Motion Capture

Lo studio del movimento prevede la misura di variabili che descrivono la cinematica di oggetti in moto all’interno di un volume. In questo ambito ci si riferisce alla disciplina nota come Motion Capture (abbreviata MoCap), che rende disponibili i parametri spazio-temporali tramite strumenti di acquisizione in grado di registrare e digitalizzare il movimento di un soggetto istante per istante.

 Cinematica:  Parte della meccanica in cui si analizzano i movimenti indipendentemente dalle cause che li provocano e mantengono. Tratta parametri come lo spostamento, la velocità e l’accelerazione di un soggetto. 

Cerchiamo di chiarire questo concetto tramite un esempio: supponiamo di trovarci in un campo da golf e di guardare un giocatore durante l’atto di colpire la pallina. Il nostro occhio è perfettamente in grado di osservare tutta la scena, notando dettagli come lo slancio delle braccia, l’avvicinamento alla pallina e l’impatto finale. Nel caso fossimo molto concentrati, potremmo addirittura cercare di memorizzare la scena e di “riprodurla” nella nostra mente.

Quello che invece non possiamo sapere è di quanti centimetri si è spostato il piede durante lo slancio, i gradi dell’angolo tra il braccio e il  tronco del giocatore, oppure l’accelerazione impressa alla pallina: questi valori sono in grado di quantificare numericamente il movimento che è appena avvenuto davanti a noi, aggiungendo informazioni che non potremmo conoscere in altro modo.

In sintesi questo è lo scopo del Motion Capture, che indipendentemente dal soggetto o dal movimento ci fornisce una vasta serie di parametri spazio-temporali, come ad esempio la posizione di un corpo o la velocità di un punto etc. Ciò è possibile grazie ad appositi strumenti in grado di individuare e registrare il moto di un corpo all’interno di un volume e fornirne una rappresentazione numerica che permetta poi di svolgere studi, valutazioni o successive elaborazioni.

Da questa idea generale derivano poi varie discipline, come ad esempio l’analisi del movimento umano: essa ha lo scopo di raccogliere informazioni relative alla meccanica del sistema muscolo scheletrico durante l’esecuzione di un atto motorio e risulta ampiamente utilizzata in ambito clinico. Qui, infatti, il motion capture e le tecnologie ad esso correlate vengono messe a disposizione del personale medico e paramedico per fornire al paziente una descrizione quantitativa delle proprie abilità motorie. In pratica il MoCap si è rivelato essere un efficiente mezzo per l’analisi del cammino, per la valutazione dell’efficacia di una terapia riabilitativa, per la progettazione di ausili alla camminata o di sistemi protesici.

Ad oggi una delle tecnologie maggiormente utilizzate per ricavare queste informazioni si basa sulla ricostruzione dello spostamento di piccole sfere riflettenti (definiti genericamente marker) da posizionare sull’oggetto studiato: questi marker sono poi rilevati attraverso un sistema stereofotogrammetrico composto da camere ad infrarossi.

studios_mocap

Approfondiamo meglio questa tecnica, cominciando da una definizione più estesa di stereofotogrammetria. Per esempio, riferiamoci momentaneamente agli esseri viventi: noi siamo in grado di percepire la natura tridimensionale degli oggetti che vediamo grazie alla nostra visione stereoscopica, che è a sua volta possibile tramite l’utilizzo combinato dei due occhi. Infatti ciascun occhio inquadra la stessa scena da una posizione leggermente diversa e la invia al cervello, che unisce le due immagini ricevute in un’unica immagine tridimensionale.

Ebbene, questo concetto è analogo al principio di funzionamento dei sistemi di camere IR :  se un oggetto è inquadrato da due telecamere (che, riferendoci all’esempio precedente, corrispondono agli occhi) avremo a disposizione due immagini che inquadrano il medesimo soggetto ma da posizioni leggermente differenti. Tramite un’apposita unione di queste immagini eseguita dal software (che agisce come il cervello), sarà possibile risalire alla posizione tridimensionale di quel corpo in movimento.

Ovviamente, grazie a complessi algoritmi implementati sui calcolatori, è possibile riunire i fotogrammi provenienti da più di due telecamere, aumentando così l’accuratezza e l’area complessiva entro il quale il marker viene ricostruito.

Come potete vedere in figura ogni telecamera è dotata di unBonita illuminatore, una “corona” di led che emettono luce a infrarossi verso la scena inquadrata. La particolare superficie del marker consente poi di riflettere la luce IR in maniera più efficace di tutti gli altri oggetti, e di conseguenza la telecamera a infrarossi riuscirà più facilmente a localizzare i markers all’interno della sua inquadratura.

Senza soffermarsi eccessivamente su dettagli tecnici, il concetto che è importante trasmettere in questo approfondimento è che grazie a questa tecnologia di motion capture è possibile sapere istante per istante quale sia la posizione nello spazio di un marker, a patto che sia inquadrato da almeno due camere.

Ne segue che applicando uno o più marcatori sul soggetto di cui vogliamo analizzare il movimento, tramite la posizione di quei markers avremo indirettamente i valori relativi alla posizione del soggetto nel tempo.

Torniamo all’esempio del giocatore di golf: supponiamo che la medesima azione di colpire la pallina venga eseguita non su un prato ma all’interno di un laboratorio attrezzato con un sistema di camere IR. Posizionando dei marker sulla cute del giocatore potremo acquisirne il movimento, andando così a calcolare tutti quei parametri spazio-temporali che prima non potevamo certo sapere.

motion

 Nota: le applicazioni riferite all’analisi del movimento umano sono le più diffuse, ma in realtà tramite questa tecnologia si può acquisire qualsiasi cosa; alcuni esempi sono descritti in questo post.

Nella speranza di aver contribuito ad avvicinarvi alla disciplina del Motion Capture, vi invitiamo a seguire questo blog approfondendo le varie tematiche trattate in ogni post. Buona lettura!

 

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