JP4297905B2 - 人体形状測定方法とその装置 - Google Patents

Description

この発明は人体形状の測定に関する。

特許文献１ 特開２００２−３５７６５６号公報(ＥＰ１３６５２５６Ａ１)
特許文献１は、高周波を用いた距離測定を開示している。アンテナから指向性のある高周波を放射して、高周波の周波数を変化させながら、反射波と進行波とで構成される定在波の強度を測定する。得られた定在波の強度を周波数に関してフーリエ変換すると、対象物までの距離が得られる。発明者らは、この技術を人体形状の測定、特にアパレル向きの人体形状の測定、に応用することを検討した。
人体形状の測定ではｃｍオーダーの分解能で、人体表面の凹凸を測定する必要がある。このためには高周波ビームの指向性を高める必要があり、用いる周波数を例えば３０ＧＨｚ程度まで増す必要がある。しかし３０ＧＨｚ程度での発振回路やピックアップ等は極めて高価で、これは民生用には高周波が十数ＧＨｚ帯程度までしか用いられず、３０ＧＨｚ帯での高周波回路には軍用などの高価な回路しかないためである。そこで十数ＧＨｚ帯の高周波を用いて人体測定を行うと、測定対象以外の点からの反射波が混在し、測定精度が低下する。
特開２００２−３５７６５６号公報(ＥＰ１３６５２５６Ａ１)

この発明の課題は、比較的低い周波数を用いて人体形状を正確に測定することにあり、特に人体の測定対象の点以外からの反射波により、人体までの距離検出の精度が低下することを防止することにある。

この発明は、人体表面の測定点に向けて放射した高周波の反射に起因する定在波の強度を、高周波の周波数を変えて測定してフーリエ変換し、フーリエ変換信号のピークから人体との距離を測定する方法であって、測定点を変えながら距離測定を繰り返し、かつ新たな測定点でのフーリエ変換信号のピークから、以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内で、かつ閾値以上のものを抽出して、新たな人体との距離を求めると共に、所定の閾値以上のピークが得られなかった場合に、次回の測定点に対して前記所定の範囲を拡げもしくは前記閾値を低下させる、ことを特徴とする。
この発明は、人体表面の測定点に向けて放射した高周波の反射に起因する定在波の強度を、高周波の周波数を変えて測定してフーリエ変換し、フーリエ変換信号のピークから人体との距離を測定する装置であって、人体表面の測定点を変えながら、前記フーリエ変換信号のピークをサンプリングするためのサンプリング手段と、新たな測定点でのフーリエ変換信号のピーク中で、以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内で、かつ閾値以上のものを抽出して、新たな人体との距離を求めるためのトラッキング手段と、所定の閾値以上のピークが得られなかった場合に、次回の測定点に対して前記所定の範囲を拡げもしくは前記閾値を低下させるための手段、とを設けたことを特徴とする。
用いる高周波は、周波数が例えば１〜１００ＧＨｚ、特に１０〜５０ＧＨｚ程度とし、トラッキングにより、周波数の低下による分解能の低下を補う点が特徴である。定在波検出用のピックアップと放射用のアンテナは別体にしても、一体にしても良い。
好ましくは、バックグラウンドに対するフーリエ変換信号を記憶し、測定したフーリエ変換信号からバックグラウンドに対するフーリエ変換信号を除き、バックグラウンドに対するフーリエ変換信号を除いたフーリエ変換信号のピークを用いて人体との距離を測定する。
また好ましくは、人体形状の概略データを求めるための手段を設けて、該概略データから所定の変化内で、かつ以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内のものを、フーリエ変換信号から抽出して、人体との距離を求める。
好ましくは、高周波放射用のアンテナを人体に沿って昇降させるための手段を設ける。
好ましくは、前記高周波放射用のアンテナを昇降台に複数設けて昇降させることにより、人体の３次元形状を複数のラインに沿ってスキャンする。

