Tipo di dati misurati
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Tipo di dati misurati

Il movimento del soggetto viene calcolato elaborando i dati acquisisti dalle videocamere. Alcuni sistemi di analisi del movimento non richiedono marcatori. Servono a rendere possibile al sistema l'identificazione della figura del soggetto.

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Tipo di dati misurati

Nell'analisi del movimento si misurano tre diversi tipo di dato:

  • Dati cinematici: cioè i movimenti del corpo (vengono misurati utilizzando i sistemi di MOTION CAPTURE).
  • Dati dinamici: cioè le forze e i movimenti 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).

Breve storia delle tecniche di analisi del movimento

Come tecnica definiamo tutto l'insieme degli strumenti e delle procedure che consentono di misurare ovvero di esprimere in termini numerici, grafici o semplicemente sensibili un fenomeno, in una parola di descrivere un fenomeno.

Alcuni strumenti sono di origine antichissima. In particolare l'elettromiografia può essere fatta risalire a Galvani ed a Duchenne de Boulogne.

Le prime tecniche fotografiche e cinematografiche possono essere fatte risalire al già citato precedentemente Muybridge, Braune e Fischer, Marey, attivi alla fine dell'800 in America, Germania e Francia.

Per lo studio del movimento umano esistono diverse tecniche di rilevamento, per ogni tecnica, verranno illustrati i principi di funzionamento ed i principali vantaggi e limiti. Particolare attenzione verrà posta nella descrizione dei principali metodi, quelli che anch'io ho avuto il piacere di studiare e testare da più vicino.

Sistemi ottici

Il sistema ottico 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) acquisisti dalle videocamere.

stereofotogrammetria
Sistema ottico (stereofotogrammetria)

Alcuni sistemi di analisi del movimento non richiedono marcatori. In questo casovengono definiti dall'operatore via software sull'immagine del corpo del soggetto durante la fase di elaborazione. Mentre alcuni 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.

Sistema senza markers
Sistema senza markers

Ci sono poi i sistemi dove avviene l'apposizione di marcatori riflettenti su punti di repere anatomici posti sul corpo del soggetto. Questi sono generalmente delle piccole semisfere ricoperte di carta adesiva riflettente (markers PASSIVI) o piccole lampadine led (markers ATTIVI). Servono a rendere possibile al sistema l'identificazione della figura del soggetto.

Un sistema di analisi ottica 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.
Analisi ottica a markers passivi
Analisi ottica a markers 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.

Analisi ottica a markers passivi
Markers passivi

Ogni videocamera è descritta da un semplice modello mat ematico. L'immagine acquisita è una proiezione bidimensionale di una scena tridimensionale. In pratica, tuttii raggi luminosi passano dal centro ottico dell'obbiettivo prima di arrivare sul sensore della fotocamera. E' possibile calcolare la posizione tridimensionale di un marker visto da almeno due camere. Tale procedura è detta triangolazione.

triangolazione
Procedura di triangolazione

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. Il sistema di motion capture ottico ricostruisce la posizione tridimensionale dei marker in ogni istante di tempo. Nella fase di tracking, i punti tridimensionali vengono raggruppati per ricostruire le traiettorie di ogni singolo marker. Infine, viene applicato un modello che assegna ad ogni traiettoria uno specifico significato anatomico.

traiettorie
Traiettorie tridimensionali dei markers

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.

  • 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).