(57)【要約】三次元の捕捉ゾーン（２０）内で対象（図１の１８）を追跡する方法であって、少なくとも４個のセンサ（１４）を捕捉ゾーン（２０）の回りに取り付ける。捕捉ゾーン（２０）内に静止基準タグ（１２）を取り付ける。基準タグと対象タグ（１２）から信号を定期的に送信する。これらの信号を受信して、識別コードとコード位相および搬送波位相の測定値とを取り出す。コード位相および搬送波位相の測定値を処理して基準タグに対する各対象タグ（１２）の位置を決定する。
2005520441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の動作を追跡する方法であって、
複数のセンサを捕捉ゾーンの回りに取り付け、
静止基準タグを前記捕捉ゾーン内に取り付け、
少なくとも１個のタグを、前記捕捉ゾーン内で追跡する少なくとも１つの対象に取り付け、
前記基準タグと少なくとも１個の対象タグから信号を定期的に送信し、
前記信号を前記センサで受信し、
各受信信号のコード位相と搬送波位相の測定値を決定し、
前記コード位相と搬送波位相の測定値を処理して、前記基準タグに対する少なくとも１個のタグの位置を決定する、
ステップを含む、対象の動作を追跡する方法。
【請求項２】
前記処理するステップは各対象タグ測定値と基準タグ測定値の単一差分測定値を形成するステップを含む、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項３】
前記処理するステップは、同じ対象タグに関係する種々のセンサからの前記単一差分測定値を対ごとに差分することを含む二重差分測定値を形成することにより、前記基準タグに対する前記少なくとも１個の対象タグの位置を決定するステップを更に含む、請求項２記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項４】
前記処理するステップは二重差分測定値を組み合わせるステップを更に含む、請求項３記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項５】
前記基準タグと各対象タグとは或るディジタル・データ・パターンで変調された信号バーストを送信する、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項６】
前記ディジタル・データ・パターンは全てのタグに共通の部分と各タグに特有の部分とで構成する、請求項５記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項７】
前記共通の部分はニューマン・ホフマン同期化コードとで構成する、請求項６記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項８】
前記特有の部分は２進拡張平方剰余コードのコード語で構成する、請求項６記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項９】
前記少なくとも１個の対象タグは複数の対象タグを含み、また前記対象タグは送信周波数帯域範囲のセグメントに分割する、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１０】
前記タグは約５．８ＧＨｚ帯域範囲、６０ＧＨｚ帯域範囲、または２．４ＧＨｚ帯域範囲で送信する、請求項９記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１１】
前記少なくとも４個のセンサを前記捕捉ゾーンの回りに取り付ける、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１２】
前記コード位相と搬送波位相の測定値はディジタル整合フィルタを用いて決定する、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１３】
前記搬送波位相測定値は無線屈折率の変動について訂正する、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１４】
前記タグ信号は円偏光である、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１５】
前記センサを較正するステップを含む、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１６】
前記搬送波位相測定値は信号到着角の関数であるセンサ・アンテナ位相中心の変動について訂正する、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１７】
対象タグの位置の時間的変化に基づいて各対象タグの速度と加速度とジャークとを任意の所定の軸で決定するステップを含む、請求項１記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項１８】
対象の動作を追跡する方法であって、
少なくとも４個のセンサを捕捉ゾーンの回りに取り付け、
特有の識別コードを有する静止基準タグを前記捕捉ゾーン内に取り付け、
特有の識別コードを有する複数のタグを、前記捕捉ゾーン内で追跡する少なくとも１つの対象に取り付け、
前記基準タグと少なくとも１個の対象タグから信号を定期的に送信し、
前記信号を前記センサで受信し、
前記信号を処理し、ディジタル整合フィルタを用いて受信信号毎に前記識別コードとコード位相および搬送波位相の測定値とを取り出し、
対象タグ測定値と基準タグ測定値毎に単一差分測定値を形成し、
同じ対象タグに関係する種々のセンサからの前記単一差分測定値を対ごとに差分することを含む二重差分測定値を形成することにより、また前記二重差分測定値を組み合わせることにより、前記基準タグに対する少なくとも１個の対象タグの位置を決定する、
対象の動作を追跡する方法。
【請求項１９】
前記基準タグと各対象タグとは或るディジタル・データ・パターンで変調された信号バーストを送信する、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２０】
前記ディジタル・データ・パターンは全てのタグに共通の部分と前記識別コードで構成する各タグに特有の部分とで構成する、請求項１９記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２１】
前記共通の部分はニューマン・ホフマン同期化コードで構成する、請求項２０記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２２】
前記特有の部分は２進拡張平方剰余コードのコード語で構成する、請求項２０記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２３】
前記対象タグは送信周波数帯域範囲のセグメントに分割する、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２４】
前記タグは約５．８ＧＨｚ帯域範囲、６０ＧＨｚ帯域範囲、または２．４ＧＨｚ帯域範囲で送信する、請求項２４記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２５】
前記搬送波位相測定値は無線屈折率の変動について訂正する、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２６】
前記タグ信号は円偏光である、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２７】
