JP2019190924A - Motion capturing system, method for capturing motion, marker used in method for capturing motion, and program used in method for capturing motion - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モーションキャプチャシステム、モーションキャプチャ方法、モーションキャプチャ方法で用いられるマーカ、及び、モーションキャプチャ方法で用いられるプログラムに関し、特に光学式のモーションキャプチャシステム等に関する。 The present invention relates to a motion capture system, a motion capture method, a marker used in the motion capture method, and a program used in the motion capture method, and more particularly to an optical motion capture system and the like.
モーションキャプチャ技術は、人物や物体等の対象物の動きをデジタル的に記録する技術であり、これを活かした映画が制作されている他、例えば、スポーツ分野、医療分野などで開発が進んでいる。改良技術を含めて多数の技術が提案されており、例えば、特許文献1、2、3がある。特許文献1、2、3の技術は、所謂光学式と言われるものに含まれる。
Motion capture technology is a technology that digitally records the movement of an object such as a person or an object. In addition to producing movies that take advantage of this, development is progressing in the sports and medical fields, for example. . Many techniques including improved techniques have been proposed. For example, there are
光学式では、明るい空間で、対象物に装着したマーカに対して、例えば赤外線やLED等の光を当て、その反射光を撮像装置であるカメラ(三次元であれば複数)で受光して、画像処理により、マーカ部分に対応するセグメントをラベリングすることにしている。そして、ラベリングした後、マーカの空間内の座標を算出し、マーカの全体軌跡及び時系列の速度及び最大速度などを表示できるようにしている。ここで、特に、マーカについては、特許文献1、2を含めて、今までの光学式と言われるものでは、基本的に、赤外線を用いて反射を行うものが想定されてきた。なお、特許文献3には、赤外線LEDを発するものも開示されており、自発光のLEDマーカも提供され始めている。
In the optical system, in a bright space, light such as infrared rays or LEDs is applied to a marker attached to an object, and the reflected light is received by a camera (a plurality of three-dimensional images) as an imaging device, The segment corresponding to the marker portion is labeled by image processing. Then, after labeling, the coordinates in the marker space are calculated so that the entire locus of the marker, the time-series speed, the maximum speed, and the like can be displayed. Here, in particular, with respect to the markers, including those disclosed in Patent Documents 1 and 2, the so-called optical type has been basically assumed to reflect using infrared rays.
しかしながら、従来の光学式では、基本的にマーカによる反射が行われることが前提となっており、光を当てる装置と、反射するマーカと、反射光を受光する装置との位置等の関係性は極めて重要である。マーカ位置を認識しやすくするためには、反射光を受光する装置である撮像装置(カメラ)は、光の周波数を制限して撮影することができる赤外線カメラというような専用機が用いられることが必要であり、その点からの大きな制約があるという問題がある。マーカが隠れてしまうという問題を克服するためには、撮像装置の台数を増やす以外に方法がなく、他の用途に流用できない専用の赤外線カメラを多数用意しなければならない。この専用機にしない場合、S/Nが悪く、ノイズも取り込み易くなり、反射するマーカの検出が難しくなってしまうという状況があり、結果的に、撮像の解析を正確に行うことができない。なお、特許文献3の技術も、赤外線を用いるものとなっており、いずれにしても、赤外線カメラというような専用機が用いられることが必要である。また、空間は明るい空間が必要という制約も生じている。空間が暗い場合には、カメラ内部の撮像素子へ光を取り込むことが難しく、撮影される映像にノイズが含まれやすくなり、発光マーカの認識精度が落ちるため、解析の精度も落ちる。また、高速な運動を計測する場合、一般的にカメラの撮像素子は、速い撮影速度(1秒間あたりの撮影フレーム数)に対応することが必要になるが、撮影速度が早くなればなるほど、光を取り込む量が少なくなり、撮影が難しくなる。
However, in the conventional optical system, it is basically assumed that reflection by a marker is performed, and the relationship between the position of the device that shines light, the marker that reflects, and the device that receives reflected light is, for example, Very important. In order to make it easy to recognize the marker position, an imaging device (camera) that is an apparatus that receives reflected light may use a dedicated machine such as an infrared camera that can shoot by limiting the frequency