(57)【要約】【課題】被計測者が計測の度に予め取得されている被計測者の初期骨格姿勢と同じ姿勢を取れるようにしたモーションキャプチャ装置を提供する。【解決手段】初期姿勢ガイド部１は、被計測者が一定の初期姿勢を取れるように、被計測者の姿勢をガイドするガイド部１０〜１６から構成され、初期姿勢データ取得部２は、初期姿勢ガイド部１によって初期姿勢にガイドされている被計測者の各部位の骨格の長さと初期姿勢を計算するために使用するデータを取得し、初期骨格姿勢取得部３は、初期姿勢データ取得部２で取得したデータを利用して骨格の長さと初期姿勢を計算し、骨格初期姿勢Ａとする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測者が初期姿勢状態を取れるようにガイドする初期姿勢ガイド部と、
前記初期姿勢状態の被計測者から、前記被計測者の各部位の骨格の長さと初期姿勢の姿勢ベクトルとを含む初期姿勢情報を取得する初期骨格姿勢取得部と、
前記被計測者の各部位に取り付けられ、前記各部位の変位を示す検出データを計測するセンサーと、
前記初期姿勢状態において、前記各センサーを初期化する姿勢初期化部と、
前記初期化された各センサーからの検出データと前記初期姿勢情報を基準にして、前記被計測者が前記初期姿勢状態から動いたときの前記各センサーからの検出データを用いて、前記被計測者の姿勢を計測する姿勢計測部と、
を備えたモーションキャプチャ装置。
【請求項２】
前記初期姿勢ガイド部は、
前記被計測者が立つための床設置部と、
前記床設置部に設けられ、前記被計測者の両足の接地位置をそれぞれ示す一組のマークを有する足裏ガイド部と、
前記床設置部の上方に配され、前記足裏ガイド部との相対的位置関係が一定であり、かつ、前記被計測者が両手で掴むための手すり部を有する腕ガイド部と、
前記腕ガイド部の手すり部に設置され、前記被計測者の両手の手のひらをそれぞれ置く位置を前記被計測者に指示するための一組の左手ガイド部と右手ガイド部を有する手のひらガイド部と、
を備えた請求項１記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項３】
前記足裏ガイド部は、２組の前記マークを有し、第１の組の前記マークと第２の組の前記マークによって前記被計測者の立つ位置が９０度向きが変えられるようになし、
前記手のひらガイド部は、２組の前記左手ガイド部と前記右手ガイド部を有し、第１の組の前記左手ガイド部と前記右手ガイド部と、第２の組の前記左手ガイド部と前記右手ガイド部によって、前記被計測者の両手が前記手すり部をそれぞれ掴む位置が、前記立つ位置に対応して９０度向きが変えられるようにした、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項４】
前記腕ガイド部は、前記床設置部に立設された腕ガイド支持部に対して上下動自在であり、
前記腕ガイド支持部は、前記腕ガイド部の位置を示す腕ガイド位置計測部を備えた、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項５】
前記初期姿勢ガイド部は移動自在である、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項６】
前記床設置部は、前記腕ガイド部と前記足裏ガイド部の相対的位置関係を示す腕ガイド支持マーカー部を備えた、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項７】
前記手のひらガイド部の前記左手ガイド部と前記右手ガイド部は、前記腕ガイド部の手すり部に対してそれぞれ移動自在であり、
前記手すり部は、前記左手ガイド部と前記右手ガイド部のそれぞれの位置を示す手のひらガイド位置計測部を備えた、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項８】
前記腕ガイド部の手すり部は、前記被計測者を取り囲む円形、楕円形、または、多角形の環状構造、または、一部が開口した環状構造を有する、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項９】
前記床設置部が、床面と平行な面を持つシートやマットである、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【請求項１０】
