8. Configuración del sistema de captura de movimientos y puesta en uso equipo de la ULL.


Como se ha mencionado anteriormente, una vez que se ha investigado lo referente a la tecnología de captura de movimientos, el siguiente paso en la elaboración de este proyecto es la puesta a punto del propio sistema de captura de movimientos con el que se va a trabajar (sistema cámaras Optitrack y software Mocap Arena).

8.1. Cámaras.

La configuración en nuestro caso está basada en la utilización de 6 cámaras. Estas se colocan formando un hexágono alrededor del área en el cual se llevará a cabo la toma de datos, y a una altura de entre 2 y 2,5 metros.  Las cámaras se pueden colocar en forma de retrato (horizontal) o en apaisado (vertical) dependiendo de las necesidades a la hora de tomar los datos. En horizontal nos permitirán capturar hasta una mayor altura pues el tamaño de captura del sensor es de 480×640, mientras que en vertical ofrecen la ventaja de capturar movimiento en un área de trabajo más amplia pero de menor altura, de 640×480. Es importante destacar que cuando hablamos de la orientación de la cámara, no nos referimos al chasis de la cámara sino a la orientación de los sensores de la cámara como tal. Se utilizarán en modo apaisado (vertical) en este caso, pues para la aplicación que se le va a dar al sistema resulta más útil tener una mayor área de trabajo a lo ancho que a lo alto, lo que permitirá que el sujeto se desplace más cómodamente por la zona de trabajo, siendo la altura un aspecto que se ajustará mediante la propia colocación de las cámaras.

Sistema de seis cámaras utilizado.

Sistema de seis cámaras utilizado.

Cámara en posición de apaisado.

Cámara en posición de apaisado.

Cada cámara se conectará usando los dos cables que poseen. El cable de entrada se conectará con el de salida de la cámara que le precede y el de salida con el de la cámara siguiente, de modo que el cable de entrada de la primera cámara y el de salida de la última deberán quedar desocupados. Las cámaras quedarán numeradas siguiendo el orden de las conexiones. A continuación se conectan los cables USB a las cámaras y estos a su vez al ordenador. Cuando se trabaja con un alto número de cámaras, es conveniente que se dividan las conexiones entre varios puertos USB del ordenador de trabajo, para reducir la carga de trabajo del software de control de estos, pues se ha probado que este es bastante inestable en cuanto la carga de trabajo no es mínima.

Cámaras detectadas por el sistema.

Cámaras detectadas por el sistema.

 Para la correcta colocación de las cámaras se debe utilizar el software de captura de datos, en este caso Arena, y comprobar que en cada cámara se visualiza la escuadra de calibración de forma correcta, utilizando tanto el sujeto como los propios marcadores para determinar la altura máxima de captura de las cámaras. Es importante que se visualice totalmente el área de trabajo en cada cámara, esto es, garantizar que toda el área en el que se mueva el sujeto quede completamente cubierto por las cámaras.

8.2. Calibración.

Una vez se han colocado y conectado las cámaras, el siguiente paso es calibrar el sistema para que la toma de datos se realice de forma correcta. Es importante destacar, que al tratarse de un sistema de captura óptica de movimiento con marcadores pasivos, estos deben reflejar la luz que reciben, lo cual hace que el sistema sea altamente sensible a las variaciones de la iluminación, lo cual se debe controlar al máximo posible. La luz que van a reflejar a los marcadores se origina muy cerca de las propias cámaras, por lo que cualquier otra fuente de luz puede alterar el resultado de la captura de movimiento. Una vez en el software Arena, debemos comprobar que en el área en el que se van a tomar los datos, no hay puntos conflictivos, esto es, no existan puntos que el sistema reconozca como sensores y no lo sean. Estos puntos suelen aparecer cuando hay un exceso de luz en la sala de trabajo y esta queda reflejada en algún punto, lo que hace que el sistema confunda el elemento brillante con un marcador. Para ello, en el menú accedemos a Wizard y a continuación elegimos la opción Calibration. Comprobamos que están presentes todas las cámaras que están en uso y seguimos adelante. Encontraremos la vista capturada desde cada cámara, y una por una, podemos comprobar si existen puntos conflictivos, que veremos como puntos blancos.

