Desenvolvimento de um sistema de captura e análise de movimentos baseado em técnicas de visão computacional

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1 Uivesidade Fedeal de Ubelâdia Faculdade de Egehaia Elética Pós-gaduação em Egehaia Elética Desevolvimeto de um sistema de captua e aálise de movimetos baseado em técicas de visão computacioal Ala Petôio Piheio Abil de 8

2 Uivesidade Fedeal de Ubelâdia Faculdade de Egehaia Elética Pós-gaduação em Egehaia Elética Desevolvimeto de um sistema de captua e aálise de movimetos baseado em técicas de visão computacioal Ala Petôio Piheio Dissetação apesetada à Uivesidade Fedeal de Ubelâdia, peate a baca de examiadoes abaixo, como pate dos equisitos ecessáios à obteção do título de Meste em Ciêcias. Apovada em 3 de abil de 8. Áea de cocetação: Egehaia Biomédica. Baca examiadoa: D. Adiao Alves Peeia (UFU) Oietado D. Adiao de Oliveia Adade (UFU) D. Calos Dias Maciel (USP) D. Eduado ázao Matis Naves (UFU) D. Sílvio Soaes dos Satos (UFU) D. Daizo Alves de Adade Coodeado Pós-gaduação FEET/UFU D. Adiao Alves Peeia Oietado Ubelâdia, 8

3 3 Dados Iteacioais de Catalogação a Publicação (CIP) P654d Piheio, Ala Petôio, 98- Desevolvimeto de um sistema de captua e aálise de movimetos baseado em técicas de visão computacioal / Ala Petôio Piheio f. : il. Oietado: Adiao Alves Peeia. Dissetação (mestado) Uivesidade Fedeal de Ubelâdia, Pogama de Pós-Gaduação em Egehaia Elética. Iclui bibliogafia.. Pocessameto de images - Teses.. Biomecâica - Teses. 3. Ciesiologia - Teses. I. Peeia, Adiao Alves. II. Uivesidade Fedeal de Ubelâdia. Pogama de Pós- Gaduação em Egehaia Elética. III. Título. Elaboado pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Seto de Catalogação e Classificação CDU: 6.39

4 4 Resumo PINHEIRO, A. P. Desevolvimeto de um sistema de captua e aálise de movimetos baseado em técicas de visão computacioal. Dissetação de Mestado. Faculdade de Egehaia Elética da Uivesidade Fedeal de Ubelâdia. Ubelâdia, 8. O popósito deste estudo foi pesquisa as técicas de medição do movimeto humao e desevolve um sistema capaz de captua e ecostui a tajetóia do movimeto o espaço. O sistema desevolvido utiliza câmeas de vídeo paa egista o movimeto e um pogama de computado capaz de pocessa as images extaídas dos vídeos de foma a estima a tajetóia do movimeto e calcula as suas vaiáveis ciemáticas. Estes dados são exibidos pelo pogama a foma de gáficos ou aimações que ecostoem o movimeto captuado. Paa alcaça estes objetivos, o sistema utilizou técicas de pocessameto de images, visão computacioal, cálculos uméicos e modelos atopométicos do copo humao. Ao fial desta dissetação é feita uma avaliação expeimetal da pecisão e exatidão do sistema poposto e algus estudos de casos que tiveam como objetivo demosta o potecial deste sistema. Palavas-chave: captua de movimeto; biomecâica; pocessameto de images; visão computacioal; descição da ciemática aticula.

5 5 Abstact PINHEIRO, A. P. Developig of a motio captue system based o compute visio techiques. Mastes Dissetatio. Faculty of Electical Egieeig of the Uivesity Fedeal of Ubelâdia. Ubeladia Bazil, 8. The pupose of this study was ivestigate the measuemet techiques of huma movemet ad to develop a system capable of captuig ad ecostuctig the movemet tajectoy o eal wold. The devised system uses video cameas to ecod the movemet ad a compute pogam to pocess video footage assessig the movemet tajectoy ad calculatig its kiematical vaiables. Those data ae showed by the pogam as gaphics o aimatio which simulates the ecostucted movemet. To each these objectives, the system used techiques fom image pocessig, compute visio ad athopometic models. I the ed of this wok, it is exhibited a expeimetal evaluatio of the pecisio ad accuacy of the system ad some case studies to show its potetial. Keywods: motio captue; biomechaics; image pocessig; compute visio; kiematic joit desciptio.

6 6 Sumáio CAPÍTUO - INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO OBJETIVOS CONTRIBUIÇÕES DESTA DISSERTAÇÃO ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO... 4 CAPÍTUO - CAPTURA E ANÁISE DO MOVIMENTO NA BIOMECÂNICA: DEFINIÇÕES, HISTÓRICO E TÉCNICAS BIOMECÂNICA E O ESTUDO DO MOVIMENTO A IMPORTÂNCIA DA MENSURAÇÃO DO MOVIMENTO NA BIOMECÂNICA PROCESSO DE CAPTURA DO MOVIMENTO HISTÓRICO DA CAPTURA E ANÁISE DO MOVIMENTO TECNOOGIAS DE MEDIÇÃO Sistemas acústicos Sistemas eleto-mecâicos Sistemas magéticos Sistemas óptico-eletôicos DESCRIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS SISTEMAS ÓPTICO-EETRÔNICOS SISTEMAS COMERCIAS UTIIZADOS NA MEDIÇÃO DO MOVIMENTO ETAPAS DE UM SISTEMA DE CAPTURA E ANÁISE DE MOVIMENTOS CONSIDERAÇÕES DO CAPÍTUO... 4 CAPÍTUO 3 - AIBRAÇÃO DE CÂMERA E RECONSTRUÇÃO DE COORDENADAS INTRODUÇÃO ESTEREOFOTOGRAMETRIA PRINCÍPIO GEOMÉTRICO: TRIANGUAÇÃO ESTÉREO MODEO MATEMÁTICO DA CÂMERA PROCEDIMENTOS DE CAIBRAÇÃO: OBJETO DE CAIBRAÇÃO E PONTOS DE CONTROE CÁCUO DAS MATRIZES DE CAIBRAÇÃO RECONSTRUÇÃO DAS COORDENADAS A PARTIR DAS MATRIZES DE CAIBRAÇÃO CAIBRAÇÃO USANDO O DIRECT INEAR TRANSFORMATION RECONSTRUÇÃO USANDO O DIRECT INEAR TRANSFORMATION HOMOGRAFIA CONSIDERAÇÕES DO CAPÍTUO CAPÍTUO 4 - PROPOSTA DE UM SISTEMA DE CAPTURA E ANÁISE DE MOVIMENTOS CARACTERÍSTICAS E REQUERIMENTOS DO SISTEMA FUNCIONAIDADES DO SISTEMA ETAPAS DE PROCESSAMENTO AQUISIÇÃO DE DADOS Macadoes utilizados... 55

