Fakultät für Psychologie und Sportwissenschaft
Abteilung Sportwissenschaft
Sportwissenschaft für Bewegung und Motorik
Universität Bielefeld
Arbeitsbereich II Biomechanik
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Anfang 1995 wurde im Arbeitsbereich "Bewegung und Motorik - Biomechanik" (Leitung: Prof. Dr. Klaus Willimczik) damit begonnen, auf der Basis von Video- und PC-Hardware ein automatisches Motion Tracking and Analysis System - nachfolgend MOTRANS genannt - zu entwickeln. Hauptgrund für diese Eigenentwicklung war die Feststellung, dass die am Markt angebotenen modernen Bewegungsanalysesysteme für kleinere Forschungseinheiten kaum finanzierbar waren und/oder die gewünschte Flexibilität und Automatisierungsfähigkeit nicht zur Verfügung stellen konnten. Da nicht die Absicht bestand, das "Rad" in allen Teilen neu zu erfinden, wurde die Tracking- und Analysesoftware auf dem universellen und erweiterungsfähigen Bildverarbeitungswerkzeug OPTIMAS aufgebaut.
Mit MOTRANS können Bewegungen beliebiger Objekte - auch mehrerer Objekte gleichzeitig - anhand der Bewegungen von Einzelheiten (Items) dieser Objekte weitgehend automatisch über Bildsequenzen hinweg verfolgt werden. Aus den Trajektorien der Items werden dabei online weitere für die Bewegungsanalyse wichtige Parameter wie die Trajektorien virtueller Items (Objektschwerpunkte, etc.), Winkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen abgeleitet. Im Anschluss an das Tracking lassen sich Modell-Szenarien mit den Bewegungen der Objekte animieren.
MOTRANS wurde primär für den Eigenbedarf entwickelt und ist darum immer noch ein - allerdings voll einsatzfähiger - Prototyp, an dem laufend Verbesserungen vorgenommen werden. Folgender Leistungsumfang ist bislang realisiert:
Bildsteuerung
MOTRANS gestattet die Verarbeitung von Bildsequenzen direkt vom Videorecorder (mit einem OPTIMAS-kompatiblen Frame-Grabber) oder von einem beliebigen PC-Laufwerk in allen gängigen und von OPTIMAS unterstützten Dateiformaten. Die Aufzeichnungsrate der zu verarbeitenden Bildsequenzen ist beliebig. Interlaced-Bilder (Videovollbilder) werden während der Verarbeitung in die zeitversetzten Halbbilder aufgesplittet. Für die unterschiedlichen Sourcen stehen integrierte Sequenz-Player zur Verfügung. PC-externe Sourcen müssen natürlich für die Ansteuerung vom PC (via RS232, RS422, etc.) ausgerüstet sein.
Modelldefinition
Alle Bewegungsanalysesysteme auf der Basis abbildender Verfahren haben als primären
Input lediglich Bildsequenzen mit zweidimensionalen Projektionen realer Objekte. Die
eigentliche Bewegungsanalyse erfolgt am Ende an mehr oder weniger stark idealisierten
Modellen dieser Projektionen.
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Ein wichtiger Schritt vor der Verarbeitung einer Bildsequenz ist somit die
Definition der benötigten Modelle (sofern diese nicht bereits abgespeichert vorliegen).
