JPH05274434A - 運動解析法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】少ないメモリで、物体につけた標点の通過時刻
をほぼ実時間で求めることができ、運動解析を高精度に
かつ容易にできる運動解析法およびその装置を提供する
こと。 【構成】明るい標点をつけた移動物体を撮像装置で撮像
し、撮像装置内の結像面の各画素において輝度が最大と
なったときに最大輝度値記録用二次元画像メモリに最大
輝度値を記録させ、かつその画素に対応する時刻情報記
憶用二次元画像メモリにそのときの時刻に相当する情報
を記憶させることにより、少ない画像メモリで、高速に
精度よく標点の軌跡とその通過時刻を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体に設けた標点を用い
て物体の運動を計測する方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、人体や動物や機械などの運動
計測において、その移動する物体につけた標点の時々刻
々の位置を記録し、標点の位置や速度や加速度などの運
動を解析する運動解析法が知られている。図１は従来の
運動解析法の一例と処理系統を示す。１は三次元空間
（ｘ，ｙ，ｚ）にある被測定物体であり、この場合人体
を想定している。２はＣＣＤカメラのような撮像装置で
あり、撮像装置２の光軸３はｚ方向を向いており、物体
１のｘ方向およびｙ方向の運動を撮影する。図１には人
体が４体描かれているが、一人の人物が右から左に移動
した場合に異なる時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４で計４回
撮影された瞬間のそれぞれの人体の位置を表わしてい
る。物体１の運動を解析したい場所に周囲と異なる明る
さまたは色（明度、色相、彩度）を持つ標点が取り付け
られている。本実施例の場合、標点として４つの豆球ラ
ンプを用いており、標点は周囲よりも大きな輝度を持っ
ていることになる。これら豆球ランプをそれぞれ人体の
右手，頭，左手および一方の足に取り付けてある。標点
は図中に●，■，○，△で表わされており、それぞれを
標点ａ，ｂ，ｃ，ｄとする。物体１が動いた時の標点
ａ，ｂ，ｃ，ｄの軌跡が細線で表わされている。

【０００３】撮像装置２の結像面４からの明るさに対応
したアナログ出力電圧信号はデジタル画像入力装置５に
入る。この画像入力装置５はコンピュータ６によりコン
トロールされている。画像入力装置５に入ったアナログ
出力電圧信号は内蔵されたＡ／Ｄ変換器でデジタル化さ
れ、デジタル画像メモリ７に記憶される。すなわち撮像
装置２の結像面４を電子的に走査することにより、結像
面４に結像した物体の画像の各画素の明るさ情報は、デ
ジタル化した値で、走査している画素の位置を示す二次
元座標の配列メモリ（ｕ，ｖ）に順次記憶される。本実
施例の場合、明るいほどデジタルの数値は大きくなる。
標点の写っている明るい部分の画像メモリ７の（ｕ，
ｖ）座標が物体上の標点の（ｘ，ｙ）座標に対応してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２は時刻ｔ１のとき
に撮像装置２により撮影された画像であり、標点ａ，
ｂ，ｃ，ｄに対応する点がａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１で示
されている。図３は図２の状態から少し時間が経過した
時刻ｔ２のときの撮像装置２により撮影された画像であ
り、各標点がａ２，ｂ２，ｃ２，ｄ２で示されている。
従来の運動解析においては、例えば時刻ｔ１のとき
（ｕ，ｖ）座標における標点ａ１の位置と時刻ｔ２のと
き（ｕ，ｖ）座標における標点ａ２の位置を求めて、そ
の位置と時刻から標点の位置，速度，加速度を求めてい
た。そのため、画像１枚ごとに標点を検出する処理をせ
ねばならず、処理に時間がかかっていた。図４は、時刻
ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４のとき得られた標点の位置を示
す画像を重ね合わせたものである。図中の曲線は同じ標
点を仮想的に滑らかに結んだものであり、その標点の軌
跡と考えられる。各画像の時間間隔が粗いと標点の間が
あき、同じ標点であることを対応づけるのが困難にな
り、このような曲線を得ることが困難となる。またその
途中の時間も補間により求めねばならない。そのため速
度や加速度の精度が悪くなる。この方法では、通過時刻
ｔの分解能を高めるために多くの異なる時刻ｔの画像を
記憶するほど多くの画像、したがって多くの画像メモリ
が必要となり、また処理に時間もかかるという欠点があ
る。