この発明では、人体表面の測定点を変えながら距離を測定する際に、それ以前に得られた人体との距離から所定の範囲内に収まる、フーリエ変換信号のピークを抽出して、新たな人体との距離とする。人体形状（人体表面の形状）は連続であって、他の位置で求めた人体との距離から、新たな距離が不連続にジャンプすることはない。従って他の位置で求めた距離を拘束条件として新たな測定点での距離を求めると、類似した距離に複数のピークがある場合にも、測定点以外の点に対するピークと測定点に対するピークとを識別し、正確に人体形状を求めることができる。このため高周波はビーム径が広くても良く、従って用いる周波数を比較的低くできる。
ここでバックグラウンドに対するフーリエ変換信号を記憶して、測定したフーリエ変換信号から除いた後に、そのピークを求めるようにすると、人体以外のものに起因するピークを小さくして、検出精度を増すことができる。
人の体重と身長や体脂肪率、年齢などの、体型データが判明すると、人体形状を推定できる。また立体視のカメラなどにより人体を測定すると、着衣の状態での人体形状を推定できる。そして真の人体形状は着衣の人体形状の内側にある。そこで体型データや着衣での人体形状などを、人体形状の概略データとして、これを新たな測定点に対する拘束条件に加えると、トラッキングの精度を増すことができる。
好ましくは、アンテナを人体に沿って昇降させ、高さ方向に沿って人体形状をスキャンする。このようなアンテナを円周上に複数設けたり、あるいはアンテナを人体の周方向に沿って回転させて、スキャンを繰り返すと、人体形状を３次元的に求めることができる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図９に、実施例とその特性を示す。図１に人体形状測定装置２の外形を示すと、４は人が立つための台で、６はその周囲を取り巻くフレームで、支柱８を備えている。昇降台９は支柱８に沿って昇降し、１個〜複数個のホーンアンテナ１０を設ける。ホーンアンテナは回折損などの少ない高周波用のアンテナで、アンテナの種類自体は任意である。１２は高周波回路で、ホーンアンテナ１０に対して高周波を供給し、ホーンアンテナ１０中の進行波と人体からの反射波との定在波をピックアップして検波し、例えばＤＣ成分を除去した後に、信号処理部１４へ出力する。ホーンアンテナ１０を複数設ける場合、アンテナ毎に高周波の周波数を異ならせることが好ましい。信号処理部１４は、デジタルシグナルプロセッサやパーソナルコンピュータレベルの信号処理回路で構成し、求めた人体形状をモニタ１６などに出力すると共に、キーボード１８からの操作を受け付ける。
ホーンアンテナ１０の構造を図２に示すと、２１は導波管で、高周波発振回路からの高周波を受け入れ、先端の拡開されたホーン２２から高周波を放射する。導波管２１中にピックアップ２３を挿入して、ショットキーダイオードなどの検波回路２４により検波し、コンデンサなどを用いたＤＣエリミネータ２５によりＤＣ成分を除去して、出力する。なおＤＣエリミネータ２５は設けなくてもよい。
図３に、用いた信号処理系を示すと、高周波発振回路２９からの高周波出力をホーンアンテナ１０を介して人体２０に向けて放射する。用いる高周波は例えば１０〜１５ＧＨｚ程度で、衛星通信用などの比較的安価な高周波素子を用いることができ、進行方向に垂直な平面内でのビーム径は例えば２ｃｍ程度である。ホーンアンテナ１０内には高周波の進行波と反射波とが存在し、これらによって定在波が形成され、エネルギーとしては進行波の割合が圧倒的に大きい。そしてホーンアンテナ内の高周波をピックアップ２３でピックアップし、ＧａＡｓ系のショットキーダイオードなどを用いた検波回路２４で例えば半波相当に検波し、ＤＣエリミネータ２５でＤＣ成分を除去する。ＤＣ成分の多くは進行波に起因するもので、コンデンサでＤＣ成分を除去する代わりに、ＡＤ変換後の信号を差分あるいは微分してＤＣ成分を除去しても良い。
