JP2002092051A - ３次元形状設計方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人体のかたちと大きさに合わせて、製
品の形と大きさを修正・設計可能とする。 【解決手段】 仮想形態形成装置が、複数人の３次元
形態データを相互に変形する空間歪み関数を計算し、そ
の空間歪みの大きさに基づいて、複数人の３次元形態デ
ータの多次元分布図を作成し、該多次元分布図上の任意
の位置に存在する仮想形態を導出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体のかたちと大
きさに合わせて、製品の形と大きさを修正・設計するた
めの方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】靴や衣服など、人体に直接装着する製品
では、さまざまな体型に適合させるために、いくつかの
サイズ規格を持っている［靴のJISサイズ規格：JIS S50
37，衣服のJISサイズ規格：JIS L4005］。これらの規格
は、製品の３次元形状を構成する主要寸法についてのみ
定めたものであり、他の部分の寸法や形状をどのように
設計するかは規定されていない。靴や衣服において、さ
まざまなサイズの製品を設計する方法は、現在、以下の
ような手段によっている。

【０００３】まず、基本サイズの製品形状や寸法を、製
造業者が独自技術で設計する。主要寸法は、JIS規格に
従い、その他の寸法は独自の技術で設計されたものとな
る。ついで、基本サイズの主要寸法と、基本サイズ以外
のサイズの主要寸法の比率に基づいて、製品寸法を、相
似的ないしはそれに準ずる数学的・幾何学的方法で増減
させる。このように、基本サイズの製品形状や寸法に基
づいて、他のサイズの設計を行う方法を「サイズ展開」
あるいは「サイズグレーディング」と呼んでいる。

【０００４】Free Form Deformation法（以下、ＦＦＤ
法）の制御格子点の移動パターンとして記述し、それを
製品設計（靴型のウィズグレーディング）に適用する方
法については、すでに本発明者らが公開している［持丸
正明, 河内まき子, 福井幸男, 堤江美子：FFDによる形
態間距離に基づく足部三次元形態の特徴分類, 人間工
学, 33(4), 229-234, 1997.］。

【０００５】ただし、これはあくまでも同一サイズ内で
の形の変形にとどまるものであり、人体のかたちと大き
さの変化を同時に反映させるところまでは言及していな
い。また、変形の元となる人体基本形状、人体目標形状
には、特定の個人の人体形状を用いるとされており、集
団の平均形態を基本形状、目標形状に利用することは述
べられていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】人体は、大きさが変わ
るとプロポーションが変わるという生物学的な特徴を持
っている。これを「アロメトリー」と呼ぶ。たとえば、
背が高い人ほど、脚長比（身長に対する脚の長さの比
率）が大きいというような形状特徴である。

【０００７】しかしながら、従来の「サイズグレーディ
ング」では、基本サイズの形状を、基本サイズと目標サ
イズの主要寸法比率に応じて、数学的・幾何学的に修
正、設計しているもので、人体の形状変化特性に準じて
いない。これは、基本サイズの人体形状と基本サイズの
製品形状が適合していても、基本サイズから離れたサイ
ズの人の形状と、その人のサイズに合わせて従来の技術
で「サイズグレーディング」された製品形状が、適合し
ないことを意味する。

【０００８】本発明で解決する課題は、製品の「サイズ
グレーディング」に、人体のかたちと大きさの変化特性
を反映させ、基本サイズから離れたサイズの人の形状に
も適合するような製品の形と大きさを３次元的に設計す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、解剖学的特徴点に基づいて対応づけられた
基本サイズの人体３次元形状を、目標サイズの人体３次
元形状に変換するような空間の歪パターンを、自由形状
変形操作手法（Free Form Deformation法）を用いて定
量的に定式化し、この定式化された空間歪パターンを、
基本サイズの製品形状に適用することで、目標サイズの
人体に適合する製品の形と大きさを修正、設計すること
を特徴とする３次元形状設計方法を提供する。

