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LIMA, A.S.M. Aplicao de Realidade Aumentada na Anlise do Movimento...

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APLICAO DE REALIDADE AUMENTADA NA ANLISE DO MOVIMENTO HUMANO: ESTUDO PILOTO1

Alessandra Silva do Monte Lima2; Alberto Galvo de Moura Filho3; Veronica Teichrieb4.

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.

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.

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INTRODUO

A rea do conhecimento que trata da anlise e estudo do movimento dos

seres vivos chamada de cinesiologia (ADRIAN, M. J.; COOPER, J. M., 1995). A

anlise do movimento humano bastante empregada em casos de reabilitao de

enfermidades que prejudicam a locomoo, como as rupturas ligamentares, o

acidente vascular cerebral (AVC) e a doena de Parkinson (RIESS, T. J., 1998;

WEGHORST, S. 2001; WEGHORST, S. 1997).

O tipo de anlise possvel, bem como sua natureza e a magnitude dos

dados so limitados pela ferramenta escolhida. Muitas so as ferramentas

disponveis para o estudo do movimento, tais como sensores magnticos e

exoesqueletos mecnicos. Entretanto, os sistemas pticos tm sido os mais

utilizados, por apresentar maior preciso, menor suscetibilidade a interferncias e

a possibilidade de sincronizar a imagem do indivduo com grficos adicionais em

uma tela (ADRIAN, M. J.; COOPER, J. M., 1995). Alm disso, possvel fazer a

transmisso direta e imediata da imagem para um computador, de modo que o

sistema capaz de fornecer retro-alimentao em tempo real para quem executa

o movimento e para quem o analisa.

Existe uma gama de sistemas pticos disponveis comercialmente,

utilizando cmeras de alta resoluo e elevada taxa de quadros (VICON, 2007).

As cmeras reconhecem marcadores luminosos posicionados sobre o corpo do

indivduo, que so eletronicamente identificados e localizados no espao. Tais

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sistemas fornecem informaes precisas sobre o movimento realizado, contudo

seu custo bastante elevado.

Devido a isso, vrios esforos tm sido realizados para criar sistemas

pticos que possuam uma preciso aceitvel e que sejam mais baratos. Recursos

de diferentes naturezas so utilizados, como mltiplas cmeras de resoluo

moderada (CAI, Q.; AGGARWAL, J. K., 1999), sistemas distribudos

(DOCKSTADER, S. L.; TEKALP, A. M., 2001), marcadores fiduciais mais simples

(SEMENTILLE, A. C.; ESCARAMUZI Jr., L.; BREGA, J. R. F.; RODELLO, I.,

2004), tcnicas de reconstruo tridimensional (3D) (MARZANI F.; CALAIS, E.;

LEGRAND, L., 2001) e mtodos estatsticos (HOWE, N.; LEVENTON, M.;

FREEMAN, W., 2000). Embora o custo desses sistemas seja bem menor quando

comparado com as solues comerciais, muitas vezes ainda alto para os

profissionais da rea de estudo do movimento.

Deve-se levar em conta tambm a relao entre o custo da soluo e a

preciso dos dados fornecidos. Muitos sistemas conseguem atender o requisito do

preo final do produto sacrificando a acurcia do rastreamento do movimento, o

que um fator indesejado.

Outra caracterstica de tais sistemas que nem sempre os resultados so

apresentados em tempo real, pois necessita de um processamento mais

prolongado do vdeo capturado. Com isso, o profissional que estuda o movimento

impedido de acompanhar a atividade do indivduo enquanto a mesma est

sendo realizada.

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Nesse contexto surgiu recentemente a rea de pesquisa conhecida como

Realidade Aumentada (RA). A RA est diretamente vinculada ao conceito de

Realidade Misturada, que diz respeito coexistncia de elementos reais,

pertencentes ao mundo, e sintticos, criados por computador, num mesmo meio.

Dependendo da maneira com que tal combinao ocorre, em especial o grau de

realidade e virtualidade presentes, as aplicaes so classificadas em diferentes

subreas, entre elas a Realidade Virtual (RV), a RA e a Virtualidade Aumentada

(VA). Enquanto que em RV existe uma predominncia dos objetos virtuais, onde

todo um mundo modelado em computador, com nenhum elemento real presente,

em VA essa predominncia tambm existe, porm com poucos elementos reais.

