Was ist die grobe Funktionsweise der Videogrammetrie? Welche Schritte sind notwendig?
Welches Problem kann bei Verwendung der Videogrammetrie auftreten, wenn die Bildebene nicht orthogonal zur Messebene im Koordinatensystem steht?
(?)
Es ist möglich, dass die Bewegung inkorrekt erfasst wird weil in der Projektion der Bewegung auf die Bildebene die Bewegung kaum oder nicht richtig erkannte werden kann.
Aus welchen drei Baueinheiten besteht ein Standard-Inertialsensor (IMU)?
Beschleunigungssensor
Magnetometer
Gyroskop
Warum entsteht bei IMUs Drift?
Wie versuchen IMUs diesen Drift zu kompensieren?
IMUs bestimmen die Position durch Integration der Winkelgeschwindigkeit aus dem Gyroskop. Dadurch kommt es mit zunehmender Zeit zur Anhäufung von Integrationsfehlern -> Drift
Um dies zu Kompensieren wird versucht durch abgleichen des Ergebnisse mit den Daten des Beschleunigungssensors und des Magnetometers die Position zu korrigieren.
Btw: Weil weil wir Integrieren müssen wir zu beginn die Integrationskonstanten bestimmen -> deshalb Kalibrieren zu beginn jedes Messgangs (oder?)
Welche Koordinatensysteme gibt es in der Biomechanik?
Segmentkoordinatensystem z.B. zentral in Hüftgürtel
Gelenkkoordinatensystem (JCS) in Gelenkzentrum
Was ist die Reihenfolge zum definieren der Rotationen im JCS?
Grood Suntay Konvention (GSC):
Bei der markergestützten Bewegungsanalyse werden Marker an definierten Körperpunkten auf der Haut platziert, um z.B. Kräfte/Momente in den Gelenken zu ermitteln. Welche Probleme bringt die markergestützte Bewegungsanalyse mit sich?
(Nenne 5)
--> Ungenaue Ortskoordinaten durch Marker weil:
Die Marker liegen nicht an den tatsächlichen Gelenkzentren sondern außerhalb des Körpers
Markerbewegung durch Hautverschiebung / Weichteilbewegung (Wir wollen die Bewegung der Skelets nicht der Muskeln erfassen)
Digitalisierungsfehler
Zentrumsverschiebung der Marker durch Lichtreflexe oder teilweise Markerverdeckung (der berechnete Mittelpunkt der sichtbaren Kugel nicht = dem Mittelpunkt des Markers)
ghostmarker durch Reflektion
vollständige Markerverdeckung
zu großes Bildfeld -> Marker zu klein / zu nah zusammen -> nicht differenzierbar/erkennbar
Optische Abbildunsfehler durch Verzerrung der Linse
Sonstige
ungenaue Kalibrierung
zu geringe zeitlische Auflösung
zu lange Belichtungszeiten
zu wenige Kameras
Kameras asynchron
Welche Maßnahmen können getroffen werden, um die Probleme der markergestützten Bewegungsanalyse minimieren/eliminieren zu können?
Man kann Marker mit Bone Pins direkt am Knochen verankern. So sind Einflüsse durch Weichteilverschiebungen nicht mehr relevant
Marker an knöchernen Stellen anbringen
Eine Ausreichende Anzahl von Kameras, in einer sinnvollen Anordnung
Marker werden mit ausreichend hohem Kontrast zum Hintergrund ausgewählt
Belichtungszeiten und zeitliche Auflösungen müssen auf die Geschwindigkeit der Bewegung angepasst werden
Besse Ausleuchtung um kurze Shutter speeds zu ermöglichen / Abdeckung um Reflektion zu vermeiden
Filtern/Glätten der gemessenen Ortkoordinaten vor dem Ableiten
Wie viele der jeweiligen Bauteile werden pro Inertialsensor benötigt, um eine Translation+Rotation in jeder Koordinatenrichtung darstellen zu können?
