３次元人体形状スキャナーの開発［技術報告］

３次元人体形状スキャナーの開発＊
長谷川辰雄＊＊，中村 吉信＊＊＊，上野山火 英子＊＊＊

育子＊＊＊（株）でんは靴製造業へ事業展開を計画していることから、様々な観点で靴業界の現状を調査した。市販されている靴は大量生産により低価格で供給されている．しかし、足に合わない理由で返品や多量在庫などの課題を抱えている。これを解決するためには、オーダーメイド靴を低価格・短納期で可能とする必要がある．従来のオーダーメイド靴は、足サイズの測定から木型の作成、デザインまでを職人が手作りで行っているためにコストや制作時間を要している。本研究では、手作業で行われていた足サイズの計測を自動化し、計測データを３次元ＣＡＤへ自動転送することで制作時間の短縮を目指した。足サイズの計測は、従来の３次元形状の測定方法とは異なる独自の３次元形状測定機として開発した。
キーワード：人体形状，スキャナー，オーダーメイド

Development of 3D Scanner for Measurement of Human BodyHASEGAWA Tatsuo, NAKAMURA Yoshinobu, UWANO Ikuko
and YAMABI EikoThe DEN Co. has planned the shoes business development to the manufacturing industry.
We investigated present state of the shoes industry from various viewpoints. As the result of
these investigations, there are problems of high return rate and large stock because of not being
suitable for individual foot. As a method for solving this problem, we proposed the system which
automated the measurement which the craftsman does in the manual operation. It is importantto measure the shape of the foot in order to make the suitable individual shoes. In this reports, wedescribed the development of the original three-dimensional shape measurement machine for thefoot.
key words: human body, scanner, housemaid
１ 緒言
現在、人体の３次元計測、非接触法が多く用いられており、その中でもレーザー光による光切断法が一般的である。人体計測で問題となるのが計測時間であり、１０秒という短時間でも人間が静止し続けることは困難であり、静止物体に比べて測定結果の誤差が大きくなる傾向がある。また、市販されている３次元計測器は非常に高価であり、維持費も高額である。そこで、従来よりも手軽で低価格の３次元計測器の開発を行った。メッシュ状の靴下を市販の低価格デジタルカメラで撮影し、得られた画像を解析するためのソフトウェアを開発した。メッシュを採用した理由は３次元計測する場合の指標点とすることにより、ソフトウェア開発が容易になるためである。足の３次元計測データはネットワークによって自動的にデータベースへ保管され、ＣＡＤによってその場で木型のデザインをすることが可能となる。現在、職人が手作業で行っている各工程に対して、本システムは効率よく時間短縮を実現できる。
本研究では、短時間に計測可能な測定機の開発と、３次元幾何形状を自動生成するプログラムの開発を行った。
＊技術パイオニア養成事業＊＊電子機械部
＊＊＊（株）でん２

開発方法
２−１ 靴や足に関するデータ収集
履き心地のよい靴や、疲れにくい靴を作るために靴の形や材料が人体に与える影響などを調査した。この調査にはインターネットを活用し、足の病気や形状、靴に関する情報を収集した。また、実際に靴作りの現場視察や靴業界の抱える問題などを調査した。図１は、靴工場で革を固

図１

革の固定

岩手県工業技術センター報告第７号（２０００）

定している様子である。革靴制作の工程は、木型の作成から革の切断、靴底固定、靴の裁縫など多数の工程を経る。
その各工程には機械が使われるているが、職人の技術で機械を使いこなしており自動化は行われていない。その理由は、各工程の作業が複雑であるからである。図２は、靴底の固定を示し、図３は革の裁縫を示す。どちらも非常

図４

図２

靴底の固定

３次元形状測定器イメージ図

２−３ ３次元形状解析プログラム開発
３次元形状測定器で測定したデータを解析し、３次元データとして出力できるプログラムの開発を行った。解析方法は、メッシュ状の靴下を履き、３次元形状測定器で撮影し、その画像データをプログラムにより解析した。また、計測のポイントとなる部分には、予めマーカー（シール）を付けた。解析方法は、三角測量で算出する方式を取り入れ、３次元データとしては、ＤＸＦ形式で出力できるように機能設計を行った。このシステムは、市販のデジタルカメラを用意し、撮影したデータをパソコンに取りこんで画像処理計算を行うシステムとした。また、プログラ
ムは、Visual Basic 6.0およびVisual C++1)2)3)4)5) で作成した。図５に計算アルゴリズムを示す

取り込んだ画像を２値化する

メッシュの中心点を求める
図３

革の裁縫

中心点を左右で一致させるに複雑な工程となっている。
２−２ ３次元形状測定機の開発
３次元形状測定器の開発では、測定方法の検討を行い、低コストで瞬時に測定できるカメラを利用した測定機の開発を進めることにした。３次元座標を得るために、複数画像から三角測量の原理で計算でする手法を採用した。
この理由は、最もシンプルに３次元座標を求めることができるからである。開発当初、複数画像を求めるために、カメラ台自体を回転する方法で設計をしたが、一般消費者向けデジタルカメラの低価格さと、画素数が多い点に着目して、４台のカメラを固定して画像を撮影する設計とした。
４台のカメラからの画像をパソコンへ取り込むために、最大６画像取り込み可能なビデオキャプチャボード（フォトロン社製）を利用した。図４に４台のデジタルカメラによる３次元形状測定器のイメージ図を示す。

