Het gebruik van motion capture neemt toe in alle takken van sport en entertainment, vooral op topniveau. Nu de technologie van onderzoek naar klinische en commerciële trainingsbedrijven migreert, zijn er uitdagingen bij het gebruik van de gegevens om weloverwogen keuzes te maken.
In deze gids bekijken we de topopties op het gebied van motion capture en laten we de belangrijke verschillen zien in wat de specifieke technologieën kunnen en wat niet. Motion capture is een zeer vage term, en in dit artikel wordt uiteengezet wat precies echte 3-D motion capture is en wat niet. Motion capture evolueert en neemt toe in gebruik op alle niveaus, en sport performance professionals moeten op de hoogte blijven van de beste opties en best practices die beschikbaar zijn.
Wat is 3-D Motion Capture?
Motion capture is een zeer losse term, en het vastleggen van beweging kan nu bijna alles betekenen. Het verwijst echter meestal naar een aangepaste opname van de totale lichaamsbeweging in drie dimensies. Nu IMU-sensoren op de markt zijn gekomen, kan een versnellingsmeter met een gyro lijken op echte motion capture, maar er is een verschil tussen het meten van beweging met een paar sensoren en het vastleggen van een lichaam in actie. De meeste lezers zullen bij de term motion capture denken aan reflecterende markeringen op een lichaam om een atleet in drie dimensies te digitaliseren, maar het is uiterst belangrijk om te weten waaruit een echte 3-D-opname bestaat.
Er is een verschil tussen het meten van beweging met een paar sensoren en het vastleggen van een lichaam in actie. Click To Tweet
Een kleine sensor heeft wel de mogelijkheid om oriëntatiegegevens te verzamelen, maar tenzij het het hele lichaam verzamelt, moeten die systemen worden gezien als bewegingssensoren, en sommige systemen maken wel degelijk compete renderings van beweging uit opnames. De criteria voor echte 3-D motion capture zijn de volgende:
- maakt een volledige en volledig authentieke opname van de totale lichaamsbeweging.
- geeft anatomische oriëntatie van referentiepunten.
- vereist een directe opname van gegevens in drie dimensies.
- is in staat om ballistische activiteiten met een hoge meetfrequentie te verzamelen.
Zoals u uit deze lijst kunt opmaken, is het gemakkelijk om een enkele sensoropname van beweging die ruw en buiten de context is, te verwarren met motion capture, tenzij aan alle vereisten is voldaan. IMU’s die samen worden gebruikt, kunnen motion capture-gegevens creëren op basis van berekeningen, maar voegen een extra niveau van complexiteit toe aan de uitdaging om lichaamsbewegingen te meten. Camera’s zonder markering, zoals het Microsoft Kinect-apparaat, gebruiken een infraroodlaser en -camera samen om diepte in drie dimensies te creëren, maar deze systemen hebben beperkingen in de sport.
Hoe werkt motion capture?
Motion capture is een deel het markeren en volgen van het lichaam en een deel het omzetten van die informatie in gegevens die nuttig zijn voor zowel onderzoek als toepassingen in markten zoals entertainment. De hoeveelheid detail en precisie die een gebruiker van motion capture nodig heeft, bepaalt hoe de gegevens worden verzameld, aangezien elk systeem mogelijkheden en beperkingen heeft met zowel de nauwkeurigheid als de flexibiliteit van de informatie. Sommige systemen voor het vastleggen van bewegingen zijn ontworpen voor gebruik binnenshuis, maar hebben enkele functies voor gebruik buitenshuis die doeltreffend en geschikt zijn. Voor het vastleggen van bewegingen van het hele lichaam is een gecontroleerde omgeving nodig, zodat het systeem voldoende robuust is om de gegevens goed te verzamelen.
Er bestaan twee duidelijke opties voor motion capture: marker- of optische systemen en markerloze oplossingen. Motion capture met behulp van video is mogelijk, maar de meeste systemen van onderzoeksniveau gebruiken bij voorkeur infraroodcamera’s en reflecterende markers. Sommige minder nauwkeurige systemen winnen aan populariteit omdat zij goedkoop zijn en eenvoudigere problemen oplossen, zoals loopbandanalyse bij hardlopen. Deze nieuwe, minder nauwkeurige systemen nemen nu een smal deel van de markt voor motion capture over.
Draagbare bodysuits, meestal met IMU-sensoren, worden populairder vanwege hun draagbaarheid, maar ze worden gezien als meer klinische opties die minder gegevenskorreligheid en precisie vereisen. High-performance motion capture-systemen zijn zo fijn dat ze gezichtsuitdrukkingen en bewegingen van vingers tot in het kleinste detail kunnen zien, zoals een persoon die piano speelt. Zonder het proces te simplificeren, begint motion capture met het opnemen van beweging van camera’s en gemerkte lichaamsdelen, of schattingen van beweging met behulp van beperktere camera’s en IMU-sensoren.
