熟練者と学習者の視点を統合するスキル動作提示手法の提案
西野友泰†

曽我真人‡

瀧寛和‡

スキル学習支援の分野において，モーションキャプチャシステムによって熟練者の全身のモーションデータを取得し，学習者に提示することは既に行われており，有用性も認められている．しかし学習者によっては全身像の提示だけでは実際のスキル動作を上手くイメージ出来ない場合も考えられる．そこで熟練者自身の視点から熟練者自身の身体部位がどのように見えているかを学習者が体験できるような情報提示を提案する．この新しい情報提示と従来の全身の情報提示を組み合わせれば，今後よりよい学習支援環境の構築に利用できると期待している．

The Skill Motion Presentation TechniqueIntegrating Expert’s Viewpoint with Learner’s Viewpoint
TOMOYASU NISHINO†MASATO SOGA‡HIROKAZU TAKI‡

In the research field of the skill-learning support, it has been accepted as a useful method to support thelearners by showing the expert’s motion data gotten by motion capture system. However, we think it is difficult
for some learners to image real skill motion only by referring the expert’s whole body motion. As a solution we
propose a new method of presentation such that a learner can experience how an expert sees his/her body parts
from his/her viewpoint. We will be able to develop a better learning support environment by using this method.

1.

者自身の動作を知ることができれば，スキルの全体像はじめにと組み合わせる事により自分自身の身体をどのようにスキル学習の初期段階において，学習者に視覚情報動かせばよいかイメージしやすくなると考えた．この1)を与えると効果的に学習できることが知られている ．

伝達方法を実現するために我々は熟練者の視点から熟また，身体情報を取得するためのセンサ機器やモーシ

練者自身の身体部位がどのように見えているかを学習ョンキャプチャシステムの小型化，精度向上によりス者が体感できるように情報提示する方法を提案する．

キル学習支援に活用するための研究が各方面で進めら

具体的には，熟練者のスキルデータと，学習者の視線れている．具体的には熟練者のスキルデータをセンサ方向を利用して視野内に含まれるスキルデータを提示機器によって取得し，学習者に熟練者のスキルデータする．

を提示して学習させる形のものなどがある．提示する提案手法と従来の全身の情報提示を組み合わせ，取スキルデータには様々な種類があるが 2)，モーション得したスキルデータを利用すればよりよい学習支援環

キャプチャシステム等により取得した熟練者の全身の境の構築につながると期待している．また我々は，有モーションデータを単独で利用する場合

3)4)と，他の用性を検証するために，書道を対象動作として現在学

センサ機器で取得したデータとモーションデータを併

習支援システムの構築を進めている．今回は提案手法用する場合 5)6)が多い．そしてどちらの場合もモーシのシステム概要と，今後の方針について記述する．

ョンデータは全身の情報を提示している．全身のモーションデータを提示することは学習者にとってスキルの全体像をとらえやすく，スキル学習において有効な手段の一つである．
しかし，学習者によっては全身のモーションデータだけでは，実際行われているスキル動作を上手くイメージ出来ないこともある．そこで熟練者から見た熟練† 和歌山大学大学院

システム工学研究科

Wakayama University Graduate School of Systems Engineering‡ 和歌山大学

システム工学部

Wakayama University Faculty of Systems Engineering

2.

試作システムについて提案する情報提示を実現するために試作システムを作成した．本章では試作システムの構成と提案する情報提示の実現方法を試作システムで行っている手順に沿って説明する．
2.1

システムの構成

試作システムは，計算機本体，没入型 HMD，小型ビデオカメラ，3 次元小型方向センサ，モーションキャプチャシステムから構成される(図 1)．小型ビデオ

情報処理学会 インタラクション 2011

カメラと HMD を組み合わせて使用する(図 1)ことに(2)学習者の体格に熟練者データを調整より，ビデオシースルー型の HMD として利用してい(1)で取得したデータを利用して学習者の体格で熟る．また，モーションキャプチャシステムは事前に熟練者が同じ動作を行った場合のデータを作成する．こ練者のスキル動作データとシステム利用者の腕の長さ

れは，学習者自身の体格で行われた動作を見て学習すなどの身体データを取得するために利用する．これら

る方が，理想の動作をイメージしやすいと考えたためのデータ形式は，様々な商用３D キャラクタアニメーである．しかし，対象とするスキルによっては体格差ションソフトでもサポートされている BVH ファイルによって大きく動作の異なる場合もある．そして，熟と呼ばれるモーションキャプチャデータファイルフォ練者の動作をそのまま提示したいという状況も想定さーマットを利用する．

れる．これらの場合は，熟練者のデータを学習者の体格に調整せず，そのまま熟練者のデータを利用してもよい．
今回行った BVH ファイルを利用した体格の調整について述べる．BVH ファイルはテキスト形式で記述されており，HIERARCHY 部と MOTION 部の 2 部構成になっている(図 2)．

図2 簡単な BVH ファイル

HIERARCHY 部には ROOT ノードを基準点とした階層構造が記述されており，各ノードの静止姿勢は親ノードからのオフセットという形で記述されている．
このオフセットの大きさはボーンの長さに等しく，言い換えれば関節間の長さである．またフレーム毎の姿
勢はこのオフセットを MOTION 部に記述されている各ノードの回転角と組み合わせることで表現されてい図1 システム構成図

2.2

システムフロー(1)熟練者のフォームと学習者の体格を取得(2)学習者の体格に熟練者データを調整(3)学習者の視線ベクトルを導出(4)学習者の頭部の位置を導出(5)視線ベクトルと奥行きベクトルを一致させる(6)HMD に学習者視点からの熟練者動作の表示
上記の手順の各段階について以下に詳しく述べる．
(1)熟練者のフォームと学習者の体格を取得
モーションキャプチャシステムを利用しそれぞれのデータを取得する．学習者のデータも取得するのは，同じシステムを利用することで熟練者と同じ形式の体格データを取得するためである．

