Orientador:Ricardo Machado Leite de Barros

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Educação Física

Resumo: Para análises subaquáticas de movimentos tridimensionais é necessária uma calibração precisa de grandes volumes. Métodos baseados em modelos lineares de câmeras são comumente utilizados na biomecânica e para isso faz-se necessário a construção, o transporte e a medição de estruturas rígidas,...

Resumo: Para análises subaquáticas de movimentos tridimensionais é necessária uma calibração precisa de grandes volumes. Métodos baseados em modelos lineares de câmeras são comumente utilizados na biomecânica e para isso faz-se necessário a construção, o transporte e a medição de estruturas rígidas, o que se torna mais difícil quando volumes maiores estão envolvidos. Recentemente, métodos alternativos baseados em modelos não-lineares de câmeras, foram propostos para resolver este aspecto. Assim, os objetivos deste trabalho foram 1) avaliar a exatidão da reconstrução tridimensional fora e dentro da água utilizando o método proposto por Zhang (2000); 2) avaliar a exatidão dos métodos não-lineares para a calibração de câmeras propostos por Hatze, 1988, Cerveri, et al., 1998 e Zhang, 2000 para aplicações com câmeras submersas e os efeitos da variação da posição no volume de calibração sobre a exatidão de reconstrução tridimensional dos métodos e ressaltando, ainda as vantagens e desvantagens de cada método e 3) testar a aplicabilidade dos métodos não-lineares propostos por Cerveri et al., 1998 e Zhang, 2000 para a reconstrução da trajetória da mão de nadadores em diferentes nados. Para aquisição dos dados foi utilizado um sistema de análise cinemática (DVideo), que foi adaptado para aquisição de imagens submersa. O sistema consiste de computadores ligados em câmeras (Basler) para aquisição online de dados. Caixa-estanques especialmente desenvolvidas para o modelos das câmeras foram utilizadas para proteção e um genlocker trigger foi utilizado para a sincronização das câmeras. Tripés para sustentação e fixação das câmeras foram adaptados com ventosas para fixação no fundo da piscina. Para a correção da distorção foram implementados em Matlab os métodos não-lineares para a calibração de câmeras. Um teste de barra rígida foi usado para avaliação da exatidão e precisão. Os resultados mostraram que os métodos propostos por Cerveri et al., 1998 (1,16mm a 0,96mm) e Zhang, 2000 (0,73mm) são alternativas promissoras para análise tridimensional de movimentos subaquáticos. Ambas as metodologias apresentaram resultados com maior exatidão que os encontrados na literatura. Este fato ocorreu devido a uma melhor modelagem da distorção óptica que foi confirmada pela menor influência no erro relativo à posição do objeto no volume de aquisição. Quanto à flexibilidade e portabilidade em relação ao objeto de calibração, ambos os métodos usam objetos mais fáceis de construir e manipular do que os objetos tradicionalmente utilizados. O sistema para a análise tridimensional do movimento utilizando câmeras submersas mostrou-se ser adequado para aplicações subaquáticas. Uma vez que, os resultados aqui relatados podem ser imediatamente apreciados pelos treinadores, pois foi possível identificar simetria ou assimetria entre os dois lados, a variabilidade intra e inter-sujeitos em termos de padrões de movimento e concordância ou discordância com o modelo teórico. Importante ressaltar que existe a possibilidade de extensão da análise para os diferentes segmentos corporais e o sistema e os métodos para a calibração de câmeras apresentados neste trabalho podem ser utilizado para qualquer esporte ou atividade realizada na água, como por exemplo, hidroginásticas ou práticas de reabilitação

Abstract: In order to perform a three-dimensional motion analysis in underwater conditions is necessary to calibrate accurately large volumes. Methods based on linear camera models are commonly used in biomechanics and this requires to construct, to transport and to measurement rigid structures,...

Abstract: In order to perform a three-dimensional motion analysis in underwater conditions is necessary to calibrate accurately large volumes. Methods based on linear camera models are commonly used in biomechanics and this requires to construct, to transport and to measurement rigid structures, which becomes more difficult when larger volumes are involved. Recently, alternative methods based on nonlinear camera models have been proposed to address this aspect. The aims of this study were 1) to evaluate the accuracy of 3D reconstruction out and underwater using the method proposed by Zhang (2000); 2) to evaluate the accuracy of nonlinear camera calibration methods proposed by Hatze, 1988, Cerveri, et al., 1998 and Zhang, 2000 for underwater applications using submerged cameras and the effects of object position in the acquisition volume on the accuracy of 3D reconstruction methods, highlighting the advantages and disadvantages of each method, and 3) to test the applicability of the nonlinear methods proposed by Cerveri et al., 1998 and Zhang, 2000 for the reconstruction of the swimmers hand trajectory in different swims styles. For data acquisition, we used a kinematic analysis system (DVideo), which was adapted for underwater conditions. The system consists of cameras (Basler) connected in computers for online data acquisition. Waterproof housings were specially designed to protect the cameras and a genlocker trigger was used to synchronize the cameras. Tripods to support and to fix the cameras were adapted with suction cups and were used to fix them on the swimming pool floor. In order to perform the distortion correction the nonlinear camera calibration methods were implemented in Matlab software. A rigid bar test was used to assess the accuracy and precision. The results showed that the methods proposed by Cerveri et al. 1 998 (1.16 mm to 0.96 mm) and Zhang, 2000 (0.73 mm) are promising alternatives for 3D underwater motion analysis. Both methodologies presented results with greater accuracy than those found in the literature. This occurred due to an improvement of the distortion modeling and that was confirmed by the smallest influence of the object position on the error values. Related to the flexibility and portability of the calibration object, both methods use objects easier to build and manipulate than the objects traditionally used. The 3D motion analysis system using submerged cameras showed to be suitable for underwater applications. The results reported here can be immediately appreciated by coaches, because it was possible to identify symmetry or asymmetry between the two sides, the variability within and between subjects in terms of movement patterns and agreement or disagreement with the theoretical model. Important to emphasize that there is the possibility of extending the analysis for different body segments and the system and the camera calibration methods presented in this work can be used for any sport or activity performed in water, such as hydro gymnastic or rehabilitation practices