O uso de motion capture está a crescer em todas as áreas do desporto e entretenimento, especialmente a nível de elite. À medida que a tecnologia migra de pesquisas em empresas de treinamento clínico e comercial, há desafios na utilização dos dados para fazer escolhas informadas.
Neste guia, olhamos para as principais opções em motion capture e mostramos as importantes diferenças no que as tecnologias específicas podem fazer e no que não podem. Captura de movimento é um termo muito vago, e este artigo articula o que é exatamente a verdadeira captura de movimento 3-D e o que não é. A captura de movimento está evoluindo e aumentando em uso em todos os níveis, e os profissionais de desempenho esportivo devem se manter atualizados sobre as melhores opções e práticas disponíveis.
O que é captura de movimento em 3-D?
Captura de movimento é um termo muito solto, e a captura de movimento pode significar quase tudo agora. No entanto, normalmente refere-se a uma gravação modificada do movimento total do corpo em três dimensões. Agora que os sensores IMU entraram no mercado, um acelerômetro com um giroscópio pode parecer uma verdadeira captura de movimento, mas há uma diferença entre medir o movimento com alguns poucos sensores e capturar um corpo em ação. A maior parte dos leitores irá visualizar marcas reflexivas em um corpo para digitalizar um atleta em três dimensões quando o termo captura de movimento for criado, mas é extremamente importante saber o que constitui uma verdadeira gravação 3D.
Há uma diferença entre medir o movimento com alguns sensores e capturar um corpo em ação. Clique em To Tweet
Um pequeno sensor tem a capacidade de recolher dados de orientação, mas a menos que recolha todo o corpo, esses sistemas devem ser vistos como sensores de movimento, e alguns sistemas criam, de facto, renderizações competitivas de movimento a partir das gravações. O critério para verdadeira captura de movimento 3D é o seguinte:
- Cria uma aquisição completa e totalmente autêntica do movimento total do corpo.
- Proporciona orientação anatômica dos pontos de referência.
- Requer uma gravação direta de três dimensões de dados.
- Capaz de coletar atividades balísticas com alta freqüência de medição.
Como você pode ver nesta lista, a menos que todos os requisitos sejam cumpridos, é fácil confundir um único sensor de registro do movimento que é bruto e fora do contexto como captura de movimento. As IMUs usadas em conjunto podem criar dados de captura de movimento a partir de cálculos, mas adicionam outro nível de complexidade ao desafio de medir os movimentos do corpo. Câmeras sem marcadores, como o dispositivo Microsoft Kinect, usam um laser infravermelho e uma câmera juntos para criar profundidade em três dimensões, mas esses sistemas têm limitações no esporte.
Como funciona a captura de movimento?
Captura de movimento é uma parte que marca e rastreia o corpo e uma parte que converte essa informação em dados úteis tanto para pesquisas quanto para aplicações em mercados como o de entretenimento. A quantidade de detalhes e precisão que um usuário de captura de movimento precisa determina como os dados são coletados, pois cada sistema tem habilidades e restrições com precisão e flexibilidade das informações. Alguns sistemas de captura de movimento são projetados para uso interno, mas têm algumas funções externas que são eficazes e apropriadas. A captura de movimento de corpo inteiro requer um ambiente controlado para que o sistema tenha robustez suficiente para coletar dados adequadamente.
Existem duas opções claras com captura de movimento: sistemas de marcadores ou ópticos e soluções sem marcadores. A captura de movimento usando vídeo é possível, mas a maioria dos sistemas de grau de pesquisa prefere usar câmeras infravermelhas e marcadores reflexivos. Alguns sistemas menos precisos estão crescendo em popularidade porque são baratos e resolvem problemas mais fáceis, como análise de esteira com execução. Esses novos sistemas, menos precisos, estão agora assumindo uma parte estreita do mercado de captura de movimento.
