Информационные технологии в изучении и моделировании движений человека

Раздел 5. Информационные технологии в изучении и моделировании движений человека. Содержание раздела: ЗО-графические методы в подготовке спорт­ сменов. Методы оптикоэлектронного измерения движений человека (ЗОскан ирование). Технология «motion capture». Моделирование двигательной деятельности человека. Робототехника. Робототехника в адаптивной физической культуре. ЗО-графические методы в подготовке спортсменов. Основные понятия и определения. Зй-графика (З-dimension) - это трехмерная компьютерная графика, используемая либо для моделирования на ПК сцен (background), либо для моделирования движений (animation). Классификация ПО ЗЭ-графики: а. мультимедийные виртуальные симу­ ляторы (компьютерные игры); б. обучающие и моделирующие системы; в. Пакеты трехмерной графики и г. системы автоматического проектирования (САПР). Ниже рассмотрены программы ЗЭ-графики в системе физической культуры и спорта. а. Мультимедийные вир­ туальные симуляторы (компь­ ютерные игры). Социальная значимость спорта отражает этот вид деятельности в компьютер­ ных играх - гольф и автогонки, спортивные игры и единоборства, вот далеко не полный перечень знакомых многим игр. Их соци­ альную роль в системе ИТ ФКС можно назвать мотивирующей. Одной из наиболее точно отве­ чающих запросам настоящего учебника следует назвать детскую компьютерную игру по спортивной гимна­ стике «Барби Гимнастика» (Barbie: Team Gymnastics). Задача игры - составить ком­ плексы выступлений на спортивных снарядах и подготовить спортсменок к соревнованиям. В память игры введено более ста гимнастиче­ ских упражнений для опорного прыжка, брев­ на, брусьев (рис.5.1), упражнений на ковре. б. ЗО-графические обучающие и мо­ делирующие системы. Получившие распро­ странение программы моделирования тела и движений человека ЗО-графика позволяют решать ряд задач тренировочного этапа тех­ I нической (и тактической) подготовок. Например, пакет для 3D моделирования и анализа движений человека (рис.5.2) «Solid Dynamics», в который заложено более 100 параметров человече­ ского тела (http://www.soHddynamics.fr). Прекрасной иллюстрацией ЗО-графического решения по­ ставленных задач является ком­ пьютерная энциклопедия «Про­ фессиональный бокс». Здесь помимо справочного материала о более 4000 поединках и 2300 боксерах, участвовавших в них, фотографий более 300 спорт­ сменов и 30 минут уникальных видеосъемок, приведен неболь­ шой учебный блок для ознакомления с основными ударами и защитами в бок­ се. На рисунке 5.3 изображен интерфейс компьютерной энциклопедии «Про­ фессиональный бокс», где два виртуальных бойца в ЗО-графике демонстри­ руют удары и защиты. в. Пакеты трехмерной графики. Наиболее распространенным про­ граммным продуктом для решения задач моделирования и анализа движений в нашей стране следует назвать 3D Studio Мах (Мортье Ш., 2003), хотя суще­ ствует и множество других программ ЗО-графики (см. таблицу 5.1). Таблица 5.1. № I Название 1 3D Studio Max 2 AutoCAD 3 Bodypaint 4 Cinema 4D 5 Corel Bryce 6 Curious Labs Poser 7 Hash Animation Master 8 Lightwave 9 MAYA 10 Terragen I3 v I Создание профессиональной 3D сцен, анимации и спецэффектов www.discreet.com Iдля видео Универсальная система автоматического проектирования (САПР) Для создания тела человека и анимации Сетевая студия для анимационных фильмов www.maxon.net Программа генерации окружающей среды: ландшафтов, облаков. Моделирование движения живых существ www.curiouslabs.com Создание и преобразование людей и животных, различные объек­ ты, анимационные схемы www.hash com Профессиональный редактор 3D графики. 3D программа Программа генерации ландшафтов. Овладение ЗО-мультимедиа позволяет тренеру эффективнее реализо­ вывать педагогический принцип наглядности: демонстрация двигательных действий, тактических замыслов, спортивного оборудования и тренажеров в ЗО-графике, моделирование спортивных программ - вот неполный перечень возможностей анимации в физической культуре и спорте (см. рис.5.4, и Прак­ тикум). г. Системы автоматического проектирования (САПР). Наиболее рас­ пространенной программой в Российской Федерации для проектирования спортивных сооружений является AutoCAD. Другим ее достоинством, для при­ менения в физической культуре и спорте, является возможность оцифровки движений человека, например, со стробофотографии при использовании элек­ тронных планшетов (дигитайзеров). Рис.5.4. Анимация оборота Ковача в программе 3DStudio Мах с помощью плагина HumanIK фирмы Keydara Рис.5.5. План стадиона - чертеж, созданный в программе AutoCAD Методы оптикоэлектронного измерения движений человека Зй-сканирование. Технология «motion capture». Методы оптикоэлектронного измерения движений человека в спорте (Зй-сканирование). Исследование движений человека (спортивных в ча­ стности) требует регистрации, измерения и анализа характеристик процессов различий природы (биомеханических, физиологических, биохимических, пси­ хологических и др.). Биомеханический процесс, представляющий собой пере­ мещение тела человека и/или его звеньев во времени и пространстве, являет­ ся одним из текущих «выходов» двигательной деятельности человека. На оп­ тимальное обеспечение биомеханической программы движения должны быть направлены все остальные процессы (Сучилин Н.Г., Савельев Н.Г., По­ пов Г.И., 2000). Для адекватной постановки цели и задач спортивных движений, а также для оптимизации управления и контроля в процессе их освоения и совершен­ ствования необходимо исследовать биомеханические характеристики движе­ ний, которые регистрируются, измеряются и анализируются различными ме­ тодами. В настоящее время доминируют бесконтактные оптико-электронные методы. Основные из них: 1. стробоскопическая стереофотограмметрия, 2. биомеханическая кинематография, 3. компьютерный видеоанализ. 