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BIOMECANIQUE ET CONTROLE MOTEUR EN NATATION COURSEApplication des nouvelles techniques de calibration de caméra à l’analyse

cinématique en natation et identification des coordinations motrices lors decinématique en natation et identification des coordinations motrices lors de phases sous-marines de départs chez des nageurs de haut niveau.

Thèse de doctorat présentée par :Marc Elipot

Ergonomie, Comportement et Interactions – LAMA (EA 4070)Département Recherche de la Fédération Française de Natation

JURYP. Lacouture (Professeur) Rapporteur Université de PoitiersJ P Vilas Boas (Professeur) Rapporteur Université de PortoJ-P. Vilas-Boas (Professeur) Rapporteur Université de PortoD. Chollet (Professeur) Examinateur Université de RouenG. Dietrich (MCF-HDR) Directeur Université Paris DescartesN. Houel (Docteur) Co-directeur Fédération Française de Natation

CADRE GENERAL

Contraintes associées à l’étude de la motricité en natation

Né ité d é d til d’ l i é ti d té- Nécessité de créer des outils d’analyse cinématique adaptés

- Evaluation et optimisation des habiletés motrices des nageurs de haut niveau

PARTIE 1: Comparaison d’algorithmes de calibration en situations aérienne et sous marinePARTIE 1: Comparaison d algorithmes de calibration en situations aérienne et sous-marine.

PARTIE 2: Analyse cinématique des phases sous-marines des départs plongés chez des nageurs de haut niveau et identification des coordinations motricesniveau et identification des coordinations motrices.

PARTIE 3: Contribution au développement d’une nouvelle méthode d’analyse de la performance et des t té i it ti é ll d étitistratégies en situation réelles de compétition.

« Dans notre pensée, la science doit de plus en plus éclairer les méthodes empiriques d’éducation »Georges Demenÿ, Mécanisme et éducation des mouvements, 1904.

PREMIERE PARTIE

Calibration de caméras en conditions aérienne et sous-marine

Etude 1 : Comparaison de méthodes de calibration de caméra pour l’analyseEtude 1 : Comparaison de méthodes de calibration de caméra pour l analyse tridimensionnelle du mouvement en conditions aérienne et sous-marine

Publications associées:Publications associées:

Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (2009). Reconstruction accuracy for visual calibration method. In : Proceedingsof the XVIIth International Symposium on biomechanics in sports (pp 600 603) Limerick Irlande : University of Limerick

Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (soumis). Comparison of DLT and double plane DLT versus Visual Calibration procedure in aerial and underwater conditions. Journal of Biomechanics.

of the XVIIth International Symposium on biomechanics in sports (pp. 600-603). Limerick, Irlande : University of Limerick.

Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (2008). Comparaison de méthode de calibration de caméra pourl’analyse du mouvement en conditions sous-marines. In : Actes des 4ème journées spécialisées de natation(pp.127-128). Lille, France : Université Lille 2 – Faculté des sciences du sport et de l’éducation physique.

Partie 1 Etude 1INTRODUCTION

R é t ti d’ é t éReprésentation d’une caméra et conséquences

• Double projection centrale des rayons lumineux et condition de colinéarité

• Relation entre les coordonnées métriques et pixels définie par au minimum deux types d’approches (Zhang, 1999)yp pp ( g, )

– les approches photogrammétriques : expression des paramètres de calibration sous une forme implicite (DLT, DLT double plan, MDLT, NLT, ILSSC)(Abdel-Aziz et Karara, 1971; Drenk et al., 1999; Hinrichs et McLean, 1995; Borghese et al., 1997)

– les approches d’auto-calibration et d’auto-calibration partielle : expression des paramètres de calibration sous une forme explicite (distance focale en u et v, position p p ( pdu point principal en u et v, indice d’orthogonalité des pixels)(Dapena, 1982; Tsai, 1987; Weng, 1992; Bouguet, 1999 ; Zhang, 1999; Svodoba et al., 2005)


Calibrations photogrammétriquesCalibrations photogrammétriques

DLT DLT DPdirect linear transformation direct linear transformation double plan

(Abdel-Aziz et Karara,1971) (Drenk et al., 1999)Mire 1 :

(X Y Z )Mire 1 a :(X Z )

Mire 1 b :

Caméra 1

(X1, Y1, Z1)

y

zCaméra 1 O

yz

(X1a, Z1a)(X1b, Z1b)

Ox

y Caméra 1 Ox

Plan 2(Y )

Caméra 2 Caméra 2

Plan 1(YP1)

(YP2)

Calibration précise notamment en conditions aériennes (Wood et Marshall, 1986; Hatze, 1988; Gourgoulis et al., 2008)

Calibration reposant sur l’utilisation de structures


Auto calibrations partiellesAuto-calibrations partiellesVC

Visual calibration(Bouguet,1999; Zhang, 1999)

Etape 1: calibration de la caméra -estimation des paramètres internes

Etape 2: calibration de l’espace - estimation des paramètres externesestimation des paramètres internes

yz

des paramètres externes

Ox

Plan de calibration à 133 intersections Objet à 5 mires de calibrationPlan de calibration à 133 intersections Objet à 5 mires de calibration

Pas de structure de calibrationCalibration peu utilisée pour l’étude du mouvementPrécision de calibration inconnue

