JP4270088B2 - 仮想人体モデルを用いた製品の評価システム - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータ上に作成した仮想人体モデルを用いたシミュレーションにより製品の使い勝手を評価するシステムに関するものであり、例えば、ユニバーサルデザインの評価ツールとして適するものである。

近年、製品設計において「ユニバーサルデザイン」という思想が提唱されている。これは、年齢、体格、性別、身体能力、及び障害の有無を超えて、出来るだけ多くの人々が、ともに快適に利用できるような製品を設計しようという思想である。

このようなユニバーサルデザインの評価ツールの一つとして、特開２００４−９４３３７号公報（特許文献１）には、加齢効果予測人体モデル生成システムが開示されている。このシステムは、年齢の違いによる人体の身体的特徴、運動能力または知覚能力の違いを反映させた人体モデルを生成することにより、将来、ユーザーの体型が変化したり、運動能力や知覚能力が衰えた場合の製品の使い勝手の変化を予測するものである。

例えば、図１１は特許文献１に開示された応用例の一つであり、システムキッチン（製品）のユーザーが天井付近の戸棚Ｔを開く動作を示している。同図（ａ）は現在のユーザーの人体モデルが製品を使用した場合であり、手を伸ばせば天井付近の戸棚を開くことができることは確認できる。しかしながら、加齢により関節の稼働域が狭くなると、同図（ｂ）のように、手を伸ばしても天井付近の戸棚を開くことができないことが分かる。
特開２００４−９４３３７号公報

特許文献１に開示された応用例では、製品上の決められた１点にユーザーの手が届くか否かという判定は可能であっても、製品の様々な箇所をユーザーがどの程度まで容易に操作できるかを評価することはできなかった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、製品の様々な箇所をユーザーがどの程度まで容易に操作できるかを評価することができる仮想人体モデルを用いた製品の評価システムを提供することを課題とする。

本発明の仮想人体モデルを用いた製品の評価システムにあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、製品の３次元形状データを格納した製品データ記憶部１と、製品データ記憶部１から読み出した３次元形状データに基づいて製品のＣＧ画像を生成する製品画像生成手段２と、製品のユーザーに関する情報を入力する情報入力手段５と、入力された情報に基づいて仮想人体モデルのＣＧ画像を生成する人体モデル画像生成手段６と、仮想人体モデルの作業可能空間を球面画像として生成する球面画像生成手段（図８）と、製品画像生成手段２により生成された製品のＣＧ画像と人体モデル画像生成手段６により生成された仮想人体モデルのＣＧ画像と球面画像生成手段により生成された球面画像とを合成して表示する画像表示手段４とを有し、前記球面画像Ｇは、図７に示すように、人体モデルＨの右肩関節と左肩関節を結ぶ線分の延長線上に極点を有する複数本の緯度線と複数本の経度線の集合であることを特徴とするものである。

本発明によれば、人体モデルの右肩関節と左肩関節を結ぶ線分の延長線上に極点を有する複数本の緯度線と複数本の経度線の集合として球面画像が描かれており、極点の周辺には経度線が集中するので、人体モデルの製品に対する向きを把握しやすい。

（前提となる構成）
図１は本発明の前提となる仮想人体モデルを用いた製品の評価システムの全体構成を示す図である。図中、１は製品の３次元形状データを格納した製品データ記憶部である。この製品データ記憶部１は、パーソナルコンピュータのハードディスク上のファイルとして実現できる。

２は製品画像生成手段であり、製品データ記憶部１から読み出した製品の３次元形状データに基づいて製品の３次元ＣＧを生成する。この製品画像生成手段２は、パーソナルコンピュータのアプリケーションソフトにより実現できる。

３は画像メモリであり、生成されたＣＧ画像を描画される。４は画像表示手段であり、パーソナルコンピュータのＣＲＴやＬＣＤなどのディスプレイ装置と、ディスプレイ装置を駆動するグラフィックボードなどで構成される。

５はユーザー情報入力手段であり、パーソナルコンピュータのキーボードやマウスよりなり、ユーザーの性別、年齢、身長、体重、ウェスト（胴周り）などの情報を入力する。
６は人体モデル画像生成手段であり、入力されたユーザーの情報に基づいてユーザーの仮想人体モデルのＣＧを生成する。

