BergamoScienza 2007 Sistemi per l’analisi del...

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AIS Lab – Dip. Scienze dell’Informazione – Università degli Studi di Milano

BergamoScienza 2007

Sistemi per l’analisi del movimento

AIS-LabDipartimento di Scienze dell’Informazione

Università degli Studi di Milanohttp://ais-lab.dsi.unimi.it

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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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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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Perché l’analisi del movimento

• Già negli ultimi anni del XIX secolo, Muybridgestudiava il movimento umano e animale utilizzando delle serie di fotografie.

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• 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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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…

Progettazione di protesi. Progettazione di attrezzi performanti. Animazione digitale.

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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 èpossibile stimare alcune grandezze dinamiche;

• I sistemi di motion capture trovano applicazione in ambito diverso da quello medicale.

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Sommario


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Tassonomia dei sistemi di motion capture

I sistemi di motioncapture si dividono in due grandi famiglie: sistemi ottici e sistemi non ottici. I sistemi piùaccurati e diffusi, ma anche i più costosi, sono ottici e fanno uso di marker passivi.

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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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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’elettrogoniometrioal 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, facilitàd’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 studiodel movimento di singole sezioni del corporee.

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Sommario


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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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Sistemi inerziali: accelerometri (e giroscopi)

Integrando microaccelerometri, giroscopi e un modello del corpo umano è possibile costruire un sistema di motioncapture.

• VANTAGGI: economici, poco ingombranti, non soffrono del problema delle occlusioni;

• SVANTAGGI: l’accuratezza èlimitata, diminuisce ulteriormente per acquisizioni lunghe.

• APPLICAZIONI: animazione digitale di bassa qualità(videogames), ricerca.

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Sommario


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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 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).

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Sommario


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Sistemi basati su fibre ottiche

• La tecnologia delle fibre otticheè 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;

• APPLICAZIONI: animazione digitale di bassa qualità(videogames), didattica.

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Sistemi ibridi

• Integrando tra di loro diverse tecnologie èpossibile costruire dei sistemi di motioncapture 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 acusticiAlcuni 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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Sistemi ottici

• I sistemi ottici utilizzano foto/videocamere per lo studio del movimento umano.

• Già negli ultimi anni del XIX secolo, Muybridgestudiava il movimento umano e animale utilizzando delle serie di fotografie.

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Sistemi ottici

• Un sistema ottico per il motion capture ècostituito 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 motioncapture ottico a marker passiviè 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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• Grazie all’utilizzo combinato di flash e marker riflettenti, èpossibile 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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• Ogni videocamera èdescritta da un semplice modello matematico.

• L’immagine acquisita èuna 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 2

D

d f

fh

dh DD 23 =

f = focale dell’obiettivo

Corpo camera

Obiettivo

Sensore

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• E’ possibile calcolare la posizione tridimensionale di un marker visto da almeno due camere.

• Tale procedura è detta triangolazione.

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Camera 1 Sensore 1

Centro ottico 1

Camera 2Sensore 2

Centro ottico 2

Sistemi ottici – proiezione di un marker

Marker

X

YZ

Proiezione di un marker su due camere

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Camera 1 Sensore 1

Centro ottico 1

Camera 2Sensore 2

Centro ottico 2

Sistemi ottici -triangolazione

Marker

X

YZ

Ricostruzione della posizione tridimensionale di un marker

visto da due camere

Il marker si trova

all’intersezione tra le due rette.

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• Per effettuare la ricostruzione della posizione tridimensionale di un marker, la posizione e l’orientamento di ogni videocamera devono essere noti.

• 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.

Camera 1 Sensore 1

Centro ottico 1

Camera 2Sensore 2

Centro ottico 2

Marker

X

YZ

Sistema di riferimento

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• Il sistema di motioncapture ottico ricostruisce la posizione tridimensionale dei marker in ogni istante di tempo.

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• Nella fase di tracking, i punti tridimensionali vengono raggruppati per ricostruire le traiettorie di ogni singolo marker.-3

-2.5-2

-1.5-1

-0.50

0.5

-0.6-0.4

-0.20

0

0.5

1

1.5

2

X

Y

Z

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• Infine, viene applicato un modello che assegna ad ogni traiettoria uno specifico significato anatomico.-3

-2.5-2

-1.5-1

-0.50

0.5

-0.6-0.4

-0.20

0

0.5

1

1.5

2

X

Z

Y

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• 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

Captured volume Capturing rate Cost Number

segments Accuracy Notes

Marker-less motion capture Unlimited Few fps Very cheap

(cameras) Unlimited Low Prototypes

Passive markers (VICON-Mx; Oxford

Metrics)Unlimited Up to

2,000 fpsUp to 500K

Euros Unlimited Sub-millimeter

Cameras up to 2352x1728

pixels.

Active markers (Optotrack Certus, NDI)

1126mmx200mmx161mm (up to 15m3 with

low accuracy)

Up to 4,600Hz N/A 512 markers,

170 joints0.2

degrees

4.5kg for the power and

synchronization unit

Eletromechanical sytems (Gypsy-5,

Metamotion)800m x 800m x 800m Up to

120fps 25,000 US$ 42 sensors, 14 joints N/A

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 1m3) up to 75Hz 1,090∈ 1 segment, 3

dot 2 degreesSeveral sensors

can be combined

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Altri strumenti per l’analisi

• Per un’analisi approfondita del movimento umano, ènecessario 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 motioncapture) 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 degli Studi di MilanoBergamoScienza 2007

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 20:3012 Ottobre, ore 20:30PalamontiPalamonti, Bergamo, Bergamo

Workshop: Analisi del movimento in montagnaWorkshop: Analisi del movimento in montagna

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