Ćwiczenie laboratoryjne nr 3:SYSTEM MOTION CAPTURE

Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z pomiarem trajektorii ruchu z użyciem systemu Motion Capture.

A. ZAGADNIENIA DO PRZYGOTOWANIA

1. Systemy Motion Capture.2. System Motion Capture NDI Optotrak – budowa, zasada działania, możliwości

pomiarowe.3. Zastosowania systemu Motion Capture.

B. LITERATURA

1. Birch K, MacLaren D, George K (2009) Fizjologia sportu – krótkie wykłady. Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa

2. Błaszczyk J (2004) Biomechanika kliniczna – podręcznik dla studentów medycyny i fizjoterapii. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa

3. Chwała W, Maciejasz P (2009) Fascynacja ruchem – technika Motion Capture. Podstawy inżynierii biomedycznej tom I pod red. prof. Ryszarda Tadeusiewicza i prof. Piotra Augustyniaka. Wydawnictwa AGH, Kraków, ss. 313–338

4. Chwała W, Maciejasz P (2008) Wizualizacja ruchu – systemy rejestracji ruchu i ich zastosowanie. Inżynieria biomedyczna księga współczesnej wiedzy tajemnej w wersji przystępnej i przyjemnej pod red. naukową prof. Ryszarda Tadeusiewicza. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, ss. 132–140

5. Emeryk-Szajewska B, Niewiadomska-Wolska M (2008) Neurofizjologia kliniczna – elektromiografia i elektroneurografia. Wydawnictwo Medycyna Praktyczna, Kraków

6. Górski J (2008) Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa

7. Grimshaw P, Lees A, Fowler N, Burden A (2010) Biomechanika sportu – krótkie wykłady. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

8. Kirtley C (2006) Clinical and gait analysis – theory and practice. Elsevier

9. Mirek E, Chwała W, Laska J, Szczudlik A, Rudzińska M (2004) Patterns of locomotion in patients with Parkinson’s Disease after PNF method of therapeutic rehabilitation. Gait and Posture, ESMAC: 97

10. Perry J (1992) Gait analysis – normal and pathological function. SLACL Incorporated, Thotofare, Stany Zjednoczone

11. Tokarczyk R (2007) Automatyzacja pomiaru na obrazach cyfrowych w systemie fotometrycznym do badania wad postawy. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków

12. Z1 – Phasespace – http://www.indiana.edu/~dll/equipment.html13. Z2 – SIMI motion – http://physed.otago.ac.nz/about/virtual.html14. Z3 – SIMI SCOUT – http://www.zan.at/products/simi15. Z4 – NDI human – http://en.souvr.com/product/201105/8016.html16. Z5 – NDI sensor – http://www.ndigital.com/lifesciences/certus.php17. Z6 – NDI area – http://www.ndigital.com/lifesciences/certus-techspecs-fullvolume.php18. Z7 – Visual3D –

http://www.cadengineering.co.in/_/rsrc/1283516940999/home-6/products/3d-bio-mechanics-modelling--analysis-software/collage 28old 29.jpg

C. WPROW ADZENIE TEORETYCZNE

1. Systemy Motion Capture

Spośród metod wykorzystywanych w precyzyjnej analizie ruchu ciała człowieka wymienić można wyspecjalizowane systemy śledzenia ruchu (ang. Motion Capture) zsynchronizowane często z dodatkowymi sensorami (EMG, czujnikami nacisku stóp, platformą dynamometryczną). Działanie tych systemów oparte może być na różnych zasadach fizycznych: magnetycznych, ultradźwiękowych, inercyjnych, elektromechanicznych (egzoszkielet z wbudowanymi potencjometrami) czy wreszcie na najbardziej popularnych i najczęściej stosowanych – optycznych.

Systemy optyczne można generalnie podzielić na systemy markerowe i bezmarkerowe. W pierwszych z nich wykorzystywane są markery umieszczane na ciele osoby badanej w znanych punktach antropometrycznych, w punktach osi obrotów stawów, na wyniosłościach kostnych, czy też innych dodatkowo zdefiniowanych miejscach w zależności od potrzeb danego badania i użytego modelu.