前記センサを較正するステップを含む、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２８】
前記搬送波位相測定値は信号到着角の関数であるセンサ・アンテナ位相中心の変動について訂正する、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【請求項２９】
対象タグの位置の時間的変化に基づいて各対象タグの速度と加速度とジャークとを任意の所定の軸で決定するステップを含む、請求項１８記載の対象の動作を追跡する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景技術）
動作追跡は動作捕捉とも言い、生の動作事象を記録し、空間内の多数の主要点を時間に従って追跡して有用な数学的関係に変換し、これらを組み合わせて動作の１つの三次元表現を得るプロセスである。要するに、生の動作をディジタルの動作に変換するプロセスを可能にする技術である。捕捉する物は実世界に存在して動作するものなら何でもよい。重要な点は、物の種々の動く部分の動作を最もよく表す領域である。かかる点は軸点または物の硬い部分の間の接続を解明するのに役立つものである。例えば人間の場合は、重要な点は軸点として働く関節と骨の接続である。これらの各点の位置は、物に取り付けられてなんらかの形で主収集装置への情報の導管として働く１個以上のセンサやマーカや電位差計で識別する。
【０００２】
人間や動物や無生物の動作を追跡する装置はすでに多数存在する。既存の動作捕捉装置はアウトサイドイン装置と、インサイドアウト装置と、インサイドイン装置とに分類される。かかる名称は捕捉源とセンサとがどこに取り付けられているかを表す。
アウトサイドイン装置は、物体に取り付けられた捕捉源からのデータを外部のセンサを用いて収集する。かかる装置の例はカメラ・ベースの追跡装置で、カメラはセンサであり、反射マーカは捕捉源である。
【０００３】
インサイドアウト装置は、センサを物に取り付けて外部の捕捉源を収集する。インサイドアウト装置の一例は、外部に生成された電磁界内をそのセンサが動く電磁的装置である。インサイドイン装置は物に捕捉源とセンサとを取り付ける。この装置の例は電気機械的スーツであって、センサは電位差計または動力角度計であり、捕捉源は体内の実際の関節である。
これらのカテゴリを表すのに現在用いられている主な技術は光学的、電磁的、電気機械的な人間追跡装置である。
【０００４】
（光学的動作捕捉装置）
光学的動作捕捉は最新の装置を用いて動作を捕捉する非常に正確な方法である。これは実時間プロセスであるが、マーカ・カウントや、動作者とカメラの数などに或る制約がある。
代表的な光学的動作捕捉装置は、複数のディジタルＣＣＤ（電荷結合素子）カメラの入力を制御する１台のコンピュータをベースにする。ＣＣＤは感光装置であって、光電セル（画素とも呼ぶ）の配列を用いて光を捕捉し、各セルの光の強度を測定し、像のディジタル表示を作る。ＣＣＤカメラは、解像度が１２８ｘ１２８から４０９６ｘ４０９６以上まで変わる画素の配列を含む。
【０００５】
解像度は高い方がよいことは明らかであるが、他のトレードオフがある。非常に速い動作の微妙な差異を捕捉するには、毎秒のサンプリング速度すなわちフレーム速度が十分速くなければならない。現在の標準では、４０９６ｘ４０９６の解像度を持つＣＣＤカメラが作れるのは毎秒１フレーム以下である。別の重要な機能はシャッタ同期化である。これは、光学的動作捕捉カメラに普通に装備されている発光ダイオード（ＬＥＤ）などの外部光源とカメラのシャッタ速度とを同期させることである。
【０００６】
用いられるカメラの数は通常４から３２で、毎秒３０から１０００サンプルの速度で反射マーカの位置を捕捉する。通常、カメラはマーカから指向性反射を作る自分の光源を装備している。マーカは一般にスコッチ・ブライト（登録商標）・テープなどの材料で覆われた球である。赤外光源が好ましいが、その理由はユーザの視覚ひずみが小さいからである。マーカ球の直径は小さな領域の捕捉用の数ミリメートルから、数インチまで変化してよい。
【０００７】
光学的装置は、ソフトウエアが認識できる既知の寸法の対象（例えば、反射マーカを持つ立方体またはワンド）を全てのカメラで追跡して較正しなければならない。全てのカメラからの視点と対象の既知の寸法とを組み合わせると空間内の各カメラの正確な位置を計算することができる。カメラが少しでも動くと、改めて較正を行わなければならない。捕捉を数分間続ける度に装置を再較正するとよい。なぜなら、動作や振動が少しでもあるとカメラの位置が変わることがあるからである（特に、スタジオが不安定な土台の上にある場合）。
【０００８】
１点の三次元位置を追跡するには少なくとも２つの視点が必要であり、また少なくとも２台のカメラから各マーカへの直接の視線を保持するのに追加のカメラが必要である。これはカメラが多いほどよいことを意味するわけではない。なぜなら、カメラが増えるほど後処理時間がかかるからである。
【０００９】
カメラの視点をディジタル化してコンピュータに入れると後処理の時間が始まる。第１のステップは、ソフトウエアがマーカだけのきれいな再生像を作ることである。種々の像処理法を用いて雑音を最小にし、マーカを環境の他の部分から分離して孤立させる。最も基本的な方法は、所定の明度しきい値を超える全ての画素のグループを分離することである。ソフトウエアの処理機能が十分ある場合は、任意の特定のフレームを解明するのに隣接フレームを用いる。装置のオペレータはこのプロセスを支援する多くの変数を管理する。例えば、マーカ当たりの予想される最小線と最大線とを指定し、ソフトウエアにより、これらの値より小さいかまたは大きいものを無視できる。
第２のステップは、カメラの視点毎に各マーカの二次元座標を決定することである。後でカメラの座標とカメラの残りの視点と共にこのデータを用いて、各マーカの三次元座標を得る。
【００１０】
第３のステップはシーケンスを通して各マーカを実際に識別することである。この段階はオペレータの支援を最も必要とする。なぜなら、各マーカの最初の割当は手で記録しなければならないからである。この割当ての後で、閉鎖(occlusion)または交差のためにマーカの追跡ができなくなるまでソフトウエアは残りのシーケンスを解明しようとする。追跡ができなくなった時点で、オペレータは問題のマーカを再び割り当てて計算を続けなければならない。全部のシーケンスを解明し、全てのマーカの位置データを含むファイルを保存するまでこのプロセスを続ける。
このプロセスで作られるファイルは時間に従うマーカの全体的な位置のシーケンスを含む。これは、各マーカのデカルト（ｘ、ｙ、ｚ）座標だけをフレーム毎にリストし、階層すなわち四肢の回転(hierarchy or limb rotation)は含まないことを意味する。
【００１１】
（電磁的トラッカ）
電磁的動作捕捉装置は自由度６の電磁的測定装置ファミリの一部であって、近くの送信機に対する自分の空間関係を測定する受信機の配列から成る。かかる受信機すなわちセンサを物体に取り付け、多くの場合、個別のケーブルで電子制御ユニットに接続する。
かかる装置を磁気的トラッカとも呼び、ヘルメット取付けディスプレイ（ＨＭＤ）用に空軍で用いられた技術から生まれた。ＨＭＤを用いて、バイザーの上にある焦点板を通して視覚的に位置決めすることにより、パイロットは目標を捉えることができる。ヘルメット上のセンサを用いて、パイロットの頭の位置と方向とを追跡する。
【００１２】
