JP3364654B2 - 仮想形態生成装置及び生成方法 - 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、人体のかたちと大
きさに合わせて、製品の形と大きさを修正・設計するた
めの方法及び装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】顧客に適合する製品設計において、個別
対応ではなく、集団（特定の顧客層）に対して量産品で
対応する場合、複数３次元人体形態の分布図から、似通
った形態を有する集団を抽出し、その集団に対して適合
する製品を設計することになる。ここでは、集団を代表
する平均形態に対して製品設計を行うだけでなく、集団
のばらつきの周辺に位置するような仮想形態に対して、
製品の適合性を評価することが必要となる。 【０００３】このために、(1) 数値データとして記述さ
れた複数の人体３次元形態の分布図を作成し、(2) その
分布図の周辺に位置するような仮想形態を形成し、(3)
その仮想形態を実体化する一貫した方法とそれを実現す
る装置が必要であった。 【０００４】特に、人体３次元形態の分布は「小さい→
大きい」のような１次元的な分布では記述しきれず、人
体のかたちと大きさを表す多次元的な分布図を導出する
方法が必要である。たとえば、「小さい→大きい」とい
う１次元的な分布では、「集団の中で、最も低い身長、
最も小さい胴回り、最も短い脚、最も小さい頭」を併せ
持つ人と、「集団の中で、最も高い身長、最も大きい胴
回り、最も長い脚、最も大きい頭」を併せ持つ人が対極
に位置することになるが、実際にはこのような人は存在
しない。人体各部のかたちと大きさを多次元的に評価し
た上で、分布図を作成し、その分布図の周辺に位置する
仮想形態を算出、実体化する一貫した作成方法及び作成
装置が求められていた。 【０００５】人体３次元形態の分布図を得る方法とし
て、人体形態をＢスプライン関数で記述し直してから、
その関数値のパラメータによって分布を知る技術がある
（岸本泰蔵, 紅野進, 黒川隆夫, 篠崎彰大: 衣服CADの
ための人体３次元形状モデル,第22回画像工学コンファ
レンス, pp.235-238, 1991）。しかし、この技術では、
人体形態の特徴を１次元的な分布として捉えるにとどま
り、多次元的な形態分布図の導出方法は言及されていな
い。 【０００６】これに対し、発明者らがすでに発表してい
る方法では、人体形態を関数系で記述し直さずに人体形
態の特徴を多次元的な分布として捉えることができる
（持丸正明, 河内まき子, 福井幸男, 堤江美子：FFDに
よる形態間距離に基づく足部三次元形態の特徴分類, 人
間工学, 33(4), pp.229-234, 1997）。ただし、持丸ら
のFFDによる方法論では、上記(1)の問題を解決している
だけであり、(2),(3)の解決には及んでいない。 【０００７】分布図上の仮想形態を算出する方法として
は、上記岸本らの論文において、平均形状及び標準偏差
形状を演算する方法が公開されている。しかしながら、
上でも述べたように、あくまでも、人体形態特徴の１次
元的な分布に基づく標準偏差形態を算出する方法であ
り、本発明の特徴とする多次元的な人体分布に基づく標
準偏差形態の計算はできない。 【０００８】また、この方法では、形状計測装置で得ら
れた形態の座標データをもとに、形態をＢスプライン関
数で記述し直す必要がある。これにか関数系で形態をう
まく表現できるように、形態の凹凸の大きさに応じて、
部分的にスプライン関数の制御点数を増やすなどの工夫
が必要であり、前処理の手間が大きな問題であった。 【０００９】発明者らが、すでに特許出願している平均
形態生成方法［特開平10-240964,複数三次元形態の平均
形態生成方法及びその装置］では、このような前処理の
問題はないが、あくまでも平均形態を算出する方法に限
定されており、形態分布図周辺の仮想形態を算出する方
法には及んでいない。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記３つの
問題解決、すなわち、(1) 数値データとして記述された
複数の人体３次元形態の分布図を作成し、(2) その分布
