Utilização da Realidade Aumentada no Suporte à Correção de Movimentos em Exercícios Físicos que Envolvem Joelho

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1 Utilização da Realidade Aumentada no Suporte à Correção de Movimentos em Exercícios Físicos que Envolvem Joelho João Paulo Pascucci Campagna Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (Programa Multicampus) Universidade Estadual Paulista (UNESP) José Remo Ferreira Brega Laboratório de Sistemas de Tempo Real Departamento de Computação Faculdade de Ciências Universidade Estadual Paulista (UNESP), Bauru, SP, Brasil Resumo Este artigo apresenta conceitos que vêm se popularizando com o passar do tempo, como os de Realidade Virtual e Aumentada. Ainda descreve uma ferramenta para a construção de aplicações de Realidade Aumentada, o ARToolKit. Além de apresentar estes conceitos e ferramentas, nele é proposto um sistema que utiliza tais tecnologias para resolver um problema relacionado a atividades físicas inerentes aos músculos que circundam o joelho. 1. Introdução As aplicações de Realidade Virtual e Aumentada vêm se popularizando desde a década de 1990, quando estes conceitos começaram a ser difundidos. Várias são as áreas que já utilizam aplicações dessa natureza. Devido às potencialidades visualizadas pela Realidade Virtual, a diversidade de aplicações suportadas por esta tecnologia surge, naturalmente, em grande escala (KIRNER et al, 2007). Algumas áreas como jogos, educação, medicina e engenharia têm explorado profundamente o conceito de Realidade Virtual. Junto com o avanço da Realidade Virtual surge a Realidade Aumentada, trazendo consigo inovações tecnológicas como sistemas em tempo real e combinação de objetos sintéticos tridimensionais com ambientes reais. Sua utilização ganha cada vez mais corpo e vem passando a ser estudada por diversos institutos de pesquisa acadêmicos e comerciais. Em paralelo, problemas de ordem prática vêm surgindo em diversas áreas do conhecimento. Muitos destes problemas, que a priori envolvem soluções complicadas e custosas, podem ser simplificados utilizando os conceitos vistos anteriormente. Um problema que se encaixa neste grupo está relacionado com a execução de atividades físicas que trabalham os músculos que circundam o joelho. Estas atividades, quando realizadas de forma incorreta podem prejudicar o corpo causando lesões. No decorrer deste documento será proposto um sistema de Realidade Aumentada que pretende dar suporte para o controle deste tipo de problema. Também serão descritas ferramentas para sua construção. 2. Realidade virtual e aumentada Realidade Virtual e Realidade Aumentada são áreas relacionadas com novas gerações de interface do usuário, facilitando e potencializando as interações do usuário com as aplicações computacionais (KIRNER et al, 2007) Realidade virtual Existem várias definições para Realidade Virtual (RV). Umas mais detalhistas outras mais filosóficas, mas em geral RV pode ser descrita como um sistema de computador capaz de criar um ambiente sintético, no qual um usuário pode navegar e interagir intuitivamente com os objetos, tendo a impressão de estar realmente dentro deste. Uma definição apresentada em [1] exprime exatamente esse conceito: A Realidade Virtual associa-se a uma interface homem-máquina poderosa, possibilitando ao usuário interação, navegação e imersão num ambiente tridimensional sintético, gerado pelo computador através de canais multisensoriais. Para proporcionar ao usuário essas três propriedades fundamentais (interação, navegação e