代表的な磁気的トラッカは１台の送信機と、１１個から１８個のセンサと、１台の電子制御ユニットと、ソフトウエアとで構成する。最新の磁気的トラッカは最大９０個のセンサを有し、毎秒最大１４４サンプルを捕捉することができる。価格は５，０００ドルから１５０，０００ドルの範囲で、光学的装置よりかなり安い。磁気的トラッカの実時間機能を利用するには、多数の多角形を実時間で処理する機能を有する強力なコンピュータ・システムに接続しなければならない。特定のプロジェクトの必要性によるが、このコンピュータ・システムのコストだけで磁気的トラッカのコストを超えることがある。
【００１３】
送信機は低周波の電磁界を生成し、受信機はこれを検出して電子制御ユニットに入力し、ここで濾波し、増幅する。次にこれを中央コンピュータに送ると、ソフトウエアは各センサのｘ，ｙ，ｚのデカルト座標の位置と方向（偏揺れ、縦揺れ、横揺れ）を分析する。このデータを別のアルゴリズムに送ると、多くの場合、各センサの全体的な方向と位置とを１つだけの位置と複数の回転とを持つ１つの階層チェーンに変換する。
【００１４】
全プロセスは完全に実時間ではなく、濾波、増幅、後処理、制御ユニットとホスト・コンピュータとの接続の速度などに従って実時間に近い。イーサネット（登録商標）接続が遅くて混雑するとこのプロセスは大幅に遅くなる。磁気的トラッカは待ち時間と呼ぶ仕様を有する。これはデータの収集と得られた動作の表示との間に経過した時間の量を示す。この仕様は、数ミリ秒から数秒まで変わることがある。
【００１５】
Ascension Technology Corporation社のFlock of Birdsなどの磁気的トラッカは直流（ＤＣ）電磁界を用いるが、Polhemus  ＵＬＴＲＡＴＲＡＫ  ＰＲＯなどの他の磁気的トラッカは交流（ＡＣ）電磁界を用いる。これらの技術は金属導電率に関連する種々の問題を有する。ＡＣトラッカは、アルミニウム、銅、鋳鉄などに対する感度が高いが、ステンレス鋼や鉄に対する感度は低い。他方で、ＤＣトラッカは鉄や鋼などの鉄金属では問題があるが、アルミニウムや銅では問題がない。
【００１６】
多くのこれらの導電率の問題は、金属内の電流の誘導により新しい電磁界が生じて、トラッカが放出する元の電磁界と干渉するために起こる。かかる新しい電磁界を渦電流と呼ぶ。磁気的トラッカによっては、特殊のアルゴリズムを用いて捕捉領域をマッピングすることによりかかるひずみを補正するが、かかる較正は建物内の金属構造などの静止した所定の問題領域にだけ有効である。多くの場合、捕捉領域の近くでは高導電率の金属は避ける方がよい。この制限のために、磁気的トラッカを種々の位置に移動するのは難しい。
【００１７】
（電気機械的スーツ）
電気機械的動作捕捉スーツは、人の主な関節位置に取り付けられた電位差計または同様の角度測定装置でリンクされた構造のグループであって、人体の動きにより駆動される。
電位差計は電子産業で古いラジオの音量制御などの応用に長年用いられている構成要素である。電位差計内の抵抗要素に沿って動く滑動部は、全抵抗の何パーセントが入力電圧にかかるかによって決まる可変電圧ポテンシャルの読みを作る。動作捕捉スーツおよびアーマチュアに用いられる電位差計は古いラジオの音量ノブをはるかに複雑化したものであって、アナログまたはディジタル角度センサと呼ぶことがある。
【００１８】
電位差計に基づく電気機械的装置の１つの大きな欠点は全体的な移動を測定することができないことである。多くの場合、この問題を解決するために電磁的センサをこの構成に追加するが、電磁的装置と同様にこの機構は近くの金属への感度が高いなどの欠点を持つ。また、かかる装置の多くは、多くの人の骨が簡単な関節で接続されているという仮定に基づいて設計されるので、肩や腕などの人の関節に共通する標準的でない回転は考慮に入れていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
少なくとも部分的に無線周波数（ＲＦ）に基づく動作追跡装置がある。かかる装置は一般に受信機と送信機の両方の機能を有するタグを用いる。センサを捕捉領域の回りに取り付け、かかるセンサは信号を送信と受信の両方を行う。センサは対象に取り付けられたタグに送信して信号を送信するよう指示し、各タグを追跡する。当業者が認識するように、タグとセンサとがトランシーバのときは装置が複雑になり、コストが高くなる。またこれまでのかかる装置はタグとセンサとの間、または少なくとも複数のセンサの間の時間の同期化を必要とする。このため装置は更に複雑になる。また、かかる無線周波数装置の精度はわずか数インチである。
【００２０】
したがって、既存の動作捕捉装置よりはるかに多くの動作データを記録するために高周波を用いる動作捕捉装置が求められている。かかる装置は直線動作だけでなく回転動作も捕捉することが可能でなければならない。かかる動作捕捉装置は任意の可能な角度から調べることができるように動作の三次元表現を作らなければらならない。またかかる装置は種々の環境で用いることが可能でなければならない。またかかる装置は数千の対象または点を非常に高い正確さで追跡できなければならない。本発明はかかるニーズを満たし、その他の関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（発明の概要）
本発明の動作追跡装置は、無線周波数技術を用いて人間や動物や無生物の動作を追跡する。本発明はアウトサイドイン装置である。より特定すると、本発明は対象に取り付けられた送信機を探し出すための複数のアンテナと特殊なソフトウエアとを用いる。各送信機の全体的な位置を組み合わせて追跡対象のディジタル表現を作成する。またこのデータを用いて、速さや、速度や、その他の種類の動作分析に関する統計資料を含む（ただし、限定されない）動作関連のデータベースを作成する。
【００２２】
本発明の応用は、ビデオ・ゲーム、テレビジョン、漫画、コマーシャル、音楽ビデオ、フィーチャ・フィルム、ディジタル・エキストラ、ディジタル・スタント、ディジタル群集などを含む。本発明は光学的装置の利点（高い正確さ、多数のマーカ、変更が容易なマーカ構成、ケーブルに制約されない動作者、大きな動作領域）を持つが、その欠点（大量の後処理、高価なハードウエア、閉鎖されたマーカの捕捉が不可能、制御された環境が必要）は持たない。
【００２３】
捕捉ゾーン内の対象の動作を追跡する本発明に係る方法は、一般に複数のセンサを捕捉ゾーンの回りに取り付けるステップを含む。一般に、少なくとも４個のセンサが必要である。静止基準タグを捕捉ゾーン内に取り付ける。少なくとも１個の、好ましくは複数個のタグを捕捉ゾーン内の追跡対象に取り付ける。基準タグと対象タグから信号を定期的に送信する。これらの信号をセンサで受信し、各受信信号のコード位相と搬送波位相の測定値を取り出す。コード位相と搬送波位相の測定値を処理して、基準タグに対する各タグの位置を決定する。
【００２４】
基準タグと各対象タグは、全てのタグに共通の部分と各タグに特有の部分とを有するディジタル・データ・パターンで変調された信号バーストを送信する。共通部分はニューマン・ホフマン同期化コードで構成する。特有の部分はそのタグの識別コードで構成し、２進拡張平方剰余コードのコード語で構成する。複数の対象タグを送信周波数及び範囲のセグメントに分割する。好ましくは、帯域範囲は５．８ＧＨｚ帯域範囲である。しかし、６０ＧＨｚまたは２．４ＧＨｚなどの他の帯域範囲を用いてもよい。
【００２５】
