JP2015173916A

JP2015173916A - ランニングシミュレータ、制御装置およびプログラム

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Publication number: JP2015173916A
Application number: JP2014054026A
Authority: JP
Inventors: 加藤　一男; Kazuo Kato; 一男加藤; 好二斉藤; Koji Saito
Original assignee: OOBA KK
Current assignee: OOBA KK
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP6041445B2

Abstract

【課題】実際に道を走行するときに近い状況を作り出し、臨場感の高いランニングシミュレータを実現する。
【解決手段】ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データを用いるランニングシミュレータであって、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシン３０と、３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データを格納するＭＭＳデータベース１０と、ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得し、取得した距離データに対応するコース縦断データをＭＭＳデータベースから抽出し、抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、ランニングマシン３０の踏み台の傾斜角度を決定し、決定した傾斜角度を示す制御データをランニングマシン３０に出力する制御装置２０と、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データを用いてランニングマシンを制御する技術に関する。

従来から、車両を走行させながら３次元座標データと画像データとを取得することができる車載型移動計測システム（Mobile Mapping System：以下、「MMS」と呼称する）が知られている。ＭＭＳは、ＧＰＳ（Global Positioning System）で自車の位置情報を取得し、レーザスキャナで車両周辺の３次元情報を取得し、ディジタルカメラまたはディジタルビデオカメラで画像を取得し、ＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）とオドメータで位置情報を補正する機能を備えている。ＭＭＳで取得されたデータは、例えば、路線測量に利用されている（非特許文献１）。

一方、従来から、ランニングマシンが知られている。ランニングマシンは、主にユーザが屋内で有酸素運動を行なうことを目的として作られたものであり、踏み台としてのウォーキングベルトをモータの駆動力で駆動する。ユーザは、好みに応じて走行速度を調整することができる。特許文献１には、カーブ走行を考慮したランニングマシンが開示されている。また、特許文献２には、道路の画像を表示するランニングマシンが開示されている。また、特許文献３には、ウォーキングベルトの駆動速度を自動的に調整することが可能なランニングマシンが開示されている。

特開２０１３−１０２８１３号公報特開２００６−３２６２４８号公報特開２００１−１９８２３４号公報

太田、渡邊、今井著 "モービルマッピングシステム（ＭＭＳ）を利用した路線測量について"http://www.hrr.mlit.go.jp/library/happyoukai/h23/ino_kosuto/1-18.pdf

従来、ＭＭＳで取得した高精度の３次元点群データは、路線測量に使用されていたが、これがランニングマシンの制御に用いられることはなかった。ランニングマシンの踏み台の傾斜角度が可変となるように構成し、アクチュエータ等の駆動装置によって踏み台に駆動力を与えることによって、自動的に踏み台の傾斜角度を変更させることができるが、その傾斜角度の制御を、３次元点群データを用いて行なうことによって、実際の道路の状態に近い状態をランニングマシンに付与することができると考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実際に道を走行するときに近い状況を作り出し、臨場感の高いランニングシミュレータを実現することができるランニングシミュレータ、制御装置およびプログラムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成させるため、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明のランニングシミュレータは、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データを用いるランニングシミュレータであって、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンと、前記３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データを格納するＭＭＳデータベースと、前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する取得部と、前記取得した距離データに対応するコース縦断データを前記ＭＭＳデータベースから抽出する抽出部と、前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する制御部と、を備え、前記ランニングマシンは、前記制御データに基づいて、前記駆動装置を駆動し、前記踏み台の傾斜角度を変更することを特徴とする。

（２）また、本発明のランニングシミュレータにおいて、前記ＭＭＳデータベースは、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを格納し、前記制御部は、前記取得した距離データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力することを特徴とする。

（３）また、本発明の制御装置は、画像を表示するディスプレイを備えると共に、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンを制御する制御装置であって、前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する取得部と、前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データをＭＭＳデータベースから抽出する抽出部と、前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する制御部と、を備え、前記ランニングマシンに対し、前記駆動装置を駆動させ、前記踏み台の傾斜角度を変更させることを特徴とする。

