L’uso del motion capture è in crescita in tutti i settori dello sport e dello spettacolo, soprattutto a livello di élite. Man mano che la tecnologia migra dalla ricerca alle imprese di allenamento clinico e commerciale, ci sono delle sfide nell’utilizzo dei dati per fare scelte informate.
In questa guida, esaminiamo le migliori opzioni nel motion capture e mostriamo le importanti differenze in ciò che le tecnologie specifiche possono fare e ciò che non possono fare. Motion capture è un termine molto vago, e questo articolo articola ciò che è esattamente il vero motion capture 3-D e ciò che non lo è. Il motion capture si sta evolvendo ed è sempre più utilizzato a tutti i livelli, e i professionisti delle prestazioni sportive devono rimanere aggiornati sulle migliori opzioni e sulle migliori pratiche disponibili.
Che cos’è il 3-D Motion Capture?
La cattura del movimento è un termine molto libero, e catturare il movimento può significare quasi tutto ora. Tuttavia, di solito si riferisce a una registrazione modificata del movimento totale del corpo in tre dimensioni. Ora che i sensori IMU sono entrati nel mercato, un accelerometro con un giroscopio può sembrare un vero motion capture, ma c’è una differenza tra misurare il movimento con alcuni sensori e catturare un corpo in azione. La maggior parte dei lettori immaginerà dei segni riflettenti su un corpo per digitalizzare un atleta in tre dimensioni quando si parla di motion capture, ma è estremamente importante sapere cosa costituisce una vera registrazione 3-D. C’è una differenza tra misurare il movimento con alcuni sensori e catturare un corpo in azione. Click To Tweet
Un piccolo sensore ha la capacità di raccogliere dati di orientamento, ma a meno che non raccolga tutto il corpo, quei sistemi dovrebbero essere visti come sensori di movimento, e alcuni sistemi creano rendering competitivi del movimento dalle registrazioni. I criteri per un vero motion capture 3-D sono i seguenti:
- Crea un’acquisizione completa e pienamente autentica del movimento totale del corpo.
- Fornisce un orientamento anatomico dei punti di riferimento.
- Richiede una registrazione diretta di tre dimensioni di dati.
- Capace di raccogliere attività balistiche con alta frequenza di misurazione.
Come si può vedere da questa lista, a meno che tutti i requisiti siano soddisfatti, è facile confondere una registrazione del movimento con un solo sensore che è grezzo e fuori contesto come motion capture. Le IMU usate insieme possono creare dati di motion capture dai calcoli, ma aggiungono un altro livello di complessità alla sfida di misurare i movimenti del corpo. Le telecamere senza marcatori, come il dispositivo Microsoft Kinect, usano un laser a infrarossi e una telecamera insieme per creare la profondità in tre dimensioni, ma questi sistemi hanno dei limiti nello sport.
Come funziona il Motion Capture?
Il motion capture è in parte marcatura e tracciamento del corpo e in parte conversione di queste informazioni in dati utili sia per la ricerca che per applicazioni in mercati come l’intrattenimento. La quantità di dettagli e precisione di cui un utente del motion capture ha bisogno determina il modo in cui i dati vengono raccolti, poiché ogni sistema ha capacità e vincoli sia con l’accuratezza che con la flessibilità delle informazioni. Alcuni sistemi di motion capture sono progettati per uso interno, ma hanno alcune funzioni esterne che sono efficaci e appropriate. La cattura del movimento di tutto il corpo richiede un ambiente controllato affinché il sistema abbia abbastanza robustezza per raccogliere i dati in modo corretto.
Due chiare opzioni esistono con il motion capture: sistemi con marcatori o ottici e soluzioni senza marcatori. La cattura del movimento usando il video è possibile, ma la maggior parte dei sistemi per la ricerca preferisce usare telecamere a infrarossi e marcatori riflettenti. Alcuni sistemi meno precisi stanno crescendo in popolarità perché sono poco costosi e risolvono problemi più facili, come l’analisi del tapis roulant con la corsa. Questi nuovi sistemi meno precisi stanno prendendo il sopravvento su una parte ristretta del mercato del motion capture.
