L'analisi dell'attività sportiva attraverso strumenti informatici
L'analisi dell'attività sportiva attraverso strumenti informatici
La rappresentazione computerizzata dei movimenti sportivi
Possiamo considerare l'anglismo ormai universale del termine 'sport' come un sinonimo di "corpo umano in movimento regolato" con o senza attrezzi e macchine. Sicché la rappresentazione dell'attività sportiva, essenzialmente, significa rendere l'immagine di un corpo umano in movimento con o senza attrezzi (dalle racchette alle mazze alle palle, dai pattini agli sci al bob) e che utilizza eventualmente macchine da trasporto come biciclette, motociclette, automobili, aeroplani ecc. In questo modo, la rappresentazione dello sport sposta il suo compito primario dalla coerenza del significato dell'azione rappresentata ‒ che è ovvio in quanto immediatamente evidente ‒ alla logica meccanica dell'ottica geometrica che 'traduce' la percezione sensoriale del movimento del corpo e/o degli attrezzi e delle macchine. Una simile operazione di traduzione rappresentativa viene fatta utilizzando le conoscenze della fisica matematica classica ‒ statica, dinamica, cinematica ‒ e della geometria proiettiva, nonché usufruendo di riprese fotografiche e cinematografiche, che vengono trasferite su uno schermo di computer. E quindi il movimento del corpo e delle macchine va osservato e ripensato in termini geometrici; infatti, solo con una progettazione geometrico-matematica è possibile realizzare una rappresentazione computerizzata dei movimenti del nostro corpo e delle nostre macchine.
Dunque, è indispensabile tanto tenere conto della percezione visiva del movimento quanto della resa grafica cinetica di tale percezione, considerando che il nostro occhio non funziona né come una macchina fotografica né come una telecamera, dato che non è provvisto né di otturatore né di raggio elettronico per 'congelare' l'immagine, ossia per 'arrestare' il continuo flusso luminoso che costituisce il materiale della nostra visione. Sappiamo, inoltre, che il nostro occhio distingue senza sforzo gli oggetti in movimento da quelli immobili, trasformando così il flusso ottico in un mondo del tutto strutturato di singoli oggetti definiti. Del resto uno sport come il tennis, per es., dimostra chiaramente quanto sia raffinata la nostra capacità di stabilire visualmente la posizione spazio-temporale precisa di un oggetto in rapido movimento. E se è pur vero che i recettori della retina hanno la funzione di ricevere i fotoni incidenti, tuttavia, al contrario di ciò che avviene per la pellicola fotografica, il segnale viene poi interpretato mediante la modulazione dei cambiamenti nel flusso luminoso. Il risultato di questa complessa funzione visiva a livello di coscienza è la percezione del movimento dell'oggetto nello spazio visuale. L'occhio è dunque fondamentalmente uno strumento adatto ad analizzare i cambiamenti che il flusso di luce subisce nel tempo, piuttosto che uno strumento per registrare immagini statiche.
La percezione visiva del movimento concerne sia la visione di oggetti mobili da parte di un osservatore immobile sia la visione di oggetti fissi da parte di un osservatore in movimento. C'è da dire che il flusso di immagini ottiche sull'obiettivo della macchina fotografica corrisponde al flusso ottico che colpisce la retina durante la locomozione; ossia, dal punto di vista geometrico non fa differenza. Sappiamo, comunque, che quanto nel flusso ottico consegue alla locomozione rappresenta una trasformazione prospettica continua. Difatti, durante la locomozione le componenti dell'ambiente visuale umano sono interpretate come strutture rigide in movimento relativo, le une rispetto alle altre. In questo modo il mondo viene percepito come un'entità stazionaria e l'osservatore come una unità in movimento. Perciò la geometria che presiede alla decifrazione degli stimoli visivi è di tipo relativo e simile alla geometria proiettiva. In accordo con tale geometria dal flusso ottico globale vengono astratte serie di invarianze relative o trasformazioni prospettiche. Come risultato si ottengono sistemi gerarchici di diverse componenti che vengono percepite sotto forma di trasformazioni prospettiche sia generali sia le une relativamente alle altre.
