Визуально-интерактивная оцифровка движения лошади при помощи инновационных технологий

Технологии

Технология захвата движения стала уже распространённым стандартным методом в различных областях, таких как компьютерная анимация, спорт и медицина. На рынке представлено множество систем, начиная от потребительских устройств, таких как датчик Kinect, и заканчивая профессиональными системами, предлагаемыми Vicon или MotionAnalysis. Растёт также и количество высококачественных программ и методов по обработке больших наборов данных, получаемых в результате применения этой технологии. В частности, приобретают всё большее значение методы обработки на основе измерения расстояния и динамики изменения облака точек.

Несмотря на то, что это решение в закрытой форме для вычисления расстояния между двумя положениями точек в трёхмерном пространстве, эта мера по-прежнему является вычислительно сложной. Другие методы призваны избежать этой проблемы, рассматривая в своей основе векторы объектов в так называемом пространстве позы, где евклидово расстояние даёт результаты, аналогичные измерению расстояния облака точек. Кроме того, поиск по сходству может выполняться с использованием структуры индекса kd-дерева, что значительно снижает сложность. При таком представлении возможны даже онлайн-приложения, управляемые данными.

Недавно были разработаны методы захвата движения для кинематики и кинетики в ветеринарии, чтобы облегчить, в частности, анализ и сравнение походки четвероногих. Голландские учёные уже целое десятилетие изучают походку разных пород лошадей на беговой дорожке. Они фиксируют положение маркеров на копытах, голове и коже над остистыми отростками нескольких позвонков с помощью системы «Motion Capture» (так на английском языке именуется технология захвата движения), чтобы исследовать боковое движение спины.

Совсем недавно английские исследователи показали, как оптические системы захвата движения могут быть использованы для измерения общих закономерностей деформации копыт во время передвижения у здоровых лошадей. Обзор кинематических и кинетических аналитических методов, внедрённых в ветеринарию, можно найти в работах учёных всё чаще. Авторы описывают захват движения для четвероногих как средство поддержки анализа локомоции с акцентом на походку собак. Недавно некоторые методы извлечения были перенесены с движений человека на движения четвероногих. Таким образом, теперь можно извлекать информацию о здоровье или деформациях лошади из больших наборов данных в режиме реального времени. Подход к визуализации информации для анализа поведения животных был недавно представлен учёными из Школы компьютерных наук Ноттингемского университета. Данные датчиков-трекеров трехосного акселерометра визуализируются в виде 3D-траекторий на объёмной модели земного шара, что позволяет анализировать активность бакланов.

Анализ движения лошади имеет давнюю традицию в прошлом человечества. С самого начала одомашнивания животных люди всегда интересовались спортивными способностями лошадей и интегрировали их в работу, войну и культуру. В популярном известном примере, 130 лет назад Мейбридж показал серию из одиннадцати последовательных фотографий, сделанных из одного цикла движения галопом в анимированном цикле. Сейчас биомеханический анализ в современной ветеринарной медицине, проводится на все более высоком уровне, особенно с появлением технической возможности фиксации движения лошади. Фокус интереса сместится с чистого наблюдения в сторону использования методов визуального интерактивного анализа данных локомоции животных.

Биомеханика лошадей направлена на выявление характеристик, свидетельствующих о хорошей работоспособности. В частности, анализ походки в ветеринарной медицине играет важную роль в диагностике и в новых исследованиях долгосрочных эффектов спортивных упражнений. Совсем недавно внедрение технологии захвата движения способствовало упрощению и ускорению анализа, с тенденцией от простого наблюдения за лошадьми к анализу многомерных данных, ориентированных с привязкой ко времени и наблюдении за развитием лошади в динамике. Однако из-за новизны этой темы, поднимаемой в междисциплинарном контексте, все ещё не хватает визуальных интерактивных интерфейсов для облегчения анализа данных временных рядов и информационного дискурса для сообществ ветеринаров и учёных, изучающих биомеханику движения животных.

Основываясь на требованиях, разработанных на этапе определения характеристик предметной области, разработчики представили визуально-интерактивную систему для изучения данных о движении лошади. Система позволяет визуализировать несколько представлений с разного ракурса, которые позволяют экспертам в предметной области изучать частые позы и движения, а также детализировать их до интересных подмножеств, возможно, содержащих неожиданные шаблоны. Системы может использоваться, как для сравнения различных движений походки, так и для анализа развития хромоты. Общим результатом внедрения такой системы в крупной нидерландской ветеринарной клинике, стало значительное повышение эффективности и результативности аналитического рабочего процесса экспертов.

Основные тенденции текущих работ в области ветеринарии сосредоточена на всестороннем анализе данных записанных системами захвата движения (в основном пока оптическими). Работает это следующим образом: 3D-положения маркеров, прикреплённых к телу животного, отслеживаются в лабораторных условиях несколькими камерами с высокой пространственной и временной точностью. Результирующие наборы данных обогащаются метаданными, хранятся в различных хранилищах и впоследствии могут быть проанализированы как данные многомерных временных рядов. С точки зрения визуализации информации (IV — information visualization) и визуальной аналитики (VA — visual analytics). Такие многомерные временные ряды считаются сложным типом данных, и количество их пока относительно невелико по сравнению с подходами для анализа одномерных временных рядов. С ветеринарной точки зрения можно наблюдать очень похожую ситуацию. Анализ и обработка серьёзного массива данных при применении оптических систем захвата движения является весьма «громоздким». К настоящему времени существуют только простые инструменты для детального анализа записанных данных о движении.

Визуальные интерактивные интерфейсы для поддержки научного рабочего процесса обученных ветеринаров полностью отсутствуют. В результате типичные задачи в настоящее время ограничены анализом только отдельных записей, особенно из-за отсутствия инструментов для сравнения нескольких измерений с соответствующей скоростью. В настоящее время ветеринарам приходится выполнять трудоёмкие и утомительные задачи с низкой аналитической пользой.

Поэтому основное внимание в дальнейших разработках этой области будет уделено ликвидации пяти важных проблем:

а) Отсутствие возможности визуального обзора для аналитики больших наборов данных;

б) Разработка методов запроса для извлечения соответствующих подмножеств;

в) Отсутствие функциональности для детализации до интересующих функций и локализации соответствующих подмножеств;

г) Визуализация характеристик как отдельных особей, так и групп лошадей;

д) Отсутствие методов для соотнесения метаданных с позами и движениями животного.

Совсем недавно была представлена система FuryExplorer, как результат совместного проекта между экспертами в области ветеринарии и экспертами по поиску информации в области захвата движения. Это одно из самых первых решений визуальной аналитики в области ветеринарии для изучения больших коллекций данных о движении лошадей. FuryExplorer предоставляет обзор поз лошадей в виде сетки, основанной на алгоритме кластеризации самоорганизующейся карты. Дополнительные средства отображения позволяют проводить сравнительный анализ движений (как одной лошади, так и нескольких лошадей разных пород), чему способствует визуальный анализ траектории на основе проекции. Кроме того, обзорные визуализации позволяют ветеринарам интерактивно переходить к соответствующим подмножествам данных. В качестве дополнения, последовательности движений лошади могут быть получены путём визуального запроса отдельных поз лошади на примере других здоровых особей этой породы. Местные аспекты, представляющие интерес, могут быть проанализированы в виде последовательности на основе списка по запросу. Таким образом можно констатировать, что современными методами, с применением инновационных разработок, теперь можно исследовать временную прогрессию определяемого пользователем набора маркеров нескольких лошадей.

Наука просто
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку «Отправить комментарий», я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю Политику конфиденциальности

Adblock
detector