5 diopser system do analizy chodu oparty na wideogrametrii g

Diopser – system do analizy chodu oparty na wideogrametrii

Diopser – system for gait analysis based on videogrammetry

Piotr K. Olszewski*, Robert Gajewski, Ireneusz J. Tarnawski, Przemysław Pleciak

Instytut Przemysłu Skórzanego, Oddział w Krakowie, ul. Zakopiańska 9, 30-418 Kraków, *e-mail:polszewski@ips.krakow.pl

Streszczenie

Badania biomechaniki chodu są cennym narzędziem przy projektowaniu i testowaniu obuwia oraz zaopatrzenia ortopedycznego. Zbudowany w IPS Oddział Kraków system do analizy chodu pozwala na wideogrametryczne określenie ruchu kończyn i ciała człowieka w trójwymiarowej przestrzeni. W skład systemu wchodzi bieżnia, układ dwóch kamer w ustalonej odległości, zestaw pasywnych markerów oraz laptop z opracowanym w Instytucie programem Diopser. Program pozwala na wyznaczanie parametrów geometrycznych pomiędzy zdefiniowanymi przez użytkownika punktami. Możliwe jest śledzenie do 20 markerów umieszczonych na osobie lub przedmiocie oraz obliczanie długości i kątów dowolnych układów geometrycznych. Danymi wejściowymi jest zestaw dwóch zsynchronizowanych czasowo nagrań, rezultatem działania programu jest plik arkusza kalkulacyjnego zawierający wybrane miary. Istotnymi czynnikami wpływającymi na poprawność wyznaczenia położeń markerów są rozdzielczość i prędkość nagrania, barwa markerów oraz oświetlenie obiektu. Artykuł prezentuje możliwości systemu Diopser, sposób przeprowadzania pomiarów, interpretację wyników uzyskanych dla testowych nagrań oraz wskazuje obszary potencjalnych zastosowań.

Summary

The study of biomechanics of gait is a valuable tool for designing and testing of footwear and orthopedic devices. Built in IPS Krakow Branch system for gait analysis allows to determine via videogrammetry the movements of the limbs and the human body in three-dimensional space. The system includes treadmill, a set of two cameras at a predetermined distance, a set of passive markers and a laptop with Diopser program developed in the Institute. The program allows the determination of geometrical parameters between user-defined points. It is possible to track up to 20 markers placed on a person or object and calculate the length and angles of any geometries. The input is a set of two time-synchronized recordings, the output of the program is a spreadsheet file containing the selected measurements. Important factors that affect the correct designation of markers’ positions are resolution and recording, markers’ color and object’s illumination. The paper presents the capabilities of Diopser system, the way the measurements are made, interpretation of results obtained for test recordings and identifies areas of potential applications of the system.

Słowa kluczowe: biomechanika, analiza chodu, wideogrametria. Key words: biomechanics, gait analysis, videogrammetry.

1. Wstęp

Badania biomechaniki chodu pozwalają na poznanie kinematyki narządów ruchu i generalnie całego ciała. Dotyczy to zarówno biomechaniki zdrowych osób jak i też cierpiących na różnego rodzaju patologie. Wynika to z faktu, że system umożliwia badania wzajemnej orientacji względem siebie kończyn a dane o tym jak wygląda „prawidłowa” biomechanika są znane [1]. Określone są takie parametry jak czas trwania poszczególnych faz chodu, zakres ruchomości poszczególnych stawów. Stwierdzenie odstępstw pozwala lepiej poznać konsekwencje danego schorzenia. Przykładem takim jest praca Astephen i innych [2], którzy badali zmiany w lokomocji wynikające z postępu choroby zwyrodnieniowej

stawów. Przedstawione wnioski nie tylko służą określeniu wpływu choroby na lokomocję, ale również pozwalają wykorzystać stanowiska do badania biomechaniki chodu jako narzędzia diagnostycznego w ocenie stopnia zawansowania danego schorzenia. System może też pomagać w monitorowaniu procesu leczenia schorzeń narządu ruchu. Nie ma tutaj ograniczeń, czy jest to terapia oparta na rehabilitacji czy zabiegach chirurgicznych, co też w okresie rekonwalescencji wymaga stosowania procedur rehabilitacyjnych. Badania biomechaniczne mogą być tutaj szczególnie przydatne w celu zweryfikowania efektów rehabilitacji i ogólnie mówiąc zastosowanych zabiegów ułatwiających leczenie, a jednocześnie, w bardziej ogólnym ujęciu możliwe jestobiektywne

