JPH09212078A - 教育システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクシデント遭遇時の行動についての研究、
教育、または疑似体験できる教育システムを実現するこ
とを目的とする。 【解決手段】 災害時のアクシデントに遭遇した人物の
行動及び物体の移動を問題とする研究及び教育におい
て、被験者及び周囲の物体に赤外線マーカを付け、Ｘ、
Ｙ、Ｚ軸方向に対応する方向に設置した赤外線カメラに
よりマーカを撮影し、撮影された映像をコンピュータで
画像処理を行い、被験者の行動及び周囲の物体の運動を
Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元座標データで記録し、その記録され
た３次元座標データとコンピュータに登録された人や物
体の３次元モデルとを同期させ、ＣＧの３次元映像とし
て行動及び運動を再現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、災害等のアクシデ
ントに遭遇した人物の行動及び物体の移動等を、解析、
研究するあるいは及び教育に利用できる教育システムに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、アクシデントに遭遇した時の被験
者の行動や周囲の物体の移動は体験室内又は外に設置さ
れているビデオカメラにより撮影され、２次元映像とし
て記録されていた。研究者又は指導員は撮影された画像
を見て、または画像を解析して、行動パターンの抽出等
の研究及び危険回避行動等の指導を行っていた。

【０００３】図６により従来のビデオカメラによる撮影
を利用した教育システムについて説明する。図におい
て、１は体験及び撮影現場、２は研究現場、３は教育現
場を示す。体験及び撮影現場１内において５は体験室、
６は被験者、７は周囲の物体を示し、２２は体験室内ビ
デオカメラ、２３は体験室内映像録画用ビデオデッキで
あり、２４は体験室外ビデオカメラ、２５は体験室外映
像録画用ビデオデッキを示す。研究現場２において、２
６は体験映像再生用ビデオデッキ、２７は体験映像表示
用モニタ、１７は研究者を示す。教育現場３において、
１８は指導員、１９は被験者又は生徒を示す。体験及び
撮影現場１では、体験室５に被験者６が入り、地震等の
アクシデントを体験室５内に発生させた時の被験者６の
行動及び周囲の物体７の運動を体験室内カメラ２２及び
体験室外カメラ２４により撮影し、ビデオデッキ２３、
２５に記録する。研究現場２では記録された映像を再生
用ビデオデッキ２６で再生してモニタ２７に表示し、研
究者１７はその映像を基に被験者６の行動パターンを抽
出し、心理学研究の資料としたり、効率的な危険回避行
動についての研究の資料としたりしていた。教育現場３
では記録された映像を再生用ビデオデッキ２６で再生、
モニタ２７に表示し、指導員１８はその映像を被験者又
は生徒１９に見せ、アクシデントによる危険性や心理的
対応についての教育、危険回避行動についての指導のた
めの資料としていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の教育システムで
は、撮影された映像はある１つの視点から見た時の２次
元画像であり、複数の方向から被験者６の行動や周囲の
物体７の運動を観察、記録するためには複数の位置に設
置したビデオカメラが必要である。また、撮影された映
像から行動又は運動についての３次元座標データを得る
ためには複雑な画像処理ソフトが必要となり、処理にも
熟練した技術と多大な時間を必要とする。教育の面で
は、撮影された映像は再生する以外利用する手段はな
く、アクシデントの危険性や危険回避の行動を指導する
ためには指導員１８の効率的な教育方法が必要となる。
以上のように従来の教育システムには視点を移動できな
い、被験者等の行動又は運動の３次元座標データを得る
ことが困難、効率的な教育方法が必要という３つの欠点
があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の３つの
欠点を解決するため、アクシデント体験時に撮影される
映像と同時にリアルタイム（３０Ｈｚ以上）に３次元座
標データを記録し、記録されたデータによりＣＧによる
３次元映像として行動を再現、または体験できる教育シ
ステムを実現するようにしたものである。

【０００６】つまり、本発明では、被験者及び周囲の物
体に赤外線マーカを付け、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対応する
方向に設置した赤外線カメラによりこのマーカを撮影
し、撮影された映像をコンピュータでリアルタイムに画
像処理を行い、被験者の行動及び周囲の物体の運動を
Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元座標データで記録し、その記録され
た３次元座標データとコンピュータに登録された人や物
体の３次元モデルとを同期させることにより、ＣＧの３
次元映像として行動及び運動を再現する。

