JP2004212163A - バーチャルスポーツシステム - Google Patents

Abstract

【課題】リハリビテーションやトレーニングシステムにおけるバーチャルスポーツシステムにおいて、打球タイミング移動する標識の位置を、標識の座標値ではなくゾーンがどこであるかを直接的に高速に判定する。
【解決手段】アイテムに設けた標識と、空間内にある光源の位置を計測するための光電変換素子と、光源の２次元位置をリアルタイムで計測するプログラムを内蔵する信号処理装置または画像処理装置と、設定された測定空間内の区切られた標識の位置範囲を判定するゾーン判定装置を含み、プレイヤーは、光源が取り付けられているラケットを持ち、ゾーン分割された空間内でスイングすると、プレイヤーから離れて設置されているゾーンに対応する光電変換素子が、受光し光源位置の抽出と位置座標の出力を行ってゾーン判定を行い、その判定結果にもとづいて球の飛行軌跡を３Ｄ表示可能なＨＭＤまたはディスプレイ画面によりバーチャルリアリティー表示を行う。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてリハビリテーションやトレーニングのためのバーチャルスポーツシステム等で使用するセンシングデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチャルスポーツシステムは種々提供されているが、多くのものは実際の動作に近づけることを目的としたゲームの進行手段を持っているが、リハビリテーションを苦痛なく効果的に行えるものはない（特許文献１、２）
【０００３】
そこで、本発明者は、バーチャルテニスのリハビリテーション効果を明らかにし、リハビリ、トレーニング等に適したバーチャルスポーツシステムを提供した（特願２００１−３８３２５８）。
【０００４】
しかし、上記出願のものは、ラケットに内蔵した加速度センサーおよび角速度センサーと、赤外線投光装置とラケットからの反射光の受光センサーと、ラケットに付けた光源をカメラで撮像し光源を撮像するバーチャルスポーツシステムであり、バーチャルスポーツシステムをリハビリまたはトレーニングに適用することを可能にしたが、次のような問題がある。
【０００５】
（１）加速度サンサー、ジャイロセンサーでは誤差の累積により誤作動を起こす。これをなくすためにキャリブレーションをする必要があり、そのときに決められた方向姿勢にしなければならない。
（２）赤外線投受光の場合、投光から受光までの距離が長くしかも拡散しているために光量が足りない。また外光の影響を受けやすい。
（３）カメラによる画像計測の場合、単一の受光素子のものではレンズ等で集光するため測定範囲を大きくするとそれに応じて受光素子の位置も対象物から離さねばならず設置のために広い面積を要しており、その解決には、高額な広画角レンズを必要とする。
（４）ＣＣＤやＣＭＯＳカメラによる撮像を画像処理する場合、素子自体のフレームレートの不足や画像処理に時間がかかるため、判定の遅れが生じる。リアルタイムの判定を行うには高額な高速のカメラや画像処理装置が必要とする。
（５）正確なセンサーは複雑かつ高価である。すでに簡易な方式で振ったか、否かを判定するセンサーはあるが動作について現実感の必要なリハビリ／トレーニングには不十分であった。
【０００６】
【特許文献１】特開平３−０７３４０号公報
【特許文献２】特開平０９−３１３５５２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ラケットのスイングとボールの衝突判定する方法については、
バーチャルテニスにおいてはショットの瞬間のバーチャルなボールの位置とラケット位置の整合性を細かく合わせることは必ずしも重要でなく、リハビリやトレーニングに重要であるのはリハビリする体の部位に対応するゾーンでラケットをスイングすることである。
ボールの位置とラケットの位置の整合性から衝突判定することは現実感を追求した場合必要であるが、リハビリやトレーニングを目的とした場合、必ずしも必要ではない。
この場合、ボールの表示位置はラケットのスイングのための指示を直感的に行うものといってもよい。
以上のことから、リハビリやトレーニングにおけるバーチャルテニスを例にすると重要なのは、打球タイミング内におけるアイテムの光源位置の高速な判定であり、判定はアイテムの標識の座標値ではなくアイテムが位置するゾーンがどこであるかを直接的に高速に判定することを課題とする。
また、リハビリとゾーン判定という考え方の組み合わせを用いることで、判定の対象とするタイミングにおいて検出ゾーン内だけでの標識のありなしを判別する簡単な方法で安価に実現できるセンシングを実現することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のバーチャルスポーツシステムは、