of light. There is a problem that it is necessary and there is a great restriction from that point. In order to overcome the problem that the marker is hidden, there is no method other than increasing the number of imaging devices, and a large number of dedicated infrared cameras that cannot be used for other purposes must be prepared. If this dedicated machine is not used, S / N is poor, noise is easily captured, and it is difficult to detect a reflected marker. As a result, imaging analysis cannot be performed accurately. The technique of
なお、特許文献3のような自発光型の赤外線LEDマーカの場合には、赤外線でなくても自発光するものとしてLEDを用いていることから、以下のような問題がある。1つ目としては、可視光の場合に、通常のデジタルカメラは色と形状を認識しており、LEDを用いた場合にはLEDが点光源になってしまい、マーカの形状を認識し難いという問題がある。また、2つ目としては、可視光と赤外線とを問わず、LEDで輝度をあげようとすると、電池の持ちが悪く、電池を増やすと電池の重さ分だけ重くなってしまうという問題もある。
In addition, in the case of the self-light-emitting infrared LED marker as in
ゆえに、本発明は、可視光及び赤外線を問わずに自発光であっても電池持ちの問題がなく、特に可視光については、自発光のLEDマーカに比べて形状認識も行いやすく、さらに、撮像装置が赤外線カメラのような専用機ではなくデジタルカメラの汎用機の使用が可能で且つ暗い撮像空間でもマーカの撮像が可能なモーションキャプチャシステム、モーションキャプチャ方法、モーションキャプチャ方法で用いられるマーカ、及び、モーションキャプチャ方法で用いられるプログラムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has no problem of having a battery even if it emits light regardless of whether it is visible light or infrared light, and particularly for visible light, it is easier to recognize the shape than a self-light emitting LED marker. A motion capture system that can use a general-purpose device of a digital camera instead of a dedicated device such as an infrared camera and can capture a marker even in a dark imaging space, a motion capture method, a marker used in the motion capture method, and An object is to provide a program used in a motion capture method.
本発明の第1の観点は、マーカが取り付けられた対象物の動きを捉えることができるモーションキャプチャシステムにおいて、前記マーカは自発光する化学発光のマーカであり、前記マーカが発光する光を撮像できる撮像手段と、前記撮像手段が撮像した画像から画像処理を行って前記マーカを捕捉する捕捉手段とを備えた、ものである。なお、光は、可視光でも赤外線でもよい。 According to a first aspect of the present invention, in the motion capture system capable of capturing the movement of an object to which a marker is attached, the marker is a chemiluminescent marker that emits light spontaneously and can capture light emitted by the marker. An image pickup means and a capture means for capturing the marker by performing image processing from an image picked up by the image pickup means. The light may be visible light or infrared light.
本発明の第2の観点では、第1の観点において、前記マーカは平面発光体マーカである。 In a second aspect of the present invention, in the first aspect, the marker is a flat light emitter marker.
本発明の第3の観点では、第1又は第2の観点において、前記マーカが、その発光部分内における所定位置を特定できる色、形状、又は、それらの組み合わせを有することを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the marker has a color, a shape, or a combination thereof that can specify a predetermined position in the light emitting portion. is there.
本発明の第4の観点は、第1から第3のいずれかの観点において、前記マーカは複数のマーカであり、前記複数のマーカの中には異なる色、形状、又は、それらの組み合わせで発光するものを含み、前記捕捉手段は、前記色、形状、又は、それらの組み合わせの違いを識別して前記マーカをラベリングして捕捉できることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the marker is a plurality of markers, and the plurality of markers emit light in different colors, shapes, or combinations thereof. The capturing means is characterized in that the marker can be labeled and captured by identifying a difference in the color, shape, or combination thereof.
