Computer-assisted motional analysis is a popular method in biomechanical studies. Validation of the specific system and its measurement are fundamental to its application in the areas. Because the accuracy and consistency of a particular system provide the researchers with critical information to as...
Computer-assisted motional analysis is a popular method in biomechanical studies. Validation of the specific system and its measurement are fundamental to its application in the areas. Because the accuracy and consistency of a particular system provide the researchers with critical information to assist in making judgements regarding the degree to which inferences can be drawn from measurement data. The purpose of this study was to assess the accuracy and consistency of the Kwon3D motion analysis system. Validation parameters were five lengths from eight landmarkers in combination with the DLT reconstruction error values, digitizing monitor resolutions, and numbers of control points. With the best setting, Kwon3D's estimations of 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, and 20cm were $260.33{\pm}.688cm$, $199.98{\pm}.625cm$, $139.89{\pm}.537cm$, $99.75{\pm}.466cm$, $20.08{\pm}.114$, respectively. There was no significant DLT error value difference between two monitor resolutions, but 0.27cm significant difference in 260cm estimation. There were significant differences in 260cm and 200cm estimations between with 33-control-point DLT error and with 17-control-point DLT error, but no in 140cm, 100cm, and 20cm estimations. Test-retest results showed that Kwon3D measurements were highly consistent with reliability coefficients alpha of .9263 and above.
Computer-assisted motional analysis is a popular method in biomechanical studies. Validation of the specific system and its measurement are fundamental to its application in the areas. Because the accuracy and consistency of a particular system provide the researchers with critical information to assist in making judgements regarding the degree to which inferences can be drawn from measurement data. The purpose of this study was to assess the accuracy and consistency of the Kwon3D motion analysis system. Validation parameters were five lengths from eight landmarkers in combination with the DLT reconstruction error values, digitizing monitor resolutions, and numbers of control points. With the best setting, Kwon3D's estimations of 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, and 20cm were $260.33{\pm}.688cm$, $199.98{\pm}.625cm$, $139.89{\pm}.537cm$, $99.75{\pm}.466cm$, $20.08{\pm}.114$, respectively. There was no significant DLT error value difference between two monitor resolutions, but 0.27cm significant difference in 260cm estimation. There were significant differences in 260cm and 200cm estimations between with 33-control-point DLT error and with 17-control-point DLT error, but no in 140cm, 100cm, and 20cm estimations. Test-retest results showed that Kwon3D measurements were highly consistent with reliability coefficients alpha of .9263 and above.
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문제 정의
수동으로 찾는 과정이므로 모니터 해상도가 디지타이징 정밀도에 영향을 미칠 것이라는 논리 또한 자연스럽다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 먼저 디지타이징 시 사용하는 모니터 해상도에 따른 DLT 오차크기와 이를 이용한 길이 측정결과를 비교한 다음, 일반적으로 사용하는 조건에서 회전하는 물체에 표시된 5가지 길이를 측정하여 Kwon3D 시스템의 길이측정 정밀성과 측정 일관성을 알아보았다. 정밀성 실험을 위한 인위적인 조작요인을 배제하기 위하여 본 실험은 어떤 스포츠동작분석 실험을 위하여 모든 카메라와 컨트롤 포인트가 설치된 상태에서 측정 대상물만 설치하여 실험을 진행하였다.
본 연구는 디지타이징 시 사용하는 모니터 해상도, DLT 오차크기, 컨트롤 포인트 수가 Kwon3D 영상분석 시스템의 길이 측정값에 미치는 영향을 분석하고 길이측정 정밀도와 측정 일관성 수준을 파악하여 향후 영상분석 장비 셋업 및 실험 디자인에 기초자료를 제공함을 그 목적으로 한다.
따라서 본 연구에서는 먼저 디지타이징 시 사용하는 모니터 해상도에 따른 DLT 오차크기와 이를 이용한 길이 측정결과를 비교한 다음, 일반적으로 사용하는 조건에서 회전하는 물체에 표시된 5가지 길이를 측정하여 Kwon3D 시스템의 길이측정 정밀성과 측정 일관성을 알아보았다. 정밀성 실험을 위한 인위적인 조작요인을 배제하기 위하여 본 실험은 어떤 스포츠동작분석 실험을 위하여 모든 카메라와 컨트롤 포인트가 설치된 상태에서 측정 대상물만 설치하여 실험을 진행하였다.
