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BIOMECÂNICABIOMECÂNICAMétodos de medição - cinemetriaMétodos de medição - cinemetria
Carlos Bolli MotaCarlos Bolli [email protected]@gmail.com
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
Laboratório de Biomecânica
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MÉTODOS DE MEDIÇÃO
Cinemetria Dinamometria Antropometria Eletromiografia
Posição e orientação dos
segmentos corporais
Forças e
distribuição de pressão
Parâmetros
para modelos corporais
Atividade muscular
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CINEMETRIA
Do grego:kínema - movimentométron - medição, medida
Literalmente:medição do movimento
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CINEMETRIA
Conjunto de métodos para medir os parâmetros cinemáticos do movimento. A partir da aquisição
de imagens durante a execução de um movimento, realiza-se o cálculo das variáveis
dependentes dos dados observados nas imagens, como posição, orientação, velocidade e
aceleração do corpo ou de seus segmentos.
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CINEMETRIA
A cinemetria permite descrever geometricamente o movimento, mas não permite investigar suas
causas.
Embora a raiz da palavra remeta ao movimento, os mesmos princípios podem ser utilizados para
situações estáticas.
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HISTÓRICO
Eadweard Muybridge (1830 - 1904)
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Muybridge
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Muybridge
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Muybridge
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HISTÓRICO
Étiènne-Jules Marey (1830-1904)Georges Demeny (1850-1918)
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Marey
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Marey
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Marey
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Demeny
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HISTÓRICO
Auguste Lumière (1862-1954)Louis Lumière (1864-1948)
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Irmãos Lumière
o cinematógrafo“uma invenção sem futuro”
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HISTÓRICO
Christian Wilhelm Braüne(1821-1892)Otto Fischer (1861-1917)
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Braüne e Fischer
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CLASSIFICAÇÃO
Quanto ao tipo de registro de imagens:
processos fotoquímicos - fotogrametria e cinematografia
processos fotoelétricos - videografia
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CLASSIFICAÇÃO
processo fotogramétrico
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CLASSIFICAÇÃO
Quanto ao processo de medição:
medição indireta (Roebuck et al., 1975)
comparação indireta (Beckwith et al., 1993)
medição óptica (Beckwith et al., 1993)
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VIDEOGRAFIA
Na atualidade o método mais usual de aquisição de imagens é a videografia.
Com os avanços da eletrônica a videografia expandiu-se rapidamente, com a vantagem de os resultados da gravação estarem imediatamente disponíveis, sem necessidade de demoradas e onerosas revelações.Utiliza cargas elétricas e campos magnéticos para
captar, transferir e armazenar imagens.
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Câmeras de vídeo
As imagens videográficas são constituídas de seqüências de quadros. Cada quadro é formado
por dois campos que correspondem às linhas ímpares e pares da varredura. As linhas ímpares formam um campo e as linhas pares formam um
segundo campo. Os campos ímpares e pares são entrelaçados para formar um quadro.
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Câmeras de vídeo
Diversos sistemas para análises biomecânicas usam câmeras de vídeo comuns que funcionam em
50 Hz (NTSC) ou 60 Hz (PAL). Existem câmeras que operam com freqüências de aquisição de
imagens mais altas (por exemplo, 120 Hz, 180 Hz ou maiores), mas nestes casos os sistemas de
gravação não seguem os padrões NTSC ou PAL.
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Câmeras de vídeo
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Videografia bidimensional
• Pode ser usada quando o movimento de interesse ocorre fundamentalmente em um único plano ou quando interessa apenas analisar o que ocorre em um determinado plano.
• Exige apenas uma câmera.• Exige uma escala de calibração.
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Videografia tridimensional
• Deve ser usada quando o movimento de interesse ocorre em mais de um plano e o interesse da análise não se resume a um único plano.
• Exige no mínimo duas câmeras.• Exige a filmagem de uma estrutura de calibração. *
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Videografia tridimensional
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Reconstrução tridimensional
O principal problema da análise de imagens éa recuperação de coordenadas espaciais.
movimentos humanos - no espaçoimagens - planas
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Reconstrução tridimensional
• Imagens das câmeras - bidimensionais - duas coordenadas.
