Sistemi per l analisi del movimento

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1 BergamoScienza 2007 Sistemi per l analisi del movimento AIS-Lab Dipartimento di Scienze dell Informazione Università degli Studi di Milano 1/48 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 2/48 1

2 Perché l analisi del movimento? I sistemi di analisi del movimento permettono lo studio quantitativo del movimento umano; Si possono calcolare, ad esempio, l angolo tra due segmenti corporei, la posizione del baricentro del corpo, la distribuzione delle forze negli arti, etc.; 3/48 Perché l analisi del movimento Già negli ultimi anni del XIX secolo, Muybridge studiava il movimento umano e animale utilizzando delle serie di fotografie. 4/48 2

3 Perché l analisi del movimento? All inizio, l analisi del movimento veniva utilizzata in ambito medicale, per lo studio della fisiopatologia dell apparato muscolo scheletrico; Oggi ha trovato applicazione in svariati campi 5/48 Perché l analisi del movimento? Progettazione di protesi. Progettazione di attrezzi performanti. Animazione digitale. CAMPI DI APPLICAZIONE DELL ANALISI DEL MOVIMENTO Medicina: analisi della fisiopatologia dell apparato scheletrico, locomotore e del sistema nervoso, progettazione di protesi; Ergonomia: progettazione di attrezzi secondo i principi della biomeccanica; Sport: analisi quantitativa del gesto atletico, miglioramento delle prestazioni, prevenzione degli infortuni. Altro: animazione digitale, videogames, realtà virtuale 6/48 3

4 Tipo di dati misurati Nell analisi del movimento si misurano tre diversi tipi di dato: Dati cinematici: cioè i movimenti del corpo; vengono misurati utilizzando i sistemi di MOTION CAPTURE; Dati dinamici: cioè le forze e i momenti angolari; vengono misurati utilizzando piattaforme di forza e altri sensori; Dati elettromiografici: cioè i segnali elettrici di attivazione dei muscoli; vengono misurati con degli elettrodi. 7/48 Sistemi di motion capture I dati cinematici provenienti dai sistemi di motion capture sono fondamentali per l analisi del movimento; Dall analisi dei soli dati cinematici è possibile stimare alcune grandezze dinamiche; I sistemi di motion capture trovano applicazione in ambito diverso da quello medicale. 8/48 4

5 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 9/48 Tassonomia dei sistemi di motion capture I sistemi di motion capture si dividono in due grandi famiglie: sistemi ottici e sistemi non ottici. I sistemi più accurati e diffusi, ma anche i più costosi, sono ottici e fanno uso di marker passivi. 10/48 5

6 Sistemi di motion capture Di seguito verranno illustrati i diversi approcci per la costruzione dei sistemi di motion capture. Per ogni tipo di approccio, verranno illustrati i principi di funzionamento ed i principali vantaggi e limiti. Particolare attenzione verrà posta nella descrizione dei SISTEMI OTTICI A MARKER PASSIVI. 11/48 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi Altri strumenti d analisi 12/48 6

7 Sistemi elletromeccanici: elettrogoniometri I più semplici sistemi meccanici per l analisi del movimento sono gli elettrogoniometri. Gli elettrogoniometri misurano l angolo tra due segmenti corporei. Un tempo era necessario connettere l elettrogoniometrio al sistema di acquisizione tramite dei fili (alimentazione, trasporto dei segnali); oggi ciò non è più necessario grazie alla tecnologia wireless. 13/48 Sistemi elettromeccanici: elettrogoniometri Un sistema di motion capture può essere costruito integrando diversi elettrogoniometri; VANTAGGI: economicità, facilità d uso; SVANTAGGI: scarsa accuratezza, i sensori possono ostacolare il movimento e forniscono solo misure angolari (non la posizione e l orientamento tridimensionale dei segmenti corporei). APPLICAZIONI: usati per lo studio del movimento di singole sezioni del corporee. 14/48 7

