C APTURA DE M OVIMENTO COM M ARCADORES

As técnicas de MoCap em Sistemas de Realidade Aumentada com marcadores podem ser classificadas em três modos: com marcadores coloridos, com marcadores reflexivos e com marcadores fiduciais.

A escolha por cada uma delas depende da aplicação e do tipo de dados que precisa ser capturado (HOLMBOE, 2008). A descrição individual destas técnicas é apresentada nas próximas seções.

3.4.1 Marcadores Coloridos

A captura de movimentos baseado em marcadores coloridos é uma aplicação de técnicas de processamento de imagem para realizar a análise e a variação de cor de um conjunto de pixels na imagem, em função do tempo.

Por meio de algoritmos especializados em rastrear estas variações são obtidas áreas da imagem em um eixo bidimensional com o qual a interface é guiada.

Esta técnica tem sido aplicada em sistemas de reabilitação motora dos membros superiores, a exemplo da Figura 14, nos quais a mobilidade e flexibilidade de movimentos são relevantes para que os exercícios sejam realizados de forma satisfatória (TAO e HU,

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2003). E, portanto, estas interfaces contribuem para esta execução, motivando o paciente a concluí-las.

Nos trabalhos apresentados na Figura 14, duas técnicas são abordadas: a do rastreio (a), na qual pontos da imagem são rastreados e são utilizados para selecionar itens na interface; e na reconstrução do movimento (b), na qual os pontos de referência da imagem são rastreados e representados em um ambiente virtual no qual o usuário pode ver uma representação de seu movimento.

a) Captura de Movimentos por características de Cor

(BURKE et al., 2008) b) Registro Baseado em Captura de Cores (TAO e HU, 2003).

Figura 14 - Análise da Coloração de Áreas de Interesse na Imagem

No sistema Neurorehabilitation Game System (CAMEIRÃO et al., 2010) é utilizada a mesma técnica de captura de movimentos, mas a representação destes movimentos é em um ambiente virtual de um game (Figura 15).

Por meio de luvas coloridas o usuário é estimulado a movimentar seus braços no intuito de selecionar objetos ou obstruir o caminho de atores virtuais animados que são usados de forma lúdica no estímulo ao movimento. Neste ambiente são tratadas informações como velocidade e flexibilidade de movimento.

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3.4.2 Marcadores Reflexivos

Para a avaliação biomecânica e aprimoramento de treinamentos esportivos é comumente utilizado a técnica de captura de movimentos por marcadores reflexivos.

Por meio de câmeras profissionais que variam de 30 a 600 quadros por segundo e por câmeras de captura em infravermelho são realizados testes para análise da mobilidade, flexibilidade muscular e mais recentemente na reabilitação de atletas de alto desempenho (SONEGO e CLIQUET Jr, 2006).

Um exemplo deste tipo aplicação de tecnologia é o sistema comercial Peak Motus (RICHARDS, 1999), visto na Figura 16, o qual por meio de marcadores reflexivos e um conjunto de câmeras de luz infravermelha e um sistema de representação em realidade virtual analisa o movimento do usuário para fins de análise biomecânica.

a) Usuário com Marcadores b) Software de Representação 3D

Figura 16 - Sistema Comercial Peak Motus

Fonte: http://www.vicon.com, acesso em 20 de outubro de 2012.

A Figura 16a mostra um usuário realizando um movimento e como os marcadores são afixados no corpo, já a Figura 16b ilustra o funcionamento do sistema tridimensional de representação do movimento.

Ademais o custo de um sistema comercial, como o Peak Motus, ainda é elevado, o que dificulta sua aquisição para pequenos centros de pesquisa ou clínicas fisioterápicas, necessitando assim de alternativas de mais fácil acesso.

3.4.3 Marcadores Fiduciais

O uso de marcadores fiduciais como forma de obter o posicionamento de elementos ou objetos reais em ambientes virtuais é uma técnica que vem ganhando cada vez mais força em sistemas de captura de movimento (WONG, 2007).

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Por meio da extração das características dos marcadores durante o processo de captura é possível reconhecer o posicionamento tridimensional do usuário no ambiente real.

Há diversas bibliotecas de programação que facilitam o desenvolvimento de sistemas que usam os marcadores fiduciais como método de identificação de pontos no ambiente, a mais amplamente utilizada é a ARToolkit (KIRNER; SISCOUTTO, 2007).

Por meio da ARToolKit é possível capturar movimentos humanos para representação de personagens em ambientes virtuais por serem uma alternativa mais econômica para sistemas de MoCap (LAHR, LOURENÇO e DAINESE, 2004).

