CC BY
19
УДК 681.7.08
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СПОРТИВНЫХ ОБУЧАЮЩИХ ПРОГРАММ
Андрей Александрович Зубов
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, аспирант кафедры информационно-измерительных систем, старший преподаватель кафедры физического воспитания, тел. (499)261-41-44, e-mail: [email protected]
Евгений Александрович Елкин
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, кандидат технических наук, доцент кафедры информационно-измерительных систем, тел. (499)262-32-11, e-mail: [email protected]
Андрей Александрович Майоров
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационно-измерительных систем, тел. (499)262-32-11, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются следящие оптико-электронные системы с целью их применения для создания спортивных обучающих программ. Проводится сравнение различных подходов в этой области, анализируются достоинства и недостатки.
Ключевые слова: измерение параметров движения, оптический диапазон, измерение рельефа поверхности, следящая оптико-электронная система, захват движения.
PROBLEMS IN USING OF ELECTRONIC OPTICAL SISTEMS TO MEASURE MOTION PARAMETRS FOR CREATING SPORTS TRAINING PROGRAMMS
Andrey A. Zubov
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky Per., graduate student of the Department at the Information-Measuring System, senior lecturer of the Department PE, tel. (499)261-41-44, e-mail: [email protected]
Evgeny A. Yolkin
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky Per., Ph. D., associate Professor of the Department at the Information-Measuring System, tel. (499)262-32-11, e-mail: [email protected]
Andrey А. Mayorov
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky Per., D. Sc., Professor, Head of the Department of Information-Measuring System, tel. (499)262-32-11, e-mail: [email protected]
The article discusses tracking electronic optical systems with a view to their application in the establishment of sports training programs. Authors made a comparison of different approaches in this area, analyzed the advantages and disadvantages.
Key words: measurement of motion parameters, optical range, object surface scanning, tracking electronic optical system, motion capture.
В последнее время развитию физической культуры и спорта придается все большее значение. Достижения спортсменов, кроме прочего, являются безусловными показателями успешности развития той или иной страны в целом. В спортивной сфере развернулось острое соперничество между странами с привлечением как медикаментозных, так и инновационных технических средств и методов. Очевидно, что так называемые «допинговые» скандалы и пристальное внимание мировой общественности к этому вопросу требует внедрения новых легитимных технологий, призванных повысить результативность тренировок и - как результат - суммарные спортивные достижения на соревнованиях. Базовым и отвечающим за будущий успех практически в любом виде спорта является «постановка» движений, выработка оптимальной моторики.
При написании статьи ставилась задача выбора технических средств, отвечающих поставленным задачам
Безусловно, это комплексная задача, которая в значительной степени может быть решена путем создания систем измерения параметров движения (или систем захвата движения) и, затем, обучающих программ, использующих данные полученные с помощью таких систем.
Авторами статьи был проведен анализ существующих систем измерения параметров движения биологических объектов, на основе которого был сделан вывод относительно целесообразности разработки таких систем с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона. В результате было выдвинуто предположение, что оптико-электронные системы измерения параметров объектов имеют преимущества в случае их применения для создания обучающих программ: при их использовании становится возможным распознавание и отслеживание движений спортсменов в неприспособленной специальным образом спортивной форме, что расширяет диапазон применения подобных систем. Кроме того, существенно упрощается решение задачи создания 3D анимации - ускоряется подготовка к съемкам и появляется возможность так называемого «захвата движений» (motion capture), что актуально для отработки специальной моторики (борьба, падения, прыжки и т. п.) без повреждения оборудования. Кроме всего прочего, стоимость таких систем невысока.
Существующие технологии измерения параметров движения разделяются на маркерные и безмаркерные. При использовании маркерных систем на объект измерения помещаются датчики (излучающие или отражающие) [1]. Камеры фиксируют излучение от датчиков, после чего информация поступает в компьютер, где на ее основании формируется единая трехмерная модель, воспроизводящая движения
На основе этой модели в режиме реального времени или позднее создается анимация движений объекта.
Существующие маркерные системы измерения параметров движения различаются по принципам отслеживания движений. Кроме оптико-электронных систем (активных или пассивных), существуют магнитные, механические и гироскопические системы.
Безмаркерные технологии [2] основаны на использовании оптического диапазона электромагнитного излучения. Они не требуют специальных датчиков или специального костюма. Допустимо использование естественного освещения (пассивные системы, основанные на использовании цветных камер) или подсветка объекта определенным образом (активные системы). В активных системах могут использоваться времяпролетные камеры или структурированное излучение.
Времяпролетная камера [3] определяет дальность через скорость света, измеряя время пролета светового сигнала подсветки, и отраженного каждой точкой получаемого изображения.
Структурированное излучение представляют собой проекцию светового рисунка непосредственно на движущийся объект. Рисунок проецируется с помощью проектора или другого постоянного источника света [4]. Камера, расположенная чуть в стороне от проектора, фиксирует форму рисунка и вычисляет расстояние до каждой точки в поле зрения.
Измерение параметров движения в пассивных системах происходит при помощи обычных оптических камер, разнесенных на некоторое расстояние. Идея метода [5] заключается в следующем: для каждой точки на одном изображении выполняется поиск парной ей точки на втором изображении. Когда обе точки установлены, выполняется триангуляция, позволяющая определить координаты их прообраза в трехмерном пространстве. Зная трехмерные координаты прообраза, можно вычислить глубину как расстояние до плоскости камеры.
