Motion Capture System - Sistema de captura de movimiento
Pagina Principal Mauricio Emilio Gomez Sanabria
Resumen.
Se Propone la elaboración de un exoesqueleto y un brazo manipulador para múltiples aplicaciones en sistemas interactivos de realidad virtual. Estos principios se pueden aplicar a sistemas de Teleoperación y Animación en Tiempo Real.
1. DEFINICION DEL PROBLEMA
Capturar de una manera natural el movimiento del ser humano y de sistemas que integren articulaciones y enlaces rígidos.
2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
- Se necesita un sistema para interactuar de forma natural con mundos simulados en Realidad Virtual.
- Que se puedan tomar objetos virtuales de un lado y colocarlos en otro dentro de la simulación.
- Que se pueda cargar fácilmente.
- Que funcione en varios usuarios sin hacer mayores modificaciones físicas.
- Que mínimo sense dos dedos de la mano para poder atrapar los objetos.
- Debe contemplar un conjunto mínimo de movimientos que permita el movimiento del hombro, el codo la muñeca (mínimo en un grado de libertad), y dos dedos.
3. REVISIÓN Y ANÁLISIS DE PROPUESTAS EXISTENTES.
INTRODUCCIÓN:
Inicialmente se desarrollo un pequeño prototipo de un brazo manipulador el cual consta de 5 sensores de posición (potenciomentros) los cuales mediante una tarjeta de conversión análogo / digital le entrega los datos al computador en formato digital. Posteriormente por software se hace coincidir cada una de las medidas con un ángulo en un modelo simulado del mismo brazo desarrollado con OpenGL, lo cual nos lleva a seguir los movimientos del brazo mediante técnicas de animación en tiempo real. Posteriormente utilizando la misma tecnología se elaboro un brazo que forma parte de un exoesqueleto electromecánico en el cual se descubrió que parte del diseño que actualmente ofrecen algunas compañías se puede mejorar.
Existen varios tipos de Exoesqueletos:
3.1. Exoesqueletos Electromecánicos.
Desde el punto de vista técnico un EXO-ESQUELETO ELECTROMECANICO [1] es una interfaz de carácter electromecánico, que traduce en señales eléctricas los movimientos del cuerpo como codos, rodillas, dedos, posición en el espacio o incluso la pulsación de diferentes formas de interruptores para interactividad de tiempo real. Estas señales son convertidas a formato digital por medio de conversores análogo/digital, los cuales la computadora interpreta como, ángulos, posiciones o señales de interacción pertenecientes a cada una de las partes del cuerpo.
a. - MICRÓFONO SIN CABLES
Comunicación de la voz sin cable, importante para sistemas en los que se interactua con otros participantes.
b – POTENCIÓMETROS
Permite enviar señales de cada uno de las posiciones del cuerpo a la tarjeta de conversión y luego a la computadora.
c –SUJECIÓN SUPERIOR
Estructura de donde se sujeta la parte superior del exo-exqueleto a una persona. Estos son la cabeza, los dos brazos, y parte superior de la espalda, incluso se puede llegar a medir movimientos de los hombros y omoplatos.
d – CORREA
Correa de donde se sujeta la parte inferior del exo esqueleto a la persona. Aquí se puede soportar el hardware de digitalización y envío inalambrico de los datos a la computadora. También están soportadas las dos estructuras de las piernas y la parte inferior de la espalda.
e – CIERRE DE LA CORREA
Es un cómodo sistema de ajuste a distintas personas.
SISTEMA DE CAPTURA DE MOVIMIENTO PARA LOS DEDOS.
Para los dedos es posible adoptar un sistema de adquisición de movimiento igual al que se utiliza en el resto del cuerpo mediante potenciometros o se puede implementar mediante fibra óptica.
Se adapta una estructura mecánica a cada dedo de manera que un potenciómetro entregue la medida respectiva, de que tanto esta abierto o cerrado. En el diseño que se tiene actualmente solo se estan censando el dedo índice y el pulgar con el fin de poder tomar cosas en los mundos virtuales.
Actualmente en el mundo se están empleando exoesqueletos comerciales como los de la firma METAMOTION Gypsy's [2], para captura de movimiento con fines de animación de Avatar´s. Esta empresa ofrece varias opciones con el exoesqueleto como:
Grabar los movimientos del esqueleto en formato BVH.
Grabar los movimientos del esqueleto usando el formato nativo de Gypsy's utilizando los drivers para el software de animación 3D.
Grabar los movimientos con drivers personalizados que se pueden escribir con el SDK de Gypsy SDK.
Usar un software de captura personalizados como el Kaydara FiLMBOX con el cual se pueden grabar movimientos del esqueleto, editarlos, o exportarlos a otro software de animación.
Las características técnicas de este equipo son:
- Sensores de movimiento: 43
- Puntos de unión humanos censados: 17
- Simultáneos puntos por captura: Utilizando múltiples puertos COM y modificando el software de animación.
- Rango de captura inalámbrico estándar:
- 100 metros en interiores
- 1.2 km en exteriores.
- No requiere de un PC especifico para la aplicación
- No se necesita de puertos ISA disponibles en la maquina en la que se instala.
- No se requieren cables de ningun tipo.
- Se puede capturar con un equipo de escritorio.
- No es vulnerable al ruido AC.
- Rango de captura alambrico estándar: 30 metros con cables extensores.
- Rata de captura: 30/60/120 fps
- Resolución por sensor: .08 grados
- Sensibilidad a la translación: Relativo
- Distorsión por objetos metalicos: ninguna
- Oclusión: No
- Calibración especial: No.
Este sistema utiliza un giroscopio para determinar cambios en la dirección a partir de una posición inicial.
3.2. EXOESQUELETOS ELECTROMAGNETICOS
Por otro lado los exoesqueletos electromecánicos no son la única solución para hacer animaciones de avatars. También encontramos sistemas de captura de movimiento magnéticos. Encontramos empresas como Ascensión Technology Corporation[6] o Polhemus a rockwell collins company [7] que se dedican a este tipo de tecnología. Es un poco menos complicada de utilizar ya que se puede adaptar mejor al cuerpo, cosa que será muy difícil de alcanzar con exoesqueletos hechos a base de potenciometros como el estudiado anteriormente, pero la cantidad de medidas que se puede tomar es muy inferior por lo que la captura del movimiento es muy limitada. A continuación se describen algunas de las características de esta tecnología:
Technical Grados de libertad 6: (posición y orientación)
Número máximo de sensores: 18 sensores mas entrada por interfase serial para otros equipos
Rango de Translación ±3.05m en cualquier dirección para transmitir.
Rango Angular: All-attitude: ±180° Azimuth & Roll, ±90° Elevation
Medición de posición estática: rango 0.8cm RMS at 1.52m, rango 1.5cm RMS at 3.05m
Medición de posición estática : rango 0.5° RMS at 1.52m, rango 1.0° RMS at 3.5m
Resolución por posición estática: rango 0.08cm at 1.52m, rango 0.25cm at 3.05m
Resolución orientación estática: rango 0.1° RMS at 1.52m, rango 0.2° RMS at 3.05m
Measurement rate: Up to 120 measurements/second
Salidas: Posición X,Y,Z y ángulos de orientación, rotación o cuaterniones.
Interfase: Ethernet, RS-232C
Restricciones en línea de vista: Ninguna
Distorsión Metálica: Mínima: Keep transmitter & sensors away from the floor, walls, and ceiling.