Fatos para o corpo, geralmente com sensores IMU, estão se tornando mais populares devido à sua portabilidade, mas são vistos como mais opções clínicas que exigem menos granularidade e precisão de dados. Os sistemas de captura de movimento de alto desempenho são tão finos que podem ver expressões faciais e dedos se movendo com grande detalhe, como uma pessoa tocando piano. Sem simplificar demais o processo, a captura de movimento começa com a gravação do movimento de câmeras e partes do corpo marcadas, ou estima o movimento usando câmeras mais limitadas e sensores IMU.
Após a captura dos dados, filtragem e cálculos adicionais são realizados para limpar os dados e garantir que os artefatos de movimento não criem relatórios falsos. Marcadores reflexivos são colocados no corpo com diretrizes específicas para garantir que os dados sejam precisos e precisos, pois músculos e pele podem se mover em alta velocidade, criando um desafio com a qualidade dos dados. Marcos anatômicos são selecionados por sua confiabilidade e seu valor na conexão do movimento articular. Os bodysuits e sistemas IMU seguem uma abordagem semelhante com colocações, mas têm localizações únicas baseadas no design dos seus equipamentos, em vez de seguirem uma melhor prática científica. Os sistemas sem marcadores requerem uma configuração adequada da câmera baseada nas necessidades, já que a maioria dos sistemas olha para movimentos que estão estacionários no posicionamento, como andar no lugar, agachar-se para cima e para baixo e fazer outras funções básicas.
O passo final é pegar os dados e convertê-los em relatórios ou usar uma função que os transforma em animação ou simulação. Além dos dados coletados pela captura de movimento, as empresas criam soluções que permitem aos usuários combinar múltiplos conjuntos de dados, tais como placas de força e leituras EMG. A maior parte do desenvolvimento nos últimos anos tem estado do lado do software dos sistemas ópticos e do lado do hardware das soluções markerless e IMU. Todos os tipos de soluções requerem muita suavização e limpeza de dados, mas é necessário mais trabalho com as IMUs em geral versus opções ópticas.
Diferentes opções com hardware de captura de movimento
Para a maior parte, o hardware de captura de movimento é projetado para pesquisas ou necessidades clínicas muito progressivas. A análise de vídeo é mais comum como opção de biofeedback com coaches, mas a captura de movimento está crescendo devido ao mercado de IMU. O mercado óptico, também conhecido como sistemas baseados em câmeras, tende a ser mais apropriado à pesquisa, enquanto o mercado de sensores tende a ser mais orientado ao desempenho clínico e esportivo.
Por exemplo, Motus fornece uma única opção de sensor para arremessar atletas, como aqueles que arremessam (beisebol), taça (críquete), e passe (futebol americano). Embora esse sistema capture movimentos perto do cotovelo, é principalmente um cálculo porque muitas suposições são feitas quando outros conjuntos de dados não estão disponíveis, como o tronco e as pernas. Os sistemas IMU tendem a ter menos precisão e precisão, mas a tecnologia está melhorando e lentamente fechando a lacuna.
O valor mais óbvio da tecnologia de captura de movimentos é sua análise automática de dados para o usuário. Clique em To Tweet
Não devemos incluir o vídeo convencional – mesmo com várias câmeras – como uma opção de captura de movimento, por várias razões. O valor mais óbvio da captura de movimento é que a tecnologia analisa automaticamente os dados, em vez de o usuário do software ter que fazê-lo manualmente. Alguns sistemas de vídeo automatizar vídeo como a captura de movimento, digitalizando a série de câmeras para calcular o movimento, mas a questão com esta técnica é que as restrições de iluminação e outros fatores com dados visuais podem limitar os requisitos de alta precisão. Marcadores diretos têm um histórico mais confiável de dados estáveis, mas devido aos limites da competição, o vídeo ainda é viável porque os marcadores não são práticos ou adequados.