請求項１に係る発明は、リハビリテーションまたはトレーニングシステムに用いる、動く物体の位置と方向をリアルタイムで計測するシステムであり、用具または体の一部に設けられた標識と、空間内にある光源の位置を計測するために光源の光を受光する光電変換素子と、標識の２次元位置をリアルタイムで計測するプログラムを内蔵する信号処理装置または画像処理装置と、ゾーン判定装置を含むことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、複数の光電変換素子をプレイヤーに向けて設置され、設定された測定空間内の区切られた光源の位置範囲（ゾーン）に対応した光電変換素子が標識からの光を受光するように構成され、複数のゾーンをそれぞれに対応する光電変換素子により受光すべく構成したことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、２つの方向からプレイヤーに向けてセンサーを設置し、１つの光源を２方向から位置または標識が存在するゾーンをセンサーが検出することにより３次元の位置またはゾーン判定が計測可能な計測システムを備えることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに係る発明において、光源が複数存在し、駆動回路によりパルス発光し、センサーの受光タイミングと同期させることで複数の光源位置の位置計測をおこなうことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに係る発明において、ラケットにジャイロ、加速度センサーまたは姿勢検知センサーを内蔵したことを特徴とする。
【０００９】
【作用】
リハビリまたは筋力トレーニングを行うプレイヤーは、赤外線ＬＥＤ光源が取り付けられているラケットを持ち、ゾーン分割された空間内でスイングすると、プレイヤーから離れて設置されているゾーンに対応する光電変換素子が、受光し光源位置の抽出と位置座標の出力を行ってゾーン判定を行い、その判定結果にもとづいて球の飛行軌跡を３Ｄ表示可能なＨＭＤまたはディスプレイ画面によりバーチャルリアリティー表示を行う。
【００１０】
【発明の実施の形態】
最初に一つの実施の形態をテニスを例に取り、説明する。ラケットには赤外ＬＥＤが取り付けられており、プレイヤーはそのラケットを振ることによって、仮想空間内のボールを打つ。
モニターや大型スクリーンによる視覚呈示装置の周辺には、多数の受光素子が設置されている。受光素子としては、フォトトランジスタか、フォトダイオードを用いてもよい。受光素子の出力段には、入射光量に応じたアナログ信号が出力される。この信号の強弱を、周りの素子との相関として見ることにより、ラケットの存在するゾーンを判定する。受光素子から出力されたアナログ信号は、一度マルチプレクサに接続され、高速に１チャンネルずつ信号処理回路とＡ／Ｄ変換カードに接続され、送信される。ＡＤ変換カードからのデジタル信号は、ＢＵＳを介してＣＰＵ、ＲＡＭ、ストレージデバイスからなるコンピュータへ送られる。コンピュータ内にはゾーン判定プログラムが動作しており、データよりゾーン判定を行う。
【００１１】
また別の形態として以下のようなものがある
図２は、ＣＣＤカメラおよび、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサーおよび人工網膜チップを用いたゾーン判定装置の構成例を表す。
まずＣＣＤカメラを用いた構成では、１台もしくは２台のＣＣＤカメラが、画像入力装置に接続されている。画像入力装置では、センサーから送られてきたＮＴＳＣ信号を、デジタル信号に変換し、バスを介してコンピュータへ画像信号を送信する。コンピュータ内にはゾーン判定アルゴリズムを搭載したゾーン判定ソフトウェアが動作しており、入力された画像よりゾーンの判定を行う。
次いで、Ｃ−ＭＯＳセンサー、人工網膜チップによるゾーン判定について説明する。まず、Ｃ−ＭＯＳセンサー／人工網膜チップが、信号処理回路に接続されている。信号処理回路では、センサーの駆動を行ったり、データ変換を行っている。その結果は、信号入出力装置を介してコンピュータに入力される。コンピュータ内にはゾーン判定ソフトウェアが動作しており、光源またはマーカーのゾーンが判定できる。
【００１２】
図３は、ＰＳＤを用いたゾーン判定装置の構成例を示す。
上段の例では、１台のＰＳＤ素子があり、それが信号処理回路に接続されている。ここでは、ＰＳＤ素子の出力を電圧変換などを行う。信号処理回路の出力はＡ／Ｄ変換カードを介してコンピュータに取り込まれる。コンピュータ内にはゾーン判定ソフトウェアが内蔵されており、ＰＳＤの入力値よりリアルタイムでゾーンが出力される。
また、下段の例では、ＰＳＤの出力が信号処理回路に接続され、その出力が、ゾーン判定回路に接続されている。ゾーン判定回路では、ＰＳＤで計測した光源重心位置から、光源の位置するゾーンを判別する。ゾーンを確定する信号は、信号入出力装置を介して、ＰＣに取り込まれる。このとき、コンピュータ側にはゾーン判定ソフトウェアは不要であるが、ゾーンを取り込むインタフェースソフトを動作する。
【００１３】
図４は、赤外リモコン受光ユニットを用いた、赤外ＬＥＤと複数のフォトダイオードの組み合わせによるゾーン判定装置の構成例を示す。
パルス幅変調等により赤外ＬＥＤを駆動し、その赤外光を、面上に複数個配列された赤外リモコン受光ユニットで受ける。赤外リモコン受光ユニットは、フォトダイオードと信号処理回路よりなっており、復調と、あるしきい値によるＯｎ−Ｏｆｆ信号への変換を行っている。赤外リモコン受光ユニットの出力は、信号入出力装置を介し、コンピュータへ入力される。コンピュータ内にはゾーン判定ソフトウェアが動作しており、信号のＯｎ−Ｏｆｆのパターンによってゾーン判別を行う。