7 Objeto de calibação Câmeas de vídeo e codições ambiete FRAGMENTAÇÃO E SINCRONIZAÇÃO CAIBRAÇÃO INICIAIZAÇÃO Modelo atopomético Defiição dos macadoes e dos algoitmos utilizados o asteameto Repesetação do movimeto RASTREAMENTO eitua do póximo quado e Pedição Segmetação e filtagem Estimação do ceto do macado Rotulação RECONSTRUÇÃO E FITRAGEM CÁCUO DAS VARIÁVEIS CINEMÁTICAS E VISUAIZAÇÃO DOS DADOS FERRAMENTAS ADICIONAIS CONSIDERAÇÕES DO CAPÍTUO... 8 CAPÍTUO 5 - VAIDAÇÃO DO SISTEMA PROPOSTO E ESTUDO DE CASOS VAIDAÇÃO DO SISTEMA: EXPERIMENTOS E RESUTADOS Validação da ecostução D Validação da ecostução 3D Validação do módulo de fotogametia ESTUDO DE CASOS Exemplo de ecostução de movimetos em duas dimesões: captua de movimetos madibulaes Exemplo de ecostução de movimetos em duas dimesões: movimeto de pedalada Exemplo de ecostução de movimetos em tês dimesões: altua do salto Exemplo do uso da fotogametia a avaliação postual: avaliação da flexibilidade CONSIDERAÇÕES DO CAPÍTUO CAPÍTUO 6 - CONCUSÃO E TRABAHOS FUTUROS CONCUSÃO TRABAHOS FUTUROS... REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS... ANEXO A - DIAGRAMA DE CASSES RESUMIDO DO PROJETO...9

8 8 ista de Figuas. - Detemiação de algumas vaiáveis ciemáticas do movimeto do joelho e toozelo esquedo de um idivíduo a esteia utilizado o sistema de captua de movimeto desevolvido esta pesquisa. Os sesoes, destacados a cea pela co baca, ião possibilita o cálculo da tajetóia do segmeto duate um itevalo de tempo cohecido. Dispodo-se deste tempo e da tajetóia do movimeto aticula é possível a estimação de outas vaiáveis ciemáticas do movimeto atavés de sucessivas deivações matemáticas Diagama ilustado a aquitetua típica dos sistemas de captua de movimeto (a) Figua de um atista ilustado a macha de um cavalo (7 a.c.) de foma icoeta. (b) Fotogafia ilustado o fomato coeto desta fase de macha do cavalo. Retiado de (Adiacchi & Alexade, ) (a) Repodução dos estudos feitos po Giobai Boelli (68-679) que fizeam deste o pai da biomecâica modea. (b) Movimeto de descida de uma escada egistado po Muybidge (83-94). Images etiadas de (Thusto, 999) (a) Idivíduo com pios iseidos a pélvis, fêmu e tíbia. (b) Aajo das câmeas que egistaam o movimeto dos pios. Retiado de (Ima et al., 948) Exemplo do método elaboado po May Pat Muay a década de 6. Registo visual feito de idivíduos com macadoes fixados a algumas de suas aticulações. Os macadoes se destacavam as images devido ao seu alto cotaste o que facilitava a defiição da posição e oietação das aticulações epesetadas pelos pópios macadoes. Images etiadas de (Muay et al., 964) Sistema baseado em eletogoiômetos paa medi âgulos aticulaes dos membos ifeioes. Modelo poposto pelos imãos Kapovich a década de 6. Images etiadas de (Adiacchi & Alexade, ) (a) Aimal com macadoes eto-flexíveis fixados aos potos aatômicos de seu copo. Estes macadoes seão utilizados paa a mesuação do movimeto do copo. (b) Vaguad motio aalyze e Gaf-pe utilizados paa detemia as coodeadas X e Y dos macadoes eto-flexíveis pojetados a tela do sistema. Figuas etiadas de (Suthelad & Hagy, 97) Ilustação de um sistema de captua de movimeto baseado em tecologia eletomecâica. Figuas extaídas de (Silva, 3) Ilustação de um sistema de captua de movimeto baseado em tecologia magética. Figua extaídas de (Silva, 3) (a) Macadoes eto-flexíveis à luz ifavemelha. Eles são fixados ao ato e utilizados a captua do movimeto paa egista o movimeto do esqueleto humao. (b) Câmeas ifavemelhas egistado o movimeto de um ato com o copo cobeto pacialmete po macadoes eto-flexíveis. Figuas extaídas de 6

9 9. - (a) Ato com macadoes (IREDs) fixados ao copo e (b) macadoes com coodeadas ecostuídas o espaço e iteligados po etas fomado a figua de um stickma (a) Cojuto de macadoes efletido luz ifavemelha. Imagem feita po uma câmea sesível à luz visível e ifavemelha. (b) Imagem do mesmo macado feita po uma câmea sesível somete à luz visível. (c) Fote de ilumiação ifavemelha aclopada a uma câmea ifavemelha Ilustação de um cojuto de images estéeo: tês câmeas egistado simultaeamete, sob difeetes âgulos de visão, o movimeto de um ato. Retiado de (Cappozzo et al., 5)....5 Recostução tidimesioal da foma geomética de tês difeetes atoes feita po um sistema de captua e aálise de movimeto pofissioal (Vico 36). Figuas extaídas de - Diagama ilustado as itecoexões ete os equipametos de um sistema Vico Ilustação simplificada das etapas básicas de um sistema de captua e aálise de movimetos baseado em vídeo. Estas etapas podem vaia de sistema paa sistema (a) Distoção causada pela pojeção pespectiva. Veifica-se que a jaela ão foma um âgulo de 9 a imagem como ea de se espea. Em (b) é ilustado uma imagem sem ehuma distoção. Em (c) temos a mesma imagem, agoa coompida po distoções geométicas simuladas. Images (b) e (c) etiadas de (Silva, 3) Dois dos picipais tipos de distoções a imagem causados po impefeições da lete: distoção adial (d) e distoção tagecial (dt) Pa estéeo de images. Repae que um detemiado poto do objeto eal é epesetado as duas images sob difeetes âgulos de visão Geometia epipola: baselie taçada a pati dos cetos de duas câmeas Tiagulação ete o poto A, suas pojeções a imagem (A e e A d ) e a baselie defiida pelos cetos focais de duas câmeas (a) Pojeção de um poto A, petecete ao espaço R 3, o plao da imagem (espaço R ). (b) Pojeção de A o plao ZY e (c) pojeção do mesmo poto o plao ZX. Po meio de semelhaça de tiâgulos é possível equacioa a pojeção R 3 R Sistema de coodeadas da imagem (u,v) o computado e sistema de coodeadas da câmea (x im, y im ) Figua 3.8 Sistema de efeêcia da câmea (X cam, Y cam, Z cam ) e sistema de efeêcia do mudo (X mudo, Y mudo, Z mudo ).... 3