タグ信号は円偏光である。各タグのコード位相と搬送波位相の測定値の処理は、対象タグ測定値と基準タグ測定値毎に単一差分測定値を形成するステップを含む。同じ対象タグに関係する種々のセンサからの単一差分測定値を対ごとに差分して二重差分測定値を形成して、そのタグの位置を決定する。次に、二重差分測定値をよく調べる。
搬送波位相測定値は信号到着角の関数であるセンサ・アンテナ位相中心変動について訂正する。一般に、センサは誤差を減らすように較正する。搬送波位相測定値は無線屈折率の変動についても訂正する。
【００２６】
対象タグ位置の時間的変化を用いて、各対象タグの速度と加速度とジャークとを任意の所定の軸で決定することができる。これをバイオメカニカル・ソルバまたはその他のソフトウエアで用いて対象の動作を決定したり、アニメーションを作成したりすることができる。
本発明の他の特徴や利点は、本発明の原理を例示する添付の図面と共に以下の詳細な説明を読めば明らかになる。
【実施例】
【００２７】
（好ましい実施の形態の詳細な説明）
例示の図面に示すように、本発明は動作追跡装置１０である。他の動作追跡装置の場合と同様に、本発明の無線周波数（ＲＦ）動作追跡装置はハードウエアおよびソフトウエア構成要素の組合せである。
【００２８】
本発明は３つのサブシステムで構成する。すなわち図１に示すように、能動的なＲＦタグ１２(「タグ」)と、受動的なセンサ１４（「センサ」）と、処理装置１６(「処理装置」)とである。複数のタグ１２は捕捉する各対象１８に取り付けられる。タグは直接拡散(direct-sequence)スペクトラム拡散マイクロ波信号バーストを送信する。特有のＩＤコードを用いてタグを相互に区別する。捕捉ゾーンすなわち領域２０の周辺に、図２に示すように少なくとも４個のセンサを、好ましくは図３に示すように少なくとも８個のセンサを取り付ける。センサは受信信号帯域を変換してＡ／Ｄサンプリングする。センサからのディジタル・サンプルを処理して各タグのコード位相と搬送波位相とを取り出し、これらの位相推定値を処理して、各サンプリング時刻での捕捉ゾーン内の全てのタグの位置を決定する。次に図４に示すように、後で処理するために生の位置情報をプロセッサに出力する。
【００２９】
図示して説明した装置１０は最大寸法１３０ｍｘ５５ｍｘ１０ｍの捕捉ゾーン２０で動作するよう設計され、ゾーン２０内の任意の場所にあるタグ１２の位置を捕捉することができる。センサ１４の好ましい最小構成は８センサで、捕捉ゾーン２０の各頂点に１つである。最大２４個の追加のセンサ１４を捕捉ゾーン２０の周辺に取り付けると性能が向上する。一般に、センサ１４の表面と捕捉ゾーン２０との間を５ｍから１５ｍ離してセンサ１４を取り付ける。タグ１２は、センサ１４に最も近い点で捕捉ゾーン２０に接する平面と、捕捉ゾーン２０の最も近い点からセンサ１４のセットバック距離の２倍離れた平行な平面で定義される体積から除外される。
【００３０】
装置１０は捕捉ゾーン２０内で最大５，０００個のタグ１２で動作し、最大で軸当たり４．５ｍ／ｓの速度、軸当たり０．４５ｇの加速度、軸当たり０．４５ｇ／ｓのジャークのタグ・ダイナミックスで最大の正確さを与えるよう設計される。最大で軸当たり４５ｍ／ｓの速度、軸当たり４．５ｇの加速度、軸当たり４．５ｇ／ｓのジャークのダイナミックスでは正確さが下がる。最小４個のセンサ１４への見通し線がさえぎられない捕捉ゾーン２０内で、装置２０は個別のタグ１２を９０％の確率で捕捉する。
【００３１】
装置１０は、捕捉ゾーン２０内に取り付けられた固定基準タグ（図示しない）の位置に対するＸ，Ｙ，Ｚローカル・レベル座標でタグ１２の位置出力を与える。位置の待ち時間は一般に０．１秒を超えない。各タグ１２の位置または送信出力速度は、毎秒１，２，３，４，５，６，８，１０，１２，１５，１６，２０，２４，３０，４０，４８，６０，８０，１２０，２４０から選択できる。出力の正確さは制限されたダイナミックスの期間中は軸当たり約１ｍｍ、１シグマであり、高いダイナミックスの期間中は軸当たり１０ｍｍ、１シグマである。出力の精度は軸当たり約１ｍｍである。
【００３２】
捕捉ゾーン２０内に５，０００個のタグ１２を持つ装置１０の全出力データ速度は、フォーマットされないデータでは９メガバイト／秒であり、バイト境界にフォーマットされたデータでは１０．８メガバイト／秒である。各タグ１２の位置データは、Ｘ位置は１７ビット、Ｙ位置は１６ビット、Ｚ位置は１４ビット、タグＩＤは１３ビットでフォーマットすることができる。バイト境界フォーマットでは、出力位置は、Ｘ位置は３バイト、Ｙ位置は２バイト、Ｚ位置は２バイト、タグＩＤは２バイトから成る。
センサ１４は６７マイクロ秒のタイミング正確さを持つディジタル・サンプルを生成する。これは最小２９ｄＢのＲＦ入力ダイナミック・レンジを有し、そのアンテナは捕捉ゾーン２０全体をカバーする視野を与える。
【００３３】
本発明の１つの実施の形態について以下に説明する。これは、パート１５、無免許設備、認可、特に４７ＣＦＲ１５．２４９の下で、５．７２５−５．８５０ＧＨｚ帯域、１２５ＭＨｚ帯域幅で動作する。このセクションに従うには、平均タグＥＩＲＰは０．７５ｍＷに、ピーク高調波放出は０．００００７５ｍＷ  ＥＩＲＰに、ピーク非高調波帯域外放出は−５０ｄＢｃより低く制限され、ピーク対平均比は２０ｄＢを超えない。別の実施の形態は１５．２４７に従い、最大１Ｗのピーク送信電力で１０ｄＢの最小拡散利得で動作することができるが、２５ｍＷの欧州ＥＩＲＰ規制と３０ｍＷのメキシコ規制に従ってピーク送信電力を制限する。もちろん、本発明は更に他の帯域幅、一般に２ＧＨｚから６０ＧＨｚで動作することができる。
【００３４】
周波数計画を図５に示す。帯域はＡからＨまでの８チャンネルに分割され、それぞれ１０ＭＨｚ幅であり、５ＭＨｚの保護帯域で分離される。捕捉ゾーン２０内の１つ以上の対象１８上のタグ１２はグループに分割され、タグ１２の送信のためにＲＦスペクトルの異なるセグメントが各グループに割り当てられる。
【００３５】
タグ１２の機能的ブロック図を図６に示す。水晶発振器２４（ＸＯ）は基準搬送波を生成する。位相／周波数検出器２６と、低域フィルタ（ＬＰＦ）２８と、分割器３０とで構成する位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いて、１．１６ＧＨｚの電圧制御発振器（ＶＣＯ）３２の出力をＸＯ２４基準搬送波に固定することにより安定化する。安定化されたＶＣＯ出力を−π／５からπ／５の範囲の線形変調器３４により位相変調する。変調信号はコントローラ３８の出力波形を積分し３６、帯域幅・時間積０．３  ４２でガウス低域濾波４０して生成する。コントローラ３８は同期ヘッダとタグＩＤ（共に１０Ｍｂｐｓの擬似雑音コードで拡散されている）から成るデータ・パケットを定期的に生成する。信号は帯域濾波して４４送信する４６。
【００３６】
タグ１２は６４ビットのバーストを１Ｍｂｐｓの情報速度で送信する。信号バーストのパケット構造を図７に示す。６４ビットは、最上位ビット（ＭＳＢ）から始めて１６ビットの同期語４６と４８ビットのタグＩＤ４８とに分割される。バースト持続時間は６４マイクロ秒である。各ビットは６４０チップＰＮ（擬似雑音）コードからの１０チップに分割される。したがって、コード速度は１０Ｍｃｐｓである。
１６ビットのニューマン・ホフマン同期語５０、すなわち０ＥＥＤｈ（００００１１１０１１１０１１０１）、が全てのパケットに用いられる。この同期パターンは優れた自己相関特性を有する。
【００３７】
タグＩＤは［４８，２４，１２］２進拡張平方剰余コード空間内のＥＱＲコード・ベクトル５２として選択される。これにより、全てのコード・ベクトルは最小１２ビット位置で異なる。タグＩＤは事前に計算されてタグ１２内に記憶されているので、タグ１２は符号器を必要としない。
