Analyse du mouvement

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Introduction

On doit à Étienne Marey et Georges Démeny à la fin du XIX^e, les premières études réelles scientifiques menées sur les mouvements du corps humain. Leurs travaux ont concerné aussi bien la locomotion animale et humaine que les domaines du travail humain, de la médecine, des APS, avec notamment dans ce domaine toute une série de travaux de Démeny sur les athlètes de l'école militaire de Joinville.

Marey fait siennes certaines idées d'Auguste Comte. Ce dernier traitant de l'art d'observer, conseille "l'usage d'appareils artificiels destinés à perfectionner les sensations naturelles", luttant ainsi contre une erreur de l'empirisme qui selon Comte consiste à croire que l'expérience se rapporte à la sensation. Si on se fonde sur l'observation du corps humain pour en comprendre le fonctionnement, on peut dans un premier temps imaginer que la forme du corps, son organisation segmentaire particulière vont nous livrer quelques clés. Les segments corporels sont en effet reliés d'une façon qui offre au corps un éventail de possibilités tout à la fois important et limité. Ceci étant dû aux différentes configurations articulaires, aux degrés de liberté du système, à l'observation des lois physiques. Si la forme du corps est en quelque sorte révélatrice du mouvement et permet de déduire la fonction du corps à partir de sa structure, il faut aller plus loin. En effet, comme le rappelle Pociello, "ce n'est pas en observant le corps et l'ensemble des segments corporels que l'on est à même de pouvoir décrire le fonctionnement du corps, les trajectoires produites, les forces mises en jeu". Il faut dissiper les illusions du regard. L'analyse rationnelle du mouvement permettra donc de passer de la structure à la fonction.

Marey et Démeny vont chercher à développer une série d'outils destinés à capturer le mouvement, à l'analyser, le mesurer, en comprendre les lois, son évolution au cours du temps, les relations entre ces éléments, entre différents événements survenant en même temps. Par exemple les stratégies particulières développées par un sujet dans la réalisation d'un geste donné (saut, franchissement d'obstacle…).

1885, l'étude du déplacement du centre de gravité permettra de mettre en évidence la forme parabolique dessinée par sa trajectoire au cours de ses phases aériennes. On assiste donc avec la mise en œuvre des outils de Marey et Démeny, à la "création avec les chronophotographies d'un champ totalement inédit de vérifications de savoirs" (Vigarello). Ces outils vont donc évoluer à partir de la chronophotographie sur plaque fixe avec une fréquence d'acquisition de 10 images par seconde, et d'une durée d'éclairement d'1/50^e de seconde.

1893, Marey propose un projecteur de films chronophotographiques. Les frères Lumière doivent à Marey la mise au point des techniques qui préparent la 1^re projection cinématographique publique de Décembre 1895.

Le but de la chronophotographie est de fixer des positions insaisissables par la vision seule. Elle fournit à l'enseignant, aux formateurs, à l'entraîneur, aux rééducateurs, l'architecture fine d'une réalisation motrice complexe sans déformer celle-ci. On cherche donc à comprendre les conditions d'efficacité des gestes sportifs par rapport aux critères qui leur confère leur efficacité. Elle permet ainsi l'élaboration et la mise en œuvre de "nouvelles rationalisations techniques directement liées aux modes de transmission pédagogique de ces gestes".

Une constante du travail de Marey sera de recueillir la trace du mouvement sous forme de graphique la plupart du temps. Pour lui il faut que ce soit le mouvement lui-même qui impose sa trace sur le dispositif d'enregistrement. Cette écriture du mouvement permettra de comprendre par l'analyse graphique les lois qui gouvernent les gestes efficaces et permettre d'agir dans tous les registres où la motricité peut pousser ses limites.

La biomécanique

Pour certains auteurs, les travaux de Marey sont à l'origine de la biomécanique telle qu'elle a pu se développer au XX^e. la biomécanique peut être définie comme la science qui décrit et analyse le mouvement humain, comme le domaine d'application des principes de la mécanique à l'étude des systèmes biologiques. Une très large variété de mouvements humains sont concernés que ce soit dans le domaine du travail, dans la pratique et la performance sportive, ou celui du handicap et la rééducation.

