Στόχος μεθόδων κινηματικής ανάλυσης ΜΕΤΡΗΣΗ Μέθοδοι Κινηματικής ανάλυσης Ανάλυση Βάδισης ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ ΤΑΤΗΤΑΣ ΕΠΙΤΑΝΣΗΣ Σημείου Μέλους Γωνίας ΒΑΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΣΝΟΤΗΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ Η συχνότητα καταγραφής ενός σήματος ΣΝΟΤΗΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ 1 Ηz = 1 εικόνα το δευτερόλεπτο 1 Ηz = 1 δείγμα /sec ή 1 καρέ / sec. 30 Ηz = 30 εικόνες το δευτερόλεπτο 1
ΣΝΟΤΗΤΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΘΕΩΡΗΜΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ Όσο αυξάνει η συχνότητα, τόσο πιο όμαλή γίνεται η κίνηση στο ανθρώπινο μάτι. Η συχνότητα δειγματοληψίας θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια απο την συχνότητα της κίνησης για να την περιγράφει σωστά ΘΕΩΡΗΜΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΘΕΩΡΗΜΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ Μικρή συχνότητα δειγματοληψίας Μεγαλύτερη συχνότητα δειγματοληψίας ΘΕΩΡΗΜΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ Ένα κάποιος περπατά με ρυθμό 1 βήμα το δευτερόλεπτο, ποιά η ιδανική συχνότητα δειγματοληψίας σε Hz; ΘΕΩΡΗΜΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ Εάν η συχνότητα μιας κίνησης 1 sec, είναι 50 Hz, τότε σε πόσα κομμάτια χωρίζεται η κίνηση; Το κάθε «κομμάτι» πόση διάρκεια θα έχει; 2
Σε τι χρησιμεύουν; Συστήματα Αναφοράς Συστήματα αναφοράς Για να μπορέσουμε να περιγράψουμε την κίνηση θα πρέπει να καθορίσουμε ένα σημείο αναφοράς σε σχέση με το οποίο θα πρέπει να αναλύσουμε τις διάφορες παραμέτρους. Είδη συστημάτων αναφοράς Δυσδιάστατο σύστημα, με το οποίo γίνεται ανάλυση της κίνησης στο επίπεδο. Τρισδιάστατο σύστημα, με το οποίo γίνεται ανάλυση της κίνησης στον τρισδιάστατο χώρο. Δυσδιάστατο σύστημα αναφοράς Πρόκειται για την περιγραφή της κίνησης σε δύο άξονες που ορίζουν ένα επίπεδο. Δυσδιάστατη ανάλυση Δυσδιάστατη ανάλυση 3
Τρισδιάστατη ανάλυση Ζ 2-Δ έναντι 3-Δ Δυσδιάστατη ανάλυση 1. Καταγραφή μόνο της πλευράς που φαίνεται στην κάμερα 2. Μελέτη των κινήσεων των αρθρώσεων σε έναν άξονα (π.χ. κάμψη έκταση) 3. Αδυναμία μελέτης των κινήσεων σε πολλά επίπεδα (π..χ. στροφές των αρθρώσεων) Ζ Τρισδιάστατη ανάλυση 1. Καταγραφή από διάφορες πλευρές (όσες και οι κάμερες) 2. Μελέτη των κινήσεων των αρθρώσεων σε όλους τους άξονες (π.χ. στροφές) Συστήματα κινηματικής ανάλυσης Δύο κατηγορίες μετρήσεων Άμεσες Γωνιόμετρα Επιταχυνσιόμετρα Μαγνητικά συστήματα Έμμεσες Βιντεοσκόπηση Οπτοηλεκτρονικά συστήματα Άμεσες μέθοδοι κινηματικής ανάλυσης: Γωνιόμετρα Όργανα μέτρησης της γωνιακής μετατόπισης μεταξύ των δύο σκελών τους Άμεσες μεθόδοι κινηματικής ανάλυσης: Γωνιόμετρα Διακρίνονται σε: ειροκίνητα, τα οποία φέρουν αναλογική ένδειξη της γωνίας μεταξύ των σκελών Ψηφιακά, τα οποία καταγράφουν την γωνία σε ψηφιακή μορφή 4