Marcadores são comumente pequenos anexos tipo bola do tamanho de um mármore ou círculos reflexivos aplicados sobre os atletas. Alguns sistemas usam acessórios semelhantes a um embrulho, como fitas de suor e pulseiras, e alguns sistemas fornecem fatos adaptados por usuários treinados. As opções de câmera sem marcadores apenas usam hardware para capturar vídeo, mas fornecem muito menos informações e exigem que o hardware esteja extremamente próximo do usuário, como por exemplo, a alguns metros de distância. Esses sistemas atualmente não podem avaliar ações esportivas que são muito rápidas ou têm altos requisitos de deslocamento.
alguns sistemas fornecem hardware de sincronização e outras ferramentas para estudos avançados ou necessidades específicas, como filmagens subaquáticas e captura remota. A maioria dos equipamentos além de câmeras e marcadores é projetada para ajudar a acionar o início e a parada de outros sensores, como placas de força, EMG, e pressão in-shoe. Alguns sistemas incluem fones de ouvido de realidade virtual ou formas de conexão a esses dispositivos, mas a maioria dos acessórios são simples cabos e similares.
Software de captura de movimento compreensível
A maioria das opções de software para captura de movimento tem duas finalidades: converter os dados de movimento em uma animação para replay científico ou usos de entretenimento. Quase todas as empresas fornecem uma opção de replay, e alguns dos softwares permitem ao espectador escolher perspectivas e estilos de animação, tais como linha (figuras de pau), esqueleto ou figura humana. O software avançado pode medir movimentos muito precisos de forma isolada ou criar relatórios baseados nas melhores práticas da metodologia de análise. Várias opções de software são agnósticos por hardware, ou seja, quase qualquer hardware pode se conectar ao software.
O objetivo do software para esportes é exibir movimentos que estejam livres dos detritos visuais que o vídeo às vezes contém. Como o vídeo, a captura de movimento ajuda como uma forma de conectar outros conjuntos de dados que são menos visuais, como EMG e análise de força. Os pesquisadores podem ver as relações entre movimento e recrutamento muscular, juntamente com as forças de reação do solo, se necessário.
O objetivo do software de captura de movimento para esportes é exibir o movimento sem detritos visuais. Clique em To Tweet
Por vezes os movimentos com motion capture não são realmente medidos, uma vez que os usuários só querem vistas qualitativas para sincronizar com medidas quantificadas, tais como dados cinéticos de sensores. A análise manual é às vezes realizada com software de captura de movimento, especialmente em pesquisas sobre movimentos cíclicos. Desportos de resistência – aqueles que são tipicamente cíclicos, tais como corrida – avaliam normalmente a média ou estatisticamente os movimentos repetitivos, a fim de obter informações sobre falhas biomecânicas ou possíveis erros técnicos.
Plataformas de software podem variar de suites muito caras a jogadores 3-D simplificados, mas quase todos os softwares de pesquisa têm sobreposição suficiente que as diferenças são muito pequenas. Algumas plataformas de software são apenas opções de gerenciamento de arquivos, pois a expectativa dos provedores de hardware é que o mercado de plataformas permita a análise de dados analógicos. Assim, eles reduzem o seu desenvolvimento de software para se concentrarem apenas no hardware. Opções apenas de hardware e software são raras, mas existem algumas pequenas empresas que fornecem apenas uma ou outra.
Best Uses of Motion Capture in Sport
Practitioners frequentemente usam uma solução de motion capture para visualizar a função do corpo em todas as perspectivas e extrair ângulos de articulação. Aqueles na área de desempenho, como os biomecânicos, querem que os dados estudem como os atletas se movimentam, enquanto os médicos especialistas querem ver porque os atletas se machucam em primeiro lugar. O campo da medicina esportiva está interessado em disfunções antes, durante e após a lesão, e o espaço de desempenho precisa aprender o que faz um atleta ter sucesso em relação ao movimento. Há um padrão de diminuição do desempenho e aumento do risco de lesões quando os dados de base caem, e os treinadores e profissionais médicos às vezes usam a tecnologia de captura de movimento para lidar com lesões importantes ou complexas.
O uso mais comum de captura de movimento é a análise da marcha. Enquanto outros movimentos são importantes no esporte, quase todas as atividades terrestres incluem algum tipo de movimento de corrida, seja correndo, correndo ou andando. Algumas clínicas têm gasto uma enorme quantidade de recursos em programas de reeducação para atletas lesionados, mas a maioria das instalações privadas usa a análise de motion capture para marketing de marca ou de instalações, em vez de verdadeiras soluções baseadas em intervenção.