Partie 1 Etude 1PROBLEMATIQUE

Estimer et comparer les erreurs de reconstruction associées à l’utilisation des méthodes DLT, DLT dp, et VCp

Conditions aérienne et sous-marine

Conditions avec et sans extrapolationConditions avec et sans extrapolation

Partie 1 Etude 1METHODE

77 m

1 m 1 m

1 m1 m

yz

1 m

O xO

xy z

69 mires 24 mires × 2 plans


Calibration des caméras Calibration de l’espaceEtape 1: Etape 2:

7 m

- Calibration indépendante des caméras

- Présentation du plan de calibration sous différentes orientations (11 images)

- Déplacement d’un « T » de calibration (5 mires)

- Espace calibré: 2×1×1 mdifférentes orientations (11 images) p

Partie 1 Etude 1RESULTATS

Comparaison des erreurs de reconstruction pour les différentes méthodes

86

Position

Eau

Comparaison des erreurs de reconstruction pour les différentes méthodes

Errance

) (cm

) 7

6

5

(moyenne)Position

(maximum)Distance

(moyenne)Erreurs

maximales reur de reconsitio

n et

dis

t

54

Distance(maximum)

Angle(moyenne)

Anglenstruction (antruct

ion

(pos

4

3

3Angle

(maximum)

AirPosition

(moyenne)ngle) (°)

ur d

e re

cons

2

2

1

Position(maximum)

(moyenne)

Distance(moyenne)

Erreurs moyennes

Erre

u

DLT DLT DP VC

1

00

Distance

Angle

Angle

(maximum)

(moyenne)

DLT DLT DP VC

Méthode de calibration(maximum)


Effet du niveau d’extrapolation sur l’erreur de reconstruction en

3,50

Effet du niveau d’extrapolation sur l’erreur de reconstruction en condition aérienne (position)

3,00

3,25s

2,50

2,75

ruct

ion

(cm

)

DLT

DLT d

2,00

2,25

r de

reco

nstr DLT dp

VC

1,50

1,75Erre

ur

1,00

1,25

Niveau d’extrapolation

10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 %

s: significatif


Effet du niveau d’extrapolation sur l’erreur de reconstruction enEffet du niveau d’extrapolation sur l’erreur de reconstruction en condition sous-marine (position)

45

s40

35) s

s

30

25truct

ion

(cm

)

DLTs

s

25

20

ur d

e re

cons

t

DLT dp

VCs

s

15

10

Erre

u

s

s

5

010 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 %

Niveau d’extrapolation

10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 %

s: significatif

Partie 1 Etude 1DISCUSSION

Comparaison des conditions aériennes et sous marines

• Erreurs supérieures en conditions sous-marines:

Comparaison des conditions aériennes et sous-marines

– En concordance avec ce qui avait été trouvé pour la DLT– Permet de généraliser ces résultats pour les algorithmes DLTdp et VC

Effet de la loi de Snell-Descartes (relative à la réfraction des rayons lumineux lors d’un changement du milieu) sur la condition de colinéarité

Caméra

LentillePlan de projection

image Interface des milieux

Projection de l’objet

Objet (sans changement de

Objet’(avec changement de

milieu)

(sans changement de milieu)


C i d l ithComparaison des algorithmes

• DLT double plan: présente les erreurs de reconstruction globalement les plus faibles tant en conditions aérienne que sous-marinep q

• VC + objet: présente des erreurs de reconstructions similaires à celles j pobtenues pour la DLT et légèrement supérieures à celles de la DLT double plan

présente un avantage par rapport à la DLT en conditions sousprésente un avantage par rapport à la DLT en conditions sous-marines et avec extrapolation

SECONDE PARTIE

Analyse biomécanique de la phase sous-marine d’un départ plongé chez des nageurs de haut niveauplongé chez des nageurs de haut niveau

Etude 2 : Efficacité mécanique des nageurs haut niveau lors de la phase sous-marine d’un départ plongé

P bli ti iéPublications associées:Elipot, M., Dietrich, G., Hellard, P., Houel, N. (2010). High-level swimmers kinetic efficiency during the underwater phase of a grab start. Journal of applied biomechanics, 26(4)


Mécanismes de propulsion sous marineMécanismes de propulsion sous-marine

Figure adaptéd’Arellano et al., 2008

Mouvements ondulatoires Vortex de Karman

Conditions nécessaires

Sé i d t d K i é Série de vortex de Karman non inversé (résistif) (adaptée d’Arellano, 2008)

Série de vortex de Karman inversé (propulsif) (adaptée d’Arellano, 2008)


Efficacité propulsive du nageur

• Efficacité propulsive jamais mesuréeVit il d’ ffi ité i t 1 9 t 2 2 1

Efficacité propulsive du nageur

• Vitesse-seuil d’efficacité comprise entre 1,9 et 2,2 m.s-1 (Lyttle et al., 2000)

• Impact sur l’instant optimal d’initiation des mouvements ondulatoires (Blanksby et al., 1996)

Hypothèse

avec :1. Phase de glisse sous-marine2. Perte éventuelle de vitesse3 Propulsion sous marine avec les membres inférieurs3. Propulsion sous-marine avec les membres inférieurs

a) Situation pour laquelle les mouvements propulsifs sous-marins sont initiés à l’instant optimal.b) Situation pour laquelle les mouvements propulsifs sous-marins sont initiés de façon tardivec) Situation pour laquelle les mouvements propulsifs sous-marins sont initiés de façon précoce.