가설 설정
따라서 영상분석에서 가장 중요하고 기초가 되는 데이터는 실공간에서 랜드마커의 정확한 위치라 할 수 있다. 영상획득 실험과정이 정밀하고 정확하다고 가정할 때 랜드마커의 정확한 위치 산출에 영향을 미칠 수 있는 1차적인 변인은 2차원 비디오화면에서 랜드머커에 대한 디지타이징의 정밀성일 것이다. 그러나 아무리 정밀한 디지타이징 결과도 자(ruler) 에 해당하는 DLT 재구성이 정밀하지 못하다면 의미가 없어진다.
84cm로 크고 길이에 비례하므로 컨트롤포인트 분포의 균질성이나 포인트의 컨트롤 공간내 . 외 위치가 측정 정밀도에 영향을 미친다고 할수 있을 것이다. 그러나 컨트롤 포인트가 33개인 경우에도 최대 .
제안 방법
100cmx200cmx200cm 공간에서 컨트롤 포인트는 대부분 33개 이상을 사용하므로, 지금까지 결과에 따라 모니터 해상도 1280x1024, 컨트롤 포인트 33개, DLT 오차 0.263cm를 적용하여 지면과 약60°를 이루며 1347sec로 회전하는 물체가 360° 회전하는 동안 표시된 두 점 간의 길이 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, 20cm를 반복 측정한 결과는와 같다.
001), 140cm, 100cm, 20cm 측정에서는 차이가 없는것으로 나타났다. 3차원 영상분석에서 각 랜드마커 좌표값의 정확성이 중요하지만 정확성을 평가하는 방법이 쉽지 않아 간편히 두 포인트 간 거리를 측정하여 정확성을 평가한다. 포인트 Pl (Xi, yi, Z1) 과 포인트 P2 (X2, y2.
Matrox G550 비디오카드(Matrox, Dorval, Canada)와 삼성 싱크마스터 175N LCD 모니터 (삼성전자, 서울)를 연결할 경우 해상도는 6단계로 조절 가능하나 본 연구에서는 최고 해상도에 해당하는 1280x1024 픽셀과 4번째 해상도에 해당하는 1024x768 픽셀상태에서 컨트롤 포인트를 디지타이징하였다. 전체 33개 컨트롤 포인트 중 각 카메라에서 명확히 보이는 컨트롤 포인트만 수동으로 디지타이징하였다.
모든 프레임의 중앙에 폭 1cm 반사 테이프를 부착하여 총 33개의 컨트롤 포인트를 3차원 공간에 균일하게 배치하고 원점에 가까운 포인트에 1번, 원점에서 가장 먼 포인트에 33번을 부여하였다<그림 1>. 각 파이프는 전용 연결 플러그를 사용하여 연결된 파이프들이 최대한 직선 혹은 직각을 이루도록 하였다.
먼저 0번 카메라의 4필드를 연속으로 디지타이징한 다음, 1번 카메라 첫 번째 필드를 디지타이징하여 실공간을 재구성 시키고 재구성 오차를 기록하였다. 그 다음 1번 카메라의 두번째 필드를 디지타이징, DLT 재구성, 오차기록의 순서로 5번 카메라까지 디지타이징하며 매 필드마다 DLT 오차를 기록하고 6번째 카메라의 4번째 필드까지 디지타이징하여 얻은 결과를 DLT 오차로 하였다.
4cm. 길이 100cm 검정 스테인레스 스틸 파이프를 이용하여 연구 대상 스포츠 동작이 행해질 수 있게 X, y, z 각 축 방향으로 lOOcmx 200cme200cm 크기의 컨트롤 포인트 프레임을 설치하였다. 모든 프레임의 중앙에 폭 1cm 반사 테이프를 부착하여 총 33개의 컨트롤 포인트를 3차원 공간에 균일하게 배치하고 원점에 가까운 포인트에 1번, 원점에서 가장 먼 포인트에 33번을 부여하였다<그림 1>.
전체 33개 컨트롤 포인트 중 각 카메라에서 명확히 보이는 컨트롤 포인트만 수동으로 디지타이징하였다. 먼저 0번 카메라의 4필드를 연속으로 디지타이징한 다음, 1번 카메라 첫 번째 필드를 디지타이징하여 실공간을 재구성 시키고 재구성 오차를 기록하였다. 그 다음 1번 카메라의 두번째 필드를 디지타이징, DLT 재구성, 오차기록의 순서로 5번 카메라까지 디지타이징하며 매 필드마다 DLT 오차를 기록하고 6번째 카메라의 4번째 필드까지 디지타이징하여 얻은 결과를 DLT 오차로 하였다.
