株式会社ノビテック

動き を瞬時に 数値化 する
3次元リアルタイムモーション計測システム「VENUS3D（ヴィーナス3D）」
株式会社ノビテック 画像計測システム部／佐藤眞平
3次元動作分析において、ユーザが求める結果に柔軟に対応し、かつ高精度で簡易なシステムとしてVENUS3Dは現在、様々な用途で実績を重ねている。今回はVENUS3Dのユーザが求める動作の物理量を容易にかつ、瞬時に算出できる システムとしての独自性を中心に述べる。

1

VENUS3D概要

弊社の 3 次元リアルタイムモーション計測シス
テム「VENUS3D」
は光学式モーションキャプチャ置を測定するため、複数のマーカの同時計測が可能なこと、マーカが小型軽量かつワイヤレスであることから、人体の運動を制限せず、より詳細な動作解析が可能であるという利点による。

システムをベースにシステムを構築している。現在のモーションキャプチャは、機械式、光学式、1.1 光学式モーションキャプチャシステムの構成

磁気式など複数の方式により行われているが、そ光学式モーションキャプチャ方法に基づいた動の中で人体の運動解析には光学式が最も適してい作解析システムの構成を図 1 に示す。図 1 内の 1ると考えられる。その理由として、光学式では体は被検体であり、運動する人体を例にとりシステの各部位にマーカを貼付し、その位置を複数のカム全体の構成を示す。2 は被検体 1 の特徴点に貼付メラで撮影し、三角法と同じ原理で 3 次元的な位されたマーカであり、具体的には小型の赤外線反射マーカを使用する。3 はマーカ 2 を時系列的に撮影するカメラ（撮像装置）であり、被検体 1 の可動範囲を囲むよう被検体 1 の周囲に複数台設けている。各カメラ 3 には撮像素子（撮影部）3aと被検体 1 に光束を照射する照明装置 3b（図2）が装着されている。
3c はカメラ 3 に設けた撮影レンズである。
4 はカメラ 3 で得られた撮影画像を時系列的に受信し、複数のカメラ 3 より得られた受信情報より被検体 1 に貼付したマーカ2 の各時間（フレームごと）における 3 次元情報を演算し求める画像処理装置である。
5 は画像処理装置 4 で得られた被検体 1 のeizojoho industrial

November 2013︱1

■ 動きを視る「動作解析」

図1

図2

モーションキャプチャシステム概略図

LED 照明が搭載された専用カメラ（左）および座標取得原理（右）マーカ 2 に基づく特徴点の座標を表示する表示装るためには、複数台のカメラ 3 を撮影視野が重複置である。

するように配置する。これによって、「キャプチャ

カメラ 3 は三脚やクランプ等、カメラ間の関係ボリューム」と呼ばれるトラッキング可能な領域を保持し続けることができる治具に固定する。複を作成する。カメラは計測中に動かないようしっ

数のカメラは被検体 1 に関し、計測空間を中心にかりと固定し、カメラが動いてしまうことによるしてカメラ 3 間の角度が最低 15 度以上になるようキャリブレーションのやり直しを防止する。またに配置されている。また、各カメラからの視野中良好なキャリブレーションとトラッキング結果を心がほぼ同一になり、被検体 1 の移動に対して、カ得るために、すべてのカメラ 3 が同一平面上に配メラ 3 が水平に並ばないように配置されている。

置されないようにする。

被検体 1 に装着したマーカ 2 をトラッキングす2 ︱November 2013

カメラ 3 の撮像部 3aのセンサで受光した画像を

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用いて画像処理を行い被検体 1 に貼付したマーカ2 の座標を画像処理装置 4 で算出する。算出方法
は二値化した画像に対してラベリングを行うこと

1.2

計測ワークフロー

VENUS3Dを用いて動作計測を行う際のワークフローを以下に記述する。

でマーカ 2 の 3 次元空間内の座標を算出する。3 次
元座標を算出する方法は、エピポーラマッチングアルゴリズムを利用する。

Ａ）カメラ設置、配線（図3）
動作範囲を取り囲む形で 6〜20 台程度のカメラ

なお、照明装置 3b からの光束であって、マーカを配置する。前項に記述したカメラ配置の概要に2 からの反射光のみが撮像部 3aで検出されるよう従いカメラを設置する。すべてのカメラ配置は冶に撮像部 3a の光入射面には照明装置 3b から放射具への固定、ケーブルの結線等の作業を含めて 15される光束の分光特性に対応した光学フィルタが〜30 分程度で終了する。

