JP2020190060A - ３次元頭部モデル作成システム、及び３次元頭部モデル作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち、高価な装置を用いることなく、しかも対象者に負担をかけることがなく、さらに従来技術に比して高精度かつ容易に頭部の３次元モデルを作成することができる３次元頭部モデル作成システムと、これを用いた３次元頭部モデル作成方法を提供することである。【解決手段】 本願発明の３次元頭部モデル作成システムは、複数の文字が表示された印字シートで覆われた頭部の画像に基づいて、頭部の３次元モデルを作成するシステムであって、画像取得手段とモデル作成手段を備えたものである。このうち画像取得手段は、頭部画像を取得する手段であり、モデル作成手段は、頭部全周を網羅するように複数方向から撮影された頭部画像に対して空間演算処理を行うことで頭部の３次元モデルを作成する手段である。【選択図】図２

Description

本願発明は、複数の画像から頭部の３次元モデルを作成する技術であり、より具体的には、複数の文字が表示された印字シートを利用することによって頭部の３次元モデルを作成する３次元頭部モデル作成システムと、これを用いた３次元頭部モデル作成方法に関するものである。

一般的にオーダーメードのかつらは、型取り、かつらベースの形成、そして擬毛の植設といった工程を経て製造される。このうち型取りの工程は、かつらの使い心地を決定する極めて重要な工程であり、さらに型取りのために実施される頭部計測の精度がかつらの良否を決定づけるとも言える。

型取りのための頭部計測は、対象者（依頼者）の頭部形状を再現するために行われる計測であり、従来、熱した樹脂状のものを直接対象者の頭部に載せ、これを硬化させた型枠を取得することで頭部形状を再現していた。あるいは、レーザ計測装置を利用して対象者の頭部を計測する者もいた。

しかしながら、熱した樹脂状のものを利用する手法では、対象者に負担がかかるうえ製作者によって型枠の精度が異なるといった問題があり、一方のレーザ計測による手法では、レーザ計測装置が著しく高価であるが故に導入や入れ替え（リプレース）が難しいといった問題があった。

そのため、レーザ計測装置を用いることなく、しかも対象者に負担をかけることがない計測手法の実現が、これまで切望されていた。そこで特許文献１では、画像を用いて対象者の頭部形状を再現する技術について提案している。

特開２０１６−００３４２７号公報

特許文献１で開示される技術は、対象者の頭部に多数の特徴点を貼り付けたうえで複数の画像を取得し、これらの画像から頭部の３次元モデルを作成するものであり、レーザ計測装置など高価な装置を必要としない。しかしながら、頭部に多数の特徴点を貼り付ける手間がかかるうえ、対象者によっては特徴点の貼り付けを拒むこともある

本願発明の課題は、従来の問題を解決することであり、すなわち、高価な装置を用いることなく、しかも対象者に負担をかけることがなく、さらに従来技術に比して高精度かつ容易に頭部の３次元モデルを作成することができる３次元頭部モデル作成システムと、これを用いた３次元頭部モデル作成方法を提供することである。

本願発明は、複数の文字が表示された印字シートで対象者の頭部を覆い、その状態で撮影した頭部の画像を用いて３次元モデルを作成する、という点に着目したものであり、従来にはなかった発想に基づいてなされた発明である。

本願発明の３次元頭部モデル作成システムは、複数の文字が表示された印字シートで覆われた頭部の画像に基づいて、頭部の３次元モデルを作成するシステムであって、画像取得手段とモデル作成手段を備えたものである。このうち画像取得手段は、頭部画像（印字シートが頭部に密着した状態の画像）を取得する手段であり、モデル作成手段は、頭部全周を網羅するように複数方向から撮影された頭部画像に対して空間演算処理を行うことで頭部の３次元モデルを作成する手段である。なお、モデル作成手段が用いる複数の頭部画像のうち一部の頭部画像には、寸法が既値であるスケールが収められる。