図の周辺に位置するような仮想形態を算出し、(3) その
仮想形態を実体化する一貫した方法論とそれを実現する
装置に関するものである。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、複数人の人体形態を計測して複数人の３次
元形態データとして出力する３次元形状計測装置と、上
記複数人の３次元形態データから多次元分布図を形成
し、その周辺に位置する仮想形態を形成する仮想形態形
成装置と、上記仮想形態形成装置からの数値データを実
体化するための３次元実体化装置とから構成される複数
３次元形態の分布図上の仮想形態を生成する装置であっ
て、上記仮想形態形成装置は、自由形態変形法を利用し
て、上記複数人の３次元形態データを相互に変形する空
間歪み関数を計算し、その空間歪みの大きさに基づい
て、上記複数人の３次元形態データの多次元分布図を作
成し、該多次元分布図上の任意の位置に存在する仮想形
態を導出することを特徴とする複数３次元形態の分布図
上仮想形態生成装置を提供する。 【００１２】 【００１３】 【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づいて図面を参照して説明する。本発明の装置は、人体
形態を入力するための３次元形状計測装置と、この３次
元形状計測装置で得られた複数の人体形態から多次元分
布図を計算し、その周辺に位置する仮想形態を形成する
仮想形態形成装置と、仮想形態形成装置からの数値デー
タを実体化するための３次元実体化装置によって構成さ
れる（図１）。 【００１４】本発明の方法及び装置の概要をその作業工
程の順に説明する。 (1)まず、上記３次元形状計測装置で、対象集団の複数
人（N人）の人体形態を計測する。 (2)次に、計測したN人の人体形態を人体の解剖的特徴点
に基づいてモデル化し、これらの形態間の距離を計算
し、その距離関係を満足するような３次元形態の多次元
分布図を得る。 (3) 分布図上の任意の座標点に位置する仮想形態を計算
するために、分布図の中心と上記任意の座標点を結ぶ直
線上に位置する仮想形態10個程度をN人の人体形態の内
挿によって計算し、その仮想形態が上記直線上に沿って
変形する特性を自由形態変形法の制御格子点移動パター
ンとして表し、その制御格子点の移動量と、分布図の直
線上の移動量を統計的に関係付ける。この関係から、中
心に位置する仮想形態を、上記任意の座標点に位置する
仮想形態に変形するための制御格子点移動パターンを外
挿し、この制御格子点移動パターンを中心に位置する仮
想形態に適用することで、上記任意の座標点に位置する
仮想形態を算出する。 (4) 上記実体化装置を用いて、上記任意の座標点に位置
する仮想形態の数値データを実体化する。以下、本発明
の構成をさらに詳細に説明する。 【００１５】（３次元形状の計測装置）３次元形状計測
装置としては、例えばレーザ方式の形状スキャナ（レー
ザ光を投影することにより立体形状が多数の３次元座標
値として測定できるスキャナ）等が利用される。この３
次元形状計測装置によって、対象集団の人体形態（複数
の人であるN人）を計測する。人体形態としては、全身
形状に限らず、足部や頭部などの特定の部位形状でも良
い。ただし、人体形態には、人体の解剖学的特徴点に関
わる特徴点をマーキングし、３次元形状データと合わせ
て、マーキングした特徴点位置データを取得する。取得
した３次元形状データを、これらの特徴点位置データに
基づいて再構成する。即ち、３次元形状計測装置で計測
取得した多数の座標値の全て又はその一部が人体の解剖
学的特徴点とが関連づけられたデータとする。 【００１６】ここで、人体の解剖学的特徴点とは、足部
形態の場合、図２の腓側中足点、脛側中足点、踵点を含
む骨格上の特徴点位置を指す。同様に、体幹部人体形態
において、人体の解剖学的特徴点とは、図３の転子点、
肩峰点、乳頭点を含む骨格上の特徴点を指す。 【００１７】（仮想形態形成装置）仮想形態形成装置
は、入出力部、データを処理するＣＰＵ、メモリ等を備
えており、この装置による作業を順次説明する。 （１）多次元分布図の取得 まず、仮想形態形成装置による多次元分布図が取得され
る。上記のとおり、３次元形状の計測装置により、解剖