10 3.9 - (a) Potos de cotole fomado um objeto de calibação e seus eixos de efeêcia euclidiaa. (b) Sistemas de coodeadas do mudo defiido pelos potos de cotole pesetes o objeto de calibação ilustado em (a) e o volume de calibação defiido pelos eixos de efeêcia Ilustação da codição de paalelismo. A distoção adial da lete ão altea a dieção do veto que vai do poto picipal P i ao poto da imagem o que coduz à elação P i A u //P i A d //A oz A Pojeção pespectiva do poto A o plao da imagem (poto A'). Veifica-se que o poto que ates ea epesetado po tês coodeadas (x,y,z) passa agoa a se epesetado po apeas duas coodeadas (U,V). Uma coodeada é supimida este pocesso de fomação da imagem Veto F ilustado a codição de colieaidade do método DT Itodução do eixo W ao plao da imagem e do poto picipal P Quado usado paa caliba uma câmea. Neste quado são exibidos potos de cotole, dos quais seis deles foam selecioados paa detemia os coeficietes de calibação da câmea Pa estéeo. (a) imagem esqueda e (b) imagem dieita. O macado esféico fixado a extemidade ifeio da baa metálica teá suas coodeadas ecostuídas tidimesioalmete a pati deste pa estéeo e dos coeficietes de calibação de cada uma das duas câmeas empegadas o egisto do macado (a) Objeto de calibação usado a homogafia. (b) Potos de cotole defiidos pelas iteseções ete os quados (ilustados po cículos em difeetes coes) Iteface picipal do pogama BioMec ilustado algumas das fucioalidades do sistema Diagama ilustado as picipais etapas de pocessameto de vídeo utilizadas a ecostução D ou 3D do movimeto Diagama ilustado as picipais etapas de pocessameto de vídeo utilizadas a ecostução D ou 3D do movimeto Macado esféico ecobeto po fita eto-flexível à luz ifavemelha. A imagem deste macado foi feita po uma câmea isesível à luz ifavemelha Macadoes fixados à elásticos que ião evolve os picipais membos do copo Modelos de objeto de calibação: (a) Modelo utilizado a calibação D. Este modelo é mais adequado paa movimetos de amplitude meo que um meto. Os potos de cotole são defiidos pela itesecção dos quadados. (b) Modelo utilizado a calibação D paa movimetos de amplitude maio do que meto. (c) Modelo

11 utilizado a calibação 3D. Nos dois últimos modelos, os potos de cotole são defiidos po esfeas bacas dispostas sobe a supefície do objeto de calibação Exemplos de aajo de EDs ifavemelhos. Estes EDs são os esposáveis pela ilumiação dos macadoes a cea. Imagem etiada do sítio Iteface do BioMec ilustado a sicoização ete dois vídeos. Neste caso, uma lâmpada icadescete foi utilizada paa foece ifomação lumiosa utilizada paa sicoiza os vídeos Iteface do BioMec esposável pela fagmetação de vídeos Itefaces ilustado a calibação bidimesioal. (a) Detecção automática dos potos de cotole e (b) iseção maual das coodeadas dos potos de cotole Descição das etapas ealizadas paa ecota automaticamete os potos de cotole do objeto de calibação. (a) Objeto de calibação utilizado a detecção automática dos potos de cotole. (b) biaização e detecção de bodas do objeto de calibação ilustado o item (a). (c) Retas ajustadas às bodas detectadas. A itesecção das etas em (c) iá detemia os potos de cotole do objeto de calibação Iteface utilizada paa calibação 3D utilizado o DT Repesetação dos potos aatômicos defiidos pelos tês modelos atopométicos do BioMec. As figuas ilustam a posição média dos macadoes e os ótulos textuais associados a eles. (a) Modelo de segmetos; (b) 4 segmetos e (c) 5 segmetos. Os modelos ilustados difeem quato ao úmeo de segmetos utilizados a epesetação do copo humao, posição e ome dos ótulos. Adaptado de Ambósio et al. () Iteface do BioMec ode são apesetadas algus das vaiáveis pé-defiidas dos modelos atopométicos Iteface do BioMec ode são defiidos algus valoes padões aos modelos atopométicos dispoíveis o sistema (a) Macadoes defiido um segmeto de copo ígido. (b) Posição dos vetoes em elação aos macadoes e ao sistema de coodeadas do mudo defiido pelo objeto de calibação (a) Ilustação da epesetação da posição e oietação do movimeto de uma coxa (segmeto): defiição da base caôica tidimesioal (i, j, k) fomada a pati de tês macadoes. Esta base caôica defie o chamado sistema de efeêcia segmetal que iá defii a oietação e posição do segmeto equato que o veto C defie a posição do segmeto. (b) Exemplo de dois sistemas de coodeadas segmetais. Figua (b) extaída de (Chiai et al., 5) Seqüêcia de opeações paa astea os macadoes as images fagmetadas do vídeo

12 4.9 - Biaização de uma imagem: (a) imagem oigial; (b) imagem oigial biaizada com limia 8; (c) imagem oigial biaizada com valo 5; (d) imagem oigial biaizada com valo 3; (e) imagem oigial biaizada com limita 4 e (f) imagem oigial biaizada com limita 5. Repae que em algus casos a imagem fica muito uidosa e em outos algus macadoes desapaecem Filtagem mofológica feita paa emoção de uídos a imagem biaizada de um macado: (a) imagem oigial com uído; (b) imagem oigial eodida; (c) eosão e dilatação da imagem oigial, (d) dilatação da imagem do item (c) e (e) esultado fial (a) Matiz biáia (máscaa) 3x3 esposável pela: (a) aálise de viziha de oito e de (b) quato. (c) Imagem utilizada paa ilusta um exemplo de segmetação de macadoes: (d) imagem oigial biaizada; (e) emoção dos uídos atavés de uma seqüêcia de opeações de eosão e dilatação da imagem biaizada; e (f) quato images geadas pelo pocesso de segmetação (cada imagem epeseta um macado) (a) Imagem biaizada de um macado. (b) Imagem dilatada. (c) Imagem eodida. (d) Resultado da subtação da imagem dilatada pela imagem eodida esultado as bodas do macado Detecção do ceto de um macado bucal ( mm de diâmeto) em tês difeetes ceáios: (a) imagem de especto ifavemelho com limia de biaização iadequado; (b) imagem com especto visível e ifavemelho coompida po ilumiação iadequada e (c) imagem do especto visível com ilumiação ão uifome. Em todos os casos os cetos foam estimados coetamete Gáficos ilustado a aplicação de um filto Buttewoth de seguda odem do tipo passa-baixa: (a) dados ão filtados e coompidos po uído; e (b) dados filtados com feqüêcia de cote de Hz Iteface ilustado os gáficos de algumas vaiáveis ciemáticas do movimeto de um ciclista. A iteface foece ao usuáio flexibilidade suficiete paa detemia a odem dos gáficos, as vaiáveis que seão exibidas e as caacteísticas do gáfico Stickma exibido pelo BioMec. As picipais aticulações são epesetadas po potos vemelhos iteligados po lihas azuis epesetado os segmetos copoais. A liha tacejada epeseta o ceto de gavidade dos membos ifeioes, supeioes e do copo iteio. Esta liha defie o âgulo do copo em elação a hoizotal Cálculo do ceto de gavidade de uma atleta. Os tês potos em laaja epesetam, de cima paa baixo, o ceto de gavidade dos membos supeioes, o ceto de gavidade do copo e o ceto de gavidade dos membos ifeioes. Os potos em azul epesetam uma estimativa do ceto de gavidade adial de cada segmeto. Imagem etiada do baco de images do Paameico Cálculo de algus âgulos aticulaes de um atleta. Imagem etiada do baco de images do Paameico

