(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象者の体表面の形状や動きを認識するためのモーションキャプチャー装置であって、
対象者に巻き付け又は装着して当該対象者の表面における圧力を検出する圧力検出手段と、
圧力検出手段によって得られる検出情報と体表面形状との関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関数式として格納する記憶手段と、
対象者に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段からの検出情報を受けて、当該情報に対応する体表面形状データを上記記憶手段からの情報に基づいて算出して出力する形状認識手段とを設け、
上記圧力検出手段が、可撓性を有するシート状基材と、該シート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する構成とされ、シート状基材に配置される電極パターンによってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検出素子のそれぞれが位置され、
体表面のうち圧力変化が認められる部位又は当該圧力変化が予め規定した基準値以上である部位に対してのみ圧力検出素子群を配置して当該圧力検出素子を体表面に密着させ、当該部位以外の場所には圧力検出素子を設けることなくシート状基材が体表面に密着されるようにした
ことを特徴とするモーションキャプチャー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人体や動物の体表面のように比較的滑らかな曲面状をした対象についてその形状を認識する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象者（あるいは対象物）の形状認識装置としては、ステレオ（式）カメラやレンジファインダーが知られている。
【０００３】
例えば、２台のステレオカメラを使用した形状認識方法においては、撮影対象を、異なる視線方向をもって配置した基準カメラ及び検出カメラによって撮影（動画又は静止画撮影）し、両カメラ間の視差に応じた撮影画像から対象の形状を算出することができ、エピポラーライン（Ｅｐｉｐｏｌａｒ  Ｌｉｎｅ）を用いたエリアベースマッチング法等が知られている。
【０００４】
また、レンジファインダーでは、例えば、レーザー照射によって得られるスリット光をガルバノミラーで反射させるとともに、その反射方向を徐々に変化させて対象者への光走査を行い、そのときの反射光を受光手段（例えば、シリコンレンジファインダ用検出チップ等）で読み取ることで形状情報を取得している。
【０００５】
この他、仮想現実（バーチャルリアリティ）や遠隔現実（テレリアリティ）等の分野では、コンピュータによって創出される仮想空間（あるいは仮想世界）や操作者からは隔絶した遠隔世界（あるいは遠隔環境や微小世界等）に関して、操作者を模擬した人物像、あるいは架空の人物像を動画処理で現出させるにあたって、当該人物のモデルとなる現実の人体や体の一部の形状あるいはその動きをコンピュータ処理に適したデータとして取得するための入力装置（所謂モーションキャプチャー）が知られている。例えば、人体の形状や動きの認識方法には、光学的、磁気的な検出手段を用いた方法や、人体に付設される外骨格構造と位置や動きの検出手段（ポテンシオメーター等）を用いた方法等が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置にあっては、下記に示すような問題がある。
【０００７】
（１）対象の形状について大雑把に分類すると、角張った形状と、角のとれた滑らかな曲面を有する形状とに分けられるが、後者のような形状やその動きの認識にあたっては、前者の形状認識と比較した場合に、より細かな情報が含まれるために形状等の微妙な認識を行うのが困難である。例えば、人体表面における筋肉の隆起に伴う形状や形状変化等についてのデータを取得したい場合に、上記ステレオ（式）カメラやレンジファインダーを用いた方法は不向きである。
【０００８】
（２）光学式あるいは機械式のモーションキャプチャーを人体又はその一部に装着してデータ取得を行う方法では、そのためのシステム構成が複雑化する（構成部品の数が多くなるとともに、それに伴うデータ処理が複雑になるため。）傾向がある。
【０００９】
そこで、本発明は、人体表面のように滑らかな曲面形状の認識に適した形状認識装置の提供を課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を解決するために、対象者に巻き付け又は装着して当該対象者の表面における圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって得られる検出情報と体表面形状との関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関数式として格納する記憶手段と、対象者に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段からの検出情報を受けて、当該情報に対応する体表面形状データを上記記憶手段からの情報に基づいて算出して出力する形状認識手段とを設け、圧力検出手段が、可撓性を有するシート状基材と、該シート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する構成とされ、シート状基材に配置される電極パターンによってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検出素子のそれぞれが位置され、体表面のうち圧力変化が認められる部位又は当該圧力変化が予め規定した基準値以上である部位に対してのみ圧力検出素子群を配置して当該圧力検出素子を体表面に密着させ、当該部位以外の場所には圧力検出素子を設けることなくシート状基材が体表面に密着されるようにしたものである。
