APLICAÇÃO DE REALIDADE AUMENTADA NA ANÁLISE DO MOVIMENTO ... ?· análise do movimento humano é…

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<p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 1 </p> <p>APLICAO DE REALIDADE AUMENTADA NA ANLISE DO MOVIMENTO HUMANO: ESTUDO PILOTO1 </p> <p>Alessandra Silva do Monte Lima2; Alberto Galvo de Moura Filho3; Veronica Teichrieb4. </p> <p>Resumo: O presente trabalho prope uma ferramenta para anlise do movimento humano baseada na tecnologia de Realidade Aumentada (RA). RA refere-se aplicao em tempo real de elementos virtuais em um ambiente real. A anlise do movimento bastante empregada para reabilitao de enfermidades que prejudicam a locomoo, como rupturas ligamentares, Acidente Vascular Cerebral e doena de Parkinson. A ferramenta proposta, denominada ARPhysio, permite uma anlise de dados em tempo real utilizando tecnologia acessvel e de baixo custo. Foi implementada uma aplicao que analisa o movimento da articulao do joelho. A aplicao sobrepe imagem do indivduo alvo informaes referentes ao movimento realizado. O indivduo assume a posio de decbito ventral e realiza flexo e extenso do joelho, onde o programa reconhece marcadores presos ao indivduo como sendo os pontos anatmicos de referncia, detecta seu posicionamento, traa os eixos da perna e coxa e realiza o clculo da velocidade angular, acelerao angular e amplitude do arco articular do joelho. O custo do sistema proposto bastante baixo, pois utiliza um computador simples, uma webcam comum e uma biblioteca de deteco de marcadores gratuita. A deteco dos marcadores foi feita utilizando a biblioteca de cdigo aberto ARToolKitPlus. Uma anlise por fotogrametria dos resultados obtidos pelo ARPhysio foi realizada utilizando-se programas de livre acesso pela Internet e os resultados foram considerados consistentes. A aplicao mostrou ser bastante interessante no que diz respeito ao baixo custo e ao alto valor agregado, visto que utiliza infra-estrutura acessvel e prov informaes em tempo real que facilitam o trabalho do profissional que realiza anlise de movimento. Unitermos: anlise do movimento, ARToolKitPlus, rastreamento ptico, Realidade Aumentada. </p> <p>Abstract: This paper proposes a tool to human movement analysis based on Augmented Reality (AR) technology. AR refers to application of virtual elements in a real environment in real time. Movement analysis is very used to rehabilitation of diseases that harm locomotion, like ligament injuries, cerebral vascular accident and Parkinsons disease. The proposed tool, denominated ARPhysio, allows data analysis in real time using accessible low cost technology. An application that analyses the knee movement was implemented. This application superimposes information related to the movement made to the person image. Person assumes ventral decubitus position and makes knee flexion and extension, where a camera recognizes markers attached to the person as reference anatomic points, detects its position, traces leg and thigh axles and makes knee angular velocity, angular acceleration and amplitude arch calculations. System cost is very low because it uses a simple computer, a common webcam and a free markers detection library. Markers detection was made by the open source library ARToolKitPlus. A photogrammetry analysis of the results obtained by ARPhysio was made using Internet freeware and the results were considered consistent. The application seems to be very interesting concerning low cost and high value, since uses accessible infrastructure and returns real time information that makes movement analysis professional work easier. Keywords: movement analysis, ARToolKitPlus, optical tracking, Augmented Reality. 