Sensore sull'arco e confronto dei tiri: Kawaguchi 2020

Un gruppo di informatici del Tokyo Institute of Technology ha montato un sensore sull'arco di cinque ricurvisti e ha costruito un programma che, senza che nessuno guardi i video a mano, raggruppa i tiri simili fra loro e mostra in quale istante due tiri si separano. Il sensore misura la velocità angolare dell'arco, cioè come l'arco ruota nelle tre direzioni, che nel programma vengono presentate come rollio, inclinazione e imbardata; i tiri vengono confrontati con il dynamic time warping, che misura quanto due curve si somigliano anche quando hanno durata diversa, e poi raccolti in gruppi con il metodo delle k medie.

Da ogni arciere sono arrivati fra 104 e 177 tiri analizzabili, e il programma li ha divisi in undici a sedici gruppi per ciascuna delle tre fasi in cui il tiro viene spezzato. Le differenze che il sistema ha tirato fuori durano intorno al mezzo secondo e sono di tre tipi: un movimento continuo contro lo stesso movimento fatto in due tempi, un movimento che dura più o meno a lungo, un movimento più o meno rapido. In un arciere il braccio si distendeva in due scatti in un gruppo di tiri e in uno solo nell'altro; in un'arciera l'arco veniva alzato più in alto del solito e la trazione si spezzava in due; in un terzo le dita restavano agganciate alla corda al rilascio, e quei tiri avevano più tremolio durante la mira; nello stesso arciere, in un gruppo, l'arco ruotava al rilascio a una velocità circa doppia. In un altro arciere ancora la mira durava in media circa 4 secondi in un gruppo e circa 2,5 secondi nell'altro, e il gruppo più breve tremava di più.

L'allenatore intervistato ha giudicato quelle differenze rilevanti per capire dove migliorare, e gli arcieri hanno detto di non essersene accorti da soli.

I cinque partecipanti erano tre uomini e due donne, tutti con arco ricurvo, di livello compreso fra intermedio e partecipazione ai campionati nazionali giapponesi; gli autori definiscono avanzato chi ha un record personale sopra i 650 punti nel doppio punteggio a 70 e 50 metri e intermedio chi sta intorno ai 600. Hanno tirato a 50 metri su un bersaglio quadrato da 82 centimetri di lato, da 110 a 180 frecce ciascuno, perdendone qualcuna per guasti del sensore.

Il sensore è un'unità inerziale a nove assi da 30 grammi fissata all'arco, con fondo scala di 300 gradi al secondo, campionata a 1000 hertz; di tutti i suoi dati vengono usate solo le velocità angolari. In parallelo due telecamere riprendevano a 300 fotogrammi al secondo, una di lato e una da dietro, sincronizzate con il sensore. Dopo ogni tiro venivano registrati il punteggio, la posizione della freccia sul bersaglio, un commento a voce e un giudizio dell'arciere su sette livelli, da molto scarso a molto buono.

Il segnale viene prima diviso in tre fasi: trazione, mira (dove la velocità angolare attorno a un asse resta fra meno 2 e più 4 gradi al secondo) e rilascio (la finestra di 1,2 secondi intorno al massimo). Poi un filtro taglia le frequenze sopra i 5 hertz, per togliere la vibrazione propria dell'arco. Il numero di gruppi per ciascuna fase è stato scelto con il metodo del gomito. Il programma, scritto come applicazione per Windows, mostra il confronto fra due gruppi, il confronto fra due singoli tiri, il grafico del costo che indica dove le due curve si allontanano e un video in cui i due tiri sono sovrapposti, uno in blu e uno in rosso, tagliato sul tratto in cui la differenza compare. Le differenze poi descritte nell'articolo sono state individuate dal primo autore guardando quei video sovrapposti.

Il sensore sta sull'arco, e questo decide tutto il resto: il sistema vede il comportamento dell'arco, non quello del corpo. Un braccio che si distende in due tempi o un arco alzato più in alto del solito arrivano al sensore come forme diverse della curva, e sono gli autori stessi a riconoscere che la lettura di quelle forme passa dal video. Il movimento è misurato su un solo piano di rotazione per asse, senza spostamenti, e gli arcieri intervistati chiedono proprio quello che manca: la posizione della spalla, la mano che traziona, il rapporto fra movimento dell'arco e movimento del corpo.

Punteggio e giudizio dell'arciere sono stati registrati tiro per tiro, ma non messi in relazione con i gruppi: non si sa se i gruppi "buoni" facciano più punti. Un partecipante lo dice nell'intervista, che punteggio, sensazione e forma del tiro a volte non vanno insieme, e che gli piacerebbe vedere quella relazione. Il sistema, quindi, trova differenze e non le ordina per qualità.

Cinque arcieri, nessuna valutazione quantitativa del programma, e come studio sugli utenti un'intervista a un allenatore e cinque commenti: il giudizio di rilevanza delle differenze è il parere di una persona. Chi ha individuato le differenze nei video è il primo autore, da solo, sapendo quali tiri il programma aveva separato. Resta anche una contraddizione nei numeri: il sensore è dichiarato campionato a 1000 hertz, ma il paragrafo sul filtro parla di una frequenza di campionamento di 200 hertz, e l'articolo non spiega quale valga per l'analisi.

Chi si riprende in video per confrontare i propri tiri sa che il lavoro è lungo e che, con cento o duecento frecce, i confronti a coppie sono troppi per farli a mano. Questo studio mostra una via d'uscita: un sensore sull'arco e un algoritmo che tiene insieme i tiri simili e indica il punto esatto in cui due tiri si allontanano, a cui poi si guarda il video.

Quello che viene fuori dice qualcosa anche a chi non ha il sensore. In arcieri di buon livello, su un centinaio di frecce, le differenze che restano non sono posizioni diverse ma tempi diversi: un movimento in due scatti invece di uno continuo, una mira di 4 secondi invece di 2,5, un rilascio più rapido. Durano intorno al mezzo secondo, e gli arcieri non se ne erano accorti; secondo l'allenatore intervistato, avanzati e principianti non le notano allo stesso modo, e per i secondi serve qualcuno che le legga.

Non c'è nessun dato su quanto quelle differenze costino in punti: punteggio e posizione della freccia erano registrati, ma non confrontati con i gruppi. Quindi lo studio non autorizza a dire che il gruppo di tiri con la mira più lunga sia il gruppo migliore, nemmeno nell'arciere in cui quella differenza è stata trovata. Il contributo è sul metodo di osservazione, non su una tecnica da preferire.