Qualificazione metrologica di telecamera a tempo di volo Microsoft Kinect V2 per applicazioni in ambito neuroriabilitativo

The purpose of this thesis is the metrological qualification of the Kinect V2 time of flight camera. It was presented by Microsoft in 2014 as peripheral device for video gaming applications, and, in fact, it uses algorithms for human body tracking, allowing a player to control videogames through his body movements. Moreover, because of its large-scale production, it is cheaper than other industrial devices integrating the same technology. For these reasons, this device has been proposed in support of a medical application developed by MediaHospital S.r.l., in collaboration with the district of the Valduce Hospital of ``Villa Beretta'' in Costa Masnaga~(LC). This application, based on the serious game idea, allows a patient to perform the rehabilitation activities at home and guides him in the correct execution of the movements. The trajectories described during the exercise, by his arm joints, are recorded and sent to the medical staff that can analyse the data to evaluate the progresses achieved by the patient. The metrological characterization of the considered device has been conducted to outline its strengths and limits, and then, to establish its suitability, in terms of accuracy, for the application mentioned above. Thus, in this thesis some preliminary analysis useful to evaluate the measure drift problem generated by the thermal instability of the device are described. Then, the development and the results of some tests performed to quantify the random and the systematic effect are reported. In particular, these tests regard the measure performed by a single pixel or by the full sensor during the acquisitions of differently shaped, oriented and coloured objects. Finally, the accuracy in tracking upper limb joint positions has been evaluated comparing data provided by Kinect V2 and data returned by BTS stereoscopic system already installed in the ward. The results obtained from the analysis reveal that the device is suitable for the above-mentioned application and, more generally, for all the applications in which the required accuracy related to the joint position does not exceed twenty millimetres.

L'obiettivo del presente lavoro di tesi è la qualificazione metrologica della telecamera a tempo di volo Kinect V2. Tale dispositivo è stato presentato da Microsoft nel 2014 come accessorio per applicazioni videoludiche. Esso infatti integra algoritmi in grado di tracciare la posizione di alcuni punti di una figura umana, permettendole, grazie al movimento del corpo, il controllo di un videogioco. Inoltre, poiché prodotto su larga scala, viene venduto ad un costo decisamente inferiore rispetto a dispositivi industriali integranti la medesima tecnologia. Si è deciso, per queste ragioni, di proporre tale strumento come supporto ad un'applicazione in fase di sviluppo da parte di MediaHospital S.r.l., in collaborazione con il Presidio dell'Ospedale Valduce "Villa Beretta" di Costa Masnaga (LC). L'applicazione, basandosi sul concetto di serious game, si pone come obiettivo quello di permettere al paziente lo svolgimento dell'attività riabilitativa in ambiente domestico, fornendogli indicazioni riguardanti la correttezza dei movimenti compiuti durante gli esercizi prescritti dal medico curante che, a sua volta, a valle delle registrazioni effettuate nel tempo, può delineare un completo quadro evolutivo dello stato del paziente. Lo studio del dispositivo in esame è stato quindi necessario al fine di determinare le potenzialità ed i limiti dell'apparecchio così da stabilirne l'adeguatezza, in termini di accuratezza di misura, all'applicazione considerata. Quindi, nella presente tesi vengono inizialmente descritte alcune analisi preliminari, utili a risolvere il problema legato alla deriva della misura e causato dall'instabilità termica del dispositivo. In seguito, sono riportati lo svolgimento ed i risultati di alcune prove finalizzate a valutare l'effetto casuale e sistematico relativi alla misura associata sia al singolo pixel sia all'intero sensore, in relazione a forma, colore, posa e superficie dell'oggetto inquadrato. Infine, è stata valutata l'accuratezza nel tracciamento della posizione di alcuni punti dell'arto superiore sfruttando gli algoritmi di Kinect V2 e comparando le traiettorie restituite da quest'ultimo con quelle acquisite con il sistema stereoscopico BTS già presente nella clinica. I risultati ottenuti al termine dell'analisi rivelano che l'apparecchio risulta idoneo alla suddetta applicazione e, più in generale, a tutte le applicazioni in cui è richiesto un grado di accuratezza, relativo alle posizioni individuate, non superiore a venti millimetri.