بازسازی و پویانمایی حرکت مفصلی انسان با استفاده از پردازش تصاویر ویدئویی

آنالیز حرکت همواره از سوی محققان بینایی ماشین مورد توجه خاصی قرار دارد. بطوریکه در زمینه های مختلفی همانند آنالیز عملکرد ورزشی، توانبخشی، اهداف نظارتی، واسط انسان و ماشین، پزشکی، پویانمایی و ... کاربرد دارد. بعنوان مثال در زمینه ی آنالیز عملکرد ورزشی شرکت های سازنده ی تجهیزات ورزشی مثل چوب بیسبال و چوب هاکی با استفاده از آنالیز ویدئویی شدت ضربه ی وارده به پرتابه را بررسی می کنند. در زمینه ی توانبخشی، ردیابی مسیر حرکت مفاصل شخص معلول و تحلیل آن، اطلاعات مهم و مفیدی را در مورد تشخیص های پزشکی و درمانی در اختیار پزشک معالج قرار می دهد. همچنین امروزه تجزیه و تحلیل نحوه ی راه رفتن انسان، به عنوان معیاری برای تشخیص هویت شخص استفاده می شود. از جمله اهداف نظارتی که می توان به آن اشاره کرد، کنترل ورود و خروج و همین طور کنترل حرکات افراد در اماکن حساس و امنیتی همچون فرودگاهها و مناطق نظامی، می باشد. اکنون استفاده از دوربینهای نظارتی که خروجی آنها در روی نوارهای ویدئویی ضبط می شود، رایج است. این ویدئوها بعد از وقوع حادثه، برای اثبات ادعا در دادگاهها استفاده می شوند. اگر تجزیه و تحلیل اطلاعات نظارتی، بلادرنگ انجام شود، به محض وقوع حادثه ماموران امنیتی مطلع می گردند و یا اینکه هشدارهای مورد نیاز به فرد خاطی داده می شود تا از وقوع حادثه جلوگیری شود. امروزه از تکنیک های ردیابی و تشخیص اندام های بدن در تصاویر ویدئویی به منظور تشخیص بلادرنگ استفاده می شود. در این تکنیک ها، الگوریتم ردیابی به عنوان عمل ردیابی دو بعدی مطرح می شود. سیستم های نظارتی تکنیکهای ردیابی بسیار قوی بلادرنگ را ارایه می دهند که سریعا قادر هستند رفتارهای مشکوک را تشخیص دهند. این تکنیک ها باید آنقدر قوی عمل کنند که در تغییرات ناگهانی نور و زمینه متحرک به ویژه در زمانی که عملیات در فضای بیرون انجام می شود، دچار اشتباه نشوند و شیء را به درستی تشخیص دهند. یکی دیگر از اهداف استفاده از سیستمهای ردیابی در تشخیص و بازسازی حرکت سه بعدی بدن انسان و اشیاء، ایجاد ارتباط بین کاربر و محیط مجازی به صورت بلادرنگ است. زیرا تعامل بین کاربر و محیط مجازی دقیق بوده و ابزار ارتباطی کامپیوتری قبل، مثل صفحه کلید نمی تواند همه حرکات سه بعدی کاربر را با دقت لازم به رایانه منتقل نماید. تجزیه و تحلیل حرکات بدن انسان، معمولا برای کنترل محیط های مجازی و فرامین ورودی استفاده می شود. سیستم هایی که اعمال انسان را برای تعامل انسان و ماشین دریافت می کنند و سیستم هایی که محیطهای واقعیت مجازی و شخصیت های مجازی را با حرکات انسان کنترل می نمایند، نیاز به تعاملات سریع و سیستم های تفسیر حرکات به صورت بلادرنگ دارند. از حالتهای بدن و نحوه حرکت مثل راه رفتن یا دویدن، حالتهای صورت و یا لبها می توان برای فرمان دادن به رایانه استفاده نمود. چنین سیستم هایی باید حضور فرد در محیط را شناسایی کرده و رفتارش را تفسیر نمایند. در حوزه ی پزشکی، از جمله طرح هایی که در این زمینه اجرا شده است، جراحی بیمار توسط پزشک جراح بدون شکافتن محل مورد نظر است. بصورتیکه با اعمال دو شکاف باریک در محل مورد نظر برای ورود ابزار پزشک و شکاف سوم برای ورود دوربین، توانسته اند با استفاده از دوربین یک محیط گرافیکی و بصری را در اختیار پزشک جراح قرار داده و پزشک تنها با ملاحظه ی صفحه ی نمایشگر اقدام به جراحی نماید. در زمینه ی پویانمایی، یکی از مهمترین کاربردهای بازسازی حرکت اعضای بدن، ساخت انیمیشن و یا ساخت شخصیت ها در سیستم های واقعیت مجازی است. واقعیت مجازی با به کارگیری تکنولوژی های جدید، یک محیط شبیه سازی شده ی سه بعدی ایجاد می کند که کاربر می تواند با اشیاء در آن محیط به مانند اشیای دنیای واقعی ارتباط برقرار کند. در ساخت اینگونه محیط ها، به دست آوردن مدلهای انیمیشنی بدن انسان که به واقعیت نزدیک باشد بسیار مورد توجه است. لذا برای ساخت شخصیت های مجازی نیاز است که مدل های گرافیکی به همراه حرکات انسان ترکیب شود تا شخصیت ایجاد شده به واقعیت نزدیک باشد.