W przypadku systemów firmy Vicon i BTS Smart znaczniki są postaci niewielkich kulek obklejonych materiałem odblaskowym. Naokoło badanego człowieka ustawiane są nieruchome kamery z oświetlaczami (w zakresie bliskiej podczerwieni) rejestrujące światło odbite od poszczególnych kulistych markerów. Tuż po zarejestrowaniu ruchu człowieka na wyjściu systemu otrzymywany jest film z jego nagraniem. Każda kolejna klatka filmowa zawiera zbiór nierozróżnialnych punktów, które należy dopiero zidentyfikować tzn. przyporządkować określone nazwy odpowiadające położeniu danego markera na ciele człowieka. Operacja ta jest co prawda wspomagana przez dołączone oprogramowanie, jednakże może generować błędy, które operator musi eliminować w sposób ręczny. Problemy z identyfikacją markerów zrodziły pomysł zastosowania markerów aktywnych, których identyfikacja wykonywana byłaby automatycznie – elektronicznie (systemy firmy Phasespace, NDI).

W systemie Phasespace stosowane są aktywne markery postaci diod LED (ang. Light-Emitting Diode) światła czerwonego lub podczerwonego. Automatyczna identyfikacja markerów jest możliwa dzięki różnej częstotliwości świecenia poszczególnych markerów (rys. 1).

Rys. 1 System Phasespace (Z1)

Systemy bezmarkerowe (firmy Organic Motion, Simi, KA3D – rys. 2) wykorzystują do rejestracji ruchu kamery wizyjne, a następnie dedykowane algorytmy przetwarzania obrazów w celu segmentacji z obrazu tła sylwetki badanej osoby oraz podzieleniu jej na określone segmenty ciała, których ruch jest przedmiotem analizy (kończyny górne i dolne, głowa, tułów). Stosuje się je przede wszystkim wówczas, gdy istnieje potrzeba zupełnie nieinwazyjnej analizy ruchu w warunkach pozalaboratoryjnych np. na stadionie, basenie, boisku czy skoczni narciarskiej podczas zawodów sportowych. Jeśli istnieje taka konieczność, naklejane są dodatkowo na ciele badanego pomocnicze znaczniki w kolorze dobrze odróżnialnym od tła, ciała czy ubrania badanego.

Rys. 2 Okno oprogramowania systemu SIMI Motion – analiza ruchu sportowca podczas wykonywania salta w tył (Z2)

Niektóre systemy umożliwiają również porównywanie i ocenę techniki ruchu sportowca w kolejnych próbach wykonywania tego samego ćwiczenia ruchowego (SIMI Motion Twin), a także porównywanie techniki i taktyki pojedynczego zawodnika oraz całej drużyny w sportach zespołowych (rys. 3).

Rys. 3 Okno oprogramowania systemu SIMI Scout – analiza taktyki sportowców (Z3)

2. Zastosowania rejestracji ruchu człowieka

Badanie motoryki ciała ludzkiego poprzez automatyczną precyzyjną analizę ruchu możliwą dzięki zastosowaniu systemów Motion Capture ma niebagatelne znaczenie w medycynie, rehabilitacji czy nawet w wyczynowym sporcie. Dzięki automatycznej analizie ruchu można wysnuwać wnioski dotyczące etiologii powstałych nieprawidłowości, wskazywać struktury odpowiedzialne za patologiczne ruchy, a co za tym idzie w sposób obiektywny dokonywać ewaluacji dotychczasowego leczenia i planować dalsze postępowanie terapeutyczne i rehabilitacyjne. Aparat ruchu człowieka cechuje się znacznym stopniem złożoności (144 ruchome człony) i nadmiarowością stopni swobody (ponad 230) (Błaszczyk, 2004; Tokarczyk, 2007). Zaburzenia sterowania w ośrodkowym układzie nerwowym, zaburzenia przekazu impulsów nerwowych w nerwach obwodowych, zmiany w obrębie stawów, kości, mięśni, więzadeł czy ścięgien mogą wpływać na powstawanie i utrwalanie niefizjologicznych wzorców ruchowych, co z kolei może być przyczyną poważnych problemów degeneracyjnych. Obiektywna analiza zadanej aktywności ruchowej ciała człowieka niesie ze sobą szereg istotnych informacji.

Doświadczeni biomechanicy kliniczni, lekarze czy fizjoterapeuci na bazie uzyskanych wyników i ich porównania z wartościami normy wnioskują o stanie osoby poddawanej diagnozie. Ocena ruchu może być przydatna we wszelkiego rodzaju problemach natury ortopedycznej, jak również innych schorzeniach (szczególnie neurologicznych), których bezpośrednim lub pośrednim efektem są zaburzenia we wzorcach ruchowych.

