MX2007010151A

MX2007010151A - Sistema de captura opto mecanico para la medicion de movimiento de objetos y/o cuerpos flexibles de forma indirecta.

Info

Publication number: MX2007010151A
Application number: MX2007010151A
Authority: MX
Inventors: Hernando Ortega Carrillo
Original assignee: Univ Mexico Nacional Autonoma
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-20
Also published as: CA2697013A1; CA2697013C; WO2009025540A2; US8717369B2; US20110187728A1; WO2009025540A3

Abstract

Sistema de captura de movimiento opto mecánico para medir movimiento de cuerpos y objetos de forma indirecta enfocado principalmente a coyunturas de materiales flexibles o que presentan deformación, lo cual dificulta la instrumentación con sensores rígidos tales como los potenciómetros. Esta invención consiste en un dispositivo de adquisición de imágenes o cámara y una cama de visualización en la cual se disponen una serie de cables de transmisión los cuales llevan los movimientos generados en las partes flexibles a sensar hasta dicha cama de visualización. La cámara se dispone de tal forma que le sea posible captar la imagen de los cables de transmisión permitiendo determinar su desplazamiento y por ende el de los objetos sensados. El objetivo principal de esta invención es permitir la medición de los movimientos de las partes flexibles de cuerpo humano de forma sencilla barata y cómoda para el usuario del dispositivo.

Description

Sistema de captura opto mecánico para la medición de movimiento de objetos y/o cuerpos flexibles de forma indirecta DESCRIPCIÓN CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema opto mecánico para medir el movimiento de objetos y/o cuerpos flexibles, tales como las coyunturas de humanos o animales, de forma indirecta y mapearlos a un personaje y se inscribe en el campo de la captura de movimiento, que puede ser aplicado a la animación de personajes digitales en películas o actuaciones en vivo, control de robots, interfaces, interacción en general con la computadora y videojuegos. ANTECEDENTES Existen diversas áreas de la técnica donde se requiere medir los movimientos del cuerpo humano, una de ellas, y que ha cobrado un gran auge económico en los últimos años es la animación por computadora. Dentro de ésta área el registro de los movimientos del cuerpo para su aplicación a personajes animados se denomina Captura de Movimiento. Dicha técnica de animación consiste en registrar los movimientos de un actor para mapearlos a un personaje. La ventaja de utilizar la Captura de Movimiento sobre la animación tradicional es que permite acelerar la producción ya que evita tener que utilizar grandes grupos de animadores que manualmente generan los movimientos cuadro por cuadro. Otra ventaja de esta técnica es que permite dotar de una mayor expresividad en los personajes, ya que los movimientos son obtenidos directamente de un actor. El hecho de registrar la posición de ciertas partes del cuerpo, la velocidad de su movimiento, sutiles aceleraciones y duración del mismo, imprime un realismo a la actuación de los personajes animados que no seria posible de otra manera. Es fácil imaginar que la animación por computadora no es la única área de aplicación de la Captura de Movimiento. En el momento que podemos determinar los movimientos de las partes del cuerpo es posible utilizar esta técnica como un medio de interfaz en áreas de control como tele-robótica y tele-cirugía. Existen diferentes técnicas para detectar los movimientos del cuerpo, entre ellas las más económicas y que ofrecen mayor precisión son las que utilizan medios mecánicos para hacer las mediciones. Los sistemas que se basan en este tipo de técnicas se denominan como Sistemas de Captura de Movimiento Mecánicos. Por lo general este tipo de sistemas buscan medir la flexión existente entre las partes móviles del cuerpo. La principal dificultad que presentan es que se requiere acoplar sensores a partes flexibles del cuerpo. Dichos sensores por lo regular son elementos electrónicos rígidos como potenciómetros, codificadores, etc., por lo que su uso suele ser incomodo y poco práctico. El objetivo principal de la presente invención es precisamente permitir la medición de los movimientos de cuerpos flexibles de humanos o animales por medios mecánicos de forma sencilla, barata y cómoda para el usuario del dispositivo. En el estado de la técnica existen diversos métodos para registrar los movimientos del cuerpo humano con diversos fines: animación por computadora, control, robótica, entre otros. Esta actividad de medición y registro de los movimientos del cuerpo humano se denomina Captura de Movimiento, y ha cobrado auge en los últimos años por su aplicación en la animación por computadora. A. Menache. Understanding motion capture for computer animation and video games. San Diego : M. Kaufmann : Academic, c2000. Para realizar una animación utilizando captura de movimiento simplemente se registra la posición relativa o absoluta de cada parte móvil del cuerpo de un actor y dichos datos se mapean a las partes móviles del cuerpo de un personaje. Existen diversos tipos de sistemas de captura de movimiento, los cuales, de acuerdo a la técnica utilizada pueden clasificarse en 3 grandes grupos: ópticos, magnéticos y mecánicos.