1. Стробоскопическая стереофотограмметрия является наиболее точным методом измерения кинематических характеристик движения челове­ ка. Абсолютные погрешности измерения координат точек тела спортсмена составляют 0,001 м, скорости - 0,05 м/с и ускорения - 1 ,5 м/с2. Однако это дос­ таточно дорогой, громоздкий, трудоемкий и недостаточно гибкий метод, при­ менимый лишь в лабораторных условиях. 2. Биомеханическая кинематография. С появлением в 70-х годах пре­ цизионных высокоскоростных кинокамер с высокой стабильностью транспорта пленки в фильмовом канале (±1 кадр при частоте съемки 50 к/с) и киноанали­ заторов фильмов, в которых стандартный кинопроецирующий блок сопряжен через систему аналого-цифрового преобразования с микрокомпьютером, бо­ лее широкое распространение получили кинематографические методы изме­ рения биомеханических характеристик движений. Вследствие более простой и гибкой процедуры оцифровки точек метод биомеханической кинематогра­ фии стал доминировать в экспериментальной биомеханике спорта 80-90 гг. (особенно при анализе техники спортивных движений). По сравнению со стереофотограмметрическим методом метод биомеханической кинематографии менее точен. Суммарная средняя ошибка точности кинематографического метода при определении координат точек объекта составляет 4 - 5 мм. При заданных параметрах движения тест-объекта (по перемещению - 0,5 м, по скорости - 6 м/с и максимальному ускорению 30 м/с2) абсолютные погрешности по перемещению составляют 5 мм, по скорости - 0,1 м/с и по ускорению - 6 м/с2. Относительная ошибка метода при расчете кинематических характери­ стик составляет по перемещениям 1-3%, по скорости - 3+5% и по ускорению 10+30%. Использование видеоизображений для биомеханического анализа дви­ жений сдерживалось лимитом частоты видеосъемки (50-60 Гц) и отсутствием видеокамер с затвором. После появления таких видеокамер, обеспечивающих выдержку до 1/500 с и тем самым сводящих «смазывание» видеоизображения до минимума при высоких скоростях движения, а также высокочастотных ви­ деокамер и видеомагнитофонов, позволяющих производить съемку с частотой до 500 Гц, применение видеоанализирующих систем в биомеханических ис­ следованиях стало более реальным и стало использоваться даже при анализе быстрых движений ударного и толчкового типа. 3. Компьютерный видеоанализ. Его основными достоинствами явля­ ются достаточно высокая точность измерений, относительная простота и гиб­ кость использования, возможность автоматической оцифровки точек движуще­ гося объекта и сопряжения видеоизображения с широким диапазоном анало­ говых сигналов, получаемых от других средств регистрации и измерения дви­ жений (тензография, гониография, кардиография и т.п.). Исходный материал не требует предварительной обработки и анализ можно начинать сразу после видеосъемки или в процессе ее (при использовании устройств автоматической оцифровки в режиме «on-line»). По сравнению с фотограмметрическим и ки­ нематографическим методами видеоанализирующие системы относительно недороги и коммерчески доступны. До недавнего времени точность определения координат точек с помо­ щью киноанализирующих систем (16 мм пленка) была выше, чем у видеоана­ лизирующих систем. Хотя различия в точности между ними были статистиче­ ски достоверны (суммарная средняя ошибка определения координат точек объекта 4,8 мм и 5,8 мм соответственно для кино и видеометодов, Р<0,05), с практической точки зрения ошибка видеометода составляла 0,29% калибро­ вочного пространства, а кинометода 0,24%, - т.е. точность обеих методов бы­ ла практически соизмерима. Результаты недавних исследований последних версий видеоанализи­ рующих систем, проведенных в лаборатории биомеханики г. Лафборо (Анг­ лия), показали, что их точность не только равна точности киноанализирующих систем (16 мм), традиционно принятых в прикладных биомеханических иссле­ дованиях, но и превосходит ее. Факторами, увеличивающими точность изме­ рения координат с помощью видеоанализирующих систем, являются высокая разрешающая способность видеоаппаратуры (видеокамера, видеомагнито­ фон, монитор, размеры пикселя) и качество видеоизображения. Этим требо­ ваниям удовлетворяет недавно разработанная видеоанализирующая система Multeped Apex Frame Store, используемая вместе с видеокамерой «Sony HAD» с форматом видеозаписи HI 8. Данная система использует 24 бита цветной палитры по сравнению с одной из лучших видеоанализирующих сис­ тем «Milhped Prisma III». Измерение курсора системы «Арех» осуществляется с шагом, равным 1/4 пикселя, вместо одного пикселя в системе «Prisma». Автоматическая оцифровка движений основана на распознавании ана, лизирующей системой или маркеров, излучающих инфракрасный : свет, или светоотражающих датчиков, прикрепленных к опорным точкам тела человека согласно избранной модели (обычно это проекции центров вращений суставов или суставных осей на кожу испытуемого). Ш Однако, такие системы не применимы в практике соревнований и могут быть использованы в основном в лабораторных условиях. Системы с автома­ тической оцифровкой не уступают видеоанализирующим системам с ручной оцифровкой по точности измерений координат точек. Однако они стоят значи­ тельно дороже и, кроме того, на анализируемые в процессе эксперимента движения накладываются дополнительные ограничения. Эти системы получи­ ли название «захват движения» (motion capture). Съемка одной камерой с определением двух координат точек движуще­ гося объекта является лимитирующим фактором для изучения сложных про­ странственных движений человека. Достаточно точным, относительно про­ стым и гибким в использовании методом определения трехмерных координат точек движущегося пространственного объекта является метод прямой ли­ нейной трансформации (DLT-метод), разработанный Abdei-Aziz и Ка га га (1971), и его линейная