Insomma, possiamo ritenere che tendiamo a percepire gli oggetti come entità sotto forme euclidee costanti, che si muovono in moto rigido in un mondo tridimensionale. Sicché si rivela utile operare una distinzione metodologica tra imitazione e rappresentazione. Etimologicamente il termine 'imitazione' significa "rendere simile", mentre 'rappresentazione' significa "ri-presentare, presentare una seconda volta". Ciò denota una differenza di fondo tra i due termini e i comportamenti gnoseologici che ne sono alla base: l'imitazione è una similitudine immediata di apprensione visiva che non implica l'intervento cosciente di una riflessione conoscitiva, laddove questa è invece indispensabile per poter effettuare una ri-presentazione di un qualche evento osservato in precedenza. Ossia, mentre l'imitazione non deve necessariamente fare appello all'intelletto, la rappresentazione non può farne a meno; l'imitazione viene presentata, non rappresentata. Imitazione e rappresentazione sono due tipi logici diversi: l'una è elemento della classe dell'altra, cioè la rappresentazione è la classe degli eventi mimetici. Perciò la rappresentazione dei movimenti sportivi ottenuta tramite un'animazione computerizzata deve presupporre una 'mimesi' di tali movimenti mediante una disciplina di riflessione conoscitiva chiamata biomeccanica.
L'analisi biomeccanica
La biomeccanica è la scienza che studia e analizza i movimenti del corpo in tutte le sue componenti correlate e interdipendenti. Mediante l'analisi biomeccanica il corpo umano viene idealmente scomposto in alcuni segmenti fondamentali come gli arti superiori e inferiori, il tronco e il capo, segnalando i loro punti di articolazione. Si ottiene così una raffigurazione elementare del corpo e delle sue possibilità di movimento, la quale funge da schema, ovvero da modello per tutte le possibili rappresentazioni di attività sportive. Il procedimento è il seguente. Dopo aver filmato l'azione di uno sportivo si possono proiettare i diversi fotogrammi sullo schermo di un computer e, mediante una speciale penna, introdurre le coordinate della posizione delle diverse articolazioni direttamente nella memoria del computer. Un programma adeguato produce automaticamente alcune figure stilizzate. Così, utilizzando un numero sufficiente di immagini, è possibile rappresentare bidimensionalmente il movimento degli arti (fig. 1c). Ripetendo il procedimento da diverse angolazioni, si ha la possibilità di costruire anche immagini tridimensionali. Poi, per un'analisi cinematica sono necessarie informazioni ulteriori: la massa di ciascun arto o segmento corporeo e il suo corrispondente centro di gravità. Per correggere eventuali errori introdotti durante il processo di digitalizzazione viene utilizzata la metodica della rappresentazione grafica che permette di evidenziare e perciò di modificare i valori delle variabili in gioco fino a ottenere la migliore interpolazione con la curva percorsa dal particolare corpo rappresentato dalla sequenza filmata. A tale scopo si calcolano la posizione, lo spostamento, la velocità e l'accelerazione dei dati raffiguranti la dislocazione dei centri di gravità dei singoli segmenti corporei, e i risultati vengono messi in relazione con una serie di curve precalcolate. Questa tecnica viene applicata allo studio di numerose e disparate attività sportive come il sollevamento pesi, la corsa, il golf.
Nei laboratori informatici del MIT (Massachusetts Institute of Technology) con il sistema denominato TRACK è stata messa a punto una tecnica raffinata per le misure delle coordinate tridimensionali di un punto nello spazio. Attraverso l'associazione di tale punto con la posizione delle articolazioni corporee è possibile realizzare un'analisi cinematica completa di ciascun segmento della struttura fisica in studio. Il prodotto informatico così ottenuto è stato sfruttato per sviluppare nuovi programmi di allenamenti per praticanti il golf, utilizzando le sequenze cinematiche ottenute dall'esame della resa grafica del gioco di atleti di livello mondiale. Una versione tecnica ulteriore permette di eliminare l'uso della pellicola cinematografica servendosi di telecamere sensibili alle radiazioni infrarosse e flash stroboscopici, che rendono effettuabili le misure anche in condizioni di luce ambientale; inoltre, con l'aiuto di marker riflettenti si può realizzare in pochi minuti l'analisi cinematica di un movimento. Un altro sistema, denominato VICON, della Oxford Medical Computers, visualizza, registra e analizza movimenti complessi su tre dimensioni, utilizzando telecamere di alta qualità e con standard di 625 linee (fig. 2). Attraverso un circuito rivelatore di marker connesso a ciascun apparato da ripresa, si rileva ogni impulso e si calcolano le sue coordinate. Tutte queste informazioni vengono quindi memorizzate su un disco magnetico per poterle rendere disponibili per elaborazioni successive.