Man verbaut von jedem Sensortyp (Gyroskop, Magnetometer, Beschleunigungssensor) jeweils 3 senkrecht zueinander stehende Sensoren um Elemente in allen drei Raumrichtungen zu messen und darstellen zu können.
Wieso werden in manchen handelsüblichen Inertialsensoren noch zusätzliche Bausteine hinzugefügt (Stichwort: Dual-G) ?
Um ein breiteres Beschleunigungsfeld abzudecken.
Bei einigen Dual-G IMUs wird zusätzlich zum ersten dreiachsigen Beschleunigungssensor noch ein zweiter hinzugefügt, der größere Beschleunigungen Aufzeichnen kann.
Der griechische Basketballspieler Giannis Antetokounmpo möchte in einer realen Spielsituation die Lateralkräfte in seinem Sprunggelenk messen und diese Nike zur Auslegung des Innenfutters seines neuen Basketballschuhs bereitstellen. Die Spielsituation sollte so real wie möglich sein, somit soll sich Giannis am gesamten Basketballfeld frei bewegen können. Ebenfalls soll die sonstige getragene Ausrüstung möglichst der in einem realen Spiel entsprechen. Welches Verfahren der Bewegungserfassung würden Sie Giannis empfehlen (Marker oder Inertialsensoren)?
Wenn Giannis Marker verwendet, ist die Installation viel aufwendiger und es ist viel mehr Equipment (Kameras, Marker, Kabel) notwendig. Wenn das gesamte Spielfeld gefilmt wird, ist es notwendig viel Distanz zwischen dem Spielfeld und den Kameras zu haben um den "Fish-eye-effect" zu verhindern, was nicht immer der Fall ist. Die getragene Ausrüstung entspräche so in keinem Fall, der eines realen Spiels. Außerdem kann es durch die anderen Spieler und Körperteile des Spielers selbst zu Okklusion kommen. Obwohl es sich hierbei um den Goldstandard handelt würde ich davon abraten.
Wenn Giannis IMU-Sensoren verwendet, kann er sich im gesamten Feld frei bewegen (IMUs sind nicht Ortsgebunden) und wird durch keine Kameras oder Kabel gestört und er kann seine normalen Schuhe und Trikots anziehen. Es kann zu keiner Okklusion kommen und der Aufbau ist viel schneller. Man müsste mehrere IMU an seinem Schuh in verschiedenen Richtungen befestigen, um genug Daten zu erhalten, welche die Bewegungen ggf. minimal stören könnten. Außerdem sind IMU Sensoren für den Fußbereich nicht perfekt geeignet. Nichtsdestotrotz würde ich zur Aufzeichnung mittels IMU raten.
Nun möchte Nike die genauen Lasten im Kniegelenk wissen, die nach dem Aufkommen von Giannis auf dem Boden nach einem Dunk herrschen, um die Dämpfung seines Schuhs auszulegen. Da sich Giannis beim vergangenen Modell über eine zu geringe Dämpfung beschwert hat, sollen diesmal die Impact-Lasten so genau wie möglich erfasst werden. Im Gegensatz zum vorherigen Auslegungsfall ist diesmal nicht das ganze Basketballfeld von Relevanz, sondern nur der Bereich in unmittelbarer Nähe zum Korb (~5m x 6m). Welches Verfahren der Bewegungserfassung würden Sie diesmal Giannis empfehlen (Marker oder Inertialsensoren)?
Das Anbringen von IMUs in der Nähe des Kniegelenks könnte wahrscheinlich den Spieler stören. Marker sind hier für die Bewegungen des Spielers weniger störend. Da das Sichtfeld klein ist, ist es kein Problem Marker (Ortsgebunden) zu verwenden. Außerdem gibt es in der Nähe des Korbs bereits viele Kameras, dessen Daten man benutzen könnte. Daher würde ich zur Aufzeichnung mittels Marker raten.
