バイオメカニクスにおける 最新の計測法 第17回日本バイオメカニクス学会大会 藤 井 範 久 オーガナイズドセッション コーディネーター

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1 バイオメカニクスにおける 最新の計測法 第17回日本バイオメカニクス学会大会 藤 井 範 久 オーガナイズドセッション コーディネーター
　それでは，オーガナイズドセッション「バイオメカニクスにおける最新の計測法」を始めさせていただきたいと思います．私，オーガナイザを務めさせていただきます筑波大学の藤井でございます．よろしくお願いいたします． 　このセッションでは私を含めて6名の発表がございますが，それぞれ，最新の計測法や分析方法に関連した発表をしていただけるものと考えております．演者の先生方，よろしくお願いいたします． 　なお，5名の先生方の発表については，発表9分，討論３分を予定しております．私が15分ほど時間を頂きますので，最後に15分ほど時間があります．その時間を使いまして，総合討論にしたいと考えております．　 　それでは，始めに，私の方から「身体運動の計測法」について簡単にお話させていただきます．

2 身体運動を『簡便，正確，迅速』に計測する
MuybridgeやMareyによるフィルムへの記録 ゴニオメータなどの機械式計測 高速度カメラ，ビデオの開発 DLT法の開発 自動動作計測システム開発 GPS，加速度計などの利用 　動作の計測といいましても，MuybridgeやMareyによるフィルムへの記録に始まり，ゴニオメータ，高速度カメラやビデ，DLT法，自動動作計測システム開発，GPS，加速度計などセンサーのなど様々な計測方法があります．全てについてお話をする時間はありませんので，ここでは， DLT法，自動動作計測システム，GPSについて簡単に説明していきたいと思います． バイオメカニクスにおける最新の計測法

3 身体運動を『簡便，正確，迅速』に計測する
MuybridgeやMareyによるフィルムへの記録 ゴニオメータなどの機械式計測 高速度カメラ，ビデオの開発 DLT法の開発 自動動作計測システム開発 GPS，加速度計などの利用 　まず始めに，順番が飛びますが，VICONに代表される自動動作分析システムの現状についてです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

4 VICONシステムによるスポーツ動作の計測
　臨床歩行分析を中心に使われてきた自動動作分析システムですが，ハードウェア，ソフトウェアの発達によって，このような動きの速いスポーツ動作の計測にも利用できるようになってきています．また映画やテレビゲームの製作にも使われていますし，最近では，リアルタイムで計測できるシステムまであります． 　実験室環境下では，スポーツ動作の計測の主流になっていくことと思います．ただし，価格面の問題はなかなか解決されませんが． バイオメカニクスにおける最新の計測法

5 身体運動を『簡便，正確，迅速』に計測する
MuybridgeやMareyによるフィルムへの記録 ゴニオメータなどの機械式計測 高速度カメラ，ビデオの開発 DLT法の開発 自動動作計測システム開発 GPS，加速度計などの利用 　次に，DLT法についてです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

6 Abdel-Aziz & Karara による発表(1971) レンズ歪みの補正 パンニングDLT法（高松ら，1997）
Localized DLT法 (Kwonら, 2000） Double Plane法 ( ダイナミックキャリブレーション法 　Abzel-AzizとKararaによって提案されたDLT法ですが，その後，レンズの歪みの補正であったり，パンニングDLT法など，様々な改良が加えられてきました．さらに，最近では， バイオメカニクスにおける最新の計測法

7 計測空間を分割してDLTパラメータを算出
Localized DLT法 計測空間を分割してDLTパラメータを算出 　計測空間を分割して，それぞれのブロックでDLTパラメータを算出するLocalized DLT法や， (Kwonら, 2000） バイオメカニクスにおける最新の計測法

8 二次元DLT法を組み合わせることで精度向上を図る⇒水中運動計測に効果あり
Double Plane法 　2次元DLT法を組み合わせて，精度の向上をさせるDouble Plane法があります．このDouble Plane法は，水中運動を計測する際に問題となる，水と空気の境界で発生する光の屈折による精度低下を抑える効果があるといわれています． 　このようDLT法には，新しい方法が提案されていますが， 二次元DLT法を組み合わせることで精度向上を図る⇒水中運動計測に効果あり バイオメカニクスにおける最新の計測法