Nadat de gegevens zijn vastgelegd, worden extra filtering en berekeningen uitgevoerd om de gegevens op te schonen en ervoor te zorgen dat bewegingsartefacten geen valse rapportage veroorzaken. Reflecterende markers worden op het lichaam geplaatst met specifieke richtlijnen om ervoor te zorgen dat de gegevens nauwkeurig en precies zijn, omdat spieren en huid met hoge snelheid kunnen bewegen, wat een uitdaging vormt voor de kwaliteit van de gegevens. Anatomische herkenningspunten worden geselecteerd op hun betrouwbaarheid en hun waarde voor het verbinden van gewrichtsbewegingen. IMU-body’s en -systemen volgen een soortgelijke aanpak met plaatsingen, maar ze hebben unieke locaties op basis van het ontwerp van hun uitrusting in plaats van een wetenschappelijke best practice te volgen. Markerless systemen vereisen een juiste camera setup op basis van de behoeften, omdat de meeste systemen kijken naar bewegingen die stationair zijn in positionering, zoals op hun plaats lopen, op en neer hurken, en het doen van andere basisfuncties.
De laatste stap is het nemen van de gegevens en het omzetten in rapporten of met behulp van een functie die het transformeert in animatie of simulatie. Naast de gegevens die door de motion capture worden verzameld, creëren bedrijven oplossingen waarmee gebruikers meerdere gegevenssets kunnen combineren, zoals krachtplaten en EMG-metingen. De meeste ontwikkelingen van de laatste jaren hebben zich voorgedaan aan de softwarekant van optische systemen en aan de hardwarekant van markerless- en IMU-oplossingen. Alle soorten oplossingen vereisen veel data smoothing en cleaning, maar er is meer werk nodig met IMU’s in het algemeen in vergelijking met optische opties.
Different Options With Motion Capture Hardware
Voor het grootste deel is motion capture hardware ontworpen voor onderzoek of zeer progressieve klinische behoeften. Videoanalyse is gebruikelijker als biofeedbackoptie bij coaches, maar motion capture groeit dankzij de IMU-markt. De optische markt, ook bekend als de camera-gebaseerde systemen, hebben de neiging om meer onderzoek geschikt, terwijl de sensormarkt de neiging om meer klinische en sportprestaties georiënteerd.
Bijvoorbeeld, Motus biedt een enkele sensor optie voor werpen atleten, zoals degenen die pitch (honkbal), bowlen (cricket), en pass (American football). Hoewel dat systeem bewegingen in de buurt van de elleboog registreert, is het vooral een berekening omdat er veel aannames worden gedaan wanneer andere datasets niet beschikbaar zijn, zoals de romp en de benen. IMU-systemen hebben over het algemeen minder nauwkeurigheid en precisie, maar de technologie verbetert en dicht langzaam de kloof.
De meest voor de hand liggende waarde van motion capture-technologie is de automatische analyse van gegevens voor de gebruiker. Click To Tweet
We moeten conventionele video – zelfs met meerdere camera’s – niet opnemen als een optie voor motion capture, om verschillende redenen. De meest voor de hand liggende waarde van motion capture is dat de technologie de gegevens automatisch analyseert in plaats van dat de softwaregebruiker dit handmatig moet doen. Sommige videosystemen automatiseren video zoals motion capture, waarbij de reeks camera’s wordt gedigitaliseerd om de beweging te berekenen, maar het probleem met deze techniek is dat belichtingsbeperkingen en andere factoren met visuele gegevens de vereisten voor hoge precisie kunnen beperken. Directe markers hebben een betrouwbaarder geschiedenis van stabiele gegevens, maar vanwege de beperkingen van de competitie, is video nog steeds levensvatbaar omdat markers niet praktisch of geschikt zijn.
Markers zijn meestal kleine bal-achtige bevestigingen ter grootte van een knikker of reflecterende cirkels die op atleten worden aangebracht. Sommige systemen maken gebruik van wikkelachtige bevestigingen, zoals zweetbandjes en polsbanden, en sommige systemen bieden pakken aan die door getrainde gebruikers worden aangemeten. Bij markerloze camera-opties wordt alleen gebruik gemaakt van hardware om videobeelden op te nemen, maar deze bieden veel minder informatie en vereisen dat de hardware zich zeer dicht bij de gebruiker bevindt, bijvoorbeeld op een afstand van enkele meters. Deze systemen kunnen momenteel geen sportacties beoordelen die zeer snel zijn of een grote verplaatsing vereisen.