またタグ１２は相互相関で識別されるので、センサ１４は復号器を必要としない。コード生成器多項式は
【数１】
2005520441.tif 000003
ただし、Ｑ＝｛１，２，３，４，６，７，８，９，１２，１４，１６，１７，１８，２１，２４，２５，２７，２８，３２，３４，３６，３７，４２｝である。タグＩＤの最下位ビット（ＬＳＢ）は４７ビットのモジュロ２加算プラスＬＳＢが０になるように計算する。
【００３８】
多元接続構造は周波数次元多元接続（ＦＤＭＡ）とスペクトラム拡散多元接続（ＳＳＭＡ）との組合せである。タグ１２は８つの異なる周波数チャンネルの間に均等に分割される。各チャンネル内の全てのバーストは、優れた自己相関特性を有するロングＰＮコードの同じ６４０チップ・セグメントを用いて拡散される。パケット間の衝突は、或るチャンネル内の１つのバーストの第１のチップがそのチャンネル内の任意の他のバーストの第１のチップとセンサで重なる場合にだけ起こる。衝突が発生する確率は  ＰC＝１-ｅ-2τλ  である。ただし、τはチップ持続時間（１００ナノ秒）、λはチャンネル速度（バースト／秒）である。例えば、１チャンネルで、λ＝１２０万バースト／秒の場合の衝突確率は  ＰC＝２１％  である。２チャンネルで、チャンネル当たりのバースト／秒が  λ＝６０万に減少した場合は  ＰC＝１１％  である。４チャンネルで、λ＝３０万バースト／秒／チャンネルの場合は  ＰC＝５．８％  である。８チャンネルで、λ＝１５万バースト／秒／チャンネルの場合は  ＰC＝３．１％  である。したがって、８チャンネルで、タグ当たり毎秒２４０測定値の場合は、衝突によりタグ当たり毎秒平均７．４測定値が失われる。
【００３９】
６４０チップの擬似雑音（ＰＮ）セグメントは、図８に示す１９段単純シフト・レジスタ発生器（ＳＳＲＧ）５４から、最大長さフィードバック多項式  ｘ19＋ｘ5＋ｘ2＋ｘ  と初期条件０ＥＥＤＡｈ（０００１１１０１１１０１１０１１０１０）で生成される。ＳＳＲＧは第１９、第５、第２、第１段のビットの排他的ＯＲをとり、第１段への入力を生成する。次にビットを左に１段シフトする。図８に示すように左端の段（第１９段）のビットが出力される。チップは、１０Ｍｃｐｓのとき帯域幅・時間積（ＢＴ）＝０．３  で変調されたガウス最小シフト・キーイング（ＧＭＳＫ）である。
【００４０】
図９は、タグ１２が信号バーストを作るのに用いる拡散パケット発生器の機能的ブロック図を示す。
１０ＭＨｚクロック５６を拡散シーケンス発生器５４に与える。１０Ｍｃｐｓの拡散シーケンス発生器出力はＲＯＭからの１Ｍｂｐｓのデータ出力と排他的ＯＲをとり５８、１０Ｍｃｐｓの拡散パケット・チップ出力６０を形成する。したがって、各データ・ビットは１０拡散シーケンス・チップで拡散される。
【００４１】
また１０ＭＨｚクロック５６を１０分の１に分割して６２、１ＭＨｚデータ・クロック６４を形成する。このデータ・クロックを６段の２進カウンタ６６に与える（６４で割る）。カウンタの３ＬＳＢ６８を８対１マルチプレクサ７０に与えて、ＲＯＭ７２からの８データ線の１つを選択する。カウンタ７４からの３ＭＳＢをＲＯＭアドレス線に与えて、ＲＯＭ７２内に記憶されている８語の１つを選択する。
【００４２】
各タグ１２はＲＦ搬送波で変調されたデータ・パケット（例示の５．８ＧＨｚ帯域など）を周期的に放出する。センサ１４はタグ１２からのパケットを受信して復号し、これを処理してタグＩＤと、コード位相と、搬送波位相とを取り出す。図２に示すように、このデータは処理装置１６にセンサ当たり毎秒１２０万測定値の速度で与えられる。処理装置１６は測定値を処理して、図２に示すように各タグ１２のＸ，Ｙ，Ｚ位置座標（毎秒全部で１２０万位置）を決定する。
【００４３】
図１０はセンサ１４の機能的ブロック図を示す。各センサ１４はタグ１２から５．８ＧＨｚの信号を受信し７６、これを帯域濾波して７８干渉を除去し、低雑音増幅して８０、受信機雑音フロアを設定する。次に低雑音増幅信号を再び帯域濾波して雑音電力を制限し、同相および直角位相のベース帯域信号に変換する８４−９４。ベース帯域信号を低域濾波し９６および９８、増幅し１００および１０２、Ａ／Ｄ変換する１０４および１０６（サンプリングし量子化する）。ディジタル同相および直角位相サンプルを多重送信して単一データ・ストリームを作り、これを相関器のバンク１１０に与える。相関器はパラメータを決定し、これをディジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）１１２により最も尤度の高いタグＩＤ、コード位相、搬送波位相に変換する。次にこの推定値を、ＩＥＥＥ１３９４インターフェース１１４などのインターフェースを介して処理装置１６に転送する。
【００４４】
次に図１１で、相関整合フィルタ１１０を用いて、時間と周波数と位相の測定値を得る。相関処理は２つのレベルで行う。第１に、タグ１２の波形の同期フィールド４６との相関を時間および周波数の同期化に用いる。この相関は、可能なドップラ・シフトが発振器オフセットである範囲をカバーする周波数で行わなければならない。周波数範囲を周波数ビンに分割し、各ビンの中心周波数で相関を行う。全てのタグ１２は同じ同期フィールドを有するので、同期相関は各センサ１４から見える全てのタグ１２を検出する。
【００４５】
タグ１２を検出してその受信周波数ビンを識別した後で、ＩＤフィールド４８との相関を用いてコード位相測定値と搬送波位相測定値とを得る。コード位相測定値は、１００ナノ秒の相関サンプルの間を内挿して生成してピーク相関値を見つける。搬送波位相測定値は内挿されたピーク相関値の引数を計算して生成する。毎秒１０００万サンプル（ＭＳＰＳ）の、８ビットの同相（Ｉ）サンプル１１６と８ビットの直角位相（Ｑ）サンプル１１８の各対をＦＩＦＯ（先入れ先出し）レジスタ１２０に入力する。サンプル対１１６および１１８は１６ビット語として記憶する。ＦＩＦＯの長さは９６０語である。新しい１６０語がＦＩＦＯに入力することに相当する速度６２．５ｋＨｚで、ＦＩＦＯの内容を９６０語のバッファにコピーする。ＦＩＦＯ内の最も古い３２０語に対応する３２０語をバッファからコピーする。全てゼロから成る１６０語を埋め込むことにより、このコピー・ブロックを３２０語から４８０語に拡大する。ゼロ埋込みはＦＩＦＯからの最も新しい３２０語の次のブロックに付加する。埋め込まれたブロックを４８０点の複素ＦＦＴ（高速フーリエ変換）１２２に入力する。８ビットのＩサンプル１１６は実部として扱い、８ビットのＱサンプル１１８は虚部として扱う。ＦＦＴ１２２は離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の高速型で、連続時間フーリエ変換の離散バージョンである。
【００４６】
ＦＦＴ出力に基準同期シーケンス１２６を乗算する１２４。４８０語の基準同期シーケンスは事前に計算してメモリ・チップ内に記憶する。全てのセンサ１４は同じ基準同期シーケンスを用いる。基準同期シーケンスは、埋め込まれたシーケンスの複素ＦＦＴを計算してその複素共役をとる（すなわち、Ｑ部分の代数符号を変える）ことにより生成する。埋め込まれたシーケンスの最初の１６０語は、理想的な同期波形を１０ＭＳＰＳで複素サンプリングすることにより得られる１６０語から成る。残りの３２０語はゼロ埋込み（すなわち、全てゼロの語）から成る。
【００４７】
複素乗算は次のように用いられる。
ＩＭ＝ＩＦｘＩＦ−ＱＦｘＱＦ
ＱＭ＝ＩＦｘＱＦ＋ＩＦｘＱＦ
ただし、
ＩＭとＱＭとは乗算器出力、