Les principes biologiques, physiologiques et les lois physiques qui s'y appliquent sont les mêmes. C'est donc un domaine qui intéresse l'ergonomie, l'entraînement, le monde médical. C'est de nos jours un domaine qui intéresse également le monde du cinéma, le monde virtuel et les effets spéciaux. Il faut en effet saisir et reproduire le plus fidèlement possible les gestes et les aptitudes des sujets.

La biomécanique dans son acceptation la plus large fait appel aux sciences de la vie, aux mathématiques, à la physique. Toute estimation du mouvement humain doit être précédée d'une phase de mesure et de description. Les méthodes biomécaniques permettent donc de caractériser l'exécution du mouvement chez l'Homme. On ne dispose pour caractériser la posture et le mouvement que des expressions périphériques de l'activité motrice. On distingue ainsi dans le domaine de la biomécanique ce que l'on appelle la dynamique où on cherchera à calculer des forces et des moments résultant mis en jeu dans le mouvement. On parle de méthode cinétique. On peut utiliser des plate-formes de force.

L'autre domaine, la cinématique, où à l'aide de systèmes variés : optoélectroniques, vidéos, numériques, mais aussi des accéléromètres, des goniomètres… La cinématique s'intéresse à la position, la vitesse, l'accélération.

Aspect méthodologique – La chaîne d'acquisition

Différentes étapes dans l'analyse du mouvement. Les principales et les plus courantes sont la capture du mouvement lui-même par différents systèmes et le traitement des données.

L'enregistrement des données.

Le système VICON : des caméras synchronisées reliées à un ordinateur. Ce sont des caméras à infrarouge. Leur placement se fait selon un repère précis.

La fréquence d'échantillonnage.

C'est une caractéristique d'une caméra : 50 Hz → 50 images.sec^-1. plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus on aura d'informations sur le mouvement étudié. Le travail sera alors plus ou moins fastidieux.

1^re phase : calibration du système.

Permet de placer une origine dans l'espace et chaque marqueur aura une position de référence. La calibration possède deux étapes :

- statique : on repère les trois dimensions de l'espace. Les axes et les plans sont précisés. Rotation, flexion, …, ne signifient rien en elles-mêmes. Elles ne donnent aucune idée de la façon dont le mouvement se développe de là où l'on se situe. Il faut donc un repère fixe, stable et absolu. Les plans définis sont ceux utilisés en anatomie du corps humain : frontal, transversal, sagittal. Les axes sont par convention nommés de lacet, roulis, tangage. Les rotations se font en référence au sens trigonométrique (sens antihoraire) ou au sens horaire.

- Dynamique : un sujet ou un objet va se déplacer dans l'espace d'étude pour en définir les limites.

Les deux calibrations permettent de définir un espace de travail et un volume de capture.

On doit placer des capteurs sur le sujet permettant la reconstruction complète du mouvement. On utilise des algorithmes mathématiques pour reconnaître les marqueurs passifs qui sont plus ou moins rigides. Ces marqueurs sont surtout placés au niveau des articulations. On peut placer un marqueur supplémentaire hors des articulations.

Le plan de Francfort : permet de contrôler l'horizontalité de la tête.

Tous les capteurs permettent de constituer un bonhomme en fil de fer.

2^e phase : Tracking et labelling : reconstruction du fichier d'acquisition.

L'analyse du mouvement doit tenir compte des données anthropométriques c'est-à-dire les caractéristiques anatomiques des sujets.

Les données sont transférées vers un logiciel de traitement des données. L'archivage se fait sur deux types de fichier : fichier image et données analogiques.

Ces deux types vont être transformés en un type de fichier particulier de norme internationale.

Le traitement des informations se fait sur la base de l'acquisition des données, qui est recueillie en un signal brut qu'il faut filtrer par un logiciel spécifique.