Каждая из систем имеет свои достоинства и недостатки, оказывающие влияние на поставленную задачу увеличения уровня технической подготовки спортсменов.
1. Недостатки маркерных оптических пассивных систем.
Размещение на человеке отражающих маркеров занимает длительное время. Спортсмены вынуждены носить непривычные приспособления. Кроме того, система может путать маркеры при быстром движении или близком расположении их друг к другу (технологией не предусмотрена идентификация каждого маркера по отдельности) [6].
2. Недостатки маркерных оптических активных систем.
В таких системах [7] вместо отражающих маркеров используются светоди-оды, которые нужно закрепить на теле спортсмена. Это вызывает дополнительное сковывание движений.
3. Недостатки маркерных магнитных систем.
В данном случае для захвата используются маркеры-магниты, а в качестве камер используются ресиверы [8]. Положение маркеров вычисляется по искажениям магнитного потока. Основные проблемы метода связаны с использованием магнитов, которые подвержены магнитным и электрическим помехам от металлических предметов и окружения. Кроме того, реализация данного метода имеет более высокую стоимость и меньший радиус действия, по сравнению с оптическими системами. Очевидно, что размещение маркеров магнитов на теле спортсмена также связано с дополнительными неудобствами.
4. Недостатки маркерных механических систем.
Для сбора информации о движениях на теле актера или спортсмена размещается специальное устройство - механический скелет, который повторяет все его движения. Одновременно с этим компьютеру отправляется информация о моторике и углах сгибов человеческих суставов [9]. При интенсивном использовании повышается вероятность выхода из строя механических частей. В дополнение к этому само наличие механических частей на теле спортсмена делает невозможным захват движений при плотном взаимодействии нескольких спортсменов одновременно, что характерно для некоторых видов спорта.
5. Недостатки маркерных гироскопических систем.
Для сбора информации о моторике в данных системах используются миниатюрные гироскопы и инерциальные сенсоры, расположенные на теле спортсмена так же, как маркеры или магниты в других системах захвата движений [9]. Компьютер принимает, обрабатывает и сохраняет информацию с инер-циальных сенсоров, при помощи которой можно восстановить положение датчика в пространстве и его относительную ориентацию. Информация передается по проводам, что сильно ограничивает применение системы. Кроме этого гироскопические сенсоры имеют высокую цену.
6. Недостатки безмаркерных систем.
Ниже приводится таблица, в которой сравниваются достоинства и недостатки безмаркерных технологий, что может быть важно для конкретных видов спорта.
Таблица
Сравнение параметров и характеристик безмаркерных технологий
захвата движения
3D технология Характеристики-^,^ и параметры Времяпролетные камеры Цветные камеры Структурированное излучение
Точность средняя низкая высокая
Сложность программного обеспечения низкая высокая средняя
Возможность работы в реальном времени высокая низкая средняя
Стоимость материалов средняя низкая высокая
Возможность работы в условиях недостаточного освещения высокая низкая высокая
Разрешение на плоскости высокое зависит от сцены среднее
Возможность работы в условиях повышенной освещенности(на улице) средняя высокая низкая
Авторы полагают, что применение безмаркерных технологий, связанных с использованием структурированного излучения оптимально для выполнения поставленных задач в спортивной сфере.
Главной задачей при разработке оптико-электронных систем для измерения параметров движения является уменьшение их зависимости от внешних условий и увеличение радиуса действия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. An autonomous dance scoring system using marker-based motion capture / H. Chen, Q. Gang, J. James // Multimedia Signal Processing, 2005 IEEE 7th Workshop on, 2005, P. 1-4.
2. A markerless motion capture system with automatic subject-specific body model acquisition and robust pose tracking from 3D data / Z. Zhang, H. Seah, C. Quah, J. Sun // Image Processing (ICIP), 2011 18th IEEE International conference on, 2011, P. 525-528.
3. Mutto C., Zanuttigh P., Cortelazzo G. Time-of-Flight Cameras and Microsoft Kinect // Springer, P. 116, 2013.
4. Lanman D., Crispell D., Taubin G. Surround structured lighting for full object scanning // In Proceedings of the International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, 2007. -P.107-116.
5. Форсайт Д. Компьютерное зрение: современный подход. - М. : Вильямс, 2004. -С. 926.
6. Generating optimized marker-based rigid bodies for optical tracking systems / F. Steinicke, C. Jansen, K. Hinrichs, J. Vahrenhold, B. Schwald // In 2nd international conference on computer vision theory and applications (VISAPP), 2007, P. 387-395.
7. Motion tracking: no silver bullet, but a respectable arsenal / G. Welch, E. Foxlin // IEEE Computer graphics and applications, vol. 22, № 6, 2002, P. 24-38.
8. Automatic joint parameter estimation from magnetic motion capture data / J. O'Brien, R. Bodenheimer, G. Brostow, J. Hodgins // In Proceedings of graphics interface 2000, 2000, P. 53-60.
9. Все о MOCAP [Электронный ресурс] / В. Епишин // Режим доступа: http://www.render.ru/books/show_book.php?book_id=531 (дата обращения: 23.03.2017).
© А. А. Зубов, Е. А. Елкин, А. А. Майоров, 2017