前記初期姿勢ガイド部は、非磁性体から構成されている、
請求項２記載のモーションキャプチャ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人体の姿勢を計測するためのモーションキャプチャ装置に係り、特に被計測者が計測の度に予め取得されている被計測者の初期骨格姿勢と同じ姿勢を取れるように、被計測者の初期姿勢をガイドすることにより、各部位の初期状態からの変位を計測するセンサーによって被計測者の姿勢データを計測するモーションキャプチャ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各部位の初期状態からの変位を計測するセンサーによって被計測者の姿勢データを計測するモーションキャプチャ装置には、特許文献１のようにジャイロセンサーを用いるものや、ポテンシオメーターを用いるものがあった。
【特許文献１】特開２００５−３３７９８３公報（６頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記モーションキャプチャ装置では、各センサーの初期状態からの差を計測するため、被計測者が毎回正確に同じ初期姿勢をとらないと、計測された姿勢データが実際の被計測者の姿勢とは異なり不正確となる問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は、上記背景技術の問題点を解決するためになされたものであって、被計測者が計測の度に予め取得されている被計測者の初期骨格姿勢と同じ姿勢を取れるように、初期姿勢のばらつきによる計測誤差を軽減して計測精度の向上を可能とするモーションキャプチャ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、被計測者が初期姿勢状態を取れるようにガイドする初期姿勢ガイド部と、前記初期姿勢状態の被計測者から、前記被計測者の各部位の骨格の長さと初期姿勢の姿勢ベクトルとを含む初期姿勢情報を取得する初期骨格姿勢取得部と、前記被計測者の各部位に取り付けられ、前記各部位の変位を示す検出データを計測するセンサーと、前記初期姿勢状態において、前記各センサーを初期化する姿勢初期化部と、前記初期化された各センサーからの検出データと前記初期姿勢情報を基準にして、前記被計測者が前記初期姿勢状態から動いたときの前記各センサーからの検出データを用いて、前記被計測者の姿勢を計測する姿勢計測部と、を備えたモーションキャプチャ装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、被計測者が、常に一定の初期姿勢をとることができるように、被計測者の姿勢をガイドする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の一実施形態のモーションキャプチャ装置について図１から図８に基づいて説明する。
【０００８】
（１）モーションキャプチャ装置の構成とその動作概要
図１は、本実施形態に係わるモーションキャプチャ装置を表すブロック図である。
【０００９】
初期姿勢ガイド部１は、被計測者が一定の初期姿勢を取れるように、被計測者の姿勢をガイドするガイド部１０〜１６から構成される。
【００１０】
初期姿勢データ取得部２は、初期姿勢ガイド部１によって初期姿勢にガイドされている被計測者の各部位の骨格の長さと初期姿勢を計算するために使用するデータを取得する。
【００１１】
初期骨格姿勢取得部３は、初期姿勢データ取得部２で取得したデータを利用して骨格の長さと初期姿勢を計算し、骨格初期姿勢Ａとする。
【００１２】
複数のセンサー６が、被計測者の各部位に取り付けられており、各部位の変位を計測する。ある初期状態からの変位を計測する代表的なセンサー６としては、ジャイロセンサー６がある。
【００１３】
センサー制御部７は、被計測者に取り付けられた各センサー６が接続され、センサー６の初期化等の制御を行ったり、センサー６から受け取ったデータを送信したりする。
【００１４】