• Des nageurs de haut niveau profitent-ils au maximum de la phase de glisse lors d’un départ?

• Les mouvements ondulatoires sont-ils débutés au bon moment?

• Existe-t-il réellement un effet de l’instant d’initiation des mouvements ondulatoires sur l’efficacité propulsive du nageur?

• Quelles sont les éventuelles origines de cette relation?


Sujets et consignes

• 8 nageurs de niveau national et international• Réalisation de grab start les plus performants possibles:

2 conditions:2 conditions:– Départ sans mouvement ondulatoire (aller le plus loin possible sans mouvement

propulsif)– Départ «type compétiton » avec mouvements ondulatoiresépa ype co pé o avec ouve e s o du a o es

Meilleures performancesTaille (m)

Masse (kg)

p

50 m nage libre (s)

50 m nage libre (% record du monde)

100 m nage libre (s)

100 m nage libre (% record du monde)

Moyenne 1,85 78,8 24,13 115,38 51,77 110,37

Ecart type 0,05 4,66 1,34 6,4 1,77 3,77


Protocole expérimental

x

z

yO

Barres de calibration

xy

Caméra 4Caméra 1

Caméra 3

Caméra 2

(Placées derrière les hublots de la piscine)

(Dans un caisson étanche)


V i bl ét diéVariables étudiées

• Estimation de la vitesse instantanée du centre de masse

• Estimation des angles d’attaque du tronc, de la cuisse, de la jambe et du pied (passage dans un référentiel de Fresney) (Anderson et al., 1998)

• Estimation du nombre de Strouhal (Anderson et al., 1998; Arellano, 2008)

• Estimation des énergies cinétiques globales, de gesticulation et externes (Duboy et al., 1994)


P éd t ti tiProcédures statistiques

• Comparaison inter-condition (avec versus sans ondulations) des énergies ainsi que des vitesses à des instants spécifiques:

ANOVA à une voie pour mesures répétées(instants spécifiques: T0, Tini, Tini+0,5m, Tini+1m, Tini+1,5m, Tini+2m, Tini+2,5m, Tini+3m)

• Relation instantanée entre la vitesse et les énergies cinétiques:Relation instantanée entre la vitesse et les énergies cinétiques:Fonction d’intercorrélation

• Relation vitesse moyenne intracycle et nombre de Strouhal:Corrélation de Pearson

Niveau de significativité fixé à 95%


Décalage entre l’instant optimal pour initier les mouvements ondulatoires et l’instant auquel ils sont réellement commencés

• Initiation moyenne des mouvements ondulatoires 1,69 m trop tôt

• Initiation précoce observée chez tous les nageurs étudiés

Distance optimale à partir de laquelle les ondulations doivent être

déb é ( )

Distance réelle à partir de laquelle les ondulations sont

déb é ( )Décalage (m)

débutées (m) débutées (m)

Moyenne 5,78 4,09 -1,69

Ecart type 0,56 0,53 0,75


Comparaison des énergies Comparaison de l’énergie Comparaison des vitessesComparaison des énergies globale et de gesticulation (J)

p gexterne (J)

Comparaison des vitesses (m.s-1)

6

5

7

102 ) 5

6

3

3,5

(×10

4 )

se

5

4

3

2 rgie

ext

erne

(×1

4

3

2

2,5

2Vite

sse

obal

e et

inte

rne

Vite

ss

Avec: Départ sans ondulation Départ avec ondulations

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

1

0

Distance après immersion totale (m) Distance après immersion totale (m)

Ener

1

00 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Distance après immersion totale (m)

1,5

10 0,5 1 1,5 2 2,5 3En

ergi

es g

lo

Avec: Départ sans ondulation Départ avec ondulations

E i l b l t i t 0 5 è i i t t l• Energies globale et interne: 0,5 m après immersion totale, départ sans ondulation < départ avec ondulations

• Energie e terne et itesse: j sq ’à 2 5 m après immersion totale• Energie externe et vitesse: jusqu’à 2,5 m après immersion totale,départ sans ondulation = départ avec ondulation

3 m après immersion totale, départ sans ondulation < départ avec ondulations


Mouvements réalisés à des vitesses

supérieures à 2 m.s-1

Relation entre l’énergie mécanique globale et la

vitesse(intercorrélation)

Minorité de relations

(intercorrélation)

Fonction n’ayant

significatives

Fonction n ayant aucun pic significatif

Fonction ayant au minimum un pic significatif

Mouvements réalisés à des vitesses

1 un pic significatifinférieures à 2 m.s-1

Majorité de relations

significatives


Nombre de Strouhal

Corrélation entre le nombre de Strouhal et la vitesse moyenne du centre de masse

Nombre de Strouhal

Mouvement ondulatoires réalisés à des vitesses supérieures à 2 m.s-1

Mouvements ondulatoires réalisés à des vitesses inférieures à 2 m.s-1

Coefficient de corrélation simpleCoefficient de corrélation simple de Pearson (r)

0,45 -0,78 (s)

s: significatif

Comparaison des nombres de Strouhal obtenus respectivement pour les mouvements ondulatoires réalisés à vitesse supérieures et inférieures à 2 m.s-1

Mouvements ondulatoires réalisés à des vitesses supérieures à 2 m.s-1

Mouvements ondulatoires réalisés à des vitesses inférieures à 2 m.s-1

Moyenne 0 91 0 76Nombre de

Strouhal

Moyenne 0,91 0,76Ecart type 0,16 0,11

Comparaison F = 4,36 (s)

s: significatifg


Effi ité l iEfficacité propulsive

• Les nageurs commencent leur mouvements ondulatoires trop tôt

• Pendant 70% de la phase sous-marine les mouvements produits sont inefficaces (vitesses faibles et énergies de gesticulation importantes)

L’énergie dépensée est dissipéeg p p

l lComment expliquer ces résultats?