9 Abdel-Aziz & Karara による発表(1971) レンズ歪みの補正 パンニングDLT法 Localized DLT法
Double Plane法 ⇒計測点に応じてDLTパラメータを使い分けることで計測精度を向上させる． ダイナミックキャリブレーション法 　基本的には，計測点に応じてDLTパラメータを使い分けることで，精度を向上させようとするものだといえるでしょう． バイオメカニクスにおける最新の計測法

10 Abdel-Aziz & Karara による発表(1971) レンズ歪みの補正 パンニングDLT法 Localized DLT法
Double Plane法 ⇒計測点に応じてDLTパラメータを使い分けることで計測精度を向上させる． ダイナミックキャリブレーション法 　次に，DLT法のキャリブレーション方法についてです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

11 動作分析システム比較検討会(2002年7月) バイオメカニクスにおける最新の計測法
　これは今年の7月に行われた動作分析システム比較検討会のビデオなのですが，VICONを始めとして総額で数億の計測システムを集めて計測精度の比較を行ったものです． 　これは，その時のMotion Analysis社のキャリブレーション作業なのですが，床にマークが4個付いたL字型のフレームが置いてあります． 　次に，このようにマークの付いた棒を計測空間内で振り回して，キャリブレーションを行っています．従来のように，四角いフレームを置いたり，キャリブレーション用のポールを鉛直に立てたりはしていません． バイオメカニクスにおける最新の計測法

12 座標軸を決めるために，水平面内の２軸それぞれに２点のコントロールポイント（CP）を設置（原点を利用することも可）
キャリブレーション作業 三次元座標系の原点を設置 座標軸を決めるために，水平面内の２軸それぞれに２点のコントロールポイント（CP）を設置（原点を利用することも可） 両端にCPを取り付けた棒（wand）を計測空間内で無作為に移動させ，２台以上のビデオカメラで同期撮影 　このキャリブレーション方法を確認しますと， 　始めに，三次元座標系の原点を設置し，次に，座標軸を決めるために，水平面内の２軸それぞれに２点のコントロールポイントをおきます．今見ていただいたビデオでは，L字型のフレームで原点と座標軸を決めています． 　そして，両端にコントロールポイントを取り付けた棒を計測空間内で無作為に移動させ，カメラで撮影しています． バイオメカニクスにおける最新の計測法

13 それぞれのカメラについて暫定的なDLTパラメータを決める．
DLTパラメータを用いてCPの三次元座標値を算出する． 原点，座標軸，棒に取り付けたCPの距離の誤差，三次元座標算出に関する誤差の和を評価関数とする． 評価関数が最小になるようにDLTパラメータを最適化する． 　次に，DLTパラメータの算出方法ですが，従来のように座標値の分かったコントロールポイントを撮影しているわけではないので，コントロールポイントの再構築誤差を最小にするという従来の方法は使えません．そこで，システムによって，いろいろとノウハウがあるようですが，基本的な考え方としては， 　まず，それぞれのカメラについて暫定的なDLTパラメータを決めます． 　つぎに，DLTパラメータを用いてCPの三次元座標値を算出します． 　つぎに，原点，座標軸，棒に取り付けたコントロールポイントの距離の誤差，三次元座標算出に関する誤差の総和を評価関数とし， 　その，評価関数が最小にするようにDLTパラメータを最適化します． バイオメカニクスにおける最新の計測法

14 従来のキャリブレーション法と併用することで，CPを正確に設置できなかった場合のDLTパラメータを補正することも可能．
ダイナミックキャリブレーションの利点 CPを正確に設置する必要がない． キャリブレーションが簡便，短時間． 従来のキャリブレーション法と併用することで，CPを正確に設置できなかった場合のDLTパラメータを補正することも可能． 　このようにしてDLTパラメータを算出するのですが，この方法の利点として， 　コントロールポイントを正確に設置する必要がない． 　キャリブレーションが簡便，短時間． が挙げられます． 　また，従来のキャリブレーション法と併用することで，コントロールポイントを正確に設置できなかった場合のDLTパラメータを補正することも可能です． 　そこで，このDLTパラメータの補正を行った例をつぎにお見せします． バイオメカニクスにおける最新の計測法