【０００７】本システムにより、実際に発生したアクシ
デントによる人の行動、物体の運動についての３次元座
標データが得られていることからその行動、運動につい
て詳細な解析が可能となり、得られた３次元座標データ
によりＣＧ画像を発生させていることにより、様々な視
点から、発生したアクシデントの状況及びそれによる被
験者の行動、周囲の物体の運動を視覚的に検証でき、ま
た、視点を被験者の視点またはコントローラにより移動
する視点に変えることで疑似的にアクシデントを体験す
ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１により本発明の実施例の基本
的システムについて説明する。同図において、１は体験
及び撮影現場、２は研究現場、３は教育現場、４はアク
シデント疑似体験状況を示す。体験及び撮影現場１内に
おいて、５は体験室、６は被験者、７は周囲の物体を示
し、８は被験者６の関節等の各部及び周囲の物体７のサ
ンプル点に付ける赤外線マーカを示す。９はＸ軸方向の
画像を撮影するための赤外線カメラ、１０はＹ軸方向、
１１はＺ軸方向の画像を撮影するための赤外線カメラで
あり、１２、１３、１４はそれぞれ赤外線カメラ９、１
０、１１が撮影する画像を画像処理し、マーカの３次元
座標データを計算するためのコンピュータを示す。１５
はコンピュータ１２、１３、１４から得る３次元座標デ
ータを記録、保存し、得たデータからＣＧ画像を生成す
る為のＣＧ画像発生用コンピュータ（グラフィックワー
クステーション）であり、１６はその画像を表示するモ
ニタを示す。研究現場２において１７は研究者を、教育
現場３において１８は指導員、１９は被験者又は生徒を
示す。アクシデント体験シミュレータ４において、２０
はＣＧ画像を表示するためのヘッド・マウント・ディス
プレイ（以下、ＨＭＤと略す）、２１は疑似体験者を示
す。

【０００９】体験及び撮影現場１では、赤外線マーカ８
を付けた周囲の物体７を配置した体験室５に赤外線マー
カ８を付けた被験者６が入り、地震等のアクシデントを
体験室５内に発生させた時の被験者６の行動及び周囲の
物体７の運動をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に配置した各赤外線カ
メラ９、１０、１１により撮影する。撮影された各映像
はそれぞれ画像処理を担当するコンピュータ１２、１
３、１４に送信され、Ｘ、Ｙ、Ｚの各座標値を計算して
ＣＧ画像発生用コンピュータ１５の記録装置に保存され
る。得られた３次元座標値を基にＣＧ画像発生用コンピ
ュータ１５は、ＣＧ画像を生成し、表示用モニタ１６に
表示する。３次元座標データを得ることにより、研究現
場２や教育現場３ではＣＧによりアクシデントの状況を
再現して様々な方向からの検証、指導を可能とし、アク
シデント体験シミュレータ４のように起こったアクシデ
ントを疑似体験者２１はＨＭＤ２０によりあたかも自分
がその中にいるような状況を体験することも可能であ
る。

【００１０】このような処理の方法の詳細を図２、図３
により説明する。

【００１１】３次元座標データを計算する処理について
Ｚ軸方向の処理を例に図２により説明する。同図におい
て２８は撮影画像、２９は画像処理画像を示し、３０は
撮影されたマーカ８の位置である。３１は画像処理によ
り得られる３次元座標データを示し、３２はＣＧ画像発
生用コンピュータ１５内の記録装置、３３、３４は記録
メディアであり、それぞれ磁気ディスク装置、フロッピ
ーディスク装置を示す。赤外線マーカ８は周囲光の赤外
線のみを反射する物体であり、発光体のための電力供給
ケーブル等を身体に付ける必要がないため、どのような
行動、運動に対しても正確に追従できる。また、磁気セ
ンサ方式と比較しても体験室等に使われている鉄筋等の
外部の影響を受けにくいという利点がある。赤外線カメ
ラ１１にはマーカ８による赤外線反射光が撮影され、コ
ンピュータ１４内では画像処理により赤外線マーカ８の
位置３０のみが得られる画像２９を得る。マーカ位置３
０のＸ、Ｙ座標データを計算し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の
各方向から得られる座標データとの平均値をＸ、Ｙ、Ｚ
座標について求め、求められたデータ３１をＣＧ画像発
生用コンピュータ１５の記録装置３２に記録する。記録
装置３２は磁気ディスク装置３３やフロッピーディスク
装置３４のように様々なメディアが利用できる。