姿勢初期化部４は、センサー制御部７に対してセンサー６の初期化要求を行う。すなわち、モーションキャプチャを行うために、各センサー６は、ある初期状態からの変位を計測する必要があるため、被計測者は同じ初期姿勢をとる必要がある。そのためモーションキャプチャ開始時にも被計測者を初期姿勢ガイド部１によって初期姿勢にガイドする。被計測者が初期姿勢の状態で、姿勢初期化部４は、センサー制御部７に対してセンサー６の初期化要求を行う。この要求を受け取ったセンサー制御部７は、各センサー６の現在の状態を初期状態とする。
【００１５】
姿勢計測部５は、センサー制御部７から次々に送信される各センサー６の計測データを受信して、初期骨格姿勢Ａにセンサー６からの計測データを重ね合わせることにより姿勢情報を計算し、モーションキャプチャが行われる。
【００１６】
（２）初期姿勢ガイド部１
図２は初期姿勢ガイド部１の構成例である。
【００１７】
初期姿勢ガイド部１は、床設置部１０、足裏ガイド部１１、腕ガイド支持マーカー部１２、腕ガイド支持部１３、腕ガイドジョイント部１４、腕ガイド部１５、手のひらガイド部１６から構成される。
【００１８】
センサー６としてジャイロセンサー６を用いる場合、ジャイロセンサー６の計測精度が周囲の磁性体の磁気によって低下することを防ぐため、初期姿勢ガイド部１の各部材は合成樹脂やゴム等の非磁性体とすることが望ましい。鉄などの金属は、曲げたりすることにより磁化することがあるので使用しないほうが望ましい。
【００１９】
（２−１）床設置部１０
姿勢ガイド部１は、薄いシートやマットのような床面と平行な面から構成される床設置部１０上に設置される。なお、床設置部１０は、床や地面そのものであっても良い。
【００２０】
（２−２）足裏ガイド部１１
足裏ガイド部１１は、被計測者が立位の状態で足裏を置く位置をガイドするためのマークであり、床設置部１０上に足型、四角形、十字型（縦横２本の線分）等、床面内の二次元位置が一意に決定できる形状が描かれる。被計測者はこの足裏ガイド部１１に従って足の位置を決定して自然に直立すれば下肢の姿勢を毎回同じに保つことができる。
【００２１】
（２−３）腕ガイド支持マーカー部１２
腕ガイド支持マーカー部１２は、以下で述べる腕ガイド支持部１３、腕ガイドジョイント部１４、腕ガイド部１５を設置するための位置をガイドするために、床設置部１０上に描かれたマークである。
【００２２】
足裏ガイド部１１と腕ガイド支持部１４の位置を床設置部１０上に接地しておくことにより、それらの相対的位置関係を常に一定に保つことができる。
【００２３】
腕ガイド支持マーカー部１２の形状は、腕ガイド支持部１３の接地部分の形状が望ましいが、四角形、十字型等、床面内の二次元位置が一意に決定できる形状であればよい。
【００２４】
（２−４）腕ガイド支持部１３、腕ガイドジョイント部１４、腕ガイド部１５
図３は、腕ガイド支持部１３及び腕ガイドジョイント部１４の構成例であり、これらは腕の角度をガイドする腕ガイド部１５を支持するための部材である。
【００２５】
腕ガイド部１５は、図１に示すように被計測者が腕をまっすぐに伸ばした状態で腕の上下方向の開閉角度が一定となるように体の周囲に水平方向に設置された円環状の手すり部１５１を有している。なお、被計測者が出入りしやすいように一部が開口した形状でもよく、また、多角形であってもよい。
【００２６】
腕ガイド支持部１３の設置位置は、腕ガイド支持マーカー部１２によって規定される。この構成例では、腕ガイド支持部１３の台である接地部１３１が正方形であるため、腕ガイド支持マーカー部１２の形状は合同な正方形である。接地部１３１から支柱部１３２が垂直に立設され、支柱部１３２を腕ガイドジョイント部１４の円筒状のスライダ１４０に挿入することにより腕ガイドジョイント部１４と腕ガイド支持部１３が接続される。
【００２７】
この支柱部１３２には、腕ガイドジョイント部１４の位置を記録するための目盛り部１３３があり、腕ガイドジョイント部１４のスライダ１４０の上端または下端の位置の目盛を読み取って腕ガイドジョイント部１４の位置を記録することができる。これにより、非計測者の体格に合わせて腕ガイド部１５の位置を変えることができ、腕ガイドジョイント部１４の位置を記録することにより、各非計測者に適した一定の初期姿勢をとることが可能となる。
【００２８】
腕ガイドジョイント部１４のスライダ１４０のロックネジ穴１４１にロックネジ１４２をねじ込むことにより、腕ガイド支持部１３の支柱部１３２に腕ガイドジョイント部１４が固定される。なお、スライダ１４０と支柱部１３２の両方にロック穴を設け、これらのロック穴にロック棒を挿入することにより腕ガイドジョイント部１４と腕ガイド支持部１３を固定する等、別の固定方法を用いてもよい。