最も簡単な人体モデルの一例を図１０に例示する。図中、Ｓ１は上腕セグメント、Ｓ２は下腕セグメント、Ｊ１は上腕ジョイントであり、以下同様に、１８個のセグメントと１６個のジョイントが設けられている。各セグメントＳｉ（ｉ＝１，…，１８）の形状は長さＬｉ（ｍｍ）×幅Ｗｉ（ｍｍ）のような数値データにより特定される。また、各ジョイントＪｎ（ｎ＝１，…，１６）の初期座標は（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）のような数値データで与えられ、これらの数値データに基づいて複数のセグメントが複数のジョイントで結合された人体モデルを３次元映像化できるものである。なお、図１０に図示された例では、説明を簡単化するために、人体モデルの各セグメントが長方形で描かれているが、丸みや厚みを帯びたセグメントとしても良いことは言うまでも無い。

人体モデルの形状データは、現実世界のユーザーから取得した身長、体重などの体格情報に基づいて補正される。例えば、標準よりも身長の高い人や体重の重い人であれば、各セグメントのサイズを予め格納されている標準サイズよりも大きくするように補正する。逆に、標準よりも身長の低い人や体重の軽い人であれば、各セグメントのサイズを予め格納されている標準サイズよりも小さくなるように補正する。

人体モデル画像生成手段６の具体的内容については周知の技術であるので、その概略のみを説明すると、まず、ユーザーの体格に関する情報に基づいて骨格モデルを作成し、これに表面モデルを付加し、さらに服装や顔の情報を付加するものである。服装や顔はデフォルトの情報が使用されるが、デジタルカメラ等を用いてユーザーから取得した情報に置き換えても良い。「歩く」「すわる」等の動作については、加齢により筋力や関節の稼動域が変化するので、ユーザーの年齢に応じて予め登録された動きを再生する。

各年齢の人体モデルの動作は、各セグメントの相対的な位置関係の時間的変化、つまり、各セグメントをつなぐジョイントのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の回転角度の時間的変化としてあらかじめ登録されている。この人体モデルの動作を登録するための具体的な手段としては、例えばモーション・キャプチャと呼ばれる方法を用いることができる。この方法は、例えば人体に複数のマーカを装着しておいて、複数の方向から撮影した映像から各マーカの位置を検出して、人体の３次元的な動きをデータ化する方法であり、さまざまな年齢の人の「歩く」「すわる」等の基本動作を予め登録しておくものである。

人体モデル画像生成手段６により生成された人体モデルのＣＧは画像メモリ３に重ね書きされる。つまり、画像メモリ３に書き込まれた製品ＣＧを背景画像として、人体モデルのＣＧを上書きすることにより、製品のＣＧと人体モデルのＣＧとが合成される。また、別の手段として、画像メモリ３上に製品のＣＧを書き込む画面と人体モデルを書き込む画面を設けて、二つの画面を画素毎に合成しても良い。

３次元座標指定手段７は、パーソナルコンピュータのキーボードやマウスよりなり、人体モデルの位置や向きを指定したり、製品上の任意の座標を指定する。人体モデルの位置や向きを指定すると、人体モデル画像生成手段６から画像メモリ３に書き込まれる人体モデルの位置や向きが変更される。これにより製品と人体モデルの相対的な位置関係が変化する。また、３次元座標指定手段７により製品上の任意の座標を指定し、比較演算手段８に入力する。座標の指定の仕方は特に限定されるものではない。例えば、鉛直または水平な平面を画像表示したうえで、その平面上の一点をマウスのカーソルで指定しても良いし、キーボードから３次元座標を絶対値として指定しても良いし、表示された製品ＣＧ上の一点をマウスでクリックして、その座標を計算により求めるようにしても良い。

比較演算手段８はパーソナルコンピュータの比較演算処理のプログラムにより実現される。比較演算手段８には、製品画像生成手段２から製品の位置情報が入力されており、人体モデル画像生成手段６からは人体モデルの情報が入力されている。人体モデル画像生成手段６から入力された各関節の位置と関節を中心として回動し得るセグメントの大きさと稼働域の情報から、仮想人体モデルの作業可能空間が特定される。その作業可能空間内に製品上の任意の座標が含まれるか否かを判定し、届く／届かないの情報を出力する。判定結果はコンピュータの画面に表示してもよいし、プリントアウトしても良いし、音声で出力しても良い。