【００１４】
図５は、赤外ＬＥＤと複数のフォトトランジスタの組み合わせによるゾーン判定装置の構成例を示す。
赤外ＬＥＤの赤外光を検出するフォトトランジスタが面状に複数個配置されている。受光素子の出力段には、入射光量に応じたアナログ信号が出力される。この信号の強弱を、周りの素子との相関として見ることにより、ラケットの存在するゾーンを判定する。受光素子から出力されたアナログ信号は、一度マルチプレクサに接続され、高速に１チャンネルずつ信号処理回路とＡ／Ｄ変換カードに接続され、送信される。ＡＤ変換カードからのデジタル信号は、ＢＵＳを介してＣＰＵ、ＲＡＭ、ストレージデバイスからなるコンピュータへ送られる。コンピュータ内にはゾーン判定プログラムが動作しており、データよりゾーン判定を行う。
【００１５】
図６は、画像処理によるゾーン判定のフローチャートである。
フローチャートの左側より説明する。
まずＣＣＤもしくはＣ−ＭＯＳカメラから、光源またはマーカーの画像を入力する。入力された画像を一時的に記憶し、あらかじめ設定されたボールとラケットの判定を行うタイミング内であれば、標識の抽出を行う。標識の重心位置を計算し、ゾーン判定を行い、その結果をリハビリ／トレーニングプログラムに送る。
次いで、フローチャート右側を説明する。
まずＣＣＤもしくはＣ−ＭＯＳカメラから、光源またはマーカーの画像を入力する。入力された画像を一時的に記憶し、あらかじめ設定されたボールとラケットの判定を行うタイミング内であれば、指定ゾーン以外にマスクをかける。指定ゾーンの中に標識が有るかを判別し、有りの場合はそのゾーンに標識があると見なし、ゾーン判定が実現される。その結果をリハビリ／トレーニングプログラムに送る。
【００１６】
図７は、２次元でのゾーン判定を行う場合の一例である。本例では空間コード化法を本システムに応用した例で説明するが、これ以外にも複数の受光センサーを構えてそれらの受光状態の組み合わせで行ってもよく、これに限定するものではない。
設定範囲の中でプレイヤーはリハビリプログラムからのモニターの表示に合わせてスイングを行う。
設定範囲内に存在するプレイヤーのもつ標識からの光は、受光センサーの間にあるカバーの開口部を通過し、受光センサーに到達した場合にのみ出力信号を出すように構成され、それぞれのセンサーからの信号は同時に入出力装置を経てコンピュータのプログラムに取り込まれ、プログラム進行の際に、分岐のための判定を行う。
図の例では１つのセンサーは設定範囲の全範囲から標識の光が受光可能である場合には、たとえば図７のように設定範囲内でハッチングがかかっていない部分からの光のみが受光可能になるように受光センサーのカバーを開口する。標識からの光は受光センサーが出力した信号の組み合わせにより標識の１次元におけるゾーンを判定する。これを右のように直行する軸方向でも同様に開口されたカバーを持つ受光センサーの組み合わせを設けることで２次元における格子状に分割されたゾーン判定を行うことができる。
【００１７】
なお、バーチャルスポーツにおいては測定対象とするゾーンをゲーム進行中の状況に応じてあらかじめ設定し、そのゾーンのみを計測対象とするとよい。この場合、たとえば左図において受光した場合に信号が１、受光しない場合には０の信号出力し、さらに左から４番目のゾーンをゾーン判定対象とする場合、条件はセンサーａの開口部のみがそのゾーンからの光を通過するのが条件になるためａからの信号が１となり、ｂ、ｃのセンサーからの信号は、標識からの光が通過しないため０であることが条件となる。ここで、あらかじめこのゾーン判定の場合にはｂ、ｃのセンサー信号については反転する処理を加えるようにして、ａ、ｂ、ｃすべてのセンサーが１を出力した場合、標識がゾーン内にあると判定できる。
【００１８】
図８は、３次元でのゾーン判定を行う場合の１例であり、図７のうちａｂｃのセンサー構成をプレイヤーの側面に配置して、さらにセンサーが標識を側面方向からも認識可能なように標識をラケットに配置し、前項の構成に加え側面からの位置判定機能を追加しスイングの前後での標識の位置が判定可能になることで３次元の判定が可能になる。
【００１９】
本発明に用いるセンサーの一例である、フォトトランジスタと赤外線ＬＥＤを用いた３次元センサーを説明する。
フォトトランジスタと赤外線ＬＥＤを用いた３次元センサーは、ＬＥＤの３次元座標値と２自由度の姿勢角度（φ、ψ）を求めるものであり、図９に示すようにフォトトランジスタをＹＺ平面にマトリックス状に配置する。位置、姿勢を求めたい物体にＬＥＤを取り付け、そのＬＥＤの位置と姿勢をフォトトランジスタの出力の変化から計測するものである。
【００２０】
上記３次元センサーの動作原理は、それぞれのフォトトランジスタの出力は、フォトトランジスタ、ＬＥＤの方向特性、ＬＥＤの距離特性によって決まる。ＬＥＤの位置、姿勢が変化することで、これらのパラメータが変化し、出力の変化が得られる。一つのフォトトランジスタ出力から位置、姿勢を求めることは困難であるが、出力が最も強いフォトトランジスタを中心に周辺素子の出力の相関を見ることで、ＬＥＤの光軸、位置を大まかに推測できる。その後はあらかじめ計測したデータベースを元にＬＥＤのゾーンを求める。
【００２１】
次に、フォトトランジスタと赤外線ＬＥＤを用いた３次元センサーの具体例を説明する。
