JP3862525B2

JP3862525B2 - 人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置

Info

Publication number: JP3862525B2
Application number: JP2001225408A
Authority: JP
Inventors: 宏幸古舘; 伸司桜井
Original assignee: Daiichikosho Co Ltd
Current assignee: Daiichikosho Co Ltd
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JP2003033337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は身体運動によるエネルギー消費量を推定する装置に関し、具体的には定置的な身体運動を観察してエネルギー消費量を推定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置（エネルギー消費量推定装置）が特開２００１−９５９６９号公報（従来例１）や特開２０００−７０２４２号公報（従来例２）などに開示されている。従来例１のエネルギー消費量推定装置は、近年流行しているステップゲーム装置によるゲームを定置的な身体運動として、その運動に対するエネルギー消費量を推定するものである。このゲーム装置は、遊技者がゲームを開始させると、音楽が音響出力されるとともに、遊技者が踏むべきステップを次々に指示した画像（ステップ指示画像）がディスプレイにスクロール表示される。遊技者はこの指示画像に従って所定の台上でステップを踏む。台にはステップ位置を検出するためのセンサが内蔵されており、遊技者のステップ位置とタイミングとが表示指示中のステップ位置と一致すれば得点が計上されていく。従来例１のエネルギー消費量推定装置はステップを踏んだ回数を計数しながら、ステップ一回分に消費するエネルギーを加算してゲーム終了後にそのゲーム中に消費されたエネルギーを提示する。
【０００３】
従来例２に開示されているエネルギー消費量推定装置は、被験者の身体運動を撮影して腕や足などの身体各部位の移動量と移動速度を検出する。そして、移動量と移動速度から算出されるエネルギー代謝率に基づいてエネルギー消費量を推定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来例１のエネルギー消費量推定装置は、あらかじめ決められた身体運動（ステップ）に対するエネルギー消費量を算出している。そのため、手足を振ったり、上体を捻ったりするような任意の身体運動に対するエネルギー消費量は推定できない。
【０００５】
従来例２のエネルギー消費量推定装置は、運動エネルギーを身体各部位の移動距離と移動速度とに基づいて算出している。周知の通り、物体がある速度で運動しているとき、運動エネルギーは質量に比例して大きくなる。しかし、従来例２では被験者の体重、すなわち質量が全く反映されていない。そのため、正確なエネルギー消費量を推定することができない。さらに、従来例２では、身体各部位の並進運動にしか適用できず、回転運動に伴う運動エネルギーは無視されてしまう。
【０００６】
そこで本発明は、任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定できる装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために成されたもので、人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置である。そして、第１の発明は、所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者を複数台のカメラで異なる方向から撮影する手段と、これらカメラで撮影された被験者の映像をデジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の３次元の変位を時系列データ化する動体分析手段と、この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えた人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置としている。
【０００８】
第２の発明は、被験者の体重を検出する体重測定手段を備え、前記動体分析手段は、前記多眼ステレオ処理の過程で前記身体各部位の体積を推定し、前記運動エネルギー積算手段は、当該推定された身体各部位の体積と前記被験者の体重とに基づいて身体各部位の質量情報を取得することを特徴とする人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のエネルギー消費量推定装置は、定置的な身体運動に伴うエネルギー消費量を運動により身体各部位の３次元的な変位に伴う運動エネルギー値（Ｊ）をエネルギー消費量（Cal）に換算して出力する。