【００１１】
従って、本発明によれば、対象物の表面における圧力を検出するとともに、圧力検出情報と表面形状との関係を予め取得してこれらをデータテーブル又は関数式として記憶させておいた情報を参照して表面形状データを求めることができる。
すなわち、対象者の動きをリアルタイムで捉えることができ、しかも装着し易いモーションキャプチャー装置を提供することが可能となる。そして、可撓性を有するシート状基材上に多数の圧力検出素子群を格子状に配置した構成を採用することによって、圧力検出位置の選択を容易に行うことができるようになり、対象物の表面に対して圧力検出素子群を密着させ易い構成を得ることができる。そして、さらに、圧力検出素子の数を必要最小限に減らすことができるとともに、シート状基材のうち圧力検出素子が設けられていない場所には別の機能（放熱や通気等）を付与することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の基本構成を示す概念図であり、形状認識装置１は、圧力検出手段１ａ、記憶手段１ｂ、形状認識手段１ｃを備えている。
【００１３】
圧力検出手段１ａは、対象物（図では人体の前腕部を示す。）に巻き付けたり又は装着して当該対象物の表面における圧力を検出するものであり、表面の圧力分布に応じたデータ群を後段の形状認識手段１ｃに送出する。
【００１４】
記憶手段１ｂは、圧力検出手段１ａによって得られる検出情報と表面形状との関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関数式として格納するものである。つまり、形状認識装置１の使用に際しては、圧力検出情報と表面形状との間の対応関係を、キャリブレーションによって予め取得した上でそのデータを記憶手段１ｂに格納しておく必要がある。
【００１５】
形状認識手段１ｃは、対象物に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段１ａからの検出情報を受けて、当該情報に対応する表面形状データを上記記憶手段１ｂからの情報に基づいて算出して出力するものである。例えば、表面圧Ｐと形状Ｓ（面の法線方向における位置変化）との間の数値的関係（これを関数式「Ｓ＝Ｆ（Ｐ）」で表す。）が、ある自由曲線（スプライン曲線やベジェ曲線等）を用いて近似できる場合に、当該自由曲線を特定するために必要な情報を記憶手段１ｂに格納しておけば、ある特定位置での表面圧がＰ＝Ｐａであったときに、「Ｓ＝Ｓａ＝Ｆ（Ｐａ）」として形状データを算出することができる。尚、関数式の代わりに関数関係をデータテーブルとしてデータベース化しておいて圧力検出後にデータ参照を行う方法等、既知の参照方法や補間方法を用いることができることは勿論である。
【００１６】
図２は形状認識装置１を構成するにあたっての構成例を概略的に示すブロック図である。
【００１７】
本例では、圧力検出手段１ａとして、可撓性を有するシート状基材及び該シート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する構成（以下、「圧力検出用シート」という。）が採用されており、シート状基材に配置される電極パターンによってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検出素子のそれぞれが位置されている（その詳細については、後述する。）。
【００１８】
そして、制御中枢であるＣＰＵ（中央演算ユニット）と、圧力検出手段１ａとの間には、Ｉ／Ｏ（入出力）インターフェース部（図には「Ｉ／Ｏ−ＩＦ」と略記する。）が介在されており、圧力検出用シートによって得られた情報はこのＩ／Ｏインターフェース部を介して装置内に取得される。例えば、シート状基材の上にＸ−Ｙの２次元直交（あるいは斜交）座標系を設定したときに、各圧力検出素子に関して格子点のそれぞれの位置座標で指定される素子がマトリックス要素に予め対応付けられている場合には、当該マトリックス要素の選択回路（Ｘ、Ｙの各座標値又は各座標の指標値によって格子点での各要素を指定する回路）がＩ／Ｏインターフェース部に含まれる。
【００１９】
ＣＰＵに対して設けられるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）やＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）は上記記憶手段１ｂに相当するものであり、データの一時的あるいは永続的な記憶保持のために使用される。尚、本例において、上記した表面圧Ｐと形状Ｓとの数値的関係はＲＯＭ化されたデータとして取り扱われるが、これをハードディスクや光磁気ディスク等を用いた補助記憶（固定記憶）装置（図示せず。）にファイル化して保存しておき、必要に応じてＲＡＭ上に展開して使用しても良いことは勿論である。