и нелинейная модификации (Hatze, 1988). Реконструк­ ция 3D координат методом DLT производится на основе плоских изображений объекта, полученных от двух камер. Основанный на аналитической фотограм­ метрии и разработанный для стереокино и видеометодов регистрации движе­ ний, метод DLT дает достаточно точные результаты и широко используется в современной экспериментальной биомеханике. Основное достоинство метода DLT состоит в том, что при его использовании, в отличие от других методов пространственной реконструкции объекта, внешние и внутренние параметры камер (их положение и ориентация по отношению к объекту съемки, дисторсия линз объективов и изображения) не требуют измерения. Эти параметры пред­ ставляются группой из 11 неизвестных коэффициентов (так называемые па­ раметры DLT), которые в импликативной форме содержат необходимую ин­ формацию о параметрах камер и определяют линейную трансформацию меж- ___________ __________________________ _____________________________ вцаааамнивамааава а д ду трехмерным пространственным объектом и его двухмерным плоскостным отображением. Для определения параметров DLT перед экспериментом необ­ ходимо провести калибровочную процедуру путем съемки специального тестобъекта (параллелепипед, куб, призма, полиэдр и т.п.) с равномерно располо­ женными внутри его пространства контрольными точками (маркерами). Дейст­ вительные координаты этих контрольных точек в инерциальной системе коор­ динат следует определить прямым прецизионным измерением с точностью до 0,5-1,0 мм. После оцифровки контрольных точек на основе данных съемки их расчетные двухмерные и действительные трехмерные координаты необходи­ мо ввести в 12 уравнений DLT, составляемых для каждой камеры. Решение этих уравнений позволит определить 11 неизвестных параметров DLT. Для определения 11-и параметров DLT необходимо знать действительные трех­ мерные и расчетные двухмерные координаты как минимум 6 контрольных то­ чек (2 уравнения DLT для одной точки хб контрольных точек =12). Наилучшие результаты получаются при использовании от 12 до 22 контрольных точек, равномерно распределенных в контрольном пространстве тест-объекта, кото­ рое должно занимать объем, достаточный для выполнения исследуемого движения. Рекомендуется избегать расположения контрольных точек в углах и по краям тест-объекта. После съемки тест-объект следует убрать из поля зре­ ния камер и в месте его бывшего расположения этими же камерами (без изме­ нения их позиций) произвести съемку реального объекта (например, спорт­ смена) с последующей оцифровкой координат опорных точек его двух плоско­ стных отображений в последовательности движения (кадр за кадром). Далее уже известные параметры DLT вместе с рассчитанными двухмерными коорди­ натами точек реального объекта вво­ дятся в те же уравнения DLT, которые решаются относительно неизвестных трехмерных пространственных коорди­ нат X, Y и Z этих точек. Разработанное ПО для компьютеров современных ви­ деоанализирующих систем обеспечи­ вают надежную и достаточно точную трехмерную реконструкцию движений пространственного объекта. В то же время необходимо отме­ тить, что для исследования техники достаточно большого числа спортивных упражнений (например, различных «гладких» оборотов, прыжков и соско­ ков в спортивной гимнастике, акробати­ ческих прыжков, прыжков в воду и на батуде и т.п.) пространственная рекон­ струкция не требуется, т.к. звенья тела Рис.5.6. Одна из современных ЗОспортсмена совершают движения в установок, VITUS 3D Body Scanner плоскости, параллельной плоскости (Германия) позволяющих проводить антропометрические замеры тела перемещения его ОЦМ. При исследо­ спортсмена не более чем за 20 секунд. вании таких движений для получения необходимой биомеханической информации необходима и достаточна ортого­ нальная съемка одной камерой. Наиболее известными фирмами, производящими видеоанализирующие программно-аппаратные средства в настоящее время являются «Peak Per­ formance Technologies, Inc», «Motion Analysis, Inc», «Northern Digital's Watsmart», «Oxford Metrics», «VITUS» (рис.5.6) и др. Видеоанализирующие системы в физической культуре и спорте должны, прежде всего, отвечать на следующие вопросы: а) каковы биомеханические параметры оптимизированной модели техники конкретного движения? б) в чем техника движений конкретного индивидуума параметрически отличается от оптимальной? в) что произойдет в биомеханическом плане, если конкретный индивидуум определенным образом изменит параметры своего движения? г) как следует изменить параметры движения конкретного индивидуума, чтобы достичь заданный результат? В Российской Федерации так же существуют подобные технологии, на­ пример система Motion Capture компании Virtoons стоимостью от €20.000 до €25.000 (стоимость импортных разработок более чем на €5.000 дороже отече­ ственных) - www.virtoons.com. Отличие отечественной разработки от зарубеж­ ных аналогов заключается в радиусе действия и точности отслеживания пе­ ремещения (см. таб.5.2). Таблица 5.2. Параметры систем виртуальной анимации _____________ Параметр (Polhemus) Радиус действия Диапазон углов Точность отслеживания перемещения Разрешение по переме­ щению Точность отслеживания углов Разрешение по углу Скорость обновления измерений (изм./с) Выходные сигналы Интерфейс Формат данных Режимы 0,75 м (до 3 с уменьшен­ ной точностью) все возможные углы ■0,8 мм ■ 0,02 мм на 10 см переме­ щения Система (компания) Flock of Birds (Ascension Technology 0.9 м (до 2,5 при наращи­ вании системы) ±1.80° по азимуту и враще­ нию, ±90" по тангажу ■2 мм 0.8 мм ■.■■■ .Л0;5в-: Motion Capture (Virtoons) 3 м устойчивого приема, 6-8 м рабочая зона полные 360° по всем осям 20 мм ; ■ 5 мм ■: 1,5° на любом расстоянии 0,1° на расстоянии 30 см 0,1° на любом расстоянии 144 150 для углов, 100 для коор­ динат декартовы координаты и углы ориентации декартовы координаты и углы ориентации RS-232 или 1ЕЕЕ-448 ASCI! или бинарный RS-232 или RS-422/485 бинарный координаты Root и кватер­ нионы поворота для всех костей RS-232 точечный или потоковый точечный или потоковый 0.025° . 