【００１０】
＝＝＝エネルギー消費量推定装置の構成＝＝＝
図１は本発明の実施例におけるエネルギー消費量推定装置の概略構成図を示している。この装置１は、被験者１０が定置的な身体運動を行う場所となるステージ２と、このステージ２上の被験者１０を撮影するための複数台のＣＣＤカメラ３と、これらカメラ３によって撮影された被験者の映像を取り込んでデジタル処理するなど各種情報処理を行って最終的に被験者の身体運動に伴う運動エネルギー値をエネルギー消費量に換算して出力するコンピュータ４とを備えている。
【００１１】
この実施例において、ステージ２の床面には感圧センサ５が敷設され、運動中に被験者１０が床面に掛ける荷重に相当する電気信号（荷重検出信号）を出力する。また、３台のＣＣＤカメラ３が使用され、各カメラ３はステージ２外からステージ２内を撮影するように設置されている。そして、各カメラ３の光軸は、床面に平行な面をｘｙ平面としたｘｙｚ直交座標軸にそれぞれ一致するように設定されている。
【００１２】
コンピュータ４としては、ディスプレイやキーボードなどを付帯した一般的なパーソナルコンピュータが採用できる。そして、３台のカメラ３からの撮影映像や感圧センサ５からの荷重検出信号をサンプリングしてデジタルデータとして取り込むためのインタフェースを実装している。
【００１３】
本実施例のエネルギー消費量推定装置１は、以上の構成により、３台のカメラ３が撮影した映像と感圧センサ５からの荷重検出信号とをコンピュータ４に入力して処理し、ステージ２上で身体運動を行う被験者１０が所定時間の間に消費した運動エネルギーを求め、その運動エネルギー値をエネルギー消費量に変換して出力する。
【００１４】
＝＝＝被験者のモデリング＝＝＝
３台のカメラ３はそれぞれ被験者１０の身体をｘｙ・ｙｚ・ｚｘの各平面に投影した映像を撮影し、コンピュータ４はこの各平面の映像データを多眼ステレオ処理することで、被験者１０の３次元的な形状やサイズを記述するためのポリゴンデータを生成する。図２に多眼ステレオ処理によって生成される被験者１０のポリゴンデータを概略図によって示した。本実施例では、頭の形状を球体、他の部位形状を円柱に近似させ、全部で１０の単純化された身体部位によって被験者の身体を表現している。
【００１５】
＝＝＝運動エネルギー＝＝＝
コンピュータ４は、被験者１０の撮影映像から被験者１０のポリゴンデータを生成するとともに、被験者１０が実際にステージ２上で身体運動をしたときの運動エネルギーを計算してエネルギー消費量を推定する。この実施例では、身体各部位を密度が均一な剛体と見なし、周知の運動エネルギーの方程式に当てはめて計算している。
【００１６】
概略的には、まず、被験者１０の身体の体積と体重とを取得して密度を計算する。そして、身体各部位の体積から各部位の質量を求める。サンプリング周期毎に身体各部位の位置を取得し、その位置の時系列的な変位を求めることで、身体各部位における重心の移動距離や回転運動に伴う変位角度などを取得する。本実施例では、身体各部の重心の移動距離をサンプリング周期で除算して移動速度を求め、その移動速度と身体各部位の質量とから運動エネルギーを算出する。また、重心の移動を伴わない回転運動にも対応して、身体各部位における重心以外の点を特徴点として設定しておき、この特徴点の時系列的な変位によって回転運動の有無を検出し、回転運動の変位角度を求める。この変位角度をサンプリング周期で除算すれば角速度が算出される。また、身体部位のポリゴン形状と特徴点の変位とから慣性モーメントが求まり、回転運動に伴う運動エネルギーが算出できる。
【００１７】
＝＝＝被験者の身体測定＝＝＝
身体各部位の質量を求めるために、まず、被験者１０の体重を推定する。本実施例では、体重は感圧センサ５が出力する荷重検出信号に基づいて推定している。実際に被験者１０の体重を推定するためには、身体運動を開始する前に被験者１０をステージ２上に静止させて立たせればよい。そのとき出力される荷重検出信号は体重をほぼ正確に表すことになる。あるいは、コンピュータ４が被験者１０のポリゴンデータの時系列変位を監視し、被験者１０が静止していると判断したときの荷重検出信号を取得することでも体重が推定できる。所定期間内に出力される荷重検出信号の平均値から体重を推定してもよい。
【００１８】
つぎに被験者の体積を推定する。体積は、コンピュータ４が被験者のポリゴンデータの生成時に使用する座標系において、ある２点間の実際の距離が前もって分かっていれば求めることができる。例えば、ステージ上に所定の長さの線分を描いておいてもよいし、カメラ３によって撮影された画面の上端と下端、あるいは左端と右端とが、実際にどのくらいの長さに相当するのかを前もってコンピュータに入力しておいてもよい。そして、被験者のポリゴンデータに実際の寸法を対応付けすれば被験者の総体積が取得でき、その総体積を体重で除算すれば被験者の身体密度が算出される。
【００１９】
＝＝＝エネルギー消費量の推定＝＝＝