【００２２】
フォトトランジスタの指向特性、ＬＥＤの指向特性がそれぞれ図１０（ａ）、（ｂ）で与えられたとする。まず、Ｘ方向の移動の例を示す。図１１（ａ）の結果では（１、２）、（２、２）が最も出力が大きく、この間に光軸があることが予測できる。また（１、２）、（２、２）を含むＹ軸、Ｚ軸の出力がこの二つのフォトトランジスタを中心として左右及び上下対称になっている。このことにより、光軸が受光面（Ｙ−Ｚ平面）に対して垂直に入射していることが分かり、ＬＥＤのＹ座標、Ｚ座標は（１、２）、（２、２）の間にあることになる。
【００２３】
ＬＥＤのＸ座標値は周りのフォトトランジスタの関係から分かる。図１１（ｂ）では図１１（ａ）と同様に出力は左右、上下ともに対称であり、ＬＥＤのＹ座標、Ｚ座標が決定される。図１１（ｂ）の出力結果を図１１（ａ）と比較すると、全体的にフォトトランジスタの出力が減少している。これはＬＥＤのＸ座標が遠くなることによる入射光の減少を示している。また、図１１（ｂ）において光軸の近くにある（１、２）と（０、２）の出力の差が図１１（ａ）と比較すると小さい。これは二つのフォトトランジスタの角度差があまりないことを示す。これらの結果、ＬＥＤが受光面から離れていることが分かる。このように出力の変化が距離の変化による入射光の増減によるものか、それに伴う角度変化によるかは周りのフォトトランジスタの出力の相関から決定される。具体的なＸ座標値は、事前に計測し記録したデータベースにもとづいて求めることができる。
【００２４】
次にＬＥＤの光が角度をもって入射した場合の例を示す。図１１（ｃ）に示すような出力が得られた場合、出力が最も大きい（１、２）、（２、２）のフォトトランジスタの間にＬＥＤの光軸が当たっていることが分かる。その際に最も出力が大きかった（１、２）のフォトトランジスタがあるＹ軸方向の出力を見る。（０、２）と（３、２）のフォトトランジスタでは左側のフォトトランジスタの出力が大きい。つまりＬＥＤの位置が左の方にあることが分かる。またＺ軸方向を見ると（１、３）のフォトトランジスタの出力が大きく、ＬＥＤは上の方向にあることが分かる。つまり、Ｙ軸の方向とＺ軸の方向を合成すると左上方向にＬＥＤがあることが推測できる。ＬＥＤの大まかな位置と向いている方向が分かれば、データベースと周りのフォトトランジスタの出力と比較することでＬＥＤの位置と姿勢を求めることができる。
【００２５】
以上の結果のもとづき、あらかじめゾーン位置、姿勢と周辺出力電圧の関係のデータベースを構築し、最も出力の大きい受光素子とその周辺の受光素子の出力の相関を見てデータベースと比較することにより、ＬＥＤの位置と姿勢を求めることができる。
【００２６】
バーチャルスポーツとして行うスポーツは、リハビリ、トレーニングを行うのに必要な身体の部位の動作を伴うスポーツであれば何でも良いが、スポーツする上で自由度の大きい動作表現をするスポーツが望ましく、特に上半身のリハビリ、トレーニングとしてはラケットを用いて行うものは適度な負荷があり、なお良い。
【００２７】
《具体的な空間のサイズ》
ＶＲテニスの場合には、巾２．５ｍ、奥行き１．５ｍ、高さ２．５ｍ程度の空間設定し、例えば図１２のような２０のゾーンに分割する。
【００２８】
《標識》
標識には光源またはマーカーを採用した。以下にそれぞれについて述べる
（１）光源
光源に対応する光電変換素子がその光源の光のみを受光するように設計されたものであれば何でも良いが、特に、指向特性の低い高輝度赤外ＬＥＤを外光に対する影響を最小限にするため、パルス変調回路により駆動することにより大きな放射束、放射強度を得られ、また外乱光やアイテムの姿勢変化による減光の影響を受けにくくする。
（２）マーカー
受光センサーによっては一定の面積、形状であればそれを抽出可能である。たとえばラケットの適当な位置に球状のマーカーをセットすることで標識となりうる。
【００２９】
《光電変換素子》
光源が決められた周波数であり、この周波数の光のみをバンドパスさせるフィルタにより前記光源から赤外光のみを受光するように構成することが望ましい。
実施形態としては以下のようなものがある。
（１）ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサーのような光電変換素子のアレイから成るチップから画像データをコンピュータに入力して処理する方法。
ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサー等のアレイから読み込んだ画像により計測する方法としては、使用する素子は一般的なフレームレートが毎秒３０枚のものでよいが、現実感を増すためには画像取り込みのフレームレートが毎秒１００枚以上のものが望ましく、各フレーム出力毎に画像信号を入力装置からコンピュータに読み込み適度な閾値で２値化し、光源を抽出し重心位置を計算、ゾーン判定しリハビリ／トレーニングプログラムに出力する。
この場合にリハビリまたはトレーニングシステムで用いるゾーン判定では進行プログラムから打球をプレイヤーに返球し到達する前に標識のゾーン判定を行う場所を判定装置が知ることで入力される画像のうち、配球ポイントが含まれるゾーンのみを標識の存在のありなしの判定をすることで画像処理によるゾーン判定が高速になる。