120". . " v. бинарный работа по запросу (CHIP март 2003) Системы захвата движений подразделяются на механические, магнит­ ные и оптические. Механические системы представляют собой скелет с сис­ темой датчиков, надеваемый на человека. Таким образом, отслеживается как положение всего скелета в целом, так и положение относительно друг друга отдельных его сегментов. л» Магнитные системы представляют собой комплекс датчиков, закреп­ ляемых на теле человека, и генератора магнитного поля, установленного сна­ ружи. Датчики улавливают магнитное поле, и по задержкам и некоторым дру­ гим параметрам определяются положение и ориентация датчика в простран­ стве (три координаты XYZ и три угла вокруг этих осей — 6 DOF, шесть степе­ ней свободы). Отсюда вытекает ограничение — актер должен находиться в зоне действия генератора импульса. Обычно это небольшое замкнутое про­ странство площадью 3x3 либо 5x3 м. Наличие в магнитном поле посторонних металлических предметов также снижает точность измерений. Кроме этого, магнитные системы дают не такие качественные результаты, как оптические системы, поэтому требуют использования специальных фильтров и ручной доводки. Однако данные системы получили широкое распространение в силу своей невысокой цены — от €30 тыс. до 70 тыс. в зависимости от количества датчиков, беспроводной или проводной реализации системы. Системами этого класса занимаются такие всемирно известные компании, как Polhemus (сис­ тема Motion Capture Server) и Ascension Technology Corp (система Flock of Birds) (Таб.5.2). При разработке российской системы Motion Capture специалисты стави­ ли перед собой несколько важных задач. Одна из основных — дать возмож­ ность снимать данные на неограниченной площади: актер поднимается по лестнице в доме, актер идет по лесу или же играет персонажа на стадионе. Для этих целей была разработана альтернативная система. Если в западных разработках есть некие рэпперные (опорные) точки, то в российской системе есть так называемые рэпперные направления. Зная углы между сегментами, мы можем сориентировать сегменты скелета относительно друг друга. Для того чтобы сориентировать скелет в пространстве, используется сравнение рэпперных направлений пространства с показаниями датчиков. Датчики в системе компании Virtoons отличаются высокой степенью сложности. Они состоят из трех магнитометров, трех акселерометров, трех гироскопов и одного микропроцессора, обрабатывающего данные, поступаю­ щие с этих девяти устройств. В отличие от западных систем в российской раз­ работке используются естественное магнитное и гравитационное поля Земли, то есть отсутствует зависимость от внешнего магнитного передатчика систе­ мы. Стоимость отечественной разработки - €20-25 тыс. Выделяют механические, магнитные и оптические системы. Данные технологии Motion Capture могут, например, обрабатываться пакетом трех­ мерной графики 3ds max. Системы автоматической оцифровки движений человека - «захват дви­ жения» (Motion Capture) - появились в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Использоваться в спорте, при подготовке гимнастов к олимпийским иг­ рам, они начали с 1993 года в США. Тогда же, они были применены для соз­ дания фильма «Парк юрского периода». Одна из доступных в настоящее время систем «захвата движения» является устройство Ascension ReActor2 Принцип работы. При отсутствии сенсоров и кабелей, закрепленных на теле спортсмена, ReActor2 предоставляет ему полную свободу движений. Цифровые детекторы обеспечивают полный охват рабочего пространства с минимизацией блокировки маркеров. В этом случае система распознавания Instant Marker Recognition (IMR) производит подчистку данных и повторный ввод, что уменьшает объемы пост-обработки и повышает эффективность ра­ боты в целом. вдоль каждого из 12 ребер куба расположены согни данные оциф­ ровки лдредаю1сй на ко м ­ пьютер для анимации персонажа дсюк'орсш Рис.5.7. Устройство Ascension ReActor2. Недорогая система оцифровки движе­ ния для одного спортсмена. Оборудована электронными камерами вдоль каж­ дого из ребер куба. Полный охват рабочего пространства и быстрая установка. Функции: Спортивный и медицинский анализ • Реабилитационные процессы • Персонажная 3D анимация для ТВ, кино, компьютерных игр • Перфоманс • Оценка производительности труда Возможности и преимущества. Фиксированный набор цифровых де­ текторов: полный охват рабочего пространства с минимальной потерей дан­ ных. Меньшие затраты времени на калибровку. IMR: блокированные данные быстро вводятся повторно. Фиксированный набор камер: калибровка не тре­ буется вообще. Простота использования: работает практически в любом ок­ ружении. Удобный интерфейс. Экспорт данных в большинство анимационных пакетов. Характеристики Технические: • Количество маркеров: 30 активных оптических маркеров; 27 диодов на маркер. • Количество детекторов: для модели 332 - 448 На каркасе куба, для моде­ ли 3 4 2 -5 1 2 . • Частота обновления данных: до 900 измерений в сек. • Генерация отчетов о данных: до 30 измерений в сек. • Интерфейс: Ethernet. • ПО: пакет FusionCore™ для визуализации в реальном времени, редакти­ рования данных и экспорта в анимационные пакеты. • Прикладное ПО: Kaydara MOTIONBUILDER™ и МОСАР™; большинство современных анимационных пакетов. • Помехи от металлических поверхностей: нет. • Внешний рассеянный свет: автокомпенсация изменения света. Физические: • Компьютер: Dual Pentium PC с интерфейсом ReActor и ПО FusionCore. • • • • • • • Снаряжение для спортсмена: 5.08x2.54x11.7 см; 900 граммов. Батареи: 5x13 см; 227 граммов; время непрерывной работы - 30 мин. Костюм для спортсмена: 2 части, размеры XS, S, М, L, XL. Каркас куба: 12 алюминиевых ребер с датчиками. Модель 332: размер рабочей области 3.0x3.0x2.4 м; размер куба 4.11x4.11x2.54 м. Модель 342: размер рабочей области 3.0х4.2х2.4 м; размер куба 4.11x5.31x2.54 м Одна из программ ЗО-графики, которая обрабатывает данные по систе­ ме «захват движения», является 3ds max (См.