Puntos conflictivos (puntos blancos).

Puntos conflictivos (puntos blancos).

En cada cámara podemos pasar la imagen a escala de grises y verificar qué es lo que produce estos puntos conflictivos, a fin de que podamos solucionarlo. Como se ha mencionado, por lo general es algún objeto en el que se refleja la luz o alguna cámara que queda visible desde otra. El software nos da la opción de modificar diferentes aspectos de las cámaras, a fin de encontrar la mejor configuración para que la captura sea lo más óptima posible, como por ejemplo el trillado, la exposición, la intensidad, y los fps (frames por segundo). Si aún ajustando estos aspectos resultase imposible eliminar estos puntos, el propio software nos permite bloquearlos, pero a costa de crear un punto ciego en el área del punto conflictivo, en donde los datos tomados no serían del todo precisos.  Eliminados los puntos conflictivos, se utilizará una vara de marcadores para calibrar el espacio en el que se va a realizar la captura de movimientos. Existen diferentes tipos de varas utilizadas para la calibración, algunas poseen un único marcador mientras que otras sólo contienen uno. En algunos casos se trata de varios marcadores a lo largo de la vara, o como en el caso de la vara que utilizamos, tres marcadores en la punta en forma de tridente. Sea cual sea la vara que se utilice para la calibración del sistema, el proceso será el mismo, pero hay que indicar al software qué modelo es el utilizado para la calibración.

Vara con tres marcadores utilizada para calibración.

Vara con tres marcadores utilizada para calibración.

 El software permite variar la velocidad de calibración. Para un sistema de 6 cámaras como el aquí utilizado, una velocidad alta es la adecuada. El proceso consiste en barrer el área en la que se va a trabajar con la vara, intentando ocupar todo el volumen que aparece en las distintas cámaras, que van registrada el espacio “barrido” en color verde.  Podemos ir siguiendo el proceso también mediante cada cámara en escala de grises, sin que esto afecte al barrido de la zona.

Proceso de barrido del espacio de trabajo.

Proceso de barrido del espacio de trabajo.

Una vez las imágenes de todas las cámaras están prácticamente cubiertas de verde, el espacio está listo para trabajar en él y el rastro que deja la vara será rojo, para indicarnos que el barrido del área de trabajo ya ha finalizado.

Espacio de trabajo listo para la captura de movimiento.

Espacio de trabajo listo para la captura de movimiento.

Una vez se ha terminado con el proceso de barrido, se inicia el cálculo con el botón Start Calculation. Se deberá utilizar una configuración de 100 puntos de datos para el sistema de 6 cámaras, y el número mínimo de cámaras simultáneas debe ser siempre uno menos que el de cámaras utilizadas, por tanto serán 5. Una vez el proceso de cálculo termina, el software permite ver los resultados de cada cámara. La calidad del barrido de cada cámara debería ser excelente para garantizar un correcto proceso de toma de datos, de lo contrario se deberá repetir el proceso de barrido hasta obtener este resultado. Se debe comprobar también la distorsión de la lente, que aparecerá en forma de cuadrícula azul sobre el área barrida. Si esta apareciese distorsionada de alguna forma, la calibración ha sido errónea y deberá ser repetida. Cualquier cambio realizado en las cámaras en cuanto a localización, colocación o altura del objetivo hará que la calibración deba ser repetida, pues hará que los resultados sean erróneos.

 Otro punto a tener en cuenta en el momento de la calibración del sistema es la asignación del suelo, pues el espacio barrido queda registrado en el software como un volumen 3d, sin ningún tipo de referencia en cuanto a los planos X, Y y Z. Es importante tener estos ejes definidos para que a la hora de tomar los datos exista una referencia para los movimientos.  Mediante una escuadra con 3 marcadores, el sistema detecta el punto de origen para los tres planos.