ＤＣエリミネータ２５からの信号は、振幅検出部２６にフィードバックされ、ＡＬＣ（自動レベル制御装置）２７を介して、出力制御部２８へフィードバックされる。この結果、ＤＣエリミネータ２５からの出力信号の振幅がほぼ一定となるように、高周波発振回路２９の出力にフィードバックが施され、これによって定在波のパワー（ＤＣエリミネータ２５からの出力）が小さい場合には進行波のパワーを増し、ＤＣエリミネータ２５からの出力が大きい時には、進行波のパワーを落として、ＤＣエリミネータからの信号のパワーをほぼ一定に保つ。前記の検波回路２４は微弱なＡＣ成分を検波し難いが、信号のパワーがほぼ一定なので、人体からの反射が弱いときでも、検波上の問題が生じない。
高周波回路１２は、１つの測定点に対して、周波数を例えば２５６通りなどに複数に変化させ、例えば中心周波数１２ＧＨｚに対して、周波数を１０〜１４ＧＨｚ、あるいは１１〜１３ＧＨｚなどに変化させ、周波数に関するフーリエ変換を可能にする。
ＡＤコンバータ３６は、ＤＣエリミネータ２５の出力信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換した信号中のＤＣ成分は、距離ゼロの位置に現れるため意味が無く、これをＤＣエリミネータ３７によりデジタル的に処理する。例えばＡＤ変換した信号をＤＣ成分に相当する所定値だけレベルダウンした後、フーリエ変換を行い距離情報を得る。
ＦＦＴ３８は、高速フーリエ変換などにより、ＡＤ変換しＤＣ成分を除去した信号をフーリエ変換する。このフーリエ変換は周波数に関するフーリエ変換で、特許文献１に記載のように、フーリエ変換信号のピークはアンテナ１０から人体までの距離に対応する。なおＡＤ変換した信号を微分フィルタなどで処理してＤＣ成分を除き、前記の振幅検出部２６へ入力しても良い。またＡＤコンバータ３６によりＡＤ変換した信号をＦＦＴ３８でフーリエ変換した後、ＤＣエリミネータ３７でＤＣ成分を除去するようにしても良い。
フーリエ変換信号には、アンテナ内の反射や人体以外の背景での反射などに対する信号が含まれている。そこで人体がない場合のフーリエ変換信号をバックグラウンド信号記憶部３９に記憶し、差分部４０で人体がある場合のフーリエ変換信号との差分を求める。このようにしてフーリエ変換からバックグラウンドに起因する信号を除いて、信号の有効部分を抽出する。
バックグラウンド信号の除去を、図５に模式的に示す。実線はＦＦＴ３８から入力されたフーリエ変換信号で、ＤＣ成分に相当する分のレベルシフト後、フーリエ変換したものである。このフーリエ変換信号から、バックグラウンド信号として記憶した破線の信号を引き算して、人体に起因するフーリエ変換信号のピークを取り出す。なおバックグラウンドを差分する代わりに、人体とのおおよその距離は既知なので、この範囲の信号のみをピックアップする窓関数を用いてもよい。しかしこのような窓関数の使用は、後述のトラッキングと類似の処理で、精度の向上には限界がある。
これ以外に例えば一対のカメラ３０，３１を用いて人体を測定し、人体の立体視画像を作成し、アウトライン抽出部３２で人体のアウトライン形状を抽出する。カメラ３０，３１では着衣の人体形状を撮影したので、実際の人体表面はアウトライン抽出部３２で抽出した人体形状よりも、内側に存在するはずである。あるいはまた測定前に、人の体重と身長、体脂肪率などを測定して、年齢などを加味して、大まかな体型を推定し、アウトライン抽出部３２の信号の代わりに用いてもよい。さらにカメラ３０，３１やアウトライン抽出部３２などは、設けなくてもよい。
一方昇降台９は、昇降駆動部３４により昇降し、所定の高さ範囲で人体の表面形状をスキャンする。また左右動駆動部３５は、ホーンアンテナ１０を例えば左右に首振り運動させ、あるいは左右に位置をシフトさせて、人体からの大きな信号が得られる点から、スキャンが開始されるようにする。なお昇降駆動部３４や左右動駆動部３５の構成は任意であり、左右動駆動部３５は設けなくてもよい。
比較部４１はスキャンの開始時に、所定の閾値以上の信号が得られているかどうかをチェックし、所定の閾値以上の信号が得られるように、左右動駆動部３５を動作させて、ホーンアンテナ１０の向きを変更する。トラッキング部４２は、ホーンアンテナ１０を昇降させて人体形状をスキャンする過程で、各高さでのホーンアンテナと人体との距離を測定すると共に、前回の測定点、もしくはそれ以前の複数の測定点から予想される、次の人体表面との距離の合理的な範囲を求め、この範囲内の信号を抽出するように、トラッキングを行う。合理的な範囲とは、人体表面の連続性が保たれる、あるいは人体表面の凹凸の範囲との意味である。比較部４１やトラッキング部４２の処理の詳細を図４に示す。