本願発明の３次元頭部モデル作成システムは、姿勢計測手段と警告手段をさらに備えたものとすることもできる。この姿勢計測手段は、画像取得手段の姿勢を計測する手段であり、警告手段は、今回撮影時と前回撮影時の水平撮影方向の較差が角度閾値を上回るときに警告を通知する手段である。ここで水平撮影方向は、画像取得手段の撮影方向を水平面に投影した方向である。

本願発明の３次元頭部モデル作成システムは、姿勢案内手段をさらに備えたものとすることもできる。この姿勢案内手段は、画像取得手段の表示部に立体顔モデルを透過表示することによって、画像取得手段の撮影姿勢を案内する手段である。また姿勢案内手段は、画像取得手段で頭部画像を取得すると、立体顔モデルをあらかじめ定めた角度だけ鉛直軸周りに回転して透過表示させる。この場合、立体顔モデルの方向と頭部の向きとを合わせるように画像取得手段の姿勢を決定して撮影していくと、複数の頭部画像によって頭部全周を網羅することができる。

本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、複数の文字が表示された印字シートで覆われた対象者の頭部を撮影した複数の画像に基づいて、頭部の３次元モデルを作成する方法であって、準備工程と画像取得工程、モデル作成工程を備えた方法である。このうち準備工程では、対象者が頭部全体を覆うように、かつ頭部に密着するように印字シートを頭部に装着する。また画像取得工程では、対象者の周囲を移動しながら印字シートが装着された頭部を撮影して複数の頭部画像を取得し、モデル作成工程では、画像取得工程で取得した複数の頭部画像に対して空間演算処理を行うことで対象者の頭部の３次元モデルを作成する。なお画像取得工程では、取得する複数の頭部画像のうち一部の頭部画像に、寸法が既値であるスケールが収められるように撮影する。

本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、準備工程において、新聞紙面が印字された印字シートを頭部に装着する方法とすることもできる。

本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、準備工程において、印字シートで形成された帽子を被る方法とすることもできる。

本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、準備工程において、印字シートの頭部装着に加え、印字シートで形成された前掛け（あるいはケープ）を着用する方法とすることもできる。

本願発明の３次元頭部モデル作成システム、及び３次元頭部モデル作成方法には、次のような効果がある。
（１）レーザ計測装置など高価な装置を必要とすることなくカメラなど（画像取得手段）を用いるだけであり、安価かつ容易に３次元モデルを作成することができる。
（２）印字シートを頭部に装着するだけであり、対象者にかかる負担を従来に比して大幅に低減することができる。
（３）印字シートに表示された文字等が特徴点として利用できることから、従来に比して高い精度で３次元モデルを作成することができる。

（ａ）は画像取得手段を用いて頭部全周を網羅するように複数方向から撮影する状況を示すモデル図、（ｂ）は印字シートで形成されたキャップ（帽子）が頭部に密着した状況を示す写真図。 本願発明の３次元頭部モデル作成システムの主な構成を示すブロック図。 本願発明の３次元頭部モデル作成システムの主な処理の流れを示すフロー図。 帽子型印字シートを示す写真図。 （ａ）は帽子型印字シートを被った対象者を背後から撮影した写真図、（ｂ）は帽子型印字シートを被った対象者を斜め前方から撮影した写真図。 スケールの一例を示すモデル図。 （ａ）は英字新聞の紙面が印字されたエプロン型印字シートを示す写真図、（ｂ）はエプロン型印字シートを装着した対象者を前方から撮影した写真図。 連続する２回の撮影に係る水平撮影方向によって求められる方向較差を説明するモデル図。 スマートフォンの液晶ディスプレイに透過表示された立体顔モデルを示す写真図。 本願発明の３次元頭部モデル作成方法の主な工程を示すフロー図。

本願発明の３次元頭部モデル作成システム、及び３次元頭部モデル作成方法の一例を、図に基づいて説明する。

１．全体概要
本願発明は、スマートフォンなどの画像取得手段１０１を用いて対象者の頭部を撮影した画像（以下、「頭部画像」という。）に基づいて、頭部の３次元モデル（以下、「頭部３Ｄモデル」という。）を作成することをひとつの特徴としている。頭部３Ｄモデルを作成するためには、図１（ａ）に示すように、頭部全周を網羅するよう複数方向から撮影された頭部画像が利用される。