106)을 사용하여 각 포인트의 3차원 좌표값을 산출하였다. 모든 영상은 디지타이징 시 필드분리 (de-interlacing) 하였으며 , Pre - Post Interpolation 기능은 사용하고, 움직임 속도가 일정하고 느리므로 소프트웨어 젠락 (software genlock) 기능은 사용하지 않았으며, 저역필터(Butterworth low-pass, 2nd order, 6Hz)를 적용하여 필터링하였다. 원 포인트 위치 (raw point position)로부터 산출한 포인트 위치 (point position) 좌표값을 MS Excel 2003으로 길이로 환산하고, SPSS 프로그램 (ver.
길이 100cm 검정 스테인레스 스틸 파이프를 이용하여 연구 대상 스포츠 동작이 행해질 수 있게 X, y, z 각 축 방향으로 lOOcmx 200cme200cm 크기의 컨트롤 포인트 프레임을 설치하였다. 모든 프레임의 중앙에 폭 1cm 반사 테이프를 부착하여 총 33개의 컨트롤 포인트를 3차원 공간에 균일하게 배치하고 원점에 가까운 포인트에 1번, 원점에서 가장 먼 포인트에 33번을 부여하였다<;그림 1>. 각 파이프는 전용 연결 플러그를 사용하여 연결된 파이프들이 최대한 직선 혹은 직각을 이루도록 하였다.
컨트롤 포인트 식별을 용이하게 하기위하여 카메라 시야에 들어오는 실험공간은 검은 천을 이용하여 배경을 검게 하고 국부조명 을 사용하였다. 비디 오카메라는 수동초점 , 1/1, 500 s, 셔트속도우선모드로 세팅한 다음 모든 카메라가 동시에 컨트롤 포인트를 약 10초간 촬영한 다음 컨트롤 포인트를 제거하였다.
오차 0.307cm는 컨트롤 포인트 33개로부터 얻은 오차 0.263cm보다 크지만 동작분석에 적용하기에는 무리가 없으므로, 이 두오차를 적용하여 측정 대상물이 360° 회전하는 동안 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, 20cm, 5가지 길이를 측정한 결과는과 같다.
위에서 선정된 모니터 해상도, 컨트롤 포인트 수, DLT 오차를 적용하여 측정 대상물이 360° 회전하는 동안 길이 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, 20cm를 측정하여 측정 정밀도와 측정 일관성을 분석하였다. 자동 디지타이징 후 Kwon3D의 궤적 (trajectory) 기능을 사용하여 육안으로 식별가능하게 궤적을 이탈한 디지타이징 포인트들은 수동으로 보정했다.
4cm, 길이 270cm 검정 스테인레스 스틸파이프에 폭 lcm 반사 테이프 8개로 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, 20cm를 표시한 다음이를 전기모터에 부착한, 전체적으로 회전하는 풍차형태이다(그림 2>. 이 대상물을 수평면과 약 60° 가 되게 설치하고 134°/sec로 회전하는 동안 발광다이오드를 이용하여 동조 신호를 발생시키고 이 과정을 녹화하였다.
자동 디지타이징 후 Kwon3D의 궤적 (trajectory) 기능을 사용하여 육안으로 식별가능하게 궤적을 이탈한 디지타이징 포인트들은 수동으로 보정했다.
전체 33개 컨트롤 포인트 중 각 카메라에서 명확히 보이는 컨트롤 포인트만 수동으로 디지타이징하였다. 먼저 0번 카메라의 4필드를 연속으로 디지타이징한 다음, 1번 카메라 첫 번째 필드를 디지타이징하여 실공간을 재구성 시키고 재구성 오차를 기록하였다.
3) 길이측정
측정 정밀성과 측정의 일관성 확인을 위하여 측정 대상물을 제작하여 설치하였다. 측정 대상물은 지름 1.
컨트롤 포인트 수와 포인터 분포의 균질성의 영향을 파악하기 위하여 모니터 해상도 1280x1024 에서 컨트롤 포인트 33개 중 홀수번호 컨트롤 포인트 17개를 위와 같은 방법으로 디지타이징하여 DLT 오차를 얻고 이 값을 이용하여 컨트롤 포인트수가 길이측정 정밀도와 일관성에 미치는 영향을 비교하였다.
카메라 3대는 2층에 설치하여 렌즈높이가 약 410cm, 나머지 3 대는 바닥에 설치하여 렌즈높이가 약 180cm이었으며 대상물로부터 카메라까지 거리는 최대 1, 450cm, 최소 790cm 이었다. 컨트롤 포인트 식별을 용이하게 하기위하여 카메라 시야에 들어오는 실험공간은 검은 천을 이용하여 배경을 검게 하고 국부조명 을 사용하였다. 비디 오카메라는 수동초점 , 1/1, 500 s, 셔트속도우선모드로 세팅한 다음 모든 카메라가 동시에 컨트롤 포인트를 약 10초간 촬영한 다음 컨트롤 포인트를 제거하였다.
