JP2009526980A - モーションキャプチャー装置およびそれに係る方法 - Google Patents
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Abstract
Description
人間の運動を捕捉することは、様々な分野、生体力学の解析、遠隔操作、人物のアニメーションおよび人間工学などの応用に広く使用されている技術である。
この第一のカテゴリーには、主に、光学的な装置、電磁気的な装置、および超音波の装置がある。これらの装置は正確性に関して効果的である。
これらの装置は、アクションが発生しているシーンの周り全体に配置されたカメラ群で捕らえた画像により身体の運動を再生することができる。
動いている物体上に、カメラに対して非常に目立つマーカーが配置されている。ステレオスコープの原理を利用して、処理により各マーカーの3D位置(3Dは「三次元的」を意味する)が定まる。
また、他の著者は、非特許文献2に記すように、カメラから抽出されたシルエットに基づき、動いている物体のモデルと、このシルエットとを関連づける処理方法を提案している。
電磁気学に基づく上記の装置では、物体上に配置されているセンサーの位置および角度が再生される。
超音波の装置では、光学的な装置と同様に、発信機の位置が検出される。これら2つの技術は、カメラに基づく技術と同じように空間的な制限を受ける。
これらの装置は捕捉される量に制限を無くすることを可能とするが、人間または構造体上に配置された機械式多関節腕で構成されているため窮屈である。
動作の再生には、位置の替わりに、関節部材のセグメント間での角度の計測を使用している。
これらの装置は角速度センサー(ジャイロメーター)を備え、動いている物体または動いている人間上に配置されている。
ドリフトを生じさせる角速度センサーの測定値を1回の積分することによって、セグメントの回転角を得ている。
動作がより緩やかなときはいつも、地磁気と重力場に基づく、それら測定値により、方位のずれがリセットされ、これにより、ドリフトを打ち消すために、加速度計、あるいは磁力計でさえ、時にジャイロメーターと組み合わされる。
加えて、ジャイロメーターは依然として使用が不便なセンサーであり、かなり高価で、また、加速度に対して一定の敏感さを有する。
このモーションキャプチャー装置は、剛体上に配置された軸方向センサーまたはベクトルセンサーから得られる測定値から、基準座標系における剛体の基準座標系を動かすことにより形成される少なくとも方位角θを得る。
これらから、測定値M、基準座標系における表現される重力場G、基準座標系における表現される磁場Hおよび方位角θの間には以下の式(1)が存在する。
M=F(θ,G,H) (1)
方位角θは以下の等式(2)により等式(1)から導出される。
θ=F−1(M,G,H) (2)
すなわち、
M=F(θ,a,G,H) (3)
ここで未知数θおよびaは高次元空間を形成し、実践的な形で、関数Fの反転を禁止する。
これにより、未知数θおよびaを等式(3)から抽出することは不可能である。
− 本発明に係るモーションキャプチャー装置において、ランクnのセグメントの前記追加測定手段は前記関節点Pnの近くに配置され、これにより、ランクnのセグメントの前記追加測定手段と前記関節点Pnとを隔てる距離はゼロであるとみなせる。
− 複数の演算手段は時間tk毎に以下を計測する。
すなわち、
a) 前記第一の手段から出力された前記情報から前記基準座標系における前
c) 以下の等式から、前記基準座標系における前記関節点Pnの加速度ベクト
向けて向き付けられたベクトルであり、前記関節点Pn−1から前記関節点Pnを隔てる距離をそのモジュラス値とする。
そして、
− 本発明に係るモーションキャプチャー装置であり、ランクnのセグメントの前記追加測定手段は前記関節点Pnから離れており、
そして、
− 複数の演算手段は瞬間tk毎に以下を計測する。
すなわち、
a) 前記第一の手段から出力された前記情報から前記基準座標系における前
c) 以下の等式から、前記基準座標系における前記関節点Pnの加速度ベクト
すなわち、
向けて向き付けられたベクトルであり、前記関節点Pn−1から前記関節点Pnを隔てる距離をそのモジュラス値とする。
ンクnのセグメント上に固定された前記追加測定手段の前記測定一点の加速度ベ
