詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 35 号 (2007)

仮想彫刻システムのための空間位置センサーの試作
德永 修一*

白田智大**Development of a Spatial Position Sensor for Virtual Sculpture SystemShuichi Tokunaga* and Tomohiro Shirata**

Synopsis
Traditional craft goods industry has the longest history in Japan. The traditional craft goods
are related to the development of the life culture of Japan as general merchandise over manyyears. It is important for defending a cultural property of Japan to succeed to the traditional craft
goods industry to the future life. However, the number of successors decreases decreasing in theamount of the work in the traditional craft that has been esteemed for a long time. Moreover,passing on the skill of the traditional craft to future generations as the expert ages will become
difficult more and more in the future.
In this paper, a spatial positional sensor that measures the movement of the graver isdeveloped and evaluated for the virtual sculpture system that supports the legend of the sculpture
technology of Sanukibori that is one of the traditional crafts.

１．緒 言
伝統的工芸品産業は，日本において最も長い歴史のある産業であり，伝統的工芸品は生活用品として長年にわたって日本の生活文化の発展に関わってきている．その中でも漆 器 は ， 英 語 で 『 ジ ャ パン』とも呼ばれ，日本が世界に誇る，優れた工芸品である．今後，伝統的工芸品産業を末代まで大切に継承していくことが日本の貴重な文化的財産を守る上で重要である[1]．しかし，古くから尊重され，受け継がれてきた伝統的工芸は，近年，製造品出荷額等と従業者数の推移（図１）からその仕事の量の減少にともない従業者（後継者）の数が減少している[2]．技能の伝承を円滑に行う為には，彫刻刀など，道具の使い方の指導や数多くの訓練，練習の積み重ねが必要である．また，熟練者の高齢化に伴い，その技能を後世に伝えることが今後ますます難しくなってきている．熟練者が経験より得た道具の扱い＊＊＊

電子制御工学科
専攻科情報制御システム工学専攻

方は力の入れ方など言葉や見ただけでは説明することが難しい．そこで，伝統工芸品の制作過程をディジタル化[3]することで伝統技術を保存することや後継者への技能伝承の支援を行うことが重要である．本研究では，伝統工芸の１つである讃岐彫り[4]の彫刻技術の伝承を円滑に行う一つの方法として，図２に示すような技能者の道具（彫刻刀）の使い方の教示や彫刻刀の練習を行うことができる仮想彫刻システムを考える．本システムは，技能者が経験により得た彫刻刀の扱い方等，製作過程をディジタル化した内容をヘッドマウントディスプレイ上に再現するとともに彫刻刀への力の入れ方[5]などを熟練者と比べることで，見聞きするだけでは理解や修得が難しい技能伝承を支援することが目的である．本研究では，仮想彫刻システムに必要な彫刻刀の動きを測定するための空間位置センサーを試作[6]し，その評価を行う．

２．空間位置センサーについて
空間位置センサーは，図３に示すようにフレ

61

THE BULLETIN OF TAKUMA NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY No.35 (2007)

（億円）
1,600

（人）
16,00014,0001,400
製造品出荷額等
従業者数(人)

1,200
1,000

12,00010,000

800

8,000

600

6,000

400

4,000

200

2,0000085 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 年度
図１ 製造品出荷額等と従業者数の推移

熟練者の技能データベース
ヘッドマウント
ディスプレイ

ワイヤー1 ワイヤー4
ワイヤー3
ワイヤー6
彫刻刀
おもり
おもり
カメラ1 ガイド
ガイド カメラ2

彫刻刀位置の測定

ワイヤー2
ワイヤー

ワイヤー5

仮想作業空間の表示

ワイヤー

図２

仮想彫刻システムーム，彫刻刀，ワイヤー，おもり，おもりガイド，２台のカメラで構成される．フレームの大きさは，L 型断面(30mm × 30mm)フレームを用い，縦 900mm，横 900mm，奥行き 450mm である．
直径 0.27mm のワイヤー６本で彫刻刀と黄色に着色した６個のおもり（約 11.3 ｇ）を結んでいる．これにより，各ワイヤーに張力を持たせている．ワイヤー 1,2,3 は彫刻刀先端と，ワイヤー 4,5,6 は彫刻刀後端と結んでいる．ワイヤ
ーの最終端にそれぞれおもり 1 から 6 を取り付けている．このとき，おもり 1,2,3 とおもり
4,5,6 は，それぞれおもりガイドの中を移動する．ワイヤーの長さはそれぞれ一定であり，彫刻刀を動かすことによりおもりの位置が変化する．おもり 1,2,3 の位置はカメラ 1 で，おもり4,5,6 の位置はカメラ 2 で撮影する．おもりの位置の変化を空間位置センサーとして利用する．
おもりの位置の測定は動画像処理を用いて行う
が，おもりガイドの平面上をおもりが移動する