Badania ruchu osób z chorobą Parkinsona umożliwiają opracowanie kryteriów stabilności podczas chodu i zmiany kierunku ruchu, kinematycznych parametrów drżenia kończyn oraz wykrywanie faz chodu, w których chora osoba jest najbardziej narażona na upadek (Mirek i in., 2004).

W rehabilitacji po urazach, bądź zabiegach chirurgicznych w obrębie narządu ruchu ogromną wagę przywiązuje się do nauczenia pacjenta prawidłowego, symetrycznego ruchu, a także do żmudnej, ale dającej w swoim czasie pożądane efekty, pracy nad stabilnością postawy i stawów. Efekty tego typu działań fizjoterapeutycznych można również w sposób obiektywny sprawdzić i ilościowo ocenić, dokonując automatycznej analizy ruchu (Chwała i Maciejasz, 2009).

W sporcie wyczynowym natomiast ogromne znaczenie ma odpowiednia technika ruchu dobrana indywidualnie do predyspozycji konkretnego zawodnika, która skutkuje nie tylko lepszymi wynikami sportowymi, ale co ważniejsze minimalizowaniem niebezpiecznych dla zdrowia obciążeń treningowych. Również i w tym wypadku okazuje się przydatna precyzyjna ilościowa analiza ruchu sportowca (Chwała i Maciejasz, 2008).

Dostępne dziś na rynku systemy Motion Capture stanowią znakomite narzędzie do dokładnej i obiektywnej analizy ruchu układu kostno-mięśniowego człowieka.

3. System Optotrak Certus NDI

System Motion Capture – Optotrak Certus firmy NDI służy do pozycjonowania i rejestracji obiektu (ciała człowieka) w ruchu poprzez optyczne śledzenie umieszczonych na nim uprzednio markerów. Dzięki temu, iż w systemie tym markery są postaci diod światła podczerwonego (tzw. markery aktywne) (rys. 5), ich identyfikacja realizowana jest w sposób automatyczny poprzez sekwencyjną aktywację, co oznacza, że tylko jeden marker jest aktywny (świeci) w danej chwili czasowej. W rozwiązaniu tego typu nie ma niebezpieczeństwa zaistnienia sytuacji, kiedy raz zidentyfikowane markery stawałyby się anonimowe na kolejnych klatkach filmu lub gdy markery położone blisko siebie zostałyby zamienione miejscami (krzyżowanie trajektorii markerów).

Stanowi to ogromną zaletę w stosunku do systemów wykorzystujących markery bierne – odblaskowe, w których niestety problemy identyfikacyjne nie należą do rzadkości, zwłaszcza w przypadku rejestracji ruchów o bardziej złożonej charakterystyce, odznaczających się większymi wartościami wielkości kinematycznych, takich jak prędkość czy przyspieszenie. W systemach z markerami biernymi z pomocą przychodzi dedykowane do systemu oprogramowanie, w którym w sposób semiautomatyczny korzystając z określonych informacji (wzajemne statyczne umiejscowienie markerów na obiekcie, podobieństwo trajektorii różnych markerów) dokonywać można aproksymacji danych trajektorii ruchu markerów. W systemach z markerami aktywnymi, jak NDI Optotrak Certus, łatwość ich identyfikacji okupiona jest niedogodnością w postaci konieczności zasilania i połączenia markerów kablami, co może w jakimś stopniu ograniczać swobodę wykonywania ruchów objętych badaniem.

Rys. 5 Aktywne markery połączone kablami i Rigid Bodies systemu NDI Optotrak Certus (Z4)

Czujnik pozycyjny NDI, który ma za zadanie śledzić markery, złożony jest z trzech kamer czułych na światło podczerwone. W zależności od pożądanej w danym doświadczeniu geometrii przestrzeni pomiarowej (rys. 7), może on być umiejscowiony poziomo, bądź też pionowo (rys. 6).

Rys. 6 Czujnik pozycyjny systemu NDI Optotrak Certus w konfiguracji odpowiednio od lewej: poziomej i pionowej (Z5)

Rys. 7 Przestrzeń pomiarowa systemu NDI Optotrak Certus (Z6)

Pojedynczy czujnik pozycyjny stwarza możliwość pomiaru trajektorii markerów w przestrzeni trójwymiarowej, jednak tylko z jednej strony ciała. Jeśli badania wymagałyby pomiaru całej sylwetki człowieka z każdej strony i co za tym idzie na stworzeniu jej biomechanicznego modelu kostno-mięśniowego, należałoby wówczas rozbudować system o dodatkową liczbę czujników oraz zakupić dodatkowe oprogramowanie dedykowane do tego celu (rys. 8).

