Desenvolvimento de uma metodologia para reconstrução da superficie do pe humano por videogrametria

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Programa de Pós-Graduação em Educação Física

Resumo: O estudo das características do pé humano é área de grande interesse na Biomecânica, este trabalho tem como objetivo a reconstrução tridimensional de pontos na superficie do pé humano por meio de um procedimento metodológico baseado em videogrametria. A reconstrução tridimensional do pé humano neste trabalho é realizada a partir de uma projeção estruturada de luz sobre o pé obtendo-se uma grande densidade de pontos sobre a superficie. Utilizando câmeras digitais de vídeo é feito o registro das imagens do pé sob esta projeção. Cada ponto a ser reconstruí do tem que ser registrado no mínimo por duas câmeras, essa uma exigência da reconstrução tridimensional. Para reconstrução tridimensional foi utilizado o software Dvideow, desenvolvido no Laboratório de Instrumentação para Biomecânica - UNICAMP. Após o registro das imagens faz-se necessário conhecer as coordenadas de tela de todos os pontos de interesse, para isto realiza-se o tracking de marcadores em ambiente Dvídeow. Este processo inicia-se pela definição de algoritrnos de segmentação das imagens adquiridas. A seleção dos algoritrnos dá-se de acordo com a necessidade do experimento e com o tamanho dos marcadores nas imagens, portanto, pode haver uma variação na seqüência de aplicação dos algoritrnos nas imagens registradas. Os algoritrnos operam em alterar níveis de intensidade de cor, detectar os contornos dos marcadores, determinar o número máximo de marcadores para o tracking, selecionar regiões de maior contraste de intensidade e selecionar os contornos por números máximos e mínimos de pixels. Realizado o tracking automático de marcadores, tem-se as coordenadas de tela (x,y) dos pontos nas imagens. Assim temos um par de imagens contendo as coordenadas bidimensionais dos pontos. No entanto, a ordem e a quantidade de pontos nos conjuntos de dados das duas imagens não são os mesmos. Usando rotinas matemáticas elaboradas no software Matlab realizam-se a rotulagem dos pontos resultantes do tracking, deixando assim os conjuntos de dados que contém as coordenadas bidimensionais com a mesma quantidade de pontos em ambos os conjuntos e também indexados numa mesma ordem. Em seguida em ambiente Dvideow realiza-se a reconstrução tridimensional de pontos sobre a superficie. Como resultados da reconstrução têm-se os pontos reconstruídos sobre a superficie do pé sendo possível a visualização através de gráficos. Foram feitas aplicações da metodologia em pés de três sujeitos e a um modelo de pé utilizado como parte integrante de prótese em amputados. Também foram realizadas sobre o modelo do pé, medições de distâncias entre pontos usando o método por videogrametria e medições diretas entre os pontos marcados sobre a superficie do modelo. Obteve-se como resultado para a metodologia proposta um valor para bias de 1,77 mm, para precisão do método de 0,31 mm e um erro padrão estimado em 1,80 mm. Concluí-se assim, que a metodologia desenvolvida neste trabalho permite uma forma de reconstrução tridimensional da superficie do pé humano baseado em videogrametria, através da qual se obtém informações analíticas e biomecânicas de interesse

Abstract: The study of the human foot characteristics is an area of great interest in the Biomechanics, the main goal of this study was to develop a methodology for the three-dimensional reconstruction of the points on the surface of the human foot based on videogrammetry. The three-dimensional reconstruction of the human foot, objective of this paper, is performed by starting fiom a structured projection of light on the foot obtaining great density of the points on the surface. Using digital video cameras, the register of the images of the foot is made on this projection. Each marker to be reconstructed was to be registered by at least two cameras, which is a requirement of the three-dimensional reconstruction. For the three-dimensional reconstruction was used the Dvideow software, that developed in the Laboratory of Instrumentation for Biomechanics - UNICAMP. After the image register, it is necessary to know the screen coordinates of alI the points of interest, for this purpose one makes the tracking of the markers in the Dvideo environrnent. The process begins with the definition of algorisms of segmentation of the acquired images. The selection of the algorithms takes place according to the experiments needs end to the images markers size, therefore, may be a variation in the sequence of the algorithm application on the registered images. The algorithms operates in order to alter the intensity of colors, detect the outlines ofthe markers, determine the largest amount ofmarkers for tracking, select the regions of largest contrast of color intensity and select the outlines for the maximum and minimum number of pixels. By executing the automatic tracking of the markers, we obtain the coordinates of the screen (x,y) corresponding to the points on the images. Therefore, we have a pair of images containing the bi-dimensional coordinates of the points. Nevertheless, the order and quantity ofpoints in the sets of data ofboth images are not the same. Then the Matlab software is used to label the points resulting fiom the tracking, that is, in order to let the sets of data which contain the bi-dimensional coordinates have the same amount of points in both sets and also to index the points in the same order. Right after that, in the Dvideow environrnent, the three-dimensional reconstruction of the points is performed on the surface. As a result of the reconstruction, the reconstructed points on the surface of the foot were obtained, whereas, visualization was possible through graphs. Applications of the methodology were made on the feet of three individual and on a model of a foot used as an integrating part of the prothesis of the amputee. Besides that, measurements were made on the mo deI of the foot of distances between points by using the method of videogrammetry and direct measurements between points marked on the surface of the model. For the proposed methodology, the result obtained was: a value for bias of 1.77 mm, for precision of the method of 0.31 mm and an estimated standard error at 1.80 mm. Therefore, conc1uding that the methodology developed in this paper permits a form of three-dimensional reconstruction of the surface of the human foot based on videogrammetry, through which important analytical and biomechanical information is obtained

Dissertação (mestrado)

Biodinamica do Movimento Humano

Mestre em Educação Física