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Tipo: Dissertação
Título: Utilização de câmeras de ação para análise cinemática tridimensional do movimento humano
The use of action sport cameras for three- dimensional kinematic analysis of human movement
Autor(es): Bernardina, Gustavo Ramos Dalla
Abstract: Câmeras de ação (ASC - Action Sport Camera) são principalmente utilizadas para fins recreativos. Porém contínuas melhorias técnicas, em correspondência a uma redução de custo, cria a possibilidade de seu uso em análises tridimensionais (3D) de movimentos, como no estudo de gestos esportivos e na avaliação quantitativa do desempenho atlético. Nesse contexto, o objetivo geral dessa dissertação foi avaliar a utilização de câmeras de ação (ASC – Action Sport Camera) para a análise cinemática tridimensional. No primeiro estudo o objetivo foi avaliar o efeito de diferentes estratégias de aquisição no protocolo de calibração das ASC e como isso afeta a exatidão tridimensional. Duas GoPro Hero3+ Black (frequência: 60Hz; resolução de imagem: 1280×720 / 1920×1080 pixels) foram posicionadas dentro da água em uma piscina, abrangendo um volume de trabalho de aproximadamente 6m 3 . Foi implementado um procedimento específico de calibração com duas etapas, que consiste na aquisição de um triedro estático e de um bastão em movimento, com nove e um marcadores esféricos passivos, respectivamente. Após avaliar os parâmetros da câmera, foram adquiridas várias posições de uma barra rígida, contendo dois marcadores de distância conhecida, dentro do volume de trabalho. O erro médio da reconstrução sobre a distância inter-marcadores foi inferior a 2,5mm (1280×720) e 1,5mm (1920×1080). Os resultados deste estudo demonstram que a calibração subaquática de ASC é viável, permitindo medições cinemáticas quantitativas com exatidão comparável aos sistemas tradicionais de captura de movimento. No segundo estudo o objetivo foi avaliar a exatidão e reconstrução tridimensional a partir das configurações de aquisição permitida pelas câmeras (diferentes resoluções de imagem, ângulos de visão e frequências de aquisição) em movimentos dentro (piscina) e fora (laboratório) da água. A fim de calibrar o par de câmeras, marcadores esféricos pretos foram colocados em duas ferramentas de calibração, utilizadas tanto dentro quanto fora da água, e uma otimização não-linear de duas etapas foi realizada. A exatidão na reconstrução 3D dos marcadores e a reprodutibilidade ao estimar os parâmetros das câmeras representaram o desempenho do sistema. Para ambos ambientes (laboratório e subaquático), os testes estatísticos foram focados na comparação de diferentes configurações das câmeras. Em seguida, cada configuração foi comparada para os dois ambientes. E foi demonstrada uma aplicabilidade de obtenção de variáveis cinemáticas dentro da água. Em todas as resoluções avaliadas, e em ambos ambientes (laboratório e subaquático), o erro de reconstrução foi inferior a 3mm e o erro relacionado ao volume de trabalho diagonal variou de 1: 2000 (3×1,3×1,5 m 3 ) a 1:7000 (4,5×2,2×1,5 m 3 ) em concordância com a literatura. Estatisticamente, a exatidão 3D obtida em laboratório foi inferior (p<10 -5 ) à subaquática, em todas as configurações de câmera testadas. Em relação à reprodutibilidade dos parâmetros das câmeras, foi encontrada uma baixa variabilidade nos dois ambientes (1.7% e 2.9%, laboratório e subaquático). Na avaliação cinemática do nado foi possível reconstruir a trajetória submersa do nado crawl. Foi identificada uma manutenção do padrão de braçada durante todo o nado e uma técnica comparada ao modelo proposto na literatura. Esses resultados apoiam o uso da tecnologia das ASC para realizar reconstruções quantitativas tanto em laboratório quanto em ambiente subaquático. No terceiro estudo o objetivo foi avaliar, em condição de laboratório, a precisão, exatidão e dados cinemáticos das câmeras ASC e comparar a um sistema comercial de análise de movimento 3D. Quatro câmeras GoPro Hero3+ Black (frequência: 120Hz; resolução de imagem: 1280×720 pixels) e quatro câmeras ViconMX40 (frequência: 120Hz; resolução de imagem: 2353×1728 pixels) foram utilizadas para comparação. Para calibração das câmeras foram utilizadas as ferramentas e o procedimento recomendado pela Vicon (Oxford Metrics Ltd., UK). O desempenho do sistema foi representado pela precisão e exatidão na reconstrução 3D dos marcadores e pela aquisição de dados cinemáticos da marcha e salto. Apesar de ser encontradas altas correlações (r=0,99) e desvios (bias) inferiores a 3mm, os dois sistemas apresentaram uma diferença sistemática confirmada