User: Guest  Login
Document type:
Masterarbeit 
Author(s):
Hannes Frühschütz 
Title:
Evaluation of Markerless Tracking for Kinematics in Tennis 
Translated title:
Evaluierung von markerlesosem Tracking für kinematische Parameter im Tennis 
Abstract:
INTRODUCTION: To test and analyze the kinematics of elite athletes in their natural training or competition environment represents one of the most interesting and biggest challenges of sport science nowadays. The state of the art for motion analysis in this field is marker tracking based on a video image or infrared (stereophotogrammetry). Besides the known problems of tissue artifact, displacement of markers, and alteration of motion patterns caused by markers, the laboratory measurement enviro...    »
 
Translated abstract:
EINLEITUNG: Die kinematische Analyse von Profi-Sportlern in ihren gewohnten Trainings- oder Wettkampfumgebung stellt heutzutage die größte und gleichzeitig interessanteste Herausforderung der Sportwissenschaft dar. Marker-basiertes Tracking mittels Videobild oder Infrarot ist derzeit die gängige Methode der Wahl im Bereich der Bewegungsanalysen. Neben den bekannten Problemen dieser Messtechnik wie Weichteilbewegung, Positionierungsfehler beim Anbringen der Marker und veränderte Bewegungsmuster durch die angebrachten Marker, widerspricht diese „Labormethode“ den Anforderungen einer biomechanischen Analyse im Training oder Wettkampf. Hierfür bietet sich markerloses Tracking basierend auf Video als potentielle Methode an, um Bewegungsanalysen schneller und einfacher in einer für den Athleten vertrauten Umgebung ausführen zu können. Da diese Messtechnik neu für die Anwendung im Sport ist, ist eine Evaluierung bezüglich der Messgenauigkeit notwendig. Bisher gibt es nur wenige wissenschaftliche Arbeiten, die sich Entwicklung und Umsetzung von Silhouetten-basiertem Tracking im Bereich der Ganganalysen auseinandersetzen, eine generelle Evaluierung von dieser Trackingmethode, die alle relevanten kinematischen Parameter berücksichtigt, existiert nicht. Ziel dieser Arbeit war es folglich, die Genauigkeit der Trackingsoftware Simi Shape gegenüber dem bisherigen Goldstandard „Marker-basiertes Tracking“ zu bewerten. METHODE: Als Grundlage für die Genauigkeitsbewertung von Silhouetten-basiertem und hybridem Tracking gegenüber Marker-basiertem Tracking wurden mit acht Highspeed-Kameras (Simi Motion Reality Systems, Unterschleißheim, Deutschland) vier Grundlinienschläge im Tennis (Aufschlag, Vorhand, einhändige / beidhändige Rückhand) aufgenommen. Diese Aufnahmen konnten gleichzeitig für alle drei Trackingmethoden verwendet werden. Für das Marker-basierte Tracking wurden 46 reflektierenden Marker verwendet. Für die hybride Trackingmethode wurden die 3D-Koordinaten von insgesamt zwölf Markern verwendet, die am Oberkörper angebracht waren. Hieraus ergaben sich insgesamt 1640 Datenpaare aus den vier Bewegungen für statistische Auswertung. Hierbei wurden der empirische Korrelationskoeffizient r und die Standardabweichung der Differenzen SD_Diff für die Parameter Gelenkwinkel (JAng), Position Gelenkszentrum (JC) und Position Segmentschwerpunkt (SegCOG) miteinander verglichen. Darüber hinaus diente die Steigung der Regressionsgeraden a_1 zur Überprüfung der Datengleichheit im Falle eines starken linearen Zusammenhangs. ERGEBNISSE: Die kinematischen Parameter SegCOG und JC erreichten eine sehr hohe Übereinstimmung in den Trackingergebnissen für Silhouetten- basiertes sowie für hybrides Tracking. Die Standardabweichung der Differenzen bezüglich aller berücksichtigter Segmente / Gelenke betrug für die SegCOG SD_Diff = 27mm und für die JC SD_Diff = 29mm. Hybrides Tracking verkleinert diese Streuung der Differenzen auf SD_Diff = 19mm für die SegCOG und SD_Diff = 17mm für die JC für die berücksichtigten Segmente / Gelenke des Oberkörpers und der oberen Extremitäten. Das Tracking der Gelenkwinkel ergab einen sehr starken linearen Zusammenhang zwischen Daten für Bewegung in der Sagittaleben des Sprung-, Knie- und Schultergelenks bei den Grundschlägen und für Bewegungen des Schultergelenks in der Frontalebene. Die SD_Diff variierte für jedes Gelenk des Oberkörpers innerhalb der verschiedenen Schläge, ein konstanter Wert unterhalb der definierten Grenzen von 10° ergab sich hierfür nicht. Nur Bewegungen des Sprung- und Kniegelenks in der Sagittaleben wurden konstant mit SD_Diff < 10° erfasst. Darüber hinaus erfüllten nur die Knie Flexion / Extension sowie die Schulter Abduktion / Adduktion alle erforderlichen Bedingung für eine sehr gute Übereinstimmung der Trackingergebnisse. Hybrides Tracking verbesserte die Trackinggenauigkeit für die Flexion / Extension des Ellenbogens sowie des nicht-dominanten Schultergelenks in allen vier Schlägen. Darüber hinaus verbesserte sich der lineare Zusammenhang (r) zwischen den Daten für die alle Bewegungsrichtungen des Schultergelenks. DISKUSSION: Die Verwendung von Marker-basiertem Tracking als Referenzmethode ist aufgrund der bekannten Probleme und Ungenauigkeiten fraglich. Folglich ist eine klare Zuordnung von Abweichungen zwischen den Daten zu einer der beiden Trackingmethode nicht möglich. Darüber hinaus ist auch eine klare Trennung zwischen Fehler, entstanden durch die Trackingmethode, und Fehler, entstanden durch die unterschiedlichen Körpermodelle zur Berechnung der kinematischen Parameter ebenfalls nicht gegeben. Aus dem Blickwinkel der angewandten Sportwissenschaft unterstreichen die dargestellten Ergebnisse den Einsatz dieser zeitsparenden Technologie. Basierende auf der sehr guten Trackinggenauigkeit der Position von Gelenkszentren sowie der Segmentschwerpunkten können alle wissenschaftlichen Fragestellungen bezüglich der Körperhaltung sowie der Bewegung von (Teil-)Segmenten (Bewegungsumfang und Timing) uneingeschränkt beantwortet werden. Jedoch sollten für die Analyse von genauen Gelenkwinkel, aufgeteilt auf die drei definierten Körperebenen, zusätzliche Rotationsinformationen im Zuge eines hybriden Trackings verwendet werden. Darüber hinaus sollte eine zusätzliche Evaluierung durchgeführt werden, welche nicht Marker-basiertes Tracking, aufgrund dessen bekannten Fehlerquellen, als Referenzmethode einbezieht. 
Keywords:
markerless tracking, silhouette, motion analysis, kinematics, tennis 
Subject:
SPO Sport 
DDC:
790 Sport, Spiele, Unterhaltung 
Advisor:
Spitzenpfeil, Peter (Dr.) 
Year:
2017 
Pages:
VI, 96 S. 
Language:
en 
Language from translation:
de 
University:
Technische Universität München 
Faculty:
Fakultät für Sport- und Gesundheitswissenschaft