頭部画像を取得するにあたっては、図１（ｂ）に示すように、「印字シート２００」が頭部に密着した状態で撮影される。この印字シートは、新聞紙面など多数の印字されたシート状のものであり、例えば図１（ｂ）のように文字が印字されたキャップ（帽子）などを利用することができる。

２．３次元頭部モデル作成システム
本願発明の３次元頭部モデル作成システムについて、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、本願発明の３次元頭部モデル作成システムを用いて頭部３Ｄモデルを作成する方法であり、したがってまずは本願発明の３次元頭部モデル作成システムについて説明し、その後に本願発明の３次元頭部モデル作成方法について説明することとする。

図２は、本願発明の３次元頭部モデル作成システム１００の主な構成を示すブロック図である。この図に示すように３次元頭部モデル作成システム１００は、画像取得手段１０１とモデル作成手段１０２、姿勢計測手段１０３を含んで構成され、さらに警告手段１０４や姿勢案内手段１０５、頭部画像記憶手段１０６、ディスプレイやプリンタといった出力手段１０７などを含んで構成することもできる。

３次元頭部モデル作成システム１００を構成する画像取得手段１０１は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラなどを利用することができ、特にスマートフォンやタブレット型コンピュータといった携帯端末を利用するとよい。また、モデル作成手段１０２と警告手段１０４、姿勢案内手段１０５は、専用のものとして製造することもできるし、汎用的なコンピュータ装置を利用することもできる。このコンピュータ装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や、ｉＰａｄ（登録商標）といったタブレット型ＰＣ、スマートフォンを含む携帯端末などによって構成することができる。コンピュータ装置は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを具備しており、さらにマウスやキーボード等の入力手段やディスプレイを含むものもある。姿勢計測手段１０３は、画像取得手段１０１の撮影姿勢を計測するセンサであり、角速度センサや地磁気センサなどを利用することができる。なお、スマートフォンやタブレット型コンピュータといった携帯端末を利用すれば、３次元頭部モデル作成システム１００を構成する画像取得手段１０１とモデル作成手段１０２、姿勢計測手段１０３、警告手段１０４、姿勢案内手段１０５を１つの携帯端末に備えることができて好適となる。

頭部画像記憶手段１０６は、汎用的コンピュータ（例えば、スマートフォンやタブレット型コンピュータなど）の記憶装置を利用することもできるし、そのほかデータベースサーバに構築することもできる。データベースサーバに構築する場合、ローカルなネットワーク（ＬＡＮ：Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）に置くこともできるし、インターネット経由（つまり無線通信）で保存するクラウドサーバとすることもできる。

以下、図３を参照しながら３次元頭部モデル作成システム１００の主な処理について詳しく説明する。図３は、本願発明の３次元頭部モデル作成システム１００の主な処理の流れを示すフロー図である。なおこれらのフロー図では、中央の列に実施する行為を示し、左列にはその行為に必要なものを、右列にはその行為から生ずるものを示している。

３次元頭部モデル作成システム１００は、既述したとおり対象者の頭部を撮影した複数の頭部画像に基づいて頭部３Ｄモデルを作成する。そしてこの頭部画像は、印字シート２００が対象者の頭部を覆うように、しかも印字シート２００が頭部に密着した状態で撮影されたものである。また印字シート２００は、多数の文字（例えば、新聞紙面や雑誌記事など）が印字されたシート状のものであり、タオルや紙に印字したものを印字シート２００として利用したり、テープや包帯に印字したものを印字シート２００として利用したりすることができる。

特に頭部への密着性を考慮すると、図４に示すように帽子の表面に文字が印字された印字シート２００（以下、「帽子型印字シート２００Ｃ」という。）を利用するとよい。この帽子型印字シート２００Ｃは、人が被ることができるものであり、いわゆるニット帽やメッシュ帽のように弾力性かつ伸縮性を有するものである。そのため、図５（ａ）や図５（ｂ）に示すように対象者が帽子型印字シート２００Ｃを被ると、その頭部形状に柔軟に適合（フィット）し、すなわち適切に密着するわけである。