学的特徴点に基づいてN人の形状データが再構成される
が、仮想形態形成装置によってN人の形状データの形態
間距離（非類似度）が算出される。 【００１８】この算出には２つの手段がある。第１は、
N人の形状データを相互に変換する自由形態操作法に基
づく制御格子点の移動パターンを計算し、その歪量を持
って形態間距離と定義する方法であり、その詳細はすで
に本発明者らによる先行の出願（特開平10-240964参
照）の明細書に記載しているからここではその詳細は省
略するが、要は、解剖学的特徴点によって再構成された
２つの形状データＡ，Ｂにおいて、形状データＡの回り
に自由形態変形法の制御格子点を設定し、その制御格子
点を適宜移動させて形状データＡが形状データＢに一致
するように変形させるとき、その制御格子点の移動量の
総和をもって形状データＡと形状データＢの形態間距離
（非類似度）を定義する方法である。 【００１９】第２は、上記再構成されたN人の形状デー
タの対応点間の距離の総和を形態間距離と定義する方法
である。前者の方法は、解剖学的特徴点に基づく形態の
再構成に粗密があっても、形態全体を均等に評価するよ
うな形態間距離が計算できるが、計算処理に時間がかか
る。いずれかの方法で、N人の形状データ間の形態間距
離（非類似度）を全て計算することで、N×Nの距離行列
が得られる。 【００２０】そして、この距離行列が仮想形態形成装置
において処理されて、図４のような形態分布図を得るこ
とができる。この処理は、多変量解析法のひとつである
多次元尺度法で行われる。なお、図４では２つの分布軸
におけるN人の人体形態分布状況を示しているが、より
多くの次元（４次元、５次元など）での分布図上の座標
を計算することも可能である。 【００２１】（２）中心仮想形態の算出 仮想形態形成装置において、上記分布図が得られたら、
さらに分布図の中心（全ての分布軸の座標値がゼロであ
る点）に位置する仮想形態が得られる。実際には、N人
の形状データ点を対応するデータ点ごとに平均したもの
に相当する。これを中心仮想形態とする。 【００２２】（３）周辺仮想形態の計算(1) s次元分布図（但し、sは２以上の整数である。）上の任
意の座標点Pt: (pt1,pt2, pt3 .... pts)に位置する仮
想形態を計算する。このために、まず、上記任意の座標
点と分布図の中心Po: (0,0,0 .... 0)とを結ぶ直線上の
仮想形態を、内挿によって計算する。 【００２３】上記直線上のM個の分布図上座標点をPm:
(pm1, pm2, pm3 .... pms); m=1..M、N人の形態の分布
図上の座標点をPn: (pn1, pn2, pn3 .... pns); n=1..N
とする。このとき、m番目の仮想形態Pmを計算するため
の重み係数Cmn(ただしCmn≧0）は、次の数式１によって
定義される評価関数Eを最小化するように準ニュートン
法で最適化計算する。 【００２４】 【数１】 【００２５】分布図上座標点Pmに位置する仮想形態を構
成する実空間上の座標点をVmk: (xmk, ymk, zmk); m=
1..M, k=1..K（Kは解剖学的特徴点に基づいて再構成さ
れた形状データの頂点数）、N人の３次元形態を構成す
る実空間上の座標点をVnk : (xnk, ynk, znk); n=1..N,
k=1..Kとするとき、Vmkは、上記重み係数Cmnと、N人の
３次元形態の座標点Vnkから、次の数式２によって計算
する。 【数２】 【００２６】ただし、この方法では、分布図上の任意の
座標点Pmに位置する仮想形態すべてを計算することはで
きない。この方法はあくまでも計測したN人の形状デー
タから、仮想形態を内挿計算するものであるため、分布
図周辺付近の仮想形態は計算できない（上記重み係数Cm
nを最適化計算で同定できなくなる）。その場合は、後
述する方法で仮想形態を計算する。 【００２７】（４）周辺仮想形態の計算(2) 上記方法で得られた分布図直線上のm個の仮想形態は、
人体形態が特定の分布図上の直線に沿って３次元的に変
化する特性を表している。形態が分布図上の直線に沿っ
て変化する傾向を、自由形態変形法の制御格子点移動パ
ターンとして記述し直し、その移動パターンを分布図上