Sommige systemen bieden synchronisatiehardware en andere hulpmiddelen voor geavanceerde studies of specifieke behoeften, zoals onderwaterfilmen en het vastleggen van beelden op afstand. De meeste apparatuur buiten camera’s en markers is ontworpen om te helpen bij het starten en stoppen van andere sensoren, zoals krachtplaten, EMG, en in-shoe druk. Sommige systemen bevatten virtual reality headsets of manieren om deze apparaten aan te sluiten, maar de meeste accessoires zijn eenvoudige bekabeling en dergelijke.
Uitleg Motion Capture Software
De meeste software-opties voor motion capture hebben twee doelen: het omzetten van de bewegingsgegevens in een animatie voor ofwel wetenschappelijke replay of entertainment gebruik. Bijna alle bedrijven bieden een replay-optie, en sommige van de software stelt de kijker in staat om perspectieven en animatiestijlen te kiezen, zoals lijn (stick figures), skelet, of menselijke figuur. Geavanceerde software kan geïsoleerd zeer nauwkeurige bewegingen meten of rapporten maken op basis van de beste analysemethoden. Verschillende opties van de software zijn hardware agnostisch, wat betekent dat bijna elke hardware verbinding kan maken met de software.
Het doel van de software voor sport is om beweging weer te geven die vrij is van de visuele brokstukken die video soms bevat. Net als video helpt motion capture als een manier om andere, minder visuele gegevensreeksen met elkaar te verbinden, zoals EMG en krachtanalyse. Onderzoekers kunnen de relaties zien tussen beweging en spierrekrutering, samen met grondreactiekrachten indien nodig.
Het doel van motion capture software voor sport is om beweging weer te geven zonder visuele rommel. Click To Tweet
Soms worden de bewegingen met motion capture niet echt gemeten, omdat gebruikers alleen kwalitatieve weergaven willen om te synchroniseren met gekwantificeerde maatregelen, zoals kinetische gegevens van sensoren. Handmatige analyse wordt soms uitgevoerd met motion capture-software, vooral bij onderzoek naar cyclische bewegingen. Duursporten – die typisch cyclisch zijn, zoals hardlopen – maken meestal een gemiddelde of een statistische evaluatie van repetitieve bewegingen om inzicht te krijgen in biomechanische fouten of mogelijke techniekfouten.
Softwareplatforms kunnen variëren van zeer dure suites tot gestroomlijnde 3D-spelers, maar bijna alle onderzoekssoftware heeft genoeg overlap dat de verschillen zeer klein zijn. Sommige softwareplatforms zijn slechts opties voor bestandsbeheer, omdat de verwachting van hardwareleveranciers is dat de platformmarkt de analyse van analoge gegevens mogelijk zal maken. Daarom beperken zij hun software-ontwikkeling om zich alleen op de hardware te richten. Hardware-only en software-only opties zijn zeldzaam, maar er bestaan een paar kleine bedrijven die alleen de een of de ander bieden.
Beste toepassingen van Motion Capture in de sport
ractitioners gebruiken vaak een motion capture oplossing om de functie van het lichaam in alle perspectieven te bekijken en gewrichtshoeken te extraheren. Prestatiedeskundigen, zoals biomechanici, willen de gegevens om te bestuderen hoe atleten bewegen, terwijl medische specialisten willen zien waarom atleten geblesseerd raken. De sportartsen zijn geïnteresseerd in het disfunctioneren voor, tijdens en na een blessure, terwijl de prestatiedeskundigen willen weten wat een atleet succesvol maakt op het gebied van beweging. Er is een patroon van verminderde prestaties en een verhoogd risico op blessures wanneer de basisgegevens wegvallen, en coaches en medische professionals gebruiken soms motion capture-technologie om belangrijke of complexe blessures te behandelen.
Het meest voorkomende gebruik van motion capture is loopanalyse. Hoewel andere bewegingen belangrijk zijn in de sport, zal bijna elke activiteit op het land een soort loopbeweging omvatten, of het nu sprinten, joggen of lopen is. Sommige klinieken hebben een enorme hoeveelheid middelen besteed aan heropvoedingsprogramma’s voor geblesseerde atleten, maar de meeste particuliere faciliteiten gebruiken motion capture analyse voor merk- of faciliteitsmarketing, in plaats van echte interventie-gebaseerde oplossingen.
