Użycie motion capture rośnie we wszystkich dziedzinach sportu i rozrywki, zwłaszcza na poziomie elitarnym. W miarę jak technologia ta przenosi się z badań naukowych do klinicznych i komercyjnych firm szkoleniowych, pojawiają się wyzwania związane z wykorzystaniem danych do dokonywania świadomych wyborów.
W tym przewodniku przyglądamy się najlepszym opcjom w dziedzinie motion capture i pokazujemy istotne różnice w tym, co poszczególne technologie mogą zrobić, a czego nie. Motion capture to bardzo niejasny termin, a ten artykuł określa, co dokładnie jest prawdziwym 3-D motion capture, a co nie. Motion capture ewoluuje i jest coraz częściej stosowane na wszystkich poziomach, a profesjonaliści zajmujący się sportem muszą być na bieżąco z najlepszymi dostępnymi opcjami i praktykami.
Co to jest 3-D Motion Capture?
Motion capture to bardzo luźny termin, a przechwytywanie ruchu może oznaczać teraz prawie wszystko. Zazwyczaj jednak odnosi się do zmodyfikowanego zapisu ruchu całego ciała w trzech wymiarach. Teraz, gdy na rynek weszły czujniki IMU, akcelerometr z żyroskopem może wydawać się prawdziwym motion capture, ale istnieje różnica pomiędzy pomiarem ruchu za pomocą kilku czujników, a uchwyceniem ciała w akcji. Większość czytelników wyobraża sobie odblaskowe oznaczenia na ciele sportowca w trzech wymiarach, gdy pojawia się termin motion capture, ale niezwykle ważne jest, aby wiedzieć, co składa się na prawdziwe nagranie 3-D.
Istnieje różnica między pomiarem ruchu za pomocą kilku czujników a uchwyceniem ciała w akcji. Click To Tweet
Mały czujnik ma możliwość zbierania danych o orientacji, ale jeśli nie zbiera danych o całym ciele, systemy te powinny być postrzegane jako czujniki ruchu, a niektóre systemy tworzą konkurencyjne renderingi ruchu z nagrań. Kryteria dla prawdziwego 3-D motion capture są następujące:
- Tworzy kompletną i w pełni autentyczną akwizycję ruchu całego ciała.
- Dostarcza anatomiczną orientację punktów odniesienia.
- Wymaga bezpośredniego zapisu danych w trzech wymiarach.
- Możliwość zbierania aktywności balistycznych z wysoką częstotliwością pomiaru.
Jak widać z tej listy, jeśli nie zostaną spełnione wszystkie wymagania, łatwo pomylić zapis ruchu z jednego czujnika, który jest surowy i pozbawiony kontekstu, z przechwytywaniem ruchu. Jednostki IMU używane razem mogą tworzyć dane motion capture na podstawie obliczeń, ale dodają kolejny poziom złożoności do wyzwania, jakim jest pomiar ruchów ciała. Kamery bez znaczników, takie jak urządzenie Microsoft Kinect, wykorzystują laser na podczerwień i kamerę do tworzenia głębi w trzech wymiarach, ale te systemy mają ograniczenia w sporcie.
Jak działa motion capture?
Motion capture to w jednej części znakowanie i śledzenie ciała, a w drugiej przekształcanie tych informacji w dane, które są przydatne zarówno do badań, jak i zastosowań na rynkach takich jak rozrywka. Ilość szczegółów i precyzja, jakiej potrzebuje użytkownik motion capture, określa sposób zbierania danych, ponieważ każdy system ma swoje możliwości i ograniczenia, zarówno jeśli chodzi o dokładność, jak i elastyczność informacji. Niektóre systemy motion capture są przeznaczone do użytku wewnętrznego, ale posiadają pewne funkcje zewnętrzne, które są skuteczne i odpowiednie. Przechwytywanie ruchu całego ciała wymaga kontrolowanego środowiska, aby system miał wystarczającą wytrzymałość do prawidłowego zbierania danych.