Dafür stellt MOTRANS einen komfortablen Szenario-Editor
bereit. Vorabdefinitionen von Modellen lassen sich durch einfache Polygonzüge mit der
Maus durch die zu trackenden Items der Objekte auf einem geladenen Bild einer zu
verarbeitenden Sequenz erzeugen. Die Modelle und ihre Items können nachfolgend
(um-)benannt und (für Schwerpunktberechnungen) gewichtet werden. Ein besonderes Feature
des Szenario-Editors ist die Möglichkeit, durch das Zusammenfassen realer Modelle
virtuelle Modelle zu erzeugen. Das gestattet zum Beispiel die direkte Berechnung von
resultierenden Schwerpunkten kombinierter Objekte (Mensch und Werkzeug, etc.). Kalibrierung Bei der Kalibrierung des Systems kann auf die bereits von OPTIMAS für diesen Zweck bereitgestellten Werkzeuge zurückgegriffen werden. Voraussetzung ist lediglich das Mitfilmen eines Maßstabes in der Bewegungsebene mit bekannten X- und Y-Dimensionen. |
Tracking
Zum Tracking über eine Bildsequenz wird das erste Bild dieser Sequenz mit einem Sequenz-Player angesteuert und das benötigte Modell-Szenario auf dieses Bild geladen. Eck-/Gelenkpunkte und Endpunkte der Modelle können dann mit der Maus auf den entsprechenden Items der Bildobjekte platziert werden. Zum genauen Justieren der Modelle auf den Objekten stellt MOTRANS einen Item-Zoom-Monitor zur Verfügung. Nach einem ersten Lernen der Items durch das System können diese einzeln im Zoom-Monitor betrachtet und exakt positioniert werden. Für jedes Item lassen sich zudem separat unterschiedliche Trackingoptionen einstellen (Auto-Center für symmetrische Items/Marker, etc.).
Der Basis-Trackingalgorithmus von MOTRANS geht nicht von Items mit vordefinierter Struktur (symmetrischen Markern, etc.) aus. Grundsätzlich kann jedes Item verfolgt werden, welches innerhalb des Item-Zoom-Monitors eine Struktur erkennen Lässt, die sich von der Umgebung abhebt, und dessen Struktur sich von Bild zu Bild allenfalls langsam verändert.
Der Trackingprozess läuft in der Regel automatisch ab. Sofern Trackingfehler erkannt werden (Items gehen wegen Überdeckung verloren, etc.), werden diese Fehler ab ihrem Auftreten im Datensatz vermerkt. Die entsprechenden Bilder lassen sich später mit einem Modell-Player direkt ansteuern und die Fehler manuell korrigieren. Optional kann der Trackingprozess in einer entsprechenden Fehlersituation auch automatisch angehalten werden. Sofern der PC mit dem gearbeitet wird in ein Novelle-Netz eingebunden ist besteht zudem die Möglichkeit, im Fehlerfall eine Broadcast-Message zu versenden.
| Analyse und Visualisierung OPTIMAS gestattet es, Makro-Variablen mit Anzeige-Windows zu verknüpfen und dort als Punkt- oder Liniendiagramme oder Wertetabellen darzustellen. Da MOTRANS alle Parameter online ableitet, können beliebige interessierende Parameter (Geschwindigkeiten einzelner Items, etc.) schon während des Trackings in separaten Fenstern entsprechend angezeigt werden. Im Anschluss an das Tracking besteht die Möglichkeit, das Modell-Szenario zu animieren. Die Animation kann - gesteuert durch den Modell-Player - vor einem neutralen Hintergrund, vor einem beliebigen Bild der getrackten Sequenz oder synchron auf den Bildern der Sequenz ablaufen, vorwärts und rückwärts, kontinuierlich oder im Single-Step-Modus. Bei der Animation kann das Modell-Szenario eine vorgegebene Historie mitführen, d. h., außer an der jeweils aktuellen Position werden die Modelle dann jeweils auch an n Positionen davor (sofern vorhanden) dargestellt. |
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Zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten stehen mit der Anzeige der Trajektorien
ausgewählter Items auf einem beliebigen Bild der getrackten Sequenz oder dem Abspielen
der Sequenz hinter einem derartigen Trajektorienoverlay zur Verfügung.
Zur Weiterverarbeitung mit anderen Programmen können die Daten beliebiger ausgewählter
Parameter formatiert in eine ASCII-Datei exportiert werden, welche relativ problemlos von
vielen gängigen Grafik-, Kalkulations- und Statistikprogrammen importiert werden kann.
Arthur Steinmann, September 97, E-Mail: arthur.steinmann@post.uni-bielefeld.de