Användningen av Motion Capture ökar inom alla områden av sport och underhållning, särskilt på elitnivå. I takt med att tekniken migrerar från forskning till kliniska och kommersiella träningsföretag finns det utmaningar när det gäller att använda data för att göra välgrundade val.
I den här guiden tittar vi på de främsta alternativen inom rörelsefångst och visar de viktiga skillnaderna i vad de specifika teknikerna kan göra och vad de inte kan göra. Motion capture är ett mycket vagt begrepp, och i den här artikeln artikuleras exakt vad som är riktig 3D-motion capture och vad som inte är det. Motion Capture utvecklas och används alltmer på alla nivåer, och professionella idrottsutövare måste hålla sig uppdaterade om de bästa alternativen och bästa metoderna som finns tillgängliga.
Vad är 3-D Motion Capture?
Motion Capture är ett mycket löst begrepp, och att fånga rörelse kan betyda nästan vad som helst nu. Det hänvisar dock vanligtvis till en modifierad inspelning av hela kroppens rörelse i tre dimensioner. Nu när IMU-sensorer har kommit in på marknaden kan en accelerometer med en gyroskopi tyckas vara äkta motion capture, men det är skillnad mellan att mäta rörelse med några få sensorer och att fånga en kropp i rörelse. De flesta läsare kommer att föreställa sig reflekterande markeringar på en kropp för att digitalisera en idrottsman i tre dimensioner när termen motion capture tas upp, men det är oerhört viktigt att veta vad som utgör en äkta 3D-inspelning.
Det finns en skillnad mellan att mäta rörelser med några få sensorer och att fånga en kropp i aktion. Click To Tweet
En liten sensor har förmågan att samla in orienteringsdata, men om den inte samlar in hela kroppen bör dessa system ses som rörelsesensorer, och vissa system skapar kompletta återgivningar av rörelse från inspelningar. Kriterierna för äkta 3-D rörelsefångst är följande:
- Skapar en fullständig och helt autentisk registrering av hela kroppens rörelse.
- Gör anatomisk orientering av referenspunkter.
- Kräver en direkt inspelning av tre dimensioner av data.
- Kan samla in ballistiska aktiviteter med hög mätfrekvens.
Som du kan se av denna lista, om inte alla krav är uppfyllda, är det lätt att förväxla en enda sensors inspelning av rörelser som är obearbetad och ur sitt sammanhang som rörelsefångst. IMU:er som används tillsammans kan skapa data för rörelsefångst från beräkningar, men lägger till ytterligare en nivå av komplexitet till utmaningen att mäta kroppens rörelser. Markeringsfria kameror, som Microsofts Kinect-enhet, använder en infraröd laser och en kamera tillsammans för att skapa djup i tre dimensioner, men dessa system har begränsningar inom idrotten.
Hur fungerar rörelsefångst?
Rörelsefångst är en del märkning och spårning av kroppen och en del omvandling av denna information till data som är användbar för både forskning och tillämpningar på marknader som underhållning. Mängden detaljer och precision som en användare av motion capture behöver avgör hur data samlas in, eftersom varje system har förmågor och begränsningar med både noggrannhet och flexibilitet i informationen. Vissa rörelsefångstsystem är utformade för inomhusbruk men har vissa utomhusfunktioner som är effektiva och lämpliga. För att fånga hela kroppens rörelser krävs en kontrollerad miljö för att systemet ska vara tillräckligt robust för att samla in data på rätt sätt.
Två tydliga alternativ finns när det gäller rörelsefångst: system med markörer eller optiska system och lösningar utan markörer. Rörelsefångst med hjälp av video är möjlig, men de flesta forskningssystem föredrar att använda infraröda kameror och reflekterande markörer. Vissa mindre exakta system ökar i popularitet eftersom de är billiga och löser enklare problem, som löpbandsanalys med löpning. Dessa nya, mindre exakta system tar nu över en smal del av marknaden för rörelsefångst.
Bärbara kroppsdräkter, vanligen med IMU-sensorer, blir alltmer populära på grund av sin bärbarhet, men de ses som mer kliniska alternativ som kräver mindre datagranularitet och precision. Högpresterande system för rörelsefångst är så fina att de kan se ansiktsuttryck och fingrars rörelser i stor detalj, t.ex. en person som spelar piano. Utan att förenkla processen för mycket börjar rörelsefångst med att registrera rörelser från kameror och taggade kroppsdelar, eller uppskattar rörelser med hjälp av mer begränsade kameror och IMU-sensorer.