Contrôle des vortex de Karman?


• Vitesses supérieures à 2 m.s-1: NStrouhal ≈ 0,90

Variation d’énergie mécanique n’entraîne pas de modification de la vitesse de déplacementp

Vitesse moyenne non corrélée au nombre de Strouhal

• Vitesses inférieures à 2 m.s-1: NStrouhal ≈ 0,70

Inversion des résultats

Pour des angles d’attaque similaires, inversion des vortex de Karman pour un nombre de Strouhal limite égal à 0,7 (Hover et al., 2004)

Différence entre les mouvements ondulatoires produits à des vitesses inférieures et supérieures à 2 m.s-1 possiblement due à l’inversion des vortex de Karman p p

(mouvements résistifs versus propulsifs)

SECONDE PARTIE

Analyse biomécanique de la phase sous-marine d’un départ plongé chez des nageurs de haut niveauplongé chez des nageurs de haut niveau

Etude 3 : Coordinations motrices lors des phases sous marines des départsEtude 3 : Coordinations motrices lors des phases sous-marines des départs plongés chez des nageurs de haut niveau

Publications associées:Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (soumis). High level swimmers’ motor coordination during the underwater leg propulsionphase of a start. Journal of sports sciences.

’Houel, N., Elipot, M., Andree, F., Hellard, P. (soumis). Influence of angles of attack, frequency and kick amplitude on swimmer’s horizontalvelocity during underwater phase of a grab start. Journal of applied biomechanics.

Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (2010). Motor coordination during the underwater undulatory swimming phase ofthe start for high level swimmers. In: Proceedings of the XIth International Symposium on Biomechanics and Medicine inS i i ( 72 74) O l N è

Elipot, M., Houel, N., Hellard, P., Dietrich, G. (2009). Coordination articulaires lors de la phase de propulsion sous-marined’un grab start chez des nageurs de haut niveau. In : Journées thématiques de la société de biomécanique : La machinehumaine au regard de la performance sportive (pp. 103-109). Poitier, France : Université de Poitier.

Swimming (pp. 72-74). Oslo, Norvège.


Synergies motrices

Définition et concepts:

Synergies motrices

Babinski (1899): « association de mouvements visant à réaliser correctement une tâche motrice »

Bernstein (1967): Notions de degrés de liberté, redondance motrice et simplification du contrôle moteur

Bernstein (1967), MacPherson (1991): Production d’une commande motrice commune

Nashner (1977), MacPherson (1991), Horak et MacPherson (1995): Origines et f i d iformation des synergies (répertoires précablés, apprentissage, adaptation instantanée)


C t i t t i l d h i d dé tContraintes motrices lors des phases sous-marines des départs

• Phase de glisse:Dualité de la tâche motrice:

– Composante posturale (maintien d’une position profilée)

– Composante locomotrice (réorientation du corps après l’entrée dans l’eau)

• Phase de propulsion:– Augmentation des forces propulsives

– Diminution des résistances hydrodynamiques


Contrôle moteur lors des phases sous marines d’un départContrôle moteur lors des phases sous-marines d un départ

• Phase de glisse:

– Extension maximale du corps (réduction de la force de traînée) (Lyttle et al., 1999; Marinho et al 2009)Marinho et al., 2009)

– Maintien d’une position profilée (Maglischo, 2003)

• Phase de propulsion:

– Importance de l’angle du genou (Arellano et al 2003)– Importance de l angle du genou (Arellano et al., 2003)

– Chronologie segmentaire: hanche, puis genou, et enfin cheville (connaissances d’ordre empirique)


Connaissances relatives à l’organisation motrice extrêmement limitées tant pour la phase de glisse que pour la phase de propulsion

Phase de glisse:1 C t t t ôlé l t t l t l t i ?1- Comment sont contrôlées les composantes posturale et locomotrice?

2- Comment s’articulent ces deux composantes l’une par rapport à l’autre?

Phase de propulsion:1- Quelles synergies motrices sont mises en place pour résoudre les conflits associés à

cette phase (amplitude-fréquence, réduction des résistances hydrodynamiques-augmentation des forces propulsives)?