15 ダイナミックキャリブレーション法（DC法）
キャリブレーション作業 従来の方法（SC法） ワイヤーを用いており，コントロールポイント（CP）が揺れる 　これは，水泳の板飛び込みの分析を行ったときの写真なのですが， 　まず始めにアングル材とワイヤーをつかったキャリブレーションフレームを使ってキャリブレーションを行いました． 　これを，重さの関係でアングル材だけでフレームを作成することができず，ワイヤーを使っています．その結果，少しコントロールポイントが揺れてしまいました． 　そこで，見づらいですが，両端にコントロールポイントを付けた棒を振り回して，キャリブレーションを行っています． ダイナミックキャリブレーション法（DC法） バイオメカニクスにおける最新の計測法

16 後方１回半宙返り１回半捻り バイオメカニクスにおける最新の計測法
　これが，実際に計測した後方1回半宙返り1回半捻りの写真とスティックピクチャです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

17 キャリブレーション結果 バイオメカニクスにおける最新の計測法
　そして，計測精度を求めてみたのですが，従来のSC法では，座標軸が直交しておらず，鉛直方向のZ軸が１ｍあたり21mmのずれが生じています． 　また，ダイナミックキャリブレーション法で用いた棒の長さですが，実測値が1.81mだったのが，従来のSC法だと1.817mになっています． 　そこで，ダイナミックキャリブレーション法を用いて補正してやると，軸方向の誤差は3mm程度に，棒の長さも1.807mと精度が上がっています． 　このように，ダイナミックキャリブレーション法は，従来のキャリブレーション法と併用することで，コントロールポイントを正確に設置できなかった場合にDLTパラメータを補正することも可能です． バイオメカニクスにおける最新の計測法

18 wandの振り回し方によってDLTパラメータの算出精度が悪くなる場合がある．
ダイナミックキャリブレーションの欠点 wandの振り回し方によってDLTパラメータの算出精度が悪くなる場合がある． 最適化処理を含むため，必ずしも高精度のキャリブレーションを行えるとは限らない． →CPを正確に設置できる場合にはSC法，他の場合はDC法やDC/SC併用法などのように，状況に合わせてキャリブレーション法を使い分ける必要がある． 　しかし，やはり問題点もありまして， 　wand，棒ですね，これの振り回し方によって算出精度が悪くなる場合があったり， 　非線形の最適化処理を含むため，必ずしも高精度なキャリブレーションが行えるとは限りません． 　そこで，通常のビデオシステムで動作の計測を行う場合には， 　コントロールポイントを正確における場合には従来の方法，精度よく置けない場合にはDC法やSC法とDC法の併用するなど，状況に合わせてキャリブレーション方法を使い分ける必要があると思います． バイオメカニクスにおける最新の計測法

19 身体運動を『簡便，正確，迅速』に計測する
MuybridgeやMareyによるフィルムへの記録 ゴニオメータなどの機械式計測 高速度カメラ，ビデオの開発 DLT法の開発 自動動作計測システム開発 GPS，加速度計などの利用 　最後にGPSや加速度計などについてです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

20 GPS（Global Positioning System）
SA（Selective Availability）の解除 DGPS：メートル単位の精度 RTK-GPS：ミリメートル単位の精度 小型化 日本独自のGPS衛星の打上げ計画 　GPSについては，皆さんもご存知だと思いますし，あとで松田先生からGPSをつかった発表がありますので簡単にしますが， 　GPSとは，４個以上のGPS衛星との距離を計ることで高度も含めた位置を求めるものです． 　そして，2000年５月にアメリカが，SA（Selective Availability）と呼ばれる人為的な誤差を解除したことで，格段に計測精度が上がりました． 　また，座標の基準になる地点の電波を用いるディファレンシャルGPSでは，メートル単位の精度がでますし，最近注目されているリアルタイムキネティック-GPSでは，ミリメートル単位の精度だといわれています． 　また近年は，携帯電話に内蔵されるほど小型化されてきています． 　さらには，日本独自のGPS衛星の打上げ計画もあり， 　将来的には関節角度の計測などの動作計測に利用できるかも知れません． →将来的には動作計測に適用できるかも バイオメカニクスにおける最新の計測法

21 　その他にも，加速度センサー，磁気センサー，ジャイロセンサー，音響センサー，フレキシブルゴニオメータなど，様々なセンサーが動作計測に利用可能になってきている．
　信号を電気的に扱うため，ディジタイズの際に混入するような人為的ノイズが少なく，身体運動を精度よく計測でき，今後は映像を用いない動作計測システムが主流となる可能性もあろう． 　その他にも，加速度，磁気，小林先生の発表にでてくるジャイロ，音響，ゴニオメータなど，様々なセンサーが動作計測に利用可能になってきています． 　これらのセンサーは，信号を電気的に扱うためノイズが少なく，身体運動を精度よく計測でき，今後は映像を用いない動作計測システムが主流となる可能性もあります 　今後の有望株，というところでしょうか． バイオメカニクスにおける最新の計測法

