マルチカメラによるモーションキャプチャの原理

概要

モーションキャプチャ(motion capture, mocap)とは， 現実の人物や物体の動きをデジタル的に記録する技術のことです[1]． 主な場合では，人物の動きを，その人物につけたマーカの動きとして捕らえます． 顔の表情の動きを捉えたいならば顔にマーカを，体全体の動きを捉えたいならば体全体にマーカをつけます． 高性能の機材をそろえれば，顔の表情，体全体の動き，手足の動きなどを全部まとめて捉えることができます．
モーションキャプチャは初め，生体工学の解析ツールとして開発されましたが， 教育，訓練，スポーツの分野，最近では映画やテレビゲームの分野でも広く用いられるようになりました．
モーションキャプチャの方式としては光学式，機械式，磁気式などがありますが， 今回は主に用いられている光学式のモーションキャプチャについて解説します．

原理

図１　複数台のデジタルビデオカメラによる俳優の撮影

• 俳優は体にフィットした黒タイツを着用し，測定したい体の部位にマーカをつける必要がある．図１では黒タイツを着用していないが，その場合は服のたるみによってマーカの位置がづれるのでよろしくない．
• 俳優が演じるスタジオはマーカを識別しやすいように単一色の壁または幕でなければならない．
• 用いるカメラの数は３機以上でなければならない．計測の精度を上げたい場合はさらに数を増やす必要がある．

モーションキャプチャで用いるデジタルビデオカメラの位置は正確に把握されていないといけないか？

モーションキャプチャは普通，専用のスタジオで行われます．その場合は何らかの手段を用いてカメラの位置を正確に測定することはそれほど困難ではありません．しかし，モーションキャプチャ用の映像と映画などで実際に映像として用いる画像を一緒に撮りたい場合があります．そのような場合にカメラの正確な位置を測定するのは映画の工数から考えてあまり望ましいこととはいえません．
　そこでここでは，デジタルビデオカメラの位置が正確に把握できない場合にもモーションキャプチャが使えるかどうかを検証していきます．N機のカメラでM点のマーカを計測する場合を考えます．画像認識工学によればカメラは１つの座標系と焦点パラメータを持ち，そのカメラの座標系ないの平面（たとえばxy平面）と，マーカと焦点を結んだ直線の交点がカメラで捕らえたマーカの位置となるので，
　　　マーカの３次元位置とカメラ座標を把握するために使うことができる変数の数は， 2mn 個，
　　　カメラはみな同一の性能であり，カメラの焦点距離も未知であるとすれば，求める変数の数は， 3n+9(m-1)+1 個
となります．ただし，ここでカメラのうちの１つを主座標系としています．この場合，３機のカメラであればマーカ１０個以上でわかっている変数のほうがわからない変数よりも多くなるので一概に推定できないとは断定することはできません．ところが次のような困難がカメラ座標推定を困難にしています． 図２をご覧ください．

図２　同一座標系内に存在する被写体とカメラ

モーションキャプチャの利点，欠点

利点

• キャラクターを動かすために従来のアニメータが何ヶ月もかけるのに対して， 俳優は１日演技をすればよいこと． ただし，モーションキャプチャの技術スタッフはデータのクリーンアップのために多くの日々を費やしている．
• 従来のアニメータが技量的にできなかったり，または思いつきもしなかったことでさえ モーションキャプチャは可能にする．たとえば，従来のアニメータは頭を少し動かすことで生じる わずかな腰の動きを表現することを苦手としているが， モーションキャプチャでは体のどの部分のわずかな動きをも表現することができる．
• モーションキャプチャはモデル化しずらい物理運動でさえ表現することが可能である．

欠点

• 俳優の演技がうまくできたかどうかは，一度ソフトウエアで処理しないとわからないので 映画やアニメーションなどで用いる際にはその分の制作時間がかかる．
• ４足歩行の動物をモーションキャプチャする場合に人間の俳優に比べて難しくなる可能性がある．
• モーションキャプチャの機材を買い揃えるととても高価（１００万円以上）であること．

おわりに

モーションキャプチャ技術はいろいろな分野に適用でき，また，人の心をわくわくさせるような技術であります．最近行われている研究では，より安価なシステムでモーションキャプチャを実現する試み[3]や，また，マーカを用いないモーションキャプチャなども考えられています[4][5]．

参考ページ等

[1] 日本語版Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E3%82%AD%E3%83%A3%E3%83%97%E3%83%81%E3%83%A3
[2] 英語版Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Motion_capture
[3] 安本らによる安価なモーションキャプチャシステムの研究
http://www.ipa.go.jp/NBP/14nendo/14youth/mdata/2-13.htm
[4] 岡田らによるマーカを用いないモーションキャプチャの研究
http://svr-www.eng.cam.ac.uk/~bdrs2/papers/okada_IEIE.pdf
[5] マーカ，センサを用いないモーションキャプチャの紹介
http://www.arc.ritsumei.ac.jp/coe/coenews3/text3.pdf

本ページに掲載されている画像は， 「２００６年度　システム情報科学特別演習（イントロダクトリセミナー）」のために作成したものであり， それらを無断で配布したり，このホームページ以外のサイトで用いたりすることを禁じます．