【００２９】
腕ガイドジョイント部１４のスライダ１４０の外周部から突出した接続部１４３には接続穴１４４が開口している。図４のように腕ガイド部１５の手すり部１５１の下面から突出したほぞ１５３を接続穴１４４に挿入することにより、腕ガイドジョイント部１４と腕ガイド部１５を接続する。腕ガイドジョイント部１４と腕ガイド部１５の接続についても、手すり部１５１と接続部１４３の両方にロック穴を設け、これらのロック穴にロック棒を挿入することにより、腕ガイドジョイント部１４と腕ガイド部１５を固定する等、別の接続方法を用いてもよい。
【００３０】
なお、図２のように腕ガイド部１５を１本の腕ガイド支持部１３によって支えると、強度不足により腕ガイド部１５が動揺したりして安定しない場合には、図５のように２本の腕ガイド支持部１３や図６のように４本の腕ガイド支持部１３で腕ガイド部１５を支持しても良い。
【００３１】
（２−５）手のひらガイド部１６
図７は、腕ガイド部１５にある手のひらガイド部１６の構成例である。
【００３２】
手のひらガイド部１６は、手のひらを置く位置を被計測者に指示し、被計測者の体の周囲方向に関する腕の角度が一定となるようにするためのものであり、筒状のスライダ１６１を有し、このスライダ１６１を腕ガイド部１５の手すり部１５１に通してスライドさせることにより位置を被計測者が手のひらを置く位置を調節することができる。
【００３３】
また、腕ガイド部１５の手すり部１５１には、目盛り１５２が付いており、手のひらガイド部１６の位置の目盛り１５２を読み取ることによって記録しておくことができる。一方、手のひらガイド部１６のスライダ１６１の表面にはガイドマーク１６２があり、中指の位置を正確に決めることができる。
【００３４】
手のひらガイド部１６は、ロックネジ１６３とロックネジ穴１６４により腕ガイド部１５の手すり部１５１に固定する。手のひらガイド部１６は左手用と右手用を一組として設置するが、その位置は対応する足裏ガイド部１１の組と平行になるように設置することが好ましい。
【００３５】
なお、手のひらガイド部１６のスライダ１６１は完全な筒状をしている必要はなく、別の機構を使って手すり部１５１に沿って移動、固定してもよい。例えば、手のひらガイド部１６のスライダ１６１を半筒状にし、腕ガイド部１５の手すり部１５１に設けたレールによって移動させるなどの方法がある。
【００３６】
（３）初期姿勢データ取得部２
初期姿勢データ取得部２では、被計測者の各部位の骨格の長さと姿勢情報を計算するためのデータを取得する。これらは様々な方式で実現することが可能であるが、本実施形態では、画像を用いた非接触の計測方法について述べる。
【００３７】
図８のように初期姿勢データ取得部２は、初期姿勢ガイド部１の正面に配置された１台のカメラから構成される。そして、被計測者が正面を向いている画像と、側面を向いている画像を撮影する。すなわち、初期姿勢データ取得部２で取得するデータは、上記したように被計測者が正面を向いている画像と、カメラや初期姿勢ガイド部１の配置はそのままで被計測者だけが９０度向きを変えた側面向きの画像の２枚の画像である。このような２枚の画像を必要とする構成では、被計測者が９０度向きを変えても初期姿勢は変化しないことが必要である。そのため、初期姿勢ガイド部１は、被計測者が正面を向いている初期姿勢と、側面を向いている初期姿勢の２つの状態をガイドできるようになっている。
【００３８】
具体的には、足裏ガイド部１１は、右足用と左足用のマークを一組として、正面向きと側面向きの２組、合計４つのマーカーから構成される。手のひらガイド部１６も同様に４つのマーカーから構成される。床設置部１０上には、全ての辺の長さが分かっている上面と下面が正方形で構成された直方体のゲージ８を、全ての足裏ガイド部１１がゲージ８内部に入るように設置し、被計測者はこのゲージ８の中に入ってカメラで画像を撮影する。
【００３９】
（４）初期骨格姿勢取得部３
初期骨格姿勢取得部３では、上記取得した正面向き、側面向きの画像上で、それぞれゲージ８の頂点と被計測者の関節位置を手動でポイントすることにより、各関節のゲージ８に対する３次元位置を求める。ゲージ８の各辺の長さが既知であるため、画像だけからゲージ８を基準とする各関節の三次元位置を求めることが可能である。