の直線に沿って外挿し、その移動パターンを、上記中心
仮想形態に適用することで、分布図上の任意の座標点P
t: (pt1,pt2, pt3 .... pts)に位置する仮想形態を計算
する。 【００２８】具体的には、上記中心仮想形態を仮想形態
形成装置によって、上記で計算した分布図上座標点Pmに
位置する仮想形態に変形するための自由形態変形法の制
御格子点移動パターンが算出される。この詳細は、本発
明者らによる先行出願特開平10-240964のおいて記載さ
れているからここでは詳細な説明は省略するが,要は解
剖学的特徴点によって再構成された２つの形状データ
Ａ，Ｂにおいて、形状データＡの回りに自由形態変形法
の制御格子点を設定し、その制御格子点を適宜移動させ
て形状データＡが形状データＢに一致するように変形さ
せるとき、制御格子点の移動量ができるだけ少なく、か
つ、形状データＡと形状データＢの対応点間の距離の総
和ができるだけ小さくなるように、制御格子点の移動量
を最適化する方法である。 【００２９】人体形態の分布の場合、計算された制御格
子点の実空間上でのX軸、Y軸、Z軸方向の移動量と、分
布図上座標点Pmと分布図中心点Poとの変位量は、ほぼ直
線的な関係を有する。そこで、上記移動量を、上記変位
量に基づく回帰式で表すことができる。この回帰式によ
れば、上記方法で計算可能であった分布図上座標点Pmよ
り周辺に位置する分布図上座標点Pt: (pt1, pt2, pt3
.... pts)における制御格子点の移動量を外挿できる。
この制御格子点移動パターンを、上記中心仮想形態に適
用することで、分布図上座標点Pt: (pt1, pt2, pt3
.... pts)に位置する周辺仮想形態を計算できる。 【００３０】（５）実体化 上記方法で算出された周辺仮想形態は、解剖学的特徴点
に基づく複数個（K個）の頂点で構成された形状データ
である。一般にKは数百点程度である。これは、人体形
態の分布特性を調べるのには十分なデータ点数としては
十分であっても、製品適合評価に利用するには不十分で
ある場合が多い。そこで、上記中心仮想形態を数十万点
の頂点からなる精密形状データに置き換え、上記の制御
格子点移動パターンを、この精密な中心仮想形態に適用
すれば、数十万点の頂点からなる精密な周辺仮想形態を
計算できる。 【００３１】この精密な周辺仮想形態をを断面データに
変換し光造形法などのラピッドプロトタイピング技術を
用いた、上記実体化装置によって実体化することができ
る。なお、ここでは、光造形法を一例としてあげたが、
数値制御板による切削加工による方法など、他の方法が
利用できることは言うまでもない。 【００３２】（実施例）本発明の実施例として、成人女
子足部形態63例の形態分布図を取得し、その分布軸上の
周辺仮想形態を算出した例を示す。これらの形態データ
は、立位状態で取得した足部の石膏型を、解剖学的特徴
点位置をもとにモデリングし（図５(a)）、そのデータ
点を機械アーム式の３次元形状計測装置で１点ずつ入力
したものである。 【００３３】図５では詳細に示していないが、ひとつの
形態データは、174点のデータ点からなり、これらを接
続してできる324個の三角形によって構成される多面体
データである（図５(b)）。図５のように解剖学的特徴
点で対応付けられた63人の足部形態モデルについて、本
発明の方法で形態間距離を計算し、得られた距離行列を
多次元尺度法で処理した。 【００３４】図４は、多次元尺度法で４次元解を計算
し、そのうちの第１軸と第２軸の分布を示したものであ
る。この２つの軸に沿って、分布図原点からそれぞれ３
×標準偏差だけ離れた位置にあるような周辺仮想形態を
算出する。 【００３５】まず、分布図原点近傍で、分布軸上に位置
する仮想形態を、本発明の周辺仮想形態の計算(1)で計
算する。この実施例の場合は、第１軸について標準偏差
を単位として、-1.25〜+1.15まで、第２軸については標
準偏差を単位として-0.7〜+0.7までの範囲で周辺仮想形
態が計算可能であった。そこで、第１軸については、-
1.25、±1.0、±0.75、±0.5、±0.25、+1.15の位置す
る仮想形態を、第２軸については、±0.7、±0.6、±0.