O fluxo de trabalho de motion capture não é um fardo importante, mas também não é amigável ao grupo, nem é uma solução de feedback instantâneo. Aplicações menores, como soluções de sensor IMU único, podem alavancar dispositivos inteligentes de forma eficaz para biofeedback; no entanto, devido à imagem incompleta, não é uma verdadeira captura de movimento e você não deve confundi-la com uma análise completa.
Análise de vídeo, é inestimável para os atletas terem a oportunidade de se verem na tela em diferentes velocidades e perspectivas. A maioria dos atletas de elite nos esportes olímpicos acabará por experimentar alguma forma de captura de movimento, mas muitos atletas só o verão na TV.
Exemplo Opções em Tecnologia de Captura de Movimento
Existem mais de duas dúzias de fornecedores de sistemas de captura de movimento específicos do esporte, e muitas outras soluções são excelentes e eficazes para agregar valor às equipes, hospitais e instalações privadas. Deixamos várias empresas de fora desta análise, incluindo soluções de software como o C-Motion. Isso não se deve ao fato de não valerem a pena serem listadas, mas porque o acesso a todos os sistemas (para fins de revisão) é quase impossível.
Qualisys: Uma das poucas empresas fora dos Estados Unidos, a Sueca Qualisys fornece soluções para uma infinidade de necessidades para além do desporto, como animação e engenharia. Elas se concentram no mercado da realidade virtual e têm soluções que ajudam nas demandas subaquáticas. Um dos pontos fortes da empresa é a integração de seus produtos com outros sistemas (placas de força) e softwares como MATLAB e LabVIEW. Eles são inovadores e rapidamente aproveitaram o mercado de smartphones, fornecendo um player 3-D, bem como um aplicativo de gatilho para gravação simples.
Vicon: Esta empresa do Reino Unido é excepcionalmente forte no sistema de câmeras ópticas, mas recentemente eles assumiram um risco ao adquirir o IMeasureU, um startup da Nova Zelândia que fornece uma única opção de sensor IMU para os atletas. A maior parte da experiência da Vicon é em desempenho esportivo e ciências clínicas, mas eles também têm sucesso com entretenimento. Como muitas empresas de captura de movimento, eles têm tração no entretenimento, bem como na engenharia. Os principais biomecânicos e especialistas em ciência do movimento usam o Vicon como forma de quantificar o seu trabalho com atletas e pacientes.
Análise de Movimento: Uma das primeiras empresas a criar uma solução robusta sem ruído, a Motion Analysis é de Santa Rosa, Califórnia, e foi iniciada no início dos anos 80. Muitos dos estudos pioneiros sobre beisebol começaram com a Análise de Movimento, e eles se expandiram para outros mercados como videogames, animações, engenharia, e até mesmo radiodifusão. A empresa é conhecida no desporto devido ao seu extenso desenvolvimento de câmaras e software, e centenas de trabalhos de pesquisa incluem o seu sistema como parte da secção de materiais.
Xsens: Um pioneiro na captação de movimento wearable, Xsens é um dos líderes na opção baseada na IMU para análise de movimento. A Xsens é uma empresa holandesa, mas eles têm uma forte presença nos EUA, pois também estão localizados em Los Angeles. As suas soluções vão desde o desporto à agricultura, uma vez que são mais do que uma empresa que procura ajudar na análise e pesquisa da marcha. Eles estão extremamente ligados ao mercado de engenharia, e têm muitas aplicações fora das ciências biológicas e desempenho desportivo. A força do seu sistema é que pode utilizá-lo em tempo real, bem como em ambientes do mundo real, como a produção e ao ar livre.
OptiTrack: Outro líder em captura de movimento, OptiTrack fornece soluções ópticas tradicionais, bem como as soluções sem marcadores emergentes. OptiTrack é líder em animação, ciências do movimento, realidade virtual e robótica. Eles são uma empresa internacional e fornecem seu próprio software proprietário, bem como um kit de desenvolvimento de software (SDK). Eles também oferecem plug-ins e ferramentas adicionais para ajudar a sincronizar placas de força e outros conjuntos de dados. OptiTrack fornece um estudo de validação, mostrando que é uma solução viável tanto para a pesquisa quanto para o mercado clínico.