De workflow van motion capture is geen grote last, maar het is ook niet groepsvriendelijk, noch een instant feedback oplossing. Kleinere toepassingen, zoals oplossingen met een enkele IMU-sensor, kunnen slimme apparaten effectief inzetten voor biofeedback; maar vanwege het onvolledige beeld is het geen echte motion capture en moet je het niet verwarren met volledige analyse.
Net als videoanalyse is het voor atleten van onschatbare waarde om de kans te krijgen zichzelf op het scherm te zien in verschillende snelheden en perspectieven. De meeste topatleten in Olympische sporten zullen uiteindelijk een vorm van motion capture ervaren, maar veel atleten zullen het alleen op tv zien.
Voorbeeldopties in Motion Capture-technologie
Er zijn meer dan twee dozijn leveranciers van sportspecifieke motion capture-systemen, en tal van andere oplossingen zijn uitstekend en effectief in het toevoegen van waarde aan teams, ziekenhuizen en privéfaciliteiten. We hebben een aantal bedrijven buiten beschouwing gelaten, waaronder software-oplossingen zoals C-Motion. Dit is niet omdat ze niet de moeite waard zijn, maar omdat toegang tot elk systeem (voor review doeleinden) bijna onmogelijk is.
Qualisys: Een van de weinige bedrijven buiten de Verenigde Staten, het in Zweden gevestigde Qualisys biedt oplossingen voor een groot aantal behoeften buiten de sport, zoals animatie en engineering. Ze richten zich op de virtual reality-markt en hebben oplossingen die helpen met onderwater eisen. Een van de sterke punten van het bedrijf is de integratie van zijn producten met andere systemen (krachtplaten) en software zoals MATLAB en LabVIEW. Ze zijn innovatief en hebben snel ingespeeld op de smartphonemarkt door een 3D-speler aan te bieden, evenals een trigger-app voor eenvoudige opnamen.
Vicon: Dit Britse bedrijf is uitzonderlijk sterk in het optische camera-achtige systeem, maar ze hebben onlangs een risico genomen door IMeasureU over te nemen, een startup uit Nieuw-Zeeland die een enkele IMU-sensoroptie biedt voor atleten. Vicon heeft vooral ervaring in sportprestaties en klinische wetenschappen, maar ze hebben ook succes met entertainment. Zoals veel bedrijven die zich bezighouden met motion capture, zijn ze zowel actief in de entertainment- als de ingenieurswereld. Toonaangevende biomechanici en experts in bewegingswetenschappen gebruiken Vicon als een manier om hun werk met atleten en patiënten te kwantificeren.
Motion Analysis: Een van de eerste bedrijven die een robuuste ruisvrije oplossing creëerde, Motion Analysis komt uit Santa Rosa, Californië, en begon in de vroege jaren 1980. Veel van de baanbrekende studies over honkbal zijn begonnen met Motion Analysis, en zij hebben zich uitgebreid tot andere markten zoals videospelletjes, animaties, engineering, en zelfs omroep. Het bedrijf is bekend in de sport als gevolg van hun uitgebreide ontwikkeling van camera’s en software, en honderden onderzoekspapers bevatten hun systeem als onderdeel van de materiaalsectie.
Xsens: Een pionier in wearable motion capture, Xsens is een van de leiders in de IMU-gebaseerde optie voor bewegingsanalyse. Xsens is een Nederlands bedrijf, maar ze hebben een sterke aanwezigheid in de VS, omdat ze ook gevestigd zijn in Los Angeles. Hun oplossingen variëren van sport tot landbouw, want ze zijn meer dan alleen een bedrijf dat hulp biedt bij loopanalyse en onderzoek. Zij zijn zeer verbonden met de ingenieursmarkt, en hebben vele toepassingen buiten de biologische wetenschappen en sportprestaties. De kracht van hun systeem is dat je het kunt gebruiken in real time, maar ook in real-world settings zoals productie en outdoor.
OptiTrack: Een andere leider in motion capture, OptiTrack biedt traditionele optische oplossingen, evenals de opkomende markerless oplossingen. OptiTrack is toonaangevend op het gebied van animatie, bewegingswetenschappen, virtual reality en robotica. Zij zijn een internationaal bedrijf en bieden hun eigen software aan, evenals een software developer kit (SDK). Zij bieden ook extra plug-ins en hulpmiddelen om krachtplaten en andere datasets te helpen synchroniseren. OptiTrack biedt een validatiestudie, waaruit blijkt dat het een levensvatbare oplossing is voor zowel onderzoek als de klinische markt.