【００２０】
図３乃至図１４は、力触覚呈示装置への適用においてこれを構成する効果器（上記した圧力検出用シートを含む。）の一例を示したものである。尚、「力触覚呈示装置」とは、力触覚（力覚と触覚）や温度感覚を対象者に体感させることができるようにするためのマン・マシンインターフェースを提供する装置であり、力触覚グローブ等を使った装置が知られている。つまり、力触覚呈示装置は、主に視覚や聴覚によって認知される仮想現実感をさらに力学的な感覚（力触覚）にまで拡張したり、あるいは遠隔世界や微小世界における操作感覚に臨場感を与えるため等に導入されるもので、本例では、筋肉への電気刺激を利用して人間の手や腕等に作用を及ぼす方法、即ち、皮膚表面や筋肉への電気刺激によって力触覚呈示を実現するために機能的電気刺激を利用した方法が採用されている（「機能的電気刺激」（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ、略してＦＥＳ」とは、明確な目的意識と作用機序の理解の上に立って生体機能の補助又は制御を行おうとする電気刺激法を意味し、主として運動麻痺患者に対して電極を介して目的の末梢神経や筋に電気的刺激を与えることにより麻痺肢を動かすといったことに用いられる。）。
【００２１】
また、効果器については人体の皮膚に接触して使用するために、人体の手足、体の一部等の形状に適合する形状をもって作成される。例えば、その形態には、グローブ、ボディスーツ、アームバンド、指サック、ソックス等が挙げられるが、以下では、人体の腕に取り付けて使用する効果器を例にして説明を行うことにする（∵本発明に関する限り効果器の取り付けをどの場所にしようと、発明の本質に何等の影響を与えることはないため。）。尚、生体への電極の取り付け方に関しては表面電極法を採用している。その理由は、当該方法が人体を傷付けることなく使用できること及び経皮電極法や埋め込み電極法では電極や配線の破損や感染等の問題があることに依る。
【００２２】
この表面電極法に適した効果器の構成例を図示したものが図３乃至図１４であり、多数の電極２、２、・・・（電極アレイ）を有する電極シート３の一例を示している。
【００２３】
電極シート３は人体の皮膚表面に付設して使用され、例えば、図３に簡略化して示すように、前腕Ａに巻着して使用される。尚、本例では、電極シート３が矩形状に形成されており、一方の辺の長さが前腕Ａの長さとほぼ同じで、他方の辺の長さが前腕Ａの周方向の長さとほぼ同じになっている。これにより、電極シート３を前腕Ａに巻き付けると、前腕Ａはそのほぼ周面を電極シート３で覆われることになる。
【００２４】
図４は電極シート３の積層構造について概略的に示すものであり、４層構成の電極層３Ａの上に４層構成の感圧層３Ｂ（上記圧力検出用シートに相当する。）を形成し、さらにその上に絶縁層３Ｃを積層形成した例を示している。
【００２５】
電極層３Ａは、同図の左側に示すように、シート４、導通シート５、配線シート６、表面シート７を積層した構成を有している。
【００２６】
シート４は最も皮膚側に位置するシートであり、これには、多角形状（例えば、正方形や正六角形等）をした小さな電極孔４ａ、４ａ、・・・（図５参照。）がマトリックス状に多数形成され、該電極孔４ａ、４ａ、・・・に導電ポリマーが充填されることで、電極２、２、・・・がシート上に規則的に形成されている。各電極孔４ａには、その周囲を取り囲む突条部４ｂがそれぞれ形成されており、該突条部４ｂはその厚み方向における断面形状がほぼ台形状をしており、台形の短辺に相当する端部が皮膚との接触部とされ、斜辺に相当する部分が電極孔４ａの周囲に亘ってテーパー面を形成している。尚、この突条部４ｂは電極２と皮膚との密着性を良好にするために設けられる（図５、図１３参照）。
【００２７】
導通シート５は、シート４の表面側に積層され、該導通シート５のうち、上記各電極２、２、・・・に対応する位置には、該電極よりも充分に小さい相似形の通電孔５ａ、５ａ、・・・（図６参照。）が形成され、これらの通電孔５ａに導電ポリマーを充填して、これを通電部５ｂ、５ｂ、・・・としている。尚、導通シート５は、配線シート６に形成された後述の各配線パターンと、シート４上の電極２、２、・・・とが短絡しないようにするために設けられるものである。
【００２８】
配線シート６は導通シート５の表面側に積層されるものであり（図７参照。）、端子部６ａ、６ａ、・・・や配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・が形成されている。つまり、配線シート６には、上記通電部５ｂ、５ｂ、・・・に対向してこれらと同じ大きさの端子孔が形成され、該孔に導電ポリマーを充填することでこれらを端子部６ａ、６ａ、・・・としており、更に各端子部６ａ、６ａ、・・・に対しては配線シート６の長手方向に延びる配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・が形成されている。尚、これらの配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・は導電ポリマーにより形成されていて、各配線パターンは互いに接触しない配置となっている（配線の形成面積をシート上に十分に確保するのが難しい場合には多層構造の採用が望ましい。）。そして、各配線パターン６ｂ、６ｂ、・・・のうち端子部６ａ、６ａ、・・・とは反対側の端部は配線シート６の端縁近傍まで延び、これらが図示しない電気刺激信号の出力装置に接続されるようになっている。