Άμεσες μέθοδοι κινηματικής ανάλυσης: Επιταχυνσιόμετρα Μετρούν την επιτάχυνση στο σημείο το οποίο τοποθετούνται Για να μετρήσουμε γωνιακή επιτάχυνση χρειαζόμαστε > 3 επιταχυνσιόμετρα Άμεσες μέθοδοι Πλεονεκτήματα αμηλό κόστος Άμεση λήψη δεδομένων Γρήγορη καταγραφή Άμεση επεξεργασία Δεν επηρεάζονται από ανθρώπινους χειρισμούς Μειονεκτήματα Εμποδίζουν την κίνηση Ατέλειες στην τοποθέτηση Διαστρέβλωση σήματος Προβλήματα προσανατολισμού (επιταχυνσιόμετρα) Έμμεσα συστήματα Βιντεο-ανάλυση Οπτο-ηλεκτρονικά συστήματα Συστήματα με μαγνητικούς αισθητήρες Βιντεοσκόπηση Σε δύο διαστάσεις Σε τρείς διαστάσεις Bίντεο ανάλυση Οπτοηλεκτρονικά συστήματα Πλεονεκτήματα Εύκολη αποθήκευση δεδομένων Άμεση επανάληψη της κίνησης αμηλό κόστος Μειονεκτήματα αμηλή συχνότητα δειγματοληψίας Λάθη χειρισμού αμηλή ευκρίνεια ρησιμοποιούν ειδικές κάμερες (infrared) Ειδικοί φωσφορούχοι ανακλαστήρες Η μέτρηση γίνεται σε σκοτεινό χώρο Η ανάλυση γίνεται αυτόματα με απευθείας εξαγωγή αποτελεσμάτων 5
Οπτοηλεκτρονικά συστήματα Πλεονεκτήματα Άμεση λήψη δεδομένων Γρήγορη καταγραφή Άμεση επεξεργασία Μειονεκτήματα Απαιτεί ειδικό χώρο και περιβάλλον ψηλό κόστος ΒΗΜΑΤΑ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΣΗΣ Δυσδιάστατη ανάλυση με βίντεο * Ισχύει μόνο για μερικά συστήματα Βήμα 1: Τοποθέτηση κάμερας Η κάμερα πρέπει να είναι σταθερή και εστιασμένη στο κέντρο του επιπέδου της κίνησης που καταγράφουμε Βήμα 2: Τοποθέτηση πλαισίου αναφοράς Βήμα 3: Τοποθέτηση ανακλαστήρων Βήμα 4: Ρύθμιση κάμερας και λογισμικού (δυσδιάστατη ανάλυση) Όταν δύο αντικείμενα ίδιου μήκους βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις σε σχέση με την κάμερα, τότε το μήκος τους δεν θα είναι το ίδιο Εργαστηριακή Αθλητική Βιομηχανική Η κάμερα να είναι όσο το δυνατό πιο μακριά από την κίνηση 6
Βήμα 4: Ρύθμιση κάμερας και λογισμικού (δυσδιάστατη ανάλυση) Ταχύτητα διαφράγματος (Shutter speed): 1. Ταχύτητα με την οποία το «ανοίγει» ο φακός. 2. Όσο πιο μεγάλη είναι η ταχύτητα, τόσο πιο πολύ «γρήγορα» ανοιγοκλείνει ο φακός, και τόσο πιο ξεκάθαρη εικόνα παίρνει από μια κίνηση. 3. Όσο πιο μεγάλη η ταχύτητα, τόσο πιο σκοτεινή γίνεται η εικόνα. Άρα χρειάζεται επιπλέον φωτισμός. Βήμα 5: Καταγραφή κίνησης Προετοιμασία εξεταζόμενου Δοκιμαστική καταγραφή Έλεγχος σωστής λειτουργίας συστήματος Κανονική μέτρηση Βήμα 6: Αποθήκευση κίνησης σε ψηφιακή μορφή (avi) Βήμα 7: Ψηφιοποίηση Βήμα 8: πολογισμοί δεδομένων Ταχύτητες, επιταχύνσεις σημείων Ταχύτητες, επιταχύνσεις μελών Ψηφιοποίηση πολογισμός δεδομένων Αναλυτικά Γωνιακές Μετατοπίσεις,ταχύτητες, επιταχύνσεις Εργαστηριακή Αθλητική Βιομηχανική 2001 7
Καθορισμός θέσης σημείου σε 2- Δ Βήμα 1: Σχεδιασμός αξόνων Καθορισμός θέσης σε 2-Δ Βήμα 2: Μετράμε την απόσταση του σημείου από,. Βήμα 3: Βρίσκουμε τις συντεταγμένες επιλεγμένων σημείων (π.χ. αρθρώσεων) σε κάθε καρέ (α, α) Yα α Βήμα 3: Βρίσκουμε τις συντεταγμένες επιλεγμένων σημείων (π.χ. αρθρώσεων) σε κάθε καρέ Παράδειγμα ενός σημείου (Καρέ 1 (Καρέ 2 (Καρέ 3 (α, α) (α, α) (α2, α2) (α3, α3) (γ, γ) (β, β) (δ, δ) 8