Em RA o que se tem o prprio mundo real mesclado com alguns artefatos

sintticos, adicionados em tempo real, de forma que os mesmos paream fazer

parte do meio ao qual so introduzidos (AZUMA, R. T. A., 1997).

Para que os objetos virtuais sejam posicionados corretamente em relao

ao ambiente real, torna-se necessrio o uso de sensores que percebem as

caractersticas do mundo e, com base nesses dados, o sistema determina quando

e como a cena deve ser apresentada. So utilizados para tais fins sensores de

temperatura e de movimento, ultra-som, entre outros (ADRIAN, M. J.; COOPER, J.

M., 1995).

A rea de RA vem crescendo vertiginosamente nos ltimos anos, tendo

suas tcnicas aprimoradas e participando de vrias maneiras no cotidiano

humano, como em sistemas de suporte medicina e em jogos de computadores

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(AZUMA, R. T. A., 1997). Um dos desafios atuais dos profissionais deste ramo

encontrar novas aplicaes para a tecnologia desenvolvida at ento.

A aplicao proposta, denominada ARPhysio, utiliza um sistema de RA

aplicado na rea de estudo do movimento, verificando informaes como

velocidade angular, acelerao angular e amplitude do movimento articular,

gerando informaes que possibilitam avaliar a evoluo de um caso clnico.

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema que detecte de forma

automtica, a partir simplesmente de imagens fornecidas por uma webcam

(cmera de vdeo), o movimento realizado pelo indivduo. Os dados obtidos pelo

sistema e mostrados em tempo real permitiro que o movimento seja corrigido

durante sua execuo. Para facilitar a apresentao das informaes, as mesmas

sero exibidas sobrepostas imagem do indivduo. Desta forma, utilizando uma

infra-estrutura de baixo custo, composta unicamente pela webcam e por

marcadores fiduciais de papel, o profissional especializado poder dispor de uma

aplicao que apresente os dados necessrios para uma avaliao precisa no

momento em que o indivduo realiza o movimento, provendo maior interatividade

ao processo de avaliao.

A fim de testar as funcionalidades do ARPhysio, foi implementada uma

aplicao para mostrar dados referentes aos movimentos da articulao do joelho.

A articulao do joelho do tipo gnglimo ou dobradia modificada, formada

pela articulao dos cndilos do fmur com os cndilos da tbia e pela patela

articulando-se com a superfcie patelar do fmur (KENDALL, F. P.; McCREARY,

E. K.; PROVANCE, P. G., 1995). Seus movimentos principais so a flexo e a

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extenso (PRENTICE, W. E.; VOIGHT, M. L., 2003), apresentando ainda

movimentos de rotao interna e rotao externa, que somente so possveis

quando o joelho est fletido (KAPANDJI, I. A., 1980). A flexo refere-se ao

movimento em direo posterior, aproximando as superfcies posteriores da perna

e da coxa, enquanto a extenso refere-se ao movimento em direo anterior at

uma posio de alinhamento retilneo da coxa e perna (KENDALL, F. P.;

McCREARY, E. K.; PROVANCE, P. G., 1995). Os movimentos de flexo e

extenso sero estudados neste trabalho, sendo as medidas de amplitude

articular do joelho realizadas com o indivduo em decbito ventral (deitado sobre a

face anterior do corpo).

MATERIAL E MTODOS

O programa foi desenvolvido na linguagem de programao C++ (ECKEL,

B.; ALLISON, C., 2000), podendo ser utilizado em qualquer computador com

configurao na mdia do mercado. O sistema operacional utilizado foi o Windows

XP (MICROSOFT, 2007).

A webcam usada no desenvolvimento da aplicao foi uma Microsoft

LifeCam VX-6000, que possui uma resoluo mxima de 1280 x 1024 pixels e

taxa de 30 quadros por segundo. O computador utilizado possui processador Intel

Pentium 4, 2.80GHz, 512 MB de memria RAM, adaptador de vdeo Intel 82865G

com 64 MB de memria e resoluo de tela de 1024 x 768 pixels. O ambiente de

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desenvolvimento utilizado foi o Microsoft Visual Studio 2005 Professional Edition

(MSDN, 2007).

