詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 36 号 (2008)

仮想彫刻システム
仮想彫刻システムのためのシステムのための彫刻材料のための彫刻材料の彫刻材料の位置測定法に位置測定法に関する研究する研究德永 修一*

中谷彰吾** 白田智大***A Method to Measure Position of sculpture Materialfor Virtual Sculpture System
Shuichi Tokunaga* Shougo Nakatani** and Tomohiro Shirata***

Synopsis
Many people who were born in the first baby boom period in Japan are facing themandatory retirement. It is called Year 2007 problem because there are a lot opf retirees fromenterprises in 2007. Making retirees' skills a manual is difficult. It is very important to handdown the skills and know-how from the retirees to the next generation.
The purpose of this paper is to describe a research on the continuation of sculpture skills
using a virtual workspace as an example of the traditional sculpture. We propose a method tomeasure position of the sculpture matarial during sculpture work by image processing techniquefor Virtual Sculpture System. This system can display the material of the sculpture in the virtual
work space based on the measurement result at the position of the material.

１．緒 言
第一次ベビーブームで生まれた世代の多くが一斉に定年退職を迎え，企業からの退職者が最も多く発生することから，この事態は２００７
年問題 1) と呼ばれている．特に製造業はマニュアル化しづらい職人的作業のような現場固有の技能が存在するため，ベテラン社員から若手社員への技能やノウハウの継承が難しいものとなっており，技能やノウハウの継承を迅速かつ円滑に行っていくことが課題となっている．そこ
で，さまざまな産業における技能の継承を工学的立場から支援することを目標として，技能のディジタル化およびコンピュータによるバーチャルリアリティ，つまり人間の感覚を擬似的に＊電子制御工学科
専攻科情報制御システム工学専攻＊＊＊
株式会社アジル・ラボ＊＊

作り出すことによって，技能者の作業工程の再現や本来はやり直すことができない作業の訓練を繰り返し行うことができるシステムを開発していくことが急務であると考える．
本研究では，技能者の高度な技能と知識の継承を支援するために，手に持った工具（道具）を用いた技能の継承について，具体的な作業対象として香川県の伝統工芸である讃岐彫り 2)工程を取り上げ，仮想現実感を取り入れた彫刻システムの開発を進めている．これまでの仮想の彫刻システムに関する研究としては，簡易的な入力装置を用いたデザインや彫刻作業の簡略化等を目的とした研究 3),4) が主に行われており，技能の継承を目的した研究が今後重要となると考える．これまでに彫刻作業中の彫刻刀についてその位置や把持力の測定手法 5), 6)を提案したが，本稿では画像処理技術を用いて彫刻作業中の材料の位置を測定する手法を提案する．