Una delle analisi biomeccaniche più studiate è il movimento di swing del golf. Gli elementi geometrici dello swing sono costituiti dai tipi di impatto che le traiettorie della palla realizzano e dai colpi della mazza del giocatore, cioè dall'orientamento della mazza e dal suo movimento rispetto alla posizione del bersaglio. Tutte queste informazioni possono venire inserite in un opportuno algoritmo modello, risolto con un computer che è stato programmato per l'insegnamento della giusta tecnica (fig. 1, p. 692). Un altro esempio è costituito dalla rappresentazione computerizzata della ginnastica artistica, dove è di primaria importanza stabilire la posizione del baricentro del corpo nelle diverse posizioni: anche questa rappresenta un'operazione di geometria e fisica classica.
Il metodo di resa rappresentativa dell'attività sportiva più in uso rimane la ripresa filmata, con la quale si ottiene una sorta di unità di misura della rappresentazione cinematica, il 'cinegramma'. Proiettando i fotogrammi uno di seguito all'altro e fissandone su uno schermo di computer i contorni figurali mediante una tecnica di computer-grafica si ricava un cinegramma. La scansione in successione dei singoli cinegrammi ottenuti fornisce la rappresentazione grafica del movimento continuo, che invece nell'animazione dei videogiochi si può ottenere con la sensazione di moto apparente provocata dallo spegnimento di alcuni punti e dall'accensione successiva di alcuni altri poco più distanti. Tutto ciò è molto simile a quello che si fa durante la realizzazione dei cartoni animati, dove il movimento si attua disegnando e cancellando rapidamente e ripetutamente le immagini proiettate su uno schermo. Difatti, per questo tipo di programmazione computerizzata non si utilizzano linguaggi di alto livello come il BASIC, bensì si usa direttamente il codice macchina: a tale stadio le istruzioni date al computer sono in codici a notazione binaria (acceso/spento). Questo tipo di linguaggio di programmazione è molto difficile da usare direttamente, cosicché viene utilizzata una sua forma mediata, chiamata 'Assembler'. Il programma fornisce le istruzioni in codice assembler, che viene subito tradotto dalla macchina nell'equivalente binario. Poiché le operazioni da compiere per tradurre istruzioni assembler sono molto minori di quelle necessarie per ottenere lo stesso risultato in BASIC, il computer è in grado di eseguire ogni comando a velocità molto elevata. Nei videogiochi i movimenti delle figure sono controllati tramite opportuni effettori (joystick o paddle): quando cambia la posizione relativa di tali dispositivi vengono inviati al computer segnali elettrici, che si trasformano in dati, i quali, a loro volta, rappresentano il variare sullo schermo delle coordinate fornite dalla figura che si sta rappresentando.
Altra rappresentazione computerizzata di figure in movimento è costituita dai giochi di simulazione. Il programma simula il gioco in quanto calcola come saranno i dati finali partendo da certe informazioni iniziali. L'abilità del giocatore del videogioco consiste nell'usare opportunamente la tastiera o i paddles e nel conoscere le regole fondamentali del gioco che sta giocando.