1 Trabalho de Concluso do Curso de Fisioterapia da Universidade Federal de Pernambuco UFPE. 2 Acadmica do 10 perodo do Curso de Graduao em Fisioterapia da UFPE. 3 Orientador Prof Associado do Departamento de Fisioterapia da UFPE. 4 Co-orientadora Pesquisadora do Grupo de Pesquisa em Realidade Virtual e Multimdia GRVM. </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 2 </p> <p>INTRODUO </p> <p>A rea do conhecimento que trata da anlise e estudo do movimento dos </p> <p>seres vivos chamada de cinesiologia (ADRIAN, M. J.; COOPER, J. M., 1995). A </p> <p>anlise do movimento humano bastante empregada em casos de reabilitao de </p> <p>enfermidades que prejudicam a locomoo, como as rupturas ligamentares, o </p> <p>acidente vascular cerebral (AVC) e a doena de Parkinson (RIESS, T. J., 1998; </p> <p>WEGHORST, S. 2001; WEGHORST, S. 1997). </p> <p>O tipo de anlise possvel, bem como sua natureza e a magnitude dos </p> <p>dados so limitados pela ferramenta escolhida. Muitas so as ferramentas </p> <p>disponveis para o estudo do movimento, tais como sensores magnticos e </p> <p>exoesqueletos mecnicos. Entretanto, os sistemas pticos tm sido os mais </p> <p>utilizados, por apresentar maior preciso, menor suscetibilidade a interferncias e </p> <p>a possibilidade de sincronizar a imagem do indivduo com grficos adicionais em </p> <p>uma tela (ADRIAN, M. J.; COOPER, J. M., 1995). Alm disso, possvel fazer a </p> <p>transmisso direta e imediata da imagem para um computador, de modo que o </p> <p>sistema capaz de fornecer retro-alimentao em tempo real para quem executa </p> <p>o movimento e para quem o analisa. </p> <p>Existe uma gama de sistemas pticos disponveis comercialmente, </p> <p>utilizando cmeras de alta resoluo e elevada taxa de quadros (VICON, 2007). </p> <p>As cmeras reconhecem marcadores luminosos posicionados sobre o corpo do </p> <p>indivduo, que so eletronicamente identificados e localizados no espao. Tais </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 3 </p> <p>sistemas fornecem informaes precisas sobre o movimento realizado, contudo </p> <p>seu custo bastante elevado. </p> <p>Devido a isso, vrios esforos tm sido realizados para criar sistemas </p> <p>pticos que possuam uma preciso aceitvel e que sejam mais baratos. Recursos </p> <p>de diferentes naturezas so utilizados, como mltiplas cmeras de resoluo </p> <p>moderada (CAI, Q.; AGGARWAL, J. K., 1999), sistemas distribudos </p> <p>(DOCKSTADER, S. L.; TEKALP, A. M., 2001), marcadores fiduciais mais simples </p> <p>(SEMENTILLE, A. C.; ESCARAMUZI Jr., L.; BREGA, J. R. F.; RODELLO, I., </p> <p>2004), tcnicas de reconstruo tridimensional (3D) (MARZANI F.; CALAIS, E.; </p> <p>LEGRAND, L., 2001) e mtodos estatsticos (HOWE, N.; LEVENTON, M.; </p> <p>FREEMAN, W., 2000). Embora o custo desses sistemas seja bem menor quando </p> <p>comparado com as solues comerciais, muitas vezes ainda alto para os </p> <p>profissionais da rea de estudo do movimento. </p> <p>Deve-se levar em conta tambm a relao entre o custo da soluo e a </p> <p>preciso dos dados fornecidos. Muitos sistemas conseguem atender o requisito do </p> <p>preo final do produto sacrificando a acurcia do rastreamento do movimento, o </p> <p>que um fator indesejado. </p> <p>Outra caracterstica de tais sistemas que nem sempre os resultados so </p> <p>apresentados em tempo real, pois necessita de um processamento mais </p> <p>prolongado do vdeo capturado. Com isso, o profissional que estuda o movimento </p> <p> impedido de acompanhar a atividade do indivduo enquanto a mesma est </p> <p>sendo realizada. </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 4 </p> <p>Nesse contexto surgiu recentemente a rea de pesquisa conhecida como </p> <p>Realidade Aumentada (RA). A RA est diretamente vinculada ao conceito de </p> <p>Realidade Misturada, que diz respeito coexistncia de elementos reais, </p> <p>pertencentes ao mundo, e sintticos, criados por computador, num mesmo meio. </p> <p>Dependendo da maneira com que tal combinao ocorre, em especial o grau de </p> <p>realidade e virtualidade presentes, as aplicaes so classificadas em diferentes </p> <p>subreas, entre elas a Realidade Virtual (RV), a RA e a Virtualidade Aumentada </p> <p>(VA). Enquanto que em RV existe uma predominncia dos objetos virtuais, onde </p> <p>todo um mundo modelado em computador, com nenhum elemento real presente, </p> <p>em VA essa predominncia tambm existe, porm com poucos elementos reais. </p> <p>Em RA o que se tem o prprio mundo real mesclado com alguns artefatos </p> <p>sintticos, adicionados em tempo real, de forma que os mesmos paream fazer </p> <p>parte do meio ao qual so introduzidos (AZUMA, R. T. A., 1997). </p> <p>Para que os objetos virtuais sejam posicionados corretamente em relao </p> <p>ao ambiente real, torna-se necessrio o uso de sensores que percebem as </p> <p>caractersticas do mundo e, com base nesses dados, o sistema determina quando </p> <p>e como a cena deve ser apresentada. So utilizados para tais fins sensores de </p> <p>temperatura e de movimento, ultra-som, entre outros (ADRIAN, M. J.; COOPER, J. </p> <p>M., 1995). </p> <p>A rea de RA vem crescendo vertiginosamente nos ltimos anos, tendo </p> <p>suas tcnicas aprimoradas e participando de vrias maneiras no cotidiano </p> <p>humano, como em sistemas de suporte medicina e em jogos de computadores </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 5 </p> <p>(AZUMA, R. T. A., 1997). Um dos desafios atuais dos profissionais deste ramo </p> <p>encontrar novas aplicaes para a tecnologia desenvolvida at ento. </p> <p>A aplicao proposta, denominada ARPhysio, utiliza um sistema de RA </p> <p>aplicado na rea de estudo do movimento, verificando informaes como </p> <p>velocidade angular, acelerao angular e amplitude do movimento articular, </p> <p>gerando informaes que possibilitam avaliar a evoluo de um caso clnico. </p> <p>O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema que detecte de forma </p> <p>automtica, a partir simplesmente de imagens fornecidas por uma webcam </p> <p>(cmera de vdeo), o movimento realizado pelo indivduo. Os dados obtidos pelo </p> <p>sistema e mostrados em tempo real permitiro que o movimento seja corrigido </p> <p>durante sua execuo. Para facilitar a apresentao das informaes, as mesmas </p> <p>sero exibidas sobrepostas imagem do indivduo. Desta forma, utilizando uma </p> <p>infra-estrutura de baixo custo, composta unicamente pela webcam e por </p> <p>marcadores fiduciais de papel, o profissional especializado poder dispor de uma </p> <p>aplicao que apresente os dados necessrios para uma avaliao precisa no </p> <p>momento em que o indivduo realiza o movimento, provendo maior interatividade </p> <p>ao processo de avaliao. </p> <p>A fim de testar as funcionalidades do ARPhysio, foi implementada uma </p> <p>aplicao para mostrar dados referentes aos movimentos da articulao do joelho. </p> <p>A articulao do joelho do tipo gnglimo ou dobradia modificada, formada </p> <p>pela articulao dos cndilos do fmur com os cndilos da tbia e pela patela </p> <p>articulando-se com a superfcie patelar do fmur (KENDALL, F. P.; McCREARY, </p> <p>E. K.; PROVANCE, P. G., 1995). Seus movimentos principais so a flexo e a </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 6 </p> <p>extenso (PRENTICE, W. E.; VOIGHT, M. L., 2003), apresentando ainda </p> <p>movimentos de rotao interna e rotao externa, que somente so possveis </p> <p>quando o joelho est fletido (KAPANDJI, I. A., 1980). A flexo refere-se ao </p> <p>movimento em direo posterior, aproximando as superfcies posteriores da perna </p> <p>e da coxa, enquanto a extenso refere-se ao movimento em direo anterior at </p> <p>uma posio de alinhamento retilneo da coxa e perna (KENDALL, F. P.; </p> <p>McCREARY, E. K.; PROVANCE, P. G., 1995). Os movimentos de flexo e </p> <p>extenso sero estudados neste trabalho, sendo as medidas de amplitude </p> <p>articular do joelho realizadas com o indivduo em decbito ventral (deitado sobre a </p> <p>face anterior do corpo). </p> <p>MATERIAL E MTODOS </p> <p>O programa foi desenvolvido na linguagem de programao C++ (ECKEL, </p> <p>B.; ALLISON, C., 2000), podendo ser utilizado em qualquer computador com </p> <p>configurao na mdia do mercado. O sistema operacional utilizado foi o Windows </p> <p>XP (MICROSOFT, 2007). </p> <p>A webcam usada no desenvolvimento da aplicao foi uma Microsoft </p> <p>LifeCam VX-6000, que possui uma resoluo mxima de 1280 x 1024 pixels e </p> <p>taxa de 30 quadros por segundo. O computador utilizado possui processador Intel </p> <p>Pentium 4, 2.80GHz, 512 MB de memria RAM, adaptador de vdeo Intel 82865G </p> <p>com 64 MB de memria e resoluo de tela de 1024 x 768 pixels. O ambiente de </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 7 </p> <p>desenvolvimento utilizado foi o Microsoft Visual Studio 2005 Professional Edition </p> <p>(MSDN, 2007). </p> <p>A deteco de marcadores foi realizada utilizando a biblioteca de cdigo </p> <p>aberto ARToolKitPlus (GRAZ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2007), bastante </p> <p>popular nas reas de RA e viso computacional. O ARToolKitPlus utiliza como </p> <p>marcador a imagem de um quadrado de bordas pretas, cujo interior possui uma </p> <p>codificao binria bidimensional (2D) do identificador do marcador. O algoritmo </p> <p>de deteco de marcadores rastreia a imagem capturada pela webcam em busca </p> <p>dos padres, retornando quais foram encontrados e suas respectivas posies na </p> <p>cena. Os marcadores utilizados e seus respectivos pontos anatmicos de </p> <p>referncia so mostrados na Figura 1. </p> <p>Figura 1: Marcadores utilizados na captura de imagem. </p> <p>Os padres escolhidos foram impressos em pedaos de papel A4 de </p> <p>90g/m2, cada marcador com aproximadamente 5 cm de lado e afixados pele do </p> <p>voluntrio utilizando fita adesiva comum atxica. Os pontos anatmicos escolhidos </p> <p>foram o trocnter maior do fmur, cndilo femoral lateral, cabea da fbula e </p> <p>malolo lateral. </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 8 </p> <p>A biblioteca DsVideoLib (SOURCEFORGE.NET, 2007), que integrada </p> <p>com o ARToolKitPlus, foi utilizada para a captura das imagens da cmera. A </p> <p>biblioteca OpenGL (OPENGL, 2007) foi utilizada para realizar a renderizao dos </p> <p>elementos grficos da aplicao, que consiste em gerar as cores relativas aos </p> <p>objetos presentes na cena. Os diferentes componentes do sistema so descritos </p> <p>na Figura 2. </p> <p>Figura 2: Arquitetura do sistema ARPhysio. </p> <p>A captura da imagem do indivduo, com marcadores nos pontos anatmicos </p> <p>escolhidos, foi feita atravs de uma webcam, que enviava o fluxo de vdeo para o </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 9 </p> <p>mdulo de deteco de marcadores. Esse mdulo realiza o processamento da </p> <p>imagem e infere a presena e posio dos marcadores na cena. </p> <p>Com a utilizao dos marcadores e uma biblioteca de RA, tornou-se </p> <p>possvel obter a posio dos pontos de referncia durante a evoluo do </p> <p>movimento. A partir dessas informaes, calcularam-se os dados fsicos </p> <p>referentes s articulaes analisadas. Foram gerados grficos 3D, com nmeros </p> <p>indicando os valores da velocidade angular, da acelerao angular e da amplitude </p> <p>do movimento, sendo estes valores sobrepostos imagem oriunda da cmera. As </p> <p>informaes foram armazenadas em um banco de dados, para posterior consulta. </p> <p>Alm disso, foi possvel utilizar os dados calculados pelo sistema para gerar </p> <p>grficos de comparao entre duas ou mais grandezas. A oscilao do grfico </p> <p>pode ser visualizada no momento em que o indivduo realiza o movimento, e </p> <p>grficos referentes a diferentes dados podem ser gerados simultaneamente. </p> <p>O voluntrio foi colocado em decbito ventral, vestindo roupa de banho e </p> <p>descalo. A webcam foi posicionada de modo a registrar o plano sagital da rea </p> <p>de