（４）また、本発明の制御装置において、前記ＭＭＳデータベースは、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを格納し、前記制御部は、前記取得した距離データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力することを特徴とする。

（５）また、本発明のプログラムは、画像を表示するディスプレイを備えると共に、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンを制御するプログラムであって、前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する処理と、前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データをＭＭＳデータベースから抽出する処理と、前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する処理と、前記ランニングマシンにおいて、前記制御データに基づいて、前記駆動装置を駆動し、前記踏み台の傾斜角度を変更する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。

（６）また、本発明のプログラムは、前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力する処理を更に含むことを特徴とする。

本発明によれば、実際に道を走行するときに近い状況を作り出し、臨場感の高いランニングシミュレータを実現することが可能となる。

本実施形態に係るランニングシミュレータの概略構成を示すブロック図である。制御装置の概略構成を示すブロック図である。ＭＭＳで３次元点群データを取得し、取得した３次元点群データに基づいて、ランニングマシンを制御するためのデータを作成する動作を示すフローチャートである。点群データの作成の詳細を示すフローチャートである。コース形状データの作成の詳細を示すフローチャートである。勾配データベースを作成する際の概念を示す図である。ランニングマシンの走行距離に応じた勾配変化情報のデータベースを示す。傾斜角度（％）、換算走行距離（ｋｍ）、消費カロリー（ｃａｌ）、ＭＥＴＳ、走行距離比、およびベルト回転数減少量比の対応関係を示すテーブルである。動画データ作成の詳細を示すフローチャートである。本実施形態に係るランニングシミュレータにおいて、ランニングマシンの機械的制御を示すフローチャートである。本実施形態に係るランニングシミュレータの使用時の動作を示すフローチャートである。

本発明者らは、ＭＭＳで取得した高精度の３次元点群データに着目し、これをランニングマシンの傾斜角度の制御と、走行時に再現する映像に用いることによって、臨場感の高いランニングシミュレータを実現できることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データを用いるランニングシミュレータであって、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンと、前記３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データを格納するＭＭＳデータベースと、前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する取得部と、前記取得した距離データに対応するコース縦断データを前記ＭＭＳデータベースから抽出する抽出部と、前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する制御部と、を備え、前記ランニングマシンは、前記制御データに基づいて、前記駆動装置を駆動し、前記踏み台の傾斜角度を変更することを特徴とする。

また、本発明において、前記ＭＭＳデータベースは、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを格納し、前記制御部は、前記取得した距離データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力することを特徴とする。

これにより、本発明者らは、実際に道を走行するときに近い状況を作り出し、臨場感の高いランニングシミュレータを実現することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１Ａは、本実施形態に係るランニングシミュレータの概略構成を示すブロック図であり、図１Ｂは、制御装置の概略構成を示すブロック図である。図１Ａに示すように、本実施形態に係るランニングシミュレータは、ＭＭＳデータベース１０と、制御装置２０と、ランニングマシン３０と、から構成されている。ＭＭＳデータベース１０は、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データを格納する。また、コース横断データを格納しても良い。また、ＭＭＳデータベース１０は、ＭＭＳで取得され３次元点群データに対応する動画データを格納する。

制御装置２０は、図１Ｂに示す構成を採る。すなわち、取得部２０ａは、ランニングマシン３０から、走行距離を示す距離データを取得する。抽出部２０ｂは、取得部２０ａが取得した距離データに対応するコース縦断データを、ＭＭＳデータベース１０から抽出する。制御部２０ｃは、抽出部２０ｂが抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、ランニングマシン３０の踏み台の傾斜角度を決定し、決定した傾斜角度を示す制御データをランニングマシン３０に出力する。また、制御部２０ｃは、ランニングマシン３０から取得した距離データに対応する動画データを、ＭＭＳデータベースから抽出する。そして、抽出した動画データを、取得した距離データと同期するようにランニングマシン３０が備えるディスプレイに出力する。