（２）人工網膜チップにより素子内で光源の抽出から座標計測してゾーン判定する方法。
人工網膜チップを利用すると、直接光源の重心座標位置をチップから直接出力し、コンピュータまたは人工網膜内部の或いは外部の信号処理回路によりゾーン判定を行う。例えば受光状態においてランダムアクセス機能を利用し指示ゾーンに対応する範囲のみをアクセスして光源が有るか高速にゾーン判定する。
（３）２次元ＰＳＤにより光源の位置を２つの電流信号の強弱で出力し、電圧出力に変換し、Ａ／Ｄ変換して座標値を得てゾーン判定をする方法。
２次元ＰＳＤの場合には信号処理装置によってＰＳＤからの電流信号を電流値に対応した電圧値に変換させ、Ａ／Ｄ変換したデータから光源の位置をゾーン判定し、リハビリ／トレーニングプログラムに出力する。
（４）フォトダイオード、フォトトランジスタによる方法。
複数のフォトダイオードまたはフォトトランジスタを各ゾーンに１対１で対応させる。
この場合に、光源からの距離が遠距離であることと室内で使用する場合、外光を誤認識しないように前述の赤外光ＬＥＤをパルス変調回路により発光させ、受光センサーの構成として例えば赤外リモコン受光ユニットを用いると良い。赤外リモコンユニットはフォトダイオードにより受光し、信号処理回路を内蔵したものであり受光の有り無しの外にデータ転送が可能である。各赤外光ユニットの前面及び周囲には対応ゾーンからの光のみに対応するようなマスク板を付けさらに反射光による受光を防ぐためにマスク板は複数有っても良い。マスク板の表面は赤外光を吸収する素材であればなお良い。
さらに、ＬＥＤ光源を複数にしてそれぞれ別のタイミングで変調波をパルス発光し、その発光タイミングに合わせて受光信号を得ることで多点の位置計測が可能になる。
【００３０】
光電変換素子としてＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサー、ＰＳＤ、フォトダイオード、フォトトランジスタを複数にして１個当たりの担当範囲を分担することで小さくして設定空間から素子までの距離を短くできる。この場合光源が写った光電変換素子とそれから得たゾーン番号の組合せでゾーン判定する。
【００３１】
また、フォトダイオードを使用したリモコン受光ユニットを使用する場合、ゾーン数が多くなるとコストがかさんでくる。このため例えば隣り合う２つまたは、できれば３つのゾーンを一つの受光ユニットに担当させる。そしてその内の一つはそのセンサーのみが担当し、他のゾーンは違う他のセンサーに担当させると、１次元においてｎ個の受光センサーを使用する場合２ｎ−１のゾーン分割が可能になる。Ｘ、Ｙの２次元で考えるとＸ方向にｎ個、Ｙ方向にｍ個とすると、ｎ×ｍ個の受光センサーを配列した場合（２ｎ−１）×（２ｍ−１）のゾーン分割が可能になる。また、円を放射状に分割する場合には２ｎのゾーン分割が可能になる。ここで各受光センサーそれぞれの出力状態の組合せにより光源の位置するゾーンがリアルタイムで可能になる。
【００３２】
上記の場合各ゾーンに対応する受光センサーの数は最大２個であるが、これに限定する必要は無く、例えば一つのセンサーが対応する範囲を使用する受光センサーの個数分に均等分割しずらして分割しても良い。
【００３３】
一つの受光素子が設定空間全体に対して対応可能な場合には、空間コード化法の手法を用いてそれぞれのセンサーの対応範囲を設定し、例えばバーチャルテニスの場合には、ボールが返球されるゾーンのみを検出の対象とすることで高速な判定を少ないセンサーの構成で行うことができ、一方向でｎ個のセンサーで２ｎ−１個のゾーン分割、２次元方向でこれを用いれば、ｎ＋ｍ個のセンサーで（２ｎ−１）×（２ｎ−１）のゾーン分割が可能になり、８個のセンサーで２２５のゾーン分割が可能になる。バーチャルテニスの場合、ボールを配球するゾーンに対応して受光すべきセンサーからの信号はそのまま、受光すべきでないセンサーの信号は反転出力して全てのセンサーのアンドが１になれば衝突と判定できる。
【００３４】
実施の形態の一例で正面と横にセンサーを配置する。
正面または背面からプレイヤーセンサーユニットを配置し、さらにプレイヤーと側面または上面から配置してもよい。
１面のセンサーにより得たゾーン判定結果と他の面得たゾーン判定結果の組合せで３次元のゾーン判定が可能になる。この場合プレイヤーが死角にならないように構成する。
プレイヤー正面に対して４５度ずつ斜めに配置してもゾーン分割可能である。
【００３５】
それぞれが離れた状態で同一方向に向けて設置し、光源のみの画像をＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサー、人工網膜チップ等のイメージセンサー、双方の画像処理手段より得て、双方の光源の位置座標の間隔の変化により奥行き方向の位置変化を検出する。図中ＹＺ方向はどちらかのイメージセンサーから得た画像信号または信号情報ゾーン判定し、奥行き方向は視差の変化により動作の方向を検出する。
また、奥行き方向の動きを検知するために、上記センサーをプレイヤー側面または上面に配置して標識の座標を得ることによりこれを判定する。また標識が高速で移動している場合には上記センサーから得られる画像は残像となる。この長さを検知することでも奥行き方法の移動速度を求めることができる。
【００３６】
