JP3042773B2 - 三次元動作分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、医療分野等におけ
る被験者の動作を三次元座標により分析する三次元動作
分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、リハビリテーション医学や体育・
スポーツ医学等の医療分野などでは、例えば、被験者の
運動時の関節の動作を関節モーメントとして三次元座標
で捉えて分析することなどが行われている。かかる三次
元座標の計測装置として、三角測量の原理に基づいて測
定対象の三次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計測する三次元動
作分析装置が有る。この三次元動作分析装置は、例え
ば、測定対象に対して既知の水平距離を離して設置した
２台のカメラにより測定対象を撮影して測定対象の三次
元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を計測する。即ち、三角形の頂点
を測定対象位置とし、その三角形の底辺を２台のカメラ
の設置した距離とした三角形を形成して、各カメラ位置
と測定対象位置とで形成される２辺の内角θａ，θｂと
した場合に頂点である測定対象の三次元座標（ｘ，ｙ，
ｚ）を算出することが出来る。

【０００３】また、２台のカメラを使用して、各々のカ
メラの光源から測定対象物間を通る２つの直線方程式を
求め、直線方程式が交わる位置により三次元座標（ｘ、
ｙ，ｚ）を算出するものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記三
次元動作分析装置では、三次元座標の計測には少なくと
も２台のカメラを必要とし、その２台のカメラの設置や
座標の校正等に手間がかかるとともに、システムコスト
が高くなってしまうという問題点があった。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、被験者の動作を三次元座標で計測す
る場合に、映像撮影部分の構成要素を少なくして、計測
がより簡易で、且つシステムコストの低減を図ることが
可能な三次元動作解析装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、三次元動作分析装置におい
て、動的な被計測物に取り付けた複数の標点のうち、特
定の二標点の距離が、動作中、常に一定となる場合にお
ける該被計測物の標点の三次元動作を分析する三次元動
作分析装置であって、前記複数の標点に対して光を照射
する照明手段と、前記複数の標点を撮影して映像信号を
出力する撮影手段と、前記入力された映像信号から個々
の標点と前記撮影手段内に設けた所定の点とを結ぶ直線
方程式を算出する直線方程式算出手段と、標点間距離が
常に一定な２つの標点の始座標と、前記直線方程式算出
手段より求めた動作中の２つの標点を通る各々の直線方
程式と、に基づく所定の演算処理により、前記標点間距
離が常に一定な２つの標点の動作中の座標を算出する標
点座標追跡手段と、を備えたことを特徴としている。

【０００７】請求項１記載の発明によれば、照明手段に
よって照射された光が動的な被計測物に取り付けた標点
に当たり、その標点からの反射光が撮影手段によって撮
影されて映像信号として直線方程式算出手段に出力さ
れ、直線方程式算出手段により、入力された映像信号に
基づいて個々の標点と撮影手段内に設けられた所定の点
とを結ぶ直線方程式が算出され、標点間距離が常に一定
な２つの標点の始座標と、直線方程式算出手段より求め
た動作中の２つの標点の直線方程式と、に基づく所定の
演算処理を有する標点座標追跡手段によって、標点間距
離が常に一定な２つの標点の座標を求めることができ
る。即ち、座標が既知である標点間距離が一定の２つの
標点（第一フレーム）が、次に動いた時の標点（第二フ
レーム）の座標を求めるに際し、第一フレームから第二
フレームまでの標点の距離が関節運動の連続性から最小
となることを利用した演算処理により、第二フレーム時
の２つの標点の座標を求めることが出来る。従って、標
点間距離が常に一定な２つの標点の三次元の座標が一台
の撮影手段（例えば、ビデオカメラ）を用いて計測され
ることとなって、従来の三次元座標を計測するため、少
なくとも２台以上のビデオカメラを必要としていた場合
よりも、ビデオカメラの設置や座標の校正等の手間を簡
略化させることができるとともに、システムコストの低
減を図ることが可能となる。

【０００８】また、ビデオカメラを一台とすることで、
ビデオカメラを二台とした場合よりも、死角となる部分
が少なくなるので、計測可能な範囲を広くすることがで
きる。即ち、ビデオカメラが二台のときは、二台のビデ
オカメラの撮影可能範囲の重なる部分のみが計測可能な
範囲となっていたが、ビデオカメラを一台とすることで
そのようなことがなくなり、計測可能範囲が広くなる。