頭部３Ｄモデルを作成するために用いられる複数の頭部画像の中には、図５（ｂ）に示すようにスケール３００が収められた（撮影された）頭部画像を含める必要がある。このスケール３００は、あらかじめ主要な寸法が既値とされているものであり、たとえば図６に示すように四隅にそれぞれ異なるマークを配置したカード状のものを利用することができる。この図に示すスケール３００の場合、長辺の長さと短辺の長さ（あるいはいずれか一方）や、対角線の長さなどを既値とするとよい。

頭部画像は、印字シート２００が対象者の頭部に装着された（例えば、帽子型印字シート２００Ｃを被った）状態で撮影されたものと説明したが、頭部への印字シート２００の装着に加え、前掛けやケープ、エプロンなどの表面に文字が印字された印字シート２００（以下、「エプロン型印字シート２００Ａ」という。）をさらに装着した状態で撮影されたものとすることもできる。図７（ａ）に英字新聞の紙面が印字されたエプロン型印字シート２００Ａを示し、図７（ｂ）にこのエプロン型印字シート２００Ａを装着した対象者を示す。後述するように、モデル作成手段１０２が頭部３Ｄモデルを作成する際には、印字シート２００に表示されている文字（あるいは文字群）を特徴点として複数の頭部画像を接続していくことから、帽子型印字シート２００Ｃに加えエプロン型印字シート２００Ａが画像に含まれると、より適当な特徴点を抽出しやすくなるわけである。

対象者の頭部に印字シート２００（例えば、帽子型印字シート２００Ｃ）が装着され（あるいは、さらにエプロン型印字シート２００Ａが装着され）、適当な位置にスケール３００が配置されると、撮影者が頭部画像を取得していく。具体的には、画像取得手段１０１を構え、すなわち撮影者が画像取得手段１０１を所定の位置と姿勢に配置し（図３のＳｔｅｐ１０）、頭部画像を取得する（図３のＳｔｅｐ４０）。なお撮影者が画像取得手段１０１を所定の姿勢に配置すると、姿勢計測手段１０３によって画像取得手段１０１の水平撮影方向が計測される（図３のＳｔｅｐ２０）。ここで水平撮影方向とは、画像取得手段１０１の撮影方向を水平面に投影した方向である。

最初（１枚目）の頭部画像を取得すると、撮影者は前回（１枚目）とは異なる姿勢となるように画像取得手段１０１を所定の位置と姿勢に配置する。そして姿勢計測手段１０３によって画像取得手段１０１の水平撮影方向が計測され、今回（２回目）の水平撮影方向と前回（１回目）の水平撮影方向とからなる挟角（以下、図８に示すように「方向較差」という。）を評価する（図３のＳｔｅｐ３０）。すなわち、方向較差があらかじめ定めた「角度閾値」を下回るとき（図３のＳｔｅｐ３０のＹｅｓ）は次の処理に進み、方向較差が角度閾値を上回るとき（図３のＳｔｅｐ３０のＮｏ）は警告手段１０４によって警告が通知される。

モデル作成手段１０２が頭部３Ｄモデルを作成するため複数の頭部画像を接続していくには、頭部画像どうしがある程度重複（ラップ）している必要がある。すなわち、連続する２回の撮影による方向較差が過度に大きくなると、頭部画像どうしが適度に重複せず、結果的に適切な頭部３Ｄモデルを作成することができない。そこで、あらかじめ角度閾値を設定しておき、後続の撮影時の水平撮影方向が不適である（つまり、方向較差が角度閾値を上回る）とき、警告手段１０４が警告を通知することで適切な水平撮影方向に修正するよう促すわけである。なお、角度閾値の大きさは、状況に応じて適宜設定することができる。例えば図８では、角度閾値を１５°として設定しており、さらに方向較差も角度閾値（つまり１５°）を保って２４方向から撮影している。もちろんこれに限らず、角度閾値を２２．５°として１６方向から撮影するなど、状況に応じて種々の角度閾値と方向較差で撮影することができる。