Escuadra utilizada para localizar el origen de los planos.

Escuadra utilizada para localizar el origen de los planos.

 Una vez colocada la escuadra en el centro del área de toma de datos, el botón Set Ground Plane finaliza la operación. Con esto el sistema ya tiene una referencia del suelo en el que se va a mover el sujeto, de forma que este no parezca estar flotando en un espacio tridimensional sin límites, lo cual será representado en pantalla por la aparición de los tres marcadores de la escuadra en un plano horizontal, por debajo del cual no se considerará el espacio para la captura de movimiento. Podemos movernos alrededor del área de trabajo y comprobar que el plano se ha colocado correctamente. Cabe mencionar que este paso de la calibración se puede realizar independientemente del resto, de forma que se puede cargar el proceso anterior de sesiones previas y sólo realizar la calibración del plano del suelo.

Espacio de trabajo con el suelo delimitado.

Espacio de trabajo con el suelo delimitado.

 

Una vez realizada la calibración, el sistema permite revisar el volumen barrido, para comprobar que el proceso se ha hecho de forma correcta y el espacio es adecuado para pasar tomar datos. A mayor volumen barrido, mejor será el proceso de captura de movimiento.

Volumen barrido en la calibración.

Volumen barrido en la calibración.

Una vez el sistema calcula el volumen de toma de datos, el último paso es ajustar los límites de la zona de trabajo, cosa que el software nos permite hacer manualmente. Tanto en los ejes X, Y y Z podemos ajustar dichos límites, para aprovechar al máximo el volumen barrido y maximizar la zona de trabajo de captura de movimiento.

38 captura

 A continuación, el sistema nos permite guardar la calibración, de forma que pueda ser utilizada en futuras sesiones, y se puede comenzar a tomar datos.

8.3. Marcadores.

El sistema de captura de movimiento que se utiliza en este caso es de tipo óptico, que como ya se ha explicado anteriormente funciona mediante cámaras CCD y marcadores pasivos, que reflejan la luz que reciben. Los marcadores deben colocarse sobre el objetivo de estudio, sea una persona o un objeto. Cuantos más marcadores se hayan colocado, más precisa será la medición, pero más complicado será que el sistema los detecte todos de forma correcta.  Es importante que los marcadores se coloquen de forma correcta en el sujeto para garantizar que el proceso se realiza de forma adecuada.  En nuestro caso, los marcadores se han colocado en los puntos estratégicos utilizando parches de velcro sobre una malla destinada a usarse únicamente para ello. Se ha optado por una configuración de 34 marcadores pues tras muchos intentos de calibración se llegó a la conclusión de que dadas las condiciones del área de trabajo en el que se llevó a cabo el proceso, cuantos más marcadores se utilizaran más complicado resultaba que el sistema  los detectase todos, haciendo por ello que el proceso se viera afectado por la inestabilidad en la toma de datos. Con 34 marcadores se obtuvieron los mejores resultados en la calibración y en la propia captura de movimiento.

Colocación de los marcadores en el cuerpo.

Colocación de los marcadores en el cuerpo.

8.3.1 Pies.

Los marcadores en los pies se deben colocar de forma que uno quede encima del dedo gordo y el otro encima del dedo pequeño. Un tercer se coloca justo entre los otros dos, y el cuarto se coloca en el talón.

Marcadores de los pies.

Marcadores de los pies.

8.3.2 Piernas.

Estos marcadores se deben colocar de forma arbitraria y asimétrica en cada pierna. Se colocarán, en cada pierna, uno a la altura de los tobillos, uno en las canillas, uno a la altura de la rodilla y uno en los muslos. Si la prueba requiere que el sujeto se agache, resultará conveniente colocar un nuevo marcador en la zona de los gemelos.

Marcadores de las piernas 1 (Tobillos).

Marcadores de las piernas 1 (Tobillos).

Marcadores de las piernas 2 (Canillas).