8 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 15/48 Sistemi inerziali: accelerometri (e giroscopi) I microaccelerometri sono piccoli sensori che misurano le accelerazioni cui sono sottoposti; a partire dalle accelerazioni e da un modello che descrive la dislocazione degli accelerometri sul soggetto, si possono calcolare la posizione e l orientamento dei vari segmenti corporei; Vengono spesso accoppiati con dei giroscopi: questi sensori sono in grado di misurare le accelerazioni angolari. 16/48 8

9 Sistemi inerziali: accelerometri (e giroscopi) Integrando microaccelerometri, giroscopi e un modello del corpo umano è possibile costruire un sistema di motion capture. VANTAGGI: economici, poco ingombranti, non soffrono del problema delle occlusioni; SVANTAGGI: l accuratezza è limitata, diminuisce ulteriormente per acquisizioni lunghe. APPLICAZIONI: animazione digitale di bassa qualità (videogames), ricerca. 17/48 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 18/48 9

10 Sistemi magnetici E possibile misurare l intensità e l orientamento di un campo magnetico utilizzando degli appositi sensori. E possibile generare un campo magnetico di orientamento e intensità note utilizzando degli appositi generatori. E dunque possibile calcolare la posizione e l orientamento di un sensore rispetto ad un generatore di campo magnetico. Posizionando in modo rigido un sensore magnetico su un segmento corporeo, è possibile calcolare la posizione e l orientamento del segmento corporeo rispetto al generatore di campo. 19/48 Sistemi magnetici Integrando un generatore di campo magnetico e dei sensori magnetici è possibile costruire un sistema di motion capture. VANTAGGI: non soffre del problema delle occlusioni. SVANTAGGI: scarsa portatilità (il generatore di campo magnetico deve essere tenuto in laboratorio), l accuratezza dipende dalla distanza dal generatore, possibile influenza sulle misure di oggetti ferromagnetici, costoso. APPLICAZIONI: studio del movimento ove non sia possibile utilizzare sistemi ottici, animazione digitale (a piccola scala). 20/48 10

11 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 21/48 Sistemi basati su fibre ottiche La tecnologia delle fibre ottiche è stata recentemente impiegata per la costruzione di sistemi di motion capture. E infatti possibile costruire dei sensori di curvatura di forma tubolare. Integrando la curvatura lungo l intero sensore si calcola la posizione relativa dei punti iniziale e finale del sensore. 22/48 11

12 Sistemi basati su fibre ottiche Integrando diversi sensori tubolari è possibile costruire un sistema di motion capture. VANTAGGI: non soffre del problema delle occlusioni; portabilità (può essere usato fuori dal laboratorio); SVANTAGGI: ingombro dei sensori tubolari, accuratezza limitata; APPLICAZIONI: animazione digitale di bassa qualità (videogames), didattica. 23/48 Sistemi ibridi Integrando tra di loro diverse tecnologie è possibile costruire dei sistemi di motion capture generalmente flessibili, discretamente accurati ed economici. L integrazione di diversi approcci è però problematica dal punto di vista tecnologico. 24/48 12

13 Sistemi ibridi Integrando un generatore di campo magnetico portatile, sensori magnetici, accelerometri e giroscopi è possibile costruire un sistema di motion capture. VANTAGGI: non soffre del problema delle occlusioni, discreta accuratezza per la dislocazione dei segmenti corporei, portabilità. SVANTAGGI: integrazione di tecnologie diverse, scarsa accuratezza sulla posizione assoluta del corpo. APPLICAZIONI: animazione digitale, animazione real time (realtà virtuale). 25/48 Sistemi acustici Alcuni ricercatori hanno proposto di utilizzare dei generatori di ultrasuoni, abbinati agli appositi sensori, per misurare il movimento umano. In ambito medicale sono già state sviluppate alcune applicazioni importanti, come l ecografia 4D (ecografia 3D in movimento). Tuttavia, per quel che riguarda le applicazioni legate al mondo del motion capture classico, questi sistemi sono ancora ad uno stato di sviluppo embrionale. 26/48 13