Comunque, alla base di tutta la rappresentazione computerizzata dell'attività sportiva sta l'analisi biomeccanica dell'immagine. Questo metodo si serve della possibilità che possiede un microcomputer di effettuare l'analisi delle immagini cinematografiche riprese ad alta velocità. Un apparecchio cinematografico, capace di 200 o più fotogrammi al secondo, viene utilizzato per filmare un atleta durante la sua prestazione sportiva. Proiettando i fotogrammi del film uno alla volta sul retro di uno schermo cinematografico e utilizzando una speciale penna ottica è possibile ottenere una grande quantità di informazioni biomeccaniche. Le misure così ottenute vengono inserite in un elaboratore e attraverso esse si possono calcolare numerosi parametri derivati, che sono di grande aiuto all'allenatore nella preparazione dell'atleta.
Un simile metodo applicato, per es., al lancio del giavellotto fornisce il cinegramma del lancio, che una volta rivisto sia dall'atleta sia dall'allenatore, permette letteralmente di 'correggere il tiro' e ottenere la migliore prestazione possibile. Difatti le varie figure in successione che costituiscono il cinegramma forniscono valide informazioni circa gli angoli in cui si trovano le varie parti del corpo e del giavellotto durante gli ultimi cinque lanci. La fig. 2 mostra invece l'analisi biomeccanica della corsa. Per analizzare un filmato di un'attività sportiva è necessario conferire a ciascun punto articolare in movimento una sequenza di coordinate cartesiane che descrivano le 'curve' di ciascun punto delle articolazioni contrassegnate, così da ottenere una sovrapposizione 'figurale' del corpo facilmente riconoscibile e osservabile nelle trasformazioni indotte da quella particolare attività sportiva, per es., la partenza di una corsa come nella figura.
Nei laboratori di fisiologia dell'università di Oxford sono stati realizzati alcuni programmi per la Federazione ciclistica britannica capaci di aiutare in vario modo gli atleti durante i loro periodi di allenamento. Per es., nel lavoro di gruppo i corridori che ne fanno parte si inseguono l'un l'altro lungo un percorso e ogni atleta deve prendere il comando a turno, ciò che richiede un repentino incremento di velocità seguito da un relativo stato di calma, necessario per mantenere la propria posizione. La capacità individuale di compiere questa operazione viene saggiata per mezzo di una speciale attrezzatura, adattando una normale bicicletta in modo che la velocità di rivoluzione delle ruote possa venire misurata per mezzo di un segnale analogico proporzionale a essa. La conversione del segnale analogico in digitale avviene attraverso una speciale interfaccia collegata con un microcomputer. L'utilizzatore ha a disposizione un certo numero di programmi, con uno dei quali è possibile decidere a quale velocità l'atleta debba correre: il programma visualizza sullo schermo del computer una barra tra due traguardi, tra i quali il corridore deve sempre mantenersi. Se il programma simula un incremento di velocità, come quando il corridore deve porsi in testa al gruppo, la barra si muove oltrepassando i due traguardi tra cui è posta. L'atleta deve allora aumentare la propria velocità per riportare il segnale visualizzato al punto di origine. Una volta che il corridore ha raggiunto il posto di comando, la barra scende sotto il livello dei traguardi, cosicché, in questo caso, il corridore deve rallentare la propria andatura per ritornare alle condizioni d'inizio. Quando la corsa simulata ha termine, il computer stampa un grafico delle variazioni di velocità richieste al ciclista durante la prova e un secondo grafico nel quale sono riportate le risposte fornite dall'atleta stesso. Il computer analizza poi le caratteristiche della prestazione sportiva fornendo valori percentuali e predittivi dell'abilità del soggetto sottoposto a prova, una volta inserito nel gruppo nazionale.
Altre tecniche
Un altro modo conveniente per registrare una sequenza di movimenti è quello di usare la fotografia stroboscopica, ossia una fotografia ottenuta con l'aiuto di un apparecchio per l'osservazione rallentata (con immagini intermittenti) di un fenomeno periodico di altissima frequenza o di un moto molto veloce. Lo stroboscopio può essere considerato uno degli antenati del cinema. Per la realizzazione della fotografia stroboscopica viene utilizzata una lunga esposizione e la luce è fornita da un flash, con caratteristiche stroboscopiche, di data frequenza. Una tale tecnica permette di localizzare, in una sequenza di movimenti, un dato punto quale può essere la testa di una mazza da golf o un repere (punto articolatorio) anatomico, come il polso. Quindi, le coordinate possono essere stabilite per quel punto relativamente a una origine nota. Il passo successivo nell'analisi del fenomeno consiste nel trovare la traiettoria che meglio approssima questi singoli punti, e ciò si può ottenere usando programmi di interpolazione disponibili con la maggior parte dei microcomputer.