W przypadku motion capture istnieją dwie wyraźne opcje: systemy markerowe lub optyczne oraz rozwiązania bez markerów. Przechwytywanie ruchu za pomocą wideo jest możliwe, ale większość systemów klasy badawczej preferuje stosowanie kamer na podczerwień i markerów odblaskowych. Niektóre mniej precyzyjne systemy zyskują na popularności, ponieważ są niedrogie i rozwiązują łatwiejsze problemy, takie jak analiza bieżni podczas biegu. Te nowe, mniej dokładne systemy przejmują obecnie wąską część rynku motion capture.
Nośne body, zazwyczaj z czujnikami IMU, stają się coraz bardziej popularne ze względu na ich poręczność, ale są postrzegane jako opcje bardziej kliniczne, które wymagają mniejszej ziarnistości danych i precyzji. Wysokowydajne systemy przechwytywania ruchu są tak precyzyjne, że mogą zobaczyć mimikę twarzy i ruchy palców w najdrobniejszych szczegółach, jak w przypadku osoby grającej na pianinie. Bez nadmiernego upraszczania procesu, motion capture rozpoczyna się od rejestracji ruchu z kamer i oznaczonych części ciała, lub szacuje ruch przy użyciu bardziej ograniczonych kamer i czujników IMU.
Po przechwyceniu danych, wykonywane są dodatkowe filtry i obliczenia w celu oczyszczenia danych i zapewnienia, że artefakty ruchu nie powodują fałszywych raportów. Markery odblaskowe są umieszczane na ciele z określonymi wytycznymi, aby zapewnić dokładność i precyzję danych, ponieważ mięśnie i skóra mogą poruszać się z dużą prędkością, co stanowi wyzwanie dla jakości danych. Anatomiczne punkty orientacyjne są wybierane ze względu na ich wiarygodność i wartość w łączeniu ruchu stawów. Body i systemy IMU stosują podobne podejście do rozmieszczania punktów, ale mają one unikalne lokalizacje oparte na konstrukcji sprzętu, a nie na najlepszych praktykach naukowych. Systemy bez znaczników wymagają odpowiedniego ustawienia kamery w zależności od potrzeb, ponieważ większość systemów patrzy na ruchy, które są nieruchome w pozycjonowaniu, takie jak chodzenie w miejscu, kucanie w górę i w dół oraz wykonywanie innych podstawowych funkcji.
Ostatnim krokiem jest zebranie danych i przekształcenie ich w raporty lub użycie funkcji, która przekształca je w animację lub symulację. Oprócz danych zebranych przez motion capture, firmy tworzą rozwiązania, które umożliwiają użytkownikom łączenie wielu zestawów danych, takich jak płyty siłowe i odczyty EMG. Większość rozwoju w ciągu ostatnich kilku lat dotyczyła strony programowej systemów optycznych oraz strony sprzętowej rozwiązań typu markerless i IMU. Wszystkie typy rozwiązań wymagają dużo wygładzania i czyszczenia danych, ale więcej pracy trzeba włożyć w IMU niż w opcje optyczne.
Różne opcje sprzętu do przechwytywania ruchu
Większość sprzętu do przechwytywania ruchu jest przeznaczona do badań lub bardzo zaawansowanych potrzeb klinicznych. Analiza wideo jest bardziej powszechna jako opcja biofeedback u trenerów, ale motion capture rośnie dzięki rynkowi IMU. Rynek optyczny, znany również jako systemy oparte na kamerach, ma tendencję do bycia bardziej odpowiednimi do badań, podczas gdy rynek czujników ma tendencję do bycia bardziej klinicznym i zorientowanym na wydajność sportową.
Na przykład, Motus oferuje opcję pojedynczego czujnika dla sportowców rzucających, takich jak ci, którzy rzucają (baseball), rzucają (krykiet) i podają (futbol amerykański). Chociaż system ten wychwytuje ruchy w okolicy łokcia, jest to głównie kalkulacja, ponieważ wiele założeń jest przyjmowanych, gdy nie są dostępne inne zestawy danych, takie jak tułów i nogi. Systemy IMU mają tendencję do mniejszej dokładności i precyzji, ale technologia jest coraz lepsza i powoli zamyka tę lukę.
