İnersiyal Algılayıcı Tabanlı Hareket Yakalama Inertial Sensor Based Motion Capture

Transkript

1 İnersiyal Algılayıcı Tabanlı Hareke Yakalama Inerial Sensor Based Moion Capure Tuba Kurban 1, Erkan Beşdok 1 1 Mühendislik Fakülesi Erciyes Üniversiesi ubac@erciyes.edu.r, ebesdok@erciyes.edu.r Öze Biyomekanik, navigasyon, simülasyon, sanal gerçeklik ve animasyon gibi birçok alanda kullanılan hareke yakalama eknolojisinin önemi giderek armakadır. Hareke yakalama için farklı algılayıcılar kullanan birçok farklı sisem gelişirilmekedir. İnersiyal abanlı hareke yakalama sisemleri yüksek hassasiye, yüksek hareke kabiliyei gibi özelliklerinden dolayı ercih edilmekedir. Bu çalışmada, Xsens Moven inersiyal hareke yakalama sisemi ile biyomekanik uygulamaları, kapalı alanlarda yaya navigasyonu ve karaker animasyonu gibi uygulamalara yönelik hareke verileri elde edilmiş ve bu veriler Moven Sudio oramında sayısallaşırılmışır. Elde edilen veriler, biyomekanik analiz, navigasyon ve 3 boyulu karaker animasyonu uygulamaları için hazır hale geirilmişir. Absrac Moion capure echnology has been widely used in biomechanics, navigaion, simulaion, virual realiy and animaion areas. Several moion capure sysems has been developed using differen moion sensors. Inerial sensor based moion capure sysems have high accuracy and mobiliy. In his paper, moion daa of biomechanical, indoor pedesrian navigaion and characer animaion movemens are capured wih Xsens Moven inerial moion capure sysem. Obained daa can be used for biomechanical analysis, navigaion and 3D characer animaion in fuure works. 1. Giriş Hareke yakalama eknolojisi son yıllarda biyomekanik, yaya navigasyonu, eğiim ve simülasyon, sanal gerçeklik ve karaker animasyonu alanlarında oldukça önem kazanmışır. Hareke yakalama (moion capure / mocap) harekein kaydedilmesi ve sayısal bir modele dönüşürülmesi olarak anımlanabilir. Bir hareke yakalama sisemi, akör veya akörlerin harekelerini saniyede pek çok kez örneklemekedir. Burada kaydedilen bilgi akörün dış görünüşü değil sadece yapığı harekelerdir [1]. Hareke yakalama 1970 lerden iibaren biyomekanik sahasındaki foogramerik analiz araçları ile başlamış ve eğiim, spor, sinema, bilgisayar animasyon ve bilgisayar oyunları gibi pek çok eknolojik alanda kullanılmaya başlamışır. Akusik, inersiyal, LED, manyeik veya reflekif işareleyicili veya bunların kombinasyonu şeklinde pek çok hareke yakalama sisemi gelişirilmişir. Hareke yakalama yazılımları pozisyon, açı, hız, ivmelenme ve darbe gibi pek çok ölçümü kaydemekedir. Biyomekanik, spor ve eğiimde, gerçek zamanlı veriler problemlerin çözümü için gerekli bilgiyi sağlamakadır [1]. Harekeli bir durumda insan vücu harekelerinin harici kameralar olmaksızın yakalanmasını sağlayan sisemler bulunmakadır. Mekanik algılayıcılar insan vücuduna giyilen açıölçerler kullanırlar. Bu açı ölçüm aygıları eklemlerdeki açı bilgilerinden kinemaik algorimalar kullanarak vücu pozisyonunu algılarlar. Vücudun yumuşak dokusu algılayıcılarda pozisyon haaları meydana geirir ve bu aygıların yerleşimi de oldukça problemlidir. İnersiyal algılayıcıların hareke analizinde kullanımı ercih edilen bir yönemdir [2,3]. Kesin bir şekilde oryanasyon bilgisinin elde edilmesinde pek çok yönem önerilmişir [4]. Akseleromereler yerçekimine göre dikey ivmeyi ölçerek yön bilgisi üreirler. Manyeik algılayıcılar yaay eksende bir pusula gibi kararlılığı sağlarlar. Bunun gibi pek çok algılayıcıdan gelen bilgiler sürekli olarak oryanasyon bilgisinin elde edilmesini sağlar. Her bir vücu ekleminden hesaplanan oryanasyonlar kullanılarak vücu pozisyonu espi edilir [5]. Şekil 1: Xsens Moven hareke yakalama donanımı. Karmaşık vücu eklemlerinin ve sır, omuz gibi sabi olmayan