【０００５】そこで、本発明の目的は、少ないメモリ
で、物体につけた標点の通過時刻をほぼ実時間で求める
ことができ、運動解析を高精度にかつ容易にできる運動
解析法およびその装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の運動解析法では、移動する物体に周囲より
明るい標点または暗い標点を設け、この標点を撮像装置
により撮影することによって、その標点の位置を追跡す
る運動解析法において、上記撮像装置内の結像面の各画
素において明るさが最大または最小となったときに、そ
の画素に対応する二次元画像メモリにそのときの時刻に
相当する情報を記憶させるものである。また、本発明の
運動解析装置は、撮像装置内の結像面の各画素に対応し
た二次元座標（ｕ，ｖ）を持ち、各座標位置における輝
度値を書換え記憶する最大輝度値または最小輝度値記憶
用二次元画像メモリと、上記各画素に対応した二次元座
標（ｕ，ｖ）を持ち、各座標位置において最大輝度値ま
たは最小輝度値記憶用二次元画像メモリの輝度値が書換
えられた時の時刻に相当する情報を書換え記憶する時刻
情報記憶用二次元画像メモリと、各座標位置において最
大輝度値または最小輝度値記憶用二次元画像メモリに記
憶された輝度値と物体の相対移動に伴って撮像装置から
出力された輝度値とを比較し、撮像装置から出力された
輝度値が大きい時または小さい時に最大輝度値または最
小輝度値記憶用二次元画像メモリをこの輝度値に書き換
える比較書換え手段とを設けたものである。なお、標点
としては周囲より明るい点や暗い点、つまり輝度値が周
囲と異なる点に限らず、色情報が周囲と異なる点を設け
てもよい。ここで、色情報としては明度、色相、彩度の
いずれか、若しくはこれらの組み合わせであってもよ
い。標点として色情報を用いた場合、撮像された各画素
の色情報と標点の色情報との相対値の最大値または最小
値を求めることによって、標点の位置を検出している。

【０００７】

【作用】明るい標点を用いた場合、標点が移動すると、
撮像装置の結像面で標点が通過した画素の輝度値は大き
くなる。比較書換え手段および最大輝度値記憶用二次元
画像メモリの作用により、上記画素に対応する時刻情報
記憶用二次元画像メモリの画素には最大輝度値の時刻、
すなわち標点通過時の時刻が得られる。最大輝度値記憶
用二次元画像メモリ内には標点の軌跡が輝度値の大きな
画素を連ねた線として得られる。

【０００８】

【実施例】図５は本発明による運動解析法の一実施例の
装置と処理系統を表す図である。図５における１′〜
６′、ａ′〜ｄ′およびt1′〜t4′は図１の１〜６、ａ
〜ｄおよびt1〜t4とそれぞれ対応するので、説明を省略
する。本計測装置では、図１の画像メモリ７の代わり
に、比較器８を通して最大輝度値記憶用二次元画像メモ
リ９と時刻情報記憶用二次元画像メモリ10の２枚の二次
元画像メモリを接続してある。これら画像入力装置
５′、比較器８、二次元画像メモリ９，10はコンピュー
タ６′によってコントロールされており、一定のタイミ
ングごとに撮像装置２′の結像面４′から情報を取込
み、後述する処理を行う。二次元画像メモリ９，10は共
に撮像装置２′の結像面４′の各画素に対応した二次元
座標（ｕ，ｖ）を持っており、各座標位置にそれぞれデ
ジタル化された輝度値および時刻情報を記憶でき、かつ
自由に書換えもできる。

【０００９】つぎに、本発明の運動解析法について説明
する。まず、撮影前に初期値として最大輝度値記憶用二
次元画像メモリ９のすべての座標に最も小さい輝度値
（例えば０）を、時刻情報記憶用二次元画像メモリ10の
すべての座標に最も早い時刻情報の値（例えば０）を代
入しておく。時刻ｔのときに撮像装置２′で物体１′を
撮影し、その出力信号をデジタル画像入力装置５′でデ
ジタル化する。すなわち撮像装置２′の結像面４′を電
子的に走査することにより、結像面４′に結像した物体
の画像の各画素の明るさ情報は、デジタル化した値で、
走査している画素の位置を示す二次元座標の配列メモリ
（ｕ，ｖ）に順次記憶される。明るいほどデジタルの輝
度値は大きいことになる。標点の写っている明るい部分
の画像メモリの（ｕ，ｖ）座標が物体上の標点の（ｘ，
ｙ）座標に対応している。

