Capture de mouvements

La capture de mouvements est classée suivant 3 catégories qui permettent de distinguer les différents emplacements de la source de capture et des marqueurs présents dans l’environnement d’acquisition (Perales, 2001 ; Menache, 2010):

1. Le système dit « Outside-In » classifie les systèmes où la source est placée sur le corps et les capteurs sont à l’extérieur (par exemple, les systèmes optiques);

2. Le système dit « Inside-Out » classifie les systèmes où les capteurs sont placés sur le corps et les sources sont à l’extérieur (par exemple, la capture électromagnétique);

3. Le système dit « Inside-In » sont les systèmes où les capteurs et les sources sont placés sur le corps humain (par exemple, les systèmes mécaniques et inertiels).

Notre projet utilisant la capture inertiel, nous nous intéresserons d’avantage à ce dernier type de système dit « Inside-In », mais il est tout de même important de passer en revue les autres possibilités existantes afin d’effectuer de la capture de mouvements. La revue de littérature suivante est écrite à l’aide des travaux de : Vlasic et al., 2007 ; Wong, 2007 ; Zhiqiang et al., 2009 ; Menache, 2010.

2.1.1 Capture optique

A l’heure actuelle, c’est la principale technologie utilisée par les industries du divertissement pour effectuer de la capture de mouvements. Cette technologie est répartie en deux catégories :

• pour la catégorie passive, un réseau composé d’au moins 2 caméras est utilisé afin de suivre les mouvements des marqueurs réfléchissants;

• pour la catégorie active, des cellules photosensibles sont utilisées afin de suivre les mouvements LED.

Remarque : Une solution où les caméras sont montées sur l’individu existe également et

permet la capture des mouvements de la main, du bras et des points fixés par le porteur (Yokokohji et al., 2002).

Tableau 2.1 Avantages et inconvénients pour la capture optique

Les principales industries proposant cette technologie sont Vicon, Codamotion, PhaseScape et Qualisys. Un exemple du système optique de la société PhaseScape est en ANNEXE III.

Capture optique

Avantages Désavantages • un nombre important de marqueurs

peuvent être suivis (exemple 128). • le système est dépourvu de câble

(les mouvements de l’utilisateur ne sont pas affectés par cette

contrainte).

• la précision du système est importante.

• le nombre d’échantillons par secondes recueillis est important (entre 30 et 2000).

• les capteurs sont flexibles.

• la capture doit se faire dans une pièce spécialement adaptée, dotée du matériel approprié (un studio d’enregistrement). Le système est donc peu portable.

• le système est très dispendieux et de ce fait cette solution n’est pas envisageable pour beaucoup d’industriels.

• la capture peut se révéler impossible

lorsqu’un marqueur est occulté pendant trop de temps.

• pour des animations très réalistes, la période de post-production peut être très longue, de l’ordre de plusieurs jours.

Conclusion : Cette technologie ne peut pas être utilisée pour notre domaine d’application

puisqu’elle ne peut être compatible avec la navigation à l’intérieur des bâtiments et demanderait une infrastructure adaptée, trop lourde à gérer, dispendieuse et non universelle.

2.1.2 Capture mécanique

La capture mécanique aussi dite prosthétique utilise un exosquelette constitué de potentiomètres placés sur le corps humain. Quand l’objet à capter bouge, l’exosquelette suit le mouvement de l’objet et ainsi l’angle de flexion est capturé.

Tableau 2.2 Avantages et inconvénients pour la capture mécanique

Les principales industries proposant cette technologie sont Measurand et Metamotion. Un exemple du système mécanique de la société Metamotion est en ANNEXE III.

Conclusion : Comme la capture optique, cette technologie ne peut être utilisée pour la

navigation à l’intérieur des bâtiments puisqu’il n’est pas possible d’en déduire sa position absolue et de ce fait, son déplacement dans un environnement.

Capture mécanique

Avantages Désavantages • il offre une très grande précision de

mesure (le système mesure directement l’angle de l’articulation, la position n’est pas estimée et les résultats ne sont pas influencés par l’environnement extérieur).

• il présente un faible coût par rapport aux systèmes optiques et magnétiques. • le taux d’échantillonnage peut être assez

élevé puisque peu de processus sont nécessaires pour extraire les données. • il est portable et simple à utiliser.

• il est peu adapté aux mouvements humains et de ce fait, utilisé plutôt en robotique. Certains mouvements sont difficiles à effectuer.

• certaines actions sont limitées et ne peuvent être réalisées tel que le saut. Il n’est pas possible d’en déduire la

position absolue par rapport à la position relative dans ce système.

• il n’est pas possible de suivre le mouvement d’objets ne présentant pas d’articulations.

2.1.3 Capture magnétique

La capture magnétique permet de détecter la position et l’orientation d’un individu en utilisant des capteurs magnétiques (bien souvent une bobine de fils électriques) mesurant le champ magnétique (différence de potentiel) généré par un transmetteur magnétique.