I body indossabili, di solito con sensori IMU, stanno diventando più popolari grazie alla loro portabilità, ma sono visti come opzioni più cliniche che richiedono meno granularità e precisione dei dati. I sistemi di motion capture ad alte prestazioni sono così fini che possono vedere le espressioni facciali e le dita muoversi in grande dettaglio, come una persona che suona il pianoforte. Senza semplificare eccessivamente il processo, il motion capture inizia registrando il movimento da telecamere e parti del corpo etichettate, o stima il movimento utilizzando telecamere più limitate e sensori IMU.
Dopo che i dati sono stati catturati, vengono eseguiti ulteriori filtri e calcoli per pulire i dati e garantire che gli artefatti di movimento non creino false segnalazioni. I marcatori riflettenti sono posizionati sul corpo con linee guida specifiche per garantire che i dati siano accurati e precisi, perché i muscoli e la pelle possono muoversi ad alta velocità, creando una sfida con la qualità dei dati. I punti di riferimento anatomici sono selezionati per la loro affidabilità e il loro valore nel collegare il movimento delle articolazioni. I body e i sistemi IMU seguono un approccio simile con i posizionamenti, ma hanno posizioni uniche basate sul design delle loro attrezzature piuttosto che seguire una best practice scientifica. I sistemi markerless richiedono una corretta impostazione della telecamera in base alle esigenze, poiché la maggior parte dei sistemi guarda i movimenti che sono fermi nel posizionamento come camminare sul posto, accovacciarsi su e giù, e fare altre funzioni di base.
Il passo finale è prendere i dati e convertirli in rapporti o utilizzare una funzione che li trasforma in animazione o simulazione. Oltre ai dati raccolti dal motion capture, le aziende creano soluzioni che permettono agli utenti di combinare più serie di dati, come le piastre di forza e le letture EMG. La maggior parte dello sviluppo negli ultimi anni è stato sul lato software dei sistemi ottici e sul lato hardware delle soluzioni markerless e IMU. Tutti i tipi di soluzioni richiedono un sacco di lisciatura e pulizia dei dati, ma è necessario più lavoro con le IMU in generale rispetto alle opzioni ottiche.
Diverse opzioni con l’hardware Motion Capture
Per la maggior parte, l’hardware Motion Capture è progettato per la ricerca o per esigenze cliniche molto progressive. L’analisi video è più comune come opzione di biofeedback con gli allenatori, ma il motion capture sta crescendo grazie al mercato delle IMU. Il mercato ottico, noto anche come sistemi basati su telecamere, tende ad essere più appropriato per la ricerca, mentre il mercato dei sensori tende ad essere più clinico e orientato alle prestazioni sportive.
Per esempio, Motus fornisce un’opzione a sensore singolo per gli atleti di lancio, come quelli che lanciano (baseball), scodellano (cricket) e passano (football americano). Mentre quel sistema cattura i movimenti vicino al gomito, è principalmente un calcolo perché molte ipotesi sono fatte quando non sono disponibili altri set di dati, come il tronco e le gambe. I sistemi IMU tendono ad avere meno accuratezza e precisione, ma la tecnologia sta migliorando e lentamente colmando il divario.
Il valore più evidente della tecnologia Motion Capture è l’analisi automatica dei dati per l’utente. Click To Tweet
Non dovremmo includere il video convenzionale – anche con più telecamere – come opzione di motion capture, per diverse ragioni. Il valore più ovvio del motion capture è che la tecnologia analizza automaticamente i dati invece che l’utente del software debba farlo manualmente. Alcuni sistemi video automatizzano il video come il motion capture, digitalizzando la serie di telecamere per calcolare il movimento, ma il problema con questa tecnica è che le restrizioni di illuminazione e altri fattori con i dati visivi possono limitare i requisiti di alta precisione. I marcatori diretti hanno una storia più affidabile di dati stabili, ma a causa dei confini della competizione, il video è ancora praticabile perché i marcatori non sono pratici o appropriati.
I marcatori sono comunemente piccoli attacchi simili a sfere delle dimensioni di una biglia o cerchi riflettenti applicati sugli atleti. Alcuni sistemi utilizzano attacchi di tipo “wrap”, come fasce per il sudore e bracciali, e alcuni sistemi forniscono tute montate da utenti addestrati. Le opzioni di telecamere senza marcatori utilizzano solo l’hardware per catturare video, ma forniscono molte meno informazioni e richiedono che l’hardware sia estremamente vicino all’utente, come qualche metro di distanza. Questi sistemi attualmente non possono valutare le azioni sportive che sono molto veloci o hanno requisiti di spostamento elevati.
