Determining the relationship between run-up and take-off characteristics and performance in top level pole vaulters using deep learning based markerless motion capture

Abstract

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää mitkä tekijät juoksun ja maastalähdön vaiheista määrittävät vauhdinjuoksun aikaisen energian tehokkaan siirron hyppykorkeudeksi ja miten nämä eroavat miesten ja naisten välillä. Aiemmin käytetyt seiväshypyn tutkimusmenetelmät ovat olleet hitaita toteuttaa ja rajoittaneet muun muassa tutkittavien henkilöiden määrää, jota pyrittiin tämän tutkimuksen menetelmävalinnoilla korjaamaan. Tutkimuksessa analysoitiin 2d-liikeanalyysillä Birminghamin vuoden 2018 hallimaailmanmestaruuskilpailuiden seiväshyppääjien (n=26) parhaiden suoritusten vauhdinjuoksua ja maastalähtöä. Osallistujista 15 oli miehiä ja 11 naisia. Hyppääjien suoritukset kuvattiin kahdesta kuvakulmasta, joista liikedata tallennettiin neuroverkkopohjaisella kuvantunnistusmenetelmällä ja suuoralla lineaarisella muunnoksella. Menetelmän toimivuus varmistettiin muun muassa laskemalla samasta kilpailusta aiemmin tehdyn tutkimuksen muuttujia tämän tutkimuksen vastaaviin muuttujiin. Vauhdinjuoksusta ja maastalähdöstä laskettiin 12 muuttujaa, sekä yksi suorituskykymuuttuja analysointia varten. Tutkimuksessa tarkasteltiin muuttujien välisiä korrelaatioita, miesten ja naisten tekniikan eroavaisuuksia sekä mallinnettiin muuttujien yhteisvaikutusta suorituskykymuuttujaan. Neljä keskenään korreloivaa maastalähdön muuttujaa yhdistettiin kuvaamaan maastalähdön tekniikkaa. Tekniikkamuuttuja sai suuria arvoja, kun seipääseen törmäys tapahtui heti ponnistuskontaktin alkaessa (aikainen törmäys), jolloin muun muassa yläkäden otekohta oli selkeästi ponnistusjalan kärjen takana, seiväs taipui voimakkaasti maassa ja massakeskipiste nousi ylöspäin. Vastaavasti pieniä arvoja muuttuja sai, kun törmäys tapahtui kontaktin lopussa (myöhäinen törmäys), jolloin yläkäden otekohta oli ponnistusjalan kärjen etupuolella, seiväs ei juurikaan taipunut maastalähdössä ja massakeskipiste pysyi korkeudeltaan paikallaan. Energiansiirtokyky heikkeni juoksunopeuden kasvaessa sekä miehillä (r = -0,779, p < 0.01) että naisilla (r = -0,864, p < 0.01), sekä miehillä oli keskimääräisesti huonompi energiansiirto kuin naisilla (-3 %, t (-2,235), p < 0,05). Yleisessä energiansiirron regressiomallissa (R^2 = 0.639) suurin positiivinen vaikutus tuli maastalähdön horisontaalisen nopeuden säilytyksestä (b = 0,728) ja aikaisen törmäyksen tekniikasta (b=0,662). Miesten regressiomallin (R^2 = 0.752) kertoimet vastasivat pääosin yleistä mallia, mutta painotti enemmän maastalähdön tekniikkaa (b = 0,834), kuin nopeuden säilymistä (b = 0,799). Naisilla malli (R^2 = 0.984) painotti eniten juoksun muuttujien negatiivista vaikutusta (askelpituus b = -1,673 ja askeltiheys b = -1,280). Naisten keskimääräisesti parempaa energiansiirtoa selittää mahdollisesti heidän käyttämänsä matalampi suhteellinen otekorkeus, joka voisi tarjota paremmat edellytykset seipään ojentumisvaiheen energianpalautukseen. Energiansiirto heikkenee nopeuden kasvaessa, mutta energiansiirtoon voidaan vaikuttaa positiivisesti pyrkimällä mahdollisimman aikaiseen törmäykseen ponnistuskontaktin aikana, jolla vielä säilytetään horisontaalinen nopeus mahdollisimman hyvin. Naisten osalta energiansiirto heikkenee teknisistä valinnoista huolimatta nopeuden kasvaessa, mutta miehillä tätä ei havaittu. Syynä tälle voisi olla, että miesten suurempi nopeus heikentää kykyä suorittaa energiansiirrolle positiivista maastalähdön tekniikkaa. Tämän pohjalta voisi päätellä, että tulevaisuudessa ylivertainen urheilija voisi olla sellainen, joka pystyy suuresta nopeudesta huolimatta suorittamaan hitaampiin urheilijoihin verrattavan tehokkaan maastalähdön.

The purpose of this study was to determine which factors from run-up and take-off phases determine effective energy conversion from run-up to a cleared height and how these factors differ between men and women. Methods used in pole vault studies in the past have been slow to implement which has led to a reduced number of participants used in studies. Method choices in this study are aimed to solve the problems from methods used in previous studies. 2d-motion analysis was used in this study to analyse run-up and take-off properties of pole vaulters (n=26) best jump from 2018 Birmingham world indoor championships. 15 of the participants were men and 11 were women. The performances of the athletes were filmed from two angles from which the motion data was created using neural network-based image recognition and direct linear transformation. The functionality of the method was ensured by comparing corresponding variable values from this method to the variable values used in previous study from the same competition. 12 variables from run-up and take-off were calculated as well as one performance variable for the analysis. Correlations between variables, differences between men and women, and combined effect of the variables to the performance were explored. Four correlated take-off variables were combined to describe the take-off technique. The variable had high values when athlete performed early plant during take-off contact, top grip was behind take-off foot-tip, pole bended heavily before contact take-off and centre of gravity rose upwards. Correspondingly small values were obtained when the late plant was performed during the take-off contact, top grip was on the front of the take-off foot-tip, pole barely bending before contact take-off and centre of gravity remained similar in vertical position. Energy conversion decreased as the athlete’s velocity increased both in men (r = -0,779, p < 0.01) and women (r = -0,864, p < 0.01), and men had on average worse energy conversion (-3 %, t (-2,235), p < 0,05). In the general regression model (R^2 = 0.639), the largest positive effect came from the preservation of the horizontal velocity during take-off (b = 0,728) and take-off technique that favoured early plant (b=0,662). Men’s models (R^2 = 0.752) coefficients corresponded to the general model but favoured more the similar take-off technique (b = 0,834) than the preservation of velocity (b = 0,799). In women, the model (R^2 = 0.984) emphasized the most the negative effect of running variables (step length b = -1,673 and step rate b = -1,280). On average better energy conversion of women could be explained by the use of lower relative grip height which could provide better conditions to energy return in the pole straightening phase. Energy conversion decreases with increasing velocity but the energy conversion could be positively affected by striving for an earlier plant which still maintains as much as the horizontal velocity as possible. For women, energy conversion decreases with increasing speed regardless of the technical choices, but this was not observed in men. Reason for this could be that the higher velocities impair the ability to perform beneficial take-off technique for the energy conversion. Based on this, it could be concluded that in the future, a superior athlete might be the one that could perform despite high velocity an effective take-off comparable to slower athletes.