次に、本例における処理の流れを図２のフローチャートに示す。このフローでは、まず、コンピュータのハードディスク上に格納されている製品のＣＡＤデータを選択する。これにより選択された製品のＣＧがコンピュータの画面に表示される。

次に、ユーザー情報入力手段でユーザーの情報を入力する。これにより人体モデルのＣＧが表示される。

次に、必要に応じて視点を変更する。具体的には、視点を上下左右に移動させたり、視線方向を左右に振ったり、俯角・仰角を変更するなどして、任意の視点から任意の視線方向で製品と人体モデルを見たときの３次元ＣＧを表示させる。

次に、必要に応じてユーザーの位置を設定し直す。これによりユーザーの立っている位置や向きを設定する。ユーザーの位置を変更したときには、変更後の位置関係で製品と人体モデルの３次元ＣＧが再描画される。

次に、人体の部位を選択する。例えば、「左腕」を選択した場合、左肩関節の座標、左腕を伸ばした長さ、左肩関節の稼働域の情報に基づいて作業可能空間が特定される。選択できる人体の部位は、メニューから選択できるようにしても良いし、画像表示されている人体モデルのＣＧ上のセグメントをマウスカーソルでクリックすることで選択できるようにしても良い。

次に、製品の部位を選択する。例えば、画像表示されている製品ＣＧ上の一点をマウスカーソルでクリックすることで製品の部位を選択すると、その部位の３次元座標が算出されて、作業可能空間内か否かが判定される。

具体的なインターフェイスの一例を図３に例示して説明する。この例では、ＣＡＤデータ選択欄１１にＣＡＤデータの所在を入力することで製品の３次元形状データを指定できるようにしている。また、参照ボタン１２を用いることによりコンピュータに接続された他のドライブやネットワーク上のＣＡＤデータを選択することも可能としている。

次に、人体モデル設定欄１３では、初期設定（デフォルト）として、身長１．６ｍ、体重６０Ｋｇ、ウェスト７０ｃｍの５０歳の女性のデータが設定されている。また、カスタム設定として、個人情報欄１４を用いて、任意の性別、年齢、身長、体重、ウェストを設定可能としている。さらに、位置入力欄１５を用いて、人体モデルの位置と向きを指定可能としている。

図３のインターフェイスを用いて、例えば、製品のＣＡＤデータとして洗面化粧台を選択し、人体モデルとしてユーザーの個人情報を設定した場合の画像表示例を図４に例示する。図中、Ｈは人体モデルのＣＧ、Ｐは製品のＣＧであり、いずれもコンピュータの画面上に表示されている。ユーザーの立ち位置と向きは図３の位置入力欄１５により設定されているものとする。この状態において、マウスのカーソルを人体モデルの左腕に当ててクリックすることにより人体の部位として左腕が選択された状態とし、次に、破線の矢印で示すようにマウスのカーソルを移動させて、製品上の任意の一点を指定すると、選択された人体の部位が製品上の指定された点に届くか／届かないかが判定されて、その判定結果が画面に表示される。これにより、ユーザーは製品の使い勝手を検討することができる。

また、図３の加齢効果予測オプション１６を有効にしていることで、ユーザーの年齢を１０年、２０年、３０年と加算した場合に、例えば、図１１（ａ）の状態から図１１（ｂ）の状態に変化していく様子を確認することもできる。

そのほか、任意の年齢、性別、身長、体重、ウェストを設定することにより、家族全員について使用しやすい製品であるか否かを確認することも可能となっている。

なお、選択された人体の部位が製品上の指定された点に届くか／届かないかの判定結果は、画面上に表示するだけでも良いが、例えば、図５に示すように、実際に手が届く様子がアニメーションにより確認できるようにすれば、より一層、視覚的に把握しやすくなる。

