Guide d’achat des systèmes de capture de mouvement 3-D pour le sport

L’utilisation de la capture de mouvement se développe dans tous les domaines du sport et du divertissement, en particulier au niveau de l’élite. Alors que la technologie migre de la recherche vers les entreprises d’entraînement clinique et commercial, l’utilisation des données pour faire des choix éclairés présente des défis.

Dans ce guide, nous examinons les meilleures options en matière de capture de mouvement et montrons les différences importantes dans ce que les technologies spécifiques peuvent faire et ce qu’elles ne peuvent pas faire. La capture de mouvement est un terme très vague, et cet article articule ce qui est exactement la vraie capture de mouvement 3-D et ce qui ne l’est pas. La capture de mouvement évolue et son utilisation augmente à tous les niveaux, et les professionnels de la performance sportive doivent rester à jour sur les meilleures options et les meilleures pratiques disponibles.

Qu’est-ce que la capture de mouvement 3-D ?

La capture de mouvement est un terme très lâche, et capturer le mouvement peut signifier presque tout maintenant. Cependant, il fait généralement référence à un enregistrement modifié du mouvement total du corps en trois dimensions. Maintenant que les capteurs IMU sont entrés sur le marché, un accéléromètre avec un gyroscope peut sembler être une véritable capture de mouvement, mais il y a une différence entre mesurer le mouvement avec quelques capteurs et capturer un corps en action. La plupart des lecteurs imagineront des marques réfléchissantes sur un corps pour numériser un athlète en trois dimensions lorsqu’on évoque le terme de capture de mouvement, mais il est extrêmement important de savoir ce qui constitue un véritable enregistrement en 3D.

Il existe une différence entre la mesure du mouvement avec quelques capteurs et la capture d’un corps en action. Click To Tweet

Un petit capteur a certes la capacité de collecter des données d’orientation, mais à moins qu’il ne collecte tout le corps, ces systèmes doivent être considérés comme des capteurs de mouvement, et certains systèmes créent effectivement des rendus de mouvement en compétition à partir d’enregistrements. Les critères d’une véritable capture de mouvement en 3D sont les suivants :

• Créer une acquisition complète et totalement authentique du mouvement total du corps.
• Fournir une orientation anatomique des points de référence.
• Requérir un enregistrement direct de données en trois dimensions.
• Capable de collecter des activités balistiques avec une fréquence de mesure élevée.

Comme vous pouvez le voir dans cette liste, à moins que toutes les exigences soient satisfaites, il est facile de confondre un enregistrement de mouvement par un seul capteur, brut et hors contexte, avec la capture de mouvement. Les IMU utilisés ensemble peuvent créer des données de capture de mouvement à partir de calculs, mais ajoutent un autre niveau de complexité au défi que représente la mesure des mouvements du corps. Les caméras sans marqueur, comme le dispositif Kinect de Microsoft, utilisent ensemble un laser infrarouge et une caméra pour créer une profondeur en trois dimensions, mais ces systèmes ont des limites dans le sport.

Comment fonctionne la capture de mouvement ?

La capture de mouvement est une partie de marquage et de suivi du corps et une partie de conversion de ces informations en données utiles à la fois pour la recherche et les applications sur des marchés tels que le divertissement. La quantité de détails et de précision dont un utilisateur de la capture de mouvement a besoin détermine la façon dont les données sont collectées, car chaque système a des capacités et des contraintes à la fois avec la précision et la flexibilité des informations. Certains systèmes de capture de mouvement sont conçus pour une utilisation en intérieur mais possèdent certaines fonctions extérieures qui sont efficaces et appropriées. La capture des mouvements du corps entier nécessite un environnement contrôlé pour que le système ait suffisamment de robustesse pour collecter les données correctement.

Deux options claires existent avec la capture de mouvement : les systèmes à marqueurs ou optiques et les solutions sans marqueurs. La capture de mouvement à l’aide de la vidéo est possible, mais la plupart des systèmes de qualité recherche préfèrent utiliser des caméras infrarouges et des marqueurs réfléchissants. Certains systèmes moins précis gagnent en popularité car ils sont peu coûteux et résolvent des problèmes plus faciles, comme l’analyse de la course sur tapis roulant. Ces nouveaux systèmes moins précis s’emparent désormais d’une partie étroite du marché de la capture de mouvement.