ＩＦとＱＦとはＦＦＴ出力、
ＩＦとＱＦとは事前に計算された基準メモリ・チップからの出力、
である。
乗算は要素毎に行う。すなわち、ＦＦＴ出力ブロックの第１語に事前に計算された基準の第１語を乗算し、第２語を第２語に乗算する、などである。
【００４８】
乗算の結果は複素数の４８０語のベクトルである。このベクトルを４８０点のＩＦＦＴ（逆ＦＦＴ）１２８に入力する。ＩＦＦＴの出力は複素数の別の４８０語のベクトルである。Ｉ値とＱ値の平方の和の平方根を取ることにより、これらの数のそれぞれの大きさを計算する。得られた４８０の大きさのピークを調べる。各ピークはバッファからの３２０語内に含まれるタグ同期フィールドに対応し、ピークの位置はタグ・パケットの開始を識別する。
【００４９】
同期フィールドはバッファの最後の３２０語内に含まれるので、タグＩＤフィールドはバッファ内に完全に含まれなければならない。同期相関により識別された相関ピーク毎に、関連するＩＤに対応するバッファ内の４８０語をコピーする。全てゼロから成る４８０語を埋め込むことにより、このコピー・ブロックを４８０語から９６０語に拡大する。ゼロ埋込みはＦＩＦＯからの最も新しい４８０語の次のブロックに付加する。埋め込まれたブロックを９６０点の複素ＦＦＴ（高速フーリエ変換）１３０に入力する。８ビットのＩサンプル１１６は実部として扱い、８ビットのＱサンプル１１８は虚部として扱う。
【００５０】
ＦＦＴ出力に各可能な基準タグＩＤシーケンスを乗算する（要素毎の複素乗算を用いて）。９６０語の基準ＩＤシーケンスは事前に計算してメモリ・チップ内に記憶する。全てのセンサ１４は基準ＩＤシーケンスの同じ集合を用いる。基準ＩＤシーケンスは、埋め込まれたシーケンスの複素ＦＦＴを計算してその複素共役１３２をとることにより生成する。埋め込まれたシーケンスの最初の４８０語は、理想的なＩＤ波形を１０ＭＳＰＳで複素サンプリングすることにより得られる４８０語から成る。残りの４８０語はゼロ埋込みから成る。
【００５１】
乗算の結果は複素数の９６０語のベクトルである。このベクトルを９６０点のＩＦＦＴ（逆ＦＦＴ）に入力する。ＩＦＦＴの出力は複素数の別の９６０語のベクトルである。Ｉ値とＱ値の平方の和の平方根をとり、またＱ値をＩ値で割った値のアークタンジェント（ＡＴＡＮ（Ｑ／Ｉ））をとることにより、これらの数のそれぞれで表される大きさと位相とをそれぞれ計算する。大きさの値を内挿したものを用いて相関ピークを推定する。この値がコード位相測定値である。相関ピークを識別し、位相値を同じ時刻に内挿したとき、得られる値が搬送波位相測定値である。
【００５２】
相関処理の数学的記述は次の通りである。受信波形サンプルをｓW（ｎ）で表し（ただし、ｎ＝０からＰ−１）、基準波形サンプルをｒW（ｎ）で表す（ただし、ｎ＝０からＱ−１）。埋め込まれたサンプル・シーケンスｓおよびｒは次のようにして生成する。
ｋ＝０からＮ−Ｐ  では  ｓ（ｋ）＝０、また  ｋ＝Ｎ−Ｐ＋１からＮ−１  では  ｓ（ｋ）＝ｓW（ｋ-Ｎ＋Ｐ）、
ｋ＝０からＱ−１  では  ｒ（ｋ）＝ｒW（ｋ）、また  ｋ＝ＱからＮ−１  では  ｒ（ｋ）＝０、
ただし、Ｎ＝Ｐ＋Ｑである。処理は次のように行う。
Ｓはｓの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）として計算し、
ＲはｒのＦＦＴとして計算し、
Ｒ*はＲの共役として計算し、
相関ベクトルＣはＳ・Ｒ*の逆ＦＦＴとして計算する。
【００５３】
処理サブシステム１６の機能的ブロック図を図１２に示す。種々のセンサ１４からＩＥＥＥ１３９４インターフェースへのデータは測定プロセッサ１３６に入力し、プロセッサ１３６はコード位相と搬送波位相とを変換して位置推定値を作る。推定値は別のＩＥＥＥ１３９４インターフェース１３８を介して出力する。処理装置１６はセンサ１４からのコード位相と搬送波位相の測定値を用いてサンプリング時刻のタグ１２の位置を決定する。次に、追跡データを用いて生の位置情報をソフトウエアに出力する。全ての位置は静止基準タグに対するものである。コード位相測定値を処理して粗位置推定値を得る。この粗推定値を用いてあいまいな探索の境界を限定し、搬送波位相測定値を処理して最終位置推定値を得る。
【００５４】
二重差分コード位相測定値は或るタグＡと静止基準タグＲからの測定値を用いて形成する。タグＡとタグＲの第ｎバーストのとき、タグＲはクロックＴR（ｎ）で（０，０，０）にあり、タグＡはクロックＴA（ｎ）で（ＸA（ｎ），ＹA（ｎ），ＺA（ｎ））にある。複数のセンサ１４がタグ１２からのバーストを受信する。センサｉはクロックＴi（ｎ）で既知の位置（Ｘi，Ｙi，Ｚi）にあって静止している。このときセンサｉが受信するタグＡとタグＲのコード位相の測定方程式は次の通りである。
【数２】
2005520441.tif 000004
ただし、ＰＲは基準タグＲに対するタグＡの位置の擬似範囲すなわち粗推定値、ｃは光速である。
【００５５】
これらの測定値の単一差分をとるとセンサのクロック項が消えて次式が得られる。
【数３】
2005520441.tif 000005
センサｉとｊの単一差分の二重差分をとるとタグのクロック項が消えて次式が得られる。
【数４】
2005520441.tif 000006
【００５６】
この方程式は３つの未知数ＸA（ｎ），ＹA（ｎ），ＺA（ｎ）を有する。３個の未知数の３個の方程式を得るのに必要な３個の二重差分を形成するには４個のセンサ１４からの測定値が必要である。近似解［ＸA0（ｎ），ＹA0（ｎ），ＺA0（ｎ）］付近で線形化すると測定モデルは  ｚ＝Ｈｘ  になる。ただし、
【数５】
2005520441.tif 000007
である。これらの方程式は、状態推定値ｘ
【数６】
2005520441.tif 000008
を計算することにより解くことができる。
【００５７】
コード位相推定値は３メートルから４メートルの誤差を有する。他の誤差源はセンサ位置誤差とマルチパス誤差で、それぞれ１メートルの誤差を生じることがある。残りの誤差源はセンサ・アンテナ位相中心の変動や大気差などであって、非常に小さいので一般に無視してよい。
【００５８】
搬送波位相測定方程式は
【数７】
2005520441.tif 000009
である。ただし、ＮiAは基準時刻でのタグＡとセンサｉとの間の整数のサイクル、φiAは基準時刻での分数位相に基準時刻（サイクル）以後の累積測定位相変化を加えたもの、λは信号の波長である。
【００５９】
二重差分はコード測定値と同様にして形成することができる。すなわち、
【数８】
2005520441.tif 000010
ただし、δＮijA＝ＮiA−ＮjA  である。
【００６０】
｛δＮijA｝が既知の場合は、線形測定モデルはコード位相モデルの二重差分コード位相測定値を二重差分搬送波位相測定値で置き換えたものに等しい。｛δＮijA｝が未知の場合は、Ｎs個のセンサのときＮs−１個の測定値(方程式)と３＋Ｎs−１個の未知数がある。かかる方程式を解くには  Ｎs−１≧３＋Ｎs−１  が必要である。したがって解はない。
【００６１】
Ｎs個のセンサとＮt個のエポック（すなわち、各センサ１４での測定値の数）の場合は、（Ｎs−１）ｘＮt個の測定値（方程式）と３ｘＮt＋Ｎs−１個の未知数がある。したがって、解は  （Ｎs−１）ｘＮt≧３ｘＮt＋Ｎs−１  が必要である。これは７個のセンサと２個のエポック（１２個の方程式と１２個の未知数）、または５個のセンサと４個のエポック（１６個の方程式と１６個の未知数）の場合に成り立つ。エポックの数に関わらず、装置が方程式を解くためにはタグが動くことが必要である。