【００１０】さらに、本発明は上記課題を解決するため
に、人体形状及び製品形状を入力するための３次元形状
計測装置と、人体の形状変化特性に応じて製品形状を修
正、設計するための修正・設計装置とを備えて成る３次
元形状設計装置であって、上記３次元形状計測装置は、
基本サイズに相当する人体３次元形状、目標サイズに相
当する人体３次元形状及び基本サイズに適合する製品形
状を入力するものであり、上記修正・設計装置は、解剖
学的特徴点に基づいて対応づけられた上記基本サイズの
人体３次元形状を、目標サイズの人体３次元形状に変換
するような空間の歪パターンを、自由形状変形操作手法
（Free Form Deformation法）を用いて定量的に定式化
し、この定式化された空間歪パターンを、上記基本サイ
ズの製品形状に適用することで、上記目標サイズの人体
に適合する製品の形と大きさを修正、設計可能であるこ
と特徴とする３次元形状設計装置を提供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に係る３次元形状設計方法
及びその装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参
照して以下説明する。

【００１２】本発明に係る３次元形状設計装置は、図１
に示すように、人体形状及び製品形状を入力するための
３次元形状計測装置と、人体の形状変化特性に応じて製
品形状を修正、設計するための修正・設計装置（コンピ
ュータ）とによって構成される。

【００１３】（３次元形状データの計測）３次元形状設
計装置は、形状スキャナ（レーザ光を投影することによ
り立体形状を３次元座標値として測定するスキャ
ナ。）、あるいは触針などを備えた機械式の３次元計測
装置等である。

【００１４】このような３次元形状計測装置により、
基本サイズに相当する人体形状、目標サイズに相当す
る人体形状及基本サイズに適合する製品形状を、数値
データとして取得する。

【００１５】基本サイズに相当する人体形状について
は、特定の個人の人体形状でも構わないが、理想的には
同じサイズに相当する人体形状を複数体３次元形状計測
装置で計測する。又、３次元形状計測装置で、目標サイ
ズに相当する人体形状を１体ないしは複数体計測する。

【００１６】（設計装置）修正・設計装置は、ＣＰＵ
（主制御部）、メモリ、入出力制御部、入力装置、表示
装置、出力装置とを備えている。３次元形状計測装置か
らのデータを入力装置から入力し、以下に示す処理が行
われる。

【００１７】ここで、人体形状とは、人体表面３次元形
状データと、人体表面にマーキングした人体の解剖学的
特徴点並びに製品との適合に関わる特徴点位置データに
よって構成される。基本サイズの人体形状と目標サイズ
の人体形状については、上記３次元形状計測装置によっ
て、人体表面３次元形状データと人体表面にマーキング
した人体の解剖学的特徴点並びに製品との適合に関わる
特徴点位置データを同時に取得し、取得した人体表面３
次元形状データを、上記特徴点位置データに基づいて、
個体間で対応がつくように再構成する。

【００１８】ここで、製品形状とは、製品の３次元形状
データと、上記人体形状と製品形状との 座標系を一致
させるために必要な特徴点位置データによって構成され
る。基本サイズの製品形状については、上記３次元形状
計測装置によって、製品の３次元形状データと製品上に
マーキングされた特徴点位置データを取得するか、ある
いは、コンピュータ支援設計システム（CAD）で設計さ
れた製品の３次元形状データをそのまま利用する。取得
した製品の３次元形状データを、製品の特徴点位置デー
タに基づいて座標変換する。

【００１９】ここで、人体の解剖学的特徴点とは、足部
形状の場合、図３の腓側中足点、脛側中足点、踵点を含
む骨格上の特徴点位置を指す。人体形状データと座標系
を一致させるために必要な特徴点とは、足に適合する靴
型形状の場合、図４の内側・外側のボール部突出点、踵
部突出点を含む製品形状特徴点を指す。

【００２０】同様に、体幹部人体形状において、人体の
解剖学的特徴点とは、図５の転子点、肩峰点、乳頭点を
含む骨格上の特徴点を指し、これに適合する衣服を造形
するための衣服用人台形状データと人体形状データの座
標系を一致させるために必要な特徴点とは、図６の衣服
用人台上の転子点、肩峰点、乳頭点を含む製品形状特徴
点を指す。

【００２１】（平均形状データの取得）本発明の方法に
おいて、基本サイズに相当する特定の一個人の形状デー
タに基づいてサイズグレーディングを行うと、人体の持
つかたちと大きさの一般的な変化特性だけでなく、個人
が持っている特有の形状特性が製品形状設計に反映され
ることになる。

【００２２】これを解決するために、基本サイズに相当
する人体形状データとして、基本サイズに相当する被験
者複数名（10名以上）の平均形状を用いることができ
る。また、量産品など、特定の個人向けの製品設計でな
い場合には、目標サイズに相当する人体形状データにつ
いても、目標サイズに相当する被験者複数名（10名以
上）の平均形状を用いることができる。