pelo viés estatisticamente significativo. Em relação à exatidão foi encontrada uma diferença entre os dois sistemas, com um erro de 8 a 10 vezes maior para as câmeras ASC. Apesar desses resultados, não foram encontradas diferenças entre os dados cinemáticos. Isso sugere que, apesar do sistema comercial Vicon alcançar melhor desempenho que o sistema com câmeras ASC, como era esperado, em termos práticos, as diferenças não foram significativas para a obtenção de parâmetros cinemáticos. O objetivo principal de um sistema é a análise de movimentos e, desta forma, a ASC se mostrou viável na avaliação da cinemática 3D de movimentos humanos. No quarto estudo o objetivo foi avaliar os parâmetros de exatidão da reconstrução tridimensional e dados cinemáticos fornecidos por câmeras optoeletrônicas e câmeras de ação, colocadas em movimento. Experimentalmente as câmeras foram fixadas em uma estrutura rígida móvel (4,4×4×2,5m 3 ) e os dados foram adquiridos simultaneamente pelos dois tipos de câmeras. Foram realizadas aquisições de um teste de barra rígida e da marcha humana para avaliar a exatidão da reconstrução 3D e calcular as variáveis lineares e angulares da marcha. Algoritmos foram desenvolvidos para fazer a translação do sistema de coordenadas global a partir de pontos de referência dispostos no chão de um corredor de 40 metros, conforme as câmeras e a estrutura se movimentavam. Como resultado preliminar, é importante ressaltar que o erro percentual encontrado (1%) pelas câmeras ASC é comparável ao erro encontrado em aquisições com o sistema estático, como visto no artigo 3 dessa dissertação. Em relação aos dados cinemáticos destaca-se a captura de aproximadamente 18 ciclos de passada em uma única aquisição, fato importante a ser considerado para se definir um padrão de movimento. Além disso, os dois sistemas de avaliação cinemática encontraram valores próximos para as variáveis analisadas. O artigo ainda está em fase de finalização, no entanto sugere que, ao avaliar movimentos em deslocamento horizontal de aproximadamente 40 metros, é viável utilizar ASC para reconstruir tridimensionalmente uma marcha natural, não delimitada à laboratório. Em conclusão, essa dissertação sugere que as ASC são viáveis para avaliar tridimensionalmente movimentos humanos.
Action sport camera (ASC) are used mainly for recreational purposes but their continuous technical improvements, in correspondence of cost decreases, creates the possibility of to use in three-dimensional (3D) motion analysis, as in sports gestures study and athletic performance evaluation quantitatively. In this context, the main purpose of this thesis was to evaluate the usage of the action sport camera (ASC) for three-dimensional (3D) kinematic analysis. In the first study the aim was to evaluate the effect of different acquisition strategies on the calibration protocol of the ASC and how this affects the three-dimensional accuracy. Two GoPro Hero3+ Black (frequency: 60Hz; image resolutions: 1280×720/1920×1080 pixels) were located underwater into a swimming pool, surveying a working volume of about 6m 3 . A two-step custom calibration procedure, consisting in the acquisition of one static triad and one moving wand, carrying nine and one spherical passive markers, respectively, was implemented. After assessing camera parameters, a rigid bar, carrying two markers at known distance, was acquired in several positions within the working volume. The average error upon the reconstructed inter-marker distances was less than 2.5mm (1280×720) and 1.5mm (1920×1080). The results of this study demonstrate that the calibration of underwater ASC is feasible enabling quantitative kinematic measurements with accuracy comparable to traditional motion capture systems. In the second study the aim was to evaluate the reconstruction accuracy three-dimensional from the acquisition configurations allowed by the cameras (different image resolutions, fields of view and acquisition frequencies) in in-air (laboratory) and underwater (swimming pool) movements. In order to calibrate the camera stereo pair, black spherical markers placed on two calibration tools, used both in-air and underwater, and a two-step nonlinear optimization were exploited. The 3D reconstruction accuracy of testing markers and the repeatability of the estimated camera parameters accounted for system performance. For both environments, statistical tests were focused on the comparison of the different camera configurations. Then, each camera configuration was compared across the two environments. And it was demonstrated an applicability of obtaining underwater