Development of an active motion capture suit for teaching motion skills

Abstract

Die multimediale Unterstützung für das Lehren und Ausüben von motorischen Fähigkeiten ist meist auf Videos oder Grafiken beschränkt.<br />Vor allem in Bereichen wie Rehabilitation oder Sport könnte der Einsatz von Virtual Reality Anwendungen für pädagogische Zwecke beachtliche Vorteile eröffnen, wie z.B. detailliertes Feedback über Trainingsfortschritte in Echtzeit oder das Fördern der Motivation und Selbstständigkeit der Anwender. Aber unverzichtbar für Virtual Reality ist eine Möglichkeit zum Erfassen der Bewegungsdaten.<br />Die meisten Motion Capture Systeme sind entweder auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten oder aus verschiedenen Gründen für den Bereich Sport ungeeignet. Gerade bei sportlichen Anwendungen treten spezielle Anforderungen auf. Zum Beispiel kann es bei Kampfsportarten nötig sein eine Rolle auszuführen oder in direkten Körperkontakt mit anderen Personen zu treten, deren Position ebenfalls aufgezeichnet wird.<br />Methoden bei denen der Anwender mit verhältnismäßig großen Vorrichtungen ausgestattet ist, könnten dabei zu Schmerzen bei physischem Kontakt mit harten Oberflächen führen. Des Weiteren müssen auch mögliche schnelle Bewegungen, ausreichende Bewegungsfreiheit und hygienische Aspekte bedacht werden.<br />Die Autoren werden im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass ein Anzug für Motion Capture mit aktiven infraroten Markern gebaut werden kann, der den speziellen Herausforderungen des Trainings motorischer Fähigkeiten gerecht wird. Zu diesem Zweck werden Anforderungen zusammengestellt und Konzepte entwickelt um diese zu erfüllen. Anschließend werden diese angewendet um einen voll funktionsfähigen Prototyp zu bauen, welcher für ein weites Spektrum sportlicher Aktivitäten geeignet ist. Um die Leistung des aktiven Motion Capture Anzugs in einem pädagogischen Kontext einschätzen zu können und das Potential des Einsatzes von Virtual Reality zu demonstrieren, wurde der konstruierte Anzug in einer tatsächlichen Virtual Reality Anwendung für das Lehren von motorischen Fähigkeiten verwendet.<br />Es zeigt sich, dass der in diesem Projekt entwickelte Motion Capture Anzug, für Sport und Rehabilitation geeignet ist, sich aber nicht auf diese spezifischen Anwendungsbereiche beschränkt. Den Autoren ist es vor allem gelungen die nötige Verkabelung und die elektronischen Komponenten unscheinbar zu integrieren. Außerdem kann das Layout aufgrund der individuell steuerbaren Marker für unterschiedliche Systeme und Algorithmen optimiert werden.<br />

Current multimedia support for teaching and practicing motion skills is usually limited to video and two-dimensional graphics.<br />Especially in areas like rehabilitation and sports the employment of virtual reality applications for educational purposes could offer considerable benefits, like a detailed real-time feedback about the training progress or the support of motivation and autonomy of the users. However for any virtual reality motion skill training system a means for motion input is essential.<br />In particular application areas related to sports impose a number of special requirements that have to be considered. Most full body motion capture devices are either specifically designed for a certain application or not suitable for sports due to different reasons. For example in a lot of sporting activities it might be required to lie on the floor, perform rolls or make direct contact with other tracked persons. For that reason motion capture techniques where the user has to be equipped with relatively large devices could cause pain if making physical contact to hard surfaces like the floor. Furthermore matters like possible fast movements, sufficient freedom of motion and hygienic issues have to be considered as well.<br />The authors show in the course of this work, that a motion capture suit with active infrared optical markers can be constructed to meet the special challenges of motion skill training. For that purpose they compile a wide range of related requirements and devise concepts to fulfill these needs. Subsequently these concepts are applied to construct a fully functional prototype, suitable for a broad range of sporting activities. In order to assess the performance of the active motion suit in an educational context and to demonstrate the potential of the employment of a virtual environment, the constructed input device is used in an actual virtual reality application for teaching motion skills.<br />The active motion capture suit developed in this project is suitable for sports and rehabilitation, but not limited to these specific application areas. Most importantly the authors successfully accomplished to incorporate all required wiring and electronic components unobtrusive.<br />Due to individually controllable markers the layout can be optimized for different setups and tracking algorithms.<br />