【００２９】
表面シート７（図８参照。）には、他のシート４乃至６と同じ大きさの（電気）絶縁シート、例えば、絶縁性のポリマー、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、シリコーン等の合成樹脂材料等が用いられ、上記配線シート６に貼着される。
【００３０】
尚、このような構造を有する電極層３Ａにおいては、例えば、シルク印刷により、各電極２、通電部５ｂ、端子部６ａ及び配線パターン６ｂ等を形成することができる。
【００３１】
次に、感圧層３Ｂの形成について説明する（図９乃至図１２参照。）。
【００３２】
図４に示すように、感圧層３Ｂは、皮膚に近い方から行電極シート８、感圧シート９、列電極シート１０、絶縁膜１１を積層した構成となっている。
【００３３】
行電極シート８（図９参照。）は、ポリエステル等のフィルム上に形成される電気絶縁膜の上に導電性ポリマー製の平行電極８ａ、８ａ、・・・を所定の方向、例えば、シートの長手方向に沿って形成されており、これらの電極の間には電気絶縁膜が介在されることによって各電極が絶縁分離されている。
【００３４】
感圧シート９（図１０参照。）は、多角形状（図では正方形）をした感圧部９ａ、９ａ、・・・が一定の間隔をおいて配置された構成を有しており、これらと上記電極２、２、・・・とは互いの位置関係において１対１に対応している。感圧部９ａに使用する材料としては、圧電性の高分子材料（フッ化ビニリデン等）、比誘電率ポリマー等が挙げられる。尚、各感圧部９ａ同士は絶縁材料によって隔絶されていることは勿論である。
【００３５】
列電極シート１０（図１１参照。）については、平行電極１０ａ、１０ａ、・・・の形成方向が異なるだけで行電極シート８と同様の構造を有している。つまり、導電性ポリマー製とされたこれらの電極１０ａは、上記行電極シート８の平行電極８ａの形成方向に対して感圧シート９を挟んで互いに直交するように形成方向が規定されており、両電極群の交点位置に上記感圧部９ａ、９ａ、・・・が各別に配置される。これによって、互いの電極群同士が直交した関係を有するマトリックス配置（あるは格子状配置）とされ、「ｉ」、「ｊ」の整数変数を指標として導入したとき第ｉ行第ｊ列の指定によって該当する交点位置付近での圧力検出を行うことができるようになっている。
【００３６】
絶縁膜１１（図１２参照。）は電気絶縁材料、例えば、絶縁性のシリコーン、高分子ゲル等を用いて形成されるもので、感圧層３Ｂの最も表層に形成されて列電極シート１０の絶縁を図っている。
【００３７】
絶縁層３Ｃは、前腕Ａに貼着されたときに最も表面に位置しており、これにはゴム材料等が使用される。
【００３８】
しかして、このような電極シート３を、前腕Ａに巻き付けてこれに干渉波による刺激を与えるときは、シート４の各電極２、２、・・・を前腕Ａの皮膚に当ててから（皮膚との接触状態を図１３、図１４に示す。）、一組の電極２、２、・・・（例えば、図１４に「×」印を付して示す電極）に対して図示しない電気刺激の出力部から所定の周波数電流を供給すると、前腕Ａの内部において干渉波が生じ、干渉により波が強め合うところの筋肉Ｍの部位を刺激することができる。例えば、４０００Ｈｚ（ヘルツ）の周波数電流と４０１０Ｈｚの周波数電流を、各電極２、２、・・・にそれぞれ供給すると、両電極間を結んだ線上の中心近傍で干渉が生じ、干渉の部位に位置する筋肉Ｍが１０Ｈｚ程度の周波数で刺激されて収縮する。また、皮膚表面の表層筋に対する低周波の刺激を行う場合には、使用電極を２極として、この一対の電極の各位置を特定した後、１００Ｈｚ以下、例えば、１０〜６０Ｈｚ程度のパルス波形（負性矩形波等）を用いて刺激を与えれば良い。
【００３９】
皮膚表面の圧力分布に関する検出にあたっては、上記行電極シート８及び列電極シート１０のうちの所望の電極、つまり、整数変数ｉ、ｊについて第ｉ行第ｊ列に相当する電極（行電極シート８のｉ番目の電極及び列電極シート１０のｊ番目の電極）を選択した場合に、該電極の交点付近における圧力に応じて感圧材料が圧迫されると、その静電容量の変化を検出することができる。即ち、行電極シート８におけるｉ番目の電極と列電極シート１０におけるｊ番目の電極との間には感圧部９ａを含むコンデンサ（これが上記圧力検出素子に相当する。）が形成され、その等価静電容量値Ｃがその場所での圧力Ｐの関数となるので、等価静電容量値Ｃから逆算して圧力Ｐに係る情報を得ることができる（つまり、第ｉ行第ｊ列の検出データについてのマトリックス処理によって所望の位置での局部的な圧力や対象範囲を特定した圧力分布データを取得することができる。）。
【００４０】
尚、このような圧力検出手段が人体に着用して使用される形状を有している場合には、力触覚呈示装置への適用において、例えば、ウェットスーツ形状を採用することで装着や着脱が容易になり、衣服を着替えるのに要する程度の準備時間で済むという利点がある。
【００４１】