Alcuni sistemi forniscono hardware di sincronizzazione e altri strumenti per studi avanzati o esigenze specifiche, come le riprese subacquee e la cattura a distanza. La maggior parte dell’attrezzatura oltre le telecamere e i marcatori è progettata per aiutare a innescare l’avvio e l’arresto di altri sensori, come le piastre di forza, EMG e la pressione nelle scarpe. Alcuni sistemi includono cuffie per la realtà virtuale o modi per connettersi a questi dispositivi, ma la maggior parte degli accessori sono semplici cablaggi e simili.
Comprendere il software di motion capture
La maggior parte delle opzioni software per il motion capture hanno due scopi: convertire i dati di movimento in un’animazione per la riproduzione scientifica o per usi di intrattenimento. Quasi tutte le aziende forniscono un’opzione di replay, e alcuni software permettono all’osservatore di scegliere prospettive e stili di animazione, come linee (stick figures), scheletro o figura umana. I software avanzati possono misurare movimenti molto precisi in isolamento o creare rapporti basati sulle migliori pratiche della metodologia di analisi. Diverse opzioni di software sono agnostiche all’hardware, il che significa che quasi qualsiasi hardware può connettersi al software.
L’obiettivo del software per lo sport è quello di visualizzare il movimento che è privo dei detriti visivi che il video a volte contiene. Come il video, il motion capture aiuta a collegare altre serie di dati che sono meno visive, come l’EMG e l’analisi della forza. I ricercatori possono vedere le relazioni tra il movimento e il reclutamento muscolare, insieme alle forze di reazione al suolo, se necessario.
L’obiettivo del software di motion capture per lo sport è quello di visualizzare il movimento senza detriti visivi. Click To Tweet
A volte i movimenti con il motion capture non vengono effettivamente misurati, in quanto gli utenti vogliono solo visualizzazioni qualitative da sincronizzare con misure quantificate come i dati cinetici dai sensori. L’analisi manuale viene talvolta eseguita con il software di motion capture, soprattutto nella ricerca sui movimenti ciclici. Gli sport di resistenza – quelli che sono tipicamente ciclici, come la corsa – di solito fanno la media o valutano statisticamente i movimenti ripetitivi al fine di ottenere una visione dei difetti biomeccanici o dei possibili errori di tecnica.
Le piattaforme software possono variare da suite molto costose a snellimenti in 3-D, ma quasi tutti i software di ricerca hanno abbastanza sovrapposizioni che le differenze sono molto minori. Alcune piattaforme software sono solo opzioni di file manager, poiché l’aspettativa dei fornitori di hardware è che il mercato delle piattaforme permetta l’analisi dei dati analogici. Così, riducono il loro sviluppo software per concentrarsi solo sull’hardware. Le opzioni solo hardware e solo software sono rare, ma esistono alcune piccole aziende che forniscono solo uno o l’altro.
I migliori usi del Motion Capture nello sport
I praticanti spesso usano una soluzione di motion capture per visualizzare il funzionamento del corpo in tutte le prospettive ed estrarre gli angoli delle articolazioni. Quelli nel campo delle prestazioni, come i biomeccanici, vogliono i dati per studiare come si muovono gli atleti, mentre gli specialisti medici vogliono vedere perché gli atleti si fanno male in primo luogo. Il campo della medicina dello sport è interessato alla disfunzione prima, durante e dopo l’infortunio, mentre lo spazio delle prestazioni ha bisogno di imparare cosa fa sì che un atleta abbia successo per quanto riguarda il movimento. C’è un modello di diminuzione delle prestazioni e di aumento del rischio di lesioni quando i dati di base cadono, e gli allenatori e i professionisti medici a volte usano la tecnologia di motion capture per gestire lesioni importanti o complesse.
L’uso più comune del motion capture è l’analisi dell’andatura. Mentre altri movimenti sono importanti nello sport, quasi ogni attività a terra includerà una sorta di movimento di corsa, sia esso sprint, jogging o camminata. Alcune cliniche hanno speso un’enorme quantità di risorse in programmi di rieducazione per gli atleti infortunati, ma la maggior parte delle strutture private utilizzano l’analisi del motion capture per il marketing del marchio o della struttura, piuttosto che per vere soluzioni basate sull’intervento.