本発明の第5の観点は、マーカが取り付けられた対象物の動きを捉えることができるモーションキャプチャ方法において、前記マーカは自発光する化学発光のマーカであり、撮像手段は前記マーカが発光する光を撮像できるものであり、捕捉手段によって前記撮像手段が撮像した画像から画像処理を行って前記マーカを捕捉し、前記対象物の動きを捉えるものである。なお、光は、可視光でも赤外線でもよい。 According to a fifth aspect of the present invention, in the motion capture method capable of capturing the movement of an object to which the marker is attached, the marker is a chemiluminescent marker that emits light spontaneously, and the imaging means is light emitted from the marker. The image capturing unit captures the marker by performing image processing from the image captured by the image capturing unit, and captures the movement of the object. The light may be visible light or infrared light.
本発明の第6の観点では、第5の観点において、前記マーカは、平面発光マーカである。 In a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the marker is a flat light emitting marker.
本発明の第7の観点では、第5又は第6の観点において、その発光部分内における所定位置を特定できる色、形状、又は、それらの組み合わせを有することを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fifth or sixth aspect, a color, a shape, or a combination thereof that can specify a predetermined position in the light emitting portion is provided.
本発明の第8の観点は、第5から第7のいずれかの観点に記載のモーションキャプチャ方法に用いられる、マーカである。 An eighth aspect of the present invention is a marker used in the motion capture method according to any one of the fifth to seventh aspects.
本発明の第9の観点は、第5から第7のいずれかの観点に記載のモーションキャプチャ方法に用いられる捕捉手段に、コンピュータとして、撮像された画像からマーカが発光する色の違いを用いてラベリングする画像処理動作を実行させる、プログラムである。 According to a ninth aspect of the present invention, the capturing means used in the motion capture method according to any one of the fifth to seventh aspects uses, as a computer, the color difference that the marker emits from the captured image. A program for executing an image processing operation to be labeled.
本発明によれば、まず、マーカは化学発光による自発光するマーカであり、マーカに光を当てて反射するものではないので、まずは光を当てる装置部分が不要になり、システムを簡略化できる。また、特にマーカとして平面発光体マーカを用いることにより、指向性や乱反射の問題も解決できる。特に、自発光の光の明るさ・強さ(例えば輝度)は、化学発光の技術を用いれば指向性や乱反射の問題もなく簡単に必要なレベルにすることができ、撮像装置を赤外線カメラのような専用機ではなく可視光の波長で撮像できるデジタルカメラのような汎用機の使用が可能とでき、暗い撮像空間でもマーカの撮像が可能なものとできる。ここで、化学発光では、自発光するマーカの形状の制約が少なく(例えば、平面発光体も可能)、動きの制約になることを避けたいスポーツにおいては、大きな意義がある。さらに、LEDの自発光と異なり、化学発光による自発光のため、可視光であっても赤外線であっても電池持ちの点での不具合が生じないという利点がある。さらに、可視光については、LEDの自発光に比べてマーカの形状認識を正しく行えるという利点もある。 According to the present invention, first, the marker is a marker that emits light by chemiluminescence, and does not reflect the marker when it is reflected. Therefore, the device portion that first applies the light is not necessary, and the system can be simplified. In particular, the problem of directivity and irregular reflection can be solved by using a planar light emitting marker as a marker. In particular, the brightness and intensity (for example, luminance) of self-luminous light can be easily set to a necessary level without problems of directivity and irregular reflection by using chemiluminescence technology. It is possible to use a general-purpose device such as a digital camera that can capture an image with a wavelength of visible light instead of such a dedicated device, and it is possible to capture a marker even in a dark imaging space. Here, in chemiluminescence, there are few restrictions on the shape of the marker that emits light (for example, a flat light emitter is possible), and this is of great significance in sports where it is desirable to avoid movement restrictions. Further, unlike LED self-emission, self-emission by chemiluminescence has the advantage that there is no problem with battery life, whether visible or infrared. Furthermore, the visible light has an advantage that the marker shape can be recognized correctly as compared with the self-emission of the LED.