Najbardziej oczywistą wartością technologii motion capture jest jej automatyczna analiza danych dla użytkownika. Click To Tweet
Nie powinniśmy uwzględniać konwencjonalnego wideo – nawet z wielu kamer – jako opcji motion capture, z kilku powodów. Najbardziej oczywistą wartością motion capture jest to, że technologia automatycznie analizuje dane, zamiast tego, że użytkownik oprogramowania musi to robić ręcznie. Niektóre systemy wideo automatyzują wideo jak motion capture, digitalizując serie kamer w celu obliczenia ruchu, ale problem z tą techniką polega na tym, że ograniczenia oświetlenia i inne czynniki związane z danymi wizualnymi mogą ograniczać wymagania wysokiej precyzji. Bezpośrednie markery mają bardziej wiarygodną historię stabilnych danych, ale ze względu na ograniczenia konkurencji, wideo jest nadal opłacalne, ponieważ markery nie są praktyczne lub odpowiednie.
Markery są zazwyczaj małymi kulistymi przystawkami wielkości marmuru lub odblaskowymi okręgami nakładanymi na sportowców. Niektóre systemy wykorzystują dodatki przypominające opaski, takie jak opaski na pot i nadgarstek, a niektóre systemy zapewniają kombinezony dopasowane przez przeszkolonych użytkowników. Opcje kamer bez znaczników wykorzystują jedynie sprzęt do przechwytywania wideo, ale dostarczają znacznie mniej informacji i wymagają, aby sprzęt znajdował się bardzo blisko użytkownika, np. w odległości kilku stóp. Systemy te nie są obecnie w stanie ocenić działań sportowych, które są bardzo szybkie lub mają wysokie wymagania dotyczące przemieszczenia.
Niektóre systemy zapewniają sprzęt do synchronizacji i inne narzędzia do zaawansowanych badań lub specyficznych potrzeb, takich jak filmowanie pod wodą i zdalne przechwytywanie. Większość sprzętu poza kamerami i markerami jest przeznaczona do pomocy w wyzwalaniu startu i zatrzymania innych czujników, takich jak płyty siłowe, EMG i ciśnienie w butach. Niektóre systemy zawierają zestawy słuchawkowe wirtualnej rzeczywistości lub sposoby łączenia się z tymi urządzeniami, ale większość akcesoriów to proste okablowanie i tym podobne.
Zrozumienie oprogramowania do motion capture
Większość opcji oprogramowania do motion capture ma dwa cele: przekształcenie danych o ruchu w animację do powtórek naukowych lub zastosowań rozrywkowych. Prawie wszystkie firmy zapewniają opcję odtwarzania, a niektóre oprogramowanie umożliwia widzowi wybór perspektywy i stylów animacji, takich jak linia (figury patyczkowe), szkielet lub postać ludzka. Zaawansowane oprogramowanie może mierzyć bardzo precyzyjne ruchy w izolacji lub tworzyć raporty w oparciu o najlepsze praktyki metodologii analizy. Kilka opcji oprogramowania jest agnostycznych sprzętowo, co oznacza, że prawie każdy sprzęt może się z nim połączyć.
Celem oprogramowania dla sportu jest wyświetlanie ruchu, który jest wolny od wizualnych zanieczyszczeń, które czasami zawiera wideo. Podobnie jak wideo, motion capture pomaga jako sposób na połączenie innych zestawów danych, które są mniej wizualne, takich jak EMG i analiza siły. Badacze mogą zobaczyć zależności między ruchem a rekrutacją mięśni, wraz z siłami reakcji podłoża, jeśli jest to konieczne.
Celem oprogramowania motion capture dla sportu jest wyświetlanie ruchu bez wizualnych zanieczyszczeń. Click To Tweet
Czasami ruchy z motion capture nie są faktycznie mierzone, ponieważ użytkownicy chcą tylko jakościowych widoków, aby zsynchronizować się z ilościowymi środkami, takimi jak dane kinetyczne z czujników. Ręczna analiza jest czasami wykonywana za pomocą oprogramowania motion capture, zwłaszcza w badaniach nad ruchami cyklicznymi. Sporty wytrzymałościowe – te, które są typowo cykliczne, takie jak bieganie – zazwyczaj uśredniają lub statystycznie oceniają powtarzalne ruchy w celu uzyskania wglądu w biomechaniczne błędy lub możliwe błędy techniki.