Em sistemas de reabilitação esta tecnologia começou ser aplicada inicialmente com o intuito de fortalecer a assistência em psicologia e neurologia com abordagens promovendo um maior estímulo no controle de desordens cognitivas.

O uso de sistemas de RA com marcadores para reabilitação tem se fortalecido na combinação da estimulação motora e cognitiva (ASSIS, 2010), proporcionando para o paciente uma maior motivação e confiança na mobilidade do membro com a desordem.

Não se trata apenas de uma simples adaptação do protocolo de reabilitação às novas tecnologias, mas de um conjunto maior de tecnologias que promovem a reabilitação seja por meio de um ambiente ou por meio de um dispositivo no qual o foco de trabalho deve ser a recuperação da função ou mobilidade do paciente (MORROW et al., 2006).

Ademais, também é possível encontrar sistemas que utilizam a visualização em óculos especiais para imergir o usuário na interface com maior ênfase, a exemplo do sistema AR-REHAB (ALAMRI et al., 2009), visto na Figura 17.

Este processo limita o foco de visão e necessita de um número maior de atuadores, como por exemplo, sensores, luvas e outros dispositivos.

a) Exercício Proposto b) Exercício em Realização

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Por meio de uma visualização do ambiente aumentado, por meio dos óculos especiais, o usuário é incentivado por uma semirreta guia a realizar o movimento, como visualizado na Figura 17a, e em seguida, por meio dos sensores da luva, que rastreia o movimento da mão do usuário, verifica se o movimento foi correto.

Com o rastreio de movimentos realizado a partir dos dados de posicionamento da luva o usuário é guiado a colocar o objeto real (caneca) na posição na qual o marcador fiducial se encontra. O ambiente real é incrementado de objetos virtuais, linhas vermelhas e azuis, com as quais são identificados os eixos X (cor vermelha) e Y (cor verde).

A partir do uso do AR-REHAB os pacientes podem experimentar o uso de sua força e motricidade reais enquanto realizam os exercícios, e o terapeuta analisa o progresso do paciente e decide sobre a evolução para outros exercícios envolvendo atividade da vida diária.

Dentre as técnicas de MoCap em RA com marcadores fiduciais foram encontrados os trabalhos ARPhysio (LIMA et al., 2006) e o JoelhoRA (CAMPAGNA e BREGA, 2009), que demonstram o uso destes marcadores para indicar a angulação correta e a condução dos exercícios para o paciente (Figura 18).

De forma geral, estes dois trabalhos enfatizam o uso da tecnologia como forma de execução dos exercícios a fim de fortalecer os músculos dos membros inferiores.

a) Sistema de RA para Reabilitação do Tornozelo

(LIMA et al., 2006) b) Sistema de RA para reabilitação do Joelho, (CAMPAGNA e BREGA, 2009)

Figura 18 – Sistemas com MoCap em Realidade Aumentada para Reabilitação

Os marcadores são utilizados para aferir os movimentos do usuário frente a uma terapia dirigida por um profissional habilitado. E, de forma a facilitar o trabalho deste profissional, a aplicação de marcadores fiduciais como técnica de mensuração da amplitude de movimento vem ao encontro das necessidades dos terapeutas em informar ao paciente o nível de comprometimento dos músculos envolvidos na reabilitação (Figura 19a).

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a) Goniômetro em Realidade Aumentada (DAMASCENO, CARDOSO e LAMOUNIER,

2011)

b) Realidade Aumentada para exercícios da coluna cervical (PAULO e DAMASCENO,

2011)

Figura 19 – Sistemas de Realidade Aumentada para condução de exercícios

Por meio da mesma arquitetura de sistema que promove a avaliação biomecânica do movimento, o trabalho TorcicolAR (PAULO e DAMASCENO, 2011) apresenta uma interface de jogo, que incita o paciente a realizar a flexão do pescoço no intuito de promover a reabilitação do mesmo.

O sistema funciona colocando-se um marcador na fronte do paciente e este executa os movimentos de alongamento do pescoço, o sistema capta os movimentos e imerge o usuário em uma interface de jogo de corrida com motos. À medida que o paciente aumenta a amplitude de movimento do pescoço as pistas de corrida são trocadas e a dificuldade em pilotar por elas aumenta.

Por meio de bibliotecas de processamento de imagem que realizam o processamento e cálculo referencial dos marcadores é possível obter diversos ângulos e por meio da análise do número de quadros capturados, deduzir dados sobre a velocidade, aceleração e força aplicada ao movimento. Este processo tende a ter maior vantagem sobre os demais por ser mais economicamente viável, sendo indicado para prática em pequenos centros de reabilitação.