図４の測定開始時点で、ホーンアンテナはスキャン範囲の上端もしくは下端にあり、比較部４１へ入力されるフーリエ変換信号の最大値を検出し、最大値が閾値以上かどうかをチェックする。最大値の値が小さく、閾値以下の場合、左右動駆動部３５によりホーンアンテナの向きを変えて、より強い信号が得られる位置を探す、あるいはＡＬＣを動作させて高周波発振出力を増すなどの処理を行う。
スキャン範囲の上端もしくは下端で閾値以上の最大値が得られると、トラッキングを開始する。トラッキングを開始すると、人体との距離を変数「トラッキング位置」として更新しながら保持し、例えば５ｍｍずつホーンアンテナの位置を変えて、測定点を上下に移動させ、次の最大値を求める。この最大値は差分部４０の出力中の最大値で、人体との距離に対応する。最大値を検出する範囲は検索範囲として制限され、前回の測定点での人体との距離に対して、例えば±１ｃｍ以内、あるいは±５ｍｍ以内などに制限される。前回の測定点だけでなく、前回までの複数の測定点を用いる場合、これらの測定点を外挿して得られる点に対して±５ｍｍ程度に検索範囲を制限する。そして検索範囲内でのフーリエ変換信号の最大値を検出する。
得られた最大値に対して閾値判断を行い、閾値以上の最大値が得られた場合、測定は有効で、新たな測定点での人体に対する距離が得られたものとする。閾値以上の最大値が得られなかった場合、次回の閾値判断での閾値を例えば５〜１０％程度低下させる、あるいは人体の凹凸が激しいものとして、最大値を検索する範囲を例えば±５ｍｍから±７ｍｍなどのように増加させる。そして今回測定した最大値の扱いは任意であるが、例えば有効な最大値が得られなかったものとして、検出した最大値を無効にする。以上の処理を、最終測定点まで繰り返すと、１つのスキャンラインに沿った人体の形状が得られる。
ここで図１に戻り、ホーンアンテナ１０を複数設け、アンテナ間の干渉を防止するため高周波の周波数などを変えて、同時に複数のラインに沿ってスキャンする。そしてアンテナの数が少ない場合、フレーム６を回動させてスキャンを繰り返す。このようなスキャンを繰り返すと、人体表面の３次元形状を得ることができる。
図６はトラッキングを行わず、スキャンの過程でのフーリエ変換信号の最大値を単純に人体との距離信号として用いた例である。実線はフーリエ変換信号を示し、７００ｍｍ付近と９００ｍｍ付近に２つのピークがあり、９００ｍｍ付近のピークが大きいので、これが距離信号となる。フーリエ変換信号のピークを単純に距離信号として高さ方向に沿って求めた人体形状信号を、ドットで示す。なおフーリエ変換信号と人体形状信号とは、横軸の位置を変えてある。図６のようにトラッキングを行わないと、人体形状信号が不連続にジャンプしている。
これに対して図７は、同じフーリエ変換信号に対して、前回の測定点での距離信号から所定の範囲内の最大値のみを抽出するようにした際の結果である。フーリエ変換信号のピークは２つに分裂しているが、人体形状信号は連続した線として得られている。
図８は、図６の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。また図９は、図７の測定を１スキャンライン分行った場合の、人体形状信号を示している。トラッキングを行わない場合、高さ８００〜９００ｍｍ付近で、人体形状信号が不自然に変動する。これに対してトラッキングを行うと、このようなノイズを除くことができる。
トラッキングを行わない場合に、図６，図８のような不自然な結果が得られることには、ホーンアンテナから直進した位置の測定点以外での、例えば人体からの反射が、影響しているものと思われる。そしてこのような反射は、高周波の周波数を増してビーム径を絞れば、小さくすることができる。例えば周波数を２倍にすれば、ビーム径は約１／２になり、図６の距離９００ｍｍ付近での信号は、強度が減少するはずである。しかしながら周波数を増すと、民生用の高周波素子を用いることができず、回路コストが急増する。そこでトラッキングを行うことにより、衛星通信などに用いられる民生用の高周波素子を用いて、人体形状を測定することができる。