【００２３】複数名の人体形状から、複数名に共通する
形状特性を持ち、かつ、特定の個人特有の個性を持たな
いような平均形状を生成する方法は、すでに本願出願人
による平均形態生成方法［複数３次元形態の平均形態生
成方法及びその装置（特開平10-240964号公報参
照。）］において開示している。

【００２４】要は、特徴点によって再構成された複数の
形状データを相互に変形する制御格子点移動パターンを
計算し、その制御格子点移動パターンの初期状態からの
移動量の総和によって複数の形状データの相互の距離
（非類似度）を計算し、その距離のばらつきが最も小さ
い形態を中央値形態とし、中央値形態から他の形状デー
タへ変形するための制御格子点移動パターンを得、この
中央値形態を平均形態に変形するための制御格子点移動
パターンを、中央値形態に適用することで、平均形態を
生成する方法である。

【００２５】（制御格子点移動パターンの計算）基本サ
イズの平均人体形状を、目標サイズの人体形状に変換す
るFree Form Deformation法の制御格子点移動パターン
を計算する。この計算方法については、本願出願人がす
でに平均形態生成方法［複数３次元形態の平均形態生成
方法及びその装置（特開平10-240964号公報参照。）］
により開示している。

【００２６】要は、特徴点によって再構成された２つの
形状データＡ、Ｂにおいて、形状データＡのまわりにFr
ee Form Deformation法の制御格子点を設定し、その制
御格子点を適宜移動させて形状データＢに一致するよう
に変形させるとき、制御格子点移動量ができるだけ小さ
く、かつ、変形後の形状データＡと形状データＢの対応
点間の距離の総和ができるだけ小さくなるように、制御
格子点の移動量を最適化する方法である。

【００２７】（製品形状データの変形）計算された制御
格子点移動パターンを、人体形状に合わせて座標変換さ
れた基本サイズの製品形状データに適用する。製品形状
データは、人体の形状変化特性と同じ空間の歪によって
変形され、目標サイズの人体形状に適合する製品形状デ
ータを取得できる。

【００２８】（実施例）本発明に係る３次元形状設計方
法及びその装置の実施例として、基本サイズの平均足
形状データ、大きいサイズの特定個人の足形状デー
タ、基本サイズに適合する靴型データから、大きいサ
イズの特定個人の足に適合する靴型形状データを取得す
る方法及び装置を順次説明する。

【００２９】（１）基本サイズの平均足形状データの計
測及び入力 女子の足長サイズ２２８mm〜２４２mmの範囲に相当する
成人女子の足部の石膏型を56例、採取した。解剖学的特
徴点は、人体を直接触察して同定し、その位置に水性ペ
ンでマーキングしておくことで、石膏型に特徴点位置を
転写する。

【００３０】特徴点位置に基づいて、個体間の形状デー
タ点の対応がつくように石膏型表面の３次元形状を再構
成（検出されるように突起やマーク等を付与するこ
と。）した後、機械式の３次元形状計測装置で形状デー
タを修正・設計装置に入力する。

【００３１】ここで、足部形状データの座標系は、足底
面をＸＹ面とし、ＸＹ平面に投影した踵点を原点、脛側
中足点、腓側中足点の中点をＸＹ平面に投影した点を通
る方向をＸ軸正方向として定義した。

【００３２】１つの形状データは、174点のデータ点か
らなり、324ポリゴンの三角形によって構成される多面
体形状データである。FFD法の制御格子点は、Ｘ軸９×
Ｙ軸５×Ｚ軸５の225点とした。

【００３３】そして、平均形態生成方法に基づいて平均
形状を計算する。56名の平均形状を図７の細線で示す。

【００３４】（２）大きいサイズの特定個人の足形状デ
ータの計測及び入力 一方、大きいサイズの特定個人の足形状を、上記同様に
して３次元形状計測装置で計測し、修正・設計装置に入
力した。

【００３５】平均形態生成方法に記載された手段で、基
本サイズの平均形状を、大きいサイズの特定個人の形状
に変換するためのFFD法の制御格子点移動パターンを計
算した。計算結果を図８に示す。

【００３６】（３）基本サイズに適合する靴型データの
計測及び入力 さらに、基本サイズに適合するように設計された靴型形
状データを、３次元形状計測装置で計測して、修正・設
計装置に入力した。ここでは、上記の機械式３次元形状
計測装置とは異なる、より精密な機械式３次元形状計測
装置を用いて図９に示すように、精密な基本サイズ靴型
データを取得した。