14 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 27/48 Sistemi ottici I sistemi ottici utilizzano foto/videocamere per lo studio del movimento umano. Già negli ultimi anni del XIX secolo, Muybridge studiava il movimento umano e animale utilizzando delle serie di fotografie. 28/48 14

15 Sistemi ottici Un sistema ottico per il motion capture è costituito da un set di videocamere che riprendono la scena dove il soggetto si muove; Le camere sono in genere calibrate, fisse. Il movimento del soggetto viene calcolato elaborando i dati (immagini) acquisiti dalle videocamere. 29/48 Sistemi ottici senza marker Alcuni di questi sistemi riconoscono automaticamente i diversi segmenti corporei nelle immagini acquisite, e ne calcolano poi la posizione e l orientamento nello spazio tridimensionale. Altri sistemi riconoscono l intera figura del soggetto acquisita dalle camere, e calcolano il volume occupato dal soggetto nello spazio in ogni istante di tempo. Dal momento che l elaborazione dei dati è parecchio dispendiosa e l accuratezza limitata, questi sistemi sono ancora in fase di studio. Tuttavia, essi costituiscono il futuro del motion capture. 30/48 15

16 Sistemi ottici a marker passivi Un sistema per il motion capture ottico a marker passivi è costituito da: Un set di almeno due videocamere; Flash per l illuminazione della scena; Un set di marker sferici ricoperti da materiale riflettente, fissati al soggetto; Un elaboratore che riceve le immagini dalle videocamere, estrae i marker dalle immagini e ne ricostruisce le posizioni tridimensionali. 31/48 Sistemi ottici a marker passivi Grazie all utilizzo combinato di flash e marker riflettenti, è possibile generare immagini ad alto contrasto dove è facile identificare i marker. La luce uscente dal flash viene riflessa dal marker. Nell immagine acquisita, i marker riflettenti sono molto luminosi (dunque facilmente identificabili) mentre il resto dell immagine è scuro. 32/48 16

17 Sistemi ottici a marker passivi Ogni videocamera è descritta da un semplice modello matematico. L immagine acquisita è una proiezione bidimensionale di una scena tridimensionale. In pratica, tutti i raggi luminosi passano dal centro ottico dell obbiettivo prima di arrivare sul sensore della fotocamera. h 3D h d d h f 3 D 2D = f = focale dell obiettivo Obiettivo f Sensore Corpo camera h 2D 33/48 Sistemi ottici a marker passivi E possibile calcolare la posizione tridimensionale di un marker visto da almeno due camere. Tale procedura è detta triangolazione. 34/48 17

18 Sistemi ottici proiezione di un marker Camera 2 Camera 1 Sensore 1 Sensore 2 Centro ottico 1 Centro ottico 2 Z Y Marker Proiezione di un marker su due camere X 35/48 Camera 1 Sistemi ottici - triangolazione Sensore 1 Sensore 2 Camera 2 Centro ottico 1 Centro ottico 2 Il marker si trova all intersezione tra le due rette. Z Y Marker Ricostruzione della posizione tridimensionale di un marker visto da due camere X 36/48 18

19 Sistemi ottici a marker passivi Per effettuare la ricostruzione della posizione tridimensionale di un marker, la posizione e l orientamento di ogni videocamera devono essere noti. Camera 1 Sensore 1 Centro ottico 1 Marker Z Camera 2 Sensore 2 Centro ottico 2 Y Sistema di riferimento Questi ed altri parametri che descrivono il processo di proiezione su ogni camera, indispensabili per la ricostruzione tridimensionale, vengono calcolati nella fase di calibrazione del sistema. X 37/48 Sistemi ottici a marker passivi Il sistema di motion capture ottico ricostruisce la posizione tridimensionale dei marker in ogni istante di tempo. 38/48 19