実施例の人体形状測定装置の正面図である。 実施例で用いたホーンアンテナの側面図である。 実施例の人体形状測定装置の信号処理系のブロック図である。 実施例の人体形状測定方法でのトラッキングアルゴリズムを示すフローチャートである。 実施例での、フーリエ変換信号からのバックグラウンド信号の除去を模式的に示す図である。 トラッキングを行わない場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。 トラッキングを行った場合の、フーリエ変換信号と高さ方向に沿った人体形状信号とを示す図である。 トラッキングを行わない場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。 トラッキングを行った場合の高さ方向の人体形状信号を示す図である。

Claims (9)

1. 人体表面の測定点に向けて放射した高周波の反射に起因する定在波の強度を、高周波の周波数を変えて測定してフーリエ変換し、フーリエ変換信号のピークから人体との距離を測定する方法であって、
   測定点を変えながら距離測定を繰り返し、かつ新たな測定点でのフーリエ変換信号のピークから、以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内で、かつ閾値以上のものを抽出して、新たな人体との距離を求めると共に、
   所定の閾値以上のピークが得られなかった場合に、次回の測定点に対して前記所定の範囲を拡げもしくは前記閾値を低下させる、ことを特徴とする、人体形状測定方法。
2. バックグラウンドに対するフーリエ変換信号を記憶し、測定したフーリエ変換信号からバックグラウンドに対するフーリエ変換信号を除き、バックグラウンドに対するフーリエ変換信号を除いたフーリエ変換信号のピークを用いて人体との距離を測定することを特徴とする、請求項１に記載の人体形状測定方法。
3. 人体形状の概略データを求めるための手段を設けて、該概略データから所定の変化内で、かつ以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内のものを、フーリエ変換信号から抽出して、人体との距離を求めることを特徴とする、請求項１に記載の人体形状測定方法。
4. 人体表面の測定点に向けて放射した高周波の反射に起因する定在波の強度を、高周波の周波数を変えて測定してフーリエ変換し、フーリエ変換信号のピークから人体との距離を測定する装置であって、
   人体表面の測定点を変えながら、前記フーリエ変換信号のピークをサンプリングするためのサンプリング手段と、
   新たな測定点でのフーリエ変換信号のピーク中で、以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内で、かつ閾値以上のものを抽出して、新たな人体との距離を求めるためのトラッキング手段と、
   所定の閾値以上のピークが得られなかった場合に、次回の測定点に対して前記所定の範囲を拡げもしくは前記閾値を低下させるための手段、とを設けたことを特徴とする、人体形状測定装置。
5. バックグラウンドに対するフーリエ変換信号を記憶するための手段と、測定したフーリエ変換信号とバックグラウンドに対するフーリエ変換信号との差分を求めるための手段とを設けると共に、前記トラッキング手段では該差分信号のピークを用いることを特徴とする、請求項４に記載の人体形状測定装置。
6. 人体形状の概略データを求めるための手段を設けると共に、
   トラッキング手段では、該概略データから所定の変化内で、かつ以前の測定点に対して求めた人体との距離から所定の範囲内のものを、フーリエ変換信号から抽出して、人体との距離を求めることを特徴とする、請求項４に記載の人体形状測定装置。
7. 高周波放射用のアンテナを人体に沿って昇降させるための手段を設けたことを特徴とする、請求項４に記載の人体形状測定装置。
8. 前記高周波放射用のアンテナを昇降台に複数設けて昇降させることにより、人体の３次元形状を複数のラインに沿ってスキャンするようにしたことを特徴とする、請求項７に記載の人体形状測定装置。
9. 前記高周波放射用のアンテナを昇降台に複数設けて昇降させることにより、人体の３次元形状を複数のラインに沿ってスキャンすることを特徴とする、請求項１に記載の人体形状測定方法。

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