その点を基に三角測量計算する
図５

計算アルゴリズム３ 開発結果３−１ 靴や足に関するデータ収集
自分の足に合わない靴を履き続けることで、足の病気や冷え性・腰痛・偏頭痛に影響を及ぼしていることがわかった。このことから、個人の足にフィットするオーダーメイドの靴製造が必要であり、安価で製造スピードの速いシステム化が重要であると確信した。靴や足に関するデータを収集し、オーダーメイドの様々な技術を身につけるために、革の切断や、裁縫を行った。図６はカッ３次元人体形状スキャナーの開発
タープロッターを使った革の切断を示し、図７は切断した革靴のパーツを示している。図８は革靴のパーツを裁縫している様子である。

図９

図６

カッタープロッタによる切断

図７

革靴のパーツ３次元形状測定器きる。撮影に関するプログラム開発を Visual C++ とVisual basic で行った。キャプチャーカードで準備されているプログラム機能は、Visual C++ と Visual Basic
で多少異なっており、実行速度も Visual C++ の方が高速であったため、時間を要するビデオ信号の切り替え、シャッター、画像保存の機能を Visual C++ で開発し、ユーザーインターフェイス（GUI）を Visual Basic で行った。しかし、Visual C++ を使っても１画像の保存に５秒ほど要するため、全体で２０秒の画像取り込み時間となり、今後高速化を検討しなければならない。
３−３ ３次元形状解析プログラム開発
図１０にカメラで取り込んだ画像を示す。メッシュの靴下と計算の基準となるマーカーを貼っている。現段階の３次元形状解析プログラムは、開発途中であるが、試験的に撮影しプログラムで解析した結果、実寸値（被写体のｘ、ｙ、ｚ）とほぼ同じ値を示した。しかし、これは、得られた画像データの一部の解析結果であり、３次元データ（ＤＸＦ）への変換は、まだプログラム中である。また、カメラの解像度により、解析結果に多少の誤差が見られた。
４ 考
察
測定機の実用化に向けては、カメラの同時制御や、撮影した画像データの自動転送化など、まだ多くの課題が残されている。また、カメラの解像度により結果に差が生じ

図８

靴の裁縫

３−２ ３次元形状測定器
図９に開発した３次元形状測定器を示す。円形の中心に足を置くように設計し、デジタルスチルカメラ４台を９０度間隔に設定した。デジタルスチルカメラの画像はビデオキャプチャカードでパソコンへ取り込む。採用したデジタルスチルカメラは、ビデオ画像を出力することができるため、これをキャプチャーカードへの入力とした。撮影はデジタルスチルカメラのシャッターではなく、キャプチャカードの撮影機能を使うことで、カメラ４台の連続撮影を可能とした。採用したキャプチャー
カードはビデオ信号（チャンネル）の切り替えやシャッター、ビットマップ画像での保存がプログラムで実行で

図１０

カメラの取り込み画像（実行結果）

岩手県工業技術センター報告
ることから、安価にするためにも低解像度で品質が一定のデータが常に得られる必要もある。３次元形状計測器の試作を行ったが、これを製品化した場合のイメージデザインを行った。座って足の計測ができるように工夫されている。これを図１１に示す。３次元形状計測器は自動計測を目的として試作したが、スケーラーによる手作業の計測を簡単に行える装置を試作した。これによって、実測値を測ることができる。図１２は足の長さをワンタッチで計測できるスケーラ、図１３はハイヒールに対応してかかとの高さがある場合の計測器である。図１４は、足第７号（２０００）

慮するために必要である。デザインと機能性の両方を満たす設計は非常に重要なことである。図１５は、足底の計測器からの計測データを取り込んで３次元形状解析を行っている画像であり、図１６は側面の３次元データ元に木型のデザインを行っている画面である。

図１６５
図１１

図１２

製品のイメージ図

スケーラによる計測器

図１４

図１３

ハイヒール
用計測器

論

今後の展開としては、靴業界でこの様な測定機が利用される場合に、計測データのデータベース化（顧客情報の管理データベースなど）を進める必要がある。特に今後は電子商取引による販売流通形態が進展すると予想され、インターネットによる販売システムは、データベース連携が作業効率を左右する。図１７はデータベース連携システムの検討図である。また、医療の現場での利用の場
合、測定機の持ち運びが便利なように小型化することや、各業界や機関との連携を図っていく必要がある。

足底の計測器裏を撮影するための計測器である。鏡を４５度の角度で設置することで、カメラを水平方向に設定し、足底の画像データを取得することができる。足底を計測することは、心地よい靴・疲れにくい靴を作成するためには重要なデータと考える。足計測に関して、側面計測はデザインを行うために必要であり、足底計測は足に及ぼす影響を考

図１５

結木型の設計

足底の計測

図１７

データベース連携システム

文献1) 桜田幸嗣 , 田口景介:Visual C++5.0 プログラミング
入門 , アスキー , 1998
2) 横井与次郎:Visual C++5.0 パワープログラミング ,ソフトバンク ,1996
3) David J.kruglinski:Inside VisualC++ Version5,
アスキー ,1998
4) 林晴比古:新 Visual C++ 5.0 入門 , ソフトバンク ,1998
5) 石塚圭樹 , 横手靖彦:オブジェクト指向プログラミ
ング , アスキー ,1993