【００６２】
搬送波位相測定誤差はわずかに０．２４ｍｍから０．４７ｍｍである。推定誤差が小さいので、他の誤差源を考慮に入れなければならない。例えば、搬送波位相測定値を無線屈折率について訂正しなければならない。なぜなら、光速で時間を測った伝播は大気の状態に従って変わるからである。無線屈折率訂正のアルゴリズムは周知である。温度や気圧や湿度によるが、かかる訂正は訂正だけで４０ｍｍから６０ｍｍである。全体誤差は約０．３ｍｍ程度であろう。
【００６３】
搬送波位相マルチパス誤差も考慮に入れなければならない。搬送波位相マルチパス誤差は次式で与えられる。
【数９】
2005520441.tif 000011
ただし、λは搬送波波長、αは反射係数とコード相関との積（０から１）である。
【００６４】
マルチパスの緩和には種々の技術が利用可能である。例えば、
・  円偏光信号
・  良い軸比のセンサ・アンテナ
・  チョーク・リング・センサ・アンテナ
・  センサでのディジタル処理
・  マルチエレメント・センサ・アンテナ
・  ＲＦを吸収するセンサ接地面
・  高い搬送波周波数
などである。
【００６５】
他の誤差源はセンサ・アンテナ位相中心の変動とセンサ１４の位置誤差である。位相中心はアンテナでの信号到着角の関数として変化する。５．８ＧＨｚで、２ｍｍから５ｍｍの変動が予想される。かかる誤差は各アンテナについて較正して測定値から差し引くことができる。１０％のモデリング誤差は０．２ｍｍから０．５ｍｍの残留誤差になる。
【００６６】
センサ１４の位置は次のようにしてミリメートル以下の正確さで測定することができる。
・  硬い支持物でセンサを取り付ける
・  全てのセンサを較正モードに切り替える
・  タグ信号をセンサ・アンテナから放射する
・  受信センサを非活動化する
・  基準タグを硬い支持物で取り付けて活動化する
・  基準タグに対して較正受信機を複数の既知の位置に取り付ける
・  各位置でデータを収集する
・  基準タグに対するセンサ位置を決定するように処理する。
【００６７】
全ての誤差源を考慮に入れると、軸当たりの位置誤差は静止基準タグに対して対象タグ１２当たりわずかに０．５０−０．３０ｍｍ程度である。比較的大きな捕捉領域内に多数のタグがあるときにかかる小さな位置誤差が達成されたことはこれまでなかったことを当業者は認識するであろう。
【００６８】
追跡ソフトウエアはデータ処理装置からタグ座標を受信して、必要に応じてデータ雑音を削減する。この削減は種々の方法で行う。例えば、種々の隣接サンプルを平均する、座標上の最大変動を制限する、履歴に基づいて位置を予測するなどである。この目的で他の雑音削減アルゴリズムが考案されよう。この削減の後で、追跡ソフトウエアは入手できないデータを再構築する。この再構築は既存の軌跡を分析し、完成することにより行う。
【００６９】
バイオメカニカル・ソルバ・プログラムは追跡ソフトウエア出力データをとって、対象の動作を再形成するのに用いられる階層構造を構築することができる。このプロセスは、最大３個のタグ１２の位置を組み合わせてその元についての離散部分の回転を再形成することを含む。得られる階層チェーンは単一のグローバルな移行と一連の回転（例えば人体の場合は、ローカル軸の回りの各手足の回転）から成る。全ての外部の応用の入力はバイオメカニカル・ソルバ・プログラムが生成するデータである。
【００７０】
（産業上の利用可能性）
現在、動作捕捉が有用な主な市場は医学、スポーツ、娯楽、法律などであるが、より小さいがやはりこの技術が有用な市場がある。例えば、動作捕捉装置は人間工学環境の設計に用いられる。また、自動車の安全テストに用いられ、衝突テスト・ダミーの動作を捉えて分析する。
【００７１】
医学
臨床の場では、動作捕捉を三次元生物計測または三次元分析と呼ぶ。これは、歩行分析やいくつかの整形外科応用（関節の機能的構造、背骨の分析、人工器官の設計、スポーツ医学など）に用いられるバイオメカニカル・データを生成するのに用いられる。
【００７２】
歩行分析は医学で有用である。なぜなら、異常や変化が検出しやすくなるように、歩行サイクルの複数の場面で用いられる全ての異なるメカニズムを正確に分離するからである。例えば、歩行分析を用いると関節炎や卒中などの状態の任意の程度の変化を測定するのに役に立つ。また他のテストと共に用いて、脳性麻痺などの、歩行に影響を与える病理学的状態の処置を決定する。骨盤や膝や足関節に問題のある患者には、歩行訓練によるリハビリテーションを用いる。
【００７３】
本発明は高周波を用いるので、既存のこれらの応用を改良することができる。更に新しい応用には次のものがある。
１）  自分の環境における患者の実時間バイオメカニカル分析
目立たないマーカと低コストの装置１０により、患者の家庭で既存の医学的応用を行うことができる。
２）  患者の監視
危篤状態の患者を家庭または病院で装置１０により監視することができる。
３）  遠隔医療
医者はその動作を遠隔測定器に送信することにより、遠隔処置を行うことができる。
【００７４】
スポーツ
スポーツ分析は動作捕捉の主な応用である。プロの選手の行動を調べ、動作の種々の構成要素を分析して分類することにより、ゴルフ、テニス、体操、水泳などのスポーツで、運動選手の行動を改善するために三次元データが広く用いられている。データを集めるためには、運動選手は特殊なスタジオに行かなければならない。
【００７５】
スポーツ、特にゴルフの分析を専門的に行っている動作捕捉スタジオが全国にいくつかある。数百ドルで、全てのゴルファは自分のスイングを分析してもらい、またはプロのゴルファのスイングと比較してもらうことができる。視覚化ソフトウエアにより、スタジオは選手の動作を調べて問題の領域があれば見つけることができる。
【００７６】
この種のスポーツの応用にビデオテープではなく動作捕捉を用いる利点は、動作捕捉が動作を任意の可能な角度から調べることができる三次元表現を生成することである。第２の重要な利点は、ビデオテープ・レコーダの通常の速さ（毎秒３０フレーム）では多くの高速の動作を完全には捕捉できないことである。動作捕捉は通常のビデオより高周波で記録することができるので、より多くの動作が記録される。装置１０は高周波なので、他のどの装置より多くの記録をとることができる。このため、より正確な実時間データが得られる。
【００７７】
上記の既存の応用に加えて、本発明は更に以下の応用が可能である。
１）  放送用の実時間スポーツ追跡
スポーツ・イベント中に競技者のユニフォームに小型のマーカを取り付けることにより、この装置は各競技者の動作を実時間で追跡することができる。得られたデータを各競技者のディジタル表現に変換して実時間で表示する。スポーツ解説者は、この装置を用いて任意の選択された角度からイベントの活動を繰り返し示すことができる。
【００７８】
上記の一例として、フットボールの試合でスタジアム内にこの装置を設置した場合を考える。タグ１２が各競技者の装備内に埋め込まれる。ボールにも一組のタグ１２が埋め込まれる。
各選手のディジタル・モデルがすでにコンピュータの中に存在し、スタジアム、ファン、ボール、広告、その他の飾り物などの他の要素を追加して送信する。
【００７９】
各選手がフィールドに出ると、この装置はそのＩＤマーカ・セットにより選手を識別して、動作の追跡を開始する。その動作を用いて、各選手のディジタル表現を変形させる。放送応用プラグイン・ソフトウエアにより、プログラム・ディレクタは自分が好む任意の場所に仮想カメラを設置することができる。ソフトウエアにより、ディレクタは動作捕捉データを用いてイベントを再現し、スタジアムや観衆や広告などの他の要素を場面に追加することができる。