2 vücu bölgelerinin doğru bir şekilde izlenmesi üçen fazla serbeslik derecesi ile mümkün olabilir. Oryanasyon abanlı bir hareke yakalama siseminde koşma ve zıplama esnasındaki ayakların analizi mümkün olmamakadır [2]. İnersiyal algılayıcı modülleri ile vücu eklemlerinin alı serbeslik derecesinde izlenebilmesi ancak jiroskop ve akseleromerelerin dahil edilmesiyle gerçekleşirilebilir. Ancak birleşirmede meydana gelen kaymalardan dolayı, elde edilen kesirimler ancak birkaç saniyelik süre için doğrudur [6]. Akusik veya manyeik izleyiciler gibi diğer vücuda giyilen sisemler ile inersiyal kesirimlerin birleşirilmesi ile kaymalar önlenebilir. Xsens Moven hareke yakalama sisemi amamen giyilebilir algılayıcılardan oluşan bir hareke yakalama sisemidir. Sisem vücu bölümlerinin oryanasyon ve pozisyon değişikliklerini jiroskop ve akseleromere işarelerinin birleşirilmesiyle vücudun biyomekanik karakerisiğini oraya koymakadır. Aynı zamanda sisem, 120 Hz güncelleme hızı ile gerçek zamanlı olarak çalışmakadır. Moven Sudio yazılımı sayesinde harekelerin üç boyulu olarak incelenmesi ve kaydedilmesi sağlanabilmekedir [2]. Kalibrasyon aşamasında algılayıcı modülünün vücu bölümüne göre oryanasyonu ve eklemler arasındaki rölaif uzaklıkların hesaplanması gerekir. Daha önceden belirlenmiş olan bir pozisyonun kullanıcı arafından gerçekleşirilmesi isenmekedir. T pozisyonu adı verilen duruş Şekil 2 de verilmişir. Algılayıcının vücu bölgesine olan roasyonu ( BA q ), küresel çerçevedeki algılayıcının oryanasyonu ( KAq ) ile her bir bölgedeki bilinen oryanasyonlar ( KBq ) eşleşirilerek bulunur [2]: KB q = KAq BA (1) q Burada kuaerniyon çarpımını ve * kuaerniyonun kompleks eşleniğini belirmekedir [8]. Bir sonraki aşamada kişiye belli bir hareke yapırılarak oryanasyon ve açısal hız bilgileriyle algılayıcı oryanasyonu hesaplanır. Bu çalışmada inersiyal algılayıcı abanlı bir hareke yakalama sisemi ile yürüyüş, folklör ve merdiven iniş/çıkış harekelerinin yakalanması uygulamaları gerçekleşirilmişir. 2. İnersiyal Hareke Yakalama Arabirimi Xsens Moven hareke yakalama arabirimi 16 MTx algılayıcı ve 2 Xbus Maser akarıcıdan meydana gelmekedir [7]. MTx; 3B jiroskop, akseleromere ve manyeomerelerden oluşan bir inersiyal ölçüm modülüdür. Büün algılayıcılar Xbus Maser cihazlarına bağlıdırlar ve senkronize edilen üm algılayıcı bilgileri kablosuz olarak en yakın bilgisayara ileilir. Algılayıcı ve kablolar bir likra elbiseye enegre edilmişir ve sisemin oplam ağırlığı 1.9 kg dır. Algılayıcı modüller ayaklar, al bacaklar, üs bacaklar, pelvis, omuzlar, kafa, üs kollar, ön kollar ve ellere Şekil 1 deki gibi yerleşirilir. Algılayıcıların vücuda yerleşirilmesinde hangi algılayıcının vücua hangi bölgede olduğu bilinmediği için bir kalibrasyon aşamasına ihiyaç duyulmakadır. Algılayıcıdan elde edilen bilgiler kesirim ve düzelme adımları içeren bir algılayıcı füzyon mekanizması ile birleşirilir. Kesirim aşamasında büün algılayıcılardan elde edilen bilgiler inersiyal navigasyon sisemi (INS) algorimaları ile işlenir. Daha sonra vücu bölgelerinin kinemaiği kesirilir ve vücudun biyomekanik modeli oraya