ランニングマシン３０は、踏み台としてのウォーキングベルトをモータの駆動力で駆動する。また、踏み台に対して駆動力を与える駆動装置を備え、制御装置２０から入力される制御データに基づいて、駆動装置が踏み台に駆動力を与え、踏み台の傾斜角度を変更する。また、ランニングマシン３０は、画像を表示するディスプレイを備える。さらに、音声を出力するスピーカを備えていても良い。

図２は、ＭＭＳで３次元点群データを取得し、取得した３次元点群データに基づいて、ランニングマシンを制御するためのデータを作成する動作を示すフローチャートである。すなわち、点群データの作成（ＳｔｅｐＤ）、コース形状データの作成（ＳｔｅｐＲ）、および動画データの作成（ＳｔｅｐＣ）である。

図３は、図２に示した点群データの作成（ＳｔｅｐＤ）の詳細を示すフローチャートである。まず、ＭＭＳで道路を走行し、コースを計測する（ステップＤ１）。このステップＤ１において、点群データおよび画像（動画データ）を取得することができる。次に、点群データへ地理座標情報を付与すると共に、カラー情報を付与する（ステップＤ２）。次に、ゴーストおよびエラーデータのチェックをする（ステップＤ３）。ゴーストとは、映像撮影時に映り込んでしまったハレーション、影または障害物などのことである。ステップＤ３において、エラーがある場合は、ゴーストまたはエラーを修正する（ステップＤ４）。ステップＤ３において、ゴーストおよびエラーが無ければ、終了する。

図４は、図２に示したコース形状データの作成（ＳｔｅｐＲ）の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップＲ１において、車両の自己位置データを入力し（ステップＲ２）、始点から終点まで、順に線分で接続する。すなわち、線データ化を行なう。次に、作成した線データをコース形状に整形し、コース２次元線形データの作成を行なう（ステップＲ３）。次に、ステップＲ４において、バッファ半径を２ｍに設定し（ステップＲ５）、コース線形データよりバッファを発生させて、コース領域を作成する。次に、ステップＲ６において、点群データを入力し（ステップＲ７）、コース領域を利用して、入力した点群データ内より、路面に相当する点群を抽出する。

次に、路面点群データから、道路地形ＴＩＮモデルの生成を行なう（ステップＲ８）。次に、地形ＴＩＮモデルから地表高さをコースデータに付与する（ステップＲ９）。そして、コースの縦断データを作成する（ステップＲ１０）。次に、コースの縦断データより、道路縦断勾配と、勾配変化地点までの追加距離を算出し（ステップＲ１１）、コース線形データに対し、横断方向の勾配を、道路地形ＴＩＮモデルを利用して算出し、横断方向の勾配変化地点までの追加距離を算出する（ステップＲ１２）。そして、勾配データベースを作成して（ステップＲ１２）、終了する。

図５Ａは、勾配データベースを作成する際の概念を示す図である。まず、進行方向の勾配設定、すなわち、縦断勾配について説明する。道路構造令で規定されている道路最大勾配は、普通道路では、９％、小型道路では１２％となっている。このため、ＭＭＳで取得できる最大勾配は１２％となる。従って、本実施形態に係るランニングシミュレータにおいては、設定する縦断勾配の範囲を「−１２％〜１２％」とする。また、ランニングマシンの制御機構を単純化するために、取り扱う縦断勾配の変化量は、１％ピッチに分類し、全部で２５段階の勾配を設定可能とする。

次に、横方向の勾配設定、すなわち、横断勾配について説明する。道路構造令で規定されている舗装道の勾配は、１．５％〜２％となっているため、ＭＭＳで取得できる勾配も、この範囲となる。従って、本実施形態に係るランニングシミュレータにおいては、設定する横断勾配の範囲を「−２％〜２％」とする。また、ランニングマシンの制御機構を単純化するために、取り扱う横断勾配の変化量は、０．５％ピッチに分類し、全部で９段階の勾配を設定可能とする。