porównanie wyników różnych metod rehabilitacji/zabiegów chirurgicznych w celu wyboru najbardziej optymalnej. Przykładem tego jest praca Petersena i innych [3], którzy analizowali efekty kliniczne zastosowania dwóch metod leczenia degeneracji stawu biodrowego: całkowitej endoprotezy oraz mniej inwazyjnej kapoplastyki. W tym przypadku stwierdzono, że efekty zastosowania obydwu metod, pomimo że jedna jest bardziej „drastyczna” były podobne, co oznacza, iż stosowanie „oszczędniejszych” i bardziej przyjaznych dla pacjentów metod jest w pełni uzasadnione.

Odnośnie badań efektywności wkładek ortopedycznych, prace badawcze z użyciem systemu 3D pozwalają zweryfikować w sposób obiektywny wpływ wkładek/elementów na sposób lokomocji, a tym samym określić zasadność ich stosowania. Niemniej istotną zaletą jest możliwość określenia optymalnej wielkości i parametrów różnych elementów stosowanych w produkcji wkładek, tak, aby osiągnąć pożądany efekt bez ryzyka przekorygowania. Przykładem takich elementów, w stosunku do których stosowania istnieją kontrowersje są elementy supinujące. Stosuje się je zazwyczaj w przypadku nadmiernej pronacji/koślawienia pięty. Sprawą dyskusyjną jest sposób projektowania tych elementów a szczególnie dostosowanie kształtu elementów (długości i wysokości) tak, aby uzyskać zamierzony efekt. Nie bez znaczenia jest fakt, że proces „przymierzania” elementów supinujących jest z reguły wykonywany w warunkach statycznych, co nie odzwierciedla cyklicznych zmian w ustawieniu pięty obserwowanych w warunkach dynamicznych [4]. Przykładem badań, w których analizowano efektywność wkładek ortopedycznych, było badanie wpływu na kąt ustawienia pięty elementów supinujących różniących się wysokością opisanych w pracy [5]. W wyniku prowadzonych eksperymentów, w trakcie których pacjenci mieli aplikowane elementy supinujące o różnej wysokości, uzyskano wiedzę, że jakkolwiek istnieje korelacja pomiędzy parametrami elementów a efektem w postaci ustawienia piety, to nie ma prostej matematycznej zależności pomiędzy wysokością elementów supinujących a ich wpływem na kąt ustawienia pięty. Konieczne jest uwzględnienie również wpływu obuwia (twardość w rejonie pięty, dopasowanie cholewki w pięcie) oraz indywidualnymi cechami pacjenta (sprawność aparatu mięśniowego). Różne metody analizy biomechaniki są już od dawna stosowane w sporcie, gdzie dawno dostrzeżono, że przy tym samym nakładzie energii można osiągnąć różne efekty zmieniając np. kąt wybicia (skoczkowie narciarscy, lekkoatleci), ułożenie kończyn górnych przy rzutach oszczepem czy też młotem. Przykładem takich prac jest publikacja Sibella i innych, którzy analizowali

efektywność różnych strategii stosowanych przez wspinaczy skałkowych [6].

Badania biomechaniki 3D mogą też być stosowane również przy projektowaniu urządzeń powszechnego użytku. Takie wyroby jak plecak, urządzenia sportowe, mogą być sprawdzane pod kątem ich ergonomii. Systemy te są obecnie często stosowane przy ocenie wpływu obuwia na lokomocję. Pomijając badania obuwia ortopedycznego i sportowego, szczególnie interesujące są badania wpływu wysokich obcasów na posturę i tym samym komfort i zdrowie użytkowników [7].

Przy takim podejściu, system ten nie tylko może poprawiać komfort użytkowy, ale może też służyć zwiększeniu bezpieczeństwa. Analiza biomechaniki chodu osób w różnych typach obuwia może pomóc zidentyfikować modele obuwia zapewniającego optymalną ochronę przed upadkiem oraz poślizgiem, co ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku osób starszych i mających upośledzony zmysł równowagi. Ogólnie rzecz biorąc, stanowisko do badania biomechaniki w 3D daje ogromne możliwości poznawcze i badawcze. Od zastosowań stricte naukowych, aż po praktyczne zastosowanie w życiu powszechnym.