ただし、前記測定値(Mn)は前記ランクnのセグメントの前記方位を表し、前記ランクnのセグメントの前記方位ベクトルは前記時間tkより少なくとも2回分
すなわち、
段に向けて向き付けられたベクトルであり、そのモジュラスは実質的に前記関節点Pnと前記ランクnのセグメントの前記追加測定手段とを隔てる距離に等しい。
すなわち、
− 独立項14に係るモーションキャプチャー方法
− 独立項18に係るモーション再生方法
そして、
− 独立項19に係るモーション再生方法
好ましくは、2002年4月5日、出願者により出願されている特許文献5に記載の剛体回転運動を捕捉するための装置を用いて基本測定装置が製造される。
従って、この基本測定装置は、加速度計、センサーXとの一組で構成されている。
センサーXは、前記動く物体が動いている前記空間中に存在する一様な物理的場の測定値を出力するいずれかのセンサーを指す。
前記センサーXに関する唯一の制約は第一に前記センサーが加速度に敏感でない必要があり、第二に測定される前記物理的な場の方向は垂直とは異なることである。
前記センサーXは、また光電素子であってもよく、この場合、測定対象は前記電池上に到達する光量である。
これは、それ故にある角度を測定する別の方法である。
情報を出力する前記第一の手段は局部測定装置により実行されることができる。
単純な加速度計は、重力加速度補正用の手段が利用できない場合不適切である。
前記局部測定装置は、例えば、微分回路を有するGPSタイプ(GPSは「全地球測位装置」を意味する)の装置であってもよい。
前記局部測定装置は、また微分回路を有する無線位置装置を用いて実行されることができる。
無線位置装置はビーコンの使用を必要とする(ULBレーダー、ULBは「超広帯域」を意味する、光学ビーコン等)。
無線位置装置は、そのため、前記局部測定装置の自律的特徴を喪失させる。
また、前記無線装置の使用は、データ伝達と位置測定という二重の利点がある(特にULB装置の場合)。
ある指向性圧力測定(チューブ)は空中における人体の速度と直接関連している。
そのため、圧力測定器が固定されているセグメントの速度ベクトルを三つの座標軸に沿って決定することができる。
前記速度測定値を1階微分することによって加速度が得られる。
例えば、人型構造(人間またはロボット)の場合、「ダイナミック」であることは、前記局部測定装置またはML装置が足、手、ウエスト等または剛体要素と同一視可能な他の体の部分のいずれかに配置されることができることを意味する。
そして、このセグメントは有利には、前記ランク1のセグメントとして選択されることができる。
さらに一般的な場合では、前記測定手段MLおよびMD1は相互に離れており、前記測定手段MLの位置は、その結果前記ランク1のセグメントとランク0の仮想的セグメントとの間のバーチャル関節点と同一視することができる。
前記装置MDにより出力される信号の分散は、そのため閾値以下である。
しかし、関節がある特定の運動中にて静止している場合も存在する。
これは、例えば、歩行の場合であり、ここで、それぞれの足は相互に瞬間的に静止している。
本明細書の残りの部分において、連続したセグメントで構成される関節構造の動作の捕捉および再生に関する本発明の記述をする。
前記セグメントB1は局部測定装置MLおよび基本方位測定装置MD1を備える。
前記基本方位測定装置MD1は前記局部測定装置MLから離れている。
前記局部測定装置MLの装着位置と前記基本方位測定装置MD1の装着位置と
定義される。
各セグメントBn上に基本方位測定装置MDnが配置されている。
基本方位測定装置MDnの装着位置は関節点Pnから離れている。
また、anは固定された基準座標系におけるランクnのセグメントの関節点Pnの加速度であり、そしてθnは前記固定された基準座標系におけるランクnのセグメントの三次元の方位(3D方位)である。
セグメントSnの長さは、関節点Pnから関節点Pn+1を隔てる距離Lnと同一視できる。
ランクnおよびランクn−1のそれぞれのセグメント上における装置MDnおよびMDn−1の測定点は、それぞれ加速度bnおよびbn−1を有する。
ただし、Mnはランクnのセグメント上に配置された基本測定装置MDnにより出力された測定値を表し、そして、GおよびHは、それぞれランクnのセグメントにおける前記基準座標系中で測定された重力場および磁場である。
ランクnのセグメントの量an(tk)およびθn(tk)は以下の測定または計測データから決定される。