また、本発明によれば、色、形状、又はそれらの組み合わせによってマーカの発光部分内における所定位置を特定していけるため、撮像して捕捉していく精度(認識精度)を高めることができる。加えて、複数のマーカの中には異なる色、形状、又はそれらの組み合わせで発光するものを含めることができ、色、形状、又は組み合わせの違いを区別してラベリングができることから、複数のマーカに対するラベリング処理の手間と負担を軽減することができる。 Further, according to the present invention, since a predetermined position in the light emitting portion of the marker can be specified by color, shape, or a combination thereof, it is possible to improve the accuracy (recognition accuracy) of capturing and capturing. In addition, since a plurality of markers can include those that emit light in different colors, shapes, or combinations thereof, and labeling can be performed by distinguishing differences in colors, shapes, or combinations. The time and burden of processing can be reduced.
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereto.
モーションキャプチャシステム1は、対象物である人3の動きを記録するシステムである。ここでは、3次元計測のためにカメラ5a,5bという複数の撮像手段を用いている。人3は、例えば、スポーツを行っている状況で、個人競技の他、バドミントン、サッカーや野球のような団体(チーム)競技を行っている人が含まれる。対象物の人3のそれぞれには、マーカ7a,7bのように複数のマーカが取り付けられている。
The motion capture system 1 is a system that records the movement of a
マーカ7a,7bは化学発光による自発光のマーカであり、マーカ7aが「青」、マーカ7bが「赤」のように、化学発光液に含まれる蛍光色素を変えて、異なる色を発光できるものである。この化学発光では、例えば、出願人により既に開発済みの特開2016−150956号公報、特開2016−91823号公報、再公表WO2005−103196号公報などの技術を用いて、可視光波長の光を発光できるものとしている。
まず、マーカ7a,7bが自発光であることから、カメラ5a,5bがデジカメであっても、色認識機能によりわずかな光でも撮影できて、暗い所でもマーカの色を認識できる。ここで、自発光のために化学発光を用いた場合の利点を例えば自発光のLEDを用いた場合と比較すると、以下のことが挙げられる。1つ目としては、デジカメのカメラ5a,5bは、色と形状を認識しており、LEDを用いた場合にはLEDが点光源になってしまい、マーカ7a,7bの形状を認識し難い結果、化学発光の場合と異なり、形状認識が困難になってしまうという問題がある。また、2つ目としては、LEDで輝度をあげようとすると、電池の持ちが悪く、電池を増やすと電池の重さ分だけ重くなってしまうという問題もある。特に、LEDの自発光の場合の電池持ちの問題は赤外線であっても紫外線であっても共通した問題である。これらの点は、化学発光では起こらず、実際の運用を考えると、大きなメリットといえる。そして、化学発光の自発光により、光の明るさ・強さ(例えば輝度)とその持続時間の調整も可能であり、マーカ7a,7bの認識をあげるために、例えば短時間だけでも光量を大きくすることも可能できる。このような光の制御を行うことが可能な化学発光による自発光のマーカ7a,7bは、デジタルカメラのような汎用機でもマーカ7a,7bを適切に捉えることができるような光の明るさ・強さ(例えば輝度)で自発光できることから、カメラ5a,5bは赤外線カメラ(専用機)を用いなくてもよいシステムにできている。このようにして、専用機が不要ということにより、システムの簡略化も可能にしている。さらに、マーカ7a,7bからカメラ5a,5bまでの距離は、従来の赤外線反射による光学式では最大でも10m程度に対し、設定によって数十mのような距離でも可能とできるようになっている。その結果、上空の高い位置から撮像することが可能になって、チーム全体の動きも測定できるものとできている。
First, since the
さらに、自発光としての化学発光を用いることにより、マーカ7a,7bの形状の柔軟度はあがり、人3がスポーツをする選手であっても、競技への集中を妨げないような形を選択することができるものとしている。ここで、赤外線の反射を行うマーカは反射効率から基本的に球状であり、特許文献3のような赤外LEDをマーカに用いたものは、デバイスが必要で大型なものとなっている。
Further, by using chemiluminescence as self-luminescence, the flexibility of the shape of the
