JP2015161681A - ベクトル定義およびポリゴン定義が可能である光学式モーションキャプチャー用のマーカー構成用アンカー - Google Patents

Abstract

【課題】３次元座標を求めることが出来る光学式モーションキャプチャーで用いることを前提に、測定対象点に複数マーカーの配置を幾何学的に固定するアンカーを用いることで、測定対象点の座標変化に加えて、測定対象点を含む面のベクトル変化を測定するマーカー構成用アンカーを提供する。
【解決手段】測定対象部位にアンカー１を用いて２つ以上のマーカー２を設置することで、（ア）同一アンカー１上の２点から仮想ベクトル３を、（イ）同一アンカー１上の３点から仮想ポリゴン４を、それぞれアンカー設置部位に与え、一カ所のアンカー設置で対象部位の姿勢変化や、回転変位、設置点の面曲率変化等を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元座標を求めることが出来る光学式モーションキャプチャーで用いることを前提に、設置点にベクトルおよびポリゴンを定義できるマーカー構造に関するものである。

光学式モーションキャプチャー装置では、複数台の光学式距離測定装置と反射式マーカーを用いて、マーカーを装着した物体の装着位置の空間座標を得ている。

マーカーは点座標情報のみ与えるので、
骨組構造においては、構成部材の長軸周り回転情報を得ることはできない（図２）。
同様に、シェル構造の変形測定では、シェル面上マーカーの空間変位を求めることはできるが、マーカーの接面方向ベクトルを直接求めることは、従来のマーカーではできない（図３）。

生体動作のモーションキャプチャーでも、マーカーを設置した部位の空間座標を得ることは行われているが、複合関節動作における肩関節に対する上腕や、股関節に対する上腿の骨軸周りの回旋を正確に得ることは出来ない。

また、光学式モーションキャプチャー技術では、対象物体が動作する中で一時的に光学的に隠れた場合にはマーカー位置を正確に取得することは出来ない。
複数マーカーの位置関係から、隠れたマーカーの位置を推計する場合でも、推計による誤差が発生する。

光学式モーションキャプチャー装置では、複数台の光学式距離測定装置と反射式マーカーを用いて、マーカーを装着した物体の装着位置の空間座標を得ているが、マーカーは点座標情報のみ与えるので、骨組構造における長軸周り回転情報を得ることはできない。

シェル構造の変形測定等では、シェル面上に配置したマーカーの空間変位を求めることは行われているが、各マーカーの接面方向ベクトルを直接得ることは出来ない。

また、肩関節や股関節など多自由度を有する関節は、該関節両側の骨格に対して骨軸周りの回転を生じることは公知であるが、これを生体に対して簡便且つ正確に測定する方法は無い。

本発明は、以上の課題を解決するものである。

本発明は、
光学式モーションキャプチャーを使用する際に、
測定対象とする部位に、
複数のマーカ（２）を安定して測定できるような幾何学的配置を有するアンカー（１）を用いて、
２つ以上のマーカーを固定することで
アンカー設置部位に仮想的に空間ベクトル（３）およびポリゴン（４）を固定すること
および
複数アンカーを用いる場合に、アンカー上のマーカー配置を幾何学的に相似でないようにそれぞれ定義することで、
アンカーの識別を容易にし、マーカーが遮蔽された場合に幾何学配置から計算する（図３）
ことを特徴とする、光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を有するアンカー構造である。（図１）

複数のマーカーを安定して測定できるような幾何学的配置とは、
（ア） いかなる姿勢でも少なくとも２つ以上のカメラから直接観測し易く、
（イ） 複数のアンカーどうしの幾何学配置がそれぞれ幾何学的相似でなく、
（ウ） ひとつのマーカー基部に配置された複数マーカーの配置形状がマーカー基部の姿勢を特定しやすい
ことを目的に決定された配置で、
２点の配置であれば複数マーカー基部は異なる２点間距離の配置にあり、
３点の配置であれば複数マーカー基部に配置された３点が構成する三角形は相似でなく、それぞれの三角形は不等辺三角形である
配置である。（図４）