− 三つの異なる時間tk、tk−1およびtk−2ごとに計測されたランクn−1のセグメントに関連する加速度an−1(tk)、an−1(tk−1)およびan−1(tk−2)、そして、
− 異なる二つの時間tk−1およびtk−2において、基本測定装置MDn−1により出力される測定値Mn−1(tk−1)およびMn−1(tk−2)、
− 時間tkにおいて計測されるランクn−1のセグメントの方位θn−1(tk)、そして
− 時間tkにおいて基本測定装置MDnにより出力される測定値Mn(tk)。
同様に、量an−1(tk−1)およびMn−1(tk−1)は演算子2に適用され、演算子2は等式(5)を用いて方位θn−1(tk−1)を出力する。
量θn−1(tk−2)およびθn−1(tk−1)並びに時間情報の間隔Δt21は以下を満たす。
Δt21=tk−2−tk−1
次に、これらは微分演算子DIFFに適用され、微分演算子DIFFは、量ωn−1(tk−1)を以下のように計測する。
ωn−1(tk−1)=(θn−1(tk−2)−θn−1(tk−1))/Δt21
そして、量ωn−1(tk)およびd(ωn−1(tk))/dtを以下のように計測する。
− 量ωn−1(tk)は微分演算子DIFFを用いて以下のように計測される。
すなわち、
ωn−1(tk)=(θn−1(tk−1)−θn−1(tk))/Δt10
ただし、θn−1(tk−1)は上記計測された量であり、θn−1(tk)は既知であり(以前計測された)、またΔt10=tk−1−tk、そして、量d(ωn−1(tk))/dtは微分演算子DIFFを用いて以下のように計測される。
ただし、ωn−1(tk−1)およびωn−1(tk)は上記計測された量であり、そしてΔt10=tk−1−tkである。
次に、計測された量an(tk)およびMn(tk)を取った既知測定値は演算子2に適用され、演算子2は等式(5)を用いて方位量θn(tk)を出力する。
これにより、例えば、画面上で前記構造体の運動を描写することができる。
つまり、前記関節化された運動が、それを全体として再生されるためには、ある所定回数の測定を取得する必要がある。
のために計測された方位θn(tk−1)およびθn(tk−2)から測定される。
次に、量an−1(tk−2)、Mn−1(tk−2)および量θn−1(tk−3)、θn−1(tk−4)は演算子2に適用され、演算子2は等式(6)を用いて方位θn−1(tk−2)を出力する。
次に、量an−1(tk)、ωn−1(tk)およびd(ωn−1(tk))/dtは演算子1に適用され、演算子1は、等式(4)を用いて量an(tk)を出力する。
ただし、ωn(tk)およびdω(tk)は、演算子DIFFにより上記と同様に与えられる。
ωn(tk)=(θn(tk−1)−θn(tk))/Δt10
d(ωn(tk))/dt=(ωn(tk−1)−ω(tk))/Δt10
ここで、
ωn(tk−1)=(θn(tk−2)−θn(tk−1))/Δt21
次に、演算子2は方位量θn(tk)を出力する。
これにより、例えば、画面上で前記構造体の動作を描写することができる。
つまり、前記関節化された動作が、それを全体として再生されるためには、ある所定回数の測定を取得する必要がある。
ランクnと時間tkの交差点において、ランクnのセグメントの時間tkにおいて知られている前記量(加速度および方位)が記される。
これらの量は測定データおよび/または前記測定データより推定されたデータから構成されている。
− dθn(tk)=θn(tk)−θn(tk−1),
− dt(tk)=tk−tk−1,
− d2θn(tk)=dθn(tk)−dθn(tk−1),
− dt2(tk)=tk−tk−1
すなわち、
− a1(t1),θ1(t1)
これらのデータは、当然前記構造体の運動を描写するには不十分である。
a1(t2),θ1(t2),dθ1/dt(t2)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t3),θ1(t3),dθ1/dt(t3),d2θ1/dt2(t3),
− a2(t3),θ2(t3)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t4),θ1(t4),dθ1/dt(t4),d2θ1/dt2(t4),
