L3
Analyse vidéo, plateformes de force et centrales inertielles
La mesure biomécanique repose sur trois grandes familles d'outils.
- Cinématique optoélectronique et vidéo : marqueurs réfléchissants suivis par plusieurs caméras (3D) ou analyse vidéo 2D en plan unique (suffisante si le mouvement est plan et perpendiculaire à la caméra). Fréquences habituelles : 50 Hz à plus de 200 Hz.
- Plateformes de force : capteurs de force (jauges de contrainte, piézoélectriques) mesurant les 3 composantes de force et de moment, d'où le centre de pression. Échantillonnage fréquent : 500 à 2000 Hz.
- Centrales inertielles (IMU) : accéléromètre, gyroscope, magnétomètre embarqués. Utiles sur le terrain, mais la dérive du gyroscope et l'intégration de l'accélération imposent de la prudence pour les positions.
Fréquence d'échantillonnage
Le théorème de Shannon–Nyquist impose fs > 2·f_max du signal utile, sous peine de repliement spectral (aliasing). En pratique on prend 5 à 10 fois la fréquence maximale d'intérêt. Une résolution temporelle de 1/fs limite aussi la précision d'un événement (contact au sol). Pour un sprint à 10 m/s, une caméra à 50 Hz déplace l'athlète de 0,2 m entre deux images.
Filtrage
On applique un filtre passe-bas (Butterworth d'ordre 2 à 4, passé dans les deux sens pour supprimer le déphasage) avec une fréquence de coupure choisie par analyse résiduelle ou selon la tâche. Sans filtrage, la dérivation double amplifie le bruit. Un filtrage excessif écrête les pics (impact au sol).
Sources d'erreur
- Artefacts des tissus mous : les marqueurs sur la peau bougent par rapport à l'os.
- Étalonnage de la caméra, parallaxe (mouvement non plan).
- Synchronisation entre vidéo et plateforme.
- Choix du modèle (tables de segments).
Toujours rapporter l'incertitude des mesures et les paramètres de traitement. Les plateformes ont une fréquence propre : elle doit être bien supérieure aux fréquences du signal.
Ordres de grandeur utiles (calculs d'illustration)
- Échantillonnage : un contact de sprint dure de l'ordre de 0,1 s ; à 50 Hz il n'est décrit que par 5 images, à 250 Hz par 25.
- Filtrage aller-retour : appliquer un Butterworth d'ordre 2 dans les deux sens élève sa réponse en amplitude au carré. La fréquence à −3 dB devient 0,80 × f_c (calcul : (√2 − 1)¼ ≈ 0,80) ; il faut donc corriger f_c ou le signaler dans la méthode.
- Dérive d'une IMU : un biais constant d'accéléromètre de 0,05 m·s⁻² produit, après double intégration, une erreur de position ½·b·t² = 2,5 m en 10 s ; un biais de gyroscope de 0,5 °/s donne 5° d'erreur d'orientation en 10 s.
- Résolution spatiale : un champ de 5 m filmé sur 1920 pixels donne environ 2,6 mm par pixel.
🎯 À retenir
- Trois familles : vidéo/optoélectronique, plateformes de force, IMU.
- Nyquist : fs > 2·f_max ; viser 5 à 10 fois.
- Aliasing : repliement spectral irréversible.
- Filtre Butterworth passe-bas aller-retour pour éviter le déphasage.
- Les marqueurs cutanés introduisent des artefacts des tissus mous.
- Documenter fréquence, filtre et incertitudes.
- f_s : fréquence d'échantillonnage (Hz)
- f_max : fréquence maximale du signal (Hz)
⚠️ Erreurs fréquentes
- Choisir fs = 2·f_max seulement : trop juste en pratique.
- Filtrer plus que nécessaire et perdre les pics d'impact.
- Analyser en 2D un mouvement qui n'est pas dans le plan de la caméra.