【０００９】ここで、特定の二標点の距離が、動作中、
常に一定となる場合とは、例えば、人体の足のつま先と
踵に標点を取り付けたときなどで、人がどう動こうがつ
ま先と踵の距離は常に一定の距離を保つ場合などをい
う。照明手段としては、例えば、ハロゲンランプ、白色
ランプなどを用いる。撮影手段は、いわゆるビデオカメ
ラ等を用いる。直線方程式算出手段は、例えば、予め、
計測空間に、ｘ軸方向、ｚ軸方向における二つの校正平
面を設け、この校正平面に投影される計測標点の投影像
に基づいて計測標点の直線方程式を算出する。標点座標
追跡手段は、座標が既知である標点間距離が一定の２つ
の標点（第一フレーム）が、次に動いた時の標点（第二
フレーム）の座標を求めるに際し、第一フレームから第
二フレームまでの標点の距離が関節運動の連続性から最
小となることを利用して実施の形態で示す演算処理をパ
ーソナルコンピュータに組み入れて行う。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の三
次元動作分析装置において、座標が既知である第一の標
点と標点間距離が常に一定な第二の標点の座標は、前記
第一の標点の座標と、前記標点間距離と、前記直線方程
式算出手段によって求めた直線方程式と、に基づいて得
られた解より決定されるように構成されていることを特
徴としている。

【００１１】請求項２記載の発明によれば、標点の始座
標を求める場合に、標点間距離が常に一定な関係を有す
る２つの標点の座標の一方が既知であるならば、他方の
標点の座標は、第一の標点の座標と、標点間距離と、直
線方程式算出手段によって求めた直線方程式と、に基づ
いて得られた解より決定される。即ち、第一の標点の座
標と、第一の標点と第二の標点間の距離により、第二の
標点の座標は、第一の標点の座標を中心として標点間距
離を半径とする球Ｑと、第二の標点を通る直線とが交差
した点が第二の標点の座標として算出され、この算出さ
れた解の中から、第二の座標点の座標を決定することが
出来る。従って、第二の標点の座標を予め設定する必要
がないことととなって、計測時の作業が煩わしくなるこ
とがない。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項２記載の三
次元動作分析装置において、前記第一の標点の座標は、
既知の一軸方向の座標と、前記直線方程式算出手段によ
り求めた直線方程式と、に基づいて決定されるように構
成されていることを特徴としている。

【００１３】請求項３記載の発明によれば、第一の標点
の座標は、既知の一軸方向の座標と、直線方程式算出手
段により求めた直線方程式と、に基づいて決定される。
即ち、第一の標点の座標は、直線方程式算出手段により
２軸方向の座標（例えば、ｘ軸方向、ｚ軸方向）が求め
られるので、残りの１軸方向の座標（例えば、ｙ軸方
向）を与えるのみで、第一の標点の座標を求めることが
出来る。従って、第一の標点の３軸方向の全ての座標を
予め設定する必要がないこととなって、計測時の作業が
煩わしくなることがない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明に係る
動作分析装置の実施の形態について詳細に説明する。図
１は、本発明にかかる動作分析装置の要部構成を示すシ
ステム構成図である。図１に示す動作分析装置１は、照
明手段としての照明装置２、撮像手段としてのカメラ
３、パーソナルコンピュータ４、ＣＲＴ（Cathod Ray T
ube）５、カラープリンタ６、標点としての計測用の反
射マーカＭ１〜Ｍ４等で構成されている。

【００１５】前記照明装置２は、被験者の体に取り付け
た反射マーカＭ１〜Ｍ４に、例えば、ハロゲン光を照射
する装置である。前記カメラ３は、例えば、撮像素子と
して所定の解像度のＣＣＤ（Charge Coupled Device）
が搭載されていて、前記反射マーカＭ１〜Ｍ４の反射光
を撮影した映像をビデオカセットテープに録画するとと
もに、撮影中の映像信号を外部端子からケーブルを介し
てパーソナルコンピュータ４にＮＴＳＣ（National Tel
evision System Committe ）のアナログ信号として出力
する。