L'uso di un elaboratore informatico nello sport fornisce all'allenatore e all'atleta la possibilità di concentrarsi sulla tecnica. Per es., un semplice orologio digitale marcatempo per il nuoto che viene controllato via computer permette all'allenatore di osservare gli atleti invece di preoccuparsi dell'inizio degli intervalli e della fine dei set.
I principi biomeccanici fungono da parametri generali di valutazione della funzionalità dei movimenti, costituendo i criteri secondo i quali devono essere eseguiti i movimenti perché risultino funzionali. Bisogna sottolineare che tali principi non valgono in senso assoluto, ma si tratta di criteri specifici dei quali ci si può servire solo se quanto in essi è affermato concorda con lo svolgimento reale oggettivo dei movimenti, dal quale tali criteri sono stati dedotti. Ovvero, si può affermare che i criteri dei principi biomeccanici sono validi solo nel caso in cui il significato della curva di un diagramma figurale ideale corrisponda a quello della prestazione comprovata dell'atleta. Ciò vale a dire che la curva parametrale e quella figurale devono corrispondere ai medesimi valori. Pertanto in nessun caso si può partire dal presupposto che un decorso di moto con cui si è ottenuto un ottimo risultato sportivo sia sempre da ritenersi il più funzionale. Vi sono, infatti, molti casi in cui un valido risultato è stato conseguito con movimenti non ottimali, e ciò grazie al livello straordinariamente alto delle premesse e delle caratteristiche biomeccaniche dell'apparato motorio umano. Se, tuttavia, si esamina un numero sufficiente di processi motori effettuati da diversi atleti, che in una determinata specialità hanno raggiunto risultati ragguardevoli, e nei parametri misurati si osserva una caratteristica comune, allora con buona probabilità tale caratteristica rappresenta il fattore che rende funzionale quel decorso di moto.
Seppure la tecnica della cronociclofotografia non impiega mezzi informatici ma soltanto mezzi meccanici, è tuttavia interessante notare come la resa rappresentazionale del movimento sportivo coincida con quella ottenuta dalla tecnica del cinegramma. Pertanto si farà cenno anche di questa tecnica.
Il principio della cronociclofotografia si basa sul fatto che il movimento di un corpo può essere rilevato tramite la ripetuta breve esposizione dello stesso negativo. Tale effetto si ottiene ponendo davanti a un normale apparecchio fotografico un disco a fessure che ruota a frequenza costante. Ne risulta una fotografia che rappresenta già, e con precisione, l'intero cinegramma considerato. Invece che di un cinegramma disegnato dal computer, ottenuto ‒ come s'è detto ‒ proiettando i singoli fotogrammi, qui si definisce un 'cronociclogramma': con un'inquadratura fissa e l'otturatore dell'apparecchio fotografico aperto l'oggetto in movimento impressiona il negativo ogni volta che la fessura del disco passa dinanzi all'obiettivo, e questo processo si ripete con frequenza costante. Per ottenere una buona foto in genere si fa vestire di nero l'atleta, lo si fa agire su un fondo nero e si tracciano in bianco sui suoi vestiti i punti delle articolazioni voluti e gli assi longitudinali degli arti. Ma possono essere ottenute buone foto anche con atleti vestiti di bianco e su fondo scuro o anche chiaro.