13 Dispositivo adaptado utilizado paa estimação da pecisão e exatidão da ecostução bidimesioal: (a) esquema ilustado as vistas lateal e fotal do dispositivo e (b) imagem ilustativa do expeimeto Dispositivo usado paa estimação da pecisão e exatidão do sistema em escala maio. Ao fudo veifica-se o objeto de calibação de dimesões,x,9 metos Teste da baa ígida usado paa estima a pecisão e exatidão de um sistema de captua de movimeto 3D. Os dois macadoes fixados às extemidades da baa teão suas coodeadas ecostuídas e a vaiação do valo da distâcia ete eles é estuda paa estima os valoes de pecisão e exatidão do sistema (a) objeto de calibação com dezesseis potos de cotole. (b) Images utilizadas paa valida o módulo de fotogametia. As figuas geométicas desehadas o papel e evoltas pelo objeto de calibação têm dimesões cohecidas (a) supote paa macado eto-flexível. Este supote foi cofeccioado paa ecaixa ete a acada ifeio e o lábio. (b) Objetos de calibação utilizados paa filmages fotal e lateal. (c) objeto de calibação fixado ete os detes de um idivíduo. (d) macadoes utilizados. O macado fixado à cabeça teá a fução de compesa os movimetos feitos pela cabeça Gáficos exibido algus movimetos de avaliação fucioal da madibula de oito idivíduos: (a) movimeto de abetua e fechameto feito po uma idivíduo saudável (plao sagital). (b) Movimeto de abetua e fechameto de um idivíduo com deslocameto de disco da juta tempoomadibula (plao sagital). (c) Movimeto de abetua e fechameto omal (plao cooal). (d) Movimeto de abetua e fechameto de um idivíduo com deslocameto de disco da juta tempoomadibula (cooal plae). (e) Movimeto de potusão lateal omal. (f) Movimeto de potusão lateal de idivíduo com modida pofuda. (g) Movimeto de lateotusão omal (h) Movimeto de lateotusão de idivíduo com pefeêcia mastigatóia paa dieita (a) Movimeto de pedalada executado po um idivíduo. Tês macadoes etoflexíveis defiiam o segmeto coxa e pea do idivíduo. (b) Objeto de calibação (D) utilizado paa ecostui o movimeto ealizado o plao Gáficos do movimeto de pedalagem: (a) vaiação do âgulo do joelho; (b) velocidade agula do joelho; (c) velocidade liea do joelho; (d) compaação ete a velocidade liea do joelho e a velocidade agula do joelho; (e) velocidade liea do pé; (f) tajetóia do macado fixado ao pé; (g) tajetóia do macado fixado ao joelho; (h) tajetóia do macado fixado ao quadil Quados iicial e fial que defiiam o iício e o fim de cada salto. (a) quados do pimeio salto; (b) quados do segudo salto e (c) quados do teceio salto. A defiição do quado de iício ea feita quado o idivíduo estava a emiêcia de abadoa o cotato dos pés com o solo equato que o quado fial ea detemiado quado o idivíduo alcaçava sua máxima altua. Em (a) é destacado o macado utilizado paa medi a altua de cada salto... 94

14 (a) Tajetóia do teceio salto o espaço tidimesioal. Os dados foam estimados pelo BioMec e expotados paa exibição tidimesioal o Matab. (b) velocidade liea istatâea do macado fixado à citua do idivíduo (a) Teste de elevação dos membos ifeioes. Qº: âgulo quadil; Pº: âgulo pea. (b) Teste de dedos ao chão. Qº: âgulo do quadil, Jº: âgulo do joelho, Tº: âgulo tóaco-lomba, TTº: âgulo tíbio-tásico. Figuas etiadas de Caegao et al. (7) (a) Teste de dedos ao chão. Idivíduo com flexão omal. (b) Teste de dedos ao chão. Idivíduo com flexão dimiuída. (c) Teste de elevação dos membos ifeioes. Idivíduo com flexão omal. (d) Teste de elevação dos membos ifeioes. Idivíduo com flexão dimiuída. Fotos cedidas po Rodigo Caegao... 96

15 5 ista de Tabelas. - Quado compaativo das caacteísticas de algus sistemas de captua e aálise de movimetos. Dados técicos etiados de (Richads, 999) e (Ehaa, 997) Coodeadas de seis potos de cotole. Estes potos podem se visualizados a Figua Cotibuição pecetual de cada segmeto a massa do copo ocalização do ceto de gavidade das pates em valoes pecetuais. A efeêcia é a poção poximal do segmeto Resultados do teste utilizado paa estima a pecisão e exatidão da ecostução D. A áea calibada foi de 4 cm² Resultados do segudo teste utilizado paa estima a pecisão e exatidão da ecostução D. A áea calibada foi de m² Resultados do teste paa estimação da pecisão e exatidão o espaço tidimesioal Resultado de algumas medidas utilizadas a aálise ite-obsevado do módulo de fotogametia. Compaação ete valoes calculados pelo pogama ( medidas digitais ) e calculadas maualmete atavés de goiômetos e éguas ( medidas mauais ) Paâmetos mesuados de tês saltos veticais... 95

16 6 ista de Acôimos CCD CG DT IRED ED MAFM Pixel RCD RMS SCAM SVD UM - Chage-Coupled Device - Ceto de Gavidade - Diect iea Tasfomatio - Ifaed ight Diode Emisso - ight Diode Emisso - Movimetos de Avaliação Fucioal da Madíbula - Pictue Elemet - Radom Cicle Detectio - Root Mea Squae - Sistema de Captua e Aálise de Movimetos - Sigula Value Decomposito - Uified Modelig aguage

17 Capítulo Itodução A mesuação e aálise do movimeto humao é um tema amplo, utilizado em divesas áeas do cohecimeto (Soutas-ittle, 998), paa desceve sistemas capazes de estima quatativamete os paâmetos ciemáticos do movimeto aticula do copo e sua tajetóia o espaço. Estes dados podem se obtidos atavés de dispositivos capazes de egista o deslocameto ealizado pelo copo duate um itevalo de tempo detemiado e cohecido. Neste setido, câmeas de vídeo, sesoes eletomagéticos, dispositivos eletomecâicos e outos, têm sido amplamete utilizados paa egista o movimeto e ecostui gaficamete sua tajetóia o espaço bidimesioal ou tidimesioal. Os sistemas utilizados a mesuação e aálise do movimeto, também cohecidos como sistemas de captua e aálise de movimetos (SCAM), têm cada vez mais despetado iteesse os pesquisadoes e cietistas da comuidade acadêmica devido ao seu gade úmeo de aplicações. Sua ieete complexidade faz de sua pesquisa uma desafiadoa taefa sob o poto de vista acadêmico. Em seu atigo, Moeslud et al. (6) fazem um levatameto bibliogáfico dos picipais tabalhos e lihas de pesquisas evolvidas a costução de sistemas desta atueza. Segudo este auto, de a 5 foam publicados ceca de 35 atigos sobe SCAMs em impotates veículos de divulgação cietífica iteacioal. Estes tabalhos abodaam em sua maioia aspectos técicos e costutivos de sistemas de captua ou aálise de movimeto. A magitude de úmeos como este e o cescete iteesse de pesquisadoes po esta áea descevem pacialmete a impotâcia cietífica do assuto e ilusta os esfoços evolvidos da comuidade cietífica sobe este tema. Tadicioalmete, as aplicações de um SCAM são classificadas em tês gupos: () vigilâcia; () cotole e (3) aálise. As aplicações que evolvem vigilâcia (Haitaoglu et al., ) efeem-se ao moitoameto automático das atividades e compotameto de pessoas ou objetos em ambietes atuais tais como lojas, aeopotos, paças etc. Já as aplicações de cotole são usadas a maipulação de um sistema ou plata. São exemplos típicos de aplicações de cotole as itefaces paa jogos (Noma et al., ), modelos de ealidade vitual (Medoça & Campos, 998) ou itefaces homem-máquia (Kim et al., 3). Em específico, este tipo de sistema tem sido amplamete utilizado a idústia