När datan har fångats utförs ytterligare filtrering och beräkningar för att rensa upp datan och se till att rörelseartefakter inte skapar falsk rapportering. Reflekterande markörer placeras på kroppen med specifika riktlinjer för att säkerställa att data är korrekta och exakta eftersom muskler och hud kan röra sig med hög hastighet, vilket skapar en utmaning med datakvaliteten. Anatomiska landmärken väljs ut på grund av sin tillförlitlighet och sitt värde för att koppla samman ledrörelser. IMU-kroppsdräkter och IMU-system följer ett liknande tillvägagångssätt när det gäller placeringar, men de har unika placeringar som bygger på utrustningens utformning snarare än att följa en vetenskaplig bästa praxis. Markeringsfria system kräver rätt kamerauppsättning baserat på behoven, eftersom de flesta system tittar på rörelser som är stationära i positionering såsom att gå på plats, huka upp och ner och utföra andra grundläggande funktioner.
Det sista steget är att ta data och omvandla dem till rapporter eller använda en funktion som omvandlar dem till animation eller simulering. Utöver de data som samlas in av rörelseupptagningen skapar företagen lösningar som gör det möjligt för användarna att kombinera flera datamängder, t.ex. kraftplattor och EMG-avläsningar. Det mesta av utvecklingen under de senaste åren har skett på mjukvarusidan av optiska system och på hårdvarusidan av markörlösa och IMU-lösningar. Alla typer av lösningar kräver en hel del utjämning och rensning av data, men det krävs mer arbete med IMU:er i allmänhet jämfört med optiska alternativ.
Differentierade alternativ med hårdvara för rörelsefångst
För det mesta är hårdvara för rörelsefångst utformad för forskning eller mycket progressiva kliniska behov. Videoanalys är vanligare som ett biofeedbackalternativ hos tränare, men motion capture växer på grund av IMU-marknaden. Den optiska marknaden, även känd som kamerabaserade system, tenderar att vara mer lämpad för forskning, medan sensormarknaden tenderar att vara mer klinisk och inriktad på idrottsprestationer.
Till exempel erbjuder Motus ett enda sensoralternativ för atleter som kastar, t.ex. de som kastar (baseboll), bowlar (cricket) och passar (amerikansk fotboll). Även om det systemet fångar rörelser nära armbågen är det främst en beräkning eftersom många antaganden görs när andra datamängder inte är tillgängliga, t.ex. bål och ben. IMU-systemen tenderar att ha sämre noggrannhet och precision, men tekniken förbättras och minskar långsamt klyftan.
Rörelseupptagningsteknikens mest uppenbara värde är den automatiska analysen av data för användaren. Click To Tweet
Vi bör inte inkludera konventionell video – även med flera kameror – som ett alternativ för rörelsefångst, av flera skäl. Det mest uppenbara värdet av motion capture är att tekniken automatiskt analyserar data istället för att programvaruanvändaren ska behöva göra det manuellt. Vissa videosystem automatiserar video som motion capture och digitaliserar serien av kameror för att beräkna rörelse, men problemet med denna teknik är att belysningsrestriktioner och andra faktorer med visuella data kan begränsa kraven på hög precision. Direkta markörer har en mer tillförlitlig historia av stabila data, men på grund av tävlingarnas begränsningar är video fortfarande gångbart eftersom markörer inte är praktiska eller lämpliga.
Markörer är vanligen små bollliknande fästen i storleken av en marmor eller reflekterande cirklar som appliceras på idrottsutövare. I vissa system används lindningsliknande tillbehör, t.ex. svettband och handledsband, och vissa system tillhandahåller dräkter som monteras av utbildade användare. Vid kameralösningar utan markörer används bara hårdvara för att fånga video, men de ger mycket mindre information och kräver att hårdvaran befinner sig extremt nära användaren, t.ex. på ett par meters avstånd. Dessa system kan för närvarande inte bedöma idrottsaktiviteter som är mycket snabba eller har höga krav på förflyttning.
