Motion capture has in recent years grown in interest in many fields from both game industry to sport analysis. The need of reflective markers and expensive multi-camera systems limits the business since they are costly and time-consuming. One solution to this could be a deep neural network trained to extract 3D joint estimations from a 2D video captured with a smartphone. This master thesis project has investigated the accuracy of a trained convolutional neural network, MargiPose, that estimates 25 joint positions in 3D from a 2D video, against a gold standard, multi-camera Vicon-system. The project has also investigated if the data from the deep neural network can be connected to a biomechanical modelling software, AnyBody, for further analysis. The final intention of this project was to analyze how accurate such a combination could be in golf swing analysis. The accuracy of the deep neural network has been evaluated with three parameters: marker position, angular velocity and kinetic energy for different segments of the human body. MargiPose delivers results with high accuracy (Mean Per Joint Position Error (MPJPE) = 1.52 cm) for a simpler movement but for a more advanced motion such as a golf swing, MargiPose achieves less accuracy in marker distance (MPJPE = 3.47 cm). The mean difference in angular velocity shows that MargiPose has difficulties following segments that are occluded or has a greater motion, such as the wrists in a golf swing where they both move fast and are occluded by other body segments. The conclusion of this research is that it is possible to connect data from a trained CNN with a biomechanical modelling software. The accuracy of the network is highly dependent on the intention of the data. For the purpose of golf swing analysis, this could be a great and cost-effective solution which could enable motion analysis for professionals but also for interested beginners. MargiPose shows a high accuracy when evaluating simple movements. However, when using it with the intention of analyzing a golf swing in i biomechanical modelling software, the outcome might be beyond the bounds of reliable results.

Η διενέργεια εμβιομηχανικών μελετών σε μοντέλο με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών βρίσκεται σήμερα σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης. Σε αυτή την εξέλιξη κεντρική θέση κατέχουν λογισμικά δύο κατηγοριών. Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα λογισμικά εμβιομηχανικής προσομοίωσης του ανθρωπίνου σώματος και στη δεύτερη κατηγορία τα λογισμικά ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Σε αυτή τη Μεταπτυχιακή Εργασία έγινε μία προσπάθεια διερεύνηση της συνεργασίας των δύο αυτών κατηγοριών λογισμικού με την κινηματική μελέτη ενός οσφυϊκού σπονδύλου και την ανάλυση φορτίσεών του με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για αυτό το λόγο επιλέχτηκαν δύο λογισμικά εμπορικά διαθέσιμα. Το λογισμικό εμβιομηχανικής προσομοίωσης Anybody modeling system και το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων Ansys multiphysics. Στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του λογισμικού Anybody. Πιο συγκεκριμένα. αναφέρονται τα στοιχεία εκείνα που υλοποιούν ένα μοντέλο του ανθρώπινου σώματος (τμήματα, αρθρώσεις, μύες, σύνδεσμοι) καθώς και οι μελέτες που μπορούν να εκτελεστούν δηλαδή η κινηματική και η δυναμική. Κύρια θέση κατέχει η αντιστροφή δυναμική μελέτη που χαρακτηρίζεται από την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις δυνάμεις και τις ροπές που αναπτύσσονται σε ένα σώμα αφού έχει περιγραφεί εκ των προτέρων η κίνησή του. Στο Δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της ανατομίας της σπονδυλικής στήλης στην οποία αναφέρονται τα επιμέρους κοινά στοιχεία που έχουν οι σπόνδυλοι καθώς κου οι διαφορές στις διαφορετικές μοίρες της σπονδυλικής στήλης. Μετά την ανατομική περιγραφή παρατίθεται η εμβιομηχανική θεώρηση της κατασκευής της οσφυϊκής μοίρας της σπονδυλικής στήλης, αναλύοντας τα επιμέρους δομικά στοιχεία από μηχανική άποψη και η λειτουργικότητά τους. Στο Τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η κατασκευή ενός μοντέλου της σπονδυλικής στήλης στο λογισμικό Anybody το οποίο υποβάλλεται σε κινήσεις κάμψης, έκτασης, πλάγιας κάμψης και στροφής και επιχειρείται ο σχολιασμός των ευρημάτων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο τα δεδομένα τα οποία παράγει η αντίστροφή μελέτη και συγκεκριμένα οι φορτίσεις που δέχεται ο Ο5 σπόνδυλος κατά τις κινήσεις στις οποίες υποβάλλεται η οσφυϊκή μοίρα χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου για την ανάλυση του Ο5 σπόνδυλο με το λογισμικό μηχανικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Συνοψίζοντας, η συνεργασία των δύο λογισμικών αποδείχθηκε εφικτή και πρόσφορη. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αναπτύχθηκε η βασική τεχνογνωσία ως προς την χρήση του λογισμικού Anybody Modeling System και την συστηματοποίηση της διασύνδεσης του με το λογισμικό Ansys με αποτέλεσμά να αποτελεί την βάση για περαιτέρω εργασίες. / The conduction of biomechanical studies on models with the aid of computers is currently at an advanced stage. In this essay, the central position is hold by two software categories. In the first category are classified various software of biomechanical simulation of the human body and in the second category are classified the software for the finite element analysis. In this Master Thesis was made an attempt to explore the cooperation of these two kinds of software. For this reason, two commercially available softwares were selected. The biomechanical simulation was performed using the Anybody Modeling System software and the finite element analysis was performed using the Ansys Multiphysics software. In the first chapter the use of the Anybody software was presented. More specifically, those elements that implement a model of the human body (segments, joints, muscles, ligaments) as well as studies that can be performed i.e. the kinematics and dynamics studies were discussed in details. The inverse dynamics study has been characterized as the main feature of the software allowing to explore the resulting forces and torques developed in a body during the in advance described movement. The second chapter includes a detailed description of the anatomy of the spine. After the anatomical description the biomechanical approach is presented, analyzing each individual component from engineering point of view as well as their functionality. The third chapter describes the construction of a model of the spine in the Anybody software that is subjected to flexion, extension, lateral bending and rotation along with the results. Finally, in the fourth chapter the data that produces the inverse study namely the loads applied to the L5 vertebra during each movement performed by the lumbar spine are used as input data for the mechanical analysis of L5 vertebra with the finite element analysis software ANSYS. As a conclusion, the collaboration of these two software programmes proved to be feasible and appropriate. In this master thesis the basic knowledge in the use of software Anybody Modeling System has been developed and an interface with the software Ansys has been built thus forming the basis for further work.