çıkarılır. Zamanla inersiyal algılayıcılardan gelen bilgilerin birleşirilmesi sırasında gürülü, işare kayması veya oryanasyon haalarından kaynaklanan kayma haaları meydana gelir. Oryanasyon, hız ve pozisyon gibi bilgilerin elde edilmesi algılayıcı füzyon mekanizması sürekli olarak güncellenir [2]. Haa düzelme aşaması insan vücudunun biyomekanik karakerisikleriyle güncellenir. Eklemler vücudun dış dünyaya emas nokaları pozisyon ve hız ve diğer yardımcı algılayıcılar da bu adımda kullanılır. Elde edilen kinemaikler INS algorimasına ve kinemaik adımına her aşamada geri beslenir [2]. Şekil 2: T pozisyonu. Hız jiroskopları, açısal hızı ölçer (ω). Açısal hızın zamana göre inegrali alınırsa, açıdaki ve oryanasyondaki değişimi bulunur: KA q 1 = KA Ω 2 Burada ( KAq ), anında algılayıcıdan (A) küresel çerçeveye (K) olan roasyonu anımlayan kuaeriyondur. T = ( 0, ωx, ω y, ωz ) Ω ise ω açısal hızının kuaerniyon göserimidir. Lineer akseleromereler ivme (a) ve yer (2)

3 çekimini (g) algılayıcı koordinalarından vekör olarak ölçerler. Algılayıcı işareleri eğer algılayıcının oryanasyonu ( KAq ) biliniyorsa küresel referans siseminde şu şekilde ifade edilir [2]: + Burada x ve x Kalman güncellemesinden önceki ve sonraki durumları ve G ise Kalman kazancını belirir [9]. ( Ka K g ) = KAq ( Aa Ag ) KA (3) g Yer çekimi bileşeni denklemden çıkarılırsa ivmenin ( a ) hıza ( v ) göre bir kez ve pozisyona ( p ) göre iki kez inegrali alınırsa [2]: ( K ) = K (4) p a INS kinemaikleri vücu bölümlerinin kinemaiklerine akörün vücudunun vücu bölümlerinden meydana geldiği ve bu bölümlerin birbirine eklemler ile bağlı olduğu bir biyomekanik model kullanılarak ransfer edilir. U ile isimlendirilmiş bir vücu bölümüne ai eklem orjininin pozisyonu P ), oryanasyon KB ), uzunluk ( A U ), ( U 0 ( qu bilinirse, küresel çerçevedeki bir nokanın pozisyonu ( PU 1), şu şekilde hesaplanır [2]: K P = K U1 PU 0 + KBqU BSU KB qu =0 da L vücu bölümünün orjini ( P L0 ), nokasından U vücu bölgesinin P ), nokasına bağlıdır. ( U1 Her inersiyal ve vücu kinemaiği kesirimi aşamasında eklem pozisyonu ve roasyonunun haası ararak birikir. Bu haaya neden olan emenler algılayıcı gürülüsü ve harekelerle ilgili gürülülerdir. Bu haalar eklem ölçüm güncelleşirmeleri sırasında düzelilir. Haaların düzelilmesinde Kalman filresi kullanılır. Her bir eklem için pozisyon ilişkisi şu şekilde anımlanır [2]. y Cx + (5) = ω (6) Burada x U ve L ile isimlendirilen vücu bölgelerinin anındaki pozisyonlarını ihiva eden durum vekörüdür. C y ölçümündeki durum vekörüyle ilişkili olan marisir. ω ölçüm gürülüsüdür. İki vücu bölümü birleşiğinde ölçüm marisi olan C şu şekilde anımlanır: C = [ I 3 I3] (7) burada I 3 3x3 lük birim marisi sembolize eder. Bir Kalman filresi kullanılarak durum kesirimi şu şekilde yapılabilir: + = x x + G( y C x ) (8) Şekil 3: Global koordina siseminde vücu bölümleri koordina sisemleri [2]. Moven füzyon mooru her bir vücu bölümü için pozisyon, oryanasyon ve diğer kinemaik verisi B yi dünya sabi referans koordina sisemi K ye göre hesaplamakadır. Global koordina siseminde vücu bölümleri koordina sisemleri Şekil 3 de göserilmekedir. Varsayılan dünya sabi referans koordina sisemi kullanımı aşağıdakilerle birlike sağ el karezyen koordina sisemi olarak anımlanır [2]: Manyeik kuzey işare edildiği zaman X poziifir. Y sağ el koordinalarına göredir (Baı). Yukarı işare edildiği zaman Z poziifir. Genellikle, bir orak roasyon