W badaniach biomechanicznych zamiast analizy obrazu całego badanego obiektu stosuje się najczęściej analizę położenia wybranych punktów (markerów) na jego powierzchni. Wyszukiwanie położeń markerów w trójwymiarowej przestrzeni odbywa się na podstawie analizy zestawu co najmniej dwóch nagrań wideo, zawierających widoki na fragment przestrzeni z różnych punktów widzenia, analogicznie do sposobu działania ludzkiego wzroku.

W badaniach biomechaniki są stosowane systemy o różnym stopniu zaawansowania. Najprostsze rozwiązania składają się z układu dwóch kamer rejestrujących obraz oraz oprogramowania z dwupłaszczyznową analizą zmian odległości i wysokości (np. Noraxon MyoVideo). Najbardziej skomplikowane systemy składają się 6-12 szybkich kamer sprzężonych z platformą odczytującą naciski na podeszwowej stronie stopy (np. OptiTrack, Novell) lub z ruchomą bieżnią wyposażoną w czujniki nacisku. Koszt systemów dostępnych na rynku waha się od 30.000 zł do 3.000.000 zł. Na rynku są również dostępne systemy analizujące całą postać, np. Simi Shape 3D (Simi Reality Motion Systems GmbH). Oddzielną kategorią są systemy z markerami transmitującymi bezpośrednio dane o swym położeniu (np. Motus). Profesjonalne oprogramowanie np. Visual3D (C-Motion) jest dostępne w cenie 11.000 USD (roczna licencja).

W Zakładzie Zaawansowanych Technologii IPS Oddział w Krakowie w ciągu ostatnich dwóch lat prowadzone były prace nad budową własnego systemu

do analizy chodu. Założeniem podjętych działań było stworzenie taniej alternatywy dla systemów komercyjnych, która pozwoliłaby na wykonywanie badań z zakresu tematyki leżącej w sferze zainteresowań projektantów obuwia, podologów i ortopedów. Niniejsza publikacja prezentuje możliwości stworzonego systemu Diopser, sposób przeprowadzania pomiarów, interpretację wyników uzyskanych dla testowych nagrań oraz wskazuje obszary potencjalnych zastosowań.

2. Część doświadczalna – budowa i działanie systemu analizy chodu

2.1. Laboratorium biomechaniki

Laboratorium biomechaniki znajduje się w zaadaptowanym pomieszczeniu o wymiarach 11 x 4 metry a głównymi elementami systemu są (Rysunek 1): bieżnia o długości 7,5 m i szerokości 1,25 m (z możliwością przedłużenia do 11 m):

− układ kamer (L i P) na statywach − parawan dający jednolite czarne tło

− oświetlenie górne i boczne o całkowitej mocy 2.100 W i strumieniu 55.000 lm

− zestaw kolorowych pasywnych markerów − laptop z oprogramowaniem

Rysunek 1. Stanowisko do badań biomechaniki chodu.

Tabela 1. Długość dostępnego obszaru pomiarowego na bieżni w zależności od odległości między kamerami i ich odległości od bieżni.

Odległość między kamerami L [cm] Odległość od osi bieżni d [cm]

200 240 260

150 225 300 350

283 290 360 420

Zastosowane kamery to w istocie aparaty DSC-WX350 firmy Sony pozwalające na nagrywanie filmów o jakości HD z rozdzielczością 1440 x 1080 px przy prędkości 25 kl/s. Statywy są połączone teleskopowo ze

sobą, co zapewnia kontrolowaną odległość L pomiędzy kamerami. Kamery są zamontowane w specjalnie zaprojektowanych gniazdach umożliwiających łatwy montaż i demontaż, przy czym ustawienia osi kamer

względem siebie są predefiniowane poprzez ustalony kąt α (por. Rysunek. 3). Obszar obejmowany przez dwie kamery zależy od odległości między nimi i odległości d od toru, po którym porusza się badany obiekt (osi bieżni) i wynosi od 2,25 do 4,20 metra. W systemie Diopser stosowane są markery pasywne w postaci różnokolorowych styropianowych kulek, które, za pomocą samoprzylepnej taśmy, są w łatwy sposób przymocowywane do powierzchni ciała lub butów/odzieży. Ilość i rozmieszczenie markerów jest zależne od rodzaju i celu eksperymentu.