18 ciematogáfica ode o cotole dos movimetos de pesoages aimados é baseado em SCAMs. Po fim, tem-se as aplicações de aálise que são fequetemete empegadas a biomecâica do movimeto. Estas aplicações pemitem o estudo, tatameto e diagóstico de pacietes com poblemas otopédicos, a costução e simulação de modelos músculoesqueléticos e até mesmo o estudo da otimização de desempeho de atletas. No cotexto da biomecâica do movimeto humao, a detemiação dos paâmetos ciemáticos do movimeto tem cotibuído substacialmete paa a pesquisa do movimeto humao a medida em que possibilita ão só a sua aálise, como também a elaboação de modelos e teoias. Especificamete, SCAMs têm cotibuído paa um melho etedimeto do sistema músculo-esquelético humao e das desodes que o acometem (Adiacchi & Alexade, ). Em outos casos, os dados ciemáticos estimados po SCAMs auxiliam a idetificação de padões de locomoção (Adams & Ceey, 7), detemiação da potêcia muscula e sua tasfeêcia ete os segmetos (Zajac et al., ), busca po estatégias otimizadas de locomoção e um melho cotole moto (Pak et al., 5), estudo da coodeação muscula e de suas desodes euológicas (Pady, ). Estes sistemas têm também sido utilizados a pática clíica paa avalia e itepeta a fução mastigatóia (Yoo et al., 6) e desodes otopédicas divesas (Soutas-ittle, 998) possibilitado uma avaliação clíica mais objetiva dos pacietes (Sholukha et al., 6) e um melho acompahameto do estado fucioal do sistema músculo-esquelético do paciete duate sua eabilitação. Efim, a aplicação pática de um SCAM, além de divesa, é de fudametal impotâcia ao estudo da biomecâica do movimeto humao ou aimal.. - Motivação Devido à impotâcia que vêm gahado os SCAMs e os iúmeos beefícios tazidos po eles, estes estão se toado equipametos idispesáveis os laboatóios de biomecâica e ciesiologia. Neste cotexto, algus sistemas altamete especializados como o Vico ( Elite ( e Optotak ( estão se toado padões, já que seus desempehos satisfazem às exigêcias de pecisão e exatidão ecessáios à captua do movimeto humao (Papic et al., 4). Cotudo, estes sistemas apesetam dois gades icoveietes que podem iviabiliza seu uso: () o alto custo que muitas vezes é poibitivo; () o fato de ecessitaem de codições laboatoiais ígidas devido à sua alta complexidade e baixa potabilidade. Diate destas codições desfavoáveis, outos sistemas (Aiel Systems, Peak Pefomace) de difeetes caacteísticas têm gahado mecado. Estes últimos são baseados o uso de filmadoas e

19 3 placas de captua de vídeo e podem se utilizados em ambietes exteos (e.g., giásios, quadas, campos etc). No etato, ão são capazes de pocessa a ifomação em tempo eal, exigem muitas iteveções do usuáio (pouco automatismo) e emboa sejam cosideavelmete mais acessíveis, aida apesetam custo elativamete alto. O ceáio ateiomete descito iduz à elaboação de um pojeto de SCAM que teha como caacteísticas o custo acessível, flexibilidade de opeação, pecisão, exatidão e automatismo a captua do movimeto. A motivação é aumetada pelo fato de que, o Basil, poucos úcleos de estudos cosolidados ivestigam ou desevolvem sistemas desta atueza. Isto isee o Basil uma codição de desevolvimeto técico-cietífico desfavoável a áea, em elação aos países que já possuem a tecologia cosolidada. Desta foma, é impotate uma pesquisa cietífica que viabilize o pojeto de um sistema de captua de movimeto básico agegada a um estudo objetivo que faça a aálise da evolução dos métodos empegados a captua do movimeto, seu atual estágio de desevolvimeto e as picipais técicas empegadas a sua estimação.. - Objetivos Esta pesquisa tem como objetivo picipal o desevolvimeto de um sistema de captua e aálise de movimeto baseado em vídeo, capaz de possibilita ao usuáio a aálise quatitativa e qualitativa do movimeto humao. Algus outos objetivos secudáios podem se eumeados: implemeta feametas auxiliaes que pemitam ao usuáio faze aálises fotogaméticas a pati de images digitais; estima a pecisão e exatidão do sistema poposto; desceve os picipais coceitos e técicas evolvidas a mesuação do movimeto possibilitado ao leito um melho etedimeto dos sistemas de captua de movimeto; avalia o potecial da feameta desevolvida a pati de estudo de casos..3 - Cotibuições desta dissetação Petede-se com este tabalho, iicia um pocesso de desevolvimeto cotíuo de um sistema que iá pemiti aos pofissioais da saúde avaliaem quatativamete e qualitativamete o movimeto humao ou de objetos de um modo geal. O sistema aqui poposto deveá sevi como feameta paa a ealização de pesquisas acadêmicas e avaliações clíicas. Teá também o papel de cosolida o aboatóio de Egehaia Biomédica (Bioab), da Uivesidade Fedeal de Ubelâdia, pesquisas voltadas ao estudo

20 4 do pocessameto de images e visão computacioal, cotibuido paa que este laboatóio possa se toa futuamete uma das efeêcias acioais o assuto em questão. Efim, espea-se que com este tabalho seja possível cia uma base de pesquisa e um sistema que possa cotibui paa a ealização de outas pesquisas voltadas ao estudo da biomecâica do movimeto humao..4 Ogaização da dissetação O pesete estudo está dividido em seis capítulos. O Capítulo aboda o estado da ate e algus coceitos básicos efeetes à SCAMs. No Capítulo 3 são demostadas as teoias matemáticas básicas que possibilitam a ecostução do movimeto a pati do egisto visual de uma ou mais câmeas. Já o Capítulo 4 apeseta o pojeto do SCAM desevolvido pelo auto. Neste último, são ilustados as fases de pocessameto do sistema, os algoitmos empegados e as picipais caacteísticas do sistema implemetado. No Capítulo 5 são descitos algus testes ealizados paa valida o sistema e algus estudos de casos que tiveam como objetivo ilusta as potecialidades e aplicações da feameta desevolvida. Po fim, o Capítulo 6, são colocadas as coclusões deste estudo e algumas popostas de tabalhos futuos.