ここで、マーカ7a,7bを平面発光体とした場合を説明する。平面発光体の構造としては、例えば、酸化液の部分と蛍光液の部分を有する包装構造体を、多孔性シートと共に収納できる外装容器に入れた構造とすることが一例として挙げられる。このような構造であれば、折り曲げ等して酸化液の部分と蛍光液の部分を破れさせ、多孔性シートで両者を化学反応させて、発光させることができる。そして、平面発光体のメリットとしては、例えば、柔らかい素材とできることから身体に取り付け易い点が挙げられる。また、他のメリットしては、例えば、平面発光体は形状に合わせて満遍なく光り、点発光のLEDと比べて形状の自由度が高いと言える。その他にも、腕にリング(ブレスレット)状の化学発光体を取り付ける方法もあり得、競技者の競技状況や個別のリクエストにも柔軟に対応できるという自由度が高いというメリットがある。
Here, the case where the
なお、上記では、可視光を用いたシステムとしたが、化学発光を用いた赤外線波長の光も併せて自発光するものとしてもよい。さらに、可視光を常に用いるシステムとはせずに、赤外線だけのシステムであってもよい。このように赤外線を用いれば、観客には見えないが、スポーツ選手のマーカの動きを捕捉することができる。 In the above description, the system using visible light is used. However, light having an infrared wavelength using chemiluminescence may be self-luminous. In addition, a system using only infrared light may be used instead of a system that always uses visible light. If infrared rays are used in this way, the movement of the athlete's marker can be captured, although not visible to the audience.
モーションキャプチャシステム1は、画像処理部9も備えている。画像処理部9はカメラ5a,5bが撮像した画像を受け取り、画像処理を行う。画像処理部9は捕捉部11を有しており、捕捉部11はマーカ7a,7bの動きを捕捉する。その捕捉処理にはラベリング処理が含まれ、マーカ7a,7bの色の違いを用いてマーカの区別を行ってラベリング処理が行われる。この処理は、プログラムにより自動化されて行われる。このような色の違いを用いる点は、従来の赤外線を用いた場合の2値化処理と異なって後処理(人的処理)は不要となり、ラベリング処理の自動化を進めることができるという大きな利点が得られている。ラベリング処理が行われ、マーカ7a,7bの動きが捕捉されて、人3の動きが画像処理部9の記憶部13で記録される。なお、マーカレスの技術では、ラベリング処理に複雑なアルゴリズム処理が行われるが、色の違いを用いたラベリング処理はとても簡単なアルゴリズム処理で済み、その利点が大きいことも付言する。
The motion capture system 1 also includes an
ここで、色の違いを用いる例を具体的に挙げておく。例えば、一人に対し、肘の関節の動きを捉えるにあたり、3種類のカラーマーカの取付の部位を自動的に同定し、3点間角度を捉えることができる。また、例えば、サッカー、バレーボールなどの団体スポーツにおいて、選手ごとに色を指定しておき、位置関係を自動認識すれば、ゲーム分析に活かせる。 Here, an example in which a difference in color is used will be specifically described. For example, when capturing the movement of the joint of the elbow for one person, it is possible to automatically identify the attachment sites of the three types of color markers and capture the angle between the three points. For example, in a group sport such as soccer or volleyball, if a color is designated for each player and the positional relationship is automatically recognized, it can be used for game analysis.
図2は、色、形状、又はそれらの組み合わせによってマーカの発光部分内における所定位置を特定することについて説明するための図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining that a predetermined position in the light emitting portion of the marker is specified by color, shape, or a combination thereof.
