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運動解析(モーションキャプチャー)とは

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運動解析(モーションキャプチャー)とは

運動解析とは-解析画像
運動解析とは-水泳

運動解析とは、人や物の特徴点ごとの座標値を算出し、動きが加わった時の変化量を算出する画像処理技術です。
動作解析やモーションキャプチャーとも言われております。

人の関節やロボットのノズルなど計測したい点にマーカーを貼りカメラで撮影します。
撮影した画像上で移動するマーカーをソフトウェアで追尾することで、非接触かつ多点同時の計測を実現します。
速度、加速度、角度、移動距離など多数の物理量から対象の動作を評価することができます。

代表的なところでは、
  • ■スポーツ
  • ■ロボット
  • ■メディカル
  • ■3DCG など

ロボットのティーチングや位置補正のフィードバックなど"ロボティクス分野"。
フォームを分析し効率のいい肉体挙動を評価する"スポーツ分野"が有名です。

それ以外にもリハビリテーションや整形外科などの"メディカル分野"では患部だけでなく全身の動きを評価して負荷のかかり具合など総合的な診断が可能になります。
研究用途以外では、2DCGや3DCGで描画されたキャラクター(アバター)を動かすために運動解析(モーションキャプチャー)の技術が使われています。

運動解析(モーションキャプチャー)を行うための機器


もっともシンプルな構成ではビデオカメラと運動解析ソフトの2点でオフライン2次元解析ができます。
動きの早い対象に対してはハイスピードカメラを組み合わせ、高時間分解で計測することも可能です。

またカメラから得られたオフラインの動画を解析する方法以外にも、リアルタイムで数値結果を算出するカメラ、ソフト、校正などが全て統合されたリアルタイムモーションキャプチャーシステムもあります。
フォースプレート、筋電計、ロードセル、ひずみゲージ、加速度計などの外部機器と同期させて撮影計測することが可能です。

運動解析(モーションキャプチャー) 行う手順について

キャリブレーション(校正)

運動解析とは-キャリブレータ
キャリブレータ(キューブ型)
運動解析とは-ワンド
ワンド

カメラごとの位置と角度、空間の距離などを定義するためにキャリブレーションを行います。
キャリブレーションは寸法の基準となるキャリブレータの画像から空間と関連付けます。


キャリブレーションにはキューブ型のフレームを組んで特徴点となるマーカーを付けてソフトで自動認識させるDLT法や、ワンドと呼ばれる複数のマーカーが取り付けられた指示棒をカメラ内で振り回し空間座標を自動認識させる方法があります。
レンズの歪み補正や測定対象物の移動量に応じた撮影速度や構成画素数の設定なども行います。

カメラを配置 ~ キャリブレータを撮影

運動解析とは-キャリブレータ+カメラ3台
キャリブレータを撮影(カメラ3台)
運動解析とは-キャリブレーション画面
ソフトでカメラを位置を認識

2次元の運動解析を行うにはカメラ1台、3次元の運動解析を行うには複数台のカメラで撮影をします。
カメラ1台の2次元運動解析ではX、Yの2軸情報となるので、奥行方向の動きは解析できません。

一方、カメラ複数台を使う3次元運動解析は奥行方向の動きも解析ができます。
3次元の運動解析では対象物を囲むようにカメラを配置して、マーカーが陰にならないように撮影をします。
精度高く奥行方向の解析を行うには3台以上のカメラ設置が目安となります。

マーカーを追尾する方法

リアルタイムモーションキャプチャーシステムを含めた3次元解析では、再帰性と真円度が高い反射マーカーを使用することが一般的です。
水中などのマーカーが使用できない環境では自発光するLEDマーカーを使用します。

オフライン解析の場合は解析処理に時間をかけても精度を追及することもできるので、相関追尾、二値化追尾、色相二値化追尾、チェックマーカー追尾など画面内の輝度情報を特徴として多様な追尾方法を選択することが可能になります。

2次元計測の場合はマーカーの貼り付けができない動画に対して、上述の追尾方法以外にも粒子自動追尾を選択することができます。
監視カメラやレントゲン写真、スマートフォンなど様々な撮影機材の動画データでも、解析条件さえ満たせれば解析することが可能になります。
二値化相関
運動解析とは-ゴルフボール
実写画像(例:ゴルフボール)
運動解析とは-ゴルフボール二値化
二値化処理をした画像

二値化相関による解析は「ブロブ解析」とも呼ばれ、グレースケール(モノクロ画像)の輝度0~255の画像を任意の閾値を基準とし0(黒)と1(白)に変換します。
二値化処理を行うことで背景と対象物を明確に分けることができ、対象物だけに注目することができます。

二値化処理をした画像で対象物の重心を求めることで、移動する物体が明確になり自動追尾することができます。
3次元解析を行う場合はマーカーがどの位置から見ても球体であることが望ましいため、物体の重心位置が特定できる二値化相関が最適です。
相関追尾
運動解析とは-ボールペン
相関追尾は、範囲指定したテンプレート(検査領域)内の対象物を検知し、
次画面で指定した探査範囲内の類似したパターンを探査するパターンマッチングという手法です。


相関追尾はテンプレート領域の境界を跨いでも探査をすることができます。
物体の角や先端、模様や傷などエッジがある部分からも探査・自動追尾が可能であり、2次元計測の場合はマーカーレス解析も行うことができます。



運動解析(モーションキャプチャー)事例

追尾し直接計測する情報は、計測点(マーカー)の3次元位置です。
取得されたデータから速度、加速度、角速度などの各種解析項目のグラフ、動画、アニメーションと同期して再生することで計測対象の移動物体上での相対的な動きを再現できます。

解析による物理量の算出から、データの比較や評価まで挙動を緻密に分析することができます。
【モーションキャプチャー】描画時の運動解析3D【3次元測定】
モーションキャプチャーで手の動きを解析しています
3次元測定で動きを数値化しています

使用機材
弓道の動作を解析する【モーションキャプチャー+ハイスピードカメラ】
弓道の動作をハイスピードカメラを使って撮影。
動作をスーパースロー映像で可視化してモーションキャプチャーによる精密な分析をしました(2次元の運動解析)

使用機材

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