適当な方向較差をもって撮影していくには、図９に示す姿勢案内手段を利用することもできる。この図に示すように姿勢案内手段は、スマートフォンなどの画像取得手段１０１の表示部（液晶ディスプレイなど）に、立体顔モデルＦＭを透過表示する手段である。またこの姿勢案内手段は、画像取得手段１０１で撮影するたびに、あらかじめ定めた角度（以下、「単位回転角度」という。）だけ立体顔モデルＦＭを鉛直軸周りに回転して透過表示させる。

この場合、撮影者は、対象者の頭部（特に顔）の向きと立体顔モデルＦＭの向きを合わせたうえで撮影するとよい。単位回転角度を角度閾値以下に設定しておけば、適当な方向較差をもって撮影していくことができるわけである。さらに姿勢案内手段は、頭部全周を網羅するよう複数方向から（つまり、図８に示すように３６０°方向から）撮影できたとき、その旨（全周撮影の完了）を通知する機能を備えることもできる。例えば、所定の撮影回数（例えば、３６０°を単位回転角度で除した値）がカウントされたとき、あるいは姿勢計測手段１０３によって計測された結果に基づいて、「全周撮影完了」を通知することができる。

対象者の周囲を移動しながら、つまり適当な方向較差を保ちつつ水平撮影方向を変えながら、頭部全周を網羅するように頭部画像を順次取得していく。そして、撮影者自身の判断によって、あるいは姿勢案内手段による「全周撮影完了」の通知によって、頭部全周を網羅できたとき頭部画像の取得を終了する（図３のＳｔｅｐ５０のＹｅｓ）。取得された頭部画像は、頭部画像記憶手段１０６に記憶される。

対象者の頭部全周を網羅する頭部画像が取得できると、モデル作成手段１０２によって当該対象者の頭部３Ｄモデルが作成される（図３のＳｔｅｐ６０）。具体的には、モデル作成手段１０２が頭部画像記憶手段１０６から複数の頭部画像を読み出し、ステレオペア画像によるバンドル調整や、ＳｆＭ（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｒｏｍ Ｍｏｔｉｏｎ）といった写真測量技術を利用して頭部３Ｄモデルを作成する。このとき、適当な方向較差を保ちつつ撮影したことから隣り合う頭部画像は適切に一部重複（ラップ）しており、そしてその重複部分に表示された「文字（あるいは文字群）」が特徴点として好適に利用されるわけである。もちろん特徴点として利用される「文字（あるいは文字群）」は、帽子型印字シート２００Ｃやエプロン型印字シート２００Ａといった印字シート２００に表示されたものである。

対象者の頭部３Ｄモデルが作成されると、ディスプレイやプリンタといった出力手段１０７によって頭部３Ｄモデルが出力される。特に、３Ｄプリンタによって頭部３Ｄモデルを出力すると、かつらベースを作成する際に有効に活用することができる。

３．３次元頭部モデル作成方法
次に、本願発明の３次元頭部モデル作成方法ついて図を参照しながら説明する。なお、本願発明の３次元頭部モデル作成方法は、ここまで説明した３次元頭部モデル作成システム１００を使用して頭部３Ｄモデルを作成する方法であり、したがって３次元頭部モデル作成システム１００で説明した内容と重複する説明は避け、本願発明の３次元頭部モデル作成方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「２．３次元頭部モデル作成システム」で説明したものと同様である。

図１０は、本願発明の３次元頭部モデル作成方法の主な工程を示すフロー図である。この図に示すように、まず対象者が印字シート２００を装着するとともに、適当な位置にスケール３００を配置する「準備工程」を行う（Ｓｔｅｐ２０１）。既述したとおり対象者は、帽子型印字シート２００Ｃを被ることで印字シート２００を装着することができ、さらに加えてエプロン型印字シート２００Ａを装着してもよい。

