k natáčení herců v tělových oblecích opatřených aktivními markery.

• 1999: Ve filmu “Star Wars: Epizoda I - Skrytá hrozba” se objevila první plně počítačem generovaná vedlejší postava ve filmu - Jar Jar Binks, hraný Ahmedem Bestem.

• 2002: Ve filmu “Pán prstenů: Dvě věže” byla použita technologie snímání pohybu v podobě, jak ji známe dnes. Andy Serkis jako Glum nosil na sobě oblek pro snímání pohybu, přičemž speciální kamery zaznamenávaly jeho pohyby a mimiku.

• 2004: Film “Polar Express” režiséra Roberta Zemeckise se stal jedním z prvních významných filmů, který byl natočen výhradně pomocí technologie snímání pohybu.

• 2009: Kanadský filmař James Cameronův “Avatar” využívá nový systém virtuální kamery, který posouvá snímání pohybu ve filmu na novou úroveň.

Metody záznamu pohybu

Záznam pohybu se označuje jako MOCAP (motion capture)

Stroboskopie

Jedna z prvních metod měření pohybu je využitím stroboskopu (např. blesku s touto funkcí) a fotoaparátu. Na fotografii zachytíme polohu v několika okamžicích a při známé frekvenci záblesků po kalibraci délky (např. vyfotografováním pravítka) měříme vzdálenosti, které člověk urazil mezi záblesky. Výhodou je, že můžeme zaznamenávat komplexní pohyb a polohu určovat jen z vhodné části pohybu. Nevýhodou naopak je to, že musíme pracovat ve tmě a před tmavým pozadím. Alternativou k použití blesku je použití rotujícího disku. Po otevření závěrky rotuje před objektivem disk se štěrbinami. Filmové políčko je tak přerušovaně osvětlováno jednotlivými záblesky, čímž jsou zaznamenávány jednotlivé mikrofáze pohybu.

Optické systémy

• Princip: Používají kamery pro snímání viditelného nebo infračerveného světla od markerů umístěných na těle.

• Typy:

  • Pasivní markery: Markery odrážejí světlo z infračervených světelných zdrojů.

  • Aktivní markery: Markery emitují vlastní světlo.

• Výhody: Vysoká přesnost, možnost snímání celého těla, široké využití.

• Nevýhody: Vyžaduje kalibraci, může být ovlivněno okolním světlem.

Magnetické systémy

• Princip: Používají magnetické senzory k detekci polohy markerů ve vytvořeném magnetické poli.

• Výhody: Nezávislé na okolním světle, vysoká přesnost.

• Nevýhody: Omezený dosah, mohou být ovlivněny kovovými předměty.

Inerciální měřicí jednotky (IMU)

• Princip: Používají akcelerometry a gyroskopy pro měření zrychlení a úhlové rychlosti segmentů těla.

• Výhody: Kompaktní, mobilní, mohou být integrovány do oblečení.

• Nevýhody: Hromadění chyb při delším měření, citlivost na šum.

Snímání pomocí kamery a počítačového vidění

• Princip: Používá se kamera pro snímání pohybu bez markerů, například pomocí rozpoznávání klíčových bodů na těle (např. klouby, ramena).

• Výhody: Není potřeba speciální vybavení, snadné použití.

• Nevýhody: Méně přesné než systémy s markery, závisí na kvalitě obrazu a osvětlení.

Srovnání metod

Metoda	Výhody	Nevýhody
Optické systémy	Vysoká přesnost, široké využití	Vyžaduje kalibraci, ovlivněno okolním světlem
Magnetické systémy	Nezávislé na světle, vysoká přesnost	Omezený dosah, ovlivněno kovovými předměty
IMU	Kompaktní, mobilní	Hromadění chyb, citlivost na šum
Kamera a počítačové vidění	Snadné použití, žádné markery	Méně přesné, závisí na kvalitě obrazu