Tableau 2.3 Avantages et inconvénients pour la capture magnétique

La principale industrie proposant cette technologie est Ascension Technologie. Un exemple du système magnétique de la société Ascension Technologie est en ANNEXE III.

Conclusion : Cette technologie présente un environnement de captation restreint et

facilement influençable par l’environnement extérieur. Elle ne peut donc être utilisée pour la navigation à l’intérieur des bâtiments.

2.1.4 Capture de mouvements par inertie

Elle permet à l’aide d’IMUs d’acquérir l’attitude (les mouvements relatifs) du corps humain en temps réel. Le système mesure directement la rotation des angles de chaque articulation par l’utilisation de capteurs inertiels qui souvent sont une combinaison d’accéléromètres et de

Capture magnétique

Avantages Désavantages • les données des capteurs sont traitées en

temps réel, elles sont peu interprétées et enlèvent de ce fait le besoin de post- traitement.

• il présente un coût plus faible que les systèmes de capture optique.

• les marqueurs ne peuvent pas être occultés.

• il présente un faible encombrement.

• la présence d’objets métalliques dans l’environnement peut influencer les résultats.

• le champ magnétique ne peut avoir une étendue importante, de ce fait

l’environnement d’acquisition est limité. • les câbles présents dans le système

peuvent causer des contraintes pour l’utilisateur.

gyroscopes. On a ainsi l’orientation et la position relative d’un point particulier correspondant à l’emplacement du capteur.

Tableau 2.4 Avantages et inconvénients pour la capture inertielle

Les principales industries proposant cette technologie sont Xsens, Animazoo, 3DSuit et Measurand. Un exemple du système inertiel de la société Xsens est en ANNEXE III.

Conclusion : Cette technologie répond aux critères pour la navigation à l’intérieur des

bâtiments mais elle nécessite l’élaboration d’algorithmes efficaces. La portabilité dont elle fait preuve et la possibilité d’obtenir la position d’un point sans qu’il soit forcément une articulation, en fait une méthode tout à fait adaptée. Elle sera détaillée d’avantage dans la suite du rapport.

Capture de mouvements par inertie

Avantages Désavantages • le système présente une très forte

portabilité car l’acquisition n’est pas contrainte de s’effectuer à un endroit fixe.

• la mesure est directement donnée en 6 ou 9 DOF et de ce fait requiert peu de puissance de calcul.

• il est possible de suivre le

mouvement d’objet ne disposant pas d’articulations.

• le taux d’échantillons est assez élevé (~150 par secondes).

• les marqueurs ne peuvent pas être occultés.

• les capteurs sont flexibles.

• il n’est pas possible d’obtenir la position absolue directement.

• le désavantage majeur est la dérive de la position au fil du temps qui nécessite une calibration initiale méticuleuse et des algorithmes performants. Cette dérive est causée par le fait que la position et

l’orientation sont déduites des informations d’accélération et de vitesse angulaire. De ce fait, les erreurs sont accumulées au cours du temps et le système devient instable.

2.1.5 Autres technologies de capture

Il existe également d’autres méthodes de capture de mouvements mais plutôt utilisées dans le cadre de la recherche. Ces solutions n’ont pas encore fait preuve d’efficacité par rapport aux technologies précédentes :

• le traitement de l’image est une solution n’utilisant pas de marqueurs mais directement la vidéo pour en déduire les mouvements de l’individu (Yisheng et al., 2005). Cette approche est restée du domaine de la recherche, elle est beaucoup moins précise que les systèmes précédents et nécessite au moins une caméra filmant les mouvements de l’individu. Cependant, elle est plus portable et abordable;

• la capture acoustique ou par fréquence radio utilise le délai d’un signal pour obtenir la localisation du capteur. C’est un système de type « Outside-In » et « Inside-Out » suivant le choix de son concepteur. Cette solution est rarement utilisée à elle seule pour la capture de mouvements, on la retrouve essentiellement combinée avec d’autres technologies; • les solutions hybrides permettent d’utiliser plusieurs technologies différentes, soit

plusieurs solutions de capture de mouvements afin d’obtenir un système plus robuste. Ils sont très nombreux dans la littérature mais pour exemple, on peut citer les systèmes acoustiques et inertiels (Ward et al., 2005), optiques et inertiels (Bachmann, 2000 ; Pons- Moll, 2010), magnétiques et inertiels (Roetenberg, 2006). L’hybridation permet dans ces cas-là de rectifier la dérive de la position et de l’orientation provoquée par l’utilisation de capteurs inertiels. De plus, excepté pour Roetenberg, 2006, ces hybridations font que le système n’est plus « Inside-In » et de ce fait nécessite une infrastructure externe pour fonctionner.