図2に示すように、マーカ7の例えば黄色に発光する発光部分15の中において、例えば、四角の形状に捉えることができるものを含ませ、さらに、その内部を4分割にして、左上と右下とを発光する光を透過させないように遮蔽した特徴的な形状17にしている。この形状17とすることにより、図2(A)、図2(B)、図2(C)のように移動が生じても、所定の位置である中心位置19の認識を行い易く、精度よく捕捉できるようになる。なお、図2における内側の四角の輪郭を外側の四角の輪郭に比べて太くすると映像解析が難しくなる可能性があり、映像解析を容易にするためには外側の大きな四角の輪郭を内側の四角の輪郭に比べて太くするほうが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
ここで、上記では色の違いで複数のマーカの違いを特定できることを説明したが、形状の違いでもマーカの違いを特定できることを説明する。仮に、同じ色のマーカが腕と胴に発生してしまっていたとする。この場合、胴側が腕で隠れてしまうと、色の違いではマーカの区別が困難だが、形状の違いで判別できることになる。すなわち、図2では形状に特徴を持たせたが、上記したように色の違いでもマーカの区別はつけることができ、それらを組み合わせても、マーカの区別をつけることができる。 Here, it has been described that the difference between the plurality of markers can be specified by the difference in color, but it will be described that the difference between the markers can also be specified by the difference in shape. Suppose that markers of the same color have occurred on the arms and torso. In this case, if the trunk side is hidden by the arm, it is difficult to distinguish the marker by the difference in color, but it can be determined by the difference in shape. That is, although the shape is characterized in FIG. 2, the marker can be distinguished even by the difference in color as described above, and the marker can be distinguished by combining them.
なお、上記では、システムを示したが、本発明をモーションキャプチャ方法として捉えてもよい。 Although the system has been described above, the present invention may be regarded as a motion capture method.
1・・・モーションキャプチャシステム、3・・・人(対象物)、5a,5b・・・カメラ、7a,7b・・・マーカ、9・・・画像処理部、11・・・捕捉部、13・・・記憶部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motion capture system, 3 ... Person (object), 5a, 5b ... Camera, 7a, 7b ... Marker, 9 ... Image processing part, 11 ... Capture part, 13 ... Storage unit
Claims (9)
前記マーカは自発光する化学発光のマーカであり、
前記マーカが発光する光を撮像できる撮像手段と、
前記撮像手段が撮像した画像から画像処理を行って前記マーカを捕捉する捕捉手段とを備えた、モーションキャプチャシステム。 In a motion capture system that can capture the movement of an object with a marker attached,
The marker is a chemiluminescent marker that emits light,
Imaging means capable of imaging light emitted by the marker;
A motion capture system comprising: capture means for capturing the marker by performing image processing from an image captured by the image capturing means.
前記捕捉手段は、前記色、形状、又は、それらの組み合わせの違いを識別して前記マーカをラベリングして捕捉できることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載のモーションキャプチャシステム。 The marker is a plurality of markers, and the plurality of markers include those that emit light in different colors, shapes, or combinations thereof,
The motion capture system according to any one of claims 1 to 3, wherein the capturing unit is capable of labeling and capturing the marker by identifying a difference in the color, shape, or a combination thereof.
前記マーカは自発光する化学発光のマーカであり、
撮像手段は前記マーカが発光する光を撮像できるものであり、
捕捉手段によって前記撮像手段が撮像した画像から画像処理を行って前記マーカを捕捉し、前記対象物の動きを捉える、モーションキャプチャ方法。 In a motion capture method that can capture the movement of an object with a marker attached,
The marker is a chemiluminescent marker that emits light,
The imaging means can capture the light emitted by the marker,
A motion capture method, wherein the capture unit captures the marker by performing image processing from an image captured by the imaging unit, and captures the movement of the object.
The capture means used in the motion capture method according to any one of claims 5 to 7 causes a computer to execute an image processing operation for labeling the marker using a difference in color emitted by the marker from a captured image. ,program.
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