merkezden uzak bir KBB q bölümü ile birlike yakınsal KBA q segmeninin oryanasyonuyla anımlanır: BABB q = KBA q KBB q Burada x kuaerniyon çarpmayı ve * kuaerniyonun kompleks eşleniğini emsil emekedir. Orak açıları anımlayan, orak roasyon B A B Bq nun birkaç orak parameresi vardır: Cardan/Euler göserimi [10] Orak koordina sisemi [11] Sarmal açı [12] Kaydedilen mocap verisi uluslar arası sandarlar haline dönüşmüş BVH [13] veya FBX formalarına dönüşürebilir. Bu formalar 3d sudio max, XSI ve Moion Builder gibi popüler 3 boyu uygulamaları arafından direk olarak kullanılabilir. Özellikle Moion Builder uygulaması Moven Sudio yazılımı ile birlike çalışarak gerçek zamanlı karaker animasyonunu sağlayabilir. (8)

4 3. Uygulama 3.1. Biyomekanik hareke yakalama Biyomekanik uygulamalarında insanın harekelerinin çok hassas bir şekilde ölçülmesi gerekmekedir. Biyomekanik hasalık, yıpranma, yaşlanma, kaza ve zorlamalar sonucunda oluşan işlev bozukluklarını anımlamak amacıyla, fizyolojik işlevleri izlemek ve bunlarla ilgili veri oplamak için kullanılmakadır. diğer arafan, canlı sisemlerin edavi ve rehabiliasyonu, proez ve yapay organların asarımı, anaomik yapıların incelenmesi ve işlevlerin anımlanması uygulamalarında kullanılabilir [14]. Şekil 4 de merdiven iniş/çıkış harekeine ai mocap verilerinin elde edilmesi uygulaması görülmekedir. Uygulamaya başlamadan önce algılayıcıların kalibrasyonu için akör T- pozisyonuna geirilerek sisemin ilklendirme işlemi gerçekleşirilir. Daha sonra akörün belirli harekeleri yapması isenir. Bu uygulamada merdiven inme çıkma harekeine ai 3 boyulu mocap verileri elde edilmişir. Hareke esnasında elde edilen veriler kablosuz olarak akör yakınında bulunan bilgisayar isasyonuna gerçek-zamanlı olarak akarılmakadır. Şekil 5 da görülen uygulamada kapalı alanlarda navigasyon için bilinmediği varsayılan binanın planının çıkarılmasına yönelik bir hareke yakalama işlemi görülmekedir. Şekil 5: Kapalı alanlarda yaya navigasyonu için mocap verilerinin oplanması Karaker animasyonu Bilgisayar oyunları genellikle sporcuların veya doğa üsü güçleri olan karakerlerin animasyonu için harake yakalama sisemlerini kullanırlar. Sinema filmlerinde bilgisayar grafik efekleri için yine hareke yakalama sisemleri ercih edilmekedir. Şekil 6 da görülen uygulamada folklör yapan akörün halay çekme harekei sayısallaşırılarak Moven Sudio oramına akarılmışır. Bu aşamadan sonra elde edilen model, Moion Builder veya 3D Sudio Max gibi bir 3 boyulu animasyon yazılımına BVH veya FBX formaında akarılarak iskele üzerine arzu edilen karaker giydirilebilmekedir. Diğer arafan, elde edilen veriler uygun OpenGL oramlarına akarılarak bilgisayar oyunlarında kullanılabilmekedir. Şekil 4: Merdiven iniş/çıkış harekeine ai mocap verilerinin oplanması Kapalı alanlarda yaya navigasyonu Açık alanlarda navigasyon için GPS başa olmak üzere pek çok eknoloji gelişirilmişir. Ancak kapalı alanlarda bu eknolojiler kullanılamamakadır. Özellikle ifayecilik gibi kapalı alanlarda icra edilen ve ehlike arz eden meslek gruplarında kapalı alan navigasyonu oldukça önemlidir. En köü durum senaryoları şu şekilde özelenebilir: bina yerleşim planının bilinmiyor olması, zarar görmüş veya uygun olmayan çevre koşulları, muhemel sıfır görüş alanı (duman, sis vb.), RF ileişimi bozucu ekenler, hassasiye kısılamaları ve uzak mesafelerdir [15]. Şekil 6: Halay çekme harekeinin Moven Sudio oramına akarılması.