【００１２】ＣＧ画像発生について図３により説明す
る。図において、３５は３次元座標データを高速で読み
出すためのバッファであり、３６はＣＧ画像を生成する
画像発生処理部、３７は人や周囲の物体を表現する３次
元オブジェクトデータを保存する磁気ディスク装置、３
８は読み出された３次元オブジェクトデータを示す。３
９は３次元オブジェクトデータを高速で読み出すための
バッファであり、４０は視点位置等を制御するコントロ
ーラ、４１は入出力を制御するＩ／Ｏコントローラ、４
２は発生されたＣＧ画像を表示するための画像表示処理
部である。４３は音響効果を制御するサウンドコントロ
ーラ、４４は音響効果のためのスピーカを示す。記録装
置３２に保存されている３次元座標データ３１は高速読
み出しを可能とするためバッファ３５に転送され、画像
発生処理部３６が処理フレーム毎に順次これを読み出
す。また、体験室５内の周囲の物体７を表現する為に必
要な３次元オブジェクトデータ３８は保存されている磁
気ディスク装置３７から高速読み出しを可能とするた
め、多くのオブジェクトデータの中から選択されてバッ
ファ３９へ転送される。画像発生処理部３６はバッファ
３５から読み出した３次元座標データとバッファ３９内
の対応するオブジェクトデータとを同期させ、被験者６
の行動、周囲の物体７の動きを忠実に再現する再現デー
タを生成する。使用するデータを全て高速で読み出せる
バッファに蓄えておくことでリアルタイムでの生成を可
能とする。観察視点は視点コントローラ４０により制御
し、Ｉ／Ｏコントローラ４１により画像発生処理部３６
とのデータ伝送を実現する。画像発生部３６は視点位置
データと再現データにより、視野計算、座標変換等のＣ
Ｇ画像発生処理を行い、データを画像表示部４２へ送信
する。画像表示部では光源計算、テクスチャ・マッピン
グ等のレンダリング処理を行い、表示装置２６、２０に
表示する。音響効果は視点位置及び画像の内容に対応
し、Ｉ／Ｏコントローラ４１を介してサウンドコントロ
ーラ４３で制御し、スピーカ４４で音響を発生する。

【００１３】本発明の第１の応用実施例として、地震防
災訓練教育システムに利用した場合について説明する。
図１に示した体験室５を地震の縦揺れ、横揺れを模擬す
る床運動装置の付属した地震体験室として説明する。

【００１４】地震体験室５のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に対応す
る横壁、天井、正面壁にそれぞれ、赤外線カメラ９、１
０、１１を配置し、中にはいる被験者６及び配置された
テーブル等の物体７に赤外線マーカ８を付ける。震度を
設定して模擬した地震による被験者６、物体７の様子を
赤外線カメラ９、１０、１１により撮影し、撮影した画
像をパーソナルコンピュータ１２、１３、１４により画
像処理、マーカ位置計算を行い、得られたマーカの３次
元座標データを画像発生用コンピュータとして使用する
グラフィックス・ワークステーション（以下、ＧＷＳと
略す）１５の磁気ディスクに随時記録する。データの収
集は被験者達１９の人数だけ行い、得られたデータを基
に、各被験者１９の行動のＣＧ映像を生成する。被験者
達１９は、指導員１８の指導に従い、各自の行動を再現
したＣＧ映像をあらゆる方向から客観的に見て、地震の
時の行動についての注意を学習する。

