2D Videoanalyse

Dein Job als Biomechaniker ist es, Bewegungen zu quantifizieren und zu analysieren. Dabei ist es in erster Linie egal, ob du Trainer oder Wissenschaftler bist. Eine einfache, aber sehr effektive Möglichkeit dafür ist die 2D Videoanalyse. Diese kannst du bei jeder Art von Bewegung anwenden, die sich in einer Ebene abspielt. Zum Beispiel: Laufen, Weitsprung, Radfahren, Speerwurf, turnerische Elemente, Turmspringen u.v.m. Demzufolge sind Bewegungen, die sich in mehreren Ebenen abspielen (wie z.B. Tanzen oder Hochsprung) ungeeignet und müssen dreidimensional analysiert werden.

Für eine wissenschaftliche 2D Videoanalyse benötigst du lediglich fünf Dinge: Kamera, Speichermedium, Kalibrationsrahmen, Marker und einen PC mit einer Analysesoftware.

Bei der Wahl einer Videokamera für biomechanische Analysen solltest du auf folgende Dinge achten:

• 1.   Ausreichende Bildqualität
• 2.   Ausreichende Framerate (Aufnahmefrequenz)
• 3.   Manueller Fokus
• 4.   Manuelle Verschlusszeiten
• 5.   Manuelle Blende
• 6.   Größtmögliche Brennweite
• 7.  Dateien im .raw Format ohne Videokompression zu speichern
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Durch die technischen Fortschritte der letzten Jahre besitzt heute so gut wie jeder durch sein Smartphone eine Kamera, welche über eine mehr als ausreichende Bildqualität verfügt. Betrachtet man jedoch die Framerate, so stoßen Handykameras die standardmäßig mit 30-60Hz aufnehmen teilweise schon an ihre Grenzen. Denn je schneller die Bewegung, desto höher sollte auch die Aufnahmefrequenz sein. Eine Faustformel hierzu hat Nyquist aufgestellt:

f(Aufnahme) > 2 * f(Signal)

Daher solltest du dir vorher genau überlegen, was du bei deiner Bewegung analysieren möchtest und dir demnach eine Kamera mit ausreichender Framerate anschaffen. Allerdings brauchst du nicht für jede Bewegung ein high-speed Gerät mit einer Aufnahmefrequenz von 2000Hz. Diese sind sehr teuer, die Aufnahmen verbrauchen viel Speicherplatz und die Nachbearbeitung beansprucht deutlich mehr Zeit.

Für die meisten biomechanischen Analysen sind kurze Verschlusszeiten nötig, denn ansonsten verwischt das Bild bei schnellen Bewegungen. Dies führt zu Komplikationen in der Nachbearbeitung. Doch auch hier gilt es die optimalen Einstellungen für die individuelle Untersuchung zu finden. Denn: je kürzer die Belichtung des Sensors, desto dunkler wird das Bild. Folglich könnte auch eine zu kurze Verschlusszeit zu Komplikationen in der Nachbearbeitung führen. Sollte dies der Fall sein, so kannst du entweder die Blende weiterstellen oder auf die Möglichkeit von künstlichen Lichtquellen zurückgreifen.

Zu guter Letzt solltest du die größtmögliche Brennweite wählen. Dies ist die Distanz zwischen Linse und Sensor und kann durch die Wahl des Objektivs beeinflusst werden. Eine hohe Brennweite verhindert Perspektivverschiebungen am Rand des Bildes, wie Du es sicherlich von Weitwinkelkameras wie der GoPro kennst. Solche Verschiebungen beeinflussen die Analyse des Bildes und die abgeleiteten Parameter enorm. Allerdings wird die Brennweite dadurch eingeschränkt, dass sie einen Zoomfaktor mit sich bringt. Das heißt, je größer die Brennweite, desto größer muss auch der Abstand zwischen Kamera und Proband sein, sodass die gesamte Bewegung erfasst werden kann. Daher wird die Größe der Brennweite häufig vom Raum, in dem die Analyse durchgeführt wird, begrenzt.

Positioniere die Kamera richtig.

Bei dem Standard der 2D Videoanalyse bleibt die Kamera an einer Position und der Proband bewegt sich durch das Bild. Dadurch lassen sich die Bewegungsparameter des Probanden nach der Kalibrierung (siehe weiter unten) relativ zu einem externen Bezugssystem leicht bestimmen. Allerdings gibt es auch besondere Arten der Videoanalyse, bei denen sich die Kamera bewegt. Dies kann bei längeren Bewegungsabfolgen, wie z.B. beim Sprint, eingesetzt werden, um den gesamten Verlauf abzubilden. Je nach Bewegung der Kamera relativ zum äußeren Bezugssystem (rotierend oder translatorisch), müssen für diese Bewegung mathematische Korrekturen vorgenommen werden, wenn Du genaue zweidimensionale Koordinaten erhalten willst.