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２．仮想彫刻システム
仮想彫刻システムについてシステムについて本研究で目標としている仮想彫刻システムは彫刻作業において彫刻刀の使い方（力の入れ方や持ち方）のような見聞きしただけでは理解や習得が難しい技能の継承を支援することを目標にしている．そのためには技能者が経験によって得た彫刻刀や動かし方や材料の位置や方向を再現できる必要があると考える．本システムは図１に示すように，仮想の作業環境を表示する表示部，彫刻刀の位置，把持力および頭部の位置を測定する測定部，彫刻作業で受ける力覚を提示する力覚部，そして彫刻刀の動かし方の再現や把持力に関する技能データベースを用いた支援部の４つの部分で構成している．
表示部は，測定部から彫刻刀の変位，把持力，彫刻材料および頭部の位置情報を受け取り，仮想空間内での彫刻刀の位置，把持力，彫刻材料の位置が変化していく様子をディスプレイに表示する．支援部は彫刻刀の動きと彫刻材料の位置を彫刻技能データベースに登録した技能者の作業情報と比較し，技能者との違いを継承者に示すことで技能継承の支援を行うことを想定している．そのため，本システムを実現するには以下に示す７つの機能を実現する必要があると考える．
(1) 仮想作業空間の表示機能
仮想作業空間の表示機能は仮想の作業空間内において仮想の彫刻刀と材料を表示でき，彫刻作業を任意の角度から見せることができる機能である．また彫刻作業における各種の情報，すなわち彫り方や彫刻刀の把持力などを表示する．
作業者はこの仮想作業空間内に入り，仮想の彫刻刀と材料を使って彫刻技能の習得を行う．
(2) 頭部の位置の測定機能
頭部の位置測定機能は頭部の位置の変化を測定する機能で，その変化に従って仮想作業空間の表示を行うために必要である．
(3) 彫刻刀の位置の測定機能
彫刻刀位置の測定機能は彫刻刀の動き方を測定する機能で，作業者が彫刻している状態で彫刻刀の３次元座標を計算する．求めた３次元座標より表示機能を用いて仮想作業空間内に彫刻刀を表示する．
(4) 彫刻刀の把持力の測定機能
把持力の測定機能は彫刻刀を持つ手と彫刻刀の接触する部分に圧力センサを取り付け彫刻時の力の入れ方を測定する機能である．これより見ただけではわからない技能者の把持力を測定し，表示機能を用いて力の入れ方を表示する．
(5) 彫刻刀使用感覚（力覚フィードバック）の提示機能
力覚フィードバック機能は実際の材料を彫っている場合に相当する感覚を作業者に提示するための機能で，仮想空間内での彫刻刀の先端が仮想の材料に接触していると判断された時，彫刻刀の動きに制限を加えることで彫刻刀を使用している場合と同様な感覚の提示を行う．

支援部
作業情報測定値（ ディジタ ル化）

熟練者の技能力覚 情報⑦デー タベース

問い 合せ

ヘッドマウント⑤力覚の② 頭部の位 置の測 定①仮想作業空間の表示機能②頭部の位置測定機能③彫刻刀の位置の測定機能

ディスプレイ④彫刻刀の把持力の測定機能

生成⑤彫刻刀使用感覚の提示機能⑥材料位置の測定機能⑦彫刻作業の支援機能
①③④⑥

①③④⑥

測定

表示

測定部・力覚部

表示部・測定部

図 １ 仮想彫刻 シ ス テ ム

70詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 36 号 (2008)(6) 彫刻材料の位置の測定機能
彫刻材料の位置の測定機能は仮想空間内に仮想の材料を表示するために材料の位置を測定する機能で，通常の線の下側を彫った後に材料の上下を回転させて，線の上側を彫ることによって断面を V 字型に彫刻する場合や任意の方向に彫刻する場合に材料の位置を測定する．
(7) 彫刻作業の支援機能
技能者の彫刻作業を空間位置センサおよび圧力センサにより測定したディジタル情報を彫刻作業のデータベースに登録する．作業者の必要に応じて作業の再現や作業情報の表示を行うことで技能習得の支援を行う．
本稿では，(1)仮想作業空間の表示機能および(6)彫刻材料の位置の測定機能について述べる．

３．仮想作業空間の仮想作業空間の表示機能
仮想作業空間は仮想の作業台や彫刻刀，材料などの品物を３Ｄコンピュータグラフィックスによって描画することで仮想空間内での作業の様子を作業者に伝えるとともに彫刻刀の位置の測定と彫刻刀の把持力の測定より得られた彫刻刀の空間位置，彫刻刀にかかる圧力に関する情報，彫刻材料の位置をディスプレイ上に表示する．彫刻作業を行う仮想作業空間は図２に示すような３次元座標空間（X, Y, Z）において縦・横・奥行きを，それぞれ，409.6 × 409.6 ×409.6 ㎜の空間として設定し，実空間における長さ 409.6 ㎜を 4096 ドット（0.1 ㎜を 1 ドット）で表示可能な仮想の作業空間を構築する．
プログラム開発環境は３Ｄ表示に OpenGL を用いた C 言語である．の上下および左右が判別できるように 30 ×30mm の赤色と緑色の正方形の用紙を緑色を上として対角線上に貼り付ける．この材料を図４に示すように垂直から 30 °の角度に設置した
CCD カラーカメラ（CIT-761，三菱電機）を用