Rys. 8 Oprogramowanie Visual3D do modelowania ciała człowieka w ruchu (Z7)

System ma możliwość podłączenia maksymalnie 512 markerów i 8 czujników pozycyjnych jednocześnie. Bardzo użyteczną funkcją systemu NDI, dostępną w podstawowym zestawie, jest opcja definiowania nierzeczywistych markerów (ang. Imaginary Markers) i ciał sztywnych (ang. Rigid Bodies). Pierwsze z nich są stosowane, gdy istnieje potrzeba śledzenia miejsca na obiekcie, gdzie nie jest możliwe umiejscowienie markera, drugie natomiast służą do pomiarów rotacji segmentów badanych obiektów. Ciała sztywne tworzą trzy markery usytuowane w stałych od siebie odległościach w jednej płaszczyźnie na specjalnej trójkątnej plastikowej podkładce (rys. 5). Ogromną zaletą systemu NDI wyróżniającą go spośród innych systemów Motion Capture dostępnych na rynku są jego parametry techniczne:

dokładność pozycjonowania i śledzenia markerów – 0,1 mm, rozdzielczość – 0,01 mm, maksymalna częstotliwość próbkowania (zależna od liczby podłączonych markerów) –

4600/(liczba markerów + 2,3).

D. INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

1. Elementy stanowiska pomiarowego

system NDI (czujnik pozycyjny, jednostka centralna, markery, wireless strober, wireless transmitter)

taśma dwustronna mata, piłka do gry, piłka rehabilitacyjna, piłka gimnastyczna komputer stacjonarny

2. Przebieg eksperymentu pomiarowego

Włącz komputer i z listy dostępnych systemów operacyjnych wybierz Windows XP Professional x64 Edition (ostatni na liście).

Włącz jednostkę centralną NDI (przycisk na froncie po lewej stronie urządzenia) i czujnik pozycyjny NDI (przełącznik 0/1 z boku urządzenia).

Z Pulpitu włącz program NDI First Principles.

W celu sprawdzenia połączenia jednostki centralnej i czujnika pozycyjnego między sobą i komputerem wejdź w Utilities, Query System i odczekaj aż do momentu pojawienia się komunikatu. Jeśli cały system poprawnie działa po kilku-kilkunastu sekundach pojawi się komunikat Detected System Devices, a w nim lista wykrytych urządzeń System Unit SU-04650 i Camera C3-04639 3 Sensors. Kliknij – Close.

Za pomocą dwustronnej taśmy naklej markery na ciele badanej osoby (liczba i miejsce przymocowania markerów zależne od badanych ruchów – patrz dalej). Połącz markery ze sobą i do urządzenia Wireless Strober za pomocą kabli. Do Wireless Strober podłącz akumulator.

Odłącz kabel od urządzenia Wireless transmitter, znajdującego się na czujniku pozycyjnym i przełącz go do Wireless Strober. System będzie mógł wówczas sprawdzić i dokonać detekcji podłączonych do niego markerów.

Wejdź w File, New Experiment, zostaw ustawienia bieżące i kliknij Next. Kliknij ponownie Next. Pojawi się nowe okno. W Port 1 powinna znajdować się liczba podłączonych do systemu markerów (jeśli liczba ta jest mniejsza niż liczba rzeczywistych markerów, zmień kable i markery na nowe i powtórz operację).

Wejdź w zakładkę Rigid Body Setup, kliknij u dołu Add, wybierz smart_03.rig i następnie kliknij Open. Kliknij Next.

Pojawi się komunikat Wireless mode? Zatwierdź – OK. Pojawi się komunikat Remove Wireless strobers. Wykonaj czynności, o których jest w nim mowa tzn. odłącz kabel od Wireless Strober i podłącz go z powrotem do Wireless transmitter. Następnie kliknij OK na komunikacie. Podaj nazwę swojego badania w Session name i kliknij Finish.

Wejdź w Collection, a następnie w Collection Properties. W Collection Duration ustaw 99999, zaznacz Markers Active, odznacz Automatic Marker Deactivation, zatwierdź – OK.

Wejdź w View i zaznacz: Spatial View i StripChartView. W oknie SpatialView kliknij trzy razy trzeci od lewej przycisk (w celu poprawnej konfiguracji widoku markerów w przestrzeni).

