2D a 3D analýza pohybu
Sportovní fakulta Masarykovy univerzity
Mgr. Martin Sebera, Ph.D.

Práce s 2D daty

Práce s dvou dimensionálními daty se skládá z následujících kroků:

• vytvoření specifikace
• nastavení kamery
• kalibrace kamery
• zachycení souřadnic obrazu
• vypočítání 2D souřadnic v měřítku
• prezentace údajů

Navíc lze po kalibraci kamery využít možnost programu „2D Freeze Frame Measurement“ (2D měření pozastaveného obrazu).

Vytvoření specifikace

Specifikace se skládá z:

• seznam bodů, které mají být později ve videosnímku označeny
• viditelné spojení mezi těmito body

Specifikace může být bud' importována z již existujících souborů, nebo nově vytvořena či upravena dle požadavků.

Import specifikace

Pro použití specifikace, která již byla vytvořena bud' klikněte pravým tlačítkem myši na složku Specification a zvolte příkaz Import, nebo tento příkaz vyberte v menu Project. Lze použít starší Motion 4.x soubory (*.spz) stejně jako novější Motion S.X specifikace (*.smp).

Úprava specifikace

Úprava spočívá ve dvou krocích: nejprve musí být vytvořen seznam důležitých bodů a potom následně mohou být vytvořeny spojnice mezi těmito body.

Úprava bodů

Pro úpravu seznamu bodů je třeba otevřít kontextové menu Points ve složce Specification. Eventuálně je možné vybrat příslušný příkaz v menu Project → Specification.

Vlevo je seznam bodů, které jsou často používány. Jestliže je jeden z těchto bodů požadován, pak je možno ho přetáhnutím přesunout do seznamu vpravo (Used points). Abyste mohli přidat další body, nebo upravit již zvolené body, klikněte na seznam Used Points pravým tlačítkem myši, aby jste otevřeli kontextové menu se třemi nabízenými možnostmi.

Vlastnosti

Pro změnu názvu a barvy bodu, vyberte v pravém seznamu a zvolte možnost Properties.

Barva zde vybraného bodu, je použita například při sledování bodů během procesu analýzy.

Přidat

Pro definování nových bodů a jejich přidání do seznamu vyberte možnost Add.

Vymazat

Pro vymazání bodu je třeba ho označit v pravém seznamu a vybrat možnost Delete. Pořadí bodů na seznamu může být změněno jejích přetáhnutím. Toto pořadí bodů by mělo být určeno v takovém sledu, v jakém budou později body označovány. Například možné pořadí by mohlo být:

Hlava	Pravý loket	Levý loket
Krk	Pravé zápěstí	Levé zápěstí
Pravé rameno	Levé rameno

Tímto způsobem se můžete vyhnout ustavičnému přeskakování z leva doprava, nebo nahoru dolů. Po vytvoření veškerého nastavení klikněte na tlačítko Close, aby jste se vrátili na pracovní plochu SIMI. Vytvořená nastavení jsou automaticky uložena.

Úprava spojnic

Pro úpravu spojnic otevřete kontextové menu Connections ve složce Specification. Eventuálně je možné vybrat příslušný příkaz v menu Project → Specification. Spojnice slouží k popisování viditelných čar nebo kruhů mezi jednotlivými body. Jsou zobrazeny jako čárové vykreslení. Jestliže byly použity body ze seznamu navrhovaných bodů, pak jsou zobrazena smysluplná spojení. Tyto mohou být samozřejmě dle požadavků změněny, nebo vymazány.

Existuji dva typy spojení:

• čára spojující dva body
• čára (kružnice) okolo bodu

Definování nových spojnic

Vyberte tlačítko New Connecting Line. Nyní lze definovat jméno a barva spojnice. Potom je ze seznamu Starting Point, který obsahuje všechny body specifikace vybrán počáteční bod spojnice. Jestliže je vybrána možnost Line To, musí být také definován konečný bod spojení.

Jestliže má být kolem bodu nakreslen kruh, vyberte jeho požadovanou velikost zvolením druhé možnosti Circle with Radius. Pro uložení nastavení stiskněte Apply.

Změna spojnice

Rámečky pod seznamem spojnic zobrazují vlastnosti vybraného spojení. Tyto vlastnosti mohou být jednoduše změněny. Pro uložení nových nastavení stiskněte Apply.

Vymazání spojnice

Pro vymazání nesprávných spojnic, nebo čar které už nejsou požadovány, vyberte spojení a klikněte na tlačítko Delete connection.