62

図３

システム構成図

ため，立体的な画像計測に比べ平面上の計測を行うことから精度良くおもりの位置を測定できると考える．カメラ 1,2 で撮影した動画像から測定したおもりの変位から彫刻刀の３次元座標を求める．以下にその手順を示す．
2.1 おもりの動画像入力
カメラで撮影した彫刻刀を動かしたときのおもりの動きは画像入力ボード（FLX-PCI，フォトロン）を介して赤，青，緑のそれぞれの成分毎に 8 ビットの解像度のディジタルデータとしてパソコンに 1/30 秒単位の動画像として入力される．図４，５に示すように入力された画像
は，横軸方向に 240 画素，縦軸方向に 320 画素，個々の画素値は，0 から 255 のディジタル値で示される．１画素の大きさは縦横ともに p とし，カメラからの画像データを 0 ≦ R(i,j,t)≦ 255, 0 ≦G(i,j,t)≦ 255, 0 ≦ B(i,j,t)≦ 255, (0 ≦ i ≦ 239, 0 ≦ j ≦319,t:入力時間)とする．

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H=160°
黄色の領域
H=180°(a)基準入力画像 (b)彫刻刀を動かした画像
図４ おもり1,2,3の入力画像

S=0.5
0.5

図７ 黄色領域の抽出

L(i,j,t)= 0.299･R(i,j,t)+0.587･G(i,j,t)+0.114･B(i,j,t)
(1)
()
()
Ri,j,tLi,j,tH(i,j,t)= tan-1(2)
B(i,j,t)-L(i,j,t)S(i,j,t)=((R(i,j,t)-L(i,j,t))2+(B(i,j,t)-L(i,j,t))2)1/2 (3)色相 H と彩度 S を用いて図７に示すように黄色領域 E(i,j,t)を式(4)を用いて抽出する．

(a)基準入力画像 (b)彫刻刀を動かした画像
図５ おもり4,5,6の入力画像

白1 ｜ 160 °≦ H(i,j,t)≦ 180 °E(i,j,t)=and S(i,j,t)>0.5(4)
0 ｜ H(i,j,t)<160 °or 180 °<H(i,j,t)
基準画像のおもりの位置におけるワイヤー 1から 6 の長さを BWLk,(1 ≦ k ≦ 6）とするとき，
図８，９に示すように時間 t のときの抽出した
黄色領域の重心位置の変位量からワイヤー 1 か
ら 6 の長さ WLk(t),(1 ≦ k ≦ 6）を式(5)により求める．
ex(k) ey(k)ΣWLk(t)=BWLk -Σ E(i,j,t)･ j

i=sx(k) j=sy(k)ex(k) ey(k)ΣΣE(i,j,t)i=sx(k) j=sy(k)黒図６ ＨＬＳ色空間

2.2 おもりの領域抽出とその重心位置
おもりガイド上を移動するおもりを撮影した画像データからおもりの黄色の領域を抽出する．
黄色の領域の抽出は，画像データをＲＧＢ色空間から図６に示すＨＬＳ色空間にへの変換[7]は式(1),(2),(3)で与えられる．

･p,(5)(1 ≦ k ≦ 6)

ここで領域(sx(k),sy(k)),(ex(k),ey(k)),(1 ≦k ≦ 6）はおもりの動く範囲より与える．
2.3 彫刻刀の３次元座標の計算
彫刻刀の先後端の３次元座標は図１０に示す
ように A から F の位置からのワイヤーの長さで決定できる．式(5)により求めたワイヤーの長さ よ り 彫 刻 刀 の 先 端 の ３ 次 元 座 標 (tx(t),ty(t),tz(t))は 式(6),(7),(8)で 与えられ，彫刻
刀の後端の３次元座標(ex(t),ey(t),ez(t))は 式

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D(L1,L2,L3)

A(L1,L2,-L3)

おもり２

E(-L1,L2,L3)

B(-L1,L2,-L3)

L2

変位量２

変位量３

変位量１

ワイヤー1
長さw1

ワイヤー4
長さw4

ワイヤー2
長さw2

ワイヤー5
長さw5

おもり３
おもり１
彫刻刀先端

彫刻刀後端(0,0,65)z(0,0,-65)

L2

ワイヤー6
長さw6(a)基準入力画像 (b)彫刻刀を動かした画像x
図８ おもり1,2,3の領域抽出結果

ワイヤー3
長さw3
L1C(0,-L2,-L3)
L1

L3

F(0,-L2,L3)

L3

図１０ ３次元空間における彫刻刀の座標

おもり５
変位量５y
変位量４

変位量６

おもり４

上50ｍｍ

おもり６後50ｍｍ
彫刻刀先端(a)基準入力画像 (b)彫刻刀を動かした画像
図９ おもり4,5,6の領域抽出結果

右50ｍｍ z

左50ｍｍ

前50ｍｍ

x(9),(10),(11)で与えられる．
2

彫刻刀後端

下50ｍｍ

図１１ 彫刻刀の移動方向2(6)ty(t)=(2WL3(t) -WL1(t) -WL2(t) -2L1 )/8L2 (7)2
22 1/ 2tz(t)=(WL3(t) -tx(t) -(ty(t)+L2) ) -L2(8)tx(t)=(WL2(t) -WL1(t) )/4L1222