Les combinaisons corporelles portables, généralement équipées de capteurs IMU, deviennent plus populaires en raison de leur portabilité, mais elles sont considérées comme des options plus cliniques qui exigent moins de granularité et de précision des données. Les systèmes de capture de mouvement haute performance sont si fins qu’ils peuvent voir les expressions faciales et les mouvements des doigts dans les moindres détails, comme ceux d’une personne jouant du piano. Sans trop simplifier le processus, la capture de mouvement commence par enregistrer le mouvement à partir de caméras et de parties du corps marquées, ou estime le mouvement en utilisant des caméras et des capteurs IMU plus limités.

Après la capture des données, un filtrage et des calculs supplémentaires sont effectués pour nettoyer les données et s’assurer que les artefacts de mouvement ne créent pas de faux rapports. Des marqueurs réfléchissants sont placés sur le corps avec des directives spécifiques pour s’assurer que les données sont exactes et précises, car les muscles et la peau peuvent se déplacer à grande vitesse, créant un défi avec la qualité des données. Les points de repère anatomiques sont sélectionnés pour leur fiabilité et leur valeur pour relier le mouvement des articulations. Les combinaisons et les systèmes IMU suivent une approche similaire en ce qui concerne les emplacements, mais ils ont des emplacements uniques basés sur la conception de leur équipement plutôt que de suivre une meilleure pratique scientifique. Les systèmes sans marqueur nécessitent une configuration appropriée de la caméra en fonction des besoins, car la plupart des systèmes examinent des mouvements dont le positionnement est stationnaire, comme marcher sur place, s’accroupir et faire d’autres fonctions de base.

L’étape finale consiste à prendre les données et à les convertir en rapports ou à utiliser une fonction qui les transforme en animation ou en simulation. En plus des données collectées par la capture de mouvement, les entreprises créent des solutions qui permettent aux utilisateurs de combiner plusieurs ensembles de données, comme les plaques de force et les lectures EMG. Ces dernières années, la plupart des développements ont porté sur le côté logiciel des systèmes optiques et sur le côté matériel des solutions sans marqueur et IMU. Tous les types de solutions nécessitent beaucoup de lissage et de nettoyage des données, mais il faut travailler davantage avec les IMU en général par rapport aux options optiques.

Différentes options avec le matériel de capture de mouvement

Pour la plupart, le matériel de capture de mouvement est conçu pour la recherche ou des besoins cliniques très progressifs. L’analyse vidéo est plus courante en tant qu’option de biofeedback avec les entraîneurs, mais la capture de mouvement se développe grâce au marché des IMU. Le marché optique, également connu sous le nom de systèmes à base de caméras, tend à être plus approprié à la recherche, tandis que le marché des capteurs tend à être plus clinique et orienté vers la performance sportive.

Par exemple, Motus fournit une option de capteur unique pour les athlètes lanceurs, tels que ceux qui lancent (baseball), jouent au bowling (cricket) et font des passes (football américain). Bien que ce système capture les mouvements près du coude, il s’agit principalement d’un calcul car de nombreuses hypothèses sont faites lorsque d’autres ensembles de données ne sont pas disponibles, comme le tronc et les jambes. Les systèmes IMU ont tendance à avoir moins d’exactitude et de précision, mais la technologie s’améliore et comble lentement l’écart.

La valeur la plus évidente de la technologie de capture de mouvement est son analyse automatique des données pour l’utilisateur. Click To Tweet

Nous ne devrions pas inclure la vidéo conventionnelle – même avec plusieurs caméras – comme option de capture de mouvement, pour plusieurs raisons. La valeur la plus évidente de la capture de mouvement est que la technologie analyse automatiquement les données au lieu que l’utilisateur du logiciel doive le faire manuellement. Certains systèmes vidéo automatisent la vidéo comme la capture de mouvement, en numérisant la série de caméras pour calculer le mouvement, mais le problème avec cette technique est que les restrictions d’éclairage et d’autres facteurs avec les données visuelles peuvent limiter les exigences de haute précision. Les marqueurs directs ont un historique plus fiable de données stables, mais en raison des confins de la compétition, la vidéo est toujours viable parce que les marqueurs ne sont pas pratiques ou appropriés.

Les marqueurs sont communément de petites pièces jointes en forme de bille de la taille d’une bille ou des cercles réfléchissants appliqués sur les athlètes. Certains systèmes utilisent des attachements de type enveloppe, comme des bandes de sueur et des bracelets, et certains systèmes fournissent des combinaisons ajustées par des utilisateurs formés. Les options de caméra sans marqueur utilisent simplement le matériel pour capturer la vidéo, mais elles fournissent beaucoup moins d’informations et exigent que le matériel soit extrêmement proche de l’utilisateur, par exemple à quelques mètres. Ces systèmes ne peuvent actuellement pas évaluer des actions sportives très rapides ou ayant des exigences de déplacement élevées.