Nastavení kamery

Složka kamery obsahuje vlastnosti dostupných videoklipů, jejich kalibrace a nastavení.

Přidání kamery

Na počátku nového projektu je, v závislosti na požadavcích uživatele, automaticky nastavena jedna nebo více kamer. Další kamery mohou být přidány po zvolení příslušného příkazu z menu Project. Eventuelně vyberte příkaz z kontextového menu (pravým tlačítkem myši) příslušné kamery (ze složky Camera).

Údaje ve složce Camera

Pro zobrazení složek Raw Data a Filtered Data otevřete složku Camera. Tyto dvě složky obsahují všechny body specifikace, které již byly definovány. Nejprve obsahují prázdné datové záznamy.

Raw Data obsahují souřadnice bodů, které byly manuálně vloženy, nebo automaticky sledovány.

Filtered Data také obsahují souřadnice těchto bodů, ale až poté co tyto byly zpracovány filtračními algoritmy.

Vlastnosti kamery

Dialogové okno Properties může být otevřeno pomocí kontextového menu (pravým tlačítkem myší). Nejdříve musí být zadáno jméno kamery.

Poté musí být provedeny následující kroky:

• Vybrat video soubor s nahrávkou 2D kalibračního systému

  Buď otevřete existující soubor, nebo vytvořte novou nahrávku.

• Vybrat video soubor s nahrávkou pohybu, který má být označen

  Buď otevřete existující soubor, nebo vytvořte novou nahrávku. Jestliže je potřeba, rozhodněte, jestli budou zachyceny kompletní snímky nebo pole.

• Kalibrace kamery

  Nastavte 2D kalibrační systém tak, aby počítač mohl měření vyhodnocovat v metrech.

• Označit pohyb

  Označte pohyb buď manuálně, nebo s použitím automatického sledování.

Kalibrace kamery

Definice: kalibrace je přidělení reálných prostorových souřadnic do videozáznamu. Kalibrace musí být provedena před záznamem pohybu. Tímto postupem je ovlivněn pohled kamery (vzdálenost, zoom, atd.). Uživatel pouze musí označit množství dopředu daných bodů v obraze (klikáním myší). Toto je uskutečněno na základě zkoumání daného předmětu (kalibrační systém), jehož rozměry jsou jíž známy. Kalibrační systém by měl vyplňovat co největší možnou plochu obrazu. Pohyb, který má být zachycen, by se měl vždy odehrávat uvnitř kalibrovaného prostoru (3D), nebo kalibrované plochy (2D). Druh kalibračního systému závisí na typu kalibrace. V nejjednodušším případě se může skládat pouze z tyče známé délky.

Pozice a uspořádání systému jsou rozhodující pro zajištění přesnosti kalibrace: čím dále od kalibrační plochy nebo kalibračního prostoru se pohyb koná, tím méně přesné jsou výsledky. Chyba v nastavení kalibračního systému ovlivní všechny vypočítané souřadnice!

V praxi obvykle nebude možné zaznamenat kalibrační systém ve stejném okamžiku jako pohyb, ale bude možné ho zaznamenat před začátkem nebo po skončení pohybu. Velmi krátký záznam, v podstatě i jeden snímek, je pro kalibraci dostačující. S kamerou by se nemělo hýbat nebo měnit zoom mezi nahráváním kalibračního systému a samotného pohybu.

Používání 2D kalibrace

Dvou dimensionální nahrávky se hodí pro pohyby, které se odehrávají v rovině, to znamená pro takové, které nemají prostorovou hloubku.

Příklady: skákání a protahování, chůze po běžícím pásu, atd. Pro 2D nahrávky je dostačující jedna kamera.

Pouze takové souřadnice, které leží v kalibrační rovině, mohou být zaznamenány správně. Čím dále jsou body od této roviny, tím méně přesné jsou výsledky.

Popis

Do tohoto textového okna vepište jméno 2D kalibračního systému.

Horizontála

Vepište délku použité vodorovné úsečky v metrech.

Vertikála

Vepište délku použité svislé úsečky v metrech.

Kalibrační body

Do textových oken vepište jména kalibračních bodů.

Import

Zde mohou být importována data 2D kalibrace (*.ca2) novějšího Motion 5.X stejně jako kalibrační data (*.cal, *.koo) staršího Motion 4.x.

Export

Zde mohou být exportována a uložena kalibrační data, což umožňuje využívat tato kalibrační data v ostatních projektech. Například jestliže je použit stejný kalibrační systém pro různé projekty, pak může být vždy použit stejný kalibrační soubor.