Y
4096
彫刻刀

Z4096

4096

X

図２ 仮想作業空間の設定

図３ 彫刻材料

４．彫刻材料の彫刻材料の位置の位置の測定機能提案する測定手法は，仮想空間内の作業台の平面上で彫刻作業を行う場合を仮定し，作業中の材料をカメラを用いて撮影する．撮影した映像から材料に貼り付けたマーカを抽出し，その情報から作業台の平面上の材料の位置と傾きを測定する方法である．以下，本手法による計測手順を示す．
4.1 画像入力
長方形の彫刻材料（縦 210mm，横 300mm，厚さ 10mm）は色情報を用いて処理するために，
図３に示すように材料の表面は水色とし，材料

図４ システム構成図

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4.2 ２値化処理
入力画像から彫刻材料の領域を抽出するために２値化処理を用いる．入力画像の平面をｕｖ
平面で表し，青色の成分の画像を Ib(u， v)(0≦ u ≦ 319，0 ≦ v ≦ 239)とする。青色成分画像 Ib(u， v)から式(1)を用いて，図６に示すような２値化処理画像 b(u， v)を求める．ここで定数 t は２値化処理を行うしきい値である．
255 ｜ Ib(u,v)≧ tb(u,v)=(1)
0 ｜ Ib(u,v)＜ t
0 ≦ u ≦ 319，0 ≦ v ≦ 239

図５ 入力画像

4.3 微分処理
彫刻材料の領域を抽出した２値化処理画像b(u， v)から彫刻材料の周囲（エッジ部分）を抽出するために画像の微分処理 7) を用いる。２値化処理画像 b(u， v)から式(2)を用いて図７に示すような彫刻材料のエッジ部分を抽出した微分処理画像ｄ(u， v)を求める．

Δ xe(u,v)=b(u+1， v)－ b(u,v)Δ ye(u,v)=b(u， v+1)－ b(u,v)
ｄ(u,v)=(Δ xe(u,v)2+Δ ye(u,v)2 )1/2

(2)

0 ≦ u ≦ 318，0 ≦ v ≦ 238

図６ ２値化処理画像

4.4 直線成分の抽出
彫刻材料のエッジ部分を示す微分処理画像ｄ(u， v)から彫刻材料の傾きを求めるために図７に示すエッジ部分の直線成分(画素値が 255 の場合)についてハフ変換 8) を用いる．図８に示すようなｕｖ平面からρθ平面への変換処理を式(3)を用いて行う．
ρ= u・ cos θ + v・ sin θ4.5

図７ 微分処理画像
いて撮影し，その画像を画像入力ボード（FLX-PCI， フォトロン）を用いて図５に示すような横軸方向に 320 画素，縦軸方向に 240 画素，個々の画素は赤，青，緑の色成分毎に８ビットの入力画像としてパソコンに録画する．

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(3)

材料位置の計算
ｕｖ平面上のハフ変換されたエッジ部分の個々の点の曲線がρθ平面で一番多く交差する点の極大値を求め，その点をα(ρ α ，θ α )とす
る．次に多く交差する極大値を求め，その点をβ(ρ β ，θ β )とする．ρθ平面上の２点よりハフ逆変換を用いて図９に示すようにｕｖ平面上の彫刻材料の角の位置（ uc1， vc1）を式(4)，(5)より求める．

詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 36 号 (2008)uc1 =ρ β sin θα − ρα sin θ βsin( θα − θ β )

(4)

vc1 =

ρ β cos θα − ρα cos θ βcos( θα − θ β )(5)