− a2(t4),θ2(t4),dθ2/dt(t4)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t5),θ1(t5),dθ1/dt(t5),d2θ1/dt2(t5),
− a2(t5),θ2(t5),dθ2/dt(t5),d2θ2/dt2(t5),
− a3(t5),θ3(t5)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t6),θ1(t6),dθ1/dt(t6),d2θ1/dt2(t6),
− a2(t6),θ2(t6),dθ2/dt(t6),d2θ2/dt2(t6),
− a3(t6),θ3(t6),dθ3/dt(t6)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t7),θ1(t7),dθ1/dt(t7),d2θ1/dt2(t7),
− a2(t7),θ2(t7),dθ2/dt(t7),d2θ2/dt2(t7),
− a3(t7),θ3(t7),dθ3/dt(t7),d2θ3/dt2(t7),
− a4(t7),θ4(t7)
これらのデータは依然として前記構造体の運動を描写するには不十分である。
− a1(t8),θ1(t8),dθ1/dt(t8),d2θ1/dt2(t8),
− a2(t8),θ2(t8),dθ2/dt(t8),d2θ2/dt2(t8),
− a3(t8),θ3(t8),dθ3/dt(t8),d2θ3/dt2(t9),
− a4(t8),θ4(t8),dθ4/dt(t8)
− a1(t9),θ1(t9),dθ1/dt(t9),d2θ1/dt2(t9),
− a2(t9),θ2(t9),dθ2/dt(t9),d2θ2/dt2(t9),
− a3(t9),θ3(t9),dθ3/dt(t9),d2θ3/dt2(t9),
− a4(t9),θ4(t9),dθ4/dt(t9),d2θ4/dt2(t9),
− a5(t9),θ5(t9)
これらのデータはここで初めて前記構造体の運動を完全に描写することを可能とする。
すなわち、
− 時間t10において、ランク1から5までの前記セグメントに関連する既知量はそれぞれ以下の通りである。すなわち、
− a1(t10),θ1(t10),dθ1/dt(t10),d2θ1/dt2(t10),
− a2(t10),θ2(t10),dθ2/dt(t10),d2θ2/dt2(t10),
− a3(t10),θ3(t10),dθ3/dt(t10),d2θ3/dt2(t10),
− a4(t10),θ4(t10),dθ4/dt(t10),d2θ4/dt2(t10),
− a5(t10),θ5(t10),dθ5/dt(t10)
− 時間t11において、ランク1から5までの前記セグメントに関連する既知量はそれぞれ以下の通りである。すなわち、
− a1(t11),θ1(t11),dθ1/dt(t11),d2θ1/dt2(t11),
− a2(t11),θ2(t11),dθ2/dt(t11),d2θ2/dt2(t11),
− a3(t11),θ3(t11),dθ3/dt(t11),d2θ3/dt2(t11),
− a4(t11),θ4(t11),dθ4/dt(t11),d2θ4/dt2(t11),
− a5(t11),θ5(t11),dθ5/dt(t11),d2θ5/dt2(t11)
同様に、例えば三つのセグメント(n=3)を有する構造体において、前記三つのセグメントの前記加速度および方位は時間t5(k=5)から知り得ることが分かる。
つまり、前記モーションキャプチャー装置が前記構造体の全てのセグメントに必要な全ての加速度および方位情報を出力しているという事実を解釈する関係を確立することができる。
すなわち、
k>2n−2
前記方位および加速度データの計測は、以下に、最初の三つのセグメントの場合について記述される。
第一のステップにおいて、測定値値a1(tk)およびM1(tk)が使用され、これらはセグメント1上で測定(計測)された加速度(第一の測定手段MLのおかげで)および第二の測定手段(MD1)により出力された測定値にそれぞれ対応している。
また、先行する時間(tk−1およびtk−2)において与えられる(または計測される)前記第一のセグメントの方位θ1(tk−1)およびθ1(tk−2)も使用される。