【００１５】本発明の第２の応用実施例として、地震災
害被害研究解析システムに利用した場合について説明す
る。

【００１６】図１に示した体験室５を地震の縦揺れ、横
揺れを模擬する床運動装置の付属した地震体験室として
説明する。地震体験室５のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に対応する
横壁、天井、正面壁にそれぞれ、赤外線カメラ９、１
０、１１を配置し、中にはいる被験者６及び配置された
テーブル等の物体７に赤外線マーカ８を付ける。震度を
設定して模擬した地震による被験者６、物体７の様子を
赤外線カメラ９、１０、１１により撮影し、撮影した画
像をパーソナルコンピュータ１２、１３、１４により画
像処理、マーカ位置計算を行い、得られたマーカの３次
元座標データを画像発生用コンピュータとして使用する
ＧＷＳ１５の磁気ディスクに随時記録する。データをフ
ロッピーディスク、光ディスクに保存し、より詳細な解
析を行う為に研究室にデータを持ち帰る。持ち帰ったデ
ータを研究室内のＧＷＳ１５に読み出し、ＣＧ画像発生
ソフト及び解析ソフトを用いて、地震を再現したＣＧ映
像を生成し、地震体験室５で起こった地震について、被
験者の行動、物体の運動等を解析する。また、街等のよ
り範囲の大きなデータベースを用意し、収集した３次元
座標データの内容から建物等の運動を予測し入力するこ
とにより、市街地における地震の影響、被験者の行動を
推測することが可能であり、実測値に基づいた地震災害
研究を実現できる。

【００１７】本発明の第３の応用実施例として、地震体
験教育システムシミュレータに利用した場合について説
明する。

【００１８】図１に示した体験室５を先の実施例と同じ
く、地震体験室として説明する。

【００１９】先の実施例と同じように地震体験のデータ
をＧＷＳ１５の磁気ディスクに随時記録する。得られた
データを基にＧＷＳ１５により、被験者１９の視点で被
験者１９の行動を再現したＣＧ映像を生成する。被験者
以外の生徒２１にＨＭＤ２０を着用させ、再現ＣＧ映像
を見せ、疑似的に被験者の行動を体験させることで、地
震の時の行動についての注意を学習させる。また、被験
者６の行動を除いた地震の再現ＣＧ映像を生成し、ＨＭ
Ｄ２１を着用した生徒２１に視点を移動するコントロー
ラを用いて再現空間内を自由に移動させ、学習した危険
回避の内容を疑似的に体験させ、実体験を踏まえた学習
として効果的な教育を実現できる。さらに震度、周囲の
環境等の地震の状況を変化させて、様々な状況における
地震災害の疑似体験を実現し、状況に応じた災害訓練を
可能とする。

【００２０】本発明の第４の応用実施例として、火災体
験教育システムに利用した場合について図４により説明
する。同図において、４５は消火活動を行う消防隊員で
あり、４６は天ぷら鍋等の調理機具の油に燃え移った
炎、４７は消化器を示す。ここでの体験室５は火災模擬
を行うために設置された火災消火活動体験室である。体
験室５のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に対応する横壁、天井、正面
壁にそれぞれ、赤外線カメラ９、１０、１１を配置し、
中にはいる消防隊員４５及び配置されたテーブル等の物
体７、設置されている消化器４７に赤外線マーカ８を付
ける。天ぷら鍋等の調理機具の油に炎が燃え移った設定
において、消防隊員４５の行動を赤外線カメラ９、１
０、１１により撮影し、撮影した画像をパーソナルコン
ピュータ１２、１３、１４により画像処理、マーカ位置
計算を行い、得られたマーカの３次元座標データを画像
発生用コンピュータとして使用するＧＷＳ１５の磁気デ
ィスクに随時記録する。消防隊員４５は様々な消火方法
を実演し、各方法のデータを収集する。得られたデータ
を基にＣＧによる再現映像を作成する。教育現場３で
は、その再現ＣＧ映像を様々な視点から生徒１９に見
せ、消火方法及び間違った消火方法の危険性などを教育
する。一方、体験状況４のように生徒２１にＨＭＤ２０
を着用させ、消防隊員４５の視点による消火活動を再現
ＣＧ映像により疑似的に体験させ、消火方法及び間違っ
た消火方法の危険性などを教育する。また、視点を移動
するコントローラを用い、再現ＣＧ空間内を自由に移動
できるようにし、様々な状況における火災の消火活動を
疑似的に行い、体験的に消火方法及び間違った消火方法
の危険性などを教育する。