Практикум). Моделирование мышечной деятельности. Высшим пиком моделирования двигательной деятельности человека является робототехника. Основной причиной включения настоящей темы в данный электронный учебник является до сих пор еще не разрешенная про­ блема моделирования мышечной деятельности. Примером такого глубокого мышечного анализа является работа аспи­ ранта Дэвида Хэнсона из Техасского университета в Далласе, который в на­ чале 2003 года на научной конференции в Денвере, штат Колорадо, проде­ монстрировал лицо робота (www.androidworld.com; Фербер Д., 2003). Чтобы лицо робота (рис.5.8), состоящее из полимерных мышц изменило гримасу, электрический сигнал от панели управления (не показана) заставляет вра­ щаться сервомотор (1), тот натягивает нейлоновую леску, которая, в свою очередь, приподнимает анкеры, находящиеся в коже из презинафа в уголках рта робота (2). Другие сервомоторы вращают глазное яблоко, оснащенное цифровыми камерами (3); набор бронзовых трубок позволяет наклонять голо­ ву (4), вращать ее (5), вытягивать шею (6) и кивать подобно человеческой го­ лове. Маска, прикрепленная к деревянной платформе, очень похожа на лицо человека с нежной кожей, тонкими чертами, высокими скулами и большими голубыми глазами. Хэнсон присоединяет ее к своему ноутбуку. Затем он на­ жимает несколько клавиш и... маска начинает двигаться. Она поворачивается направо и налево, улыбается, хмурится, гримасничает, тревожится. Тут посы­ пались вопросы, на которые Хэнсон стал уверенно отвечать. По его словам, в голове имеется 24 сервомотора, приводящие в движение основные мышцы человеческого лица. В глаза вмонтированы цифровые видеокамеры, чтобы наблюдать за теми, кто рассматривает голову, а новое программное обеспе­ чение позволит голове повторять ужимки зрителей. Голову зовут Крис, а ее прототипом послужила лаборантка по имени Кристина Нельсон {www.androidworld.com; Фербер Д., 2003). «Напрямую» изделие Хэнсона не относится к физической культуре и спорту, но его исследования параллельны исследованиям управления мы­ шечной системой человека, поэтому не следует оставлять без внимания такое изобретение. Моделируя мимику лицевых мышц, Дэвид Хэнсон выявил ряд некоторых закономерностей мышечной деятельности, о которой ранее судили исключительно субъективно. В частности было выявлено, какие мышцы лица и как реагируют на те или иные эмоциональные состояния человека. Как они количественно управляются. Рис.5.8. Дэвид Хэнсон со своим изделием - лицо робота (вверху), имитирующего движения лицевых мышц и его схема (слева) (Фербер Д., 2003). Спорт роботов - техника и тактика. Безусловно, спорт киборгов - ис­ кусственных «органических» роботов - и соревнования между спортсменами людьми и киборгами спрогнозированные еще 1973 году футурологом и прези­ дентом крупной японской компании по производству автоматики Татеиси Кадзума (1992) на 2050 год, дело весьма далекое, но разработка многих вопро­ сов, связанных с ним суть, несомненно, область действия именно информа­ ционных технологий в физической культуре и спорте. Такие проблемные во­ просы, как моделирование мышечной деятельности и связанные с ним осо­ бенности технической подготовки спортсменов, тактическая подготовка спорт­ сменов и разработка теоретических вопросов спортивной тактики, - вот далеко не полный перечень областей, где именно роботы смогут стать ответом на многие из них. Спортивные соревнования «железных» роботов - уже не вымысел фан­ тастов. Чемпионаты по футболу среди роботов под общим названием RoboCup проводятся ежегодно, начиная с 1997 г. В 2003 году чемпионат про­ ходил в Фукуоке (Япония) и привлек участников из 29 стран и 112 тысяч зри­ телей. Столь высокий интерес к чемпионату можно объяснить традиционной любовью японцев к роботам, а также проходившим на территории страны чемпионатом мира по футболу среди людей (www.compulenta.ru). Соревнова­ ния проводятся в нескольких лигах. В лиге малых роботов (small size) играют машины размером 15 х 18 сантиметров, которые управляются внешней ком­ пьютерной системой. В играх в лиге средних роботов (middle size) участвуют более мощные автономные роботы размером 50x50 сантиметров, оснащён­ ные собственным мощным бортовым компьютером и системой технического зрения. С недавних пор введена ещё одна лига, в которой играют робо-собаки (рис.5.9), тренирующиеся у Хошэн Ху и производящиеся компанией Sony. =1 Доктор Таккер Боч - так же весьма необычный футбольный тренер. Он редко подбадривает игроков, стоя за боковой линией, и никогда не злится на них. Д-р Боч не потрясает в воздухе кулаками, наставляя футболистов: все, что от него требуется, - это склониться к компьютеру и ввести новую команду. Его подопечные тоже необычны - все они боты. И хотя пока Рис.5.9. Наибольшее внимание зрите­ лей достается роботам-собакам Aibo, которые используют для навигации глаза-камеры и, забив гол, демонстри­ руют всяческие ужимки. Естественно, что ПО Aibo специально меняется энту­ зиастами, чтобы роботы могли взаимо­ действовать с мячом, партнерами по команде и соперниками. «Тренер» робособак Хошэн Ху. Ученыйробототехник из Техноло­ гического института Джорджии в Атланте не видит за железными футбольными звезда­ Рис.5.10. Футбольная команда ботов ми большого спортивного будущего, в бли­ доктора Таккера Боча в атаке. жайшее время, но его эксперименты могут привести к удивительным открытиям в работе механизмов человеческого об­ щества. Боты, участвующие в экспериментах