また、上記例では電極層３Ａの上に感圧層３Ｂを形成したが、単に圧力検出だけを目的する場合には電極層３Ａが不要となり、よってシート状基材の上に感圧層だけを形成すれば良い（これが上記圧力検出用シートそのものである。）ことは勿論である。
【００４２】
上記したように圧力検出を利用した形状認識においては、表面圧Ｐと形状Ｓとの数値的関係を予め取得しておく必要があり、そのための初期学習の過程を図１５乃至図１９に従って説明する。
【００４３】
図１５は圧力検出用シート１２を円筒状（あるいは円錐台状）に丸めて端部同士をシリコーンやゴム材料、布等を用いて接着した状態を示している（図の斜線部が接着部分１３を示す。）。また、これに限らず図１６に示すように、円筒（圧力検出用シート１２）の側面全体を覆うように接着領域１４を形成しても良い（図に斜線を付して示す部分を参照。）。尚、円筒側面の母線に沿うように縦糸（例えば、麻等の丈夫な工業糸）を接着部あるいはシート状基材の内部又は外表面に設けることが好ましい（円筒軸に平行な方向におけるシート状基材の形状変化を良好なものにするため。）が、圧力検出用シートの伸張時において電極シートや感圧シートが変形したときに抵抗値や誘電率等が変化する場合があるので、変形に伴う物理量の変化率を予め測定しておき、当該変化率を考慮してデータ補正を行うことが好ましい。
【００４４】
図１７は圧力検出用シート上における各圧力検出素子を選択するための構成を概略的に示したものであり、マトリックス選択回路１５は、上記した行電極群８ａ、８ａ、・・・に接続される接続線群「Ｘ」と、列電極群１０ａ、１０ａ、・・・に接続される接続線群「Ｙ」を有しており、また、ＣＰＵ１６やメモリ１７（ＲＡＭ又はＲＯＭ）に関するアドレスバス１８及びデータバス１９に接続されている。即ち、ＣＰＵ１６からマトリックス選択回路１５に対するアドレス指定により、圧力検出素子群についての番地指定が為されると、当該番地に対応する行電極群、列電極群のうちの対応する電極がそれぞれ選択され、圧力検出素子の位置が特定される。そして、選ばれた圧力検出素子の検出情報が返されて、データバス１９を介してＣＰＵ１６やメモリ１７において利用されることになる。
【００４５】
図１８は初期学習時に使用する基準円柱（円筒でも良いが、これを圧力検出用シートに挿入したときに当該シートから受ける力によって形状が容易に変化しないことが必要である。）を示しており、この例では、半径を異にする３つの円柱α、β、γが用意されており、円柱αの半径「ｒ＿α」が最も小径とされ、その次の円柱βの半径「ｒ＿β」が円柱αの半径よりも大きく、円柱γの半径「ｒ＿γ」が最も大径とされている。
【００４６】
これらの基準円柱をそれぞれ圧力検出用シート１２（図では円錐台の筒形状をしている。）に挿入した上で圧力分布と形状（基準円柱の半径）との間の数値的関係をキャリブレーションにより取得する。つまり、基準円柱の径が大きいもの程これを筒状の圧力検出用シートに挿入したときの圧迫が大きくなる（表面圧が大きくなる）ことが明らかであり、そのときの圧力検出情報（正確には各圧力検出素子により得られるデータ群）と形状との対応関係を数値情報として得ることができる。
【００４７】
尚、この例では説明を簡単にするために基準円柱を３個としたので、上記自由曲線を決める上での点の数が少ないが、半径の異なる数多くの基準円柱を用意するか又は１個の基準円柱においてその半径を連続的に可変するための機構を設ける（例えば、空圧や電磁機構等を使った人工筋肉を基準円柱に付設する。）ことによって、補間に必要なデータ数を確保できることは勿論である。また、基準円柱の形状については、円柱の他に４角柱あるいは多角柱、円錐台、角錐台等を用いても良い。
【００４８】
図１９は初期学習の手順例を示すフローチャート図であり、先ず、ステップＳ１で基準円柱（あるいは基準円筒、角柱等）のうちの１つを選択してこれを筒状の圧力検出用シート１２に挿入する。
【００４９】
次ステップＳ２では、圧力検出用シート１２における各圧力検出素子を上記マトリックス選択回路１５により走査してこれらによる圧力検出情報を取得してメモリ（上記ＲＡＭ）に格納する。
【００５０】
尚、この場合、圧力検出素子の数が膨大な数に亘ることに起因してデータ量が増えてしまうという不都合に対処するためには、人体に関する力学的構造の数値モデルを活用して、人体構造を考慮することで必要最小限の数の圧力検出点を選定すると、データ量を大幅に低減することができる。つまり、データ量を削減するために圧力検出素子の数を予め必要最小限にまで少なくしておくことが考えられるが、これでは対象者の個体差（体格差や四肢の長さの違い等）によって圧力検出ポイントを適正な位置に選択できないことになってしまうからである。そこで、対象者の人体モデル（人体に関する力学的構造の数値モデル）をデータベース化したものを利用することで圧力検出ポイントを各個人について適正な位置に設定することができる。この人体モデルの構築方法については、本願出願人が、既に特願平１０−２６６号にて提案した方法を踏襲することができ、本モデルには、骨格モデル、筋肉モデル、神経（運動神経や感覚神経等。）モデル、皮膚モデル、脂肪や内臓のモデルが含まれるが、圧力検出ポイントの設定を行う上で必要なのは主に骨格モデルと筋肉モデルである。
【００５１】