Βήμα 4: Καταγράφουμε τις συντεταγμένες, του σημείου καρέ - καρέ Καρέ 1 12 5 2 5 6 3 8 7 4 7 5 5 6 6 6 4 5 7 2 6 8 5 4 9 1 5 10 5 4 Βήμα 5: Γνωρίζοντας το χρόνο ανάμεσα στα καρέ, υπολογίζουμε την ταχύτητα αλλαγής της θέσης του σημείου Καρέ ρόνος Θέση Ταχύτητα Θέση Ταχύτητα 1 0,16 12 5 2 0,32 5 7/0,16 6 1/0,16 3 0,48 8 3/0,16 7 1/0.16 4 0,64 7 1/0,16 5 2/0,16 5 0.80 6 1/0,16 6 1/0,16 6 0.96 4 2/0,16 5 1/0,16 7 1.10 2.. 6.. 8 1.26 5.. 4.. 9 1.42 1.. 5.. 10 1.58 5.. 4.. πολογισμός γωνιών Ο υπολογισμός γίνεται με χρήση συντεταγμένων και τριγωνομετρίας ^ α α Από τις συντεταγμένες υπολογίζονται τα μήκη των πλευρών Γνωρίζοντας τις πλευρές, η γωνία υπολογίζεται με τριγωνομετρία β Καταγράφουμε την γωνία της άρθρωσης καρέ - καρέ Καρέ Γωνια 1 25 2 28 3 31 4 34 5 34 6 31 7 29 8 27 9 25 10 22 Γνωρίζοντας το χρόνο ανάμεσα στα καρέ, υπολογίζουμε την ταχύτητα αλλαγής της θέσης του σημείου Καρέ ρόνος Γωνία Γωνιακή Ταχύτητα 1 0,16 25 2 0,32 28 3/0.16 3 0,48 31 3/0.16 4 0,64 34 3/0.16 5 0.80 34 0/0.16 6 0.96 31 3/0.16 7 1.10 29 2/0.16 8 1.26 27 2/0.16 9 1.42 25 2/0.16 10 1.58 22 3/0.16 9
Βήμα 5: Γνωρίζοντας το χρόνο ανάμεσα στα καρέ, υπολογίζουμε την ταχύτητα αλλαγής της θέσης του σημείου Καρέ ρόνος Θέση Ταχύτητα Θέση Ταχύτητα 1 0,16 12 5 2 0,32 5 7/0,16 6 1/0,16 3 0,48 8 3/0,16 7 1/0.16 4 0,64 7 1/0,16 5 2/0,16 5 0.80 6 1/0,16 6 1/0,16 6 0.96 4 2/0,16 5 1/0,16 7 1.10 2.. 6.. 8 1.26 5.. 4.. 9 1.42 1.. 5.. 10 1.58 5.. 4.. Τρισδιάστατη ανάλυση Οπτοηλεκτρονικά συστήματα Μεθοδολογία τρισδιάστατης Κάμερες Τα βήματα είναι παρόμοια με αυτά της ανάλυσης σε δύο διαστάσεις Διαφορές Περισσότερες κάμερες (πάνω από τρείς) Η ανακλαστήρες πρέπει να τοποθετηθούν σωστά Το σύστημα αναλύει αυτόματα την κίνηση Θέλουμε χαμηλό φωτισμό Με υπέρυθρες ψηλής συχνότητας δειγματοληψίας ρειάζεται σκοτεινό περιβάλλον April 30, 2007 Θέση καμερών - Βαθμονόμηση 10
Πλατφόρμες δύναμης April 30, 2007 Καταγραφή της θέσης των ανακλαστήρων από κάθε κάμερα 1 2 3 1 2 4 6 5 3 4 5 6 Ανακλαστήρες τοποθετούνται στο σώμα στα κέντρα των αρθρώσεων και σε επιλεγμένα σημεία April 30, 2007 Gait Analysis: Techniques and Recognition of Abnormal Gait Μετατροπή των ανακλαστήρων από δύο διαστάσεις σε τρείς διαστάσεις Κάμερα 1 Κάμερα 2 Αναγνώριση ανακλαστήρων στο 3-Δ χώρο Αναπαράσταση σώματος (1) Αναγνώριση ανακλαστήρων στο 3-Δ χώρο Σύνδεση σημείων Αναπαράσταση σώματος Κάμερα 3 Κάμερα 6 DLT Σήμα από 6 κάμερες DLT = Direct Linear Transformation Κέντρα των αρθρώσεων 11
Αναπαράσταση σώματος (2) 3-Δ Κινηματικά χαρακτηριστικά Ψηφιακές εικόνες του σκελετού + Ανθρωπομετρικά στοιχεία εξεταζομένου Σε τρείς διαστάσεις (,, Ζ): Θέση, Ταχύτητα, Επιτάχυνση σημείων, μελών & αρθρώσεων Ισχίο Γόνατο Ποδοκνημική April 30, 2007 Gait Analysis: Techniques and Recognition of Abnormal Gait April 30, 2007 Gait Analysis: Techniques and Recognition of Abnormal Gait Κινητική ανάλυση (Kinetics) πολογισμός δυνάμεων στις αρθρώσεις με μαθηματική μοντελοποίηση Σύνοψη Καταγραφή της κίνησης με κάμερες Ανακλαστήρες στα κέντρα των αρθρώσεων Ψηφιοποίηση των σημείων καρέ καρέ πολογισμός των μετατοπίσεων, ταχυτήτων και επιταχύνσεων των σημείων πολογισμός της γωνίας των αρθρώσεων, της γωνιακής ταχύτητας και επιτάχυνσης Δύο διαστάσεις (βιντεοσκόπηση) Τρείς διαστάσεις (Βίντεο Οπτοηλεκτρονικά) April 30, 2007 Gait Analysis: Techniques and Recognition of Abnormal Gait Μέθοδοι Κινηματικής ανάλυσης Ανάλυση Βάδισης 12