Vlastnosti 2D kalibrace

Toto kontextové menu obsahuje následující položky:

Označení souřadnic

Po zaznamenání pohybu jsou označeny souřadnice bodů (nezpracovaných dat). Toto může být provedeno buď kliknutím myší na tyto body (bod za bodem, snímek za snímkem), nebo automatickým sledováním (algoritmy zpracování obrazu).

Jestliže je použito automatické sledování, musí být na požadované body (např. lidské klouby) před samotným nahráváním umístěny světlé nebo tmavé značky (např. nálepky). Uživatel pak musí každý bod určit jen jednou a od té doby je sledování videosekvence prováděno počítačem. Zásah uživatele je pak nutný pouze v případě potíží (např. když jsou zakryté značky).

Výběr startovacího snímku (Select starting frame)

Klikněte na Tracking v dialogovém okně Camera Properties, aby se otevřelo dialogové okno Select Starting Frame.

Startovací snímek vymezuje první snímek nahrané sekvence. Používá se pro synchronizaci videozáznamů, které byly pořízeny různými kamerami. Požadovaný snímek může být buď vybrán použitím posuvné lišty v horní části dialogového okna, nebo může být definován pomocí akustického nebo optického signálu. V obou případech klikněte na tlačítko Apply, aby byla vaše nastavení uložena.

Optický signál

Jestliže byla zvolena možnost Optický signál, je možné nastavit automatické vyhledávání změn v určitých částech snímku (např. světelný signál).

Aby se tak stalo, je třeba kliknout na tlačítko Set Area a potom na požadovaný bod na obrázku. Použijte posuvné lišty pro definování velikosti oblasti, ve které by měl software změny hledat.

Zvuková stopa

Jestliže byla zvolena tato možnost, pak lze startovací snímek definovat použitím zvukové stopy videoklipu. Pro požití této možnosti je nutné, aby byl signál nahrán na všech použitých kamerách synchronně. Je zde k dispozici možnost rozvodné krabice, která může poslat patřičný signál současně do všech video nahrávacích zařízení: Pro nalezení startovacího rámečku hledejte stoupající nebo klesající křivku audio signálu.

2D nahrávací vlastnosti

Pro otevření nabídky klikněte na tlačítko Properties (vpravo nahoře).

Záznam pohybu

Zvýrazněná čára udává stávající bod. Pro uložení souřadnic klikněte myší na bod ve videosnímku. Zvýraznění se přesune na další bod.

Pro přesnější umístění bodů na záznamu je možné použít lupu v pravém dolním rohu dialogového okna. Pro přesné umístění bodu musíte zmáčknout levé tlačítko myši dokud nenajdete optimální pozici bodu s pomocí lupy.

Ovládání myší

Klávesa	Tlačítko myši	Akce	Výsledek
	levé	kliknout	určení bodu
Shift	levé	tažení	upravení plochy XY
Ctrl	pravé	kliknout	zvětšení
Ctrl+shift	pravé	kliknutí	zmenšení

Pro otevření kontextového menu klikněte na symbol pravým tlačítkem myší.

Zobrazit bod (Show point)

Kurzor myši se automaticky objeví na dříve definované pozici bodu.

Automatické sledování

Nutným předpokladem pro automatické sledování je kvalitní nahrávka značek, proto musí být jejich barvy v kontrastu s okolím. Před započetím automatického sledování musí být nejprve na prvním snímku všechny body označeny manuálně. Po dokončení této procedury klikněte na tlačítko nad seznamem a v kontextovém menu klikněte na track automatically. Automatické sledování začne kliknutím na tlačítko a nastavením možnosti search automatically. Jinak budou muset být obrázky přepínány ručně jeden po druhém. Pro dosažení lepších výsledků automatického sledování existuje možnost manuálního přednastavení bodů, které mají být nahrány.

Pro toto nastavení je nutné vybrat v příslušné položce kontextového menu možnost Properties, načež se otevře následující dialogové okno.