（実施形態１）
図６は本発明の実施形態１を示すフローである。上述の前提となる構成では、製品上の任意の一点を指定して個別に届くか／届かないかを判定していたが、この実施形態１では、人体の部位（例えば、「左腕」など）を指定すると、その作業可能空間が図７に示すように球面画像Ｇとして表示される。これにより、個別に製品上の座標を指定しなくても、作業可能空間を示す球面画像Ｇと製品Ｐの位置関係を見れば、届く／届かないの判定を一括して行うことができる。

前提となる構成では、図２のフローに示すように、製品の部位を選択して、その都度、その座標が人体部位の作業可能空間内に含まれているか否かの判定結果を出力していたが、本実施形態１では、図６のフローに示すように、作業可能空間を表す球面画像の表示の有無を選択できるようにしている。その他の構成及び動作については前提となる構成と同様であるので、重複する説明は省略する。

作業可能空間を表す球面画像の表示の有無は、例えば、メニューバー（図示せず）により選択できるようにしても良いし、Ｃｔｒｌ＋ファンクションキーのようなキーボードからのコマンドにより表示の有無を選択できるようにしても良い。これにより図７に示すように作業可能空間を表す球面画像Ｇが表示された状態と、図４に示すように球面画像が表示されていない状態とを切り替えることができる。

図８は本実施形態の要部構成を示すフローである。球面画像を表示する状態が選択されると、そのとき選択されている人体部位（例えば、「左腕」など）の情報に基づいて、関節の中心座標が球面の中心座標として特定される。この座標は、既に入力されている人体モデルの立ち位置と向きの情報、身長、性別、年齢などの情報に基づいて算出される。次に、作業可能空間を構成するパーツの長さが球面の半径として算出される。例えば、選択された人体部位が「左腕」である場合には、「左上腕」「左下腕」「左手」の長さとこれらを連結している各関節の長さ、加齢による変化などを考慮して、左腕の作業可能空間の半径が算出される。さらに、年齢などの情報に基づいて、関節の稼働域が特定される。例えば、「五十肩」という症例があるように、高齢になると肩関節の稼動域は狭くなるので、高齢者では関節の稼働域は狭く設定される。

次に、球面画像を複数本の緯度線と複数本の経度線の集合として描くために、例えば、１０度おきに１本の経緯線を描く。その際、図８のフローに示すように、関節の稼働域内でなければ経緯線を描かないことで、図７に示すように、不完全な球面画像により関節の稼働域を表現する。図８のフローにおいて、φ，ψは関節の中心座標を原点とする極座標の角度であり、一方が緯度、他方が経度に対応している。

この実施形態では、人体モデルの右肩関節と左肩関節を結ぶ線分の延長線上に極点を有する複数本の緯度線と複数本の経度線の集合として球面画像が描かれている。極点の周辺には経度線が集中するので、人体モデルの向きを変えると、極点の表示位置が移動することで、人体モデルの向きの変化を把握しやすい。（仮に、右肩あるいは左肩の真上に極点が位置していると、極点周辺の画像が見難いうえに、人体モデルの向きの変化を把握しにくい。）

ところで、手が届く範囲内であっても楽に届く範囲と、かろうじて届く範囲とでは、製品の使い勝手が異なるので、前者では白色や青色、後者（稼働域の限界付近）では赤色や黄色などの警戒色を用いて経緯線を描くことでレッドゾーン・イエローゾーンであることを視覚的に把握しやすくすると良い。そのために、図８のフローでは、関節の稼働域内であっても稼働域限界付近とそれ以外の場所とでは経緯線の色を切り替えている。なお、３段階以上に色を切り替えるようにしても良いし、連続的に色が変化するようにしても良い。また、例えば、図７において、球面表面ではレッドゾーンであっても、このレッドゾーンにつながる球体内部では白色ゾーン、青色ゾーンの領域が存在する場合がある。そのような球体内部での領域をも明確化するために、球面最表面上の経緯線にのみ色を替えて描くだけではなく、球体内部においても、作業の困難度合いに応じて色を切り替えてもよい。

さらに、次の実施形態２で述べるように、製品ＣＧのうち球面画像の内側に入る領域については、ハイライト表示にしたり、色を反転表示したりすることで、手の届く範囲を把握しやすくしても良い。