【００３７】この靴型形状データは、人体形状データと
座標系が合致していれば良く、データ点の対応がついて
いる必要はない。そのため、より多点から構成される精
密な形状データを取得して、変形させることができる。

【００３８】靴型データの座標系は、人体形状データの
座標系と合理的に一致する必要がある。そこで、靴型の
足底面をＸＹ平面とし、靴型の最後端点をＸＹ平面に投
影した点を原点、前足部のウィズ幅の中央の点をＸＹ平
面に投影した点を通る方向をＸ軸とした。

【００３９】（４）大きいサイズの特定個人の足に適合
する靴型形状データの取得 標準サイズの平均足形状データ（図７（ａ）参照）か
ら、目標サイズの足部形状データ（図７（ｂ）参照）へ
の変換を表す制御格子点移動パターン（図８）を、座標
変換した標準サイズの靴型形状データ（図９）に適用す
ることで、図10のような靴型形状データを取得した。

【００４０】図８の上面図から分かるように、足部形状
が大きくなるとき、相似的に大きくならずに、３次元的
な形状変化を伴いながら大きさが変化している。これ
は、人体の形状一般について言えることで、アロメトリ
ーと呼ばれる性質である。すなわち、人体の形状という
のは相似的に均一に大きくなるわけではなく、大きさと
ともに形やプロポーション（均整）が変化する傾向があ
る。

【００４１】現在の製品開発の多くは、この大きさの変
化に伴う形の変化を無視し、数学的な相似変形によって
サイズバリエーションを生成している。本発明によれ
ば、図10のように、人体形状の大きさの変化に伴う形の
変化を、制御格子点の移動パターンを介して、製品形状
設計に反映させることができる。

【００４２】以上、本発明に係る実施の形態を実施例に
基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例
に限定されるものではなく、特許請求の範囲記載の技術
的事項の範囲内でその他いろいろな実施の態様があるこ
とは言うまでもない。

【００４３】

【発明の効果】本発明は上記構成であるから、従来は無
視されていた大きさの変化に伴う形の変化を、制御格子
点の移動パターンを介して、製品形状設計に反映させる
ことができる。従って、各人の個々の体の特徴等が反映
された形状まできめこかまかく考慮された設計が大量か
つ簡単に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成を示す図である。

【図２】人体の解剖学的特徴点を説明する図である。

【図３】人体の解剖学的特徴点を説明する図である。

【図４】人体形態分布状況を示す図である。

【図５】解剖学的特徴点に基づくモデリング及び足形態
データを示す図である。

【図６】自由形態変形格子の移動パターンを示す図であ
る。

【図７】図７（ａ）は標準サイズの足部形状を示し、図
７（ｂ）は目標サイズの足部形状を示す図である。

【図８】制御格子点の移動パターンを示す図である。

【図９】座標変換した標準サイズの靴型形状データを示
す図である。

【図１０】制御格子点を適用して変形した靴型形状デー
タを示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 解剖学的特徴点に基づいて対応づけら
   れた基本サイズの人体３次元形状を、目標サイズの人体
   ３次元形状に変換するような空間の歪パターンを、自由
   形状変形操作手法（Free Form Deformation法）を用い
   て定量的に定式化し、この定式化された空間歪パターン
   を、基本サイズの製品形状に適用することで、目標サイ
   ズの人体に適合する製品の形と大きさを修正、設計する
   ことを特徴とする３次元形状設計方法。
2. 【請求項２】 人体形状及び製品形状を入力するため
   の３次元形状計測装置と、人体の形状変化特性に応じて
   製品形状を修正、設計するための修正・設計装置とを備
   えて成る３次元形状設計装置であって、 上記３次元形状計測装置は、基本サイズに相当する人体
   ３次元形状、目標サイズに相当する人体３次元形状及び
   基本サイズに適合する製品形状を入力するものであり、 上記修正・設計装置は、解剖学的特徴点に基づいて対応
   づけられた上記基本サイズの人体３次元形状を、目標サ
   イズの人体３次元形状に変換するような空間の歪パター
   ンを、自由形状変形操作手法（Free Form Deformation
   法）を用いて定量的に定式化し、この定式化された空間
   歪パターンを、上記基本サイズの製品形状に適用するこ
   とで、上記目標サイズの人体に適合する製品の形と大き
   さを修正、設計可能であること特徴とする３次元形状設
   計装置。