Kluczowym elementem oprogramowania jest przygotowany specjalnie dla potrzeb laboratorium program Diopser; jest on opisany w dalszej części artykułu.

2.2. Akwizycja i obróbka danych

Pomiary biomechaniczne wymagają wykonania działań zgodnie ze schematem postępowania obejmującym następujące kroki (Rysunek 2):

A. Kalibracja systemu kamer w programie Diopser na podstawie nagrań z wzorcem kalibracyjnym B. Pomiar właściwy obejmujący montaż

markerów i wykonanie nagrań

C. Analiza położeń markerów w programie Diopser

D. Dalsza analiza wyników

Kalibracja systemu ma na celu powiązanie parametrów świata 2D widzianego obiektywem kamer ze światem realnym 3D oraz uwolnienie się od zniekształceń wprowadzanych przez układ optyczny kamer (radialnych wynikających z kształtu soczewki i stycznych wynikających z krzywego jej montażu w kamerze). Do kalibracji systemu stosuje się wzorzec w postaci szachownicy o zadanej ilości kolumn i rzędów (standardowo 10 i 7) i długości krawędzi pola szachownicy (standardowo 5,00 cm). Kalibrację wykonuje się jednokrotnie dla danego ustawienia kamer względem siebie (L, α) poddając analizie kilkuminutowe nagrania z dwu kamer zawierające obraz szachownicy w różnych pozycjach pola widzenia obu kamer. Należy pamiętać, że najdrobniejsza zmiana ustawienia kamer względem siebie wymusza przeprowadzenie ponownej kalibracji. Nagrania kalibracyjne są przetwarzane w programie Diopser. Przed wykonaniem właściwego pomiaru należy zadbać o to, by w polu widzenia kamer nie znajdowały się zbędne przedmioty niebędące celem obserwacji —

barwne refleksy światła na ich powierzchniach mogą spowodować pomyłkę podczas wyszukiwania markerów. Tło obserwacji i ubranie osoby obserwowanej powinny być jednorodne, niekolorowe (np. szare, czarne).

Do badanego obiektu przymocowuje się wymaganą liczbę markerów w odpowiednio dobranych punktach. Korzystne jest użycie markerów o intensywnych barwach. Istotne dla jakości nagrania jest oświetlenie, które powinno być intensywne ale rozproszone. Podczas nagrania należy zadbać, by obiekt nie opuszczał pola widzenia żadnej z kamer. Należy unikać zasłaniania markerów podczas ruchu.

Nagrania prowadzi się jednocześnie przy użyciu obu kamer (L i P). Materiał filmowy do analizy obrazu (w formacie np. MPEG4) musi zostać zsynchronizowany w czasie. Używa się do tego celu dowolnego programu do obróbki wideo.

Obraz obiektu uzyskany w nagraniach jest analizowany w programie Diopser. Markery widziane przez kamery L i P są identyfikowane przez użytkownika i łączone w pary. Następnie definiowane są wybrane miary: odległości pomiędzy dowolnymi markerami oraz dowolne kąty pomiędzy nimi. Dalsza analiza obrazu odbywa się automatycznie zaś jej wynikiem jest plik z zapisanymi współrzędnymi rzeczywistymi każdego z markerów oraz zdefiniowane odległości i kąty, według potrzeb użytkownika. Plik jest zapisany w formacie CSV, użytkownik może go otworzyć w dowolnym arkuszu kalkulacyjnym i za jego pomocą sporządzać interesujące go statystyki i wykresy.

2.3. Program Diopser

Program Diopser bazuje na wideogrametrii i służy do wyznaczania parametrów geometrycznych pomiędzy zdefiniowanymi przez użytkownika punktami na podstawie zestawu nagrań z dwóch kamer obserwujących przestrzeń pod różnymi kątami (Rysunek 3). Pozwala na śledzenie markerów umieszczonych na osobie lub przedmiocie i obliczanie długości i kątów dowolnych układów geometrycznych. Danymi wejściowymi jest zestaw dwóch nagrań złożonych w układ stereowizyjny, rezultatem działania programu jest plik arkusza kalkulacyjnego zawierający wybrane miary.