２次元ＰＳＤ、双方の信号検出手段により得て、双方の光源の位置座標の間隔の変化により奥行き方向の位置変化を検出する。受光面上に入った座標値により電流が比例出力されるため電流値の差を検知する信号処理を行う。図中ＹＺ方向はどちらかのユニットから得た信号情報からゾーン判定し、Ｘ方向は視差量の変化により動作方向を検出する。
【００３７】
プレイヤーの姿勢を認識するために、ジャイロは１軸または２軸、加速度センサーの場合は１〜３軸のものを用い、スイングの開始時から打撃持までの変化をリハビリプログラムに送信する。この送信には、赤外線転送することが望ましい。
上記センサーからの信号により光源駆動制御、例えばバーチャルテニスの場合、ラケット内部に加速度センサーおよび／またはジャイロセンサー、およびＬＥＤ光源のパルス変調発光駆動回路にスイングの速さや姿勢によりスイング強度や姿勢をコード化してその時のセンサーからの信号状態に応じて出力する。例として、ジャイロセンサーによりラケットの軸方向の回転をとらえスピンのショットの寸前での回転方向を検知し、回転方向により違うコードを発信する。
【００３８】
具体的には、プレイヤーの姿勢を認識し、ゲームをよりリアルにするために、図１４に示すような、ラケットのグリップ部に設けたジャイロセンサーのより、プレイヤーのスイングにもとづき生じた角加速度を検出し、この検出された角加速度にもとづき、フレーム部に取り付けられた信号処理装置および信号発信装置を介して、ＬＥＤ光源のパルス変調発光駆動回路にスイングの速さや姿勢によりスイング強度や姿勢をコード化してその時のセンサーからの信号状態に応じて出力する。
図１５に示すように、ＬＥＤ光源からの上記出力信号はフォトトランジスタで受信され、フォトトランジスタが受信した信号は信号処理部により処理され、信号入出力装置を介してＣＰＵに送られる。
ＣＰＵは、信号入出力装置から送られてきた信号にもとづきボールの回転方向を演算し、画像処理部を介して、回転方向を勘案したボールの軌跡を画像呈示部に表示する。
【００３９】
【実施例】
本発明の実施例を、バーチャルスポーツの一例としてテニスに適用した例に説明する。
ラケットをスイングする空間を設定し、例えば図１２のように分割し、分割されたそれぞれの空間はゾーンと呼ぶ。
リハビリまたは筋力トレーニングを行うプレイヤーはラケットを持ちラケットの一部に赤外線ＬＥＤ光源が取り付けられている。ゾーンに対応する光電変換素子が、プレイヤーから離れて設置されている。赤外線ＬＥＤは駆動回路により発光する。
光電変換素子としてＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサーの場合には素子からの画像信号を画像処理装置で光源位置の抽出と位置座標の出力を行う。
ＰＳＤの場合信号処理回路により位置座標を得てその結果から判定装置によってスイングがどのゾーンでなされたかを出力する。
光電変換素子としてフォトダイオードまたはフォトトランジスタを含む赤外光受光ユニットを使用し光源からの赤外光を受光しコンピュータに出力する。
光電変換素子に複数の赤外光受光ユニットを用いる場合は受光ユニットに対応するゾーンを設定するためユニットの前面にそのゾーンのみに開口したカバーを設けている。光源のゾーンに対応する受光ユニットのみ変化を出力し、出力したユニットの組合せゾーンの判定を行う。
上記構成のゾーン判定装置をプレイヤーに向かって２方向から観察、３次元でのゾーン判定を行う。
３Ｄ表示可能なＦＭＤまたは画面によりバーチャルリアリティー表示を行う。
【００４０】
次に、図１３のフローチャートにもとづいて作動を説明する。
バーチャルテニススタート（ステップＳ１）
リハビリテーションを選択する（ステップＳ２）
プレイヤー身体能力や症状により程度を設定する（ステップＳ３）
関節可動域訓練か筋力増強訓練の選択（ステップＳ４）
関節可動域訓練ならば、関節を動かしたい方向を設定（ステップＳ５）
筋力増強訓練ならば、どの筋肉繊維を鍛えるかを設定（ステップＳ６）
以上の処理で初期設定が終了する。
【００４１】
相手プレイヤーのサーブ（ステップＳ７）
患者の症状に合わせてボールの速度・方向を決める軌道生成ルーチン（ステップＳ８）
軌道更新、時々刻々ボールの軌道を更新し描画（ステップＳ９）
センサーによりプレイヤーのラケット位置を検出（ステップＳ１０）
非衝突なら２バウンド設置判定へ、衝突なら軌道計算へ進むラケット−ボール間の衝突判定（ステップＳ１１）
２バウンド目が発生していなかったら、軌道更新に戻る２バウンドの接地判定（ステップＳ１２）
プレイヤーが打ったときのラケットの速度・角度より計算する（ステップＳ１３）
軌道計算で得られたパラメータ（向き）に重みをかけ、軌道を修正する軌道計算（ステップＳ１４）
相手プレイヤー側のコートか、プレイヤー側かもしくはアウトかを判定し、相手プレイヤー側ならば次へ、それ以外（プレイヤー側もしくはアウト）は、相手プレイヤーのサーブに戻る（ステップＳ１５）
相手プレイヤー（バーチャル）は、ボールラケット位置まで走る（ステップＳ１６）
相手プレイヤー（バーチャル）の返球（ステップＳ１７）
軌道生成ルーチンへ戻る（ステップＳ１８）
【００４２】
本発明の「バーチャルスポーツシステム」を用いたリハビリテーションの実例を、前記のように、打球領域を図１２に示すように２０に分割した場合で説明する。
【００４３】