20 Sistemi ottici a marker passivi Z Y X Nella fase di tracking, i punti tridimensionali vengono raggruppati per ricostruire le traiettorie di ogni singolo marker. 39/48 Sistemi ottici a marker passivi Y Z X Infine, viene applicato un modello che assegna ad ogni traiettoria uno specifico significato anatomico. 40/48 20

21 Sistemi ottici a marker passivi VANTAGGI: elevata accuratezza, i marker non ostacolano i movimenti. SVANTAGGI: costoso, i marker possono essere occlusi alla vista delle videocamere. APPLICAZIONI: studio del movimento (medicina, sport), animazione digitale (film). 41/48 Sistemi ottici a marker attivi I sistemi a marker attivi sono simili a quelli a marker passivi, ma i marker sono costituiti, ad esempio, da led colorati; Dal momento che ogni marker può avere un colore diverso, o può essere acceso o spento in istanti diversi, la fase di tracking dei dati risulta essere semplificata; Ciononostante, questi sistemi non hanno avuto il successo commerciale dei sistemi a marker passivi. 42/48 21

22 Marker-less motion capture Passive markers (VICON-Mx; Oxford Metrics) Active markers (Optotrack Certus, NDI) Eletromechanical sytems (Gypsy-5, Metamotion) Un confronto tra i diversi sistemi di motion capture Captured volume Unlimited Unlimited 1126mmx200mmx161 mm (up to 15m 3 with low accuracy) 800m x 800m x 800m Capturing rate Few fps Up to 2,000 fps Up to 4,600Hz Up to 120fps Cost Very cheap (cameras) Up to 500K Euros N/A 25,000 US$ Number segments Accuracy Notes Unlimited Low Prototypes Unlimited 512 markers, 170 joints 42 sensors, 14 joints Submillimeter 0.2 degrees N/A Cameras up to 2352x1728 pixels. 4.5kg for the power and synchronization unit 6.5 kg fo the power and synhronization unit Inertial (Xsens, Moven) Limited unless global tracking with other systems (e.g. GPS) N/A N/A Suit with 11 sensors, 2 gloves, 1 hat, 2 shoes, for a total of 16 joints N/A Magnetic (Minuteman, Polhemus) Small (max 1m 3 ) up to 75Hz 1,090 1 segment, 3 dot 2 degrees Several sensors can be combined 43/48 Sommario Perché l analisi del movimento? Tassonomia dei sistemi di motion capture Sistemi elettromeccanici Sistemi inerziali Sistemi magnetici Altri sistemi (fibre ottiche, ibridi, acustici) Sistemi ottici Altri strumenti d analisi 44/48 22

23 Altri strumenti per l analisi Per un analisi approfondita del movimento umano, è necessario studiare anche le forze che il corpo umano scambia con il terreno; A questo scopo si possono usare delle PIATTAFORME DI FORZA. 45/48 Altri strumenti d analisi E inoltre importante capire dove vengono generate le forze, cioè Quali muscoli si attivano per la generazione del movimento. A tale scopo si possono usare degli appositi elettrodi posti sulla pelle del soggetto (ELETTROMIOGRAFIA). 46/48 23

24 Analisi multifattoriale L analisi completa del movimento si ottiene integrando i dati cinematici (provenienti da un sistema di motion capture) con i dati dinamici e elettromiografici; Si parla in questo caso di ANALISI MULTIFATTORIALE. 47/48 AIS Lab Dip. Scienze BergamoScienza dell Informazione Università 2007degli Studi di Milano Analisi del movimento in montagna Evento organizzato da: AIS-Lab. (Dip. Scienze dell Informazione, Università degli Studi di Milano, I. Frosio, N. A. Borghese) CAI Bergamo In collaborazione con: CeBiSM (F. Schena) Università degli Studi di Padova, Dip. Ing. Meccanica (N. Petrone) 12 Ottobre, ore 20:30 Palamonti, Bergamo Workshop: Analisi del movimento in montagna 48/48 24