Rysunek 2. Schemat blokowy systemu do analizy chodu. Kolorem żółtym zaznaczono etapy wykonywane w programie Diopser.

Rysunek 3. Schemat układu stereowizyjnego. Kamery wyznaczają i leżą na osi x, oś y oznacza wysokość, oś z głębię.

Budowa programu

Oprogramowanie zostało napisane w języku programowania C++14 pozwalającym na tworzenie aplikacji o swobodnej architekturze z zachowaniem najwyższej wydajności, co ma szczególne znaczenie w programach przetwarzających obrazy cyfrowe. Przetwarzanie obrazów powierzono bibliotece OpenCV (Open source Computer Vision, [8]). Interfejs graficzny aplikacji zbudowano w oparciu o środowisko Qt [9]. Program podzielono na dwie zasadnicze części. Pierwszą z nich stanowi interfejs graficzny, za pomocą którego odbywa się interakcja pomiędzy programem a użytkownikiem poprzez wskazywanie plików wejściowych i wyjściowych oraz określanie celu prowadzonej analizy; program prezentuje dane wyjściowe oraz komunikaty informacyjne czy ostrzegawcze. Drugim elementem jest moduł zarządzający wskazanymi zasobami i prowadzący przetwarzanie obrazów. Obie części są odseparowane od siebie i połączone mostem pośredniczym w przesyłaniu komunikatów pomiędzy nimi. Dzięki temu osiągnięto modularność kodu, co pozwala na łatwą konserwację, modernizację i wymianę elementów na inne (np. interfejs graficzny wykonany w innym środowisku, inne rodzaje wykrywacza markerów, itp.). Działanie programu

Do podstawowych funkcji programu należą: − Kalibracja układu optycznego

− Identyfikacja markerów na kolejnych klatkach − Wyznaczanie rzeczywistych położeń markerów − Obliczanie zdefiniowanych miar

Kalibracja układu polega na analizie nagrań zawierających obraz wzorca kalibracyjnego w postaci

standardowej szachownicy o parametrach podanych przez użytkownika. Miejsca połączeń sąsiednich pól szachownicy ustawionej w różnych pozycjach i położeniach są doświadczalnymi informacjami o świecie obserwowanym, które program wykorzystuje do stworzenia macierzy parametrów kamer (ogniskowa, punkt główny), zniekształceń optycznych oraz całego układu stereowizyjnego (macierze translacji T pomiędzy kamerami, rotacji R kamer wobec centrum pola obserwacji, perspektywy Q, fundamentalna F, zasadnicza E). W rezultacie otrzymuje się dokładne przekształcenie pomiędzy danymi obserwowanymi a oczekiwanymi, aby później, na podstawie obserwacji. wiarygodnie rekonstruować dane rzeczywiste. Poza wygenerowanym plikiem kalibracyjnym użytkownik otrzymuje analizę błędów reprojekcji sporządzonych modeli parametry dokładności (L/P/3D) oraz graficzną reprezentację błędów reprojekcji i pokrycia wzorcem kalibracyjnym obszaru kadru.

Śledzenie położeń markerów odbywa się z wykorzystaniem metod przetwarzania obrazów cyfrowych. Każdy marker jest zapisany jako model kolorystyczny i kinematyczny. Model kolorystyczny jest sporządzony jako znormalizowany dwuwymiarowy histogram kolorów obrazu markera. Barwy przedstawiono w przestrzeni CIELab, gdzie składowymi są: L — jasność, a — kolor od zielonego do magenty, b — kolor od niebieskiego do żółtego. Ignorując składową jasności uzyskano wysoką odporność na zmiany warunków oświetlenia Obraz markera jest zaznaczany prostokątnie przez użytkownika, po czym poddawany segmentacji za pomocą metody GrabCut, aby wyodrębnić jedynie właściwy obszar (Rysunek 4). Model kinematyczny jest zapisem aktualnych wektorów prędkości

i przyspieszenia. Obydwa modele są stale aktualizowane na podstawie nowych rezultatów funkcji śledzącej.

Rysunek 4. Zaznaczenie pomarańczowego markera i wizualizacja histogramu koloru. Jasność

odpowiada wysokości słupka.