装着されている。
Ｂ）キャリブレーション（図4）
3 次元座標算出に必要なカメラパラメータ算出を行う。オペレーションはキャリブレーションワンドといわれる構成された冶具を計測空間内のすべてを網羅するように振り回し、カメラでキャリブレーションワンドに実装された 3 点のマーカを認識させることにより行われる。上記の作業により、3 次元座標算出に必要な焦点距離係数、画像の角度係数、レンズの歪み係数等のカメラ内部パラメータと各カメラの空間における座標とカメラセンサの角度等の外部パラメータを自動的に算出することができる（図5）。また作業時間は 3 分程度となる。
図3

カメラ設置風景図 4 キャリブレーション風景（手に持っているのはキャリブレーションワンド）eizojoho industrial

図5

キャリブレーション画面

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■ 動きを視る「動作解析」

また VENUS3D は実験室のみでなく、屋外や水Ｃ）計測
A、B の計測前準備を経て、計測作業へ移行する。計測に必要な箇所にマーカを貼付し動作を行

中等、様々な環境で計測を行うことが可能である（図 6 、7）。

う。VENUS3D では、目的の計測に応じ、関節をはじめとした自由な個所にマーカを貼付するだけＤ）解析

でリアルタイムに様々な物理量を解析、表示を行

物理量の確認やフィードバックを行いながら進うことができる。これはVENUS3D独自のアルゴめた実験ログを用い、解析ソフトウェアにて、複リズムで光学式モーションキャプチャシステムに数試技の比較や実験中に注視を行わなかった物理て取得された 3 次元座標を解析することにより実量の確認等を行う。また、筋電計や心電計、フォー現されている。2013 年 10 月現在、リアルタイム

スプレート等の他の計測機器のデータを読み込み、で解析、表示することができる物理量を以下に記

複合的に解析を行う機能も有しており、かつ、動載する。

画も含めたレポートの出力も有している。

◇VENUS3Dによるリアルタイム解析項目一覧
座標値、速度、加速度、変位、積算移動距離、

2VENUS3Dの独自性

始点からの距離、2 点距離、2 点距離変化速度、VENUS3D の独自性として、次の 2 点を挙げる。

2 点距離変化加速度、3 点角度、角速度、角加速度、

Ａ：ユーザが求める動作の物理量を容易にかつ、変化速度、変化加速度、剛体中心座標、剛体 6 自リアルタイムに算出できること（図8）

由度、平面投影 2 直線角度、平面投影 3 点角度、

Ｂ：顔面や手指等の細やかで多関節の部位におけるリアルタイム解析を実現していること
（図9）

オイラー角

図6

屋外計測風景図7

水中計測風景4 ︱November 2013

図8

リアルタイム解析風景

図9

手指解析画面

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上記 B に関し、VENUS3D で実現したことによることが可能である。

り、咀嚼や嚥下のリアルタイム解析や神経伝達やフィードバック解析等、従来、動作分析システム
では踏み込むことができない領域に到達することができた。また、前述に加え弊社製品の独自の機能を紹介する。
◇VENUS3Dの特徴を生かした独自の機能＜機能 1 ＞リアルタイムグラフ（図10）
動作を行うと同時にグラフの描写を行うことができる。グラフには 3 次元座標より算出した物理

図 11

相対変位計測画面量を時系列的に表示するだけでなく、他の計測機器にて取得した値を用いてグラフを描写すること＜機能 3 ＞リアルタイムフィードバックができる。たとえば、以下のグラフをリアルタイ

グラフ描写時に定められた閾値を上回る（下回ムで表示することができるため、運動特性の掌握る）とグラフ表示方法を変更する機能があり、被験がより瞬時に行うことが可能になる。