д-ра Боча, не более чем не­ сколько строчек программного кода, постепенно изучающие искусство фут­ больной игры на экране монитора. Это всего лишь компьютерные имитации реальных роботов, - машин размером с коробку из-под обуви, участников фут­ больных состязаний. Ученый планирует в будущем воспроизвести свои ком­ пьютерные эксперименты на реальных роботах, что, по его словам, позволит максимально приблизить его поиски к условиям социальных реалий. В компьютерной имитации боты учатся играть в футбол путем выполне­ ния случайной последовательности основных движений - они ведут мяч, бе­ гут за ним, бьют по нему, перехватывают. За каждую последовательность действий программа либо награждает, либо наказывает бота, посылая ему цифровой сигнал, сообщающий, удалась ли ’’атака" или же ее надо повторить. Д-р Боч разделяет ботов на две команды, представленные кружками на экра­ не монитора. Боты из контрольной группы могут передавать мяч, защищаться и атаковать с момента начального свистка, в процессе развертывания игры они должны учиться на своих промахах и переигрывать неудачные моменты. Как оказалось, контрольная выборка ботов ведет себя по-разному в зависимо­ сти от того, награждается ли вся команда вместе либо ее игроки по отдельно­ сти. По первому сценарию, поощрительный сигнал посылается только тому боту, который забил гол. В продолжение матча каждый командный игрок дей­ ствует по единой схеме поведения - устремляется за мячом в едином порыве забить мяч. В результате кружки на экране монитора скапливаются вокруг единой точки - мяча, оставляя все остальные участки поля открытыми для атаки. По другой схеме награждается вся команда, если кто-то из ее членов забивает гол. После нескольких тренировочных циклов некоторые боты начи­ нают действовать исключительно как защитники, другие же рвутся в форвар­ ды. "Коллективное поощрение порождает разные линия поведения, - отме­ тил д-р Боч, - и это приносит команде п о б е д у Результаты такого рода на­ блюдений могут удивить тех, кто верит в силу индивидуального поощрения как в основу капитализма, порождающую многообразие идей, точек зрения, целей и методов их достижения. Д-р Боч пока не спешит переносить свои выводы на человеческое общество, так как, по его словам, нельзя не учитывать всю сложность и многообразность человеческой натуры, а также такие факторы, как мотивация и зависть, которые невозможно воспроизвести в системах ис­ кусственного интеллекта. Однако заявляет ученый, его эксперименты показы­ вают, что изучение ботов может служить окном в мир понимания поведения человека. "Боты могут учиться и планировать, и общаться между собою, - от­ метил д-р Боч. - Они, вероятно, представляют собой наилучшую на сегодняш­ ний день модель для проведения контрольных экспериментов над социаль­ ными системами". В 2002 году своеобразное соревнование проводилось среди андроидов (рис.5.11). Правда, настоящего футбола в их исполнении увидеть не удастся: технология ходьбы проработана пока довольно слабо, так что "андроиды" бу­ дут соревноваться в пробивании штрафных и умении ходить. Кроме того, существует так называемая лига симуляторов. Та­ кие игры являются полностью вир­ туальными и проводятся внутри распределённой клиент-серверной системы, состоящей из сервера, содержащего информацию о ситуа­ ции на футбольном поле, и не­ скольких клиентов, представляю­ щих собой игроков (Рис.5.12). Фак­ тически, каждая ползающая по эк­ рану "букашка’ -игрок является от­ дельным компьютером, и возмож­ ности скоординировать свои дейст­ вия у них не большие. В прошлом году в симуляционных играх участ­ вовала команда антивирусной ком­ пании DrWeb. Тогда это была един­ ственная российская команда, и "выступила" она весьма достойно: ей досталось второе место в группе В. Команда DrWeb проиграла толь­ Рис.5.11. Андроид Рональдо ко серебряному призеру чемпиона­ та мира, команде "Karlsruhe__Brainstormers". В 2003 году Россию представляла объединенная команда питерской компании "Новая Эра" из Санкт-Петербургского государственного техническо­ го университета. Рис.5.12. Эпизод из игры с участием команды DrWeb. Рис.5.13. Робот Fujitsu НОАР-2 демонстрирует приемы сумо Традиционные представления в Вос­ точной Азии о боевых искусствах, как о ме­ риле сложности движений, не обошло вни­ манием робототехнику. На прошедшей в Японии выставке СЕАТЕС 2003 компании из Страны Восходящего Солнца представили сразу несколько новых роботов-андроидов. На этот раз в демонстрации участвовали два робота, владеющих боевыми искусст­ вами. Один из них, МогрЬЗ, разработанный в Технологическом институте города Тиба андроид высотой всего в 30 см, демонстри­ ровал приемы карате. Ловкость роботу при­ дают 14 электронных контроллеров, 30 моторов и 138 датчиков давления. Второй - робот НОАР-2, разработанный в компании Fujitsu (Рис. 5.13). При "росте" в 50 см он весит 7 кг, знает приемы китайских единоборств и борьбы сумо. Всего у робота имеется 25 степеней свободы. В НОАР-2 зало­ жено программное обеспечение на базе Linux, а управление роботом осуще­ ствляется с компьютера по беспроводной сети или через интерфейс USB. Ин­ тересно отметить, что в Fujitsu не считают НОАР-2 чисто исследовательским проектом. В течение 2004 года компания намерена продать 20-30 таких робо­ тов учебным заведениям и другим компаниям. В январе 2003 года, по сообщению агентства Синьхуа, ученые Пекин­ ского университета науки и техники провели испытания человекоподобного робота BHR-1. (Рис.5.14) Создание роботов "по образу и подобию” человека уже не новость, стоит вспомнить хотя бы SDR-4X от компании Sony и Asimo производства фирмы Honda. Однако Китай и здесь пошел своим путем. Меха­ низм, построенный в рамках китайской Программы исследований и развития в сфере высоких технологий, владеет искусством оздоровительной гимнастики тайцзи-цюань. Более 