Marcadores de las piernas 2 (Canillas).

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Marcadores de las piernas 3 (Rodillas y muslos)

8.3.3 Cintura.

Los 3 marcadores de la cintura se colocarán a la misma altura de forma que queden en un mismo plano horizontal, uno a cada lado y uno justo al frente, por ejemplo justo sobre el ombligo. Cuando en la captura de movimiento participan más de un sujeto, se colocará un marcador en la espalda, sobre la misma horizontal que los de la cintura pero en lugares ligeramente diferentes, que permitirá que el software distinga a los participantes

Marcadores de la cintura.

Marcadores de la cintura.

8.3.4 Espalda.

En la espalda se colocará un marcador en el centro, a la altura de los hombros, con dos marcadores más colocados a unos 20cm por debajo de este, y hacia los lados formando un triángulo. Debe verificarse que el movimiento de los brazos no resulta en un desplazamiento significativo de estos marcadores.

Marcadores de la espalda.

Marcadores de la espalda.

8.3.5 Brazos.

El más crítico de los marcadores que se colocarán en los brazos es el del codo. Este no se debe colocar justo sobre la articulación del codo pues el movimiento de los músculos causaría que el marcador no fuese preciso. Por tanto, se debe colocar un poco por encima de la articulación. Una vez más debe asegurarse que el movimiento del brazo no resulta en un movimiento incorrecto del marcador, y cuando se ha colocado correctamente, debe parecer que apunta hacia atrás al extender los brazos. Los otros marcadores se colocarán sobre el bíceps del sujeto, de manera que estos formen un triángulo, que no debe ser isósceles, es decir, no debe colocarse el último marcador a la altura del segundo sobre el bíceps, sino más bien a medio camino entre los otros dos. Este tercer marcador se ha de colocar de forma que sea asimétrica entre los dos brazos. La idea aquí es que los triángulos formados por los marcadores de cada brazo sean distintos entre sí, pues el sistema los detectará como un cuerpo rígido, y dichos cuerpos rígidos deben ser diferentes para evitar que el sistema los confunda.

Marcadores de los brazos 1.

Marcadores de los brazos 1.

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Marcadores de los brazos 2.

Marcadores de los brazos 3.

Marcadores de los brazos 3.

8.3.6 Manos.

Para las manos, se colocarán dos marcadores alineados cada uno a la altura de la muñeca, y un marcador por el lado externo de la mano, ubicado a la altura de la base del dedo meñique. La colocación debe ser igual para ambas manos en este caso.

Marcadores de las manos.

Marcadores de las manos.

 8.3.7 Cabeza.

Los marcadores se colocarán, uno sobre la oreja, a cada lado, y un tercero al frente, ligeramente posicionado hacia un lado.

Marcadores de la cabeza.

Marcadores de la cabeza.

8.4. Skeleton.

Una vez los marcadores se han colocado correctamente en el sujeto, se procederá a calibrar el  llamado Skeleton. Esto consiste en hacer que el software reconozca el conjunto de marcadores que lleva el sujeto y los asocie a una forma humana, de modo que los movimientos que realice dicho sujeto se representen en el sistema no como  un conjunto de marcadores colocados de forma aleatoria y suspendidos en el espacio, sino mediante esta forma humana, el Skeleton. Para ello, hay que trabajar con el Skeleton Wizard. Este permitirá que el proceso de configuración sea sencillo. Lo primero que debe hacer es elegir el número de marcadores con los que va a realizar la configuración. El software da como opción 34 o 38 marcadores. A mayor número de marcadores, más preciso será el proceso de toma de datos, pero también será ligeramente más complicado que el sistema detecte de forma correcta todos los marcadores. En este caso, como ya se comentó anteriormente se utilizará la configuración de 34. En el siguiente paso, el sujeto debe colocarse en forma de T, esto es, con los pies juntos y los brazos abiertos y extendidos hacia los lados, y de frente al lado positivo del eje Z.

Pose T.

Pose T.