Certains systèmes fournissent du matériel de synchronisation et d’autres outils pour des études avancées ou des besoins spécifiques, comme le tournage sous l’eau et la capture à distance. La plupart des équipements autres que les caméras et les marqueurs sont conçus pour aider à déclencher le démarrage et l’arrêt d’autres capteurs, comme les plaques de force, l’EMG et la pression dans les chaussures. Certains systèmes incluent des casques de réalité virtuelle ou des moyens de se connecter à ces appareils, mais la plupart des accessoires sont de simples câblages et autres.

Comprendre le logiciel de capture de mouvement

La plupart des options logicielles pour la capture de mouvement ont deux objectifs : convertir les données de mouvement en une animation pour des utilisations de relecture scientifique ou de divertissement. Presque toutes les entreprises proposent une option de relecture, et certains logiciels permettent au spectateur de choisir des perspectives et des styles d’animation, tels que la ligne (figures en bâton), le squelette ou la figure humaine. Les logiciels avancés peuvent mesurer des mouvements très précis de manière isolée ou créer des rapports basés sur les meilleures pratiques en matière de méthodologie d’analyse. Plusieurs options de logiciels sont agnostiques sur le plan matériel, ce qui signifie que presque n’importe quel matériel peut se connecter au logiciel.

Le but du logiciel pour les sports est d’afficher des mouvements exempts des débris visuels que la vidéo contient parfois. Comme la vidéo, la capture de mouvement aide comme moyen de connecter d’autres ensembles de données qui sont moins visuels, comme l’EMG et l’analyse de la force. Les chercheurs peuvent voir les relations entre le mouvement et le recrutement musculaire, ainsi que les forces de réaction au sol si nécessaire.

L’objectif du logiciel de capture de mouvement pour les sports est d’afficher le mouvement sans débris visuels. Click To Tweet

Parfois, les mouvements avec la capture de mouvement ne sont pas réellement mesurés, car les utilisateurs veulent juste des vues qualitatives à synchroniser avec des mesures quantifiées telles que les données cinétiques des capteurs. L’analyse manuelle est parfois effectuée avec un logiciel de capture de mouvement, en particulier dans les recherches sur les mouvements cycliques. Les sports d’endurance – ceux qui sont typiquement cycliques, comme la course à pied – font habituellement une moyenne ou une évaluation statistique des mouvements répétitifs afin d’avoir un aperçu des défauts biomécaniques ou des erreurs techniques possibles.

Les plateformes logicielles peuvent aller de suites très coûteuses à des lecteurs 3-D rationalisés, mais presque tous les logiciels de recherche ont suffisamment de chevauchement pour que les différences soient très mineures. Certaines plateformes logicielles ne sont que des options de gestion de fichiers, car les fournisseurs de matériel s’attendent à ce que le marché des plateformes permette l’analyse de données analogiques. Ainsi, ils réduisent leur développement logiciel pour se concentrer uniquement sur le matériel. Les options uniquement matérielles et uniquement logicielles sont rares, mais il existe quelques petites entreprises qui ne fournissent que l’une ou l’autre.

Meilleurs usages de la capture de mouvement dans le sport

Les praticiens utilisent souvent une solution de capture de mouvement pour visualiser la fonction du corps dans toutes les perspectives et extraire les angles des articulations. Ceux qui travaillent dans le domaine de la performance, comme les biomécaniciens, veulent les données pour étudier comment les athlètes se déplacent, tandis que les spécialistes médicaux veulent voir pourquoi les athlètes se blessent en premier lieu. Le domaine de la médecine sportive s’intéresse aux dysfonctionnements avant, pendant et après une blessure, tandis que l’espace performance a besoin d’apprendre ce qui permet à un athlète de réussir en matière de mouvement. Il existe un modèle de diminution des performances et d’augmentation du risque de blessure lorsque les données de base tombent, et les entraîneurs et les professionnels de la santé utilisent parfois la technologie de capture de mouvement pour traiter des blessures importantes ou complexes.

L’utilisation la plus courante de la capture de mouvement est l’analyse de la démarche. Bien que d’autres mouvements soient importants dans le sport, presque toutes les activités terrestres comprendront une sorte de mouvement de course, qu’il s’agisse de sprint, de jogging ou de marche. Certaines cliniques ont consacré d’énormes ressources à des programmes de rééducation pour les athlètes blessés, mais la plupart des installations privées utilisent l’analyse de capture de mouvement pour le marketing de la marque ou de l’installation, plutôt que de véritables solutions basées sur l’intervention.