22 実験環境下では自動計測システムや各種センサーを利用できる．
これからの動作計測システムは？ 実験環境下では自動計測システムや各種センサーを利用できる． 競技会の分析は，画像処理技術と組み合わせて半自動処理も可能だが，基本的には手作業によるディジタイズ． 　しかし，人はマークをつけなくても動きを認識できる．究極(?)の動作計測システムとは？ 　このように見てきますと， 　実験環境下では自動計測システムや各種センサーを利用できます． 　しかし，競技会の分析は，画像処理と組み合わせて半自動処理も可能になってきていますが，基本的には手作業によるディジタイズが必要です． 　しかし，ここで，よく考えてみると，人はマークをつけなくても動きを認識できます．それを模倣した究極の動作計測システムは？ということが考えられます． バイオメカニクスにおける最新の計測法

23 コンピュータ内に構築したモデルと 映像とのマッチングによる動作計測 コンピュータモデル ビデオ映像との重ね合わせ
　そこで，それに対する一つの回答として， 　コンピュータ内のモデルと映像とのマッチングによる動作計測を行った例を紹介します． 　これは，指の屈曲動作を計測するために試験的に開発したシステムですが， 　まず，コンピュータ内に3次元モデルを構築して，その輪郭線を作成します． 　その輪郭線が，映像内の手や指の輪郭線と一致すれば，モデルの姿勢を表す関節角度が，実際の手や指の関節角度になると考えられます． 　そこで，1コマ目について手作業でモデルと映像とのマッチングを行えば， ビデオ映像との重ね合わせ バイオメカニクスにおける最新の計測法

24 連続した25コマの自動処理 12コマ目 25コマ目 バイオメカニクスにおける最新の計測法
　このように，映像にノイズがあって，薬指の角度が不自然ですが，連続した25コマの自動計測が可能でした． 25コマ目 バイオメカニクスにおける最新の計測法

25 モデルを組み合わせた半自動ディジタイズ バイオメカニクスにおける最新の計測法 また，この考えに似た市販のシステムも出てきています．
　また，この考えに似た市販のシステムも出てきています． 　このように，関節点だけを求めるのではなく，リンクモデルを重ね合わせて半自動でディジタイズしています． 　さらに，これは，右側にあるように，3次元モデルとリンクしており，この3次元モデルを映像に重ね合わせることができれば，先ほどお見せしたシステムと同じようなシステムになるはずです． 　ただし，このシステムはまだ発展途上で，いろいろと不具合が残っているようです． バイオメカニクスにおける最新の計測法

26 これからの動作計測システムとして，継続的な研究・開発が行われることを期待する．
モデルマッチング法 　これからの動作計測システムとして，継続的な研究・開発が行われることを期待する． 　まあ，そうであっても，人間の動作認識の仕組みを模倣したシステムとして，そして，究極の動作計測システムとしてこれからの継続的な研究や開発を期待しております． 　動作計測の方法について網羅することはできませんでしたが，これで　私の発表を終わらせていただきます． 　なお，この発表に関する質問などは，最後の総合討論の時にお願いいたします． Thank you for your attention! バイオメカニクスにおける最新の計測法

27 バイオメカニクスにおける 最新の計測法 第17回日本バイオメカニクス学会大会 オーガナイズドセッション
　それでは，引き続きまして，「バイオメカニクスにおける最新の計測法」ということで，

28 小林一敏：振動ジャイロと発光ダイオードによる水中運動測定法の開発 松田繁樹：GPSを利用したサッカー選手の各ポジションにおける移動距離
梅垣浩二：ハンマー投げの曲率半径計測システムの作製 川本竜史：3次元運動力学解析と有限要素解析を併用した走行時の脛骨捻り応力の定量 山田憲政：関節スティフネス測定器の開発 　小林先生，松田先生，梅垣先生，川本先生，山田先生の順番で発表をお願いいたします．発表9分で，質疑3分でお願いします． 　それでは，始めに小林先生からお願いいたします．