第二のステップにおいて、セグメント1上で測定(または計測)された加速度a1(tk)が使用され(第一の測定手段MLのおかげで)、また、一つ前のステップで計測された前記第一のセグメントの方位名θ1(tk)も使用され、先行する時間(tk−1およびtk−2)において与えられる(または計測される)θ1(tk−1)およびθ1(tk−2)も使用される。
これらの量を用いて、関節点p2における加速度a2(tk)が計測される。
第一のステップにおいて、時間tkにおいて、以前のステップで計測された加速度a2(tk)および第二のセグメントの測定手段MD2の測定値M2(tk)が使用される。
また、先行する時間(tk−1およびtk−2)において与えられる(または計測される)前記第二のセグメントの方位θ2(tk−1)およびθ2(tk−2)も使用される。
第二のステップにおいて、前記第一のセグメントの第二のステップにおいて測定(または計測)された加速度a2(tk)が使用され、また、一つ前のステップで計測された前記第二のセグメントの方位θ2(tk)も使用され、先行する時間(tk−1およびtk−2)において与えられる(または計測される)θ2(tk−1)およびθ2(tk−2)も使用される。
これらの量を用いて、関節点p3における加速度a3(tk)が計測される。
第二のセグメント用と同様な二つのステップが実行されるが、ここで、インデックス3はインデックス4に代替され、インデックス2はインデックス3に代替され、そしてインデックス1はインデックス2に代替される。これは、n番目のセグメントに至るまで続く。
通常の場合、時間tkにおけるセグメントの推定方位を知るためには、前記同一セグメントの先行する2回のtk−1およびtk−2分の前記推定方位を知る必要があることは特筆すべきである。
この目的のために、例えば、静的測定を行うことができるが、ここでの加速度は低く、結果的に無視できる。
そして、その結果、角度を特許文献5に記載のように計測することができる。
構造体Sは、例えば、一人の人間または一体のロボットであり、一連の装置MDi(i=1,2,…,n)および一連の局部測定装置MLj(j=1,2,…,m)を備える。
装置MDiおよび装置MLjは上述のように前記構造体全体にわたって分布している。
計測装置3は前記信号RDiおよびRLjを受信する受信アンテナRを備える。
図7Bは、図7Aと異なり、無線信号RDiおよびRLjは、直接、計測装置3に送信されず、ここでは、構造体Sに固定された中継ユニットDEMに送信される。
構造体S上における中継ユニットDEMの存在は、有利に本発明の別の実施例を実行することを可能とする。
前記データ処理は、その結果、前記動作が一旦実行された後、前記測定値を捕捉した後に前記メモリカード上に記録されたデータの読取により実施されることができる。
Claims (19)
- 前記第二の測定手段(MD1)および前記追加測定手段(MDn)が、
加速度計と、
前記構造体が移動する空間中に存在し、かつ前記基準座標系における、ある知られた方向をもった一様な物理的場の測定値を出力するセンサーと、
によって構成されることを特徴とする請求項1に記載のモーションキャプチャー装置。 - 前記第二の測定手段(MD1)および前記追加測定手段(MDn)が、少なくとも一つのジャイロメトリック軸を更に有することを特徴とする請求項2に記載のモーションキャプチャー装置。
- 前記基準座標系における、ある知られた方向をもった一様な物理的場の測定値を出力する前記センサーが、磁力計であることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれか一項に記載のモーションキャプチャー装置。
- 前記基準座標系における、ある知られた方向をもった一様な物理的場の測定値を出力する前記センサーが、光電素子であることを特徴とする請求項2または請求項3のいずれか一項に記載のモーションキャプチャー装置。
- 前記ランク1のセグメント上の前記一点の絶対加速度ベクトルを再現可能とするデータ項目が前記一点の速度となるように、前記第一の手段(ML)が速度測定手段で構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第一の手段(ML)が、前記ランク1のセグメント上の前記一点の絶対加速度ベクトルを再現可能とする前記データ項目を前記一点の位置とする位置測定手段によって構成された測定手段であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の装置。