(Automatické sledování je aktivováno jestliže je označena možnost Use Advanced Tracking v okně Options [Edit → Options → General])

Barvy mohou být v počítači reprezentovány různými způsoby. V tomto dialogovém okně je vypsáno pouze několik zobrazovacích možností. Jednotlivé složky musí být nastaveny tak, aby vyhledávací šablona (část obrazu v okolí značky) byla dobře pokryta. Čím precizněji je toto provedeno, tím lepší jsou následující výsledky hledání. Značky, které jsou špatně rozpoznatelné musíte znovu nastavit. Toto se stává v případě, že barevný interval značky je nastaven tak, že její okolí s ní splývá. Všechny hodnoty v rozmezí barveného intervalu patří ke značce, zatímco hodnoty nad maximem nebo pod minimem tohoto intervalu již ke značce nepatří. Jestliže byla učiněna veškerá nastavení barev (vymezení a rozsah barev), můžete si v pravé dolní částí dialogového okna nechat zobrazit výsledky jednotlivých značek. Jestliže kliknete na tlačítko Cancel budou obnoveny přednastavené hodnoty. Klikněte na OK pro použití nových nastavení. Stejným způsobem lze postupovat u všech ostatních položek. Jestliže nyní zvolíte možnost Search Automatically, program se v každém videosnímku automaticky pokusí o rozpoznání značek, které byly dříve označeny manuálně. Jestliže se tlačítko před daným bodem zbarví žlutě, znamená to, že program dokáže příslušnou značku rozpoznat s přesností nižší, než je uváděna v dialogovém okně Properties. Jestliže přesnost rozpoznání leží pod touto hranicí tak tlačítko před daným bodem zčervená a možnost automatického sledování je zrušena. Potom tento bod musí být buď sledován manuálně nebo jeho vlastnosti musí být zadány přesněji. Chcete-li přerušit automatické sledování stiskněte tlačítko Esc.

Výpočet 2D souřadnic s měřítkem

Za předpokladu, že byla provedena platná 2D kalibrace, jsou z bodů zaznamenaných buď manuálně nebo s použitím automatického sledování vypočteny 2D souřadnice s měřítkem. Odpovídající složka je uložena ve složce příslušné kamery v projektové hierarchií.

Standardní data

Tento výpočet je založen na standardních datech, kterými jsou buď nezpracovaná data nebo filtrovaná data. Tato volba je učiněna v kontextovém menu odpovídající složky. Standardní data se zobrazí červeně. Je proto možné vyzkoušet účinky různých filtrů na výsledné 2D souřadnice.

Upravit nezpracovaná data

Pro úpravu nezpracovaných dat musíte kliknout na složku Raw Data → Edit Raw Data pomocí pravého tlačítka myši (nebo ve 2D sledování přímo na tlačítko příslušné položky) a objeví se následující dialogové okno:

Zaznamenaná data mohou být upravena a jakékoliv chyby při záznamu pohybu mohou být v tomto okně opraveny.

Poznámka: příkazy v tomto okně ovlivňují nezpracovaná data. Jakékoliv učiněné změny ovlivní všechny ostatní vypočtené hodnoty (souřadnice, rychlost, úhly, atd.)

Nástrojová lišta

Filtrovaná data

Pro vytvoření filtrovaných dat musíte označit nezpracovaná data a potom v kontextovém menu těchto nezpracovaných dat zvolit možnost create filtered data. Pomocí volby properties můžete upravit filtrovaná data. V dialogovém okně, které se objeví jsou různé možnosti jak filtrovat data.

Generování nových 2D souřadnic

Je také možné generovat 2D souřadnice výlučně zvolením příkazu New 2D Calculation v kontextovém menu požadované kamery. Tento nový výpočet může být založen buď na nezpracovaných datech, filtrovaných datech nebo standardních datech.

Zobrazování dat

Čárové vykreslení

S množinami dat je nyní možné pracovat ve formě čárového vykreslení, nebo mohou být exportovány do dalších programů.

V tomto okně je zaznamenaný pohyb zobrazen v abstraktní formě. Když stiskneme levé tlačítko myši a budeme jí pohybovat v horizontálním směru můžeme nákresem otáčet.

2D klidové měření

Freeze-frame measurement (měření pozastaveného obrazu) je volitelnou částí produktu a proto není dostupné v každém systému. Tímto způsobem lze měřit úhly a vzdálenosti v jednotlivých snímcích. Aby to však bylo možné je třeba správně provést 2D kalibraci a následně v menu vlastnosti zvolit 2D still mode.

Pro měření úhlů nebo vzdáleností vyberte v seznamu požadovaný typ a potom v závislosti na zvoleném úhlu nebo vzdálenosti klikněte ve video snímku dvakrát až čtyřikrát.

Druh	Počet bodů
Uhel definovaný 3 body	3
Úhel mezi 2 přímkami	4
Úhel s horizontálou	2
Úhel s vertikálou	2
Vzdálenost	2
Horizontální vzdálenost	2
Vertikální vzdálenost	2

Výsledek je zobrazen okamžitě.