Platformy programowe mogą obejmować bardzo drogie zestawy do usprawnionych odtwarzaczy 3-D, ale prawie wszystkie programy badawcze mają wystarczająco dużo nakładek, że różnice są bardzo niewielkie. Niektóre platformy programowe są jedynie opcjami menedżera plików, ponieważ dostawcy sprzętu oczekują, że rynek platform pozwoli na analizę danych analogowych. W związku z tym ograniczają oni rozwój swojego oprogramowania, aby skupić się tylko na sprzęcie. Opcje tylko sprzętowe i tylko programowe są rzadkie, ale istnieje kilka małych firm, które zapewniają tylko jedno lub drugie.
Najlepsze zastosowania Motion Capture w sporcie
Praktycy często używają rozwiązań motion capture, aby zobaczyć funkcjonowanie ciała we wszystkich perspektywach i wyodrębnić kąty stawów. Osoby zajmujące się wydajnością, takie jak biomechanicy, potrzebują danych do badania sposobu poruszania się sportowców, podczas gdy specjaliści medyczni chcą przede wszystkim dowiedzieć się, dlaczego sportowcy ulegają kontuzjom. Medycyna sportowa interesuje się dysfunkcjami występującymi przed, w trakcie i po kontuzji, natomiast specjaliści od wydajności muszą dowiedzieć się, co sprawia, że sportowiec odnosi sukcesy w zakresie ruchu. Istnieje wzorzec obniżonej wydajności i zwiększonego ryzyka kontuzji, gdy dane wyjściowe spadają, a trenerzy i specjaliści medyczni czasami używają technologii motion capture do obsługi ważnych lub złożonych urazów.
Najczęstszym zastosowaniem motion capture jest analiza chodu. Podczas gdy inne ruchy są ważne w sporcie, prawie każda aktywność na lądzie będzie zawierać jakiś rodzaj ruchu biegowego, czy to sprint, jogging, czy chodzenie. Niektóre kliniki przeznaczyły ogromne środki na programy reedukacyjne dla kontuzjowanych sportowców, ale większość prywatnych ośrodków wykorzystuje analizę motion capture do marketingu marki lub obiektu, a nie do prawdziwych rozwiązań interwencyjnych.
Przebieg pracy z motion capture nie jest dużym obciążeniem, ale nie jest też przyjazny dla grup, ani nie jest rozwiązaniem zapewniającym natychmiastową informację zwrotną. Mniejsze aplikacje, takie jak rozwiązania z pojedynczym czujnikiem IMU, mogą skutecznie wykorzystać inteligentne urządzenia do biofeedbacku; jednak ze względu na niepełny obraz, nie jest to prawdziwe przechwytywanie ruchu i nie należy mylić go z pełną analizą.
Podobnie jak w przypadku analizy wideo, nieoceniona dla sportowców jest możliwość zobaczenia siebie na ekranie w różnych prędkościach i perspektywach. Większość elitarnych sportowców w sportach olimpijskich w końcu doświadczy jakiejś formy motion capture, ale wielu sportowców zobaczy to tylko w telewizji.
Przykładowe opcje w technologii Motion Capture
Istnieje ponad dwa tuziny dostawców systemów motion capture specyficznych dla sportu, a wiele innych rozwiązań jest doskonałych i skutecznych w dodawaniu wartości zespołom, szpitalom i prywatnym placówkom. W tym przeglądzie pominęliśmy kilka firm, w tym rozwiązania programowe takie jak C-Motion. Nie dlatego, że nie są one warte wymienienia, ale dlatego, że dostęp do każdego systemu (dla celów recenzji) jest prawie niemożliwy.
Qualisys: Jedna z niewielu firm spoza Stanów Zjednoczonych, szwedzka firma Qualisys dostarcza rozwiązania dla niezliczonych potrzeb poza sportem, takich jak animacja i inżynieria. Skupiają się na rynku wirtualnej rzeczywistości i mają rozwiązania, które pomagają z podwodnymi wymaganiami. Jedną z mocnych stron firmy jest integracja jej produktów z innymi systemami (płyty siłowe) i oprogramowaniem, takim jak MATLAB i LabVIEW. Firma jest innowacyjna i szybko wykorzystała rynek smartfonów, dostarczając odtwarzacz 3-D, jak również aplikację wyzwalającą do prostego nagrywania.