アンカー毎に異なる幾何学的配置を定義することで、
（ア） アンカー間の識別が容易になり、
（イ） アンカー上のマーカーがカメラから光学的に遮蔽された場合に、同じアンカー上の他のマーカー３つ以上が認識されていれば定義された幾何学的配置から、遮蔽されたマーカーの位置を計算することが出来る。（図５）

２つ以上のマーカーをアンカーに固定することで、アンカーを設置した部位に、
マーカー２点以上の場合にはベクトルを、
マーカー３点以上の場合にはポリゴンを、
それぞれ固定することが出来る。（図１）

以上の方法により、
対象物体の、アンカー設置部位について、
２点あればアンカー設置面の空間方向（図６）を、
３点あればアンカー設置面の空間姿勢（図７）
を代表させることが出来る。

本発明では、
光学式モーションキャプチャーのマーカーを、
アンカーを用いて複数個固定することで、
（ア） アンカー設置位置に、点情報に加えて、
（イ） ベクトル情報やポリゴン情報
を付加し、
且つアンカー毎に相似ではないマーカー配置を定義することで、
（ウ） アンカーの識別性を向上させ
（エ） 遮蔽されたマーカーを定義された幾何学配置から計算する
ことを可能にしていることが、
最も主要な特徴となる。

本発明を使用することで、
従来の光学式モーションキャプチャーのマーカーでは、
設置個所の点情報が得られるのみであったのに対して、
設置場所に複数マーカーを幾何学的に固定配置することで、
（ア） 骨組構造においては長軸周り回転情報を、
（イ） シェル構造や膜構造等の面測定においては、面上に配置したアンカーによって、接面方向ベクトルを直接求めることが可能となる。（図６、図７）

生体動作のモーションキャプチャーでは、アンカー設置部位のベクトルやポリゴンの空間位相を得ることが出来るので、複合関節動作における肩関節に対する上腕や、股関節に対する上腿の骨軸周りの回旋を正確に得ることが可能となる。（図８）
たとえば、整形外科で、従来行っている定規様の器具を用いた２次元の回転を目視測定する方法（図９）では不可能であった、
（ア）回転中心を外見的に正確に把握することなく、幾何学的に正確な回転変位を測定する
（イ）目視による読み取り誤差を排除する
（ウ）空間回転変位、言い換えると定規用測定器面外方向の回転変位を測定する
ことが可能となる。

さらに、これまで不可能であった、肩関節や股関節のような２自由度以上の関節の回転変位の各自由度同時測定が可能になるので、痛みやけいれん等が発生した際の関節の動作状態を回転変位として正確に把握することや、リハビリテーションの進捗を関節の回転変位量として正確に数値化して把握することが可能になる。

また、膝関節や肘関節等の１自由度とされる関節の自由度外の方向への動きを測定できるので、関節変形症等による関節動作異常を関節の回転変位量として正確に評価することが可能となる。

加えて、スポーツトレーニングにおいて、フォームの指導を関節回転角度に基づいて客観的に正確に行うことが可能となる。
また、骨格を有する生物の研究や、ペットの治療においても、対象に適合した装具を用いることで、関節動作を正確に評価することが可能となる。

マーカー３個を固定するアンカー および アンカーで構成される仮想ベクトルと仮想ポリゴンの図 空間骨組構造に変形が生じた際に、構造全体のねじれに伴って、一部骨組部材の長手方向に回転変位が生じている図 シェル構造の変形によってシェル表面に曲率の変化が生じている図 複数アンカーで幾何学的マーカー配置を同一にしない例示図 アンカー上に固定された４つのマーカーの１つがカメラから遮蔽された場合に、定義された４つのマーカーの幾何学的配置から、遮蔽されたマーカーの位置を特定する概念図 アンカーにより定義した仮想ベクトルによって骨組構造の変形により生じた骨組部材の長手方向周りの回転変位を測定できることを示す概念図 アンカーにより定義した仮想ポリゴンによってシェル構造の変形により生じたシェル表面の曲率の変化を接面方向のベクトルの変位により測定できることを示す概念図 上腕を額面上に拳上する際に上腕骨軸周りに後方回旋が生じた際に、上腕に設置したアンカーの仮想ベクトルによって上腕回旋角を得られることを示した概念図 ゴニオメーターによる関節稼働量測定の概念図 上腕骨内顆追従する位置にマーカー３つを固定するアンカーの取り付け例示図 上腕骨内顆追従アンカーの時系列姿勢変化を表すグラフ図 上腕骨軸周り廻旋成分の時系列推移を表すグラフ図 上腕骨の上下角度の時系列変化を表すグラフ図