307cm를 얻었다. 컨트롤포인트 수를 17개로 줄일 때 객관성을 위하여 일괄적으로 짝수번호를 삭제하였다. 오차 0.
현실적으로 LCD 모니터는 최고 해상도에서 사용되고 운동역학 분야에서 DLT 오차 0.263cm도 수용되므로(Klein & DeHaven, 1995; Yeadon & King, 1999), 본 연구에서는 모니터 해상도 1280x1024에서 얻은 오차 9개 중 크기가 가장작은 0.263cm를 적용하여 분석을 진행한다.
대상 데이터
디지털비디오 카메라(Sony VX-2100) 6대를 스포츠 동작과 모든 컨트롤 포인트가 카메라 시야에 들어올 수 있는 지점에 설치하였다. 카메라 3대는 2층에 설치하여 렌즈높이가 약 410cm, 나머지 3 대는 바닥에 설치하여 렌즈높이가 약 180cm이었으며 대상물로부터 카메라까지 거리는 최대 1, 450cm, 최소 790cm 이었다.
대상물을 제작하여 설치하였다. 측정 대상물은 지름 1.4cm, 길이 270cm 검정 스테인레스 스틸파이프에 폭 lcm 반사 테이프 8개로 260cm, 200cm, 140cm, 100cm, 20cm를 표시한 다음이를 전기모터에 부착한, 전체적으로 회전하는 풍차형태이다(그림 2>;. 이 대상물을 수평면과 약 60° 가 되게 설치하고 134°/sec로 회전하는 동안 발광다이오드를 이용하여 동조 신호를 발생시키고 이 과정을 녹화하였다.
데이터처리
Kwon3D 프로그램 (ver. 3.106)을 사용하여 각 포인트의 3차원 좌표값을 산출하였다. 모든 영상은 디지타이징 시 필드분리 (de-interlacing) 하였으며 , Pre - Post Interpolation 기능은 사용하고, 움직임 속도가 일정하고 느리므로 소프트웨어 젠락 (software genlock) 기능은 사용하지 않았으며, 저역필터(Butterworth low-pass, 2nd order, 6Hz)를 적용하여 필터링하였다.
모든 영상은 디지타이징 시 필드분리 (de-interlacing) 하였으며 , Pre - Post Interpolation 기능은 사용하고, 움직임 속도가 일정하고 느리므로 소프트웨어 젠락 (software genlock) 기능은 사용하지 않았으며, 저역필터(Butterworth low-pass, 2nd order, 6Hz)를 적용하여 필터링하였다. 원 포인트 위치 (raw point position)로부터 산출한 포인트 위치 (point position) 좌표값을 MS Excel 2003으로 길이로 환산하고, SPSS 프로그램 (ver. 10.0)을 이용하여 유의수준 a=.05에서 비교하였다.
성능/효과
, 결과와 실험 중 저해상도에서 디지타이징이 더 용이했고, 실험 목적상 DLT 오차를 1.0cm 이상으로 만들기 위해서는 의도적으로 컨트롤 포인트 밖을 디지타이징해야 했던 경험 등을 종합해 볼 때 모니터 해상도는 Kwon3D 길이측정에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
Kwon3D 영상분석 시스템의 길이 측정 정밀도와 측정 일관성에 관하여 알아본 결과, DLT 오차크기는 디지타이징 시 사용하는 모니터 해상도의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 컨트롤 포인트수에 따른 길이측정값 비교 결과 260cm, 200cm 측정에서는 컨트롤 포인트 수에 따라 유의한 차이가 있었으나(p<.
00cm가 참값이면 저해상도 모니터가 더 정확하다고 결론지을 수 있을 것이다. 그러나 각 포인트를 표시하는 반사 테이프의 폭이 1cm 이고 테이프를 파이프에 부착하는 과정에서 오류의 가능성 등을 고려하면 저해상도 모니터가 0.27cm 더 정확하다고 결론짓기보다 저해상도 표준편차가 고해상도 표준편차보다 항상 작다는 것에 주목할 필요가 있다.<표 1>에서 DLT 오차 평균은 고해상도 0.