Wie viele Marker sind zur eindeutigen Orientierung eines Körpers im Raum erforderlich? Was ist bei der Positionierung auf dem Körper(teil) zu beachten?
Zur eindeutigen Orientierung eines Körpers (Körperteils) sind drei Marker notwendig. Dabei ist darauf zu achten, dass sie auf gut erkennbare bzw. erfühlbare Körperpunkte positioniert werden. Dies sind knöcherne Stellen, welche zum einen eine gute Vergleichbarkeit herstellen, zum anderen wird die Markerbewegung durch Hautverschiebungen und Weichteileigenbewegung minimiert.
In einem Laufschuhgeschäft soll ein System zur Laufstielanalyse installiert werden. Die Anforderungen der Verkaufsleitung sind folgende: Die Kunden sollen auf in einem kleinen Bereich geradeaus laufen. Die Erfassung soll für den Kunden schnell und unkompliziert sein. Rotation in den Gelenken wird nicht betrachtet. Es soll nicht viel Equipment benötigt werden. Welches System zur Bewegungserfassung (Marker, IMUs, Shape/Photogrammetrische Anpassungsverfahren) würden sie empfehlen?
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Die Erfassung soll für den Kunden schnell und unkompliziert sein und es soll möglichst wenig Equipment benötigt werden, somit ist davon abzuraten, Marker zu verwenden.
Während IMUs an sich nicht viel Equipment benötigen, müsste man zum Erfassen einer ganzheitlichen Körperbewegung wie dem Laufstil dem Kunden einen Ganzkörperanzug anziehen, was alles andere als schnell und unkompliziert ist.
Somit sind Photogrammetrische Anpassungsverfahren zu wählen. Dem Kunden selbst muss kein Equipment angezogen werden, es muss lediglich gefilmt werden. Da der Kunde nur auf einem kleinen Bereich laufen soll, hält sich der Filmaufwand zur Laufstilanalyse ebenfalls in Grenzen.
Wie bewerten sie die Genauigkeit des Poser Verfahrens zur Bewegungsanalyse? Was sind Einflaussfaktoren auf die Qualität?
Um was für ein Verfahren zur Bewegungsanalyse handelt es sich beim Poser-Verfahren?
Wie funktioniert das Poser-Verfahren grob?
Das Poser-Verfahren ist ein Anpassungsverfahren. Es nutzt unkalibrierte Videoaufnahmen (z.B aus dem Fehrnsehen) um im nachhinein ein Skeletmodel über die Person zu legen.
Die Flexion und ad-/abduktion für Hüfte und Knie lassen sich relativ genau bestimmen während, die interne/externe Rotation nur ungenau bestimmt werden kann.
Die Bewegungen des Knies lassen sich genauer erfassen als die der Hüfte
Die Anzahl und Anordnung der Kameras hat einen großen Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse.
Mehr Kameras in rechten Winkeln zueineander -> bessers Ergebnis (vs Kameras die gegenüber voneinander aufgestellt sind)
Genauigkeit nicht abhängig von Komplexität der Bewegung
Gelenk translation und hochfrequente Beschleunigungsspitzen (-> Kräfte) lassen sich nur ungenau messen bzw. schlecht erfassen (weil die Frame rate der Videoaufzeichnungen zu gering ist)
Was für Verfahren zur Bewegungsanalyse gibt es? Welche sind am gängigsten?
Am gängigsten zuerst:
Bildverarbeitend mit Markersets
IMUs (Intertialsensoren)
Anpassungsverfahren (z.B. Poser)
Umrisserkennung (auch hybrid mit Markern möglich)
Bilderkennung (z.B. mit Tiefenkameras)
Nennen sie die Vor- und Nachteile der Bilderkennung als Verfahren zur Bewegungsanalyse
Nennen Sie jeweils drei Vor- und Nachteile von IMUs zur 3D-Bewegungsanalyse.
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