estudo, ou seja, o membro inferior. </p> <p>Como pode ser visto na Figura 3A, foram afixados marcadores sobre os </p> <p>pontos anatmicos de referncia do membro inferior esquerdo do voluntrio, nas </p> <p>regies da coxa (trocnter maior do fmur e cndilo lateral do fmur) e da perna </p> <p>(cabea da fbula e malolo lateral). Os marcadores foram afixados de modo que o </p> <p>centro do marcador se localizasse sobre o ponto anatmico de referncia, e a </p> <p>partir destes construdos os eixos da coxa e da perna. </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 10 </p> <p>Foi solicitado ao voluntrio que realizasse lentamente movimentos de flexo </p> <p>e extenso do joelho. medida que o indivduo realizava o movimento, a </p> <p>mudana de posio dos marcadores era percebida pela aplicao. A partir </p> <p>desses dados, foram calculados a velocidade angular, a acelerao angular e o </p> <p>ngulo articular do joelho. Os resultados foram desenhados sobre a imagem, </p> <p>como mostra a Figura 3B. </p> <p>Figura 3: A - Disposio dos marcadores no indivduo em decbito ventral. B Tela do ARPhysio durante a flexo do joelho. </p> <p>RESULTADOS E DISCUSSO </p> <p>Os resultados alcanados com o emprego do ARPhysio so mostrados na </p> <p>Figura 4. Os dados de Acelerao Angular, Velocidade Angular e Amplitude do </p> <p>movimento de flexo da articulao do joelho so mostrados em forma de texto </p> <p>sobreposto imagem e os grficos gerados a partir das informaes calculadas </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 11 </p> <p>mostrados paralelamente imagem capturada pela webcam. A posio de </p> <p>colinearidade entre os eixos da coxa e da perna foi considerada como sendo de </p> <p>0, e a partir da a amplitude se refere ao grau de flexo do joelho. </p> <p>Figura 4: Grficos referentes Amplitude, Velocidade Angular e Acelerao Angular do movimento </p> <p>de retorno da flexo para a extenso do joelho. </p> <p>Por ser um sistema de RA, as informaes sobrepostas imagem do </p> <p>indivduo so plotadas em tempo real, o que permite ao profissional interagir com </p> <p>o indivduo alvo, acompanhando o movimento enquanto ele ainda est </p> <p>acontecendo e direcionando adequadamente o mesmo. </p> <p>LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento... </p> <p> 12 </p> <p>O custo do sistema como um todo bastante baixo, principalmente quando </p> <p>comparado com os sistemas pticos de anlise de movimento existentes, visto </p> <p>que a infra-estrutura de hardware necessria se resume a um computador simples </p> <p>com configurao na mdia do mercado e uma webcam comum, alm de que as </p> <p>bibliotecas de RA que utilizam esse tipo de recurso de hardware so na sua </p> <p>grande maioria gratuitas, como a empregada neste trabalho. </p> <p>A aplicao foi testada na articulao do tornozelo (LIMA, J. P. S.; LIMA, A. </p> <p>S. M.; TEICHRIEB, V.; KELNER, J.; MOURA FILHO, A. G., 2006), obtendo-se </p> <p>resultados encorajadores com respeito fidedignidade das medidas. A anlise da </p> <p>imagem esttica (fotogrametria) foi comparada com os sistemas de livre acesso </p> <p>pela Internet Osris (DEPARTEMENT DE RADIOLOGIE ET INFORMATIQUE </p> <p>MEDICALE, 2007), ImageJ (IMAGEJ, 2007) e ImageTool (UTHSCSA, 2007), </p> <p>sendo consistentes as medidas de amplitude articular obtidas com o ARPhysio. </p> <p>A biblioteca de rastreamento de marcadores fiduciais utilizada no estudo </p> <p>piloto desenvolvido, o ARToolKitPlus, possui algumas limitaes para a </p> <p>implementao da aplicao descrita. Uma delas a dificuldade em se detectar </p> <p>marcadores de tamanho reduzido na imagem. Com isso, preciso prestar uma </p> <p>ateno especial distncia dos marcadores em relao cmera, pois quanto </p> <p>mais longe eles estiverem, menores eles iro aparecer na imagem. Na aplicao </p> <p>desenvolvida, necessrio que todo o membro inferior do

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