〈パターン１〉
上腕二頭筋を強調して鍛えたいときは▲２▼、▲４▼、▲８▼、（１０）領域に返球する。（１０）領域では低い位置にボールを返球することで前腕を屈曲する運動が行われる。▲８▼領域も同じである。▲２▼、▲４▼領域では、前腕の屈曲運動ではなく、前腕を伸展する際にラケットを止めるために必要な遠心性収縮で上腕二頭筋を使用すると考えられる。
〈パターン２〉
負荷を弱めにする場合は▲１▼、▲３▼、▲７▼、▲９▼、（１２）、（１４）、（１６）領域に返球する。▲１▼、▲３▼、▲７▼、▲９▼、領域では体にボールが近いため前腕の運動が小さくなることが予想でき上腕二頭筋に対する負荷が小さくなると思われる。（１２）、（１４）、（１６）領域はバックハンド領域であり、テイクバックで前腕の屈曲が行われ、フォロースルーで前腕の伸展運動における遠心性収縮が生じ、上腕二頭筋が使われている。この領域では比較ため負荷が弱いため無理なく鍛えることができると考えられる。
〈パターン３〉
上腕三頭筋を強調して鍛えたいときは▲２▼、▲４▼、（１４）、（１６）、（１８）、（２０）領域に返球するのが効果的である。▲２▼、▲４▼、（１８）、（２０）領域ではボールを打った場合に前腕の伸展運動が生じる。そのため伸展筋である上腕三頭筋に大きな負荷がかかる。
〈パターン４〉
負荷を弱めにする場合は▲１▼、▲３▼、（１２）、（１４）、（１６）領域に返球すると良い。▲１▼、▲３▼領域ではボールを打った場合に前腕の伸展運動が生じ上腕三頭筋に負荷がかかる。（１２）、（１４）、（１６）領域ではバックハンドを行うことで同様に前腕の伸展運動がおこり、上腕三頭筋に負荷がかかる。どちらの領域でも比較的負荷は小さいと思われ軽めの負荷が必要な場合にはこの領域に返球すると良い。
〈パターン５〉
三角筋前部線維を強調して鍛える場合は▲２▼、▲４▼、▲６▼、▲８▼、（１０）領域に返球すると良い。三角筋前部線維は主に屈曲運動に使用される。そのため（１０）領域に返球することで屈曲運動に近いスイングを行わせる。また大胸筋のように腕を前に押し出す場合にも用いられるため▲６▼、▲８▼領域のように前に押し出すようなフォアハンドを行わせる領域にボールを返球することで効果的に三角筋前部線維を鍛えることができる。また▲２▼、▲４▼領域でも三角筋前部線維がよく使用される。
〈パターン６〉
負荷を軽めにする場合には▲５▼、▲７▼、▲９▼、（１２）、（１４）、（１６）領域に返球すると良い。▲５▼、▲７▼、▲９▼領域では体に近い位置にボールを返球することで肩の可動域が小さくなり三角筋前部線維に対する負荷が小さくなる。また（１２）、（１４）、（１６）領域ではバックハンドを行わすため三角筋後部線維がメインであり、拮抗筋の三角筋前部線維に対する負荷が小さくなると思われる。
〈パターン７〉
三角筋中部線維を強調して鍛える場合は▲２▼、▲４▼、（１８）、（２０）領域に返球すると効果的である。三角筋中部線維は外転を行う筋である。そのため腕を上げることで負荷がかかると考えられる。▲２▼、▲４▼、（１８）、（２０）領域にボールを返球することで肩を上げさせ三角筋中部線維に負荷を与える。
〈パターン８〉
負荷を軽めにする場合は▲１▼、▲３▼、▲６▼、▲８▼、（１４）、（１６）、（１７）、（１９）領域に返球すると良い。スイングの際に肩があまりあがらないため三角筋中部線維に対する負荷が小さくなる。
〈パターン９〉
三角筋後部線維を強調して鍛える場合は▲２▼、▲４▼、（１２）、（１４）、（１６）領域に返球すると効果的である。三角筋後部線維は大胸筋、三角筋前部線維と逆の動きで使われる筋である。そのためバックハンド領域の（１２）、（１４）、（１６）に返球しバックハンドを行わすことでこの筋を鍛えることができる。また▲２▼、▲４▼領域に返球することでラケットを減速する際の遠心性収縮で負荷を与えることも可能である。
〈パターン１０〉
負荷を軽めにする場合は▲６▼、▲８▼、（１０）、（１１）、（１３）、（１５）領域に返球すると良い。▲６▼、▲８▼、（１０）領域ではフォアハンドを行うため三角筋後部線維にはあまり大きな負荷がかからない。また（１１）、（１３）、（１５）領域では体幹にボールが近いため肩の可動域が狭くなり三角筋後部線維にかかる負荷が小さくなると思われる。
〈パターン１１〉
大胸筋を強調して鍛える場合は▲６▼、▲８▼、（１０）領域に返球すると効果的である。大胸筋は主に水平内転を行う筋であり、フォアハンドの動きでよく使用される。
〈パターン１２〉
負荷を軽めにする場合は▲５▼、▲７▼、▲９▼、（１２）、（１４）、（１６）領域に返球すると良い。▲５▼、▲７▼、▲９▼は体幹にボールが近いため肩の可動域が狭くなり大胸筋に対する負荷が小さくなる。（１２）、（１４）、（１６）領域ではバックハンド領域であり、大胸筋に対する負荷が小さくなるため軽めの負荷が必要な場合に適している。
なお、上記のリハビリテーションの目的および内容を一覧表にすると表１のようになる。
【００４４】
【表１】

＊ 長い・・・１０〜３０分 普通・・・５〜１０分 短い・・・３〜５分
＊ 多い・・・７０％ 普通・・・３０〜７０％ 少ない・・・３０％
＊ 遅い・・・〜２．０ｍ／ｓ 普通・・・２．０〜３．０ｍ／ｓ 速い・・・３．０ｍ／ｓ
※・・・禁止領域は特定の症状にのみ設ける