NDI: Hoewel het geen optie is voor bewegingsregistratie voor sportprestaties, is NDI een goed voorbeeld van hoe technologie de precisie kan maximaliseren. NDI staat bekend als een medische oplossing, met name voor chirurgie en ziekenhuiszorg, en biedt zowel optische als elektromagnetische tracking. NDI is echter niet alleen voor ziekenhuizen, want zij bieden ook militaire oplossingen en motion capture voor lichaamsbewegingen. NDI is een Canadees bedrijf en heeft verschillende octrooien en innovatieprijzen. Tot slot is NDI internationaal sterk en heeft het vertegenwoordigingen in Europa en Azië.
Phoenix Technologies, Inc: Dit Canadese bedrijf is zeer sterk in robotica en andere technologiemarkten, waaronder ruimtevaart en industriële toepassingen. Het bedrijf richt zich op draagbare camera’s en draadloze sensoroplossingen, die beide geschikt zijn voor sport en klinische behoeften. Een van de sterke punten van het product is de supersnelle bemonsteringssnelheid en precisie; kenmerken die verklaren waarom Phoenix ruimtevaartklanten heeft zoals het internationale ruimtestation en NASA. Hoewel ze native software, ze integreren met opties van derden en kan integreren met andere platforms ook.
myoMOTION: Noraxon’s product, myoMOTION, heeft een van de meest verbluffende visuele weergaven van meerdere datasets, en ze zijn bekend om hun EMG-systemen, evenals hun draagbare IMU-gebaseerde motion capture-systeem. Noraxon is gevestigd in Arizona, en een groot deel van hun verleden houdt verband met EMG. Een paar jaar geleden heeft Noraxon een strategische stap gezet om meer gegevens te integreren met andere sensoren, zoals krachtanalyse en motion capture. De software van Noraxon maakt rapporten en kan worden geëxporteerd naar oplossingen van derden voor onderzoek en datamining.
DARI Motion: Het in Kansas gevestigde DARI is begonnen met een focus op atletiek en high-end prestaties en heeft zich uitgebreid naar corporate wellness, militair, en biomechanisch onderzoek. DARI levert gevalideerde kinematische en kinetische bewegingsanalyse, en diepgaand biomechanisch inzicht, in een volledig markerless, optisch systeem-met geen sensoren, geen markers, geen speciale pakken, en geen kracht platen nodig. De rapportage outputs leveren gegevens in een verscheidenheid van complexiteit, van eenvoudige, gepersonaliseerde rapporten tot diepe duiken in de onderliggende biomechanica.
Al deze bedrijven hebben genoeg verschillen dat ze vereisen meer vergelijkingen en onderzoek buiten deze gids. Het meest voorkomende verzoek is training, dat wil zeggen hoe niet alleen het product te gebruiken, maar motion capture in het algemeen. De meeste hands-on ervaring met Ph.D. programma’s of progressieve graduate en undergraduate programma’s zou voldoende moeten zijn om de genoemde systemen effectief te gebruiken. Buiten de biomechanica is het een uitdaging voor coaches, die misschien niet de kinesiologie achtergrond hebben om motion capture volledig te gebruiken, maar sommige toepassingen zijn niet al te veeleisend omdat veel college prestatie programma’s motion capture effectief gebruiken.
Motion Capture is een echte investering
De kosten van de meeste motion capture systemen zijn niet goedkoop, en een volledig lab is gemiddeld meer dan zes cijfers. De meeste leveranciers hebben een verkoopafdeling waar je mee kunt praten, en sommigen geven een demonstratie van het product als ze bij jou in de buurt zijn. De beste manier om te investeren in motion capture is om eerst de topopties op universiteiten te bezoeken, omdat de meeste onderzoeksafdelingen open zijn en het systeem gebruiken voor nobele doeleinden, niet om marketing buzz voor hun faciliteit of kliniek te creëren.
Omgekeerd is het soms verstandig om naar commerciële instellingen te kijken die inderdaad geprivatiseerde diensten leveren, omdat die centra efficiënt en effectief moeten zijn om in bedrijf te blijven. Motion capture groeit, en de oplossingen worden elk jaar beter. De toekomst zal nog geavanceerder worden, maar de tijd zal leren of markerloze systemen de conventionele opties zullen verdringen.
Nu u hier toch bent…
…willen wij u om een kleine gunst vragen. Meer mensen lezen SimpliFaster dan ooit, en elke week brengen wij u boeiende content van coaches, sportwetenschappers en fysiotherapeuten die toegewijd zijn aan het bouwen van betere atleten. Neem even de tijd om de artikelen te delen op sociale media, ga in gesprek met de auteurs met vragen en opmerkingen hieronder, en link naar artikelen wanneer dat gepast is als u een blog heeft of deelneemt aan forums over gerelateerde onderwerpen. – SF