Le flux de travail de la capture de mouvement n’est pas un fardeau majeur, mais il n’est pas non plus convivial pour les groupes, ni une solution de rétroaction instantanée. Les applications plus petites, comme les solutions à capteur IMU unique, peuvent exploiter efficacement les dispositifs intelligents pour le biofeedback ; cependant, en raison de l’image incomplète, il ne s’agit pas d’une véritable capture de mouvement et il ne faut pas la confondre avec une analyse complète.

Comme pour l’analyse vidéo, il est inestimable pour les athlètes d’avoir la possibilité de se voir à l’écran à différentes vitesses et perspectives. La plupart des athlètes d’élite dans les sports olympiques finiront par faire l’expérience d’une forme de capture de mouvement, mais beaucoup d’athlètes ne la verront qu’à la télévision.

Exemples d’options en matière de technologie de capture de mouvement

Il existe plus de deux douzaines de vendeurs de systèmes de capture de mouvement spécifiques au sport, et beaucoup d’autres solutions sont excellentes et efficaces pour ajouter de la valeur aux équipes, aux hôpitaux et aux installations privées. Nous avons laissé plusieurs entreprises en dehors de cette revue, y compris des solutions logicielles comme C-Motion. Ce n’est pas parce qu’elles ne valent pas la peine d’être listées, mais parce que l’accès à chaque système (à des fins d’examen) est presque impossible.

Qualisys : L’une des rares entreprises en dehors des États-Unis, Qualisys, basée en Suède, fournit des solutions pour une myriade de besoins au-delà du sport, comme l’animation et l’ingénierie. Ils se concentrent sur le marché de la réalité virtuelle et ont des solutions qui aident aux demandes sous-marines. L’une des forces de l’entreprise est l’intégration de ses produits avec d’autres systèmes (plaques de force) et des logiciels comme MATLAB et LabVIEW. Ils sont innovants, et ont rapidement profité du marché des smartphones en proposant un lecteur 3D, ainsi qu’une application de déclenchement pour un enregistrement simple.

Vicon : Cette entreprise britannique est exceptionnellement forte dans le système de type caméra optique, mais elle a récemment pris un risque en acquérant IMeasureU, une startup néo-zélandaise qui fournit une option de capteur IMU unique pour les athlètes. La plupart de l’expérience de Vicon se situe dans le domaine des performances sportives et des sciences cliniques, mais l’entreprise a également du succès dans le domaine du divertissement. Comme beaucoup d’entreprises dans le domaine de la capture de mouvement, elles ont de l’influence dans le divertissement et l’ingénierie. Les biomécanistes de premier plan et les experts en science du mouvement utilisent Vicon comme un moyen de quantifier leur travail avec les athlètes et les patients.

Analyse du mouvement : L’une des premières entreprises à créer une solution robuste sans bruit, Motion Analysis est originaire de Santa Rosa, en Californie, et s’est lancée au début des années 1980. De nombreuses études pionnières sur le baseball ont commencé avec Motion Analysis, et elles se sont étendues à d’autres marchés comme les jeux vidéo, les animations, l’ingénierie et même la radiodiffusion. L’entreprise est bien connue dans le domaine du sport en raison de son développement intensif de caméras et de logiciels, et des centaines de documents de recherche incluent leur système dans la section des matériaux.

Xsens : Pionnier de la capture de mouvement portable, Xsens est l’un des leaders de l’option basée sur l’IMU pour l’analyse du mouvement. Xsens est une société néerlandaise, mais ils ont une forte présence aux États-Unis car ils sont également situés à Los Angeles. Ses solutions vont du sport à l’agriculture, car elle est plus qu’une simple entreprise cherchant à aider l’analyse de la marche et la recherche. Ils sont extrêmement connectés au marché de l’ingénierie, et ont de nombreuses applications en dehors des sciences biologiques et des performances sportives. La force de leur système est que vous pouvez l’utiliser en temps réel, ainsi que dans des environnements réels tels que la fabrication et l’extérieur.

OptiTrack : Autre leader de la capture de mouvement, OptiTrack fournit des solutions optiques traditionnelles ainsi que les solutions émergentes sans marqueur. OptiTrack est leader dans l’animation, les sciences du mouvement, la réalité virtuelle et la robotique. Il s’agit d’une société internationale qui fournit son propre logiciel propriétaire, ainsi qu’un kit de développement logiciel (SDK). Elle propose également des plug-ins et des outils supplémentaires pour aider à synchroniser les plateaux de force et d’autres ensembles de données. OptiTrack fournit une étude de validation, montrant qu’il s’agit d’une solution viable à la fois pour la recherche et le marché clinique.