21 5 Capítulo Captua e aálise do movimeto a biomecâica: defiições, históico e técicas Este capítulo itoduz o coceito de captua e aálise do movimeto do poto de vista da biomecâica, dado efoque picipalmete ao movimeto humao. Algus coceitos técicos são abodados o decoe do texto. Uma descição do estado da ate e das técicas de captua do movimeto são também ilustadas, além dos picipais aspectos históicos que levaam os sistemas comeciais ao estágio atual de evolução.. - Biomecâica e o estudo do movimeto O temo biomecâica é utilizado paa defii uma ciêcia que estuda sistemas biológicos sob uma pespectiva mecâica (Hall, 5). Nesta ciêcia empega-se a mecâica Newtoiaa paa estuda algus aspectos aatômicos e fucioais dos ogaismos vivos. Po sua vez, a mecâica Newtoiaa tem como objeto de estudo a descição do movimeto, as vaiações de eegia e as foças que atuam sobe um detemiado copo. A mecâica Newtoiaa apeseta divesas subdivisões. Duas delas são de especial iteesse a biomecâica do movimeto: a diâmica e a ciemática. A diâmica tem como alvo de estudo a elação ete o movimeto de um copo e as foças que atuam sobe este, equato a ciemática se destia à descição do movimeto, levado em cosideação somete o espaço e o tempo descosideado as possíveis foças que estejam atuado sobe o copo. Quado cojugadas, estas duas subdivisões da mecâica clássica foecem dados que são de fudametal impotâcia ao estudo da biomecâica do movimeto. A impotâcia do estudo do movimeto é múltipla. Não só como estatégia de locomoção e como atividade idispesável à sobevivêcia humaa, o movimeto é também capaz de taduzi muitas das caacteísticas fisiológicas ou mecâicas de iúmeos sistemas, tais como o, músculo-esquelético, evoso, popioceptivo e outos que hamoicamete tabalham paa ealiza taefa tão complexa e delicada que é o movimeto. Diate da impotâcia do movimeto, o cálculo ou a estimação de suas vaiáveis diâmicas e ciemáticas, são pocedimetos executados otieiamete em laboatóios de biomecâica (Holde et al., 3). Paa obte estes cojutos de dados, difeetes

22 6 equipametos são empegados. Dete eles, o equipameto mais utilizado a detemiação das vaiáveis diâmicas do movimeto é cohecido como platafoma de foça (Audu et al., 6). Já as vaiáveis ciemáticas, têm sido estimadas atavés de sistemas de captua e aálise de movimeto. De um modo geal, os SCAMs são capazes de calcula a tajetóia dos segmetos de um copo. Dispodo destes valoes de tajetóia e do itevalo de tempo gasto paa ealizálas é possível o cálculo da velocidade e aceleação destes segmetos, que têm sua posição e oietação o espaço defiidos po um cojuto de sesoes fixados ao segmeto em aálise. A Figua. ilusta o exemplo de tês sesoes fixados à pea de um idivíduo e algus exemplos de valoes ciemáticos calculados po um SCAM. Figua. - Detemiação de algumas vaiáveis ciemáticas do movimeto do joelho e toozelo esquedo de um idivíduo a esteia utilizado o sistema de captua de movimeto desevolvido esta pesquisa. Os sesoes, destacados a cea pela co baca, ião possibilita o cálculo da tajetóia do segmeto duate um itevalo de tempo cohecido. Dispodo-se deste tempo e da tajetóia do movimeto aticula é possível a estimação de outas vaiáveis ciemáticas do movimeto atavés de sucessivas deivações matemáticas.. A impotâcia da mesuação do movimeto a biomecâica A captua do movimeto é um coceito utilizado em biomecâica paa desceve sistemas cuja fialidade é egista o movimeto de um copo atavés de algum dispositivo (e.g., câmea de vídeo, seso eletomagéticos, poteciômetos) e a pati destes dados egistados, calcula as vaiáveis ciemáticas do movimeto. Estes sistemas são algumas vezes cohecidos como sistemas de medição do movimeto; ecostução do movimeto ou estimação do movimeto. Os SCAMs possibilitam a avaliação quatitativa do movimeto o que tem cotibuído substacialmete paa o estudo e avaliação do sistema músculo-esquelético humao e aimal (Adiacchi & Alexade, ). Valoes ciemáticos do movimeto estão sedo combiados com modelos computacioais (Delp & oa, ) paa pedize

23 7 foças, calcula a potêcia muscula, toque e outas vaiáveis mecâicas do movimeto. Isto têm ajudado a compeesão dos mecaismos do sistema músculo-esquelético (eadii et al., 6) duate a ealização de uma detemiada taefa motoa. Outos impotates estudos, evolvedo a utilização de SCAMs, tem cotibuído paa a pesquisa em biomecâica e ilustam a divesidade de aplicações destes sistemas. Podemos cita os estudos de Pady () que desevolve esfoços a elucidação de algumas desodes elacioadas ao sistema locomoto, algus outos tabalhos voltados à aálises clíicas (Flavel et al., ; Fukui et al., ), diagósticos (Cheug et al., ; Matsumua et al., 6), eabilitação (Müdema et al., 6) e distição de doeças (eadii et al., 6). Como destacam os autoes Figueoa et al. (3), os SCAMs podem se utilizados iclusive a avaliação de desempeho de atletas. Isto poque esta feameta pode pemiti a decomposição do movimeto em elemetos básicos, o que possibilitaia a aálise das caacteísticas de um atleta e a coseqüete compaação com um outo atleta tido como efeêcia..3 - Pocesso de captua do movimeto O pocesso de captua cosiste, de uma foma geal, a fixação de sesoes em potos aatômicos de iteesse o copo. Gealmete são colocados as aticulações de modo a epeseta o movimeto humao estategicamete. Vale essalta que estes sistemas captuam ão só o movimeto humao, como também o movimeto aimal e o de objetos de um modo geal. Desta foma, o decoe desta dissetação, seá deomiado de ato o idivíduo, aimal ou objeto cujo movimeto seá captuado e aalisado. Os sesoes têm gade impotâcia a estimativa do movimeto, pois cabe a eles foeceem dieta ou idietamete a posição e oietação das picipais aticulações ou pates do ato. Face a esta impotâcia, os sesoes tem papel destacado a aquitetua de um SCAM como mosta a Figua.. Ressalta-se poém que as caacteísticas de aquitetua podem muda segudo a tecologia empegada o SCAM e que o modelo ilustado a Figua. é uma epesetação geéica. Os sesoes e a iteface com o computado ilustados o diagama da Figua., são os esposáveis po foeceem ao computado dados que seão pocessados po um cojuto de algoitmos que tasfomaão estes dados de etada em paâmetos ciemáticos do movimeto. Depededo da tecologia empegada, os dados do movimeto podem se foecidos dietamete ao computado ou ão. Neste último caso, o que é foecido ao computado são ifomações idietas sobe o movimeto. Estas

