Capitolo 3: Sistemi di tracking
Introduzione
La possibilità di costruire tessuti sensorizzati, flessibili ed adattabili al corpo umano, è abbastanza recente ed ha aperto la strada ad una nuova serie di interfacce uomo-macchina in molte aree applicative come realtà virtuale, telepresenza, riabilitazione, etc.
Tuttavia ci sono due problemi principali da affrontare: cercare di ridurre in maniera soddisfacente le connessioni tra sensori ed elettronica di corredo, per non influire negativamente sulle prestazioni e rendere l’uso poco confortevole; trovare adeguati algoritmi di estrazione e manipolazione dei dati ricevuti dai sensori, poiché l’uso di sistemi indossabili su soggetti diversi inevitabilmente comporta la necessità di tarature ripetute ad ogni utilizzo, inoltre è compromessa la ripetibilità delle misure anche quando il tessuto è indossato da uno stesso soggetto in tempi diversi perché non è possibile garantire che la posizione dei sensori sia sempre la medesima.
I problemi suddetti assumono qui una dimensione limitata, in quanto il sistema è “indossato” da un singolo automa.
3.1 Tipologie
I sistemi di tracking atti ad osservare il movimento possono essere distinti secondo la collocazione dei sensori e delle sorgenti che stimolano i sensori. Si parla di sensori e/o sorgenti interne, in riferimento alla collocazione sull’oggetto
da osservare, e sensori e/o sorgenti esterne, posti lontano dall’oggetto sotto osservazione.
Secondo quanto esposto, è possibile individuare tre classi di sistemi di tracking:
• Sistemi inside-out (sensori interni e sorgenti esterne)
• Sistemi inside-in (sensori interni e sorgenti interne)
• Sistemi outside-in (sensori esterni e sorgenti interne)
Un’altra suddivisione, più dettagliata, è stilabile in base alle esigenze di impiego, costruttive, economiche, etc.:
1) Caratteristiche descrittive:
• Principio fisico di trasduzione tra sensore e sorgente (piezoelettrico, piezoresistivo, acustico, elettromagnetico, ottico, meccanico ect.)
• Collocazione del sensore e sorgente che lo stimola (inside-in, inside-out, outside-in)
• Tipo di sorgente (artificiale o naturale)
• Parte del corpo analizzata (dita, mano, braccio, spalla, testa, occhio, ect.)
2) Caratteristiche statiche:
• Risoluzione spaziale, range
• Accuratezza statica
• Linearità, isteresi, calibrazione
3) Caratteristiche dinamiche:
• Accuratezza dinamica
• Banda, risoluzione temporale
• Latenza, ritardo di fase e accuratezza temporale
4) Dati di precisione:
• Ripetibilità, stabilità o deriva
• Rumore, interferenze esterne
5) Interfaccia:
• Alimentazione
• Interfaccia di comunicazione con Host (RS232, RS422, USB, ect.)
• Connessioni elettriche o telemetria
6) Elaborazione dei dati:
• Formato dei dati (binario, ASCII ect.)
• Rappresentazione dei dati
7) Caratteristiche operative:
• Fattore di forma (dimensione e peso del sensore sul corpo, cavi e circuiteria aggiuntiva)
• Portabilità
• Comfort, invadenza
• Compatibilità con altri sistemi • Range di temperatura e umidità
8) Fattori economici:
• Prezzo
3.2 Sistemi inside-out
Utilizzano dei sensori applicati direttamente sull’oggetto da osservare, e reagiscono ad una sorgente esterna artificiale (ad esempio una bobina sollecitata da un campo magnetico esterno) o naturale (ad esempio il campo gravitazionale in trackers meccanici).
Sono sistemi che permettono di avere informazioni spaziali, ma generalmente il non perfetto accoppiamento del sensore al corpo (la pelle scivola sul muscolo sottostante che rappresenta l’oggetto da osservare) e la sorgente esterna, nel caso sia del tipo, rappresentano un limite al loro utilizzo. Inoltre, sistemi che sfruttano una sorgente artificiale esterna possono avere una portabilità limitata e risentire di interferenze, ad esempio, elettromagnetiche o dovute a ostacoli fisici. L’uso di sorgenti naturali, come la gravità, consente dispositivi esenti dalle problematiche suddette, ma vanno incontro a limitazioni sulle caratteristiche dinamiche, come, ad esempio, gli inclinometri.
3.3 Sistemi inside-in
Sono contraddistinti dall’avere sia sorgenti che sensori interni, come molti progetti che propongono dispositivi indossabili costruiti con tessuti sensorizzati. Permettono di rilevare efficacemente il movimento e hanno un buon fattore di forma che li rende adatti ad osservare piccole parti del corpo, sono facilmente adattabili a soggetti diversi, ma sono considerati invasivi e non consentono di ottenere informazioni sul movimento del soggetto nello spazio.
Intervengono problemi di corretto utilizzo, in quanto può esserci cattiva aderenza del sensore alla parte da osservare.
Sistemi di questo tipo sono ormai molto diffusi ed a costo relativamente contenuto (nel settore dell’intrattenimento videoludico, in campo medico riabilitativo, etc.).
3.4 Sistemi outside-in
Si distinguono per l’impiego di sensori esterni stimolati da sorgenti
interne, dette markers; i markers possono essere artificiali, oppure una parte del
corpo con caratteristiche adatte funge da marker: ad esempio, per seguire lo spostamento della pupilla, essa è illuminata nello spettro infrarosso e dalla riflessione dell’onda elettromagnetica è ricavabile la traiettoria tracciata.
I sistemi outside-in sono poco invasivi, ma possono avere portabilità limitata; di norma sono usati per seguire oggetti non troppo piccoli, a meno che questi non compiano movimenti limitati, come gli occhi. Lo svantaggio consiste nell’elettronica richiesta, complessa e costosa: fanno uso di videocamere, che hanno limiti di risoluzione ottica e temporale, e fonti esterne al sistema di tracking, radianti nel visibile o nell’infrarosso, possono causare gravi errori di misura. Inoltre, la ripetibilità delle misure può essere bassa se cambia il soggetto sotto osservazione o non si presta particolare cura al posizionamento dei markers artificiali in prove distinte.
Sono sistemi utilizzati in applicazioni che richiedono informazioni di tipo tridimensionale, come nelle tecniche di motion-capture spesso usate nell’industria cinematografica e videoludica, oppure in ausilio a soggetti con disabilità fisiche per permettere loro l’interazione con l’ambiente.