• Terceira coordenada - segunda câmera.• Sincronismo entre câmeras - mesma freqüência e aquisição da imagem no mesmo instante.
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Reconstrução tridimensional Braune & Fischer
pais da fotogrametria analíticacoordenadas tridimensionais em 1891 com
técnicas estroboscópicas.
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Reconstrução tridimensional
Direct Linear TransformationAbdel-Aziz & Karara (1971)
Solução simultânea de duas transformações que são usualmente feitas em separado na
fotogrametria analítica convencional. O método realiza a transformação linear direta das
coordenadas da imagem ampliada para as coordenadas do objeto.
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DLT – base matemática
Para uma câmera:
01Z lY lX l
lZ lY lX lx11109
4321
01Z lY lX l
lZ lY lX ly11109
8765
x, y - coordenadas na imagem ampliadaX, Y, Z - coordenadas do objetol1 ... l11 - coeficientes que contém todas as
informações relacionadas às orientaçõesinterna e externa da câmera
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DLT
Como usar?
• calcular I1 ... l11
• onze coeficientes - onze equações• cada ponto - duas equações• seis pontos com X, Y e Z conhecidos (pontos de controle)
• doze equações (uma é redundante)
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DLT
• conhecidos os coeficientes, calculam-se as coordenadas X, Y e Z com as mesmas equações
• três coordenadas - três equações• uma câmera - duas equações• duas câmeras - quatro equações (uma é redundante)
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DLT
Diversos melhoramentos foram acrescentados ao método, como a correção de distorções de lentes.
ampla aceitação mundialfunciona onde o convencional falhamais simples de usarfácil programação computacionalmenos tempo de máquina
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Considerações importantes
• O método requer um sistema de base fixa, isto é, após serem registrados os pontos de referência, não poderá haver modificação alguma na posição das câmeras. Os pontos podem ser removidos.
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Considerações importantes
• Os pontos de controle devem formar um volume, não podendo estar no mesmo plano. Os pontos que futuramente serão calculados devem estar dentro do volume delimitado pelos pontos de controle.
• Mais de duas câmeras podem ser usadas.
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Vantagens
• Liberdade de orientação das câmeras.• Possibilidade de uso de câmeras convencionais não-métricas.
• Relativa simplicidade de cálculo computacional.
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Desvantagens
• O uso de uma estrutura de calibração limita o uso no caso de movimento bastante amplos.
• A precisão do método está intimamente relacionada com a precisão com que se determinam as coordenadas espaciais dos pontos de controle, o que nem sempre é tarefa fácil.
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Exemplos
pontos anatômicos de referência
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Exemplos
salto em distância
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Exemplos
handebol - arremesso em suspensão
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Exemplos
Chute - ângulo do joelho
-50
0
50
100
0 20 40 60 80 100
percentual do movimento (%)
ângu
lo (°
) .
S1
S2
S3
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0
5
10
15
0 20 40 60 80 100
percentual do movimento (%)
velo
cida
de li
near
(m/s
) .
S1
S2
S3
Exemplos
Chute – velocidade da ponta do pé
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Exemplos
Flexão do joelho
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85% da carga
145150155160165170175
0 20 40 60 80 100
% do ciclo
Âng
ulo
(º)
Iniciais Centrais Finais
Exemplos
Flexão do joelho – ângulo da coluna lombar
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Problemas
• Identificação de referências anatômicas• Impossibilidade de utilizar marcadores• Movimentação dos marcadores durante o movimento
• Visualização dos pontos de referência durante o movimento - maior número de câmeras
• Processamento demorado *
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Na UFSM - PEAK MOTUS
• Duas câmeras que operam a 60 Hz ou 180 Hz• Hardware e software para a análise de movimentos
Somente duas câmeras aumentam as dificuldades de visualização dos pontos de
referência anatômica