Los sistemas ópticos utilizan marcadores sobre las partes móviles del cuerpo, dichos marcadores son registrados por cámaras desde diferentes puntos de vista para después por medio de triangulaciones inferir la posición tridimensional de cada uno de estos marcadores dentro de un cierto espacio. Uno de los problemas de este tipo de sistemas es precisamente que el espacio donde puede realizarse el registro de los marcadores esta limitado por el número, la posición, campo visual, y resolución de las cámaras. Dicho espacio también debe tener una iluminación adecuada y en lo posible no debe contener objetos que obstruyan la visibilidad de las cámaras. A pesar de mantener un ambiente controlado dentro del espacio de captura muchas veces no puede evitarse la oclusión de los marcadores por las partes del cuerpo de los actores. La oclusión puede tratar de evitarse incrementando el número de cámaras, cubriendo con ello un mayor número de puntos de vista, pero con ello se incrementa el poder de cómputo necesario para calcular la posición de los marcadores. La calibración de estos sistemas también suele ser tardada ya que se debe conocer la posición de cada cámara y calibrar cada una de ellas con una serie de marcas patrón. Dada su complejidad y cantidad de equipo necesario, estos equipos suelen ser extremadamente caros. La principal ventaja de los sistemas ópticos es que el usuario no debe portar sensor alguno, solo ropa de color contrastante al color de los marcadores, por lo que puede moverse libremente dentro del espacio de captura. Otra ventaja es que también es posible la captura de movimiento de múltiples actores al mismo tiempo y dentro del mismo espacio de captura. Los sistemas magnéticos utilizan una serie de emisores de campo electromagnético que a diferentes frecuencias envían señales que pueden ser detectadas dentro de un cierto campo de acción por una serie de sensores. El principio utilizado por estos sistemas es que la intensidad del campo decrece uniformemente y de forma proporcional a la distancia entre emisor y receptor, por lo que es posible calcular la distancia existente entre un emisor de campo y un sensor, la frecuencia a que es emitido dicho campo sirve para discernir de qué campo en específico se trata. Conociendo de antemano la posición de cada emisor de campo es posible calcular por triangulación la posición de cada sensor, por lo que cada sensor se fija a cada parte del cuerpo cuya posición se desea saber. La principal desventaja de este tipo de sistemas es que es muy sensible a la interferencia generada por objetos metálicos que alteran el campo electromagnético entre el emisor y el receptor por lo que requiere mantener dicha área con un ambiente controlado. Otra desventaja es que las mediciones, al igual que en el caso de los sistemas ópticos, también están limitadas a una determinada área. La ventaja de estos sistemas ante los sistemas ópticos es su precio. Finalmente, los sistemas mecánicos son aquellos que se basan en la medición directa, por medio de contacto mecánico, de la flexión existente entre dos partes móviles del cuerpo tales como son las coyunturas. Esta flexión por lo regular representa una rotación o desplazamiento relativo entre una parte y otra. Para poder hacer las mediciones los sensores se disponen directamente sobre el cuerpo formando una especie de exoesqueleto sobre el mismo. En general la medición directa de los movimientos del cuerpo ofrece una mayor exactitud, por lo cual es el método utilizado en tele-cirugía, a un menor costo. Sin embargo el uso de sensores sobre el cuerpo puede llevarnos a tener un problema de obstrucción si no se trata adecuadamente. Los sistemas más sencillos disponen elementos electrónicos rígidos como potenciómetros, codificadores, etc. en las partes móviles del cuerpo, todos ellos sujetos a un exoesqueleto rígido que garantiza la correcta posición de dichos sensores. Es fácil observar que esta metodología puede ser incomoda. Sin embargo, existen sistemas más complicados y caros que utilizan sensores flexibles como fibras ópticas y galgas tensométricas, las cuales son colocadas también sobre las partes móviles del cuerpo mediante ropajes ajustados, formando así un exoesqueleto flexible. Si bien con el uso de sensores flexibles se pierde un poco de precisión en las mediciones de los movimientos, también es cierto que dicha precisión no es necesaria en el campo de la animación. El sistema de la presente invención resuelve los problemas existentes en los sistemas de captura de movimiento, retomando las ventajas de los sistemas mecánicos con sensores flexibles y combinándolo con las ventajas de los sistemas ópticos, pero a un menor costo. La metodología que se utiliza se basa en la detección y transmisión de los movimientos del cuerpo por medios mecánicos y la medición de cada uno de ellos por medios ópticos. Con este procedimiento mixto se eliminan las desventajas inherentes de ambas metodologías aplicadas. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El sistema de la presente invención permite medir indirectamente el movimiento de de objetos y/o cuerpos humanos o animales en particular las diferentes partes flexibles del cuerpo humano o de animales, utilizando un solo sensor y múltiples transmisiones mecánicas flexibles. La invención se refiere en general a un sistema de captura de movimiento opto mecánico para medir el movimiento de objetos y/o cuerpos de forma indirecta que comprende: al menos un dispositivo de adquisición de imágenes o cámara (1 ), cuya función es capturar la imagen (3) del conjunto de cables de transmisión (5) dentro de la cama de visualización (2) que a su vez se integra de un conjunto de canaletas huecas en cuyo interior de cada una pasan con libre movimiento cada uno de los cables de transmisión (5) que a su vez pasan por el interior de un canal flexible (4) cuyo extremo se fija el elemento de soporte (6) y a partir del cual se deja expuesto el elemento de transmisión (5) que corre libremente y que fija su extremo en el elemento de soporte contrario (7), el soporte flexible (8) sobre el cual pueden acoplarse los elementos de soporte (6 y 7) mantiene una distancia entre la base de ambos (d1 ).