A deteco de marcadores foi realizada utilizando a biblioteca de cdigo

aberto ARToolKitPlus (GRAZ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2007), bastante

popular nas reas de RA e viso computacional. O ARToolKitPlus utiliza como

marcador a imagem de um quadrado de bordas pretas, cujo interior possui uma

codificao binria bidimensional (2D) do identificador do marcador. O algoritmo

de deteco de marcadores rastreia a imagem capturada pela webcam em busca

dos padres, retornando quais foram encontrados e suas respectivas posies na

cena. Os marcadores utilizados e seus respectivos pontos anatmicos de

referncia so mostrados na Figura 1.

Figura 1: Marcadores utilizados na captura de imagem.

Os padres escolhidos foram impressos em pedaos de papel A4 de

90g/m2, cada marcador com aproximadamente 5 cm de lado e afixados pele do

voluntrio utilizando fita adesiva comum atxica. Os pontos anatmicos escolhidos

foram o trocnter maior do fmur, cndilo femoral lateral, cabea da fbula e

malolo lateral.

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A biblioteca DsVideoLib (SOURCEFORGE.NET, 2007), que integrada

com o ARToolKitPlus, foi utilizada para a captura das imagens da cmera. A

biblioteca OpenGL (OPENGL, 2007) foi utilizada para realizar a renderizao dos

elementos grficos da aplicao, que consiste em gerar as cores relativas aos

objetos presentes na cena. Os diferentes componentes do sistema so descritos

na Figura 2.

Figura 2: Arquitetura do sistema ARPhysio.

A captura da imagem do indivduo, com marcadores nos pontos anatmicos

escolhidos, foi feita atravs de uma webcam, que enviava o fluxo de vdeo para o

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mdulo de deteco de marcadores. Esse mdulo realiza o processamento da

imagem e infere a presena e posio dos marcadores na cena.

Com a utilizao dos marcadores e uma biblioteca de RA, tornou-se

possvel obter a posio dos pontos de referncia durante a evoluo do

movimento. A partir dessas informaes, calcularam-se os dados fsicos

referentes s articulaes analisadas. Foram gerados grficos 3D, com nmeros

indicando os valores da velocidade angular, da acelerao angular e da amplitude

do movimento, sendo estes valores sobrepostos imagem oriunda da cmera. As

informaes foram armazenadas em um banco de dados, para posterior consulta.

Alm disso, foi possvel utilizar os dados calculados pelo sistema para gerar

grficos de comparao entre duas ou mais grandezas. A oscilao do grfico

pode ser visualizada no momento em que o indivduo realiza o movimento, e

grficos referentes a diferentes dados podem ser gerados simultaneamente.

O voluntrio foi colocado em decbito ventral, vestindo roupa de banho e

descalo. A webcam foi posicionada de modo a registrar o plano sagital da rea

de estudo, ou seja, o membro inferior.

Como pode ser visto na Figura 3A, foram afixados marcadores sobre os

pontos anatmicos de referncia do membro inferior esquerdo do voluntrio, nas

regies da coxa (trocnter maior do fmur e cndilo lateral do fmur) e da perna

(cabea da fbula e malolo lateral). Os marcadores foram afixados de modo que o

centro do marcador se localizasse sobre o ponto anatmico de referncia, e a

partir destes construdos os eixos da coxa e da perna.

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Foi solicitado ao voluntrio que realizasse lentamente movimentos de flexo

e extenso do joelho. medida que o indivduo realizava o movimento, a

mudana de posio dos marcadores era percebida pela aplicao. A partir

desses dados, foram calculados a velocidade angular, a acelerao angular e o

ngulo articular do joelho. Os resultados foram desenhados sobre a imagem,

como mostra a Figura 3B.

Figura 3: A - Disposio dos marcadores no indivduo em decbito ventral. B Tela do ARPhysio durante a flexo do joelho.

RESULTADOS E DISCUSSO

Os resultados alcanados com o emprego do ARPhysio so mostrados na

Figura 4. Os dados de Acelerao Angular, Velocidade Angular e Amplitude do

movimento de flexo da articulao do joelho so mostrados em forma de texto

sobreposto imagem e os grficos gerados a partir das informaes calculadas

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mostrados paralelamente imagem capturada pela webcam. A posio de

colinearidade entre os eixos da coxa e da perna foi considerada como sendo de

0, e a partir da a amplitude se refere ao grau de flexo do joelho.

Figura 4: Grficos referentes Amplitude, Velocidade Angular e Acelerao Angular do movimento

de retorno da flexo para a extenso do joelho.