Vissa system tillhandahåller synkroniseringshårdvara och andra verktyg för avancerade studier eller specifika behov, t.ex. undervattensfilmning och fjärrstyrd fångst. Det mesta av utrustningen utöver kameror och markörer är utformad för att hjälpa till att utlösa start och stopp för andra sensorer, t.ex. kraftplattor, EMG och tryck i skon. Vissa system innehåller headset för virtuell verklighet eller sätt att ansluta till dessa enheter, men de flesta tillbehören är enkla kablar och liknande.
Understanding Motion Capture Software
De flesta mjukvarualternativ för rörelsefångst har två syften: att omvandla rörelsedata till en animation för antingen vetenskaplig uppspelning eller underhållningsändamål. Nästan alla företag erbjuder ett alternativ för uppspelning, och en del av programvaran gör det möjligt för tittaren att välja perspektiv och animeringsstilar, t.ex. linje (pinnfigurer), skelett eller människofigur. Avancerad programvara kan mäta mycket exakta rörelser i isolering eller skapa rapporter baserade på bästa praxis för analysmetodik. Flera alternativ av programvaran är hårdvaruoberoende, vilket innebär att nästan vilken hårdvara som helst kan anslutas till programvaran.
Målet med programvaran för sport är att visa rörelser som är fria från det visuella skräp som video ibland innehåller. Liksom video hjälper rörelseupptagning som ett sätt att koppla ihop andra datamängder som är mindre visuella, t.ex. EMG och kraftanalys. Forskare kan se sambanden mellan rörelse och muskelrekrytering, tillsammans med markreaktionskrafter om det behövs.
Målet med programvaran för motion capture för sport är att visa rörelser utan visuellt skräp. Click To Tweet
I vissa fall mäts rörelserna med motion capture faktiskt inte, eftersom användarna bara vill ha kvalitativa vyer som ska synkroniseras med kvantifierade mått, t.ex. kinetiska data från sensorer. Manuell analys utförs ibland med motion capture-programvara, särskilt vid forskning om cykliska rörelser. Uthållighetsidrotter – de som vanligtvis är cykliska, t.ex. löpning – brukar vanligtvis göra en genomsnittlig eller statistisk utvärdering av repetitiva rörelser för att få en inblick i biomekaniska fel eller möjliga teknikfel.
Mjukvaruplattformar kan sträcka sig från mycket dyra sviter till strömlinjeformade 3D-spelare, men nästan all forskningsprogramvara har tillräckligt mycket överlappning för att skillnaderna ska vara mycket små. Vissa programvaruplattformar är endast filhanteringsalternativ, eftersom hårdvaruleverantörerna förväntar sig att plattformsmarknaden kommer att möjliggöra analys av analoga data. Därför minskar de sin mjukvaruutveckling för att fokusera på hårdvaran. Alternativ som endast omfattar hårdvara och programvara är sällsynta, men det finns några små företag som endast tillhandahåller det ena eller det andra.
Bästa användningsområden för motion capture inom idrott
Utövare använder ofta en motion capture-lösning för att se kroppens funktion i alla perspektiv och extrahera ledvinklar. De som arbetar med prestanda, till exempel biomekaniker, vill ha data för att studera hur idrottare rör sig, medan medicinska specialister vill se varför idrottare skadar sig överhuvudtaget. Det idrottsmedicinska området är intresserat av dysfunktion före, under och efter en skada, och prestationsområdet behöver lära sig vad som får en idrottare att lyckas när det gäller rörelse. Det finns ett mönster av minskad prestation och ökad skaderisk när baslinjedata sjunker, och tränare och sjukvårdspersonal använder ibland motion capture-teknik för att hantera viktiga eller komplexa skador.
Den vanligaste användningen av motion capture är gånganalys. Även om andra rörelser är viktiga inom idrotten, innehåller nästan alla landbaserade aktiviteter någon form av löprörelse, vare sig det handlar om sprint, jogging eller gång. Vissa kliniker har lagt ner enorma resurser på omskolningsprogram för skadade idrottare, men de flesta privata anläggningar använder motion capture-analyser för marknadsföring av varumärken eller anläggningar, snarare än verkliga interventionsbaserade lösningar.