Particularmente este sistema de captura de movimiento opto mecánico se caracteriza porque utiliza sólo un sensor optoelectrónico y múltiples transmisiones mecánicas flexibles. Además la cama de visualización (2), permite ordenar en columnas cada uno de los cables de transmisión cuya posición es proporcional a la flexión existente en las partes móviles a sensar, y particularmente se integra por un conjunto de canaletas huecas o espacios reservados por cuyo interior de cada una pasan con libre movimiento cada uno de los cables de transmisión (5), y estos a su vez sirven como marcadores ante una cámara. Gracias a la cama de visualización es que puede haber un solo sensor que de forma centralizada detecte el movimiento de todos los marcadores. Otra particularidad de la invención es que el canal flexible (4), por el cual también viaja libre el cable de la transmisión (5), esta fijo a la cama de visualización (2). Las particularidades de la presente invención respecto de los materiales con los cuales se puede elaborar son los siguientes: • Los cables de transmisión (5) pueden ser de acero, de hilo plástico tipo material o cualquier otro material. • La cama de visualización (2) se puede construir de cualquier material como vidrio, plástico, policarbonato celular transparente o algún otro material que permita ver al interior de la misma. • El lado (2.a) de cada canaleta, visible a la cámara (1 ), puede estar constituido entre otros por un material transparente, como vidrio, plástico, policarbonato celular transparente o algún otro material que permita ver en el interior de ellas la posición de cada cable de transmisión; · El lado opuesto (2.b) de la cama de visualización debe ser sea opaco y contrastante al color de los cables de transmisión. El lado opuesto (2.b) de la cama de visualización se puede pintar u obstruir con cualquier otro material como una cartulina o papel.

Descrito lo anterior, puede decirse que el principio de funcionamiento de esta invención es el siguiente: • Cada soporte flexible (8) se acopla a una coyuntura a sensar de tal forma que cada uno de los soportes (6) y (7) queden en extremos opuestos de la misma, detalle F de la figura 2.

• El extremo contrario de cada transmisión flexible se dispone en la cama de visualización (2) de tal forma que pueda ser visualizado por la cámara (1 ).