（実施形態２）
図９は実施形態２の要部構成を示している。前提となる構成で説明した図２のフローチャートにおいて、製品の部位を選択して判定結果を出力する処理の部分を図９のフローに置き換えることにより、製品ＣＧのうち作業可能空間内に含まれている部分のみがハイライト表示される。

具体的には、製品ＣＧ上の１画素を選択し、その画素が対応する製品上の３次元座標を算出する。その画素に対応する製品上の３次元座標が選択された人体部位の作業可能空間内に含まれていれば、その画素の輝度を元の輝度のα倍（α＞１）に増加させる。具体的には、その画素のＲ，Ｇ，Ｂデータ（各８ビット）にそれぞれ１より大きい定数を乗算する。これにより、製品ＣＧのうち、選択された人体部位の作業可能空間内に含まれている部分についてはハイライト表示される。

同様に、Ｒ，Ｇ，Ｂデータを２５５の補数に置換すれば、製品ＣＧのうち、選択された人体部位の作業可能空間内に含まれている部分については色が反転表示される。

そのほか、例えば、タイマー割り込みを用いて所定の周期で点滅表示させたり、輝度を下げたり、モノクロ表示にしても良い。

要するに、製品ＣＧのうち、選択された人体部位の作業可能空間内に含まれている領域を他の部分とは異なる態様で表示することで、製品の使い勝手を視覚的に把握することができる。

（その他の実施形態）
上述の各構成において、人体モデルの関節の稼働域に関する情報は、個別に設定可能としても良い。例えば、図４に示すように、画面上に人体モデルＨが表示された状態で、ユーザーが自分の手・足・腰などの稼働域を画面を見ながら個別に設定できるようにしておいて、その設定された稼働域に基づいて製品の使い勝手を評価できるようにすることで、特定の部位に特定の障害を有する人であっても任意の製品の使い勝手を評価することが可能となる。

本発明の前提となる構成を示すブロック図である。 図１の構成における処理の流れを示すフローチャートである。 図１の構成に用いるインターフェイスを例示する説明図である。 図１の構成における画像表示の一例を示す説明図である。 図１の構成における画像表示の他の例を示す説明図である。 実施形態１における処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態１における画像表示の一例を示す説明図である。 実施形態１の要部構成を示すフローチャートである。 実施形態２の要部構成を示すフローチャートである。 人体モデルの一例を示す説明図である。 人体モデルと製品の位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 製品データ記憶部
２ 製品画像生成手段
３ 画像メモリ
４ 画像表示手段
５ ユーザー情報入力手段
６ 人体モデル画像生成手段
７ ３次元座標指定手段
８ 比較演算手段

Claims (4)

1. 製品の３次元形状データを格納した製品データ記憶部と、製品データ記憶部から読み出した３次元形状データに基づいて製品のＣＧ画像を生成する製品画像生成手段と、製品のユーザーに関する情報を入力する情報入力手段と、入力された情報に基づいて仮想人体モデルのＣＧ画像を生成する人体モデル画像生成手段と、仮想人体モデルの作業可能空間を球面画像として生成する球面画像生成手段と、製品画像生成手段により生成された製品のＣＧ画像と人体モデル画像生成手段により生成された仮想人体モデルのＣＧ画像と球面画像生成手段により生成された球面画像とを合成して表示する画像表示手段とを有し、前記球面画像は、人体モデルの右肩関節と左肩関節を結ぶ線分の延長線上に極点を有する複数本の緯度線と複数本の経度線の集合であることを特徴とする仮想人体モデルを用いた製品の評価システム。
2. 前記球面画像のうち、作業の困難度が高い領域は、作業の困難度が低い領域とは異なる態様で表示されることを特徴とする請求項１に記載の仮想人体モデルを用いた製品の評価システム。
3. 前記球面画像は、前記情報入力手段により入力されたユーザーの年齢に応じて異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の仮想人体モデルを用いた製品の評価システム。
4. 製品のＣＧ画像の各画素に対応する座標が仮想人体モデルの作業可能空間内に存在するか否かを判定する比較演算手段を有し、前記比較演算手段の判定出力を受けて、製品のＣＧ画像のうち、仮想人体モデルの作業可能空間内に存在する領域は、作業可能空間外に存在する領域とは異なる態様で表示されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の仮想人体モデルを用いた製品の評価システム。

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