2- L’inefficacité observée pour des mouvements ondulatoires devrait être accompagnée d’une modification des coordinations motrices inadaptées


Sujets et consignes

• 16 nageurs de niveau national et international (12 hommes et 4 femmes)

• Réalisation de grab start les plus rapides possibles:2 conditions:2 conditions:– Départ sans mouvement ondulatoire (aller le plus loin possible sans mouvement

propulsif) (8 sujets)

– Départ « type compétition » avec mouvements ondulatoires (16 sujets)épa ype co pé o avec ouve e s o du a o es ( 6 suje s)

T ill M Niveau de performance (épreuves de nage libre)Taille (m)

Masse(kg)

Niveau de performance (épreuves de nage libre)

50 m (s) 50 m (%) 100 m (s) 100 m (%)

Homme Moyenne 1,83 76,1 24,39 116,47 52,26 111,4

(n = 12) Ecart type 4,89 5,18 1,26 6,02 1,68 3,57

Femme(n = 4)

Moyenne 1,67 57,25 27,79 117,1 59,65 114,56

Ecart type 3 3 86 1 57 6 62 2 37 4 56( ) Ecart type 3 3,86 1,57 6,62 2,37 4,56


Protocole expérimental

x

z

yO

Barres de calibration

xy

Caméra 4Caméra 1

Caméra 3

Caméra 2

(Placées derrière les hublots de la piscine)

(Dans un caisson étanche)


Variables calculéesVariables calculées

• Positions et vitesses des repères anatomiques sélectionnés (extrémités des orteils, malléole externe, centre du genou, crête de l’épine iliaque, acromion, extrémité des doigts, poignet, coude, tête, masse)

• Angles articulaires de l’épaule du bassin du genou chevilleAngles articulaires de l épaule, du bassin, du genou, cheville

A l d’ d d l i d l j b d i d• Angles d’attaque du tronc, de la cuisse, de la jambe, du pied (passage dans un référentiel de Fresney)


Identification des coordinations motricesIdentification des coordinations motrices

• Synergies:

Analyses en composantes principales appliquées aux angles articulaires

• Quantification des relations inter-articulaires:

Fonctions d’intercorrélation appliquées à l’étude des relations existant les variables:

Résultante 2D de la vitesse du centre de masse– Résultante 2D de la vitesse du centre de masse– Angles articulaires mesurés au niveau de la hanche, du genou et de la cheville– Angles d’attaque segmentaire mesurés au niveau du tronc, de la cuisse, de la jambe et du pied– Positions verticales de la hanche, du genou, de la cheville et des orteils (pilonnement)g (p )

Niveau de significativité: 95%

Partie 2 Etude 3aRESULTATS

PHASE DE GLISSEAnalyses en composantes principales

85 Valeurs propresComposante

1Composante

2Composante

3Composante

4

Sujet 1 3,08 0,89 0,03 0,0002

80

75

70

p p

Sujet 2 3,10 0,55 0,33 0,02

Sujet 3 2,49 0,91 0,58 0,03

Sujet 4 2,07 0,80 0,60 0,537

Composante 1

Composante 2

65

60

55

50xpliq

uée

Sujet 5 2,43 1,01 0,12 0,02

Sujet 6 3,42 0,51 0,07 0,001

Sujet 7 2,25 0,95 0,63 0,006

Composante 3

Composante 4

50

45

40

35de v

aria

nce

ex

Sujet 8 3,31 0,49 0,15 0,0535

30

25

20

%

1 seule composante15

10

5

1 seule composante

1 2 3 4 5 6 7 8 Sujet

0


PHASE DE GLISSEAnalyses en composantes principales

0,90

lles

,9

0,850,800,75

0,700,65 Composante

nées

fact

orie

l 0,65

0,600,550,50

0,450 40

1

Composante 2

Composante 3

Coo

rdon

n 0,40

0,350,30

0,250,20

0 1

Composante 4

0,150,100,05

0

Ci é ti ti l iEpaule Hanche Genou Cheville

Classement de toutes les cinématiques articulaires au sein de la iè t

Cinématique articulaire

première composante


PHASE DE GLISSEFonctions d’intercorrélation

Angle épaule – Angle hanche

réla

tion

0 5

1

réla

tion

0 5

1

réla

tion

0 5

1Angle genou – Angle cheville Angle épaule – Angle d’attaque tronc

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4él i ( )

-0,5

Coe

ffic

ient

de

corr

0

0,5

-1

Coe

ffic

ient

de

corr

0

0,5

-1

-0,5

Coe

ffic

ient

de

corr

0

0,5

-1

-0,5

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4él i ( )

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4él i ( )

, , , ,Délai (s)

de c

orré

latio

n

0

0,5

1

de c

orré

latio

n

0

0,5

1

, , , ,Délai (s)

, , , ,Délai (s)

Angle hanche – Angle d’attaque tronc Angle hanche – Angle d’attaque cuisse

Coe

ffic

ient

d 0

-1

-0,5C

oeff

icie

nt d 0

-1

-0,5

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

Délai (s)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4Délai (s)

ent d

e co

rrél

atio

n

0

0,5

1

-0 5 ient

de

corr

élat

ion

0

0,5

1

-0 5 cien

t de

corr

élat

ion

0

0,5

1

-0,5

Angle genou – Angle d’attaque jambe Angle cheville – Angle d’attaque jambe Angle cheville – Angle d’attaque pied

Coe

ffic

ie

-1

0,5

Coe

ffic

i

-1

0,5

Coe

ffic

-1

0,5

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4Délai (s)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4Délai (s)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4Délai (s)

Courbe de tendance générale

Partie 2 Etude 3aDISCUSSION

PHASE DE GLISSE

Schéma général

Coordination motrice

?

?Action épaule - hanche Action genou - cheville

Contrôle de l’angle d’attaque du tronc

Contrôle des angles d’attaque de la jambe et

de la chevilleContrôle de

l’angle d’attaque

?

g qde la cuisse

?


PHASE DE GLISSESchéma général

?