人体構造の数値モデルの構成にあたっては、体型の分類（痩せ型「ａｓｔｈｅｎｉｃｕｓ」、闘士型「ａｔｈｅｔｉｃｕｓ」、肥満型「ｐｉｋｎｉｃｕｓ」等）を行うとともに、分類された各基準体型について全ての骨や筋肉の形状、長さや重量を含む人体データ（基準データ）を予め用意しておき、対象者に関する身長、体重、外形形状のデータを入力する。そして、入力データから対象者の体型を特定し、各基準体型の人体データに基づいて補間計算を行い、対象者に係る骨格や筋肉についてのデータの換算比率を算出する。その後、この換算比率及び対象者の身長や重量に基づいて対象者の骨や筋肉の長さや重量を決定して数値モデルを作成する（対象者に関する外形形状のデータ取得方法、体型の特定にあたって使用する座標空間や補間等についての詳細な説明は省略する。）。
【００５２】
選択された各圧力検出ポイントに対応する圧力検出素子によってその場所での圧力検出情報を得ることができるが、前ステップＳ１において基準円柱を選んだ場合と基準角柱（あるいは多角柱）を選んだ場合とでは当然に圧力分布に差がでる。即ち、前者の場合には、圧力分布がほぼ一様に得られるが、後者の場合には角部に対応する圧力検出ポイントで検出値のピークが出ることを考慮する必要がある（換言すれば、圧力検出値の分布において変化の顕著な場所が対象物の形状的特徴を表す特有の部分であると言える。）。
【００５３】
次ステップＳ３では、用意した基準円柱等について、これらを筒状の圧力検出用シート１２に挿入して圧力分布データを取得する作業が終了したか否かを判断し、終了時には次ステップＳ４に進むが、そうでなければステップＳ１に戻る。
【００５４】
ステップＳ４では圧力検出ポイント毎に形状Ｓと圧力Ｐとの間の関数関係を得るために、自由曲線や２次曲線等を用いて近似処理を行う。例えば、自由曲線には、ラグランジェの補間曲線、ファーグソン曲線、スプライン補間曲線、べジェ多項式曲線、Ｂ（べジェ）−スプライン曲線等が挙げられ、補間ポイントの数に応じて使い分けることが好ましい。尚、補間処理については既知の方法を踏襲すれば良いのでその説明を省略する。
【００５５】
次ステップＳ５では、前ステップで得られた関数関係を１タイムでＲＯＭにデータとして登録することで初期学習が完了するが、ＥＰＲＯＭ（消去可能プログラム可能なＲＯＭ）やＥＥＰＲＯＭ（電気的消去書き込み可能なＲＯＭ）等を使用することによってその後のデータ補正に容易に対処することができるし、また、前記したようにデータをファイル化して補助記憶装置に保存しても良いことは勿論である。
【００５６】
図２０は圧力検出用シートを対象物に巻き付けた状態で得られる圧力分布情報から形状を認識する手順を示すフローチャート図であり、先ず、ステップＳ１では対象物を筒状の圧力検出用シートに挿入する。例えば、対象者の腕に圧力検出用シートを巻き付ける。
【００５７】
次ステップＳ２では、圧力検出ポイントの選定後に各ポイントに対応する圧力検出素子によって圧力検出情報を取得した後、次ステップＳ３では、得られた情報をＲＯＭデータと比較する。
【００５８】
そして、次ステップＳ４では、取得した圧力検出情報に対応する形状データをＲＯＭデータから求めるが、正確に符合するデータがＲＯＭ内にあるとは限らないので、圧力検出情報に近いＲＯＭデータを検索してこれに基づいて予想形状データを算出する。尚、圧力情報から形状を特定するためには多種多様な形状に係るデータを数多く所有してこれをデータベース化しておくことが認識の可否や精度を決定する上で重要である。
【００５９】
圧力検出用シートを用いて人体の表面形状を認識するにあたっては、関節を如何にして判別するかが問題となるが、圧力検出用シート（圧力検出手段）によって検出される表面圧の変化が大きい範囲を形状認識手段により関節部として認識し、形状モデルとしてのワイヤーフレームモデルの構成データを出力する構成を採用することが好ましい。
【００６０】
図２１乃至図２４は、上肢を例にしてその形状認識について説明するためのものである。
【００６１】
図２１は形状認識の手順例を示したフローチャート図であり、スタート時点において前記した初期学習が終了していることが前提となる。
【００６２】
先ず、ステップＳ１では圧力検出用シートを上肢表面の全体に亘って巻き付けた状態で各検出ポイントにおける圧力情報を取得する。
【００６３】
次ステップＳ２では、対象者に一定の動作を実行してもらい、その動作が安定して行われるようにする。このためには対象者（の頭部）にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の視覚表示装置を装着して、当該装置上に模倣すべき上肢の動きを映し出す。
【００６４】
図２２は画面Ｗ内にカメラ撮影で得られる画像情報を動画像として映し出した映像ＲＨ（実際の上肢画像であり、これを実線で示す。）と、模倣すべき上肢の動きを示す仮想映像ＶＨ（仮想の手を示す画像であり、これを２点鎖線で示す。）を概略的に示したものであり、対象者は実際の手を示す映像ＲＨが、仮想映像ＶＨに重なり合うように自分の手を仮想の手に追従させることで動作の模倣を容易に行うことが可能となる。尚、このような模倣動作が困難とされる人体の他の部位については、口頭での説明や指示者の動作をまねることで対象者に一定の動作を倣ってもらうようにすれば良い。
【００６５】