【００１０】デジタル化された輝度値は比較器８に入
る。比較器８は、いまデジタル化した座標（ｕ，ｖ）の
輝度値と最大輝度値記憶用二次元画像メモリ９の中から
座標（ｕ，ｖ）での記憶された最大輝度値とを比較す
る。いまデジタル化した値の方がその最大輝度値より大
きい場合は、最大輝度値記憶用二次元画像メモリ９の座
標（ｕ，ｖ）の輝度値をいまデジタル化した値に書き換
えて記憶する。そして同時に時刻情報記憶用二次元画像
メモリ10の座標（ｕ，ｖ）の値を現在の時刻ｔの値に書
き換える。いまデジタル化した輝度値の方が大きくない
場合は、二つの二次元画像メモリ９，10の座標（ｕ，
ｖ）での値を変更せずにそのままにしておく。撮像装置
２′の結像面４′を電子的に走査しながら、上記の比較
・書換え処理を二次元座標（ｕ，ｖ）の全てに亘って行
った後、時刻ｔを変えながら上記と同様の操作を行う。

【００１１】このようにして時刻ｔを変えながら計測し
たい時刻まで上記の操作を繰り返すと、最大輝度値記憶
用二次元画像メモリ９には、標点の通過した画素に大き
な値の輝度値が入っていることになる。標点が通過しな
かった画素には小さな値の輝度値が入っている。そこ
で、標点の軌跡を得るために、この最大輝度値記憶用二
次元画像メモリ９の大きな値を記録している画素だけ抽
出する。そのために、まず標点の輝度値より少し暗い輝
度値をしきい値として二値化を行い、明るい線上の部分
だけを取り出す。次に通過した線の幅を狭くするために
細線化を行う。図６はこのようにして得られた画像の例
である。この線の存在する部分の各画素の標点の通過時
刻は時刻情報記憶用メモリ10に記憶されているので、こ
の情報を利用することにより各通過点の通過時刻を知る
ことができ、各点の位置や速度や加速度を計算すること
ができ、標点の運動を解析することができる。

【００１２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。例えば、上記実施例では明るい標点を使用
し、標点の輝度値が周囲の輝度値よりも大きくなるので
最大輝度値を用いたが、黒い標点を用いた場合は、標点
の輝度値は周囲の輝度値よりも小さくなるので、最小輝
度値を用いればよい。すなわち最大輝度値記憶用二次元
画像メモリに代えて最小輝度値記憶用二次元画像メモリ
を使用すればよい。また、標点の位置を示す情報とし
て、カラー画像の場合は各原色の明度値、色相値、彩度
値あるいはこれらの組合せを用いてもよい。この場合は
各標点の色を変えておけば、他の標点との区別が容易に
なる。また、標点の明度や色相や彩度に近いほど色情報
の数値（相対値）が大きくあるいは小さくなるようにし
ておけばよく、これに対応して二次元画像メモリには最
大または最小の色相対値を記憶するようにすればよい。
さらに、本発明において標点とは、実施例のような豆球
ランプのように別部材を取り付けたものに限らず、人体
における頭髪や眼球のように物体に既に存在する物を利
用してもよい。また、本実施例はｘ方向とｙ方向の二次
元運動について述べたが、２台以上の本装置で方向を変
えて同じ物体を撮影し、これらの装置により得られた各
画像での同じ標点の軌跡と時刻を組み合わせることによ
り、三次元位置や三次元運動を解析することができる。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、標点の軌跡とその通過時刻を簡単に得ることが
でき、解析の自動化も容易である。また、画像の各点の
輝度値（色相対値）が最大値または最小値であるか否か
を比較し、最大値または最小値のときのみ二次元画像メ
モリにそのときの時刻に対応した輝度値（色相対値）を
記憶すればよいので、処理が非常に簡単で、ほとんど実
時間で運動の解析ができる。また、二次元画像メモリと
して最大輝度値または最小輝度値記憶用と時刻情報記憶
用の２つのメモリを使用するだけでよく、その記憶容量
も小さくて済む。時刻情報の分解能を上げるため、多数
の画像を利用しても、処理時間が少し長くなるだけで、
使用するメモリの容量は変わらず、高精度な解析装置が
安価に構成できるという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の運動解析法の一例の装置と処理系統を表
す図である。