5 4. Sonuçlar Hareke yakalama eknolojisi son yıllarda biyomekanik, yaya navigasyonu, eğiim ve simülasyon, sanal gerçeklik ve karaker animasyonu alanlarında oldukça önem kazanmışır. Akusik, inersiyal, LED, manyeik veya reflekif işareleyicili veya bunların kombinasyonu şeklinde pek çok hareke yakalama sisemi gelişirilmişir. İnersiyal abanlı harake yakalama arabirimlerinin yüksek hassasiye, yüksek hareke kabiliyei gibi özellikleri ön plana çıkmakadır. Bu çalışmada, Xsens Moven inersiyal hareke yakalama sisemi ile akör üzerinde kalibrasyon işlemi gerçekleşirilmişir. Biyomekanik, kapalı alanlarda yaya navigasyonu ve karaker animasyonuna yönelik hareke verileri elde edilmiş ve Moven Sudio oramında sayısallaşırılmışır. Elde edilen veriler, daha sonraki çalışmalarda biyomekanik analiz, navigasyon ve 3 boyulu karaker animasyonu uygulamalarında kullanılacakır. [13] Lander, J., Working wih moion capure file formas, Game Developer, no. Jan., pp , [14] hp://biomechanics.me.meu.edu.r/presenaions/anao mi-biyomekanik pp [15] hp:// pers/beauregard_wpnc_omnidirecionalpdr.pdf 5. Teşekkür Bu çalışma TÜBİTAK 107Y159 kodu ile deseklenmekedir. 6. Kaynaklar [1] hp://en.wikipedia.org/wiki/moion_capure - [2] Roeenberg, D., Luinge, H., Slycke, P., Moven: Full 6DOF Human Moion Tracking Using Miniaure Inerial Sensors, Xsens Technologies, [3] Morris, J., Acceleromery A echnique for he measuremen of human body movemens, Journalof Biomechanic, vol. 6, pp , [4] Foxlin, E., Inerial-head racker sensor fusion by a complemenary separae-bias Kalman filer, in Proceedings of VRAIS 96, 1996, pp [5] Bachmann, E., Inerial and magneic racking of limb segmen orienaion for insering humans ino synheic environmens, PhD Thesis, Naval Posgraduae School, [6] Giasani, D., Macellari, V., Maccioni, G., Macellari, V., The developmen and es of a device for he reconsrucion of 3-D posiion and orienaion by means of a kinemaic sensor assembly wih rae gyroscopes and acceleromeers, IEEE Transacions on Biomedical Engineering, vol. 52, no. 7, pp , [7] Xsens Technologies, hp:// [8] Kuipers, J., Quaernions and Roaion Sequences, Princeon Universiy Press, [9] Gelb, A., Applied Opimal Esimaion, The M.I.T. pres, [10] Cole, G., Nigg, B., Ronsky, J., Yeadon, M., Applicaions of he join coordinae sysem o hreedimensional join aiude and movemen represenaion: a sandardizaion proposal, Journal of Biomechanics, vol. 115, no. 4A, pp , [11] Grood, E., Sunay, W., A join coordinae sysem for he clinical descripion of hree dimensional moions: applicaion o he knee, Journal of Biomechanics, vol. 105, no. 2, pp , [12] Kinzel, G., Hall, A., Hillberry, B., Measuremen of he oal moion beween wo body segmens. I Analyical developmen, Journal of Biomechanics, vol. 5, no. 1, pp , 1972.