【００２１】本発明の第５の応用実施例として、各種ス
ポーツ教育用システムに利用した場合について図５によ
り説明する。

【００２２】同図において、４８は訓練を行うスポーツ
競技者である。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対応する位置にそれ
ぞれ、赤外線カメラ９、１０、１１を配置し、訓練する
競技者４８に赤外線マーカ８を付ける。競技者４８の訓
練中のフォームを赤外線カメラ９、１０、１１により撮
影し、撮影した画像をパーソナルコンピュータ１２、１
３、１４により画像処理、マーカ位置計算を行い、得ら
れたマーカの３次元座標データを画像発生用コンピュー
タとして使用するＧＷＳ１５の磁気ディスクに随時記録
する。研究現場２では、競技者４８のフォームから捻出
される力を運動方程式に則って計算し、現状のフォーム
の効率、より効率的なフォームへの改良点について研究
し、競技者４８がフォーム改良により捻出できる最大力
を求めることが可能である。また、靴等の道具により競
技者４８の捻出できる最大力の片かをシミュレートする
こともでき、競技者４８に適応した道具の開発にも利用
できる。一方、教育現場３では、指導員１７は得られた
データからＣＧにより再現された映像を様々な視点から
競技者及び生徒１９に見せ、フォームの欠点と対策内容
等について指導する。同時に、ＧＷＳ１５には基本的な
フォームの３次元座標データも記録されており、競技者
と基本とのフォーム比較も可能であり、視覚的にフォー
ムの欠点を見いだすことができる。また、研究により競
技者のフォームから捻出される力を推測して計算するこ
とができ、効率的なフォームの修正を数値的に理解する
ことも可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明により、現実に発生したアクシデ
ントによる被験者の行動及び体験室内の運動を忠実に再
現し、様々な視点からその状況について検証することに
より、被験者の危険回避行動や周囲の物体の予測困難な
運動についての研究、教育的要素を多く得ることができ
るばかりでなく、アクシデントが発生した空間を疑似的
に体験することが可能となり、より高度な教育に役立つ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の教育システムの実施例の構成図

【図２】本発明の実施例における３次元座標データ計算
処理のブロック図

【図３】本発明の実施例における再現画像発生処理のブ
ロック図

【図４】本発明の実施例における火災体験教育における
実施例の構成図

【図５】本発明の実施例における各種スポーツ教育にお
ける実施例の構成図

【図６】従来の教育システムの構成図

【符号の説明】

１：体験及び撮影現場、２：研究現場、３：教育現場、
４：アクシデント疑似体験状況、５：体験室、６：被験
者、７：周囲の物体、８：赤外線マーカ、９：Ｘ軸方向
撮影用赤外線カメラ、１０：Ｙ軸方向撮影用赤外線カメ
ラ、１１：Ｚ軸方向撮影用赤外線カメラ、１２：Ｘ軸方
向画像処理用コンピュータ、１３：Ｙ軸方向画像処理用
コンピュータ、１４：Ｚ軸方向画像処理用コンピュー
タ、１５：ＣＧ画像発生用コンピュータ、１６：ＣＧ画
像表示用モニタ、１７：研究者、１８：指導員、１９：
被験者又は生徒、２０：ＨＭＤ、２１：疑似体験者、２
２：体験室内撮影用ビデオカメラ、２３：体験室内映像
録画用ビデオデッキ、２４：体験室外撮影用ビデオカメ
ラ、２５：体験室外映像録画用ビデオデッキ、２６：撮
影映像再生用ビデオデッキ、２７：撮影映像表示用モニ
タ、２８：Ｚ軸方向撮影画像、２９：マーカ位置計算用
画像処理画像、３０：撮影されたマーカ位置、３１：計
算されたマーカの３次元座標位置データ、３２：データ
記録装置、３３：磁気ディスク装置、３４：フロッピー
ディスク装置、３５：高速読み出し用データバッファ、
３６：画像発生処理部、３７：オブジェクトデータ保存
用磁気ディスク装置、３８：オブジェクトモデルデー
タ、３９：高速読み出し用オブジェクトデータバッフ
ァ、４０：視点位置コントローラ、４１：Ｉ／Ｏコント
ローラ、４２：画像表示処理部、４３：音響効果用サウ
ンドコントローラ、４４：音響効果用スピーカ、４５：
消防隊員、４６：炎、４７：消化器、４８：競技者

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被験者の任意の各部に付けた複数個の赤
   外線マーカと該赤外線マーカの位置を撮影する複数台の
   赤外線カメラにより被験者の任意部位の移動位置を三次
   元座標データ化し、該データを記録し、コンピュータグ
   ラフィックス化し、該コンピュータグラフィックス化さ
   れた画像を再生することを特徴とする教育システム。