Основная цель применения фильтра нижних частот Баттерворта четвертого порядка с нулевой задержкой к кинетическим данным заключается в выделении истинных биомеханических сигналов из нежелательного шума без искажения временных характеристик физических событий. Этот метод специально нацелен на высокочастотные артефакты, такие как электрические помехи или вибрации оборудования, сохраняя при этом целостность данных о силе реакции опоры (GRF), необходимых для точного анализа обуви.
Ключевой вывод: Сырые кинетические данные часто загрязнены небиологическим шумом, который может маскировать истинные показатели производительности. Используя этот конкретный подход к фильтрации, аналитики гарантируют, что критические показатели, такие как пиковые ударные нагрузки и импульсы отталкивания, являются точным отражением движений человека, а не артефактами процесса сбора данных.
Проблема сбора кинетических данных
Источники загрязнения сигнала
При биомеханическом анализе сырые данные, полученные с силовых платформ, редко бывают чистыми. Они часто искажаются высокочастотным электрическим шумом, вибрациями окружающего оборудования или даже незначительными треморами человеческого тела.
Эти артефакты проявляются в виде "дрожания" или быстрых всплесков в потоке данных. Хотя они не отражают фактическую силу удара ноги о землю, они могут значительно исказить анализ, если их не устранить.
Необходимость сглаживания
Для анализа характеристик обуви исследователи ищут определенные кривые и пики в данных. Высокочастотный шум создает зазубренные, неровные линии, которые затрудняют определение истинных максимальных значений.
Без фильтрации случайный всплеск шума может быть ошибочно принят за пиковую ударную нагрузку при приземлении, что приведет к неверным выводам о амортизирующих свойствах обуви.
Как фильтр сохраняет целостность данных
Роль механизма "низких частот"
Фильтр нижних частот действует как привратник. Он пропускает низкочастотные сигналы — фактические движения человеческого тела во время ходьбы — без изменений.
Одновременно он ослабляет (блокирует) частоты выше определенного порога. Это эффективно удаляет быстрый, хаотичный шум, вызванный вибрациями и треморами, что приводит к более плавным кривым силы реакции опоры.
Достижение "нулевой задержки" с помощью двунаправленной фильтрации
Стандартные аналоговые или цифровые фильтры вносят фазовую задержку, из-за чего выходной сигнал появляется немного позже фактического события. В биомеханическом анализе эта задержка недопустима, поскольку она нарушает синхронизацию данных о силе с кинематическими (видео) данными.
Для решения этой проблемы алгоритм использует двунаправленный процесс фильтрации. Данные фильтруются один раз в прямом направлении, а затем еще раз в обратном направлении.
Этот метод двойного прохода компенсирует фазовые сдвиги, гарантируя, что временные характеристики ключевых событий, таких как точный момент пикового удара, остаются временно точными.
Резкое разделение сигналов (четвертый порядок)
Обозначение "четвертый порядок" относится к крутизне среза фильтра. Фильтр четвертого порядка обеспечивает четкое разделение между сигналом, который вы хотите сохранить, и шумом, который вы хотите удалить.
Это гарантирует, что импульсы отталкивания и ударные нагрузки сохраняются с высокой точностью, а не размываются или чрезмерно сглаживаются.
Понимание компромиссов
Риск чрезмерного сглаживания
Хотя устранение шума имеет решающее значение, существует опасность чрезмерной фильтрации. Если частота среза установлена слишком низко, фильтр может непреднамеренно удалить подлинные высокоскоростные биомеханические события.
Например, быстрая скорость загрузки в момент удара пяткой является высокочастотным сигналом. Чрезмерная фильтрация может "сгладить" этот резкий пик, что приведет к тому, что исследователи недооценят истинную ударную нагрузку.
Требования к обработке данных
Поскольку фильтрация с нулевой задержкой требует двунаправленного прохода (вперед и назад), она обычно не может выполняться в реальном времени во время просмотра данных в реальном времени.
Это этап постобработки. Аналитики должны сначала захватить сырые данные и затем применить алгоритм для получения чистых кривых с нулевой задержкой, используемых для окончательной отчетности.
Сделайте правильный выбор для вашей цели
Чтобы ваш анализ обуви был точным и обоснованным, рассмотрите следующие применения:
- Если ваш основной фокус — пиковая ударная нагрузка: Убедитесь, что частота среза вашего фильтра достаточно высока, чтобы сохранить начальный переходный всплеск, иначе вы рискуете недооценить шок, который поглощает тело.
- Если ваш основной фокус — временные характеристики событий: Вы должны убедиться, что был применен двунаправленный (нулевая задержка) алгоритм; в противном случае ваши данные о силе не будут синхронизированы с высокоскоростной видеозаписью.
В конечном итоге, этот метод фильтрации обеспечивает необходимую ясность для различения механического шума лаборатории и истинной биомеханической реальности спортсмена.
Сводная таблица:
| Характеристика фильтра | Технический механизм | Преимущество для анализа обуви |
|---|---|---|
| Нижние частоты | Блокирует частоты выше определенного порога | Устраняет шум от электрических помех и вибраций оборудования |
| Нулевая задержка | Двунаправленная обработка (вперед и назад) | Обеспечивает идеальное соответствие данных о силе с временными характеристиками видео |
| Четвертый порядок | Крутой наклон среза | Обеспечивает четкое разделение между сигналом и шумом |
| Постобработка | Автономное применение алгоритма | Предоставляет чистые, обоснованные кривые силы реакции опоры (GRF) |
Оптимизируйте разработку вашей обуви с помощью 3515
Точность биомеханических данных — это основа высокопроизводительной обуви. Являясь ведущим производителем крупномасштабной продукции, 3515 использует передовые технические знания для обслуживания мировых дистрибьюторов и владельцев брендов, обладая производственными мощностями, лидирующими в отрасли.
От нашей флагманской серии Safety Shoes до тактических ботинок, снаряжения для активного отдыха и официальной обуви — мы гарантируем, что каждая пара соответствует строгим требованиям вашего целевого рынка. Сотрудничайте с нами, чтобы превратить основанные на данных идеи в превосходные продукты.
Ссылки
- Toshiki Kobayashi, Hiroaki Hobara. Effects of step frequency during running on the magnitude and symmetry of ground reaction forces in individuals with a transfemoral amputation. DOI: 10.1186/s12984-022-01012-8
Эта статья также основана на технической информации из 3515 База знаний .