ステップＳ３では、各圧力検出ポイントのうち、予め規定した基準値以上の圧力が検出される領域を選択した後、次ステップＳ４で関節部の判別処理を行う。つまり、図２３に示すように、上肢では手首、肘、肩の部分で対偶動作に伴う圧力の変化が大きいための、この部分に対応する検出ポイントでの圧力情報から関節部を認識することができる。尚、図中に「＋」の丸印で示す位置が関節部を概念的に示しており、また、矢印「Ｒａ」で示す範囲が手首部で圧力変化の顕著な範囲、矢印「Ｒｂ」で示す範囲が肘部で圧力変化の顕著な範囲、矢印「Ｒｃ」で示す範囲が肩部で圧力変化の顕著な範囲をそれぞれ示している。
【００６６】
次ステップＳ５では、各関節部の認識結果から関節間の長さを求めることでボーンワイヤーモデル（骨格構造をワイヤーフレームモデルで表現したもの）を作成して、形状データを取得する。尚、上肢形状についての認識結果については、例えば、ポリゴンデータ（ポリラインからなる形状データ）として出力することができる。また、説明は省略するが、脚等の他の部位についても同様の方法を踏襲できることは勿論である。
【００６７】
関節角度の認識にあたっては、上記のように関節部を認識する際に、対偶の動作に対して圧力変化が新たに加わるポイント又は範囲を探して、当該ポイント又は範囲における圧力検出情報から関節角度を求めることが好ましい。つまり、上記したように関節部周囲の表面は対偶の動作に伴う圧力変化が顕著な場所であり、関節の屈曲角度が大きくなるにつれて次第に圧力が他の場所に比べて大きくなるからである。
【００６８】
尚、対偶位置の認識にあたっては、図２４に示すいくつかの圧力変化のパターンを満たす検出ポイントを探し出して、その圧力変化から位置を求めることが好ましい。図２４（ａ）乃至（ｃ）に示すグラフ図は横軸に時間ｔ（図２１のステップＳ２で説明した一定動作の開始時点を時間軸の起点とする。）をとり、縦軸に検出された圧力Ｐをとってその時間的変化を概略的に示したものである。
【００６９】
図２４（ａ）は、グラフ線ｇで示すように動作開始からほぼ一定の傾斜をもって圧力Ｐが上昇していく様子を示しており、また、図２４（ｂ）では、グラフ線ｇ１に示すように、ある検出ポイントでの圧力が最初の立ち上がって飽和した後、別の検出ポイントでの圧力がグラフ線ｇ２に示すように立ち上がって飽和する様子を示している。
【００７０】
図２４（ｃ）では、複数の検出ポイントでの各圧力を示すグラフ線ｇｉ（ｉ＝１、２、・・・）に示されるように、ある遅延時間をもって次々に圧力が立ち上がった後に飽和していく様子が分かる。
【００７１】
このような圧力の時間的変化に特徴的なパターンが認められる場所を捉えることによって対偶の位置を認識することができ、例えば、手や指、肘、肩等の認識にとって有用である。
【００７２】
また、捻り動作によって形状が変化する関節部を形状認識手段によって認識する際には、圧力検出手段を構成するシート状基材において捻れに伴って生じる圧力変化から関節角度を求めることが好ましい。例えば、首や腰の回転や前腕の回内・回外動作等において筋肉の捻れを捉えることで形状変化の認識が可能になる。
【００７３】
体表面の回転運動に伴うシート状基材の捻れにより、当該基材が体表面から離れることに起因して形成される皺の認識については、急激な圧力変化が２点以上の検出ポイントに亘って連続的に生じた場所を皺とみなすことで処理することができる。尚、形状データを、例えばポリゴンデータとして作成する場合には、多数の皺データを含むことになるため形状が複雑化し、またデータ量の増加を余儀なくされることになるので、皺データを除去した表面形状データだけを得たい場合には、ポリゴンデータに関する結合処理を用いる（これはポリゴンメッシュを簡単化して点やラインを間引くことでデータ圧縮を行う時に使用される定番処理であり、エッジのもつ重要度や形状的特徴にどれだけの寄与を持つ要素であるかを考慮した方法や、エッジ除去後の体積変化あるいはエッジ除去後に設定した新頂点と元の三角パッチの頂点との距離和等を評価量として用いる方法等、各種の方法が知られている。）。
【００７４】
図２５はそのような結合処理のうち比較的理解が容易な処方について説明するためのものである。
【００７５】
ｕ軸、ｖ軸で示す直線座標系（あるいは曲線座標系）において、ａライン、ｂラインで示す曲線（皺のピークを代表的に示す。）は体表面において圧力変化が高い場所を繋いでできるものである。尚、ａライン上には「ａ０」乃至「ａ９」の検出ポイントが位置しており、またｂライン上には「ｂ０」乃至「ｂ９」の検出ポイントが位置している。
【００７６】
今、ポイント「ａ１」に着目した場合に、ｂライン上において最も近い点は「ｂ１」であり、よって、ａ１とｂ１とを結合して新しい点を設定することで点や線や削減する。
【００７７】
即ち、同図の楕円内に示す部分を拡大するとともにこの部分を下方に取り出して示すように、「ａ０」乃至「ａ２」を含む三角パッチ群と、「ｂ０」乃至「ｂ２」を含む三角パッチ群とがある場合に、「ａ１」と「ｂ１」とを移動により新頂点ｃ１で結合させることで、「ａ１」と「ｂ１」の各点及び線分ａ０ａ１、ａ１ａ２、ｂ０ｂ１、ｂ１ｂ２が削減されるので、新しくできた三角パッチ群は７頂点と１０本の線分によって構成されることになる（新頂点ｃ１を通って新たに生成される曲線が図のｃラインである。）。
【００７８】