• Dispuesto todo de esta manera al generarse alguna flexión, detalle G de la figura 2, en la coyuntura sensada la magnitud de dicha flexión podrá ser detectada por la cámara (1 ). Una de las aplicaciones de este sistema de captura de movimiento óptico mecánico de la presente invención es la de permitir detectar y transmitir de forma mecánica los movimientos a sensar, transportándolos por medios mecánicos flexibles a un sensor central donde son medidos en forma óptica. De esta manera se contrarrestan las desventajas de los sistemas netamente ópticos, mecánicos o magnéticos y se aprovechan de mejor manera las ventajas de los mismos. Con lo anteriormente descrito el uso de la cama de visualización garantiza un medio de contraste donde la posición de los cables de transmisión se relaciona con el desplazamiento de las partes móviles a sensar. Esta cama también garantiza el movimiento restringido de dichos marcadores, por lo que no se requiere de grandes recursos de cómputo para estimar los movimientos como sucede en los sistemas ópticos tradicionales. Cada marcador dentro de la cama de visualización esta conectado mecánicamente por medio de una transmisión flexible al elemento cuyo movimiento se desea sensar. De esta forma todos los movimientos son llevados del lugar donde se producen al lugar donde serán detectados y que por definición siempre es visible para el sensor central. Esto resuelve el problema de oclusión de marcadores inherente de los sistemas ópticos tradicionales.

La detección de movimientos en la cama de visualización se encuentra desacoplada eléctricamente por lo que no le afectarán descargas de electricidad estática o campos electromagnéticos como sucede con los sistemas mecánicos y ópticos que requieren ambientes controlados. Una de las principales ventajas que se desprende de utilizar un solo sensor, es que el sistema puede protegerse del ruido de origen electromagnético en forma centralizada, es decir, blindando únicamente al elemento electrónico. Dado que la medición de movimientos se realiza por medios ópticos, no existe desgaste ni el ruido producido por la fricción, característico de los sistemas mecánicos que utilizan potenciómetros. Las transmisiones mecánicas que transportan los movimientos a los marcadores están hechas de materiales flexibles similares a los de las sondas médicas. Dicha flexibilidad garantiza el libre movimiento de las partes flexibles del cuerpo humano sin restar fidelidad en la medición de los desplazamientos o rotaciones de las mismas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es una perspectiva convencional de la presente invención. Los detalles A, B, C, D y E muestran con mayor precisión las partes que conforman al sistema.

El detalle (A) presenta al dispositivo de adquisición de imágenes que denominaremos como "cámara" (1 ) y la imagen (3) del conjunto de cables de transmisión (5) dentro de la cama de visualización (2). El detalle (B) muestra la cama de visualización (2), integrada por un conjunto de canaletas huecas, por cuyo interior de cada una pasan con libre movimiento cada uno de los cables de transmisión (5). El canal flexible (4) por el cual también viaja libre el cable de la transmisión (5) esta fijo a la cama de visualización (2). La cama de visualización (2) presenta el lado visible (2.a) a la cámara de cada canaleta, que deberá ser transparente y el lado opuesto (2.b) de la cama de visualización (2) deberá ser contrastante al color de dichos cables. I El detalle (C) muestra al conjunto formado por un canal flexible (4) y un cable de transmisión (5), al cual se le denomina "transmisión flexible", a este mecanismo también se le conoce como "chicote" y su función es transferir el movimiento desde el lugar en que se genera a la cama de visualización. En el detalle (D) se muestra el elemento de soporte (6) sobre el cual se fija el extremo del canal flexible (4) y a partir del cual se deja expuesto el elemento de transmisión (5) corriendo libremente, fijando su extremo en elemento de soporte contrario (7). El soporte flexible (8) sobre el cual pueden acoplarse los elementos de soporte (6) y (7) mantiene una distancia entre la base de ambos (d1 ). De no existir flexión alguna la distancia entre la base de los elementos de soporte (d1 ) y su parte superior (d2) serán iguales. En este caso la posición que se observe del cable de transmisión dentro de la cámara de visualización (3) deberá tomarse como una posición inicial o de referencia. El detalle (E) muestra los mismos componentes del detalle (D) al momento de generarse una flexión. Puede observarse que la distancia (d2) entre los extremos superiores de los soportes (6) y (7) se incrementará en forma proporcional a la flexión inducida. De esta manera el cable de transmisión (5) es tirado a través del canal flexible (4) y esto podrá observarse en la cama de visualización (2) como un repliegue del cable correspondiente. La figura 2 muestra el detalle F y G, que presentan los mismos componentes que los detalles D y E de la figura 1 , el detalle F presenta el soporte flexible (8) acoplado a la coyuntura a sensar de tal forma que cada uno de los soportes (6) y (7) queden en extremos opuestos de la misma. En el detalle G se presenta el soporte (8) acoplado a la coyuntura a sensar en el momento de generarse alguna flexión. EJEMPLOS El siguiente ejemplo es para ilustrar la invención pero en ningún momento es para limitarla.