【００８０】
今や解説者は、任意の選手の観点やボールの観点から、またはその他の考えられる角度から、また任意に選択したカメラ・レンズで、競技をディジタルで繰り返し示すことができる。これにより、ゲームを非常に詳細に分析し、またペナルティやその他の問題の場面など、カメラが捉えられなかった状況を識別することができる。また審判員はこの機能を用いて、問題のあるプレーを分析することができる。この応用は多くのチームに、また個々のスポーツ・イベントに用いることができる。
【００８１】
２）  スポーツ統計
上と同じ装置を用いて、各選手のプロフィールを時間と共に構築することができる。本発明は、選手やチームや放送網が用いられるように選手の全ての動作のデータベースを保持することができる。
【００８２】
データベースから取り出すことができる項目には次のようなものがある。
１）  選手の最大および平均スピード
２）  選手の腕または脚の強度
３）  異なる評価基準からの選手の動作の範囲。
選手たちはこのデータを用いて、自分の行動の特定の領域を改善することができる。チームはこれを用いて、選手への投資(investment)を評価することができる。放送局はこれを用いて、スポーツ・イベント中に統計的分析を行うことができる。
またこの装置は、追跡中に起こる怪我について有用な情報を与えて、正しい診断を早く行うのを支援することができる。
【００８３】
娯楽ソフトウエア
動作捕捉は、人の動作が関係するほとんど全てのビデオ・ゲームで用いられる。これは主として、ゲーム内容の人のアニメーション部分を作成するのに用いられる。
娯楽ソフトウエアにおける本発明の特定の応用には次のものがある。
１）  コンピュータ、ゲームセンタ装置、ゲーム台の入力装置
２台以上のレーダ装置を持つ本発明の小型の装置は、種々のコンピュータ・ゲームに用いられる消費者製品としてパッケージ化することができる。プレーヤは自分の動作によりゲームと相互作用することができる。本発明の装置１０が有用なゲームの例としては、戦争ゲーム、ファースト・パーソン(first person)射撃ゲーム、ダイビング・ゲーム、スポーツ・ゲーム、ダンシング・ゲーム、ジョイスティックやマウスなどの入力装置を用いる多くのゲームなどがある。
【００８４】
２）  仮想現実画像(likeness)および相互作用
プレーヤはレーザ・スキャナで走査した自分や他人の画像を三次元の形状の中に入れて、プレーヤ自身の動作を用いて装置１０により仮想環境で動画化することができる。かかる画像は多くの種類の応用に用いることができる。ビデオ・ゲームなどすでに存在するものもあるし、遠隔完全没入チャット(remote full-immersion chat)やその他のオンライン応用など将来の応用もある。
画像はクライアント（受信する）装置に事前にダウンロードして局所で表示することができる。すでにダウンロードされた３次元画像を動画化するための唯一の送信ストリームはシステム・データから成る。この種の装置により、他の方法では極端な帯域幅を必要とする多くの応用が可能になる。
【００８５】
テレビジョンとフィーチャ・フィルム
今日、ライブ・アクション・テレビジョンとフィーチャ・フィルムでの動作捕捉の主な応用はディジタル・エキストラ、ディジタル・スタント、ディジタル群集である。ディジタル・エキストラは何らかの理由でディジタルで生成しなければならない背景ヒューマン・キャラクタである。かかる場合の一例はフィーチャ・フィルム「タイタニック」で出港する船の一場面である。かかるライブ・ショットはヘリコプタで撮影し、多数のエキストラがデッキの上を歩いているものであるが、実際の船は存在しなかったので、動作制御カメラを用いて特撮セットの船を撮影した。場面の大きさのために、実際の人をスクリーンに撮影して船の上で合成することはできなかったので、唯一の解決策はディジタル・エキストラを作ることであった。ディジタル・スタントは、人間では不可能な、またはスタントマンでない人がスクリーン上で演じるのを見る必要があるアクションである。
【００８６】
テレビジョンとフィーチャ・フィルムの製作における本発明の新しい応用には次のものがある。
１）  オンセット追跡および調査
視覚効果を必要とする映画を撮影する場合は、視覚効果チームはディジタル要素を正しい位置に組み込むために、通常、セットの全部または一部を調査して測定しなければならない。これは非常にコストのかかる長いプロセスである。なぜなら、クルーやキャストはこのプロセスが終わるのを待つのが普通だからである。また、セット内の要素を動かすと集めたデータが役に立たなくなることがある。映画のセット内に本発明の装置を設置するだけで、撮影が続いている間セットに関する必要な情報を絶えず追跡することができる。また多くの場合、小道具の移転などのセットの変更を全て追跡する。
【００８７】
セットの追跡はセット内の各所（コーナなど）に小型のマーカを取り付けることにより行ってよい。かかるマーカにより、視覚効果チームはセット全体の測定値をディジタルで再構築することができる。マーカをカメラの視野から隠して、費用のかかる製作後のクリーンアップをなくすことができる。
システム・データは映画の時間コードと同期させることができるので、撮影したときのセットの正確な状態を知ることができる。
【００８８】
１）  カメラの追跡
上に述べた装置を用いて、視覚効果チームはカメラの上にもマーカを取り付けて、動くカメラによるライブ・アクション・ショットの効果と結合させることができる。
【００８９】
１）  タレントと小道具の追跡
或る要素をディジタルで追加する必要があるとき、小道具とタレントの追跡は非常に有用なことがある。例えば、ディジタル器具（すなわち、第３の目）を俳優に取り付ける必要があるとする。３個の小さなマーカを髪の下に隠すなどして俳優の頭に取り付けると、視覚効果チームは俳優の頭を正確に追跡することができる。追加されまたは交換された小道具をディジタルで追跡することも将来有望な応用である。
【００９０】
例示の目的でいくつかの実施の形態を説明したが、本発明の範囲と精神から逸れることなく種々の変更を行うことができる。したがって、本発明はクレームによる以外に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
添付の図面は本発明を示す。
【図１】本発明を実現するＲＦ動作追跡装置の略図である。
【図２】本発明に係る、４個のセンサで定義される捕捉ゾーンの略図である。
【図３】捕捉ゾーンの各頂点に１つの、８個のセンサで定義される捕捉ゾーンの別の図である。
【図４】本発明を構成する種々の構成要素のインターフェースの機能的ブロック図である。
【図５】本発明に係る、信号の送信と受信に用いられる帯域幅の一部の略図である。
【図６】本発明で用いられる対象タグ送信機の機能的ブロック図である。
【図７】本発明に係る、各タグが作ってセンサに送信するデータのパケット構造を示す。
【図８】本発明で用いられる拡散シーケンス発生器の略図である。
【図９】本発明で用いられる拡散パケット発生器の略図である。
【図１０】本発明で用いられるセンサの動作の機能的ブロック図である。
【図１１】センサの相関バンクの機能的ブロック図である。
【図１２】本発明に係る、センサが受信する信号を処理するのに用いられる処理装置の機能的ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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