?Action épaule - hanche


Action genou - cheville 1. : perturbation entraînant une augmentation de la flexion de l’épaule2.a : action de l’épaule sur la hanche – Diminution de l’extension de la hanche



de la chevilleContrôle de l’angle d’attaque de la cuisse

?

? p2.b : action de l’épaule sur l’angle d’attaque du tronc – Augmentation3. : action de la hanche sur l’angle d’attaque du tronc - Diminution

Perturbation

1.

Diminution de 2.aAction de l’épaule

Augmentation de

Action de la hanche

Diminution de l’extension

2.b 3.

la flexion l’extension

Augmentation Diminution

Angle d’attaque d t

3.

du troncMinimisationComposante posturale


PHASE DE GLISSESchéma général

?

?Action épaule - hanche


Action genou - cheville 1. : flexion initiale du genou à l’entrée dans l’eau – diminution progressive de cette flexion2.a : action du genou sur la cheville – augmentation de la flexion de la cheville



de la chevilleContrôle de l’angle d’attaque de la cuisse

?

? g g f2.b : action du genou sur l’angle d’attaque de la jambe - augmentation3.a : action de la cheville sur l’angle d’attaque de la jambe – augmentation3.b : action de la cheville sur l’angle d’attaque du pied - augmentation3.b : action de la cheville sur l angle d attaque du pied augmentation

1.

Flexion initiale

Action du genou

Diminution de la flexion

Action de la cheville

Augmentation de la flexion

2.a

flexion flexion

2.b 3.a 3 b

Angle d’attaque de la jambe

Angle d’attaque du pied

2.b 3.a 3.b

Augmentation Augmentation Augmentation

Augmentation AugmentationComposante locomotrice

Partie 2 Etude 3bRESULTATS

PHASE DE PROPULSIONAnalyses en composantes principales

Composante 1 Composante 2 Composante 3

Valeurs propres75

Composante 1 Composante 2 Composante 3

Sujet 1 1,92 1 0,18Sujet 2 1,81 1 0,19

Sujet 3 1,99 0,97 0,14

Sujet 4 1 86 1 12 0 02

70

65

60Sujet 4 1,86 1,12 0,02

Sujet 5 1,96 0,86 0,18

Sujet 6 1,53 1 0,47

Sujet 7 1,88 0,99 0,13

Sujet 8 1 2 0 99 0 61

Composante 1

Composante quée

55

50

45Sujet 8 1,2 0,99 0,61

Sujet 9 1,93 0,99 0,09

Sujet 10 2 0,96 0,07

Sujet 11 1,79 0,94 0,28

Sujet 12 1 92 0 99 0 09

2

Composante 3

varia

nce

expl

iq

40

35

30 Sujet 12 1,92 0,99 0,09

Sujet 13 2,16 0,86 0,08

Sujet 14 1,81 0,97 0,22

Sujet 15 1,96 0,97 0,17

S jet 16 1 84 0 97 0 19

% d

e v 30

25

20

15 Sujet 16 1,84 0,97 0,19Moyenne 1,85 0,97 0,19Ecart type 0,22 0,06 0,15

15

10

5

0

2 composantes1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Sujet

0


PHASE DE PROPULSION

0 95

Analyses en composantes principaleses

0,95

0,90

0,850,80

0,75

Composante 1

es fa

ctor

ielle 0,70

0,65

0,60

0,550,50

Composante 2

Composante 3

Coo

rdon

née ,

0,45

0,40

0,350,30

0 20,25

0,20

0,150,10

0,05

C 1 h h h ill

Cinématiques articulairesHanche Genou Cheville

0

Composante 1: hanche et chevilleComposante 2: genou


PHASE DE PROPULSIONF ti d’i t él tiFonctions d’intercorrélation (vitesse)

V2D – Angle hanche V2D – Angle genou V2D – Angle cheville1

0,5

V2D – Angle genou V2D – Angle cheville1

0,5

V2D – Angle hancheor

réla

tion

orré

latio

n

orré

latio

n 1

0,5

0

-0,5

-1

0

-0,5

-1

Coe

ffic

ient

de

c

Coe

ffic

ient

de

c

Coe

ffic

ient

de

c

0

-0,5

-1

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

1

Délai (s) Délai (s)

1

Délai (s)-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

V2D – Angle d’attaque cuisse V2D – Angle d’attaque jambe

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

V2D – Angle d’attaque tronc1

0,5

orré

latio

n

réla

tion

réla

tion 1

0,5

1

0,5

0,5

0

-0,5

0,5

0

-0,5

0

-0,5

1

Coe

ffic

ient

de

co

Coe

ffic

ient

de

corr

Coe

ffic

ient

de

corr ,

0

-0,5

1

0

-0,5

1

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-1

1

-1-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

Délai (s)

V2D – Pilonnement genou

Délai (s)

V2D – Pilonnement hanche

Délai (s)

V2D – Pilonnement cheville

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-1 -1

1

0,5

1

0,5réla

tion

réla

tion

réla

tion 1

0,5

-1

0,5

0

-0,5

,

0

-0,5

,

0

-0,5

Coe

ffic

ient

de

corr

Coe

ffic

ient

de

corr

Coe

ffic

ient

de

corr

0

-0,5

1

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

0,5

-1 Délai (s) Délai (s) Délai (s)-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

-1 -1 -1-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4

Ondulations réalisées à des vitesses supérieures à 2 m.s-1

Ondulations réalisées à des vitesses inférieures à 2 m.s-1


PHASE DE PROPULSIONFonctions d’intercorrélation (autre)