20 тысяч американских студентов из 660 команд занимаются разработкой "боевых" роботов для участия в соревновании Robotics Competition, победители которого награждаются поездкой в Белый дом. Ор­ ганизаторами Robotics Competition являются компания FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) и её основатель Дин Кеймен, изо­ бретатель Segway. Цель соревнований - познакомить молодых энтузиастов с технарями-профессионалами (идеи одних, помноженные на опыт других) и попытаться объединить их усилия для решения тех или иных технических за­ дач: например, построить робота-пожарного или робота-спасателя. Главное испытание - это спортив­ ные поединки роботов, названные BattleBots (Рис.5.15). Для команд сорев­ нования обходятся недёшево: $5000 за участие, плюс дорога, проживание, дета­ ли и инструменты - таким образом, затра­ ты одной команды исчисляются десятка­ ми тысяч долларов. Но помогают мецена­ ты и спонсоры, а в их числе NASA, DaimlerChrysler, General Motors, Johnson & Johnson, Motorola и мн.др. В феврале 2003 г. в японском На­ циональном музее развития науки и инно­ ваций (NMESI) прошел первый турнир по боям среди роботов "ROBO-ONE". Турнир состоит из двух основных этапов: на первом этапе проводится демонстра­ ция возможностей всех роботов, допу­ Рис.5.14. Мастеру тайцзи-цюань щенных к участию в соревнованиях, а на необходима гибкость, и BHR-1 ею втором состоится кулачный бой роботов. обладает: его конструкция насчиты­ Управление вает 32 сочленения. Рост китайского роботами во первенца 158 см, вес 76 кг - вполне время боя и традиционные параметры для сред­ предвари­ него жителя Поднебесной. тельных выступлений может осуществляться как при по­ мощи компьютера, так и посредством использо­ вания пульта дистанционного управления, а са­ ми участники высотой от 20 до 120 сантиметров должны быть "двуногими" и не должны комплек­ Рис.5.15. Схватка, назы­ товаться никакими дополнительными система­ ваемая также Zone Zeal, ми, позволяющими им получить явное превос­ представляет собой некий ходство над соперниками. вид баскетбола: радио­ В таблице 5.3 приведены краткие описа­ управляемый робот дол­ ния пяти роботов различных фирм, которые, жен забрасывать мяч в прежде всего, моделируют движения человека, в корзину и при этом поста­ том числе и спортивные. раться вытолкнуть конку­ рента за пределы поля «. f ,ry = Таблица 5.3. Наиболее известные роботы «гуманоиды» (По данным журнала «Что нового в науке и технике» №10 (12) октябрь 2003 с.96) Пожалуй, наиболее проворный гуманоид человеческого роста, созданный компанией «Саркос». Может удерживать в руке палочку, жонглиро­ вать предметами и исполнять народный танец острова Окина­ ва. Может также заниматься наукой грулпа Стефана Шааля из Южнокали­ форнийского универ­ ситета использует этого робота для проверки теорий управления мотор­ ными функциями (т.е. каким образом мозг планирует и генерирует движения) Robovie был создан как компаньон группы Хироши Ишигуро из Международного института исследова­ ния телекоммуникаций в Киото - Япония. Он поворачивает голову к собеседнику, дер­ жится на по чггитель­ ном расстоянии во время разговора показывает пальцем на предмет и накло­ няется во время игр с детьми. Благодаря инженер­ ному искусству RoboSapien обучен восточным едино­ борствам (кунг-фу) поднимает предме­ ты с земли менее чем за секунду и, как утверждает его соз­ датель физик Марк Тильден, «бегает так быстро, что даже пугает кошек». Вме­ сто вычисления траектории движе­ ния с помощью компьютера RoboSapien реагирует на сигналы окружаю­ щего мира, исполь­ зуя аналоговые транзисторы. Рост RoboSapien - 36 см (в продажу он поступит в конце 2003 года) а предполагаемая розничная цена составит $80 США Напоминает движу­ щуюся груду железа, но неказистый вид робота компенсиру­ ется интеллектом. Созданный Аланом Петерсом и его кол­ легами из универси­ тета Вандербильта, ISAC может выражать простые эмоции и обладает как крат­ ковременной, так и долговременной памятью. Вскоре он сможет даже «видеть сны», перетасовывая свои нервные связи подобно тому, как мы делаем это во время сна. Возможно, это поможет найти твор­ ческое решение сложных проблем Несмотря на свой маленький рост (около 60 см), робот мечты от Sony может разбудить вас утром, поставить кассету в видеомагнитофон и спросить, как прошел день. Последняя версия СРМ-4Х поет, танцует и распозна­ ет голоса и лица. Он появится на амери­ канском рынке в течение ближайших двух лет. Его цена будет сопоставимой с ценой роскошного автомобиля Примечание: Полужирным шрифтом выделены моторные функции роботов «гуманоидов». Робототехника в медицине и адаптивной физической культуре Робототехника в медицине Медицинский институт Джона Хопкинса (Балтимора, США) предста­ вил результаты исследования по применению роботов в хирургии. Как было заявлено, использование роботов и компьютерной техники позволит осущест­ вить проведение операций в любой точке земного шара самыми лучшими специалистами при помощи сетевых технологий. Кроме того, возможно созда­ ние миниатюрных управляемых устройств, которые смогут проводить опера­ ции, будучи помещенными в организм без совершения внешних надрезов. I г С сентября 1998г. по июль 2000г. исследователи института Д. Хопкинса провели серию удаленных хирургических экспериментов, используя ком­ пьютерную технику, средства связи и видеоконференций и хирургических ро­ ботов последнего поколения. Как показал опыт экспериментов, хирургические роботы имеют неоспоримое преимущество, поскольку они способны обеспе­ чить более точные траектории движения инструментов, трехмерное изобра­ жение оперируемого участка, а также избавлены от естественного для чело­ века тремора рук. Уже появился прообраз такого устройства - робот для совершения операций на мозге раз­ работки Armstrong Healthcare Ltd. Представив