しかして、上記した形状認識装置をモーションキャプチャー装置、つまり、対象者（狭義には人間を含むが、動物でも良いし、また人体や生物を模倣したロボット、マニピュレータ等であっても構わない。）の体表面の形状や動きを認識するための装置として用いるにあたっては、対象者に巻き付け又は装着して当該対象者の表面における圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって得られる検出情報と体表面形状との関係を予め取得しておいてこれらをデータテーブル又は関数式として格納する記憶手段と、対象者に巻き付けられ又は装着された圧力検出手段からの検出情報を受けて、当該情報に対応する体表面形状データを記憶手段からの情報に基づいて算出して出力する形状認識手段とを設けた構成を採用する。
【００７９】
その際、圧力検出手段については、前述したように、可撓性を有するシート状基材と、該シート状基材上に多数配置される圧力検出素子群を有する構成とし、シート状基材に配置される電極パターンによってそれらの交点として形成される各格子点に圧力検出素子のそれぞれが位置された構成を用いる。
【００８０】
そして、体表面のうち圧力変化が認められる部位又は当該圧力変化が予め規定した基準値以上である部位に対してのみ圧力検出素子群を配置して当該圧力検出素子を体表面に密着させ、当該部位以外の場所には圧力検出素子を設けることなくシート状基材が体表面に密着されるように構成する（但し、発汗に対する通気性や放熱性を考慮して圧力検出素子を設けていない場所には、通気性や放熱性に優れた繊維材料を使用したり、あるいは通気孔や放熱孔を形成することが好ましい。）と、必要最小限の数の圧力検出素子をシート状基材上に配置することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１に係る発明によれば、対象物の表面における圧力を検出するとともに、圧力検出情報と表面形状との関係を予め取得しておいて、これらをデータテーブル又は関数式として記憶させた情報を参照して表面形状データを求めることができるので、滑らかな表面形状を有する対象についての形状認識を詳細に得ることができ、しかもこれを装置構成の複雑化を伴うことなく実現することができる。すなわち、対象者の動きをリアルタイムで捉えることができ、しかも装着し易いモーションキャプチャー装置を提供することが可能となる。そして、可撓性を有するシート状基材上に多数の圧力検出素子群を格子状に配置した構成を採用することによって、圧力検出位置の選択を容易に行うことができるようになり、対象物の表面に対して圧力検出素子群を密着させ易い構成を得ることができる。そして、さらに、圧力検出素子の数を必要最小限に減らすことができるとともに、シート状基材のうち圧力検出素子が設けられていない場所には別の機能（放熱や通気等）を付与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的構成を示す概念図である。
【図２】形状認識装置の構成例の要部を示すブロック図である。
【図３】図４乃至図１４とともに電極シートの要部構成について説明するための図であり、本図は電極シートを腕に巻き付ける様子を示す図である。
【図４】電極シートの分解斜視図である。
【図５】電極層３Ａを構成する最も皮膚側のシート４を部分的に示す図である。
【図６】電極層３Ａを構成する導通シート５を部分的に示す図である。
【図７】電極層３Ａを構成する配線シート６を部分的に示す図である。
【図８】電極層３Ａを構成する表面シート７を部分的に示す図である。
【図９】感圧層３Ｂを構成する行電極シート８を部分的に示す図である。
【図１０】感圧層３Ｂを構成する感圧シート９を部分的に示す図である。
【図１１】感圧層３Ｂを構成する列電極シート１０を部分的に示す図である。
【図１２】感圧層３Ｂを構成する絶縁膜１１を部分的に示す図である。
【図１３】電極シートの一部を拡大して示す断面図である。
【図１４】腕に巻き付けた状態の電極シートを示す概略的な断面図である。
【図１５】図１６乃至図２０とともに初期学習について説明するための図であり、本図は筒状に巻いた圧力検出用シートを示す。
【図１６】筒状に巻いた圧力検出用シートの別例を示す図である。
【図１７】圧力検出用シートについての素子選択について説明するための図である。
【図１８】圧力検出用シートに挿入して使用する基準円柱の組みを示す図である。
【図１９】初期学習の手順例を示すフローチャート図である。
【図２０】圧力検出用シートによる圧力分布情報から形状を取得する手順例を示すフローチャート図である。
【図２１】図２２乃至図２４とともに、上肢の形状認識について説明するためのものであり、本図は形状認識の手順例を示したフローチャート図である。
【図２２】対象者に視覚表示装置を装着して当該装置上に模倣すべき上肢の動きを映し出した状態を示す説明図である。
【図２３】人体の上肢を概略的に示す図である。
【図２４】圧力パターンの数例を示すグラフ図である。
【図２５】皺データを除去することによって表面形状に係るデータ量を削減する方法について説明するための図である。
【符号の説明】
１…形状認識装置、１ａ…圧力検出手段、１ｂ…記憶手段、１ｃ…形状認識手段
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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