2 imersão), um sistema de RV faz uso de uma série de periféricos. O que ainda torna possível sua classificação em relação à maneira como o usuário interage com o ambiente virtual. Realidade Virtual Imersiva: tipo de RV que tem como objetivo isolar completamente o usuário do mundo real. Dispositivos especiais são usados para bloquear todos os sentidos do usuário e transportá-lo inteiramente ao mundo virtual. Neste tipo de ambiente, equipamentos como Capacete de Realidade Virtual, Luvas de Dados, Rastreadores e Fones de Ouvido são utilizados. Realidade Virtual Não-Imersiva: neste tipo de ambiente o usuário tem acesso ao mundo virtual sem se isolar do mundo real, ou seja, ele é parcialmente isolado do mundo real. Para tal, dispositivos comuns como monitor, teclado e mouse são utilizados como forma de interação entre o computador e o usuário. Desde a década de 1990 a RV vem se tornando uma tecnologia cada vez mais aceita e difundida, sendo hoje aplicada a diversas áreas do conhecimento, como jogos, educação, medicina, engenharia, psicologia, artes, entre outras Realidade aumentada Do conceito de Realidade Virtual deriva-se a Realidade Misturada, que consiste num ambiente capaz de combinar elementos virtuais com elementos reais. A Realidade Aumentada (RA) se trata de um tipo de Realidade Misturada no qual há predominância de elementos reais. Comumente, as soluções de Realidade Aumentada envolvem a geração de elementos virtuais que são inseridos no ambiente real, de tal forma que o usuário crê que os mesmos são partes do meio no qual está inserido (KIRNER et al, 2007). Um sistema de RA possui algumas características básicas: Processamento em tempo real; Combinação de elementos virtuais com o ambiente real; Uso de elementos virtuais concebidos em 3D. Para a geração de cenas são analisadas a posição do usuário e o ponto de vista, e finalmente gerados os objetos virtuais, os quais são combinados ao mundo real utilizando um sistema de projeção. O modo de funcionamento de um sistema de RA exige que o mesmo seja dotado de dispositivo de captura das informações do usuário, software para geração (em tempo real) de elementos virtuais e hardware para mapear estes elementos no mundo real. De acordo com [2], a classificação de sistemas dessa natureza pode ser realizada de acordo com o tipo de dispositivo em que as cenas são reproduzidas. Sistema de Visão Ótica Direta: neste sistema são utilizados óculos ou capacetes capazes de receber diretamente a imagem real e ao mesmo tempo gerar os elementos virtuais. Sistema de Visão Direta por Vídeo: neste, capacetes com microcâmeras acopladas são utilizados para reproduzir as cenas. À cena real, capturada pela microcâmera, são combinados os elementos virtuais e ela então é exibida diretamente aos olhos do usuário. Sistema de Visão por Vídeo Baseado em Monitor: este é o sistema mais comum. Nele é utilizada uma webcam para capturar a cena real, à qual são combinados os elementos virtuais e então apresentada ao usuário num monitor convencional. Sistema de Visão Ótica por Projeção: neste sistema o usuário não utiliza nenhum equipamento auxiliar. Superfícies do ambiente real são utilizadas para projetar os elementos sintéticos produzidos por computador. As aplicações de RA demandam um sistema capaz de capturar a cena real, combinar a ela os elementos virtuais e exibir ao usuário a cena final, tudo isto em tempo real (ou com o mínimo de atraso possível). Para tal, além dos hardwares de captura, processamento e exibição, também são necessárias ferramentas de software, como, por exemplo, as bibliotecas OpenCV e ARToolKit. 3. ARToolKit O ARToolKit é uma biblioteca utilizada para o desenvolvimento de aplicações de RA. Algumas características, como a de ser multiplataforma e possuir código livre, fazem desta uma ferramenta bastante atrativa, logo fortemente difundida nas comunidades de RA. Em [3] é apresentada uma descrição em relação aos fundamentos desta tecnologia: A biblioteca ARToolKit implementada em C e C++ oferece suporte a programadores para o desenvolvimento de aplicações de RA. Essa biblioteca utiliza o rastreamento óptico, que implementa técnicas de visão computacional para identificar e estimar em tempo real a posição e a orientação de um marcador em relação ao dispositivo de captura de vídeo. O princípio de funcionamento das aplicações desenvolvidas com esta biblioteca baseia-se na identificação de marcadores numa cena. A ferramenta é capaz de estimar a posição e a orientação destes marcadores, fornecendo dados inerentes ao posicionamento dos mesmos na cena real. Com estes dados, os programadores podem manipular a cena da forma que for conveniente para a aplicação, podendo inserir objetos sintéticos desenvolvidos em OpenGL ou VRML.