【００１６】前記パーソナルコンピュータ４は、直線方
程式算出手段として、入力された前記反射マーカＭ１〜
Ｍ４の反射光を撮影した映像信号に基づいて、予め、図
２に示す２つの校正平面ａ、ｂを使って空間上の任意の
点Ｙが校正平面ａ，ｂに投影される点Ａ、点Ｂの関係か
ら校正パラメータを求め、この校正パラメータを使っ
て、反射マーカＭ１〜Ｍ４の各々の反射マーカからカメ
ラ３のレンズ中心までの直線の方程式を求めることが出
来るようになっている。即ち、カメラ３に撮影された反
射マーカＭ１〜Ｍ４の座標点を示す映像信号から校正平
面上の投影点を求めることにより、反射マーカＭ１〜Ｍ
４の座標点と、その投影点と、及びカメラ３のレンズ中
心とを結ぶ直線方程式が求められる。この直線方程式を
利用して、例えば、図３に示すように、反射マーカＭ１
の（ｘ0，ｙ0，ｚ0 ）座標が既知で且つ、反射マーカＭ
１と反射マーカＭ２間の距離Ｌ１である場合、反射マー
カＭ２の座標は、（ｘ0，ｙ0，ｚ0 ）を中心とする半径
Ｌ１の球Ｑと、反射マーカＭ２を通る直線Ｐのそれぞれ
の前記球Ｑの式と前記直線Ｐの方程式の解により得られ
る。但し、解は一つではなく、Ｍ２１とＭ２２の二つの
解が算出され、いずれかの解が反射マーカＭ２の座標点
となる。

【００１７】また、パーソナルコンピュータ４は、標点
座標追跡手段として、座標が既知である標点間距離が一
定の２つの標点から、次の標点の座標を求めるに際し、
次の標点までの距離が関節運動の連続性から最小となる
ことを利用して後述する演算処理を行う。前記ＣＲＴ５
は、前記パーソナルコンピュータ４により解析された三
次元動作分析データをを所定の形態で表示する。前記カ
ラープリンタ６は、同様に、前記パーソナルコンピュー
タ４により解析された三次元動作分析データを所定の形
態で印刷する。マーカーＭ１〜Ｍ４は、輝度の高い反射
マーカであって、ハロゲンランプなどを当てて反射する
光のうち、設定レベル以上の輝度を持つか否かで標点で
あるかどうかを見極める。

【００１８】次に、上記三次元動作分析装置を用いた三
次元動作分析の動作説明を行う。まず、４つの反射マー
カＭ１〜Ｍ４の初期座標の算出方法について以下に述べ
る。図４は、反射マーカＭ１〜Ｍ４の配置位置の一例を
示した模式図である。図５は、各反射マーカの初期座標
を求める方法を模式的に示した模式図である。

【００１９】被験者の各部位に取り付けられた反射マー
カＭ１〜Ｍ４（図４参照）は、計測空間中においてカメ
ラで撮影され、この撮影された映像信号により、予め算
出した校正パラメータに基づいて各反射マーカＭ１〜Ｍ
４とカメラ中心の直線方程式Ｋ１〜Ｋ４を導き出すとと
もに、予め設定した位置に、足先に設けた反射マーカＭ
１を配置して、反射マーカＭ１の始座標を決定する。こ
の反射マーカＭ１の始座標は、ｘ軸方向、ｚ軸方向の座
標は、前記校正パラメーターを使って求めることが出来
るので、ｙ軸方向の座標を設定するだけで求めることが
出来る。

【００２０】続いて、図５に示すように、前記反射マー
カＭ１の始座標点と、反射マーカＭ２の始座標点までの
距離Ｌ１と、反射マーカＭ２の始座標点を通る前記直線
方程式Ｋ２と、に基づいてＭ２の座標が算出されるが、
この場合に、反射マーカＭ２の座標Ｍ２１、Ｍ２２の２
つが得られる。同様に、得られた座標Ｍ２１及び座標Ｍ
２２と、反射マーカＭ３の始座標点までの距離Ｌ２と、
反射マーカＭ３を通る前記直線方程式Ｋ３と、に基づい
てＭ３の始座標点が算出される。この場合、反射マーカ
Ｍ３の座標は、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３、Ｍ３４の４つ
の解が得られる。

【００２１】更に、得られた座標Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３
３、Ｍ３４と、反射マーカＭ４の始座標点までの距離Ｌ
３と、反射マーカＭ４を通る前記直線方程式Ｋ４と、に
基づいてＭ４の始座標点が算出される。この場合、反射
マーカＭ４の座標は、Ｍ４１、Ｍ４２、Ｍ４３、Ｍ４
４、Ｍ４５、Ｍ４６、Ｍ４７、Ｍ４８の８つの解が得ら
れる。そして、上記得られた各座標点の解の中から、正
しい座標点の値を選択する。図５に示す実施例の場合、
Ｍ２１（反射マーカＭ２の始座標点）、Ｍ３２（反射マ
ーカＭ３の始座標点）、Ｍ４２（反射マーカＭ４の始座
標点）が、正しい反射マーカＭ１〜Ｍ４の始座標として
求めることができる。