kinematic variables. In all assessed resolutions, and in both environments, the reconstruction error (true distance between the two testing markers) was less than 3mm and the error related to the working volume diagonal was in the range of 1:2000 (3×1.3×1.5m 3 ) to 1:7000 3 (4.5×2.2×1.5m ) in agreement with the literature. Statistically, the 3D accuracy obtained in the in-air environment was poorer (p<10 -5 ) than the one in the underwater environment, across all the tested camera configurations. Related to the repeatability of the camera parameters, we found a very low variability in both environments (1.7% and 2.9%, in-air and underwater). In the swimming kinematic evaluation it was possible to reconstruct the underwater trajectory of the freestyle. A stroke standard maintenance was identified throughout the swim and a technique compared to the model proposed in the literature. This result encourage the use of ASC technology to perform quantitative reconstruction both in-air and underwater environments. In the third study the aim was to evaluate, in laboratory condition, the precision, accuracy and kinematic data of the ASC cameras and to compare to a commercial system of 3D motion analysis. Four GoPro Hero3+ Black cameras (frequency: 120Hz, image resolution: 1280×720 pixels) and four ViconMX40 cameras (frequency: 120Hz, image resolution: 2353×1728 pixels) were compared. For the camera calibration, the tools and the procedure recommended by Vicon (Oxford Metrics Ltd., UK) were used. The system performance was represented by the precision and accuracy in the 3D reconstruction of the markers and by the acquisition of the gait and jump kinematic data. Although high correlations (r = 0.99) and deviations (bias) of less than 3 mm were found, both systems showed a systematic difference confirmed by the bias statistically significant. Regarding accuracy, a difference between the two systems was found with an error of 8 to 10 times higher for the ASC cameras. Despite these results, no differences were found between the kinematic data. This suggests that although the commercial system Vicon has obtained better performance than the system with ASC camera, as was expected, in practical terms, the differences were not significant for obtaining kinematic parameters. The main objective of a system is the motion analysis and, in this way, the ASC proved to be feasible in the evaluation of the 3D kinematics of the human movements. In the fourth study the aim was to evaluate the accuracy parameters of the 3D reconstruction and the kinematic data provided by optoelectronic cameras and ASC cameras, set in motion. Experimentally the cameras were fixed in a rolling rigid structure (4.4×4×2.5m 3 ) and the data were acquired simultaneously by the two types of cameras. A rigid bar test and human gait were acquired to evaluate the 3D reconstruction accuracy and to calculate the gait linear and angular variables. Algorithms were developed to do the translation of the global coordinate system from reference points arranged on the floor of a 40 meter track runner, according as the cameras and the structure were moving. As a preliminary result, it is important to highlight that the percentage error found (1%) by ASC cameras is comparable to the error found in acquisitions with the static system, as seen in the article 3 of this dissertation. Regarding the kinematic data, it is noteworthy the capture of approximately 18 stride cycles in a single acquisition, an important fact to be considered in order to define a movement pattern. In addition, the two kinematic evaluation systems found close values for the variables analyzed. The article is still being finalized, however, it suggests that when evaluating movements in horizontal displacement of approximately 40 meters, it is feasible to use ASC to reconstruct three-dimensionally a natural gait, not delimited to the laboratory. In conclusion, this dissertation suggests that the ASC are feasible to evaluate human movements three-dimensionally.
Palavras-chave: Biomecânica
Câmeras fotográficas - Calibração
Imagem tridimensional
Mecânica humana
CNPq: Educação Física
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Citação: BERNARDINA, Gustavo Ramos Dalla. Utilização de câmeras de ação para análise cinemática tridimensional do movimento humano. 2016. 129 f. Dissertação (Mestrado em Educação Física) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2016.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.locus.ufv.br/handle/123456789/10029
Data do documento: 25-Out-2016
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