Ejemplo 1. Detección de movimientos para el cuerpo humano Para comprobar la viabilidad de esta invención se construyó un sistema tal como el que se muestra en la figura 1. Los elementos que lo forman se ¡mplementaron de la siguiente forma: • Como dispositivo de adquisición de imágenes se utilizó una cámara-web con velocidad de captura de 30 cuadros por segundo y una resolución de 640x480, dispuesta a 10 cm de la cama de visualización. Las imágenes obtenidas con este dispositiva eran enviadas a una computadora para su procesamiento.

• Para construir los chicotes se utilizaron tramos de 1.5 m de cable de acero de 0.5 mm de diámetro y cubiertas flexibles hechas con tubo de vinilo de 1.45 m con un diámetro interior de 1 mm, y diámetro exterior de 2 mm.

• Como cama de visualización se utilizó una placa de 20x20 de policarbonato celular transparente de 2 mm de espesor, con un fondo de contraste hecho de una cartulina blanca de papel. El soporte flexible (8) se acopló a una coyuntura dejando cada uno de los elementos de soporte (6) y (7) en extremos opuestos de la misma (figura 2, detalle F). El otro extremo del cable de transmisión se dispuso en una cama transparente formada por canaletas, de tal forma que quedaba a la vista de la cámara. Al doblarse la coyuntura de la figura 2 detalle G, el cable es jalado en relación a su cubierta provocando con ello un desplazamiento fácilmente detectable por la cámara (1 ) en la cama de visualización (2). De igual forma es posible medir el movimiento de coyunturas cuyos movimientos resultan más complejos tales como la base del pulgar y las muñecas de las manos. Esto se logró disponiendo para cada una de coyuntura y cada grado de libertad de la misma una transmisión flexible. observaron las siguientes características en el dispositivo construido: • Frecuencia de captura de movimientos: 30 muestras por segundo por sensor.

• Número máximo sensores:40. • Precisión en la rotación de las coyunturas: 1 grados, error:+- 0.25grados.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Sistema de captura de movimiento opto mecánico para medir el movimiento de objetos y/o cuerpos de forma indirecta que comprende: al menos una dispositivo de adquisición de imágenes o cámara (1 ), la imagen (3) del conjunto de cables de transmisión dentro de la cama de visualización (2) capturada por la cámara (1 ) que a su vez se integra de un conjunto de canaletas huecas en cuyo interior de cada una pasan con libre movimiento cada uno de los cables de transmisión (5) que a su vez pasan por el interior de un canal flexible (4) cuyo extremo se fija el elemento de soporte (6) y a partir del cual se deja expuesto el elemento de transmisión (5) que corre libremente y que fija su extremo en el elemento de soporte contrario (7), el soporte flexible (8) sobre el cual pueden acoplarse los elementos de soporte (6 y 7) mantiene una distancia entre la base de ambos (d1 ).

2. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque utiliza sólo un sensor y múltiples transmisiones mecánicas flexibles.

3. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 y 2 caracterizado la cama de visualización, permite ordenar en columnas cada uno de los cables de transmisión cuya posición es proporcional a la flexión existente en las partes móviles a sensar.

4. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque la cama de visualización (2), se integra por un conjunto de canaletas huecas, por cuyo interior de cada una pasan con libre movimiento cada uno de los cables de transmisión (5).

5. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 y 4 caracterizado porque los cables de transmisión (5) sirven como marcadores ante una cámara.

6. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de la reivindicación 1 y 4 donde el lado (2.a) de cada canaleta que es visible a la cámara por estar constituido entre otros por un material transparente, de forma que permite ver en el interior de ellas la posición de cada cable de transmisión.

7. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 y 4 caracterizado porque el lado opuesto (2.b) de la cama de visualización es opaca y contrastante al color de los cables de transmisión.

8. Sistema de captura de movimiento opto mecánico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque el canal flexible (4), por el cual también viaja libre el cable de la transmisión (5), esta fijo a la cama de visualización (2).

9. Uso del sistema de captura de movimiento opto mecánico de las reivindicaciones 1 a 9 para detectar y transmitir de forma mecánica los movimientos a sensar, transportándolos por medios mecánicos flexibles a un sensor central donde son medidos en forma óptica.