Wejdź w Collection i Calculations. Kliknij Add i następnie wybierz z listy np. Distance między dwoma markerami, Angle7 między prostymi wyznaczonymi przez podane markery.Wejdź w View i View Properties, DataSets. Zaznacz parametry, które chcesz obserwować na wykresie (położenia x, y, z markerów, rotacje x, y, z ciał sztywnych, distance, angle7, itd.). Zatwierdź OK.

W celu rozpoczęcia nagrywania badania kliknij na dole ekranu przycisk oznaczony czerwoną kropką Start new collection. W celu zakończenia i automatycznego zapisania danych kliknij przycisk oznaczony czarnym kwadratem Stop recording.

W Spatial View możesz najechać kursorem na punkt-marker. Kliknij prawym przyciskiem myszy i ustaw większy rozmiar markera (np. 10). Przytrzymaj Shift, kliknij w jeden marker i następnie w drugi – pojawi się połączenie (linia) między dwoma markerami.

W celu eksportu danych do pliku tekstowego, wejdź w File, a następnie w Export Data. Znajdź plik z użyciem Add File(s), zaznacz go, wybierz folder do zapisu oraz zaznacz opcję ASCII. Kliknij Export i OK. Dane w pliku wynikowym (.xls) są zapisane w formacie ASCII.

Możesz wykonać następujące eksperymenty pomiarowe (UWAGA: każdy kolejny pomiar zapisz w innym pliku. Przy powyższych pomiarach możesz wykorzystać różne przyrządy gimnastyczne będące wyposażeniem stanowiska):

badanie przestrzeni pomiarowej systemu NDI pomiar nieruchomej sylwetki z przodu lub z boku pomiar prostych ruchów głowy, tułowia, kończyn górnych i dolnych w pionie, poziomie,

do przodu, do tyłu pomiar rotacji podczas bardziej skomplikowanych ruchów rotacyjnych segmentów ciała pomiar zadanych ruchów przy różnej szybkości ich wykonania pomiar ruchu przy różnych modyfikacjach ćwiczenia ruchowego pomiar ruchu podczas poprawnie i niepoprawnie wykonywanego ćwiczenia ruchowego

Wyłącz program NDI First Principles.

Odłącz markery od siebie oraz od Wireless Strober. Odłącz również akumulator od Wireless Strober.

Wyłącz jednostkę centralną NDI oraz wyłącz sensor pozycyjny NDI.

E. WZORZEC SPRAWOZDANIA

Ćwiczenie laboratoryjne nr 3:SYSTEM MOTION CAPTURE

Grupa (1-7):

………………

Grupa (A-D):

………………

Skład osobowy grupy (Imię i Nazwisko):

……………………………………………

……………………………………………

……………………………………………

……………………………………………

Data wykonania ćwiczenia:

………………………Data oddania

sprawozdania:

………………………

UWAGA: przy kolejnych pomiarach napisz, jakie ćwiczenia wykonywałeś. Jeśli wykonywałeś dodatkowe ćwiczenia, zawrzyj informacje o nich w sprawozdaniu.

a) badanie przestrzeni pomiarowej systemu NDIZarejestruj położenia markerów w miejscach krańcowych (najdalej na prawo, na lewo, do góry, na dół). Zanotuj ew. dodatkowe uwagi/spostrzeżenia.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

b) pomiar nieruchomej sylwetki z przodu lub z bokuPodaj wartości kątów między poszczególnymi segmentami ciała. Korzystając z tych danych i uzyskanych wykresów współrzędnych w czasie oceń symetrię ciała. Zanotuj ew. dodatkowe uwagi/spostrzeżenia.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

c) pomiar prostych ruchów głowy, tułowia, kończyn górnych i dolnych w pionie, poziomie, do przodu, do tyłu

Na podstawie zarejestrowanych danych oceń zakres ruchów poszczególnych segmentów ciała. Zanotuj ew. dodatkowe uwagi/spostrzeżenia.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

d) pomiar rotacji podczas bardziej skomplikowanych ruchów rotacyjnych segmentów ciałaPodaj zmierzone wartości rotacji. Przerysuj wykresy rotacji w czasie. Zanotuj ew. dodatkowe uwagi/spostrzeżenia. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

e) pomiar zadanych ruchów przy różnej szybkości ich wykonaniaSkomentuj uzyskane wykresy.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

f) pomiar ruchu przy różnych modyfikacjach ćwiczenia ruchowegoSkomentuj uzyskane wykresy.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

g) pomiar ruchu podczas poprawnie i niepoprawnie wykonywanego ćwiczenia ruchowegoSkomentuj uzyskane wykresy.………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………