Außerdem solltest Du die optische Achse der Kamera rechtwinklig zur Bewegungsebene ausrichten. Alle Bewegungen, die sich in einer Ebene parallel zum Bildsensor der Kamera unterliegen in der Digitalisierungsphase keinem perspektivischen Fehler. Allerdings ist keine menschliche Bewegung wirklich planar. Daher solltest du dir vorher klar machen, welcher Aspekt der Aktivität von primärem Interesse ist und in welcher Ebene dies geschieht. Die Kamera kann dann entsprechend positioniert werden. Eine Referenzaufnahme eines Rechtwinkligen Dreiecks kann Dir dabei helfen, die richtige Positionierung der Kamera zu finden. Leider können schon wenige Grad in der Kameraausrichtung große Einflüsse auf die Genauigkeit der Analyse haben.

Die Kamera solltest Du deshalb so weit wie möglich vom Athleten entfernt aufstellen. Dadurch wird der perspektivische Fehler reduziert, der durch Bewegungen außerhalb der Aufführungsebene entsteht. Mit einem Teleobjektiv, welches eine große Brennweite hat, kannst du dennoch deinen gewünschten Bildausschnitt aufnehmen. Allerdings solltest Du nur auf einen optischen Zoom zurückgreifen. Wählst Du hingegen einen digitalen Zoom (wie es deine Smartphone Kamera macht), so verringert sich die Bildqualität. Die ideale Bildgröße wird durch die zu analysierende Bewegung bestimmt. Stelle sicher, dass die ganze Bewegung abgedeckt wird, aber verschwende keine Bildfläche!

Wähle die richtigen Kameraeinstellungen.

Die verwendete Framerate durch die Frequenz der zu analysierenden Bewegung bestimmt. Eine Faustformel hierzu hat Nyquist aufgestellt: Die Abtastfrequenz (Framrate) muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste in der Aktivität selbst vorhandene Frequenz. In Wirklichkeit sollte die Bildfrequenz allerdings deutlich höher sein als diese (wir schlagen 8-10 mal höher vor). Eine ausreichend hohe Bildfrequenz stellt sicher, dass Schlüsselereignisse einer Leistung (z.B. Fußaufsatz beim Laufen oder Ballaufprall beim Tennisaufschlag) aufgezeichnet werden. Eine Erhöhung der Bildfrequenz dient auch dazu, die Genauigkeit der zeitlichen Messungen zu verbessern. Dies ist besonders wichtig, wenn die Phasen von kurzer Dauer sind. Hier ein paar Beispielfrequenzen:

• 25-50 Hz - Gehen, Schwimmen, Treppensteigen.
• 50-100 Hz - Laufen, Kugelstoßen, Hochsprung.
• 100-200 Hz - Sprinten, Speerwerfen, Fußballkick.
• 200-500 Hz - Tennisaufschlag, Golfschwung, Parade im Fechten.
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Bei den meisten Aktivitäten bewegen sich die entferntesten Körpersegmente, also die Hände und Füße, am schnellsten. Die Verschlusszeit sollte so gewählt werden, dass selbst diese Segmente nicht verwischt aufgezeichnet werden. Deshalb hängt die Wahl Verschlusszeit ebenfalls von der Art der Bewegung ab. Bei langsamen Aktivitäten, wie z.B. im Gehen, sollten Verschlusszeiten von 1/150-1/250 Sekunden ausreichend sein. Für etwas schnellere Bewegungen, wie z.B. Laufen oder einem Schwimmstart, sind Verschlusszeiten von 1/350-1/750 Sekunden besser geeignet. Sehr schnelle Aktivitäten wie ein Baseballschlag sollten mit Verschlusszeiten von 1/1000 Sekunden oder schneller aufgezeichnet werden. Du solltest allerdings beachten, dass eine Erhöhung der Verschlusszeit immer mit einer Verschlechterung der Belichtung einhergeht. Sollten die gegebenen Lichtverhältnisse nicht mehr ausreichen, so musst Du für mehr künstliches Licht sorgen.

Weiterhin sollte die Kamera in den meisten Fällen in den manuellen Fokusmodus versetzt werden. Für ein gut fokussiertes Bild zoomst Du ein Objekt in der Bewegungsebene vollständig heran, fokussierst manuell und zoomst auf das gewünschte Sichtfeld heraus.

Bei der Kalibrierung geht es darum, die Bildkoordinaten nach der Digitalisierung in Raumkoordinaten (also Koordinaten der realen Welt) zu transformieren. Dafür benötigst du ein skaliertes Objekt, dessen Höhe und Breite Du genau kennst. Dieses musst Du in der Bewegungsebene mit deiner fertig eingestellten Kamera aufnehmen. Um den Fehler bei der Skalierung zu minimieren, solltest Du die Abmessungen des Skalierungsobjektes so wählen, dass sie einen großen Anteil des Sichtfeldes einnehmen.