【図２】従来の運動解析法により撮影された時刻ｔ１の
ときの標点の位置を示す画像の例である。

【図３】従来の運動解析法により撮影された時刻ｔ２の
ときの標点の位置を示す画像の例である。

【図４】従来の運動解析法により撮影された異なる時刻
の標点の位置を重ね合わせた画像の例である。

【図５】本発明による運動解析法の一実施例の装置と処
理系統を表す図である。

【図６】本発明の運動解析法により得られた最大輝度値
記憶用画像メモリの二値化、細線化後の画像の例であ
る。

【符号の説明】

１′ 被測定物体 ２′ 撮像装置 ３′ 撮像装置の光軸 ４′ 撮像装置の撮像面 ５′ デジタル画像入力装置 ６′ コンピュータ ８ 比較器 ９ 最大輝度値記憶用二次元画像メモリ 10 時刻情報記憶用二次元画像メモリ ａ′〜ｄ′ 標点 t1′〜t4′ 時刻

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動する物体に周囲より明るい標点または
   暗い標点を設け、この標点を撮像装置により撮影するこ
   とによって、その標点の位置を追跡する運動解析法にお
   いて、 上記撮像装置内の結像面の各画素において明るさが最大
   または最小となったときに、その画素に対応する二次元
   画像メモリにそのときの時刻に相当する情報を記憶させ
   ることを特徴とする運動解析法。
2. 【請求項２】移動する物体に明るい標点または暗い標点
   を設け、この標点を撮像装置により撮影することによっ
   て、その標点の位置を追跡する運動解析装置において、 上記撮像装置内の結像面の各画素に対応した二次元座標
   （ｕ，ｖ）を持ち、各座標位置における輝度値を書換え
   記憶する最大輝度値または最小輝度値記憶用二次元画像
   メモリと、 上記各画素に対応した二次元座標（ｕ，ｖ）を持ち、各
   座標位置において最大輝度値または最小輝度値記憶用二
   次元画像メモリの輝度値が書換えられた時の時刻に相当
   する情報を書換え記憶する時刻情報記憶用二次元画像メ
   モリと、 各座標位置において最大輝度値または最小輝度値記憶用
   二次元画像メモリに記憶された輝度値と物体の相対移動
   に伴って撮像装置から出力された輝度値とを比較し、撮
   像装置から出力された輝度値が大きい時または小さい時
   に最大輝度値または最小輝度値記憶用二次元画像メモリ
   をこの輝度値に書き換える比較書換え手段とを設けたこ
   とを特徴とする運動解析装置。
3. 【請求項３】移動する物体に周囲と異なる色情報を持つ
   標点を設け、この標点の位置を撮像装置により撮影する
   ことによって、その標点の位置を追跡する運動解析法に
   おいて、 上記撮像装置内の結像面の各画素において標点の色情報
   との相対値が最大あるいは最小となったときに、その画
   素に対応する二次元画像メモリにそのときの時刻に相当
   する情報を記憶させることを特徴とする運動解析法。
4. 【請求項４】移動する物体に周囲と異なる色情報を持つ
   標点を設け、この標点の位置を撮像装置により撮影する
   ことによって、その標点の位置を追跡する運動解析装置
   において、 上記撮像装置内の結像面の各画素に対応した二次元座標
   （ｕ，ｖ）を持ち、各座標位置における標点の色情報と
   の相対値を書換え記憶する最大相対値あるいは最小相対
   値記憶用二次元画像メモリと、 上記各画素に対応した二次元座標（ｕ，ｖ）を持ち、各
   座標位置において最大相対値あるいは最小相対値記憶用
   二次元画像メモリの相対値が書換えられた時の時刻に相
   当する情報を書換え記憶する時刻情報記憶用二次元画像
   メモリと、 各座標位置において最大相対値あるいは最小相対値記憶
   用二次元画像メモリに記憶された相対値と物体の相対移
   動に伴って撮像装置から出力された標点の色情報との相
   対値とを比較し、撮像装置から出力された相対値が大き
   い時あるいは小さい時に最大相対値あるいは最小相対値
   記憶用二次元画像メモリをこの相対値に書き換える比較
   書換え手段とを設けたことを特徴とする運動解析装置。