Vicon: Ta brytyjska firma jest wyjątkowo silna w systemie w stylu kamery optycznej, ale ostatnio podjęła ryzyko, przejmując IMeasureU, startup z Nowej Zelandii, który zapewnia opcję pojedynczego czujnika IMU dla sportowców. Większość doświadczeń firmy Vicon jest związana z wynikami sportowymi i naukami klinicznymi, ale odnoszą oni również sukcesy w branży rozrywkowej. Jak wiele firm zajmujących się motion capture, Vicon ma doświadczenie zarówno w branży rozrywkowej, jak i inżynieryjnej. Czołowi biomechanicy i eksperci w dziedzinie nauki o ruchu używają Vicon jako sposobu na ilościową ocenę swojej pracy ze sportowcami i pacjentami.
Analiza ruchu: Jedna z pierwszych firm, która stworzyła solidne rozwiązanie bezszumowe, Motion Analysis pochodzi z Santa Rosa w Kalifornii i rozpoczęła działalność na początku lat 80-tych. Wiele z pionierskich badań nad baseballem rozpoczęło się od Motion Analysis, a firma rozszerzyła swoją działalność na inne rynki, takie jak gry wideo, animacje, inżynieria, a nawet transmisje. Firma jest dobrze znana w sporcie ze względu na szeroki rozwój kamer i oprogramowania, a setki prac badawczych zawierają ich system jako część sekcji materiałów.
Xsens: Pionier w wearable motion capture, Xsens jest jednym z liderów w opcji opartej na IMU do analizy ruchu. Xsens jest firmą holenderską, ale ma silną pozycję w Stanach Zjednoczonych, ponieważ jej siedziba mieści się w Los Angeles. Ich rozwiązania obejmują zakres od sportu do rolnictwa, ponieważ są czymś więcej niż tylko firmą, która chce pomóc w analizie chodu i badaniach. Są oni niezwykle związani z rynkiem inżynieryjnym i mają wiele zastosowań poza naukami biologicznymi i wynikami sportowymi. Siłą ich systemu jest to, że można go używać w czasie rzeczywistym, jak również w rzeczywistych warunkach, takich jak produkcja i na zewnątrz.
OptiTrack: Kolejny lider w dziedzinie motion capture, OptiTrack dostarcza tradycyjne rozwiązania optyczne, jak również pojawiające się rozwiązania markerless. OptiTrack prowadzi w dziedzinie animacji, nauk o ruchu, wirtualnej rzeczywistości i robotyki. Jest firmą międzynarodową i dostarcza własne oprogramowanie, jak również zestaw SDK (Software Developer Kit). Oferuje również dodatkowe wtyczki i narzędzia pomagające w synchronizacji tablic siłowych i innych zestawów danych. OptiTrack dostarcza badania walidacyjne, pokazujące, że jest to realne rozwiązanie zarówno dla badań, jak i rynku klinicznego.
NDI: Chociaż nie jest to opcja motion capture dla sportu, NDI jest świetnym przykładem tego, jak technologia może zmaksymalizować precyzję. Znany jako rozwiązanie medyczne, zwłaszcza w dziedzinie chirurgii i opieki szpitalnej, NDI zapewnia zarówno śledzenie optyczne, jak i elektromagnetyczne. Jednak firma NDI nie jest przeznaczona tylko dla szpitali, ponieważ dostarcza również rozwiązania wojskowe i motion capture dla ruchu ciała. NDI jest firmą kanadyjską, która posiada kilka patentów i nagród za innowacyjność. Wreszcie, NDI jest silna na arenie międzynarodowej i posiada przedstawicielstwa w Europie i Azji.