このような方法で、コース内の縦断勾配および横断勾配を、ＭＭＳデータより作成した３Ｄ路面データから計測し、ランニングマシンの走行距離に応じた勾配変化情報を作成し、データベース化する。図５Ｂは、ランニングマシンの走行距離に応じた勾配変化情報のデータベースを示す。

次に、走行時の酸素摂取量を求める手法について説明する。「Ａ＝分速×０．２」を水平成分とし、「Ｂ＝分速×０．９×％（斜度）」を垂直成分とし、「Ｃ＝３．５」を安静時成分とすると、次式で求めることができる。
酸素摂取量（ｍｌ／ｋｇ／分）＝（分速×０．２）＋（分速×０．９×％（斜度））＋３．５
また、消費カロリーは、次式で求めることができる。
消費カロリー（ｃａｌ／ｋｇ／分）＝５×酸素摂取量（ｍｌ／ｋｇ／分）
また、エネルギー消費量は、次式で求めることができる。
エネルギー消費量（ｃａｌ／ｋｇ／分）＝ＭＥＴＳ×体重（ｇ）×運動時間（ｈ）、ただし、「ＭＥＴＳ」とは、「Metabolic equivalents」であり、また、１ｋｃａｌ＝４．１８４ｋｊである。

図５Ｃは、傾斜角度（％）、換算走行距離（ｋｍ）、消費カロリー（ｃａｌ）、ＭＥＴＳ、走行距離比、およびベルト回転数減少量比の対応関係を示すテーブルである。例えば、体重６５ｋｇのユーザが、平坦地を平均時速１０ｋｍ／ｈで、６０分のランニングを行なった場合を基準として、各勾配の酸素摂取量より、換算走行距離を算出する。基準値と各傾斜における算出値の走行距離比を運動負荷量とし、ランニングマシンの回転数制御に用いる。

図６は、図２におけるＳｔｅｐＣの動画データ作成の詳細を示すフローチャートである。まず、ランニングマシンに利用者（ユーザ）情報を入力する（ステップＣ１）。利用者情報には、利用者名や利用者ＩＤなどの利用者を特定する情報と共に、利用者の身長を入力する。利用者の身長が入力されると、「視点高さデータ」を算出する。具体的には、利用者の視点の高さは、統計的に、人の目から額、頭頂部まで、概ね８ｃｍ〜１１ｃｍであることが分かっているため、入力された身長から１０ｃｍを減算した値を、「視点高さ」とする。

次に、ランニングマシンから利用者情報を映像制御機器（ディスプレイ）へ送信する（ステップＣ２）。次に、映像制御機器内でコースデータ（地表高さ）に視点の高さを追加し、映像中心位置をセットする（ステップＣ３）。次に、ランニングマシンから距離データを取得し（ステップＣ４）、コース縦断データ内において、ランニングマシンから取得した距離データを検索する（ステップＣ５）。そして、検出した距離データに対応した位置の映像を出力する（ステップＣ７）。

図７は、本実施形態に係るランニングシミュレータにおいて、ランニングマシンの機械的制御を示すフローチャートである。まず、ランニングマシンから距離データを取得する（ステップＳ１）。次に、コース縦断データ内において、ランニングマシンから取得した距離データに対応するコース縦断データを検索する（ステップＳ２）。そして、検索結果としてのコース縦断データに示される傾斜角を利用して、ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定する（ステップＳ３）。

図８は、本実施形態に係るランニングシミュレータの使用時の動作を示すフローチャートである。まず、コースデータの読み込みを行なう（ステップＴ１）。ここでは、「１．映像データ」および「２．ランニングコースデータ」を読み込む。また、ユーザによって、ランニングマシンの初期設定が行なわれる（ステップＴ２）。ここでは、「１．コース選択」、「２．走行者情報（身長）」および「３．ランニング速度」が入力される。次に、視点高さデータを算出する（ステップＴ３）。すなわち、入力された身長から１０ｃｍが減算される。そして、３次元ランニングコースデータの地表から視点までの高さを設定する（ステップＴ３）。