Ang hanche – Ang attaque tronc Ang hanche – Ang attaque cuisse Ang genou – Ang attaque cuisse1

0,5

0

1

0,5

0

1

0,5

0

Profondeur genou – Ang attaque cuisse Profondeur genou – Ang attaque cuisse Profondeur genou – Ang hanche

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4

0

-0,5-1

0

-0,5-1

0

-0,5-1

1

Délai (s) Délai (s) Délai (s)

Profondeur genou Ang attaque cuisse Profondeur genou Ang attaque cuisse Profondeur genou Ang hanche1

0,5

0

-0,5-1

1

0,5

0

-0,51

1

0,5

0

-0,51

Ang hanche – Ang attaque jambe Ang genou – Ang attaque jambe Profondeur cheville – Ang hanche Profondeur cheville – Ang genou

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,41-1-1

1

0,5

1

0,5

1

0,5

1

0,5

Délai (s)Délai (s)Délai (s)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4

0

-0,5-1

0

-0,5-1

0

-0,5-1

0

-0,5-1

Délai (s) Délai (s) Délai (s)Profondeur orteil – Ang hanche Profondeur orteil – Ang genou Profondeur orteil – Ang cheville

1

0,5

0

-0,5

1

0,5

0

-0,5

1

0,5

0

-0,5

Délai (s)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,4-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

0,5-1

0,5-1

0,5-1

Délai (s)Délai (s)Délai (s)

Ondulations réalisées à des vitesses supérieures à 2 m.s-1

Ondulations réalisées à des vitesses inférieures à 2 m.s-1

Courbe de tendance générale

Partie 2 Etude 3b

PHASE DE PROPULSION

DISCUSSION

Contrôle du mouvement ondulatoire sous-marin

Action commune hanche-cheville

32 ms

43 ms38 ms57 ms46 ms

32 ms

Pilonnement des orteils

Pilonnement de la cheville

Angle d’attaque de la jambe

Angle d’attaque du tronc

Angle d’attaque de la cuisse

22 ms15 ms 38 ms

Action du genou

24 ms

Profondeur du genou

1 msDouble boucle de régulation

Partie 2 Etude 3b

PHASE DE PROPULSION

DISCUSSION

Effet de la vitesse sur les coordinations motrices

Malgré l’aspect flexible des coordinations motrices (MacPherson, 1991; Horak et MacPherson,

1995; Massion, 1997; Latash, 2008), absence d’ajustement de ces coordinations

Pourquoi?

1- Interprétation mécanique (Brenière, 2001)

2- Apport de la théorie dynamique (Haken, 1983; Newell, 1986; Turvey, 2007)

Apparition d’un nouveau comportement faisant appel d’ t d lité t id’autres modalités motrices

Perte importante d’efficacité

Partie 2 Etude 3b

PHASE DE PROPULSION

CONCLUSION

1- Les mouvements ondulatoires ne peuvent être simplement causés par l’action d’une simple articulation

2- Le mouvement ondulatoire sous-marin est organisé autour d’une boucle de régulation

3- Contrôle des angles d’attaque segmentaires

4- Incapacité à adapter ses coordinations motrices à des vitesses de déplacements trop importantesdéplacements trop importantes

TROISIEME PARTIE

Contribution au projet Cinalysis

Etudes 4 et 5 : Validation du projet Cinalysis (laboratoire et in situ)Etudes 4 et 5 : Validation du projet Cinalysis (laboratoire et in situ)

Publications associées:

Elipot, M, Dietrich, G., Hellard, P., Houel, N. (soumis). A new method to measure swimmers kinematics parameters during real eventand using moving cameras. Journal of Applied Biomechanics.

Elipot, M, Dietrich, G., Hellard, P., Houel, N. (2010). Cinalysis: A new software for swimming races analysis. Procedia Engineering, 8th

Conference of the International Sports Engineering Association (ISEA), 2, 3467.Elipot, M, (2008). Finaliste du “Concours Sportivez-bien”. Projet: “Cinalysis”.

Partie 3 Etudes 4 et 5INTRODUCTION

Objectifs du projetObjectifs du projet

A l 2D

Fournir des informations quantitatives précises

- Analyse 2D

- Caméra mobile

- Placement dans les tribunesImages FFN

- Rapidité de l’analyseg

www.ffnatation.fr

Méthode de calibration pour une caméra en mouvement

Méthode de suivi automatique d’un point du nageur

Partie 3 Etudes 4 et 5INTRODUCTION

Principe FondamentauxPrincipe Fondamentaux

• Estimation des paramètres internes de la caméra (méthode VC)

• Estimation des paramètres externes initiaux de la caméra (utilisation des coordonnées métriques des lignes d’eau)

• Estimation du mouvement de la caméra (Weng et al., 1989; Zhang, 1997)

• Ajustement des paramètres externes en fonction du mouvementAjustement des paramètres externes en fonction du mouvement


• Effet de l’estimation du mouvement de caméra sur l’erreur de reconstruction

• L’erreur est-elle incrémentée au fur et à mesure des déplacements?