NDI : Bien qu’il ne s’agisse pas d’une option de capture de mouvement pour la performance sportive, NDI est un excellent exemple de la façon dont la technologie peut maximiser la précision. Connu comme une solution médicale, spécifiquement la chirurgie et les soins hospitaliers, NDI fournit à la fois un suivi optique et électromagnétique. Cependant, NDI n’est pas uniquement destinée aux hôpitaux, puisqu’elle propose également des solutions militaires et de capture de mouvement pour les mouvements du corps. NDI est une entreprise canadienne, qui possède plusieurs brevets et prix d’innovation. Enfin, NDI est forte à l’international, et dispose d’une représentation en Europe et en Asie.

Phoenix Technologies, Inc : Cette entreprise canadienne est extrêmement forte sur les marchés de la robotique et d’autres technologies, notamment les applications spatiales et industrielles. L’entreprise se concentre sur les caméras portables et les solutions de capteurs sans fil, et les deux peuvent répondre aux besoins sportifs et cliniques. L’un des points forts du produit est son taux d’échantillonnage ultra-rapide et sa précision ; des caractéristiques qui expliquent pourquoi Phoenix a des clients aérospatiaux tels que la Station spatiale internationale et la NASA. Bien qu’ils aient un logiciel natif, ils intègrent des options tierces et peuvent également s’intégrer à d’autres plateformes.

myoMOTION : Le produit de Noraxon, myoMOTION, a l’un des affichages visuels les plus étonnants de plusieurs ensembles de données, et ils sont connus pour leurs systèmes EMG ainsi que pour leur système de capture de mouvement portable basé sur IMU. Noraxon est situé en Arizona, et une grande partie de son passé est liée à l’EMG. Il y a quelques années, Noraxon a opéré un virage stratégique en intégrant davantage de données à d’autres capteurs, comme l’analyse de la force et la capture du mouvement. Le logiciel de Noraxon crée des rapports et peut être exporté vers des solutions tierces pour la recherche ainsi que l’exploration de données.

DARI Motion : DARI, basé au Kansas, a commencé par se concentrer sur l’athlétisme et les performances haut de gamme et s’est étendu au bien-être en entreprise, à l’armée et à la recherche biomécanique. DARI fournit une analyse validée des mouvements cinématiques et cinétiques, ainsi qu’une connaissance approfondie de la biomécanique, dans un système optique entièrement sans marqueur – sans capteurs, sans marqueurs, sans combinaisons spéciales et sans plaques de force. Ses sorties de rapports fournissent des données dans une variété de complexités, allant de rapports simples et personnalisés à des plongées profondes dans la biomécanique sous-jacente.

Toutes ces entreprises ont suffisamment de différences pour nécessiter plus de comparaisons et de recherches au-delà de ce guide. La demande la plus courante est la formation, c’est-à-dire comment utiliser non seulement le produit, mais la capture de mouvement en général. La plupart des expériences pratiques des programmes de doctorat ou des programmes progressifs d’études supérieures et de premier cycle devraient être suffisantes pour utiliser efficacement les systèmes cités. S’aventurer en dehors de la biomécanique pose un défi pour les entraîneurs, qui peuvent ne pas avoir la formation en kinésiologie pour utiliser pleinement la capture de mouvement, mais certaines applications ne sont pas trop exigeantes car beaucoup de programmes de performance collégiaux utilisent efficacement la capture de mouvement.

La capture de mouvement est un véritable investissement

Le coût de la plupart des systèmes de capture de mouvement n’est pas bon marché, et un laboratoire complet dépasse les six chiffres, en moyenne. La plupart des fournisseurs ont un service commercial auquel vous pouvez parler, et certains feront une démonstration du produit s’ils sont dans votre région. La meilleure façon d’investir dans la capture de mouvement est de visiter d’abord les meilleures options dans les universités, car la plupart des départements de recherche sont ouverts et utilisent le système à des fins nobles, et non pour créer un buzz marketing pour leur installation ou leur clinique.

À l’inverse, il est parfois sage de regarder les cadres commerciaux qui fournissent effectivement des services privatisés, car ces centres doivent être efficaces et performants pour rester en activité. La capture de mouvement est en pleine croissance, et les solutions s’améliorent chaque année. En bas de la route, l’avenir sera encore plus avant-gardiste, mais le temps nous dira si les systèmes sans marqueur éliminent progressivement les options conventionnelles.

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