Śledzenie pozycji markera (każdego z osobna) rozpoczyna się od znalezienia obszaru poszukiwań — analizowany jest jedynie fragment całej klatki, co znacząco przyspiesza działanie programu, a także redukuje szansę pomyłki podczas śledzenia kilku podobnie wyglądających markerów. Jako obszar poszukiwań przyjmuje się okno, zawierające okolicę poprzednio znalezionej pozycji markera, a także pozycji, którą wydedukowano na podstawie parametrów ruchu markera. Estymację aktualnej pozycji powierzono filtrowi Kalmana. Dla tak wyznaczonego okna wykonuje się projekcję wsteczną modelu koloru Uzyskany obraz podobieństwa podaje się algorytmowi CAMShift, który odnajduje środek ciężkości najbardziej podobnego i najbliższego przewidywanej pozycji markera obszaru obrazu (Rysunek 5). Po znalezieniu centrum markera, obraz markera zostaje zaznaczany elipsą bądź wskazaną przez CAMShift (metoda szybsza) lub uzyskaną metodą segmentacji GrabCut (metoda dokładniejsza). Po korekcie środka ciężkości markera następuje aktualizacja histogramu oraz aktualizacja parametrów kinematycznych. Pozycje markera na dwóch obrazach

(widok z lewej i prawej strony) oraz macierze kalibracji są podstawą do triangulacji i przeliczenia jednostek, w celu uzyskania współrzędnych rzeczywistych.

Rysunek 5. Marker pomarańczowy całkowicie wyróżniony przez segmentację metodą GrabCut,

poprawny punkt centralny zaznaczony zielonym znacznikiem; mała fioletowa elipsa i znacznik w dolnej części markera jest rezultatem metody CAMShift, widoczna znaczna rozbieżność między

skutecznością obu metod.

Po znalezieniu pozycji wszystkich markerów następuje połączenie ich w pożądane konfiguracje geometryczne (odcinki, kąty) i wyznaczenie miar. Miarą odcinka jest zwykła różnica położeń wierzchołków, miarę kąta wyznacza się według wzoru:

[ ]

π

α

gdzie α to poszukiwany kąt, A i B to wektory utworzone przez odpowiednie markery.

Pozycje markerów trafiają do pamięci, gdzie przechowywana jest historia wszystkich dotychczasowych położeń. Umożliwia to zrzut tych wartości do pliku, przyspiesza działanie programu po powrocie pozycji odtwarzania na początek pliku, który nie musi obliczać wszystkiego na nowo, a także pozwala na poprawianie pozycji markerów w razie ich zagubienia.

2.4. Pomiary testowe

Działanie opracowanego w IPS systemu Diopser zostało sprawdzone w serii pomiarów testowych zarówno na bieżni stacjonarnej jak i na bieżni ruchomej. Testowano różne warunki oświetleniowe różną geometrię pomiarów. Testy wykonywano z markerami umieszczanymi na kończynie dolnej mocując od 3 do 6 markerów. Pomiary wykonywano dla serii ćwiczeń oraz chodu z różna prędkością. Sprawdzano również liczbą zgubionych markerów oraz sprawność algorytmu w odzyskiwaniu zgubionych markerów. Przykładowy zapis z pomiarów biomechanicznych przedstawiono na Rysunku 6.

Rysunek 6. Interfejs graficzny programu Diopser. Widoczne są wyznaczone odległości pomiędzy markerami (obraz po lewej stronie) oraz wartości kątów pomiędzy markerami (obraz po prawej stronie).

Rysunek 7. Rzeczywiste położenia XYZ [mm] trzech markerów umieszczonych na kostce, kolanie i udzie podczas wykonywania ćwiczeń. Na osi poziomej czas [s].

Rysunek 8. Odległości i kąty pomiędzy trzema markerami umieszczonymi na kostce, kolanie i udzie śledzonymi podczas wykonywania ćwiczeń. Skala pionowa w mm i stopniach, na osi poziomej numer klatki. 3. Wnioski/dyskusja wyników

W efekcie prowadzonych prac zbudowany został system umożliwiający analizę położenia do 20 markerów na nagraniach uzyskanych z dwóch kamer. W warunkach dobrego oświetlenia i ruchu obiektu z prędkością poniżej 2 m/s, nagrania uzyskane przy użyciu stosunkowo prostych kamer mają jakość wystarczającą do poprawnego rozpoznawania i śledzenia markerów (Rysunki 7 i 8).