以下、本発明を実施する形態について説明する。

本発明は、
光学式モーションキャプチャーを使用する際に、
測定対象とする部位に、
複数のマーカー（２）を安定して測定できるような幾何学的配置を有するアンカー（１）を用いて、
２つ以上のマーカーを固定することで
アンカー設置部位に
マーカーが２つ以上であればベクトル（３）を、
マーカーが３つ以上であればポリゴン（４）を、
仮想的に固定すること
および
複数アンカーを用いる場合に、アンカー上のマーカー配置を幾何学的に相似でないようにそれぞれ定義することでアンカーの識別を容易にし、
マーカーが遮蔽された場合に幾何学配置から計算する（図３）
ことを特徴とする、光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を構成するアンカー構造である。（図１）

アンカーに固定したマーカーの座標はモーションキャプチャーの分解能に応じて得られるので、
同一マーカー上の特定の２点の座標を時系列で計算することで、アンカー設置部位のベクトル変化を時系列に得られる。
同様に、
同一マーカー上の特定の３点の座標を時系列で計算することで、アンカー設置部位のポリゴンの姿勢変化を時系列に得られる。

本発明を利用するときには、以下の手順にて使用する。

上肢の拳上動作測定を例に説明する。
上腕骨内顆に追従する位置にアンカーを設置する。（図１０）

ひじを進展したままで、前腕の内旋外旋を繰り返しながら上腕の上下動を行った場合の、アンカーが構成するポリゴンの姿勢変化は、モーションキャプチャーの分解能に応じて得ることが出来る。

上記ポリゴンの姿勢変化（図１１）を、既知の空間座標変換方法（数１，２，３）により任意成分に変換することで、骨軸周り廻旋成分（図１２）と、上腕の上下動成分（図１３）をそれぞれ得ることが出来る。

１ アンカー
２ マーカー
３ 仮想の空間ベクトル
４ 仮想の空間ポリゴン
５ アンカーＮ１番目
６ アンカーＮ＋１番目
７ すべてのマーカーが露出している姿勢のアンカー
８ アンカーの姿勢変化によってマーカーが遮蔽された状態
９ 骨組構造の変形により生じた長手方向軸周りの回転変位
１０ シェル構造の変形により生じた表面曲率変化による接面方向ベクトルの変位
１１ ゴニオメーター（関節可動域測定機）

Claims (4)

1. ２つ以上のマーカーを、
   空間幾何学的に配置を固定することを特徴とする、
   光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を構成するアンカー構造。
2. 前記アンカーは、
   各アンカーに２つ以上のマーカーを空間幾何学的に配置固定することで、
   同一アンカー上の２点から仮想ベクトルを、
   同一アンカー上の３点から仮想ポリゴンを、
   それぞれアンカー設置部位に与えることを特徴とする、
   光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を構成するアンカー構造。
3. 前記
   ２つ以上のマーカーの空間幾何学的配置を固定するアンカーは、
   異なるアンカーにはそれぞれ相似ではないマーカーの空間幾何学的配置を定義することで、アンカー間の識別性を良くすることを特徴とする、
   光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を構成するアンカー構造。
4. 前記
   ２つ以上のマーカーの空間幾何学的配置を固定するアンカーは、
   １つのアンカーに４つ以上のマーカーが配置されている場合には、
   マーカーがカメラから遮蔽された場合、
   同アンカー上の他の３つ以上のマーカー情報から遮蔽されたマーカーの位置を計算できる
   ことを特徴とする、光学式モーションキャプチャー用のマーカー配置を構成するアンカー構造。