외, Interpolation 효과 등의 영향 때문인 것으로 추정된다. 모니터 해상도 1280x1024픽셀, 컨트롤포인트 33개, DLT 0.263cm 조전에서 260, 200, 140, 100, 20cm를 측정한 결과는 각각 260.33+.686, 199.98+.625, 139.89+.537, 99.75±.466, 20.08±.114cm로 나타났다. 컨트롤포인트가 33개인 경우, 모든 길이에서 1회 (n = 160) 측정값과 2회(n=160) 측정값 간에는 통계적으로 유의한 차이가 없으며 재검법에 의한 신뢰도 계수는 .
, 1994; Gazzani, 1993: Wood & Marshall, 1986). 본 연구 수행시 카메라 렌즈의 왜곡은 고려하지 않았으나 측정 대상물을 화면 가득히 잡아 렌즈 왜곡 문제가능성을 가지게 되었다. NTSC 방식에서 비디오 화면비율은 4:3이므로 화면에 측정 대상물을 가득 채울 경우 수직방향으로는 화면에 가득차지만 수평방향으로는 화면 좌우에 여유 공간이 있다.
264mm로 고정되어있고, 랜드마커 크기는 한 픽셀 크기보다 크고, Kwon3D 프로그램내에서 여러 카메라로부터 얻은 2차원 좌표 값이 DLT 방법에 따라 연산되므로 모니터 해상도는 DLT 오차에 영향을 미치지 못하는 것으로 보인다. <표 1>은 각 조건에서 9회, 7회 산출한 평균을 나타낸 것으로 디지타이징 필드수와 카메라 수가 증가 할수록 DLT 재구성 오차가 일관성 있게 작아지는 것처럼 보이지만 3대 이상 카메라 데이터를 적용하고 나면 4번째 이후 카메라에서는 디지타이징필드수가 증가해도 DLT 오차가 크게 줄어들지 않으며 오히려 증가하는 경우도 일부 관찰되었다. 따라서 DLT 오차를 최소로 하기위해서는 처음 몇 카메라는 3~4 필드를 연속-으루- 디지타이징 후 그.
이는 의 모니터 해상도에 따른 DLT 오차 비교결과와 다른 것으로, 만약 측정 대상물 길이 260.00cm가 참값이면 저해상도 모니터가 더 정확하다고 결론지을 수 있을 것이다.
0cm 이상으로 만들기 위해서는 의도적으로 컨트롤 포인트 밖을 디지타이징해야 했던 경험 등을 종합해 볼 때 모니터 해상도는 Kwon3D 길이측정에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 재검법 (test-retest)에 의한 알파계수는 고해상도에서 .9847, 저해상도에서 .9975로 측정 신뢰도는 대단히 높게 나타났다.
것으로 보인다. 참고로 본 연구의 컨트롤 포인트공간 100cmx200cmx200cm에서 y축 상에서 가장먼 200cm 거리의 두 컨트롤 포인트 (50, 0, 100), (50, 200, 100)를 연결하는 직선과 z축 상에서 가장먼 200cm 거리의 두 컨트롤 포인트 (50, 100, 0), (50, 100, 20이를 연결하는 직선이 이루는 십자가 모양의 90°를 측정한 결과 90.00±.045°(n=40)를 얻었다. Klein & De- Haven(1995)은 APAS(Aerial Dynamics, Trabuco Canyon, CA)를 이용하여 각도기를 대상으로 측정한 결과 0-170° 범위에서 평균오차가 0.
받지 않는 것으로 나타났다. 컨트롤 포인트수에 따른 길이측정값 비교 결과 260cm, 200cm 측정에서는 컨트롤 포인트 수에 따라 유의한 차이가 있었으나(p<.001), 140cm, 100cm, 20cm 측정에서는 유의한 차이가 없었다. 이는 컨트롤 포인트 수 보다 카메라 렌즈 왜곡, 컨트롤 공간 내 .
후속연구
<표 4>결과로 볼 때 컨트롤 포인트 수, DLT 오차크기, 정밀한 디자타이징 등 기본적인 사항만 충족시킨다면 Kwon3D 시스템은 운동학적 요인 측정 시 일관성이 있다고 판단되며 측정값의 수용여부는 연구목적에 따라 달라질 수 있을 것이다.
따라서 DLT 오차를 최소로 하기위해서는 처음 몇 카메라는 3~4 필드를 연속-으루- 디지타이징 후 그. 다음 카메라부터는 각 필드 디지타이징 후 실공간을 재구성시켜 오차가 작은 필드를 선택하는 방법을 사용할 수도 있을 것이다. Yeadon & King (1999)은 체조동작을 이용한 카메라 동기 연구에서 DLT 오차 1.
컨트롤 포인트 내 . 외의 영향, 렌즈 왜곡, Interpolation의 효과 등에 대한 종합적인 연구가 요망된다.
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