【００２２】次に、上記求めた反射マーカＭ１〜Ｍ４の
始座標点（最初のフレーム）から各反射マーカが移動し
た時の座標点（次のフレーム）を以下の方法により算出
する。即ち、正しい最初のフレームの反射マーカの３次
元座標が分かれば、関節運動の連続性により以下に示す
最小距離追跡法を利用して、次のフレームの反射マーカ
の３次元座標を求めることが出来る。

【００２３】図６は、最小距離追跡法を説明するために
各標点の関係を模式的に示した図である。図６に示すよ
うに、空間における既知の座標点Ａ0 （例えば、反射マ
ーカＭ２）、座標点Ｂ0 （例えば、反射マーカＭ１）の
２つの始座標点を結ぶ直線Ａ0Ｂ0と、次フレームの座標
点Ａ、座標点Ｂの２つの座標点を結ぶ直線ＡＢ及びＡＢ
とＡ0Ｂ0との間の距離は下記のように定義される。 ｄ（ＡＢ，Ａ0Ｂ0）＝ｄ（Ａ，Ａ0 ）＋ｄ（Ｂ，Ｂ0 ） ＝ＡＡ0 ＋ ＢＢ0 ……（１） Ａ0Ｂ0は初フレーム ＡＢは次フレームの長さである。
また、ＡとＢは、既知の直線Ｐ1Ｑ1と直線Ｐ2Ｑ2の上に
ある（距離が固定する）。 Ａ＝Ｐ1＋ｔ1（Ｑ1−Ｐ1） ｔ1 ∈（０，１） → Ａ（ｔ1） ……（２） Ｂ＝Ｐ2＋ｔ2（Ｑ2−Ｐ2） ｔ2 ∈（０，１） → Ｂ（ｔ2） ……（３） 注；ｔ1、ｔ2はパラメータ ＡＢの長さは不変であるため、 ｄ（Ａ，Ｂ）＝ｄ（Ａ0，Ｂ0 ） ……（４） 上記方程式は、多数解であり、正しい解は、 ｍｉｎ ｄ（ＡＢ，Ａ0Ｂ0） ……（５） ｄ（Ａ，Ｂ）＝ｄ（Ａ0，Ｂ0 ） ……（６） の連立方程式の解であり、即ち、 ｍｉｎ ｄ（Ａ（ｔ1），Ａ0）＋ｄ（Ｂ（ｔ2），Ｂ0） ……（７） ｄ（Ａ（ｔ1），Ｂ（ｔ2））＝Ａ0Ｂ0 ……（８） 上記連立方程式を計算して、ｔ1とｔ2を求めることが出
来る。このｔ1とｔ2の値を（２）式及び（３）式に代入
することにより、Ａ点とＢ点の三次元座標を求めること
が出来る。

【００２４】そして、上記計算を繰り返して行うことに
より、最後のフレームまでの座標点Ａ（反射マーカＭ
２）、座標点Ｂ（反射マーカＭ１）の三次元座標を求め
ることが出来る。

【００２５】以上説明した本発明に係る三次元動作分析
装置によれば、照明装置２によって照射された光が反射
マーカＭ１〜Ｍ４に当たり、その反射マーカＭ１〜Ｍ４
からの反射光がカメラ３によって撮影されて映像信号と
してパーソナルコンピュータ４（直線方程式算出手段）
に出力され、この映像信号に基づいて個々の標点とカメ
ラ３内の中心とを結ぶ直線方程式が算出され、パーソナ
ルコンピュータ４（標点座標追跡手段）標点間距離が常
に一定な２つの標点の始座標と、動作中の２つの標点の
直線方程式と、に基づく所定の演算処理によって標点間
距離が常に一定な２つの標点の軌跡を求めることができ
るので、標点間距離が常に一定な２つの標点の三次元の
座標が一台のカメラ３を用いて計測されることとなっ
て、従来の三次元座標を計測するため、少なくとも２台
以上のカメラ３を必要としていた場合よりも、カメラ３
の設置や座標の校正等の手間を簡略化させることができ
るとともに、システムコストの低減を図ることが可能と
なる。

【００２６】また、カメラ３を一台とすることで、カメ
ラ３を二台とした場合よりも、死角となる部分が少なく
なるので、計測可能な範囲を広くすることができる。

【００２７】なお、標点間距離が常に一定な２つの標点
の軌跡を、前記標点座標追跡手段の代わり、例えば、歩
行運動などにおいて、被験者の個々の動作の差分や規則
性等を予め解析しておき、その解析結果をもとに、距離
が一定な２標点間の動作計測データを分析するようにし
てもよい。