на выставке в Лондоне робота "PathFinder", компания заявила, что обеспечит хирургов тех­ нологией точного управления инструментами при операциях на участках головного мозга, сводящей к минимуму поражения прилежащих тканей. Экоскелеты Современные роботехнологии предлага­ ют для инвалидов устройства, получившие на­ звание «экоскелеты» (рис.5.16), которые уже планируется выпускать в Японии с апреля 2004 года (Розенвальд М., 2004). Йошиюки Санкаи профессор Университета Цукубы (Япония) - за­ являет, что создал моторизованные ноги или Рис.5.16. Экоскелет HAL-3 экзоскелет, который вернет инвалидам возмож­ Йошиюки Санкаи (концерн ность ходить, подниматься по лестнице и даже Mitsui & Со, Япония) помога­ заниматься тяжелой атлетикой (рис.5.17). Уст­ ет инвалиду перемещаться ройство, названное HAL-3, сочетает в себе дос­ со скоростью до 4 км/ч тижения нейронауки, биологии, робототехники и немного научной фантастики. К оснащенному батарейками пластмассовому каркасу прикреплены кожные датчики, компью­ тер, выступающие наружу моторизованные суставы и приводы, движущиеся синхронно с пользователем. Концерн Mitsui & Со (один из лидеров японской электроники) планирует начать серийный выпуск HAL-3 в апреле 2004 года. Аппарат будет стоить недешево. «Примерно столько же, сколько автомо­ биль», - говорит Санкаи. Шесть конструктивных блоков HAL-3 описаны ниже (рис.5.18): 1. Система управления. «Мозг» HAL-3 носится как рюкзак - на спине. Он содержит компьютер с операционной системой Linux, беспроволочную местную сеть, мотоприводы и программное обеспечение для измерения силы. Вся масса рюкзака-компьютера приходится на раму, внутри которой находится инвалид. 2. Моторизованные суставы. Четыре привода, каждый из которых снабжен миниатюрной коробкой передач и прикрепляются в области тазобед­ ренного и коленного суставов, обеспечивают плавность движений. Угловые сенсоры измеряют ротацию и степень сгибания в суставах. Рис.5.17. HAL в тренажерном зале Обратите внимание на спокойное выражение лица человека, изображенного на фото справа: специально подогнанный моторизованный. HAL-3 позволяет этому инженеру из Цукубы без труда поднимать ногами груз до 180 кг. 3. Источник питания. HAL-3 снабжен никелевыми батарейками, кото­ рые крепятся к поясу. Они рассчитаны на три часа ходьбы или на час сидения на корточках. 4. Рама изготовлена из пластмассы, легкого сплава алю­ миния и хрома. По словам Сан­ каи, «вы чувствуете себя так, как будто надели горнолыжные бо­ тинки». HAL-3 требует индивиду­ альной подгонки, но в будущем модели будут универсальными. 5. Мышечные датчики. Датчики, расположенные на мышцах, улавливают идущие от мозга двигательные импульсы. Система обратной связи экзоске­ лета должна четко соответство­ вать намерениям пользователя. «Иначе - говорит автор, - устрой­ ство станет не столько помогать, сколько мешать». 6. Опора для стопы. HAL3 не носится, а, как говорит Сан­ каи, «прикрепляется, как трансРис.5.18. Принципиальная схема устройства портное средство». Устройство экоскелета HAL-3. весом около 20 кг поддерживает­ ся двумя «чашечками» в области лодыжек. Размещенные внутри индивиду­ ально изготовленных кроссовок датчики позволяют компьютеру измерять дав­ ление подошвы на пол. Другой экоскелет, также созданный в Японии, позволяет человеку под­ нимать грузы, превышающие его собственный вес. Группа учёных из Канагавского технологического института в Японии под руководством Кейдзиро Ямамото разработала экоскелет, позволяющий медсёстрам и физиотерапевтам поднимать пациентов, не прилагая к этому никаких усилий (рис.5.19). Во время испытаний устройства медсестра весом 64 килограмма смогла поднять и перенести пациента, весящего 70 килограмм. Этот экоскелет представляет собой ме­ таллический каркас с пятью пневматическими приводами: по одному для каждого локтя и каж­ дого колена и один на пояснице. Сигналы, при­ водящие их в движение, поступают от микро­ компьютера, который считывает данные с чув­ ствительных пластинок, размещённых на всех основных группах мышц, и пытается управлять экоскелетом таким образом, чтобы он копировал движения одетого в него человека. Устройство группы Ямамото пока не слишком практично: оно весит 16 килограмм, и человеку, одевшему Рис.5.19. Экоскелет создан­ его, приходится таскать за собой множество ный группой ученых под проводов и шлангов, по которым к сервомеха­ руководством Кейдзиро низмам подаётся сжатый воздух. Его стоимость Ямамото в Канагавском в настоящее время- более $21 тыс. К 2005 году технологическом институте стоимость усовершенствованного экоскелета (Япония). составит 250-300 долларов. Литература 1. Кулагин, Б.Ю. 3ds max и character studio 4. Анимация персонажей / Б.Ю. Ку­ лагин, Д.Е. Морозов. -СПб.: БХВ-Петербург, 2004. -224с. +CD. 2. Мирошниченко, А. Новое измерение. Первые шаги в VR / А. Мирошниченко // «ЧИП», 11, 2002 стр. 64-67. (www.virtusphere.com) 3. Мирошниченко, А. Виртуальная жизнь. Системы Motion Capture / А. Мирош­ ниченко II «ЧИП», 03, 2003 стр. 56-61. 4. Розенвальд, М. Электронные брюки / М. Розенвальд //«Что нового в науке и технике», №1 (15) январь, 2004. с.54-55. 5. Сучилин, Н.Г. Оптикоэлектронные методы измерения движений человека / Н.Г. Сучилин, Н.Г. Савельев, Г.И. Попов. - М.: ФОН, 2000.-126с. 6. Фербер, Д. История о том, как жених сделал робота из невесты / Д. Фербер //«Что нового в науке и технике», №10 октябрь, 2003. с.90-98. Интернет 1. http://www.virtoons.com Контрольные вопросы к разделу 5. 1. Какие задачи решаются ЗР-графическими программными продуктами? 2. Перечислите методы оптикоэлектронного измерения движений человека 3. Опишите основы технологии «захват движения» 4. Приведите пример моделирования мышечной деятельности. 5. Какие задачи решаются в спорте роботов? 6. Какие задачи решаются робототехникой в медицине и адаптивной физи­ ческой культуре?