Paramètres internes Paramètres externesParamètres internes Paramètres externes

et : Mires utilisées pour le calcul du mouvement de la caméra (n = 12): Mires utilisées pour le calcul de l’erreur de reconstruction (n = 6): Mires utilisées pour le calcul des paramètres externes (n = 6)

p ( )

- 100 déplacements- Estimation des erreurs de reconstruction relatives aux positions, distances et

angles (Kwon et Fiaud, 2002; Colloud et al., 2008)


22

20

24

22

14

13

Erreur de reconstruction relative aux positions

Erreur de reconstruction relative aux distances

Erreur de reconstruction relative aux angles

20

18

16

14

22

20

18

16

13

12

11

10

9ctio

n (c

m)

ctio

n (c

m)

ctio

n (°

)

12

10

8

14

12

10

8

8

7

6

5ur d

e re

cons

truc

ur d

e re

cons

truc

ur d

e re

cons

truc

6

4

2

8

6

4

2

4

3

2

1

Erre

u

Erre

u

Erre

u

0 40 80 120 160 200 240280 320 360 400440 480 520560 600 640680 720 760 800

Temps (ms) Temps (ms) Temps (ms)

0 0

Avec: Erreur maximale Erreur moyenne

40 80 120 160 200 240280 320 360 400440 480 520560 600 640680 720 760 800 40 80 120 160 200 240280 320 360 400440 480 520560 600 640680 720 760 800

Augmentation linéaire de l’erreur de reconstructionAugmentation linéaire de l erreur de reconstruction


• Comment corriger cette dérive de l’erreur de reconstruction associéeComment corriger cette dérive de l erreur de reconstruction associée aux erreurs relatives à l’estimation du mouvement de la caméra

• Effet de l’ajout d’un modèle géométrique simple (bouchons des lignes d’eau) (Dickmanns et Graefe 1988)lignes d eau) (Dickmanns et Graefe, 1988)

Oy

Mire n(xn + di, 250)

x


- 4 caméras mini-DV filmant chacune 1 couloir- 4 caméras mini-DV filmant chacune 1 couloir- Placées à 5 m et 7,5 m du sol- Estimation de l’erreur de reconstruction relative aux positions, aux distances et aux angles (Kwon et Fiaud 2002; Colloud et al 2008)(Kwon et Fiaud, 2002; Colloud et al., 2008)

- Estimation de l’erreur sur un déplacement permettant de filmer 25 m


E d i l i E d i l i E d i l i

6

3

3,5

1,8

26

Erreur de reconstruction relative aux postions (cm)

Erreur de reconstruction relative aux distances (cm)

Erreur de reconstruction relative aux angles (°)

3,5

3

2

1,8

4

5

xe

2

2,5

xe

1,2

1,4

1,6

xe

5

42,5

2

1,6

1,4

1,2

stru

ctio

n (c

m)

stru

ctio

n (c

m)

stru

ctio

n (°

)

2

3

Titre de l'ax

Série1

Série2

1

1,5

Titre de l'ax

Série1

Série2

0,6

0,8

1

Titre de l'ax

Série1

Série2

3

2

1,5

1

1

0,8

0,6

rreu

r de

reco

ns

rreu

r de

reco

ns

rreu

r de

reco

ns

0

1

1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 301

0

0,5

1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 3010

0,2

0,4

1 21 41 61 81 101 121 141 161 181 201 221 241 261 281 3010,04 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 10,4 11,2 12

1

0

0,5

0

0,4

0,2

0

Er Er Er

0,04 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 10,4 11,2 12 0,04 0,8 1,6 2,4 3,2 4 4,8 5,6 6,4 7,2 8 8,8 9,6 10,4 11,2 12

Titre de l'axe Titre de l'axe Titre de l'axeTemps (s) Temps (s) Temps (s)

Erreur de reconstruction relative aux positions, aux distances et aux angles faibles et stables

Partie 3 Etude 5CONCLUSION

- Utilisé seul, l’algorithme d’estimation du mouvement de la caméra entraîne uneaugmentation linéaire de l’erreur de reconstruction images après images

- L’ajout d’un modèle géométrique simple à cet algorithme permet d’obtenir desdonnées cinématiques fiables et précises

CONCLUSION GENERALE

• Caractéristiques de la performance de haut niveau: faible dispersion des résultats

• Nécessité absolue de posséder des outils d’analyse offrant des niveaux de précision inférieurs à la dispersion interindividuelleprécision inférieurs à la dispersion interindividuelle

• Interaction des connaissances issues de la biomécanique et du contrôle tmoteur

BIOMECANIQUE ET CONTROLE MOTEUR EN NATATION COURSEApplication des nouvelles techniques de calibration de caméra à l’analyse

cinématique en natation et identification des coordinations motrices lors decinématique en natation et identification des coordinations motrices lors de phases sous-marines de départs chez des nageurs de haut niveau.

Thèse de doctorat présentée par :Marc Elipot

Ergonomie, Comportement et Interactions – LAMA (EA 4070)Département Recherche de la Fédération Française de Natation

JURYP. Lacouture (Professeur) Rapporteur Université de PoitiersJ P Vilas Boas (Professeur) Rapporteur Université de PortoJ-P. Vilas-Boas (Professeur) Rapporteur Université de PortoD. Chollet (Professeur) Examinateur Université de RouenG. Dietrich (MCF-HDR) Directeur Université Paris DescartesN. Houel (Docteur) Co-directeur Fédération Française de Natation

biomecanique et controle moteur en …marc.elipot.free.fr/téléchargement doc/thèse -...

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