Entonces, se da comienzo a la grabación de la sesión de captura de movimiento del sujeto. Utilizando la herramienta Skeleton Wizard antes mencionada, el software detectará todos los marcadores posibles mientras el sujeto permanece quieto en la posición antes mencionada y mientras realiza algunos movimientos básicos.

Reconocimiento de los marcadores 1.

Reconocimiento de los marcadores 1.

Reconocimiento de los marcadores 2.

Reconocimiento de los marcadores 2.

Una vez hecho esto, se procede a “emparejar” el conjunto de sensores que el sistema ha detectado y el Skeleton. Para ello se requiere ajustar la altura y el ancho de los hombros del sujeto.

Incluso es posible ajustar la longitud de diferentes huesos para un resultado extremadamente preciso, pero no es necesario en este caso. Por último, los marcadores se pueden asignar automática o manualmente al Skeleton.

Asignación de los marcadores.

Asignación de los marcadores.

Una vez se ha configurado todo, el software representará los movimientos realizados anteriormente por el sujeto con el Skeleton.  Es posible guardar la configuración del Skeleton para futuras sesiones de captura de movimiento.

8.5. Cuerpos rígidos.

El software Arena permite, además de digitalizar al sujeto que lleva los marcadores, crear cuerpos rígidos, con los cuales es posible introducir prácticamente cualquier objeto en la realidad virtual del software, de modo que dicho sujeto pueda interactuar con este, y el software pueda realizar el mismo tipo de mediciones sobre ambos. Esto es posible creando un objeto en una herramienta de diseño CAD, y mediante un tercer programa de software convertirlo a un archivo de tipo .x, con lo cual el software Arena permite importarlo y utilizarlo como cuerpo rígido.

Si por otra parte se desea crear un cuerpo rígido, el  procedimiento para crear dichos cuerpos, que se realiza mediante la herramienta Rigid Body Wizard, consiste en colocar varios marcadores en alguna forma o patrón poco común o específica, de modo que se pueda configurar el sistema para que reconozca dicho patrón y lo asocie únicamente a un objeto virtual. De esta forma, a dicho conjunto de marcadores se les asociará con un objeto, del cual se puede configurar el tamaño, el sentido en el que está colocado, a donde apunta, etc.

El primer paso tras iniciar el Rigid Body Wizard será colocar los marcadores en el objeto con el que se desea trabajar. La idea aquí, como ya se ha comentado, es colocarlos en una forma única y específica, de forma que una vez que con el software se asocie al cuerpo rígido deseado, este sea capaz de reconocerlo en futuras sesiones de trabajo. Es conveniente evitar colocarlos en línea recta, pues resulta complicado que el software detecte el movimiento del cuerpo rígido de forma precisa. Una vez hemos colocado los marcadores, damos comienzo a la grabación como ya se hiciera con el Skeleton. A continuación seleccionaremos los marcadores que se desean asignar al cuerpo rígido.

Selección de marcadores.

Selección de marcadores.

El siguiente paso es asignar el origen del objeto, de forma que pueda asignar un marcador mediante el cual se medirán todos los movimientos y giros del cuerpo rígido. A partir de este origen, también podremos asignar hacia donde queremos que “apunte” el cuerpo rígido, una vez se asigne al conjunto de marcadores.

Asignación del origen.

Asignación del origen.

Por último, asignaremos el cuerpo rígido al conjunto de marcadores. Podemos escoger entre la biblioteca de cuerpos que posee el software de arena o los diseños que hemos importado nosotros mismos. Podemos mover el objeto, cambiar la orientación y modificar otros aspectos que permitan que el sujeto interactúe con el objeto al igual que lo haría en la vida real.

Marcadores seleccionados.

Marcadores seleccionados.

 Se pueden crear tantos objetos como se deseen, y el software permite almacenarlos y crear una base de datos de objetos asignados a distintos patrones con el fin de ser utilizados en futuras sesiones, añadiéndose a la biblioteca de objetos ya existente en el propio software.