Sistemi per l`analisi del movimento

AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
BergamoScienza 2007
Sistemi per l’analisi del
movimento
AIS-Lab
Dipartimento di Scienze dell’Informazione
Università degli Studi di Milano
http://ais-lab.dsi.unimi.it
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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.;
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
Perché l’analisi del
movimento
• Già negli ultimi anni del
XIX secolo, Muybridge
studiava il movimento
umano
e
animale
utilizzando delle serie di
fotografie.
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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…
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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…
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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.
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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.
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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
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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.
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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.
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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
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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.
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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.
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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
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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.
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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano
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.
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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
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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.
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Sistemi magnetici
• Integrando un generatore di
campo magnetico e dei sensori
magnetici è possibile costruire un
sistema di motion capture.
• VANTAGGI: non soffre
problema delle occlusioni.
del
• 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).
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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
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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.
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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;
animazione
• APPLICAZIONI:
digitale
di
bassa
qualità
(videogames), didattica.
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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.
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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).
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sistemi ottici a marker
passivi
h3 D h2 D
=
d
f
f
h2D
d
h3D
• 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.
Obiettivo
Sensore
Corpo camera
f = focale dell’obiettivo
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Sistemi ottici a marker
passivi
• E’ possibile calcolare la posizione
tridimensionale di un marker visto da
almeno due camere.
• Tale procedura è detta triangolazione.
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Sistemi ottici – proiezione di
un marker
Camera 1
Camera 2
Sensore 1
Sensore 2
Centro ottico 2
Centro ottico 1
Z
Y
Marker
Proiezione di un marker su due
camere
X
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Sistemi ottici triangolazione
Camera 1
Camera 2
Sensore 1
Sensore 2
Centro ottico 2
Centro ottico 1
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
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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
Sensore 2
Camera 2
Centro ottico 2
Centro ottico 1
Z
Y
Marker
X
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.
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Sistemi ottici a marker
passivi
• Il sistema di motion
capture
ottico
ricostruisce
la
posizione
tridimensionale
dei
marker in ogni istante
di tempo.
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Sistemi ottici a marker
passivi
2
1.5
Z
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-2.5
-3
X
Y
• Nella fase di tracking,
i punti tridimensionali
vengono raggruppati
per
ricostruire
le
traiettorie di ogni
singolo marker.
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Sistemi ottici a marker
passivi
2
1.5
Y
1
0.5
0.5
0
-0.5
0
-1
-1.5
-2
0
-0.2
-0.4
-0.6
Z
-2.5
-3
X
• Infine, viene applicato
un
modello
che
assegna
ad
ogni
traiettoria
uno
specifico
significato
anatomico.
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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).
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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.
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Un confronto tra i diversi
sistemi di motion capture
Capturing
rate
Cost
Number
segments
Accuracy
Notes
Unlimited
Few fps
Very cheap
(cameras)
Unlimited
Low
Prototypes
Unlimited
Up to
Up to 500K
2,000 fps
Euros
Unlimited
Submillimeter
Captured volume
Marker-less motion
capture
Passive markers
(VICON-Mx; Oxford
Metrics)
Cameras up to
2352x1728
pixels.
4.5kg for the
power and
synchronization
unit
6.5 kg fo the
power and
synhronization
unit
Active markers
(Optotrack Certus, NDI)
1126mmx200mmx161
3
mm (up to 15m with
low accuracy)
Up to
4,600Hz
N/A
512 markers,
170 joints
0.2
degrees
Eletromechanical
sytems (Gypsy-5,
Metamotion)
800m x 800m x 800m
Up to
120fps
25,000 US$
42 sensors, 14
joints
N/A
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 )
up to 75Hz
1,090∈
1 segment, 3
dot
2 degrees
Several sensors
can be
combined
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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
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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.
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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).
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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.
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AIS Lab – Dip. Scienze
dell’Informazione – Università
BergamoScienza
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,
Palamonti, Bergamo
Workshop: Analisi del movimento in montagna
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