24 8 ifomações idietas deveão passa po algumas fomulações matemáticas o computado paa que se toem dados cocetos do movimeto e posteiomete sejam exibidos ao usuáio. Figua. - Diagama ilustado a aquitetua típica dos sistemas de captua de movimeto..4 Históico da captua e aálise do movimeto O históico do movimeto humao está itimamete associado ao estudo das técicas de mesuação do movimeto utilizadas o decoe de algumas décadas. Uma aálise históica evela a divesidade dos métodos empegados paa tal fialidade e os picipais poblemas evolvidos o pocesso, além dos esfoços desevolvidos a áea. A visão históica também pemite etede o atual estágio de evolução dos SCAMs e algus coceitos impotates que são utilizados os sistemas cotempoâeos. Segudo Thusto (999), os Egípcios foam os pimeios povos a desevolveem o iteesse a locomoção humaa e aimal, bem como dos mecaismos biológicos esposáveis pelo movimeto. No etato, coubeam aos gegos os pimeios passos o que se efee ao estudo do movimeto. Dete estes últimos, podemos cita os tabalhos de Aistóteles (384-3 a.c.) que aalisou o movimeto sob uma pespectiva mais geomética do que médica. Aquimedes (87- a.c.) também cotibui ao demosta um coceito simila ao de ceto de gavidade. No etato, os filósofos gegos colocavam algumas estições quato ao estudo do movimeto. Eles aceditavam que a pecepção ou os setidos egaavam o obsevado ao aalisa o movimeto e que ehum método expeimetal coduziia à vedadeia foma do movimeto, que só podeia se alcaçada pelo pesameto lógico. Os filósofos gegos despetaam iteessates questões paa o estudo modeo da locomoção humaa: a pecepção visual humaa limita a habilidade de obseva e aalisa o movimeto humao/aimal? Métodos ou potocolos paa estimação do movimeto iflueciam as caacteísticas atuais do movimeto? Estas são questões elevates que

25 9 devem se levadas em cosideação o estudo modeo da biomecâica do movimeto. Um exemplo de limitação da pecepção visual a aálise do movimeto pode se vista a Figua.3. Neste exemplo, a posição das patas do cavalo foi desehada icoetamete. O olho do atista ão foi capaz de captua a ápida seqüêcia de macha do aimal. Figua.3 - (a) Figua de um atista ilustado a macha de um cavalo (7 a.c.) de foma icoeta. (b) Fotogafia ilustado o fomato coeto desta fase de macha do cavalo. Retiado de (Adiacchi & Alexade, ). eoado da Vici (45-59) foi outo a estuda o movimeto. Ele utilizou de seus cohecimetos aatômicos paa ilusta algus picípios mecâicos da locomoção humaa. Estes picípios foam maifestados em seus tabalhos, ode foi elatada uma elação ete o ceto de gavidade e balaço do copo. Além disto, levatou algumas hipóteses sobe a ação muscula a locomoção. Da Vici e seus atecessoes peteciam a um peíodo que foi cohecido como peíodo aatômico o estudo da locomoção. Com os avaços de Galileu Galilei (56-64) e Isaac Newto (64-77) a mecâica e matemática, um ovo peíodo o estudo da locomoção foa iauguado. Neste peíodo, cohecido como peíodo teóico, destacam-se os tabalhos desevolvidos po Giovai Boelli (68-679), que mais tade foi ecohecido como pai da biomecâica modea. Boelli, que foa pupilo de Galileu, compaava homes e aimais à máquias. Suas pesquisas cotiham estudos detalhados das ações dos músculos o movimeto. Em suas aálises do movimeto dos membos ifeioes, Boelli tetou estabelece a elação ete foça do músculo e âgulo de aplicação, baseado-se em picípios matemáticos e geométicos. Ele aida detemiou o ceto de gavidade do copo humao e fomulou teoias evolvedo o seu deslocameto. A Figua.4 (a) ilusta pate de seu tabalho.

26 Figua.4 - (a) Repodução dos estudos feitos po Giobai Boelli (68-679) que fizeam deste o pai da biomecâica modea. (b) Movimeto de descida de uma escada egistado po Muybidge (83-94). Images etiadas de (Thusto, 999). O cescete iteesse e ecessidade do estudo da locomoção biológica, coduziam à itodução de métodos de obsevação. Neste setido, Eadwead Muybidge (83-94) foi um dos pimeios cietistas a desevolve uma técica de egisto do movimeto e a quatifica algus padões de movimeto (Müdema et al., 6). Sua técica, cohecida como fotogametia, utilizava câmeas fotogáficas paa extai ifomações méticas das images. Uma séie de images eam feitas duate a ealização do movimeto. A Figua.4 (b) exibe um exemplo de movimeto egistado po fotos. Na Figua.4 (c) é ilustado uma das fases da macha humaa elaboada po Wilhelm Webe (84-89) que se baseou os tabalhos de Muybidge. Outos dois cotempoâeos de Muybidge, Wilhelm Baue (um aatomista) e Otto Fishe (um matemático) epotaam medições de algus segmetos do copo paa calcula as foças as aticulações e a eegia despedida a pati da mecâica Newtoiaa (Bake, 7). Seu tabalho foi motivado po aplicações militaes elacioadas ao icemeto da eficiêcia do movimeto de topas. Duate as décadas de 4 e 5, sugiu a ecessidade de se etede melho algus picípios da locomoção humaa, a fim de utilizá-los o tatameto dos veteaos da seguda guea mudial. Neste cotexto, Ima et al. (948) desevolveam tabalhos voltados ao estudo da locomoção humaa a Uivesidade da Califóia. Estes pesquisadoes desevolveam um método de captua do movimeto também baseado em images (leia-se vídeo). Neste método, idivíduos eam postos a executa movimetos de macha. Paa defii os potos aatômicos que fomaiam os âgulos aticulaes, pios foam fixados dietamete à pélvis, fêmu e tíbia de idivíduos (Figua.5 (a)). Os movimetos destes pios eam egistados po tês câmeas que foam posicioadas em

27 tês difeetes plaos (Figua.5 (b)). Natualmete que a iseção dos pios ocasioava do e descofoto. Figua.5 - (a) Idivíduo com pios iseidos a pélvis, fêmu e tíbia. (b) Aajo das câmeas que egistaam o movimeto dos pios. Retiado de (Ima et al., 948). Na década de 6, May Pat Muay desevolveu um método baseado o egisto visual de uma câmea de vídeo (Muay et al., 964). Seu método estipulava que fitas efletivas, chamadas de macadoes, fossem fixadas em potos aatômicas específicos do idivíduo, que posteiomete ea posto a camiha sob codições especiais de ilumiação fazedo com que os macadoes se destacassem as images geadas. Estas images posteiomete eam utilizadas a medição dos segmetos copoais e detemiação de âgulos aticulaes. A Figua.6 ilusta dois exemplos de egistos fotogáficos feitos po Muay. As medições eam feitas maualmete usado as images, o que toava a aálise do movimeto demoada e difícil. O tabalho de Muay foi cosideado de gade impacto e os esultados alcaçados são coeetes com os ecotados hoje a liteatua técica. Figua.6 - Exemplo do método elaboado po May Pat Muay a década de 6. Registo visual feito de idivíduos com macadoes fixados a algumas de suas aticulações. Os macadoes se destacavam as images devido ao seu alto cotaste o que facilitava a defiição da posição e oietação das aticulações epesetadas pelos pópios macadoes. Images etiadas de (Muay et al., 964).