彫刻材料の上下については角の位置（ uc1，vc1）の周辺の領域の画素値に（uc1 －n ≦ u ≦uc1＋n，vc1－n ≦ v ≦ vc1＋n）に赤色または緑色の領域の存在を調べることにより判定する．
ここで，赤色または緑色の領域はｕｖ平面上の大きさが約 10 × 10 画素であるので n=10 を用いる．
ｕｖ平面上の彫刻材料の角の座標(uc1， vc1)
から作業台平面上の３次元位置(Mx1， My1，Mz1)を式(6)，(7)，(8)により求める．
Mx1=(120 － uc1)×(3/2)1 2
My1=10Mz1=uc1 － 160(6)(7)(8)/

作業台平面上における彫刻材料の傾きθ M を式(9)により求める．

θM ＝－(θα－ 90）
cos30 °

(9)

５．適用例
彫刻作業を撮影した映像を入力画像として２値化処理画像，微分処理画像を式(1)，(2)を用いて求め，直線成分の抽出処理を式(3)から(5)を用いて行った．ここで，しきい値は t=180 を用いた．これより，ｕｖ平面上で 0.1 秒毎の彫刻材料の角の座標と傾きを求めた結果を図１０に示した。彫刻材料の最初の位置をｕｖ平面における角の座標(66,122)および傾きθα =91 °,θβ=8 °を求め，その結果を図１１に示した．

図８ ハフ変換処理

ρβ=

θβ+

角度mm

θβ

350

350
ｘｃ１
ｙｃ１
θα300

ρα=

θα+

θα

300
250

200

200

150

150

100

100

50

5000

1 2

3 4 56 7傾き( 1, 1)

座標値

2500
8 9 10 11 12 13 14 15 秒

時間

図９ 直線成分の抽出

図１０ 彫刻材料の位置と傾きの測定結果
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THE BULLETIN OF TAKUMA NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY No.36 (2008)参考文献

θβ = 8°(66,122)θα = 91°

図１１ 彫刻材料の測定結果

図１２ 彫刻材料の仮想作業空間への表示

このとき，式(6)，(7)，(8)より作業台平面上の彫刻材料の位置(-2,10,-94)および式(9)より彫刻材料の傾きθM =-1.15 °を求め，図１２に示すように彫刻材料を仮想空間内に表示できる仮想作業空間の表示機能を実現した。

６．まとめ
彫刻材料の位置の測定機能を実現するために画像処理技術を用いて彫刻材料の位置の計測をする手法を提案し，彫刻作業中の材料位置の測定実験を行った．その結果，作業中の被験者の手とともに録画した入力画像から被験者の手の領域と彫刻材料の領域を区別し，彫刻材料の位置を測定することができた．今後の課題は，実時間の入力画像から彫刻作業中の材料の位置を連続して測定できるようにし，仮想彫刻システ
ムに必要な頭部の位置の測定，彫刻刀使用感覚の提示，彫刻作業の支援などの機能を実現することである．

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1) 経済産業省，厚生労働省，文部科学省，2005 年版ものづくり白書（製造基盤白書），
p.202-221
2) 小林大吾，水野慎士，岡田稔，鳥脇純一郎，山本眞司，筆圧に基づく操作の強さを考慮した
仮想彫刻・版画システム，情報処理学会インタ
ラクション 2005, pp.43-44, 2005.
3) 岡田稔，水野慎士，鳥脇純一郎，モデル駆動による仮想彫刻と仮想版画，芸術科学学会論
文誌，Vol.1 No.2 pp.74-84.
4) 住谷晃一郎, 讃岐漆芸-工芸王国の系譜, エー ア ン ド エ ー ・ コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン ズ，
pp.100-101，2005
5) Shuichi Tokunaga ,Yoshiomi Munesawa andHirokazu Osaki， A Study on Handling of Graverin Sanukibori， Proceedings of the EighthInternational Conference on Industrial Management,
pp.326-331， 2006
6) 徳永修一，白田智大，仮想彫刻システムのための空間位置センサーの試作，詫間電波工業
高等専門学校研究紀要第 35 号,pp.61-66，2007
7) 酒井幸市，ディジタル画像処理入門，ＣＱ
出版社，pp.54-55, 20028) 安居院猛，長尾智晴，Ｃ言語による画像処理入門，昭晃堂，pp64-65