Por ser um sistema de RA, as informaes sobrepostas imagem do

indivduo so plotadas em tempo real, o que permite ao profissional interagir com

o indivduo alvo, acompanhando o movimento enquanto ele ainda est

acontecendo e direcionando adequadamente o mesmo.

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O custo do sistema como um todo bastante baixo, principalmente quando

comparado com os sistemas pticos de anlise de movimento existentes, visto

que a infra-estrutura de hardware necessria se resume a um computador simples

com configurao na mdia do mercado e uma webcam comum, alm de que as

bibliotecas de RA que utilizam esse tipo de recurso de hardware so na sua

grande maioria gratuitas, como a empregada neste trabalho.

A aplicao foi testada na articulao do tornozelo (LIMA, J. P. S.; LIMA, A.

S. M.; TEICHRIEB, V.; KELNER, J.; MOURA FILHO, A. G., 2006), obtendo-se

resultados encorajadores com respeito fidedignidade das medidas. A anlise da

imagem esttica (fotogrametria) foi comparada com os sistemas de livre acesso

pela Internet Osris (DEPARTEMENT DE RADIOLOGIE ET INFORMATIQUE

MEDICALE, 2007), ImageJ (IMAGEJ, 2007) e ImageTool (UTHSCSA, 2007),

sendo consistentes as medidas de amplitude articular obtidas com o ARPhysio.

A biblioteca de rastreamento de marcadores fiduciais utilizada no estudo

piloto desenvolvido, o ARToolKitPlus, possui algumas limitaes para a

implementao da aplicao descrita. Uma delas a dificuldade em se detectar

marcadores de tamanho reduzido na imagem. Com isso, preciso prestar uma

ateno especial distncia dos marcadores em relao cmera, pois quanto

mais longe eles estiverem, menores eles iro aparecer na imagem. Na aplicao

desenvolvida, necessrio que todo o membro inferior do voluntrio esteja no

campo de viso da cmera, requerendo-se que esta esteja ento a uma distncia

considervel do indivduo, e conseqentemente dos marcadores. Tal fato implicou

na utilizao de marcadores relativamente grandes, de aproximadamente 5 cm de

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lado, o que uma caracterstica indesejvel, visto que introduz erro na estimativa

de posio do ponto anatmico de referncia, que acaba sendo menor que o

marcador. A fim de minimizar esse problema, convencionou-se aplicar o centro do

marcador exatamente sobre o ponto anatmico de referncia, solicitando-se ao

programa que fizesse essa interpretao. Alm disso, o tamanho dificulta a

colocao dos marcadores sobre o corpo do indivduo.

A movimentao dos marcadores tambm um fator complicador no

rastreamento dos mesmos. Como foi utilizada na aplicao uma cmera com taxa

de quadros moderada, quando o marcador movimentado rapidamente observa-

se o efeito de motion blur, que consiste num embaamento da imagem. Este efeito

faz com que o marcador no seja detectado pelo ARToolKitPlus.

CONSIDERAES FINAIS

O sistema ARPhysio utiliza a tecnologia de RA para auxiliar a anlise do

movimento humano. A aplicao mostrou ser bastante interessante no que diz

respeito ao baixo custo e ao alto valor agregado, visto que utiliza uma infra-

estrutura acessvel e prov informaes que facilitam o trabalho do profissional

que utiliza anlise de movimento.

Como trabalho futuro, pretende-se superar as dificuldades apresentadas.

Os recursos grficos da aplicao sero aprimorados, assim como sero

implementadas novas funcionalidades, alm da possibilidade de adicionar em

tempo real os registros de outras variveis fisiolgicas.

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A aplicao ser testada em outras articulaes corporais. Quando o uso

de marcadores planos dificultado devido a caractersticas anatmicas

especficas, por exemplo, ao se filmar o plano sagital de um indivduo a fim de

analisar a flexo da coluna vertebral, ser necessrio o uso de outra tcnica de

interao, como marcadores montados em forma de cubos (ZHOU, Y. Z.; CHEOK,

D. A.; LI, Y.; KATO, H., 2005). Alm disso, o uso de marcadores em cubos

possibilita a utilizao de duas cmeras simultaneamente, agregando informaes

de dois planos e possibilitando uma anlise mais enriquecida de dados.

Finalmente, ser feita uma avaliao mais detalhada da preciso do

sistema, assim como a realizao de testes com um nmero maior de usurios,

para validar a aplicao.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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