【００４０】
被計測者の各部位の長さは、これら関節の３次元位置の差から求めることができ、また、初期姿勢についても関節の３次元位置から計算することができる。
【００４１】
骨格初期姿勢Ａの算出方法について説明する。
【００４２】
人体の全ての部位を親子関係で記述する。例えば、３次元シーンを親とし、その子供を腰部位とし、腰部位の子供を腹部部位と左右の太股部位、さらに腹部部位の子供を胸部部位というように記述する。
【００４３】
各部位に関する姿勢は、その親部位との角度の差で表すことができる。つまり、ある部位に固定された座標系とその親部位に固定された座標系の間の変換は、３つの回転角ｒｘ，ｒｙ，ｒｚ（オイラー角）と平行移動で表現できる。また、部位の長さは、つまり平行移動は上で求めた骨格の長さで一定なので、３つの回転角度だけである部位の親部位に対する姿勢を決定することができる。そこで、部位がＮｂ個あるとすると、姿勢ａの姿勢情報は、Ｘａ＝｛ｒｘ１，ｒｙ１，ｒｚ１，ｒｘ２，・・・，ｒｚ（Ｎｂ）｝のように３×Ｎｂ次元のベクトルで表すことができる。
【００４４】
オイラー角を用いる方法は、角度が３６０度を回り込んだ場合に同じ姿勢が３６０度の整数倍異なる無限個の値で記述できる問題がある。この場合にはよく知られているように４元数（quaternion）で関節角度を表せばよい。
【００４５】
また、関節位置の３次元位置で姿勢を表すこともできる。
【００４６】
このような姿勢を記述するベクトルを以下では「姿勢ベクトル」と呼ぶ。このような親部位に対する子部位の角度の差は、親部位に平行な単位ベクトルを子部位に平行な単位ベクトルに変換する回転行列から求めることが可能である。
【００４７】
以上のようにして求めた各部位の骨格の長さと初期姿勢の姿勢ベクトルを骨格初期姿勢Ａとして記憶しておく。
【００４８】
（５）姿勢初期化部４
姿勢初期化部４は、センサー制御部７に対してセンサー６の初期化要求を行い、この要求を受け取ったセンサー制御部７は、各センサー６に対して初期化を行い、現在の状態を初期状態とする。各センサー６が初期化機構を持っていない場合、姿勢初期化部４からの初期化要求があったとき、センサー６の計測値を初期値として姿勢初期化部４、または、センサー制御部７に記憶しておき、以後、センサー６の計測値から記憶しておいた初期値を差し引いても良い。
【００４９】
初期化が終了すれば、姿勢計測部５によるモーションキャプチャには初期姿勢ガイド部１は必要なく、被計測者の動きを制限してしまうので被計測者の周囲から移動させて取り去って構わない。
【００５０】
（６）姿勢計測部５
姿勢計測部５は、センサー制御部７から次々に送信される各センサー６の計測データを受信して、骨格初期姿勢Ａに格納されている初期姿勢に、センサー６からの計測データから計算される初期位置からの差を足しこむことにより、被計測者の初期姿勢から動いた状態の各時刻の姿勢ベクトルを取得し、モーションキャプチャが行われる。
【００５１】
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態に係わるモーションキャプチャ装置の構成を示す構成図である。
【図２】初期姿勢ガイド部の構成を表す詳細図である。
【図３】腕ガイド支持部、腕ガイド支持部、腕ガイドジョイント部と、その接続関係を表す斜視図である。
【図４】腕ガイドジョイント部と腕ガイド部と、その接続関係を表す斜視図である。
【図５】初期姿勢ガイド部の他の実施形態を表す構成図である。
【図６】初期姿勢ガイド部のさらに他の実施形態を表す構成図である。
【図７】腕ガイド部と手のひらガイド部と、その接続関係を表す斜視図である。
【図８】画像を用いた骨格初期姿勢の取得方法に関する初期姿勢ガイド部と初期姿勢データ取得部の構成図である。
【符号の説明】
【００５３】
Ａ・・・骨格初期姿勢
１・・・初期姿勢ガイド部
２・・・初期姿勢データ取得部
３・・・初期骨格姿勢取得部
４・・・姿勢初期化部
５・・・姿勢計測部
６・・・センサー
７・・・センサー制御部
【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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