次に、動画データとしての映像開始位置を設定する（ステップＴ４）。ここでは、基本データとして、映像投影視野角を６０度とし、目線の角度を下方向に４５度とし、ランナーの姿勢を地球中心に対して垂直であるとする（ステップＴ５）。ここで、映像投影視野角を６０度とするのは、人の注視点が安定して見える視野が６０度〜９０度であるためである。また、目線の角度を下方向に４５度とするのは、長距離ランナーの一般的な目線が、下方向に４５度であることが経験的に分かっているからである。また、ランナーの姿勢を地球中心に対して垂直であるとするのは、統計的な人の走行姿勢が地球中心に対して垂直だからである。

次に、ユーザがランニングを開始すると、ゴールに到達したかどうかを判断する（ステップＴ６）。ゴールに到達していない場合は、３次元ランニングコースデータ上で、開始点からの追加距離に視点が移動したとして、その視点位置からの映像をディスプレイに投影する（ステップＴ７）。そして、視点位置から進行方向に対する傾斜角および視点位置の進行方向に対する横方向の傾斜角をランニングマシンに出力し（ステップＴ８）、ステップＴ６に遷移する。これにより、ランニングマシンの踏み台に、視点位置から進行方向に対する傾斜角および視点位置の進行方向に対する横方向の傾斜角が付くこととなる（ステップＴ９）。

一方、ランニングマシンにおける走行が継続されると、ランニングマシンから走行距離データが出力され（ステップＴ１１）、ステップＴ７に遷移する。ステップＴ６において、ゴールに到達すると、ランニングが終了となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、実際に道を走行するときに近い状況を作り出し、臨場感の高いランニングシミュレータを実現することが可能となる。

１０ＭＭＳデータベース
２０制御装置
２０ａ取得部
２０ｂ抽出部
２０ｃ制御部
３０ランニングマシン

Claims

ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データを用いるランニングシミュレータであって、
駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンと、
前記３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データを格納するＭＭＳデータベースと、
前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する取得部と、
前記取得した距離データに対応するコース縦断データを前記ＭＭＳデータベースから抽出する抽出部と、
前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する制御部と、を備え、
前記ランニングマシンは、前記制御データに基づいて、前記駆動装置を駆動し、前記踏み台の傾斜角度を変更することを特徴とするランニングシミュレータ。
前記ＭＭＳデータベースは、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを格納し、
前記制御部は、前記取得した距離データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力することを特徴とする請求項１記載のランニングシミュレータ。
画像を表示するディスプレイを備えると共に、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンを制御する制御装置であって、
前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する取得部と、
前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データをＭＭＳデータベースから抽出する抽出部と、
前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する制御部と、を備え、
前記ランニングマシンに対し、前記駆動装置を駆動させ、前記踏み台の傾斜角度を変更させることを特徴とする制御装置。
前記ＭＭＳデータベースは、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを格納し、
前記制御部は、前記取得した距離データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力することを特徴とする請求項３記載の制御装置。
画像を表示するディスプレイを備えると共に、駆動装置から得られる駆動力によって踏み台の傾斜角度を変更するランニングマシンを制御するプログラムであって、
前記ランニングマシンから、走行距離を示す距離データを取得する処理と、
前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳ（Mobile Mapping System）で取得した３次元点群データに基づいて作成されたコース縦断データをＭＭＳデータベースから抽出する処理と、
前記抽出したコース縦断データに示される傾斜角に応じて、前記ランニングマシンの踏み台の傾斜角度を決定し、前記決定した傾斜角度を示す制御データを前記ランニングマシンに出力する処理と、
前記ランニングマシンにおいて、前記制御データに基づいて、前記駆動装置を駆動し、前記踏み台の傾斜角度を変更する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
前記取得した距離データに対応すると共に、ＭＭＳで取得され前記３次元点群データに対応する動画データを前記ＭＭＳデータベースから抽出し、前記抽出した動画データを、前記取得した距離データと同期するように前記ランニングマシンが備えるディスプレイに出力する処理を更に含むことを特徴とする請求項５記載のプログラム。