28 No mesmo peíodo em que Muay ealizava seus estudos, os imãos Kapovich desevolviam uma ova poposta de sistema que ea baseada o uso de eletogoiômetos capazes de egista âgulos aticulaes (Figua.7). Até etão, os sistemas usavam técicas fotogaméticas. A poposta dos imãos fugia a esta tedêcia, pois ea baseada em um apaato eleto-mecâico. A vatagem do sistema elaboado estava a ápida estimação dos valoes dos âgulos aticulaes que podiam se visualizados em tempo eal. Além disto, o método ea simples e elativamete baato. A desvatagem esidia o idesejável feômeo de itefeêcia cohecido po coss talk e o descofoto causado pelo equipameto que impedia o movimeto atual do ato. Figua. 7 - Sistema baseado em eletogoiômetos paa medi âgulos aticulaes dos membos ifeioes. Modelo poposto pelos imãos Kapovich a década de 6. Images etiadas de (Adiacchi & Alexade, ). Na década de 7, os pesquisadoes cocetaam seus esfoços as técicas fotogaméticas paa a aálise de macha. Isto poque ea uma técica ão ivasiva, pemitia a aálise de copo iteio e ão iflueciava o movimeto. Cotudo, existiam muitos obstáculos que iviabilizam ou estigiam o uso da técica como, po exemplo, o tempo excessivo gasto a aálise, pocessameto e amazeameto dos dados. Com o avaço da ifomática, estes obstáculos foam se desfazedo. Com isto, o computado começava a se empegado juto às técicas fotogaméticas a aálise e medição do movimeto. Um exemplo clássico da ova geação foi o Vaguad motio aalyze (Suthelad & Hagy, 97). Este sistema estipulava que deveiam se fixados aos picipais potos aatômicos do copo, macadoes eto-flexíveis à luz ifavemelha ou ultavioleta. Isto pemitia que estes potos ficassem bem destacados a cea devido ao seu alto cotaste e assim pudessem se idetificados facilmete a imagem geada. A Figua.8 (a) ilusta algus macadoes fixados a potos aatômicos de um aimal. Posteiomete, o filme ea pojetado em uma tela quado a quado ode o opeado do sistema selecioava maualmete todos os macadoes fixados ao ato (Figua.8 (b)). Após selecioados

29 3 todos os macadoes em todos os quados, cálculos tigoométicos eam executados pelo computado, que calculava algus paâmetos ciemáticos do movimeto filmado. Figua.8 - (a) Aimal com macadoes eto-flexíveis fixados aos potos aatômicos de seu copo. Estes macadoes seão utilizados paa a mesuação do movimeto do copo. (b) Vaguad motio aalyze e Gaf-pe utilizados paa detemia as coodeadas X e Y dos macadoes eto-flexíveis pojetados a tela do sistema. Figuas etiadas de (Suthelad & Hagy, 97). Com a utilização de computadoes os sistemas de captua de movimeto, houve uma eome edução o tempo de pocessameto, amazeameto e epesetação da ifomação. Desde etão, egeheios, físicos e matemáticos somaam esfoços paa automatiza o pocesso ao máximo e aumeta a pecisão/exatidão dos esultados. Outas tecologias de medição, ão baseadas em vídeo ou images, também foam desevolvidas o decoe dos aos e paticamete todas elas utilizavam computadoes paa amazea, pocessa e visualiza os dados do movimeto..5 - Tecologias de medição O movimeto do esqueleto humao pode se medido ou estimado po divesos métodos. Eles icluem: esteeoadiogafia (Valsta et al., 5); a fixação de pios aos ossos (eadii et al., 5); a fluooscopia (Katada et al., 996); ou aida a fixação de sesoes à pele (Maal et al., ). Estes tês pimeios povêem a medição dieta do movimeto do esqueleto. No etato, eles são ivasivos ou expõem o sujeito à adiação ioizate. Já o método que empega a fixação de sesoes ou dispositivos à pele, ão é ivasivo e po isto tem sido o mais empegado a captua do movimeto. Ele seá o alvo de discussão deste tópico. Paa facilita o estudo do método de captua do movimeto utilizado sesoes fixados à pele, este método seá classificado em quato categoias: () sistemas acústicos, () eleto-mecâicos, (3) eletomagéticos e (4) sistemas óptico-eletôicos. Esta classificação teve como citéio a tecologia empegada a aquisição dos dados elativos ao movimeto.

30 Sistemas acústicos Os sistemas baseados a tecologia acústica (Piz, 997) gealmete empegam ulta-som ou adiofeqüêcia a aquisição dos dados do movimeto. Nestes sistemas empega-se o pa tasmisso/ecepto ode gealmete os tasmissoes ecotam-se as picipais aticulações do ato equato que os eceptoes (gealmete tês) são posicioados o local de captua. Os tasmissoes são sequecialmete acioados paa poduzi siais sooos caacteísticos que seão captados pelos eceptoes, que etão calculaão a posição de cada tasmisso. O cálculo da posição de cada tasmisso é feito da seguite foma: utilizado como dados o tempo decoido ete a emissão do sial pelo tasmisso e o seu ecebimeto pelo ecepto (levado-se em cota a velocidade do som o ambiete), cosegue-se calcula a distâcia pecoida pelo som, do tasmisso até cada um dos tês eceptoes. ogo após isto, é feita a tiagulação (Avida & Shashua, ) das distâcias ete cada tasmisso e os tês eceptoes pesetes o local de captua. Um dos poblemas dos sistemas acústicos é a dificuldade de obte uma descição coeta dos dados um istate desejado devido ao caáte seqüecial do dispao dos tasmissoes. Além disso, os sistemas acústicos o úmeo de tasmissoes utilizados é limitado e esta tecologia está sujeita a poblemas de eflexões do som que podem afeta a qualidade dos dados. Como vatagem, este tipo de sistema ão possui poblemas de oclusão, típico de sistemas ópticos e itefeêcia po objetos metálicos, pecebido em sistemas magéticos Sistemas eleto-mecâicos Nos sistemas eleto-mecâicos são empegados poteciômetos (eletogoiômetos) que, posicioados as aticulações desejadas, foecem suas posições e oietações em altas taxas de amostagem. O uso destes poteciômetos o copo foma uma vedadeia amadua como a mostada a Figua.9. Já outos sistemas (Flavel et al., ) utilizam aceleômetos paa detemia a aceleação de detemiado poto. A vatagem de sistemas desta atueza eside o fato de que eles ão exigem muito pode computacioal o que facilita o pojeto de um sistema em tempo eal além de exigiem pouca ou ehuma calibagem. Eles também apesetam custo acessível. A desvatagem é que são extemamete obtusivos.