Arbetsflödet för motion capture är inte en stor börda, men det är inte heller gruppvänligt och inte heller en lösning med omedelbar återkoppling. Mindre tillämpningar, som lösningar med en enda IMU-sensor, kan utnyttja smarta enheter effektivt för biofeedback; men på grund av den ofullständiga bilden är det inte äkta rörelsefångst och du bör inte förväxla det med fullständig analys.
Likt videoanalys är det ovärderligt för idrottare att ha möjlighet att se sig själva på skärmen i olika hastigheter och perspektiv. De flesta elitidrottare i olympiska idrotter kommer så småningom att uppleva någon form av motion capture, men många idrottare kommer bara att se det på TV.
Exempel på alternativ inom motion capture-teknik
Det finns mer än två dussin leverantörer av idrottsspecifika motion capture-system, och många andra lösningar är utmärkta och effektiva när det gäller att skapa mervärde för lag, sjukhus och privata anläggningar. Vi har lämnat flera företag utanför den här granskningen, inklusive mjukvarulösningar som C-Motion. Detta beror inte på att de inte är värda att nämna, utan på att det är nästan omöjligt att få tillgång till varje system (i granskningssyfte).
Qualisys: Ett av de få företagen utanför USA, det svenskbaserade Qualisys, tillhandahåller lösningar för en myriad av behov utöver sport, t.ex. animation och ingenjörskonst. De fokuserar på marknaden för virtuell verklighet och har lösningar som hjälper till med undervattenskrav. En av företagets styrkor är integrationen av dess produkter med andra system (kraftplattor) och programvara som MATLAB och LabVIEW. De är innovativa och drog snabbt nytta av smartphonemarknaden genom att tillhandahålla en 3D-spelare samt en triggerapp för enkel inspelning.
Vicon: De tog nyligen en risk genom att förvärva IMeasureU, ett nystartat företag från Nya Zeeland som tillhandahåller ett enda IMU-sensoralternativ för idrottare. Vicon har mest erfarenhet av idrottsprestationer och klinisk vetenskap, men de har också framgång inom underhållning. Liksom många företag inom motion capture har de draghjälp inom underhållning såväl som teknik. Ledande biomekaniker och experter inom rörelsevetenskap använder Vicon som ett sätt att kvantifiera sitt arbete med idrottare och patienter.
Rörelseanalys: Motion Analysis är ett av de första företagen att skapa en robust bullerfri lösning. Företaget kommer från Santa Rosa i Kalifornien och startade sin verksamhet i början av 1980-talet. Många av de banbrytande studierna om baseboll började med rörelseanalys, och de har expanderat till andra marknader som videospel, animationer, teknik och till och med radio- och tv-sändningar. Företaget är välkänt inom idrotten på grund av deras omfattande utveckling av kameror och programvara, och i hundratals forskningsartiklar ingår deras system som en del av materialavsnittet.
Xsens: Xsens är en pionjär inom bärbar rörelseupptagning och är en av de ledande inom det IMU-baserade alternativet för rörelseanalys. Xsens är ett nederländskt företag, men de har en stark närvaro i USA eftersom de också finns i Los Angeles. Deras lösningar sträcker sig från sport till jordbruk, eftersom de är mer än bara ett företag som vill hjälpa till med gånganalys och forskning. De är extremt kopplade till den tekniska marknaden och har många tillämpningar utanför biologiska vetenskaper och idrottsprestationer. Styrkan med deras system är att du kan använda det i realtid, samt i verkliga miljöer som tillverkning och utomhus.
OptiTrack: OptiTrack är en annan ledande aktör inom rörelsefångst och erbjuder traditionella optiska lösningar samt de nya markörlösa lösningarna. OptiTrack är ledande inom animation, rörelsevetenskap, virtuell verklighet och robotik. De är ett internationellt företag och tillhandahåller sin egen proprietära programvara samt ett programvaruutvecklarkit (SDK). De erbjuder också ytterligare insticksprogram och verktyg för att hjälpa till att synkronisera kraftplattor och andra datamängder. OptiTrack tillhandahåller en valideringsstudie som visar att det är en gångbar lösning för både forskning och den kliniska marknaden.