＊１・・・上腕三頭筋、三角筋中部線維を鍛える場合は表に示す箇所にボールを返球する以外あまりそれぞれの筋を使用しない可能性がある。そのためこの領域に多くのボールを返球する。ただし、この領域はテニスの大部分を占めるフォアハンド、バックハンド領域に属していないため不自然なボール配給になってしまう恐れがある。場合によっては負荷は小さくなるが症状が重度のボール配給を混ぜることでゲーム性を持たせる必要がある。
＊ ２・・・速度に関して、上腕三頭筋、三角筋前部線維、三角筋後部線維においてスウィング速度を上げることでそれぞれの筋に対する負荷を上げることができたと思われるので速度を速くしている。
【００４５】
【発明の効果】
上記構成を備える本発明は次のような効果を期待することができる。
（１）請求項１の発明では、リハビリ／トレーニングを目的にバーチャルスポーツと組み合わした構成においては、プレイヤーに動作を要求するタイミングと判定するゾーンを限定することにより目的達成に必要な動作判定を簡単安価な構成で高速に行うことが可能であり、また、高速画像処理の方法として取り込んだ画像のうち判定するゾーンのみを観察するので、高速化が可能である。
（２）請求項２の発明では、位置信号電流→電圧→ゾーン判定までを信号処理回路で行うことができる。
ゾーンの数だけ受光ユニットを揃えれば安価な構成で外乱光に影響されにくい広範囲のゾーン判定が可能になる。ゾーン分割が少数の場合、低コストで構成できる。
あるいは少ない数の受光ユニットでもそれを組み合わせて判定することにより数多くのゾーンを設定可能になり低価格で高精度なゾーン判定が可能になる。
（３）請求項３の発明では、２次元でのゾーン判定では、スイングを行わなくてもプレイを続行することが可能になるが３次元でのゾーン判定を行うことにより標識の動作判定がより現実感をもって行うことでスイングを含めたゾーン判定が可能となり、より高度なリハビリ／トレーニングを行うことが可能になる。
（４）請求項４の発明では、多点計測を可能にしたので、ラケット部の他に比較的動作の少ない頭や胸に光源をセットすることで、ゾーン設定を体験者の体格に応じて設定したり、足にセットしてステップ動作のゾーン検知を行うことが可能になる。
（５）請求項５の発明では、前述の構成に加えて姿勢判定に内部センサーを用いることでたとえばバーチャルテニスのリハビリ／トレーニングプログラム進行においてショット時前後のラケットの姿勢変化を得ることにより返球の軌道を変えることが可能になり、より現実感に近いプレイとなり、さらにリハビリへの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】システムの概略図である。
【図２】システムのブロック図である。
【図３】ＰＳＤを用いたゾーン判定装置のブロック図である。
【図４】赤外線ＬＥＤと複数のフォトダイオードを用いたゾーン判定装置のブロック図である。
【図５】赤外線ＬＥＤと複数のフォトダイオードを用いたゾーン判定装置の他の例のブロック図である。
【図６】画像処理によるゾーン判定のフローチャートである。
【図７】２次元センサーの概念説明図である。
【図８】３次元センサーの概念説明図である。
【図９】３次元センサーの概要設図である。
【図１０】３次元センサーの特性説明図である。
【図１１】３次元センサーの作動説明図である。
【図１２】ゾーン分割の一例の説明図である。
【図１３】ゲーム進行のフローチャートである。
【図１４】テニスラケットの説明図である。
【図１５】システムの他の例の説明図である。

Claims (5)

1. リハビリテーションまたはトレーニングシステムに用いる、動く物体の位置と方向をリアルタイムで計測するシステムであり、アイテムに設けた標識または体の一部に取り付ける標識と、空間内にある標識の位置を計測するために標識の光を受光する光電変換素子と、標識の２次元位置をリアルタイムで計測するプログラムを内蔵する信号処理装置または画像処理装置と、設定された測定空間内の区切られた標識の位置範囲であるゾーンを判定するゾーン判定装置を含むバーチャルスポーツシステム。
2. 複数の光電変換素子をプレイヤーに向けて設置され、設定された測定空間内の区切られた標識の位置範囲に対応した光電変換素子が標識からの光を受光するように構成され、複数のゾーンをそれぞれに対応する光電変換素子により受光すべく構成した請求項１のバーチャルスポーツシステム。
3. ２つの方向からプレイヤーに向けてセンサーを設置し、１つの標識を２方向から位置または標識が存在するゾーンをセンサーが検出することにより３次元の位置またはゾーン判定が計測可能な計測システムを備えた請求項１または２のバーチャルスポーツシステム。
4. 光源が複数存在し、駆動回路によりパルス発光し、センサーの受光タイミングと同期させることで複数の光源位置の位置計測をおこなうことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのバーチャルスポーツシステム。
5. ラケットにジャイロまたは加速度センサーからなる姿勢検知センサーを内蔵したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのバーチャルスポーツシステム。

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