者の歩行速度を一定に保持する事等の実験の目的• 関節位置の移動分散に応じた変更・修正指示を行いながら実験を進め• 関節の高さに対する速度ることが可能である。また、計測データを用い他• 関節角度に対する筋電計の値の計測機器との連携を行うことも可能である。

• 歩行速度に対する各関節の位置＜機能 4 ＞小関節の 3 次元角度計測（図12）
従来のモーションキャプチャ機器においては、マーカグループにおける座標の位置関係で関節を特定していたため、大きな関節の 3 次元角度等の算出は可能であったが、手指などの小関節においてはマーカの位置関係を関節毎に変更して貼付することが困難であった。VENUS3Dでは独自のア
図 10

物理量 - 物理量でのグラフプロット＜機能 2 ＞リアルタイム相対変位（図11）
たとえば投球動作における肩関節の動きを評価する場合、単純に座標値を取得するだけでは全身の移動成分が上腕の移動成分に付加されてしまい、 計 測 後 に 差 分 地 を 取 得 す る 必 要 が あ る。
VENUS3D では特定の点、もしくはグループ化された点群にて座標を固定した相対座標をリアルタイムで求め、グラフ描写を行うことが可能である
ため、瞬時に肩関節の動きをダイレクトに評価すeizojoho industrial

図 12

指のトルク解析画面

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■ 動きを視る「動作解析」

ルゴリズムにより、小関節における 3 次元角度のジュールを追加することでさらに様々な解析を可解析も可能となった。
これにより物を操作したり、能にしている。

持ち上げたりした際の指関節の捻じれ等を正確に計測することを実現した。

◇画像波形編集ソフトウェア「PixelRunner G」
（図14）

3

弊社が提供する様々な動作解析ソリューション

弊社は動作解析において VENUS3D に加え以下の動作解析ソリューションを提供している。

PixelRunner G（ピクセルランナーG）動作を分析する際、数値化ではなく直観的、視覚的に簡易比較を行うことを目的とした低価格ソフトウェアである。マルチビューイングにより同一現象を様々な角度から撮影した複数の画像の同期表示や、同一現象の条件が異なる場合の画像の並列および重◇画像解析ソフトウェア「ProAnalyst」（図13）

ね合わせ表示により、差異の比較画像の作成が簡ProAnalyst（プロアナリスト）
は、スポーツ動作単にしている。また、波形データを読み込み、グ分析における試合中のパフォーマンス分析や顕微ラフ化して動画と合わせて表示することもでき、鏡下、マーカを貼付することのできない解析、高画像と波形データの相関関係も簡単に行うことを速現象における動作の解析を目的としたソフト可能としている。

ウェアである。人間、生物、機械等の様々な動体の挙動解析に最適である。
高速度カメラ等で取得された画像を用い、計測に必要な特徴点を自動で追尾し、変位、速度、加速度、指定点間の距離の変位、角度、角速度、角加速度等を算出することができ、必要に応じてモ

図 14

PixelRunner G メニュー画面◇ハンディーハイスピードカメラ「Phantom Miro LC」（図15）
Phantom Miro LC（ファントムミロ LC）は、ス
ポーツ現場を中心とした高速画像の取得に最適なハンディ型高速度カメラである。タッチパネル式液晶モニタおよびバッテリを搭載し、PCレス・ケーブルレスで現場での高速度撮影の運用を最大限に低減している。液晶モニタで各種設定、ライブ画
図 13

ProAnalyst メニュー画面

像の表示、撮影後すぐにスロー画像の確認を行うことを可能としている。また、画像の保存も専用

6 ︱November 2013

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図 15

Phantom Miro LCのフラッシュメモリに、PC レスで可能となって化に向けた活動を行うと同時に、動作解析装置のいる。

枠組みを超えたシステムの開発の可能性に対し、弊社の技術が社会に対する貢献を踏まえて実現で4

さいごに〜今後のロードマップきることの模索を行っていく。

現在、動作解析装置としての市場からの要求と同時に動作解析の域を超え、動作の解析から直接的な効果につなげる機器としての要求が高まりつ☆株式会社ノビテック

つあることを感じている。動作解析装置としての

TEL. 03-3443-2633

高精度化、高機能化と同時にワークフローの簡易

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FAX. 03-3443-2660

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