NDI: Även om det inte är ett alternativ för rörelsefångst för idrottsprestationer är NDI ett bra exempel på hur tekniken kan maximera precisionen. NDI är känt som en medicinsk lösning, särskilt inom kirurgi och sjukhusvård, och erbjuder både optisk och elektromagnetisk spårning. NDI är dock inte bara till för sjukhus, eftersom de också tillhandahåller militära lösningar och rörelsefångst för kroppsrörelser. NDI är ett kanadensiskt företag och har flera patent och innovationsutmärkelser. Slutligen är NDI starkt internationellt och har representation i Europa och Asien.
Phoenix Technologies, Inc: Detta kanadensiska företag är extremt starkt inom robotik och andra teknikmarknader, inklusive rymd- och industritillämpningar. Företaget fokuserar på bärbara kameror och trådlösa sensorlösningar, och båda kan hantera sport- och kliniska behov. En av produktens styrkor är dess supersnabba samplingsfrekvens och precision; egenskaper som förklarar varför Phoenix har kunder inom flyg- och rymdindustrin som den internationella rymdstationen och NASA. Även om de har inhemsk programvara integrerar de med alternativ från tredje part och kan även integreras med andra plattformar.
myoMOTION: Noraxons produkt, myoMOTION, har en av de mest fantastiska visuella visningarna av flera datamängder, och de är kända för sina EMG-system samt sitt bärbara IMU-baserade rörelseupptagningssystem. Noraxon ligger i Arizona, och mycket av deras förflutna är kopplat till EMG. För några år sedan gjorde Noraxon en strategisk förändring för att inkludera mer dataintegration med andra sensorer, såsom kraftanalys och rörelsefångst. Noraxons programvara skapar rapporter och kan exporteras till tredjepartslösningar för forskning samt datautvinning.
DARI Motion: DARI: Kansas-baserade DARI startade med fokus på friidrott och avancerade prestationer och har expanderat till företagshälsovård, militär och biomekanisk forskning. DARI levererar validerad kinematisk och kinetisk rörelseanalys och djup biomekanisk insikt i ett helt markörfritt, optiskt system – utan sensorer, markörer, specialdräkter och kraftplattor. Dess rapporteringsutgångar levererar data i en mängd olika komplexiteter, från enkla, personliga rapporter till djupa djupdykningar i den underliggande biomekaniken.
Alla dessa företag har tillräckligt stora skillnader för att de kräver fler jämförelser och mer forskning utöver den här guiden. Den vanligaste begäran är utbildning, det vill säga hur man använder inte bara produkten, utan rörelsefångst i allmänhet. De flesta praktiska erfarenheter med doktorandprogram eller progressiva graduate- och grundutbildningar bör vara tillräckliga för att effektivt använda de listade systemen. Att ge sig ut utanför biomekaniken innebär en utmaning för tränare, som kanske inte har den kinesiologiska bakgrunden för att fullt ut använda motion capture, men vissa tillämpningar är inte alltför krävande, eftersom många prestationsprogram på högskolor använder motion capture på ett effektivt sätt.
Motion Capture är en riktig investering
Kostnaden för de flesta system för motion capture är inte billig, och ett komplett labb kostar i genomsnitt mer än sexsiffrigt belopp. De flesta leverantörer har en försäljningsavdelning som du kan prata med, och vissa kommer att demonstrera produkten om de finns i ditt område. Det bästa sättet att investera i motion capture är att först besöka de bästa alternativen på universiteten, eftersom de flesta forskningsavdelningar är öppna och använder systemet i ädla syften, inte för att skapa marknadsföringssuccé för sin anläggning eller klinik.
Omvänt är det ibland klokt att titta på kommersiella miljöer som faktiskt tillhandahåller privatiserade tjänster, eftersom dessa centra måste vara effektiva och ändamålsenliga för att kunna fortsätta sin verksamhet. Motion Capture växer och lösningarna blir bättre för varje år. Längre fram kommer framtiden att vara ännu mer banbrytande, men tiden får utvisa om markörlösa system fasar ut de konventionella alternativen.
När du ändå är här…
…har vi en liten tjänst att be om. Fler människor läser SimpliFaster än någonsin, och varje vecka ger vi dig övertygande innehåll från tränare, idrottsvetare och sjukgymnaster som ägnar sig åt att bygga bättre idrottare. Ta gärna en stund för att dela artiklarna på sociala medier, engagera författarna med frågor och kommentarer nedan och länka till artiklarna när det är lämpligt om du har en blogg eller deltar i forum om relaterade ämnen. – SF