Dokładność wyznaczenia położenia markerów (X,Y,Z) wynosi w typowym pomiarze 5 mm. Precyzja wyznaczenia położenia markerów 1 mm (dla odległości 2 mm i dla kątów 0,2o). Główne czynniki wpływające na jakość analizy to:

− Rozdzielczość i prędkość nagrywania filmu − Jasność obiektywu

− Oświetlenie obiektu

− Prędkość poruszania się markerów 4. Podsumowanie

Zbudowany w Instytucie Przemysłu Skórzanego O/Kraków system Diopser jest tanią alternatywą dla komercyjnych rozwiązań dla badań biomechaniki chodu. Przeprowadzone testy potwierdziły poprawność działania algorytmów zaimplementowanych w dedykowanym oprogramowaniu oraz ogólną sprawność systemu. Diopser ma charakter rozwojowy i może być modyfikowany i rozbudowywany. Zwiększenie możliwości systemu będzie wymagało użycia większej liczby kamer. Umożliwi to obserwację obiektu ze wszystkich stron. Na polepszenie funkcjonalności systemu wpłynie automatyzacja transferu danych z aparatów/kamer do laptopa oraz użycie kamer o większej szybkości.

Laboratorium oraz wykonany w Instytucie system do analizy obrazu pozwoli na wykonywanie różnego rodzaju prac badawczych, m.in.:

− Badania biomechaniki chodu − Badania poślizgu i upadków

− Badania wpływu wkładek, obuwia ortopedycznego i ogólnie wyrobów ortopedycznych na postawę

− Ocena procesu rehabilitacji u pacjentów

− Optymalizacja i monitorowanie postępów treningu sportowego

− Diagnostyka dynamicznej oceny postawy ciała (przy użyciu również antropometru wykonanego w IPS O/Kraków)

− Ocena lokomocji osób z zaburzeniami neurologicznymi

− Ocena ergonomii różnych produktów (obuwia, mebli, itp.)

Ponadto, oprócz zastosowań naukowych stosowanie systemu może przynieść wymierne efekty w formie „lepszych”, bardziej przystosowanych do potrzeb użytkowników wyrobów, zwłaszcza dla osób cierpiących na schorzenia aparatu ruchu.

Katalog możliwych badań jest bardzo szeroki i zależny jedynie od zainteresowań osób i zespołów zainteresowanych tymi zagadnieniami.

5. Literatura

1. A. Winter: Biomechanics and Motor Control of Human Movement. Fourth Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, 2009.

2. J.L. Astephen, K.J. Deluzio, G.E. Caldwell, M.J. Dunbar: Biomechanical changes at the hip, knee, and ankle joints during gait are associated with knee osteoarthritis severity. Journal of Orthopaedic Research. 2008, 26(3), 332-341.

3. M.K. Petersen, N.T. Andersen, P. Mogensen, M. Voight, K. Soballe: Gait analysis after total hip replacement with hip resurfacing implant or Mallory-head Exeter prosthesis: a randomised controlled trial. International Orthopedic. 2011, 35(5).

4. D. Tiberio: The effect of excessive subtalar joint pronation on patellofemoral Mechanics: a theoretical Model. The Journal of Orthopedic and Sports Physical Therapy. 9(4), 160-165.

5. R. Gajewski, P. Olszewski I. Tarnawski: Effect of supination inserts on the heel angle during gait. Congress Lecture [5023] Abstract [1444], OTWorld 2014 International Congress, Lipsk, Niemcy,13-16 maja 2014.

6. F. Sibella, L. Frosio, F. Schena, N.A. Borghese: 3D analysis of the body center of mass in rock climbing. Human Movement Science. 2007, 26, 841-852.

7. E.B. Simonsen, M.B. Svendsen, A. Nørreslet, H.K. Baldvinsson, T. Heilskov-Hansen, P.K. Larsen, T. Alkjær, M. Henriksen: Walking on High Heels Changes Muscle Activity and the Dynamics of

Human Walking Significantly. Journal of Applied Biomechanics. 2012, 28(1), 20-28.

8. OpenCV Developer Site, http://code.opencv.org. 9. Qt Development Frameworks, http://qt.nokia.com.