Bewegungen trainieren im virtuellen Raum

Exzellenzcluster CITEC entwickelt ein System, das Sportler und Reha-Patienten unterstützt: Ein neues System in einem virtuellen Raum hilft, Sportbewegungen und andere motorische Handlungen einzuüben und zu verbessern: Sechs Forschungsgruppen des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld arbeiten in dem Projekt „ICSPACE“ an solch einem virtuellen Trainingsraum. CITEC fördert das Großprojekt bis 2017 mit 1,6 Millionen Euro. Bei einem Expertendialog präsentierten die Forscherinnen und Forscher am heutigen Donnerstag (11.2.2016) die Fähigkeiten des Systems. Am Beispiel von Kniebeugen demonstrierten sie eine neuartige Technik, mit der sowohl Sportler als auch Reha-Patienten Bewegungen lernen und Fehler korrigieren können. In einem neuem „research_tv“-Beitrag der Universität Bielefeld erklären die Leiter des Projekts, wie ihr neues System funktioniert.

CITEC arbeitet an neuen Technologien, die den Menschen intuitiv unterstützen. Um zu untersuchen, wie solch eine Unterstützung beim Lernen und Trainieren von Bewegungsabläufen funktionieren kann, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters den Intelligenten Coaching-Raum (Intelligent Coaching Space, ICSPACE) entwickelt. Die Forscher nutzen hierfür einen Aufbau mit zwei Projektionswänden (Front und Boden), um eine computergenerierte virtuelle Umgebung zu simulieren. Testpersonen tragen ähnlich zum 3D-Kino eine Stereo-Brille. Die Besonderheit: Das Bild wird exakt an die Position und Blickrichtung des Nutzers angepasst. So entsteht der Eindruck, sich in einem virtuellen Fitnessraum zu befinden, dessen Trainer direkt vor einem steht. Jede Testperson wird mit reflektierenden Markern ausgestattet, die von Infrarotkameras verfolgt werden. So kann das System die Bewegungen der Person erfassen.

Betritt eine Person das System, sieht sie zunächst eine virtuelle Kopie von sich selbst im Spiegel des virtuellen Trainingsraums. „Mit dem virtuellen Spiegelbild können die Benutzerinnen und Benutzer visuell überprüfen, wie sie ihre Bewegungen ausführen“, erklärt Professor Dr. Mario Botsch. Der Informatiker leitet das Projekt zusammen mit dem Informatiker Professor Dr. Stefan Kopp sowie dem Sportwissenschaftler und Kognitionspsychologen Professor Dr. Thomas Schack. An dem Großprojekt sind Forschungsgruppen aus Biologie, Psychologie, Sportwissenschaften, Linguistik und Informatik beteiligt.

Um das virtuelle Spiegelbild zu erzeugen, wird vorab das Äußere des Benutzers eingescannt und auf die künstliche Figur, den Avatar, übertragen. „Im virtuellen Spiegel sieht sich die Person nicht nur von vorn. Der Spiegel kann auf Wunsch virtuell gedreht werden, um sich auch von der Seite zu sehen und so besser zu erkennen, ob eine Übung richtig durchgeführt wird“, sagt der Computergrafik-Experte Botsch. „Mit virtueller Technik lassen sich Dinge darstellen, die normalerweise nicht zu sehen wären“, erklärt Stefan Kopp. So lässt sich die Darstellung im virtuellen Spiegel – anders als im normalen Spiegel – verändern. „Wir können dem Benutzer optische Trainingshinweise geben, etwa indem der Spiegel einzelne Körperteile farblich hervorhebt.“ der Kognitionswissenschaftler Kopp. Wenn eine Benutzerin zum Beispiel während der Kniebeuge ihre Oberschenkel absenkt, erscheinen die Oberschenkel ihres Avatars so lange in einer roten Färbung, bis sie sich in der die korrekten Endposition befinden. Auch Fehler zeigt das System an: „Gewisse Fehler in der Bewegung, etwa wenn der Benutzer seinen Kopf bei der Kniebeuge zu weit in den Nacken beugt, stellt das System im Spiegel übertrieben dar, um so deutlich auf den Fehler aufmerksam zu machen.“ Die Benutzerinnen und Benutzer können sich die Übung auch vormachen lassen. Dann erscheint im Spiegel zusätzlich zum Avatar eine halb-transparente Figur, welche die Übung zusammen mit dem jeweiligen Benutzer ausführt. „Der Benutzer kann  einfach den Haltungsänderungen dieser zweiten Figur folgen und erlernt so den richtigen Bewegungsablauf“, sagt Kopp.

Zusätzlich verfügt der Nutzer über einen virtuellen Trainer. „Er verkörpert die Trainingskompetenz des Systems und ist mit dem aktuellen Wissen der Trainingswissenschaft ausgestattet“, sagt Kopp. Der Trainer erscheint als animierte Figur in Jeans und T-Shirt. Er wendet sich dem jeweiligen Benutzer zu und spricht ihn direkt an. „Er ist in der Lage, Bewegung zu beobachten und kann darauf aufbauend persönliches Feedback geben.“ Der Trainer lässt sich die Übung durch den Nutzer vormachen und erklärt dann, welche Bewegungen er noch ändern muss, um die Übung korrekt auszuführen. Außerdem kann er im virtuellen Spiegel eine Zeitlupen-Wiederholung der Bewegung des Nutzers abspielen, um auf Fehler hinzuweisen und dann die Bewegung selber korrekt vorzumachen.

Die Trainingsumgebung sei weltweit einmalig, sagt der Sportwissenschaftler Thomas Schack. „Es ist das einzige mir bekannte System, das im Vergleich zu anderen virtuellen Systemen den kompletten Trainingsprozess simuliert und technisch umsetzt und sich dabei flexibel an das Verhalten des Nutzers anpasst“, sagt Schack. „Zu diesem Prozess gehört es, die Bewegung mit Modellen zu demonstrieren. Mit ihnen lässt sich die jeweilige Übung beschreiben und verstehen, aber auch die Zielsetzung für das Training und die Rückmeldungen an den Nutzer.“ Mit der neuen Trainingsumgebung wollen die Forscherinnen und Forscher künftig untersuchen, wie technische Systeme am besten dabei unterstützen, Sportbewegungen und weitere motorische Handlungen einzuüben und auszuführen.

Künftig soll das neue System nicht nur Kniebeugen beibringen. „Zum geplanten Repertoire gehören auch Gymnastikübungen, Thai-Chi, Yoga oder zum Beispiel der Golfschwung“, sagt Schack. Das System eignet sich außer für Sportler auch für Patienten in der Rehabilitation. Mario Botsch: „Das System kommt sowohl für Trainings im Hochleistungssport in Frage als auch für therapeutische Ansätze – zum Beispiel bei Bewegungsproblemen aufgrund von Erkrankungen.“

ICSPACE stellt aus Sicht der Wissenschaftler eine Ergänzung zu heutigen Sportangeboten dar. „Wir wollen keinen Sporttrainer arbeitslos machen“, sagt Mario Botsch. „Aber es gibt deutlich mehr Bedarf für Bewegungslernen als viele annehmen. So eignen sich unsere Entwicklungen auch, um ältere Menschen zu motivieren, sich zu bewegen. Das System ließe sich dafür so anpassen, dass es auch zu Hause auf dem Smart-TV laufen kann.“

 

Bild: Ein virtueller Trainer, der Teil des neuen Systems ist, leitet einen Benutzer an, Kniebeugen korrekt auszuführen. Foto: CITEC/Universität Bielefeld

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