Bildverarbeitung für den Virtual Walk

Problemstellung
Der Virtual Walk ist ein System, welches von der Hochschule Luzern entwickelt wurde
und zur Behandlung von Phantomschmerzen nach Rückenmarksverletzungen verwendet
wird. Mit einer visuellen Ausgabe, bei der der Anwender sich auf sich selbst zu laufen sieht, soll eine Illusion kreiert werden, die ihm vermittelt, dass alles in Ordnung ist. Im Moment dieses Glücksgefühls ist das Gehirn aufnahmefähiger. Man geht davon aus, dass in diesem Augenblick das Gehirn die reale
Situation annehmen kann und der Phantomschmerz so behandelt wird.
Dieses System wird bereits verwendet, jedoch kann die Geschwindigkeit des Laufens nur stufenweise verändert werden. Um den Virtual Walk realer zu machen soll die virtuelle Beinbewegung mit der realen Armbewegung synchronisiert werden.

Lösungskonzept
Der Oberkörper wird mit einer Tiefenbildkamera gefilmt (siehe Abb. 1) und daraus die Armbewegung analysiert. Vom voraufgezeichneten Beinvideo werden alle Einzelbilder eines kompletten Schrittes extrahiert. Nun werden die Einzelbilder einer Position des Armes zugewiesen und dann entsprechend aufgerufen.

Realisierung
Für die Analyse der Armbewegung wurde die Programmbibliothek OpenCV verwendet. Die Hand wird mittels Hautfarbe detektiert und die Distanz zur Kamera wird mit Hilfe des Tiefenbildes ermittelt. Die Distanzen in Abhängigkeit der Zeit dargestellt ähneln einer Sinusschwingung (siehe Abb. 2). Die Einzelbilder werden mit gleichen zeitlichen Abständen über eine komplette Sinusschwingung verteilt. So besitzt jedes Einzelbild einen entsprechenden Distanzwert, der mithilfe der Bewegungsrichtung einem Punkt der Sinus-Kurve zugewiesen werden kann. Die erzeugten Bilder (Oberkörper- und Beinvideo) werden dann in Echtzeit in der Software OBS zusammengefügt (siehe Abb. 3).

Ergebnisse
Die deterministische Steuerung der Einzelbilder funktioniert gut. Nur an den Wendepunkten und bei zu schnellen Bewegungen erkennt man Unregelmässigkeiten im Beinvideo. Ansonsten bewegen sich die Beine genau mit den Armen mit.

Ausblick
Es entstehen immer neue Anforderungen an den Virtual Walk. In Bezug auf diese Arbeit soll zukünftig das komplette Setting, welches vor Anwendungsstart noch von einem Pfleger vorgenommen werden muss, automatisiert werden.

Studienbetreuer Prof. Dr. Klaus Zahn
Preisstifter Schweizer Paraplegiker-Zentrum