るため，オフセットの値自体はフレーム毎に変化しない．つまりオフセットを書き換えれば関節の長さを調整したデータを作成することが出来る．
こ の 性 質 を 利 用 し 熟 練 者 の BVH フ ァ イ ル のMOTION 部と学習者の BVH ファイルの HIERARCHY部を組み合わせた新たな BVH ファイルを作成することで体格を調整したモーションデータを作成することが出来る．
(3)学習者の視線ベクトルを導出
熟練者の視点から熟練者自身の身体部位がどのように見えるか学習者が体感するためには，学習者の視線ベクトルを計算する必要がある．そこで(2)で作成した BVH ファイルと学習者の頭部に取り付けた 3 次元
小型方向センサのデータから視線ベクトルを計算する．

AR を利用した学習者視点でのスキル動作提示手法の提案
今回眼球の方向は取得していないため，眼球の向きはじ角度だけ回転させる(図 4)．

考慮せず，HMD の画面の中心方向を見ているベクトルを視線ベクトルの近似値として利用している．また視線ベクトルは首から頭に向かうベクトルに垂直方向のベクトルとしている．
今回使用した BVH ファイルは腰に相当するノードを ROOT ノードとしている．そこで ROOT ノードとその子ノードである両足の付け根に相当するノードで構成されるベクトルの外積を利用して身体の正面方向のベクトルを求める．そしてこのベクトルを首の位置に相当するノードまで ROOT ノードから順に各関節における回転を考慮して移動させ，首の位置での回転角に 3 次元小型方向センサで取得した回転角を利用して視線ベクトルを求める．

図4 視線ベクトルと奥行きベクトル

よって，視野空間内に含まれるボーンが熟練者が見ている熟練者自身の動作を表現したものとなる(図 5)．

(4)視線ベクトルと奥行きベクトルを一致させる
まず，今回作成したシステムのモーションデータを表示する仮想空間の構成について説明する．仮想空間
内には小型カメラ映像を表示するスクリーンとモーションデータを利用したボーンアニメーションを作成し配置した．仮想空間は立体感を表現するため，透視投影を行って描画する．透視投影を行う際のクリッピン
グ空間におけるニア・クリッピング面は視点に十分近い位置を設定し，ファー・クリッピング面は視点から十分離れた位置に設定した．また，作成したスクリー
ンはファー・クリッピング面付近に配置し(図 3)，そ図5 仮想空間のイメージの位置でスクリーンが欠ける事なく描画できる最大の大きさに設定した．これによりカメラ画像にボーンア(5)HMD に学習者視点からの熟練者動作の表示ニメーションを重畳表示させることを実現している．

最後にこの視野空間内の映像をクリッピン グしボーンアニメーションは頭部が仮想空間の視点と一致

HMD に表示させることで学習者に熟練者が見ているするように配置する．

熟練者自身の身体部位を提示することが可能となる(図 6)．

図3 クリッピング面とスクリーンの配置

試作システムでは仮想空間内の視点からスクリーンの中心に向かうベクトルは常に仮想空間内の奥行きベ
図6 試作システム画面クトルと一致するようにスクリーンを配置している．
そこで奥行きベクトルと視線ベクトルが一致させるた

2.3

めに 2 つのベクトルのなす角を求め，視線ベクトルを試作システムでは，学習者は提示された熟練者の身回転させる．この時同時にボーンアニメーションも同体部位を表すボーンを見て，熟練者スキルを認識し，補助機能

情報処理学会 インタラクション 2011

学習者自身の身体部位がそのボーンに重なるように動かすことでスキル学習を行うことを想定している．そのため素早い動作や複雑な動作の場合，学習者の習熟度によってボーンアニメーションの再生速度を変化させる必要がある．そこで試作システムの補助機能としてスロー再生機能を実装した．
2.4

試作システムを利用した本人動作比較

試作システムは，任意の BVH ファイルを読み込んで演算を行うため，体格を調整した熟練者のモーションデータ以外でも演算をおこなうことができる．この特徴を利用して，熟練者の視点から熟練者自身の身体部位がどのように見えているかを学習者が体感する以外にも，学習者自身のモーションデータを利用することで学習者の現在と過去のスキルを学習者自身で比較することも可能である．

3.

提案手法の有用性検証

提案手法の有用性検証のために，書道を対象スキルに設定し，現在検証用システムを作成している．書道を対象スキルに設定した理由は以下の通りである．


必ず視界に自分自身の腕(手先)が入る．



3 次元の動作である．



動作速度が速すぎず，適度である．

検証実験では，今回提案した情報提示手法と従来の全身のモーションデータを提示する手法を併用する場
合と，どちらか片方のみを利用する場合において，学習者にどのような差異が現れるか検証する予定である．

4.

まとめと今後の課題

よりよい学習支援環境構築のために熟練者の視点から熟練者自身の身体部位がどのように見えているかを学習者が体感できるように情報提示するという方法を考え，試作システムを作成した．今回作成した試作システムでは，視野空間内にボーンが含まれない時，小型カメラの映像しか表示されないという欠点がある．
しかし，従来から行われている全身像の動作情報提示と併用することによって学習者自身でスキルの全体像を把握し，正しい認識でスキル動作をとらえる事が出来ると考えられる．今後検証実験を行い提案手法の有用性を検証するとともに，提案手法を取り入れた学習支援環境の構築に取り組む．

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