Il flusso di lavoro del motion capture non è un grosso peso, ma non è nemmeno adatto ai gruppi, né una soluzione di feedback immediato. Applicazioni più piccole, come le soluzioni con un singolo sensore IMU, possono sfruttare efficacemente i dispositivi intelligenti per il biofeedback; tuttavia, a causa dell’immagine incompleta, non si tratta di vero motion capture e non bisogna confonderlo con l’analisi completa.
Come l’analisi video, è inestimabile per gli atleti avere l’opportunità di vedersi sullo schermo a diverse velocità e prospettive. La maggior parte degli atleti d’élite negli sport olimpici alla fine sperimenterà una qualche forma di motion capture, ma molti atleti lo vedranno solo in TV.
Opzioni di esempio nella tecnologia Motion Capture
Ci sono più di due dozzine di fornitori di sistemi di motion capture specifici per lo sport, e molte altre soluzioni sono eccellenti ed efficaci per aggiungere valore a squadre, ospedali e strutture private. Abbiamo lasciato diverse aziende fuori da questa recensione, comprese le soluzioni software come C-Motion. Questo non perché non vale la pena elencarle, ma perché l’accesso ad ogni sistema (per scopi di revisione) è quasi impossibile.
Qualisys: Una delle poche aziende fuori dagli Stati Uniti, la Qualisys, con sede in Svezia, fornisce soluzioni per una miriade di esigenze al di là dello sport, come l’animazione e l’ingegneria. Si concentrano sul mercato della realtà virtuale e hanno soluzioni che aiutano nelle richieste subacquee. Uno dei punti di forza dell’azienda è l’integrazione dei suoi prodotti con altri sistemi (piastre di forza) e software come MATLAB e LabVIEW. Sono innovativi, e hanno rapidamente approfittato del mercato degli smartphone fornendo un lettore 3-D, così come un’app di trigger per una semplice registrazione.
Vicon: Questa società britannica è eccezionalmente forte nel sistema di telecamere ottiche, ma recentemente ha preso un rischio acquisendo IMeasureU, una startup neozelandese che fornisce un’opzione di sensore IMU singolo per gli atleti. La maggior parte dell’esperienza di Vicon è nelle prestazioni sportive e nelle scienze cliniche, ma hanno successo anche nell’intrattenimento. Come molte aziende nel motion capture, hanno trazione nell’intrattenimento così come nell’ingegneria. I principali biomeccanici ed esperti in scienza del movimento usano Vicon come un modo per quantificare il loro lavoro con gli atleti e i pazienti.
Analisi del movimento: Una delle prime aziende a creare una soluzione robusta senza rumore, Motion Analysis è di Santa Rosa, California, e ha iniziato nei primi anni ’80. Molti degli studi pionieristici sul baseball sono iniziati con Motion Analysis, e si sono estesi ad altri mercati come i videogiochi, le animazioni, l’ingegneria e persino le trasmissioni. L’azienda è ben nota nel mondo dello sport grazie al loro ampio sviluppo di telecamere e software, e centinaia di articoli di ricerca includono il loro sistema come parte della sezione dei materiali.
Xsens: Un pioniere del motion capture indossabile, Xsens è uno dei leader nell’opzione basata sull’IMU per l’analisi del movimento. Xsens è un’azienda olandese, ma ha una forte presenza negli Stati Uniti, dato che ha sede anche a Los Angeles. Le loro soluzioni spaziano dallo sport all’agricoltura, in quanto sono più di una semplice azienda che cerca di aiutare nell’analisi dell’andatura e nella ricerca. Sono estremamente legati al mercato dell’ingegneria e hanno molte applicazioni al di fuori delle scienze biologiche e delle prestazioni sportive. La forza del loro sistema è che è possibile utilizzarlo in tempo reale, così come in ambienti del mondo reale come la produzione e all’aperto.
OptiTrack: Un altro leader nel motion capture, OptiTrack fornisce soluzioni ottiche tradizionali così come le emergenti soluzioni markerless. OptiTrack è leader nell’animazione, nelle scienze del movimento, nella realtà virtuale e nella robotica. Sono una società internazionale e forniscono il loro software proprietario, così come un kit di sviluppo software (SDK). Offrono anche ulteriori plug-in e strumenti per aiutare a sincronizzare le piastre di forza e altri set di dati. OptiTrack fornisce uno studio di convalida, dimostrando che è una soluzione valida sia per la ricerca che per il mercato clinico.