45、±0.3、±0.15に位置する仮想形態を算出した。こ
の結果得られた仮想形態の例と、中央に位置する仮想形
態をこれらの軸上の仮想形態に変換するための自由形態
変形法変形格子の移動パターンを図６に示す。 【００３６】この自由形態変形変形格子の個々の移動量
は、図７に示すように分布図上の中央の位置からの変位
とほぼ直線的な関係にある。そこで、自由形態変形変形
格子の移動量を、分布図上の中央の位置からの変位に対
する回帰式でモデル化する。この回帰式に従えば、周辺
仮想形態の計算(1)では計算できなかった、より周辺に
位置する仮想形態を計算することができる。これが周辺
仮想形態の計算(2)である。これによって計算された第
１軸の±３標準偏差形態を図８に、第２軸の±３標準偏
差形態を図９に示す。 【００３７】このようにして得られた形態を比較すれ
ば、図４で示した３次元形態分布図のそれぞれの軸が、
具体的にどのような形態特性を意味しているのか、視覚
的に捉えることができる。また、本発明の装置によって
精密な周辺仮想形態を実体化すれば、この分布図の中央
に位置する形態（≒最頻値形態）に対して設計した製品
を、周辺仮想形態に合わせてみて、集団としての適合性
を評価することもできる。 【００３８】以上、本発明に係る実施の形態を実施例に
基づいて説明したが、本発明は、特にこのような実施例
に限定されるものではなく、特許請求の範囲記載の技術
的事項の範囲内でその他いろいろな実施の態様があるこ
とは言うまでもない。 【００３９】 【発明の効果】本発明は以上の構成であるから、数値デ
ータとして記述された複数の人体３次元形態の分布図を
作成し、その分布図の周辺に位置するような仮想形態を
算出し、その仮想形態を実体化することができる。 【００４０】顧客に適合する製品設計において、個別対
応ではなく、集団（特定の顧客層）に対 して量産品で
対応する場合、その集団を代表する平均形態に対して製
品を設計するだけでなく、集団の周辺部に位置するよう
な仮想形態に対して、製品の適合性を評価することが必
要となる。本発明によって得られる実体化された周辺仮
想形態を用いれば、開発した製品を、実体化された周辺
仮想形態に合わせてみて、その製品の許容幅を評価した
り、あるいは再調整することが可能となる。特定の個人
（実際の人）で評価するのではなく、実体化された周辺
仮想形態で評価することの利点は、集団の周辺に位置す
るような評価者を見つけだす困難を解消できること、お
よび、特定の個人が持つ個性を持たずに集団の周辺部の
特徴だけを持つ形態で評価ができることにある。 【００４１】また、本発明のように、集団の分布軸上の
変化の特徴を自由形態変形法の格子点移動パターンとし
て定式化できれば、非常に多数（数万人）の３次元形状
データではなく、少数（百人以下）の形状データから、
±３標準偏差に位置するような形状データを推定でき
る。これは、人体データを大量に収集しなくても、分布
モデルを用いることで、集団特性を推定できることを意
味している。正規分布が仮定されれば、少ないデータか
ら集団特性を推定できることと似ている。すなわち、国
や企業などで、データを収集する際に、数万人規模の大
規模計測を行わなくても、百人以下のデータで形態の分
布と周辺の仮想形態の導出、形成を実現できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の全体構成を示す図である。 【図２】人体の解剖学的特徴点を説明する図である。 【図３】人体の解剖学的特徴点を説明する図である。 【図４】人体形態分布状況を示す図である。 【図５】解剖学的特徴点に基づくモデリング及び足形態
データを示す図である。 【図６】自由形態変形格子の移動パターンを示す図であ
る。 【図７】分布図の第１軸変位量と自由形態変形格子の移
動量を示す図である。 【図８】分布図の第１軸の標準偏差形態を示す図であ
る。 【図９】分布図の第２軸の標準偏差形態を示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−240964（ＪＰ，Ａ) 特開2000−3383（ＪＰ，Ａ) 特開2000−3376（ＪＰ，Ａ) Ｍ．Ｍｏｃｈｉｍａｒｕ，Ｍ．Ｋｏｕ ｃｈｉ，Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｆｏｒ ３Ｄ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ Ｆｏｒ ｍｓ，ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐ ａｐｅｒｓ（ＳＡＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅ ｅｒｉｎｇ 2000），米国，Ｓｏｃｉｅ ｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒｓ，2000年 ６月，2000 −01−2149 持丸正明ほか，足部のウィズアロメト リを記述する３次元形態変換，人間工 学，日本，日本人間工学会，1996年 ４ 月10日，Ｖｏｌ．32，特別号，70−71 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 17/40 G06F 17/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 複数人の人体形態を計測して複数人の
   ３次元形態データとして出力する３次元形状計測装置
   と、 上記複数人の３次元形態データから多次元分布図を形成
   し、その周辺に位置する仮想形態を形成する仮想形態形
   成装置と、 上記仮想形態形成装置からの数値データを実体化するた
   めの３次元実体化装置とから構成される複数３次元形態
   の分布図上の仮想形態を生成する装置であって、 上記仮想形態形成装置は、自由形態変形法を利用して、
   上記複数人の３次元形態データを相互に変形する空間歪
   み関数を計算し、その空間歪みの大きさに基づいて、上
   記複数人の３次元形態データの多次元分布図を作成し、
   該多次元分布図上の任意の位置に存在する仮想形態を導
   出することを特徴とする複数３次元形態の分布図上仮想
   形態生成装置。