NDI: Embora não seja uma opção de captura de movimento de desempenho esportivo, o NDI é um grande exemplo de como a tecnologia pode maximizar a precisão. Conhecido como uma solução médica, especificamente cirurgia e cuidados hospitalares, o NDI fornece tanto rastreamento óptico como eletromagnético. Entretanto, o NDI não é apenas para hospitais, pois eles fornecem soluções militares e captura de movimento também para o movimento corporal. A NDI é uma empresa canadense, e tem várias patentes e prêmios de inovação. Finalmente, o NDI é forte internacionalmente, e tem representação na Europa e na Ásia.
Phoenix Technologies, Inc..: Esta empresa canadense é extremamente forte em robótica e outros mercados tecnológicos, incluindo aplicações espaciais e industriais. A empresa concentra-se em câmeras portáteis e soluções de sensores sem fio, e ambas podem lidar com necessidades esportivas e clínicas. Um dos pontos fortes do produto é sua taxa de amostragem super rápida e precisão; características que explicam porque a Phoenix tem clientes aeroespaciais como a Estação Espacial Internacional e a NASA. Embora tenham software nativo, eles se integram com opções de terceiros e também podem se integrar com outras plataformas.
myoMOTION: O produto Noraxon, myoMOTION, tem um dos mais impressionantes displays visuais de múltiplos conjuntos de dados, e são conhecidos por seus sistemas EMG, bem como por seu sistema de captura de movimento baseado em IMU que pode ser usado. O Noraxon está localizado no Arizona, e grande parte do seu passado está ligado ao EMG. Há alguns anos, a Noraxon fez um movimento estratégico para incluir mais integração de dados com outros sensores, tais como análise de força e captura de movimento. O software Noraxon cria relatórios e pode ser exportado para soluções de terceiros para pesquisa e mineração de dados.
DARI Motion: O DARI baseado no Kansas começou com um foco no atletismo e no desempenho high-end e expandiu-se para o bem-estar corporativo, militar e pesquisa biomecânica. DARI fornece análise cinemática e cinética de movimento validada, e profundo conhecimento biomecânico, em um sistema óptico completamente sem marcadores, sem sensores, sem marcadores, sem ternos especiais e sem placas de força necessárias. Suas saídas de relatórios fornecem dados em uma variedade de complexidades, desde relatórios simples e personalizados até mergulhos profundos na biomecânica subjacente.
Todas essas empresas têm diferenças suficientes que requerem mais comparações e pesquisas além deste guia. A solicitação mais comum é o treinamento, ou seja, como usar não apenas o produto, mas a captura de movimento em geral. A maior parte da experiência prática com programas de doutorado ou programas progressivos de graduação e pós-graduação deve ser suficiente para utilizar efetivamente os sistemas listados. Aventurar-se fora da biomecânica representa um desafio para os treinadores, que podem não ter a formação em cinesiologia para usar completamente a captura de movimento, mas algumas aplicações não são muito exigentes, já que muitos programas de desempenho universitário usam a captura de movimento efetivamente.
Motion Capture Is a True Investment
O custo da maioria dos sistemas de captura de movimento não é barato, e um laboratório completo é superior a seis dígitos, em média. A maioria dos fornecedores tem um departamento de vendas com o qual você pode conversar, e alguns farão uma demonstração do produto se estiverem na sua área. A melhor maneira de investir em motion capture é primeiro visitar as melhores opções nas universidades, já que a maioria dos departamentos de pesquisa estão abertos e usando o sistema para fins nobres, não para criar buzz de marketing para suas instalações ou clínicas.
Conversamente, às vezes é sábio olhar para ambientes comerciais que realmente fornecem serviços privatizados, já que esses centros devem ser eficientes e eficazes para permanecer no negócio. A captura de movimento está crescendo, e as soluções estão melhorando a cada ano. No futuro, o futuro será ainda mais vanguardista, mas o tempo dirá se os sistemas sem marcadores eliminarão as opções convencionais.
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