準備が整うと、撮影者が頭部画像を取得していく（Ｓｔｅｐ２０２）。より詳しくは、対象者の周囲を移動しながら（適当な方向較差を保ちつつ水平撮影方向を変えながら）、頭部全周を網羅するまで頭部画像を順次取得していく。そしてモデル作成手段１０２が、頭部画像記憶手段１０６から複数の頭部画像を読み出すとともに、これら頭部画像を用いて対象者の頭部３Ｄモデルを作成する（Ｓｔｅｐ２０３）。

本願発明の３次元頭部モデル作成システム、及び３次元頭部モデル作成方法は、頭部全体を覆うかつらや部分的に覆う部分かつら、ウィッグなどに利用できるほか、帽子やヘルメットのサイズを把握する場合などにも利用することができる。

１００ ３次元頭部モデル作成システム
１０１ （３次元頭部モデル作成システムの）画像取得手段
１０２ （３次元頭部モデル作成システムの）モデル作成手段
１０３ （３次元頭部モデル作成システムの）姿勢計測手段
１０４ （３次元頭部モデル作成システムの）警告手段
１０５ （３次元頭部モデル作成システムの）姿勢案内手段
１０６ （３次元頭部モデル作成システムの）頭部画像記憶手段
１０７ （３次元頭部モデル作成システムの）出力手段
２００ 印字シート
２００Ａ エプロン型印字シート
２００Ｃ 帽子型印字シート
３００ スケール
ＦＭ 立体顔モデル

Claims (7)

1. 複数の文字が表示された印字シートで覆われた頭部の画像に基づいて、頭部の３次元モデルを作成するシステムであって、
   前記印字シートが頭部に密着した状態の画像である頭部画像を取得する画像取得手段と、
   頭部全周を網羅するように複数方向から撮影された前記頭部画像に対して空間演算処理を行うことで、頭部の３次元モデルを作成するモデル作成手段と、を備え、
   前記モデル作成手段が用いる複数の前記頭部画像のうち一部の該頭部画像には、寸法が既値であるスケールが収められた、
   ことを特徴とする３次元頭部モデル作成システム。
2. 前記画像取得手段の姿勢を計測する姿勢計測手段と、
   前記画像取得手段の水平撮影方向と、前回撮影時の該水平撮影方向と、の較差が角度閾値を上回るときに警告を通知する警告手段と、をさらに備え、
   前記水平撮影方向は、前記画像取得手段の撮影方向を水平面に投影した方向である、
   ことを特徴とする請求項１記載の３次元頭部モデル作成システム。
3. 前記画像取得手段の表示部に立体顔モデルを透過表示することによって、前記画像取得手段の撮影姿勢を案内する姿勢案内手段を、さらに備え、
   前記姿勢案内手段は、前記画像取得手段で前記頭部画像を取得すると、前記立体顔モデルをあらかじめ定めた角度だけ鉛直軸周りに回転して透過表示させる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３次元頭部モデル作成システム。
4. 複数の文字が表示された印字シートで覆われた対象者の頭部を撮影した複数の画像に基づいて、頭部の３次元モデルを作成する方法であって、
   前記対象者が、頭部全体を覆うように、かつ頭部に密着するように、前記印字シートを頭部に装着する準備工程と、
   前記対象者の周囲を移動しながら、前記印字シートが装着された頭部を撮影して、複数の頭部画像を取得する画像取得工程と、
   前記画像取得工程で取得した複数の前記頭部画像に対して空間演算処理を行うことで、前記対象者の頭部の３次元モデルを作成するモデル作成工程と、を備え、
   前記画像取得工程では、取得する複数の前記頭部画像のうち一部の該頭部画像に、寸法が既値であるスケールが収められるように撮影する、
   ことを特徴とする３次元頭部モデル作成方法。
5. 前記準備工程では、前記対象者が、新聞紙面が印字された前記印字シートを頭部に装着する、
   ことを特徴とする請求項４記載の３次元頭部モデル作成方法。
6. 前記準備工程では、前記対象者が、前記印字シートで形成された帽子を被る、
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の３次元頭部モデル作成方法。
7. 前記準備工程では、前記対象者が、前記印字シートの頭部への装着に加え、前記印字シートで形成された前掛け又はケープを着用する、
   ことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の３次元頭部モデル作成方法。

Images