Real-time motion capturing using inertial measurement units and applied embedded systems development

Human movement modeling - also referred to as motion capturing - is a rapidly expanding field of interest for medical research, sports training, and entertainment. During this process, motion capturing devices are used to provide a virtual 3D reconstruction of human physical activities - employing either computer vision methods or sensor-based methods. When compared to conventional computer vision-based solutions, utilizing sensor-based approaches with inertial measurement units and digital signal processing offers a better alternative in terms of precision, reliability, and computational burden. Considering the shortcomings of computer vision, this thesis aims to provide a motion capturing solution using inertial measurement units and applied embedded systems development. For this purpose, first, the implemented motion-capturing solutions in the literature that use inertial measurement units are reviewed and the design criteria for their development are explained. This review revealed that these devices use angular acceleration and angular velocity of a rigid body for attitude representation. Next, the working principles of inertial measurement units and the necessary considerations regarding their use are explained. An account of theories on using rotation angles for attitude representation of a rigid body is then provided, followed by a practical attempt to implement a full-body, sensor-based, and cable-free motion capturing solution using inertial measurement units. This solution is intended to monitor various human movements in real-time. The design criteria - both hardware and software - and necessary considerations for this solution are thoroughly explained. Additionally, the experimental segment of the thesis provides an evaluation of the system's functionality. Moreover, although the main focus of this work was on the implementation, attempts to metrologically characterize the measuring units were performed. Eventually, the future scope of this system is described and suggestions are made for potential improvements.

La modellazione del movimento umano, nota anche come acquisizione del movimento, è un campo di interesse in rapida espansione per la ricerca medica, l'allenamento sportivo e l'intrattenimento. Durante questo processo, i dispositivi di acquisizione del movimento vengono utilizzati per fornire una ricostruzione 3D virtuale delle attività fisiche umane, utilizzando metodi di visione artificiale o metodi basati su sensori. Rispetto alle soluzioni convenzionali basate sulla visione artificiale, l'utilizzo di approcci basati su sensori con unità di misurazione inerziale ed elaborazione del segnale digitale offre un'alternativa migliore in termini di precisione, affidabilità e carico computazionale. Considerando le carenze della visione artificiale, questa tesi mira a fornire una soluzione di cattura del movimento utilizzando unità di misura inerziali e sviluppo di sistemi embedded applicati. A tal fine, in primo luogo, vengono esaminate le soluzioni di motion capture implementate in letteratura che utilizzano unità di misura inerziali e vengono spiegati i criteri di progettazione per il loro sviluppo. Questa revisione ha rivelato che questi dispositivi utilizzano l'accelerazione angolare e la velocità angolare di un corpo rigido per la rappresentazione dell'atteggiamento. Successivamente vengono spiegati i principi di funzionamento delle unità di misura inerziale e le necessarie considerazioni in merito al loro utilizzo. Viene quindi fornito un resoconto delle teorie sull'uso degli angoli di rotazione per la rappresentazione dell'assetto di un corpo rigido, seguito da un tentativo pratico di implementare una soluzione di acquisizione del movimento a corpo intero, basata su sensori e senza cavi utilizzando unità di misura inerziali. Questa soluzione ha lo scopo di monitorare vari movimenti umani in tempo reale. I criteri di progettazione - sia hardware che software - e le considerazioni necessarie per questa soluzione sono spiegati in modo approfondito. Inoltre, il segmento sperimentale della tesi fornisce una valutazione della funzionalità del sistema. Inoltre, sebbene l'obiettivo principale di questo lavoro fosse l'implementazione, sono stati effettuati tentativi di caratterizzare metrologicamente le unità di misura. Alla fine, viene descritto lo scopo futuro di questo sistema e vengono forniti suggerimenti per potenziali miglioramenti.