- ランク1からランクN(Nは2以上の整数)までの関節状に繋がれたN個の連続した剛体セグメントによって構成され、ランクn(n=2,…,N)のセグメントはランクn−1のセグメントと関節点Pnで連接された構造体のモーション再生装置であって、
前記ランクnのセグメントの追加測定手段(MDn)と前記関節点Pnとを隔てる距離がゼロとみなせるような前記関節点Pnの近傍に前記ランクnのセグメントの追加測定手段(MDn)が配置されている請求項1から請求項7のいずれか一項に係るモーションキャプチャー装置と、
そして、時間tk毎に、
a) 前記第一の手段によって出力された前記情報により、前記基準座標系に
き付けられたベクトルであり、前記関節点Pn−1から前記関節点Pnを隔てる距離を、そのモジュラス値とする。)により、前記基準座標系における前記関節点Pn
を算出する演算手段(3)と、
を有していることを特徴とするモーション再生装置。 - ランク1からランクN(Nは2以上の整数)までの関節状に繋がれたN個の連続した剛体セグメントによって構成され、ランクn(n=2,…,N)のセグメントはランクn−1のセグメントと関節点Pnで連接された構造体のモーション再生装置であって、
前記ランクnのセグメントの追加測定手段(MDn)が前記関節点Pnから離れている請求項1から請求項7のいずれか一項に係るモーションキャプチャー装置と、
そして、時間tk毎に、
a) 前記第一の手段によって出力された前記情報により、前記基準座標系に
き付けられたベクトルであり、前記関節点Pn−1から前記関節点Pnを隔てる距離を、そのモジュラス値とする。)により、前記基準座標系における前記関節点Pn
と、そして、前記時間tkを少なくとも2回分先行した前記ランクnのセグメントの方位ベクトルとから、
手段に向けて向き付けられたベクトルであり、そのモジュラスは実質的に前記関節点Pnと前記ランクnのセグメントの前記追加測定手段とを隔てる距離に等しい。)
を使って、前記ランクnのセグメントに固定された追加測定手段の前記測定点の
を算出する演算手段(3)と、
を有していることを特徴とするモーション再生装置。 - 前記第一の測定手段(ML)および前記第二の測定手段(MDn)によって前記演算手段(3)に出力された前記測定値を示す基本電気信号(RDn,RLm)を送信する無線手段を備えることを特徴とする請求項8または請求項9のいずれか一項に記載のモーション再生装置。
- 前記無線手段が、前記基本電気信号(RD1,…,RDX,RL1,…,RLY)を受信し、そして、前記演算手段(3)への基本電気信号を示す電気信号(RF)を再送信する中継ユニットを有していることを特徴とする請求項10に記載のモーション再生装置。
- 前記第一の測定手段(ML)および前記第二の測定手段(MDn)によって出力された前記測定値を記憶する記憶手段が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか一項に記載の装置。
- 前記記憶手段が前記構造体上に配置されていることを特徴とする請求項12に記載の装置。
- ランク1からランクN(Nは2以上の整数)までの関節状に繋がれたN個の連続した剛体セグメントによって構成され、ランクn(n=2,…,N)のセグメントはランクn−1のセグメントと関節点Pnで連接された構造体のモーション再生方法であって、
請求項14から請求項17のいずれか一項に係るモーションキャプチャー方法と、
そして、時間tk毎に、
a) 前記第一の手段によって出力された前記情報により、前記基準座標系に
き付けられたベクトルであり、前記関節点Pn−1から前記関節点Pnを隔てる距離を、そのモジュラス値とする。)により、前記基準座標系における前記関節点Pn
と、そして、前記時間tkを少なくとも2回分先行した前記ランクnのセグメントの方位ベクトルとから、
手段に向けて向き付けられたベクトルであり、そのモジュラスは実質的に前記関節点Pnと前記ランクnのセグメントの前記追加測定手段とを隔てる距離に等しい。)
を使って、前記ランクnのセグメントに固定された追加測定手段の前記測定点の
の算出と、
を含むことを特徴とするモーション再生方法。
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