3 A apresentação para o usuário, das cenas geradas, pode ser feita em dispositivos de visão indireta (não imersivos) ou em dispositivos de visão direta (imersivos), sendo mais comum para este tipo de aplicação o sistema de visão por vídeo baseado em monitor Marcadores Os marcadores são a chave de funcionamento desta ferramenta, pois ela só é capaz de identificar este tipo de objeto real numa cena, diferente de outras ferramentas que trabalham com identificação de outros objetos ou até mesmo características humanas como face, nariz, boca, entre outras. Estes marcadores reconhecidos pelo ARToolKit são constituídos de figuras geométricas quadradas com um símbolo desenhado em seu interior. É por meio destes símbolos que a ferramenta distingue entre diferentes marcadores. A figura a seguir mostra um marcador exemplo que é disponibilizado junto com a biblioteca. Este se trata do marcador Kanji. Figura 2. (a) Dois marcadores, um sem e outro com fundo branco (b) Quadro binarizado 3.2. Funcionamento Para desenvolver uma aplicação utilizando a biblioteca ARToolKit uma sequência básica de passos é necessária. A tabela a seguir, retirada de [3] apresenta os passos básicos para criação de uma aplicação de RA utilizando ARToolKit seguidos de sua correspondente função na biblioteca. Tabela 1. Passos básicos de uma aplicação utilizando ARToolKit Figura 1. Exemplo de marcador Os quadros do vídeo são analisados após serem binarizados a partir de um determinado limiar, ou seja, para cada quadro é executada a técnica de processamento de imagens binarização. Esta técnica transforma os quadros em imagens contendo apenas as cores branca e preta. Estes quadros transformados são utilizados apenas para a identificação dos marcadores. Na hora de exibir ao usuário a cena combinada com os elementos virtuais os quadros utilizados para o processamento são os originais. A identificação do marcador é dada pelo reconhecimento de um quadrado de bordas pretas na cena. Por esse motivo é importante o fundo branco do marcador, pois sem este fundo é impossível detectar os marcadores sobrepostos a setores escuros da cena. A imagem a seguir, retirada de [3] ilustra esta situação. Após inicializar a aplicação, os passos de 2 a 5 devem ser repetidos continuamente até a finalização da mesma. A figura a seguir apresenta um diagrama completo do fluxo de execução de uma aplicação. Figura 3. Fluxo de execução de uma aplicação desenvolvida com ARToolKit Finalizando esta seção é apresentada uma figura de uma aplicação, desenvolvida com a biblioteca ARToolKit, em execução.

4 Figura 4. Aplicação desenvolvida com ARToolKit em execução 4. Realidade aumentada nos exercícios físicos que envolvem joelho Durante a execução de exercícios físicos que trabalham os músculos que circundam o joelho alguns cuidados devem ser tomados para que não ocorram lesões. Uma atenção especial deve ser dada ao ângulo de rotação e à velocidade com que o exercício é executado, pois muitas lesões se devem a estas particularidades. Uma solução prática e de baixo custo para este tipo de problema pode ser implementada utilizando o conceito de RA. A biblioteca para construção de aplicações de RA, ARToolKit encaixa-se perfeitamente na elaboração de uma solução computacional para este problema, uma vez que ela fornece dados inerentes às coordenadas tridimensionais de pontos de observação em cenas capturadas em tempo real. Marcadores podem ser fixados nas pernas do usuário (neste caso o usuário é a pessoa que pratica o exercício) de forma que seus movimentos possam ser monitorados em tempo real pelo sistema computacional. Com os dados gerados pela ferramenta de RA os movimentos do usuário podem ser analisados e, caso não correspondam à maneira correta de serem realizados, o sistema poderá emitir um alerta para que o usuário corrija sua forma de execução. A figura a seguir apresenta uma ilustração de um exercício que pode ser monitorado, bem como a disposição dos marcadores na perna do usuário. Figura 5. Execução de um movimento O sistema se mostra interessante do ponto de vista que fornece ao usuário em tempo real informações que são difíceis de serem obtidas visualmente ou com dispositivos convencionais. Além disso, apresenta um baixo custo de implantação, pois para seu funcionamento basta que se