コンピュータ４は、ステージ上に立つ被験者に身体運動を開始する旨の合図を音声や表示などによって出す。コンピュータ４は、この開始時点を起点として、３台のカメラ３からの撮影映像と感圧センサ５からの荷重検出信号を取得し、被験者１０の体重と全身の体積の推定値を取得して身体密度を計算する。また、多眼ステレオ処理によって生成した被験者１０の身体各部位のポリゴンデータから、身体各部位の体積を算出し、それに身体密度を乗算して各部位の質量を求める。そして、上述した運動エネルギーの算出方法に基づいて身体各部位についての運動エネルギーをサンプリング周期毎に算出し、その運動エネルギー値を身体運動の終了時点まで積算していく。
【００２０】
身体運動の終了時点で、それまで積算した運動エネルギー値（Ｊ：ジュール）を熱量換算係数≒４．１８５で除算してエネルギー消費量（Cal：カロリー）を計算する。この計算値をエネルギー消費量の推定値としてコンピュータのディスプレイに表示出力する。
【００２１】
＝＝＝その他の実施例・変更例・補足＝＝＝
上記実施例は、定置的な身体運動に伴うエネルギー消費量を「推定」している。しかし、スポーツ医学など学術的に運動エネルギーを評価するときには、エネルギー消費量を「測定」している。一般的には、被験者にチューブが接続されたマスクを装着させ、身体運動によって排出される呼気をそのチューブを介してエアバッグなどに案内して採取する。身体運動の過程で採取された呼気中の二酸化炭素の量を分析し、呼吸によって消費された酸素の量を算出する。そして、その酸素が燃焼するときの熱量をエネルギー消費量としている。
【００２２】
そこで、実施例のエネルギー消費量推定装置を使用して被験者に身体運動をさせながら、上記のエネルギー消費量測定系でエネルギー消費量を実測し、推定装置が算出した運動エネルギーとエネルギー消費量の実測値との相関関係から運動エネルギーをエネルギー消費量に変換する係数を求めておく。そうすることで、エネルギー消費量推定装置によって算出された運動エネルギーを実測値に近い精度でエネルギー消費量に換算することができる。
【００２３】
上記実施例では感圧センサからの荷重検出信号に基づいて被験者の体重を求めていた。もちろん、体重をコンピュータのキーボードから直接数値入力することとしてもよい。
【００２４】
身体の体積についても、身長をあらかじめ数値入力しておけば、その身長と身体各部位における長さの比に基づいて被験者の３次元的なサイズが取得でき、体積が計算できる。
【００２５】
多眼ステレオ処理は、複数のカメラがそれぞれ撮影した映像に基づいて被写体の３次元的な形状やサイズを特定するものである。上記実施例では３台のカメラを使用していた。カメラの数が多いと被写体の正確な形状やサイズが特定できる反面、その処理に時間が掛かる。２台のカメラを使用すれば、正確さや隠線部分の処理が不安定になる可能性があるが動体を観察する用途ではリアルタイム処理がしやすい。もちろん、各カメラの設置位置や光軸なども上記実施例に限らず、例えば、同一直線上や同一平面上に複数のカメラを設置したり、各カメラの光軸が平行になるように設置したりするなど、適宜に設定してよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、任意の定置的な身体運動にともなうエネルギー消費量を、被験者の体重や身体各部位の複雑な運動を反映した運動エネルギーに基づいて推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるエネルギー消費量推定装置の概略構成図を示している。
【図２】上記実施例を構成するコンピュータが多眼ステレオ処理することで生成した被験者のポリゴンデータの概略図を示している。
【符号の説明】
１エネルギー消費量推定装置
２ステージ
３ＣＣＤカメラ
４コンピュータ
５感圧センサ

Claims

人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置であって、
所定の撮影場所で定置的な身体運動をする被験者を複数台のカメラで異なる方向から撮影する手段と、
これらカメラで撮影された被験者の映像をデジタルデータ化してコンピュータに取り込んで多眼ステレオ処理し、被験者の身体各部位の３次元の変位を時系列データ化する動体分析手段と、
この動体分析手段により得られた身体各部位の変位時系列データと、別途に取得した被験者の身体各部位の質量情報とに基づいて、身体各部位の運動エネルギーを積算する運動エネルギー積算手段と、
この手段により求められた運動エネルギー値を被験者のエネルギー消費量に換算して出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１において、被験者の体重を検出する体重測定手段を備え、前記動体分析手段は、前記多眼ステレオ処理の過程で前記身体各部位の体積を推定し、前記運動エネルギー積算手段は、当該推定された身体各部位の体積と前記被験者の体重とに基づいて身体各部位の質量情報を取得することを特徴とする人間の定置的な身体運動を観察して運動に伴うエネルギー消費量を推定する装置。