NDI: Anche se non è un’opzione di cattura del movimento nelle prestazioni sportive, NDI è un grande esempio di come la tecnologia può massimizzare la precisione. Conosciuta come una soluzione medica, in particolare per la chirurgia e le cure ospedaliere, NDI fornisce sia il tracking ottico che quello elettromagnetico. Tuttavia, NDI non è solo per gli ospedali, in quanto fornisce anche soluzioni militari e motion capture per il movimento del corpo. NDI è una società canadese e ha diversi brevetti e premi per l’innovazione. Infine, NDI è forte a livello internazionale, e ha una rappresentanza in Europa e in Asia.
Phoenix Technologies, Inc: Questa società canadese è estremamente forte nella robotica e in altri mercati tecnologici, comprese le applicazioni spaziali e industriali. L’azienda si concentra su telecamere portatili e soluzioni di sensori wireless, ed entrambi possono gestire esigenze sportive e cliniche. Uno dei punti di forza del prodotto è la sua velocità di campionamento super-veloce e la precisione; caratteristiche che spiegano perché Phoenix ha clienti aerospaziali come la Stazione Spaziale Internazionale e la NASA. Mentre hanno un software nativo, si integrano con opzioni di terze parti e possono integrarsi anche con altre piattaforme.
myoMOTION: Il prodotto di Noraxon, myoMOTION, ha una delle più sorprendenti visualizzazioni visive di più serie di dati, e sono noti per i loro sistemi EMG così come il loro sistema di cattura del movimento basato su IMU indossabile. Noraxon si trova in Arizona, e molto del loro passato è legato all’EMG. Alcuni anni fa, Noraxon ha fatto una mossa strategica per includere più integrazione dei dati con altri sensori, come l’analisi della forza e il motion capture. Il software Noraxon crea rapporti e può essere esportato in soluzioni di terzi per la ricerca e il data mining.
DARI Motion: DARI, con sede nel Kansas, ha iniziato con un’attenzione particolare all’atletica e alle prestazioni di alto livello e si è espansa al benessere aziendale, al settore militare e alla ricerca biomeccanica. DARI offre un’analisi cinematica e cinetica del movimento convalidata e una profonda conoscenza biomeccanica in un sistema ottico completamente privo di marcatori, senza sensori, marcatori, tute speciali e piastre di forza. Le sue uscite di reporting forniscono dati in una varietà di complessità, da semplici rapporti personalizzati a profonde immersioni nella biomeccanica sottostante.
Tutte queste aziende hanno abbastanza differenze da richiedere ulteriori confronti e ricerche oltre a questa guida. La richiesta più comune è la formazione, cioè come utilizzare non solo il prodotto, ma il motion capture in generale. La maggior parte dell’esperienza pratica con programmi di dottorato o programmi progressivi di laurea e laurea dovrebbe essere sufficiente per utilizzare efficacemente i sistemi elencati. Avventurarsi al di fuori della biomeccanica pone una sfida per gli allenatori, che potrebbero non avere il background kinesiologico per utilizzare appieno il motion capture, ma alcune applicazioni non sono troppo esigenti, dato che molti programmi di performance dei college utilizzano il motion capture in modo efficace.
Motion Capture è un vero investimento
Il costo della maggior parte dei sistemi di motion capture non è economico, e un laboratorio completo è di oltre sei cifre, in media. La maggior parte dei venditori ha un reparto vendite con cui è possibile parlare, e alcuni dimostreranno il prodotto se sono nella vostra zona. Il modo migliore per investire nel motion capture è quello di visitare prima le migliori opzioni presso le università, in quanto la maggior parte dei dipartimenti di ricerca sono aperti e utilizzano il sistema per scopi nobili, non per creare ronzio di marketing per la loro struttura o clinica.
Inversamente, a volte è saggio guardare alle impostazioni commerciali che forniscono effettivamente servizi privatizzati, in quanto questi centri devono essere efficienti ed efficaci per rimanere in attività. L’acquisizione del movimento sta crescendo e le soluzioni migliorano di anno in anno. Lungo la strada, il futuro sarà ancora più all’avanguardia, ma il tempo ci dirà se i sistemi markerless elimineranno gradualmente le opzioni convenzionali.
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