Nach der Aufnahme des Objektes kannst du die sogenannte fraktionale lineare Transformation (FLT) anwenden, um den Umrechnungsfaktor  zu bestimmen:

S = reale Länge / digitale Länge [m/px]

x = S * u

y = S * v 

Bei manchen Setups ist es nicht immer möglich, die optische Achse der Kamera rechtwinklig zur Bewegungsebene auszurichten, z.B. bei Analysen bei Wettkämpfen. Dies kann mit Hilfe der sogenannten zweidimensionalen direkten linearen Transformation (2D-DLT) korrigiert werden. Dadurch können nachweislich signifikant genauere Rekonstruktion zweidimensionaler Koordinatendaten erreicht werden (Brewin und Kerwin, 2003).

Wichtig ist, dass der Athlet Kleidung trägt, welche Dir bei deiner Analyse ermöglicht, die relevanten anatomischen Orientierungspunkte zu erkennen. Zusätzlich dazu können kleine Marker auf der Haut des Probanden helfen, diese Körperstellen während der Digitalisierung zu lokalisieren. Dabei sollte die Positionierung der Marker gut durchdacht sein!

Durch die Bewegung des Weichgewebes relativ zum Skelett, kann es bei Aktivität zu Verschiebungen zwischen Hautmarker und anatomischen Orientierungspunkt kommen.

Die Anzahl der aufgezeichneten Versuche hängt vom Zweck der Analyse und dem Level der Teilnehmer ab. Da die Bewegungsmuster von geübten Athleten wahrscheinlich deutlich konsistenter sind als die von Unerfahrenen, müssen sie möglicherweise weniger Versuche durchführen, um eine typische Leistung zu demonstrieren. Je mehr Probanden und einzelne Versuche Du aufnimmst, desto wichtiger wird es, dass Du den Überblick behältst. Manchmal kann es hilfreich sein, wenn Du direkt vor der jeweiligen Aufnahme einen Zettel, eine Tafel o.Ä. mit der entsprechenden Probanden- und Versuchsnummer aufnimmst.

Und zum Schluss das Wichtigste, um Zeit und Nerven zu sparen: Sieh zu, dass niemand anderes Deine Kamera berührt oder die Einstellungen ändert! Ansonsten darfst Du wieder von vorne beginnen 😉

Um Deine Aufnahmen zu analysieren musst Du diese zunächst digitalisieren. Das heißt, Du markierst in jedem Frame die anatomischen Orientierungspunkte und speicherst deren Bildkoordinaten. Mit Hilfe der oben beschriebenen FLT kannst Du nun die Bildkoordinaten in zweidimensionale Raumkoordinaten umrechnen.

Anhand der gewählten anatomischen Landmarken kannst du nun ein Model, das heißt eine starke Vereinfachung, des Körpers erstellen. Bei biomechanischen Modellen wird der menschliche Körper meistens in feste, unbewegliche Körpersegmente eingeteilt, welche mit Gelenken verbunden sind. Durch die im Bild gesetzten Markierungen und die entsprechende Kalibrierung kann nun mit Hilfe der Framerate berechnet werden, an welchem Ort sich welches Körpersegment zu welchem Zeitpunkt befindet und in welchem Winkel es zu den anderen Segmenten steht. Zusätzlich zu den gesetzten Markierungen solltest du noch das Körpergewicht deines Probanden kennen. Durch Anwendung eines Körpermodells (z.B. nach Winter, 1991) wird nämlich jedem Segment ein empirisch bestimmter Anteil der Gesamtkörpermasse und weitere Eigenschaften, wie Massenschwerpunkte und Trägheitsmomente zugeschrieben. Dadurch kann eine ganze Bandbreite an Parametern berechnet werden:

Kinematik:

• 1.   Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von einzelnen Segmenten oder des Körperschwerpunkts
• 2.   Gelenkwinkel, Segmentwinkel, Winkelgeschwindigkeit und -beschleunigung
• 3.   Bodenkontaktzeiten
• …
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Kinetik (inverse Dynamik):

• 1.   Impuls, kinetische- und potenzielle Energie
• 2.   Drehmomente und intern auftretende Kräfte
• …
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Das klingt alles nach sehr viel Rechnerei – wäre es auch! Aber zum Glück leben wir im technologischen Zeitalter und müssen diese Berechnungen nicht einzeln durchführen. Es gibt einige kostenlose Programme, die für die zweidimensionale Bewegungsanalyse programmiert wurden, wie SkillSpector oder Kinovea.

Anhand von einem Weitsprungvideo zeigen wir dir exemplarisch, wie du eine 2D Videoanalyse durchführen kannst.