tenha um computador com um monitor convencional e uma webcam. Sua utilização não será restrita a nenhum grupo específico. Poderá servir como ferramenta de suporte para usuários que queiram melhorar a execução de suas atividades físicas de forma a diminuir o risco de lesões ou ainda por pessoas lesionadas em processo de recuperação. É importante esclarecer que o sistema não apetecerá substituir o profissional de educação física ou fisioterapia, pelo contrário, ele deverá ser supervisionado por profissionais destas áreas, ou seja, o público alvo do sistema são os profissionais das áreas de educação física e fisioterapia que desejem possuir uma ferramenta computacional capaz de auxiliar seus clientes ou alunos a realizarem exercícios de melhor qualidade, obtendo, consequentemente, resultados mais expressivos. O utilização do sistema será bastante simples. Um programa principal será apresentado na tela do computador ao iniciar o sistema. Este programa conterá menus bastante intuitivos de seleção, os quais possuirão opções para gerenciamento de informações de usuários, seleção de exercício a ser monitorado, geração de relatórios e arquivos de ajuda. Um conjunto de exercícios será definido por meio de um estudo mais aprofundado na bibliografia referente à biomecânica do corpo humano. Este estudo será realizado com apoio de alguns profissionais das áreas de educação física e fisioterapia. Definidos os exercícios a serem analisados, programas individuais serão criados para processamento das informações fornecidas pelas ferramentas descritas anteriormente. Estes programas serão ligados ao programa principal por meio do menu de seleção de exercício a ser monitorado. Os programas individuais serão constituídos basicamente de uma janela na qual será exibido o vídeo capturado pela webcam já processado, com os objetos sintéticos inseridos. A intenção é substituir as partes indicadas pelos marcadores por estruturas ósseas e exibir em tempo real informações inerentes ao exercício, como ângulo de rotação e velocidade do movimento. O profissional responsável pelo usuário deverá fornecer ao sistema, por meio do menu de gerenciamento de informações de usuários, dados referentes à cada exercício a ser monitorado, como ângulos máximo e mínimo de abertura e velocidade ideal do movimento.

5 Os dados capturados pelo sistema serão armazenados em disco, de forma que seja possível gerar relatórios de desempenho para cada usuário. O sistema ainda contará com uma ferramenta de calibragem, a qual deverá ser utilizada para a correta colocação dos marcadores no usuário. 5. Conclusões Os estudos iniciais mostram que este se trata de um projeto bastante interessante do ponto de vista acadêmico e até comercial, visto seu potencial inovador e forma intuitiva de interação com o usuário. Ele apresenta uma solução de baixo custo para um problema de difícil análise. O tempo estimado para sua realização é compatível com o prazo de entrega, ou seja, é esperado que seu desenvolvimento ocorra sem grandes complicações ou atrasos de cronograma. Isso tudo leva a concluir que o projeto é viável e possui grande possibilidade de sucesso. 6. Trabalhos Futuros Este trabalho será objeto de estudo do curso de mestrado de João Paulo Pascucci Campagna, orientado por José Remo Ferreira Brega. Este artigo exprime a ideia inicial do projeto, a qual deverá ser concretizada incrementalmente no decorrer do curso. Como objetivo imediato pretende-se incluir na revisão final deste documento uma introdução sobre fisiologia dos membros inferiores do corpo humano e dinâmica de movimentos. Em longo prazo, espera-se realizar a implementação e teste do sistema e coletar dados resultantes de sua utilização. O objetivo final é escrever uma documentação detalhada do mesmo e uma dissertação para apreciação de uma banca examinadora. 7. Referências [1] C. Kirner, et al, Tecnologias para o Desenvolvimento de Sistemas de Realidade Virtual e Aumentada capítulo 1, Editora Universitária UFPE, Recife-PE, Brasil, [2] R. Azuma, et al, Recent Advances in Augmented Reality, IEEE Computer Graphics and Applications, v. 21, n. 6, p [3] C. Kirner, e R. Santin, Tecnologias para o Desenvolvimento de Sistemas de Realidade Virtual e Aumentada capítulo 5, Editora Universitária UFPE, Recife-PE, Brasil, 2007.