Phoenix Technologies, Inc: Ta kanadyjska firma jest niezwykle silna na rynkach robotyki i innych technologii, w tym zastosowań kosmicznych i przemysłowych. Firma koncentruje się na przenośnych kamerach i bezprzewodowych rozwiązaniach czujników, a oba te rozwiązania mogą obsługiwać potrzeby sportowe i kliniczne. Jedną z mocnych stron produktu jest jego superszybka częstotliwość próbkowania i precyzja; cechy, które wyjaśniają, dlaczego Phoenix ma klientów z branży lotniczej i kosmicznej, takich jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna i NASA. Chociaż mają natywne oprogramowanie, integrują się z opcjami innych firm i mogą integrować się również z innymi platformami.
myoMOTION: Produkt firmy Noraxon, myoMOTION, posiada jeden z najbardziej oszałamiających wizualnych wyświetlaczy wielu zestawów danych i jest znany z ich systemów EMG, jak również z ich systemu przechwytywania ruchu opartego na IMU. Noraxon ma siedzibę w Arizonie, a większość ich przeszłości jest związana z EMG. Kilka lat temu Noraxon wykonał strategiczny ruch w celu włączenia większej integracji danych z innymi czujnikami, takimi jak analiza siły i motion capture. Oprogramowanie Noraxon tworzy raporty i może być eksportowane do rozwiązań innych firm w celu prowadzenia badań, jak również eksploracji danych.
DARI Motion: Firma DARI z siedzibą w Kansas rozpoczęła swoją działalność od skoncentrowania się na lekkoatletyce i wysokiej wydajności, a następnie rozszerzyła ją na korporacyjny wellness, wojsko i badania biomechaniczne. DARI dostarcza potwierdzoną kinematyczną i kinetyczną analizę ruchu oraz głęboki wgląd biomechaniczny w całkowicie pozbawionym markerów systemie optycznym – bez czujników, bez markerów, bez specjalnych kombinezonów i bez wymaganych płyt siłowych. Raporty dostarczają danych o różnym stopniu złożoności, od prostych, spersonalizowanych raportów do głębokiego wglądu w biomechanikę.
Wszystkie te firmy różnią się na tyle, że wymagają więcej porównań i badań wykraczających poza ten przewodnik. Najczęstszą prośbą jest szkolenie, czyli jak korzystać nie tylko z produktu, ale ogólnie z motion capture. Większość praktycznych doświadczeń z programów doktoranckich lub progresywnych programów dla absolwentów i licencjatów powinna być wystarczająca do efektywnego korzystania z wymienionych systemów. Wyjście poza biomechanikę stanowi wyzwanie dla trenerów, którzy mogą nie mieć odpowiedniego zaplecza kinezjologicznego, aby w pełni wykorzystać motion capture, ale niektóre aplikacje nie są zbyt wymagające, ponieważ wiele programów uczelnianych skutecznie wykorzystuje motion capture.
Motion Capture to prawdziwa inwestycja
Koszt większości systemów motion capture nie jest tani, a pełne laboratorium to średnio ponad sześć cyfr. Większość dostawców posiada dział sprzedaży, z którym można porozmawiać, a niektórzy mogą zademonstrować produkt, jeśli znajdują się w Twojej okolicy. Najlepszym sposobem na zainwestowanie w motion capture jest odwiedzenie najlepszych opcji na uniwersytetach, ponieważ większość działów badawczych jest otwarta i używa systemu do szlachetnych celów, a nie do tworzenia marketingowego szumu dla swojej placówki lub kliniki.
Odwrotnie, czasami mądrze jest spojrzeć na komercyjne ustawienia, które rzeczywiście zapewniają sprywatyzowane usługi, ponieważ te centra muszą być wydajne i skuteczne, aby utrzymać się w biznesie. Motion capture rozwija się, a rozwiązania stają się coraz lepsze z każdym rokiem. W dół drogi, przyszłość będzie jeszcze bardziej nowoczesna, ale czas pokaże, czy systemy bez markerów wycofają konwencjonalne opcje.
Skoro już tu jesteś…
…mamy małą przysługę do wyproszenia. Więcej ludzi czyta SimpliFaster niż kiedykolwiek, i każdego tygodnia przynosimy Ci fascynujące treści od trenerów, naukowców sportowych i fizjoterapeutów, którzy są oddani budowaniu lepszych sportowców. Proszę poświęcić chwilę, aby podzielić się artykułami w mediach społecznościowych, zaangażować autorów z pytaniami i komentarzami poniżej, i link do artykułów, gdy jest to właściwe, jeśli masz bloga lub uczestniczyć w forach o pokrewnej tematyce. – SF