L'applicazione dell'informatica a sport di gruppo
Le tecniche informatiche sono state applicate con successo anche a un altro sport, la pallamano. Con il Master Autoscore, apparecchio portatile di ingombro contenuto, è stato possibile registrare ed elaborare immediatamente con la grafica, tramite la stampante, un'innumerevole quantità di dati immagazzinati cronologicamente durante il gioco, semplicemente premendo sulla tastiera alcuni tasti in una sequenza precedentemente resa significativa. Sono infatti disponibili 20 tasti (dallo 0 al 19) che si fanno corrispondere ai singoli giocatori o alla squadra nel suo insieme; e altri 26 tasti, contrassegnati con lettere dell'alfabeto, che sottendono varie e molteplici situazioni di gioco. Precisando che in ogni momento è possibile, con molta facilità, variare la programmazione del Master Autoscore, si applica una logica combinatoria simbolica sia alle funzioni dei tasti-giocatori numerici sia alle situazioni di gioco simboleggiate dai tasti alfabetici. Durante la partita effettiva è possibile far corrispondere le azioni in campo alla combinatoria simbolica dei tasti sulla tastiera, cosicché si possono registrare le azioni che si susseguono cronologicamente, nonché quelle operazioni che al termine dell'incontro ‒ oppure tra il primo e il secondo tempo ‒ permettono di visualizzare sul display o di stampare tutte le elaborazioni che l'apparecchio è in grado di effettuare. Questo modo di registrare e stampare una svariata e complicata gamma di situazioni di gioco favorisce l'attenzione e la conseguente prestazione dellà fisico-atletica e tecnico-tattica degli atleti, che così hanno la possibilità di 'riflettere' consapevolmente sulle loro azioni in campo, riguardandole su una mappa simbolica di combinatorie effettuate.
Analogamente, ma probabilmente con un uso più intensivo del computer applicato all'analisi di un'attività sportiva, si è studiato il gioco del calcio. Si tratta in questo caso di un'attività sportiva in cui l'uso dell'analisi computazionale ha favorito unriflessione metodologica sull'attività medesima. Si è quindi giunti a formulare una struttura del gioco del calcio, intendendo con il termine struttura la relazione tra l'attività richiesta ai giocatori e alla squadra oltre agli elementi del gioco. Gli elementi della struttura del gioco che analizzano l'azione sono: il tempo, cioè la durata delle azioni; lo spazio, cioè la superficie su cui si svolge l'azione; il volume operativo, cioè il numero dei mezzi utilizzati nelle partite; la forma di intervento, cioè l'inserimento dei contenuti del gioco nelle strutture. La misura unitaria della partita è l'azione scomposta negli elementi che si sono detti (fig. 1). Procedendo con questa metodologia di analisi delle partite, è possibile stabilire la 'tendenza'della 'struttura' a vincere e quindi si può fare un calcolo probabilistico di tale tendenza e, conseguentemente, apprendere la combinazione di squadra migliore per ottenere la vittoria. Tuttavia è necessario chiarire che quanto è possibile analizzare a proposito dei giochi fatti dalle varie squadre di calcio, di fatto, viene realizzato sui singoli giocatori e che dunque è la combinatoria probabile di tutte le azioni compiute in una partita a determinare il risultato e non una ipotetica struttura d'insieme avulsa dalla singolarità psicofisica dei giocatori in campo.
Conclusioni
In conclusione sembra importante tenere ben presente che l'uso del computer per analizzare una qualsivoglia attività sportiva è soltanto uno strumento, un mezzo, per apprendere e conoscere, e quindi non può essere il fine della conoscenza, che ovviamente non s'identifica con lo strumento di acquisizione della conoscenza medesima. Cionondimeno l'uso dell'analisi informatica si è rivelato di grande incisività per analizzare il cosiddetto insegnamento assistito da calcolatore (CAI, Computer assisted instruction), tramite il quale lo studente e l'atleta possono ricevere informazioni visive sotto forma di frasi, numeri, figure e grafici. Tutto ciò aiuta grandemente l'apprendimento attraverso una forma di riflessione 'consapevolizzante', poiché l'analisi del movimento permette di trasformare i dati registrati tramite la cinematografia ad alta velocità e la grafica parametrale in una forma quantificabile e appropriata a descrivere gli aspetti biomeccanici di una determinata attività sportiva. Per raggiungere tale obiettivo i dati così raccolti forniscono la possibilità a chiunque li esamini di selezionare alcuni fattori meccanici del movimento di un soggetto registrato su di un film o alcuni elementi di struttura della partita utili a fare una ottimale prestazione personale e un buon gioco di squadra.
riferimenti bibliografici
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