彫刻刀

250mm

40°
22(9)ex(t)=(WL5 -WL4 )/4L12222ey(t)=(2WL6(t) -WL4(t) -WL5(t) -2L1 )/8L2 (10)222 1/2ez(t)=(WL6(t) -ex(t) -(ey(t)+L2) ) +L2(11)３．実験方法３次元空間における彫刻刀の座標の測定を次の二通りの方法で行う．まず，装置の中心位置に彫刻刀を置いた状態で行う．彫刻刀先端と後端の座標は，それぞれ，(0,0,-65),(0,0,65)とする．図１１に示すように装置の中心位置から左,右,上,前,後,下の順に６方向にそれぞれ 50ｍｍずつ平行移動する場合について，おもり 16450mm

図１２ 彫刻刀の回転移動方向から 6 の位置を動画像処理により 1/30 秒単位で抽出し，おもりの変位からワイヤー 1 から 6の長さを求め，彫刻刀の先端および後端の３次元座標を求める．次に，彫刻刀を装置の中心位置に水平方向に対して 40 度の角度で固定し，図１２に示すように水平方向と垂直方向にそれぞれ直径 50mm の円形に移動させ場合について，おもりの変位から彫刻刀の先端および後端の３次元座標を求める．

詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 35 号 (2007)からワイヤーの長さを決定し，彫刻刀先端と後端の３次元空間座標を計算した結果を図１５，１６に示した．これより指定した６方向へ彫刻刀を移動した場合について 1/30 秒単位で連続的に彫刻刀の前後端の３次元空間座標を求める

４．実験結果装置の中心位置から彫刻刀を前後左右上下の６方向への移動した場合のおもりの変位を求めた結果を図１３，１４に示した．おもりの変位
dot10050d1d2d350mm0txtytz00330660990132016501/30s-50-50-100-100

121

図１３ おもり1,2,3の変位の測定結果
1006181101

1211411/30s

図１７ 彫刻刀先端座標（水平）

dot
100

d4d5d650

41mm

50exeyez

00330660

990

1320

1650

1/30s

-500-50-1001

図１４15021

おもり4,5,6の変位の測定結果

61

81101

121

1/30s

141 1/30s

図１８ 彫刻刀後端座標（水平）

mm

mm

tx
tytz

100

41

100

50

500tx
tytz

00330

660

990

1320

1650

-50

1/30s

-50-100-100-150

1

図１５15021

彫刻刀の先端座標の測定結果

4161

81101

1211411/30s

図１９ 彫刻刀先端座標（垂直）mmmm
exeyez100150100500exeyez

500330660990

1320-50

1650

1/30s

0-100-50-1501

図１６ 彫刻刀後端の座標の測定結果

21416181101121141 1/30s

図２０ 彫刻刀後端座標（垂直）65

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ことができた．
水平方向と垂直方向に，それぞれ，彫刻刀を円形に移動させた場合について，彫刻刀先端と後端の３次元空間座標を計算した結果を，それぞれ，図１７，１８と図１９，２０に示した．
これより，水平方向に移動させた場合の先端の座 標 の 変 位 は 48.6mm， 後 端 の 座 標 の 変 位 は52.1mm で，それぞれ-1.4mm，2.1mm であった．
また，垂直方向に移動させた場合の先端の座標の変位は 51.6mm，後端の座標の変位は 50.3mmと測定でき，それぞれ 1.6mm，0.3mm の誤差で測定することができた．
５．まとめ
本研究では，彫刻刀の空間位置を測定するためにワイヤーによる空間位置センサーを試作した．本装置を用いて彫刻刀を動かした場合のおもりの位置を動画像処理により抽出し，３次元空間内の彫刻刀の位置を連続的に非接触で求めることができた．
今後の課題は，彫刻刀を介して作業者に力覚提示を行うためにワイヤーをつまむことや引張ることができる機構と仮想作業空間の表示を行う機能の追加により，仮想彫刻システムを開発して技能の伝承に利用することである．
参考文献[1] 経済産業省伝統的工芸品産業審議会，２１
世紀の伝統的工芸品産業施策のあり方について－ 新たな生活文化の創造に向けて －，p.5，
2000[2] 経済産業省工業統計調査，工業統計ライブ
ラ リ従 業 員 4 人 以 上 の 事 業 所， 産 業 コー ド3461，漆器製造業，従業者数[3] 藤本英雄，デジタル化による動きを伴う伝統技能の保存、伝承，文化資源の保存、活用及び創造を支える科学技術の振興－科学技術・学術審議会資源調 査分科会報告書，pp.54-69，
2006[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 Graver
in Sanukibori , Proceedings of the EighthInternational Conference on Industrial Management,

66

pp.326-331, 2006
[6] 白田智大，德永修一，仮想彫刻システムのためのワイヤーによる空間位置センサーの試作,
電気関係学会四国支部連合大会講演論文集，
p.54，2006[7] 酒井幸市，ディジタル画像処理入門，ＣＱ出版社，pp.103-105, 2002