【００２８】また、身長及び体重が同じであれば、例え
ば、歩行運動などでは、ある程度、距離が一定の２標点
間の動作が規則性を有するようになるので、予め、これ
らの動作を解析して、その解析結果をもとに、身長及び
体重により距離が一定な２標点間の動作計測データを分
析するようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、照明手段
によって照射された光が動的な被計測物に取り付けた標
点に当たり、その標点からの反射光が撮影手段によって
撮影されて映像信号として直線方程式算出手段に出力さ
れ、直線方程式算出手段により、入力された映像信号に
基づいて個々の標点と撮影手段内に設けられた所定の点
とを結ぶ直線方程式が算出され、標点間距離が常に一定
な２つの標点の始座標と、直線方程式算出手段より求め
た動作中の２つの標点の直線方程式と、に基づく所定の
演算処理を有する標点座標追跡手段によって標点間距離
が常に一定な２つの標点の座標を求めることができるの
で、標点間距離が常に一定な２つの標点の三次元の座標
が一台の撮影手段（例えば、ビデオカメラ）を用いて計
測されることとなって、従来の三次元座標を計測するた
め、少なくとも２台以上のビデオカメラを必要としてい
た場合よりも、ビデオカメラの設置や座標の校正等の手
間を簡略化させることができるとともに、システムコス
トの低減を図ることが可能となる。また、ビデオカメラ
を一台とすることで、ビデオカメラを二台とした場合よ
りも、死角となる部分が少なくなるので、計測可能な範
囲を広くすることができる。即ち、ビデオカメラが二台
のときは、二台のビデオカメラの撮影可能範囲の重なる
部分のみが計測可能な範囲となっていたが、ビデオカメ
ラを一台とすることでそのようなことがなくなり、計測
可能範囲が広くなる。

【００３０】請求項２記載の発明によれば、標点の始座
標を求めるに場合に、標点間距離が常に一定な関係を有
する２つの標点の座標の一方が既知であるならば、他方
の標点の座標は、第一の標点の座標と、標点間距離と、
直線方程式算出手段によって求めた直線方程式と、に基
づいて得られた解より決定されるので、第二の標点の座
標を予め設定する必要がないことととなって、計測時の
作業が煩わしくなることがない。

【００３１】請求項３記載の発明によれば、第一の標点
の座標は、既知の一軸方向の座標と、直線方程式算出手
段により求めた直線方程式に基づいて決定されるので、
第一の標点の３軸方向の全ての座標を予め設定する必要
がないこととなって、計測時の作業が煩わしくなること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる動作分析装置の要部構成を示す
ブロック図である。

【図２】直線方程式を求める際の校正原理を模式的に示
した図である。

【図３】座標が既知の標点と標点間距離が一定な標点の
座標の算出原理を模式的に示した図である。

【図４】反射マーカＭ１〜Ｍ４の配置位置の一例を示し
た模式図である。

【図５】各反射マーカの初期座標を求める方法を模式的
に示した模式図である。

【図６】最小距離追跡法を説明するために各標点の関係
を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１ 三次元動作分析装置 ２ 照明装置（照明手段） ３ カメラ（撮影手段） ４ パーソナルコンピュータ（直線方程式算出手段、
標点座標追跡手段） ５ ＣＲＴ ６ カラープリンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/11 G01B 11/00 G06T 1/00 G06T 7/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動的な被計測物に取り付けた複数の標点
   のうち、特定の二標点の距離が常に一定となる場合にお
   ける該被計測物の標点の三次元動作を分析する三次元動
   作分析装置であって、 前記複数の標点に対して光を照射する照明手段と、 前記複数の標点を撮影して映像信号を出力する撮影手段
   と、 前記映像信号から個々の標点と前記撮影手段の所定の位
   置とを結ぶ直線方程式を算出する直線方程式算出手段
   と、 標点間距離が常に一定な２つの標点の始座標と、前記直
   線方程式算出手段より求めた動作中の２つの標点を通る
   各々の直線方程式と、に基づく所定の演算処理により、
   前記標点間距離が常に一定な２つの標点の動作中の座標
   を算出する標点座標追跡手段と、 を備えたことを特徴とする三次元動作分析装置。
2. 【請求項２】 座標が既知である第一の標点と標点間距
   離が常に一定な第二の標点の座標は、前記第一の標点の
   座標と、前記標点間距離と、前記直線方程式算出手段に
   よって求めた直線方程式と、に基づいて得られた解より
   決定されるように構成されていることを特徴とする請求
   項１記載の三次元動作分析装置。
3. 【請求項３】 前記第一の標点の座標は、既知の一軸方
   向の座標と、前記直線方程式算出手段により求めた直線
   方程式に基づいて決定されるように構成されていること
   を特徴とする請求項２記載の三次元動作分析装置。