STUDIO DELLA BIOMECCANICA DEL MOVIMENTO TRAMITE I SISTEMI OPTOELETTRONICI MARKLERLESS

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Leonardo Magnani
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1 STUDIO DELLA BIOMECCANICA DEL MOVIMENTO TRAMITE I SISTEMI OPTOELETTRONICI MARKLERLESS CORSO DI STUDIO IN INGEGNERIA ELETTRONICA LAUREA MAGISTRALE IN BIOINGEGNERIA (LM21) CORSO DI BIOMECCANICA A.A. 2015/16 VIVIANA DORE ROBERTO GUARNIERI

2 SOMMARIO Sistemi optoelettronici Tecnica marker-based Tecnica markerless Applicazioni sperimentali: Cammino in acqua ed in ambiente terrestre Nuoto R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 2

3 BIOMECCANICA DEL MOVIMENTO APPLICAZIONI GRAFICHE ED ANIMAZIONI APPLICAZIONI SPORTIVE CLINICO-RIABILITATIVE R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 3

4 SISTEMI OPTOELETTRONICI Ridotto ingombro del soggetto Possibilità di acquisire movimenti ampi come il cammino, la corsa ed il ballo Utilizzo di almeno due telecamere calibrate e sincronizzate Telecamere dotate di sensori CCD e CMOS per rilevare il segnale luminoso e trasdurlo in segnale elettrico La registrazione delle immagini avviene nel visibile o nell infrarosso Due approcci: Marker-Based Markerless R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 4

5 SISTEMA STEREOFOTOGRAMMETRICO MARKER-BASED Telecamere definite da vari parametri Marker da porre sulla cute del soggetto Acquisizione dell immagine Ricostruzione del punto nello spazio R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 5

6 ERRORI ED ARTEFATTI NELLA TECNICA MARKER-BASED Incertezza del sistema di visione. Incertezza nella determinazione dei repere anatomici. Incertezza da artefatti da tessuto molle. R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 6

7 PROTOCOLLI PER L ANALISI DEL CAMMINO Protocollo C.A.S.T. Protocollo IOR-Gait o Anatomical Landmark R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 7

8 PROTOCOLLO C.A.S.T. Calibrated Anatomical System Technique R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 8

9 PROTOCOLLO IOR-GAIT O ANATOMICAL LANDMARK R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/2016 9

10 SISTEMA STEREOFOTOGRAMMETRICO MARKERLESS Sistemi attivi Sistemi passivi 1. Acquisizione delle immagini 2. Segmentazione delle immagini acquisite 3. Ricostruzione della rappresentazione 3D 4. Definizione del modello 5. Generazione del modello 6. Matching del modello R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

11 SISTEMA MARKERLESS PASSIVO Acquisizione delle immagini mediante telecamere calibrate e sincronizzate Segmentazione delle immagini acquisite R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

12 SISTEMA MARKERLESS PASSIVO Ricostruzione della rappresentazione 3D Definizione del modello R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

13 SISTEMA MARKERLESS PASSIVO Generazione del modello Tramite: 1. Acquisizione superficie esterna del soggetto 2. Visual Hull proveniente da un singolo frame del video Matching del modello R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

14 ALGORITMO ARTICULATED ICP OBIETTIVO: eseguire il match di un modello articolato con una sequenza di visual hull Il modello articolato M è rappresentato da una sequenza discreta di punti p 1,, p p superficie, un insieme di segmenti rigidi s 1,, s s e un insieme di giunti q 1,, q q che connettono i segmenti. Ciascuna visual hull è rappresentata da un insieme di punti V = {V 1,, V N } che descrivono la forma del corpo in quel determinato istante. Per ogni frame della sequenza da analizzare viene eseguita un trasformazione T che porta le superfici di M ad allinearsi con quelle di V, rispettando i vincoli imposti dai giunti. In particolare, la trasformazione T consiste di un insieme di trasformazioni rigide T j ognuna per ogni segmento rigido S j sulla R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

15 PROCEDURA SPERIMENTALE Stima della cinematica articolare di: Cammino in ambiente acquatico e terrestre Braccio destro durante il crawl R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

16 PROCEDURA SPERIMENTALE Stima della cinematica articolare di: Cammino in ambiente acquatico e terrestre Braccio destro durante il crawl R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

17 PROCEDURA SPERIMENTALE Stima della cinematica articolare di: Cammino in ambiente acquatico e terrestre Braccio destro durante il crawl R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

18 ANALISI DEL CAMMINO Studio del cammino di un solo soggetto sia in acqua che non, sia con tecnica marker-based che con tecnica markerless R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

19 ANALISI DEL CAMMINO IN AMBIENTE TERRESTRE Per confrontare le coordinate anatomiche rilevate con le 2 tecniche (markerless e marker-based), bisogna orientare allo stesso modo i due sistemi di riferimento R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

20 TRAIETTORIE DEI PUNTI DI REPERE ANATOMICO Traiettorie della spina iliaca anteriore destra (RASIS) nella fase di stance Traiettorie del gran trocantere destro (RGT) nella fase di stance R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

21 ANGOLI ARTICOLARI Andamento degli angoli articolari del ginocchio destro Andamento degli angoli articolari del bacino sinistro nella fase di stance R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

22 RISULTATI IN AMBIENTE ACQUATICO R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

23 TRAIETTORIE DEI PUNTI DI REPERE ANATOMICO Traiettorie dell anca in acqua Traiettorie del ginocchio in acqua R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

24 ANGOLI ARTICOLARI Andamento degli angoli articolari dell anca in acqua Andamento degli angoli articolari del ginocchio in acqua R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

25 ANALISI DEL NUOTO Analisi della cinematica del braccio destro di 5 abili nuotatori durante il crawl. R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

26 ANALISI DEL NUOTO Sei telecamere analogiche subacquee Calibrazione delle telecamere e connessione agli altri strumenti di elaborazione R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

27 ANALISI DEL NUOTO Estrazione delle silhouette del soggetto Creazione del visual hull e generazione del modello R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

28 ANALISI DEL NUOTO Obiettivo del processo di matching del modello: trovare la posa ottima che spieghi la forma del visual hull. Catena cinematica: mano destra (segmento radice), avambraccio destro, parte superiore del braccio ed il tronco. R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

29 ANALISI DEL NUOTO R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

30 ANALISI DEL NUOTO Traiettorie dell articolazione del polso, del gomito e della spalla R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

31 ANALISI DEL NUOTO Accuratezza verificata Precisione a livello dell articolazione del polso XErrori di calcolo per le articolazioni di gomito e spalla Sviluppi ulteriori e miglioramenti della tecnica anche per altri stili nel nuoto R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

32 R.GUARNIERI - V.DORE 22/01/

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