モーションキャプチャシステムにおける動的物体追跡精度の測定手法

さまざまなモーションキャプチャシステムの評価に関する幅広い研究が既に存在し、多様な結果が出ています。これらの研究は特定ユースケースにとって有用で関連性のある結果を生みますが、測定対象が異なり、手法や用語がいくつかの重要な点で大きく異なることがよくあります。

光学式モーションキャプチャシステムの性質上、多くの変数があり、精度に関する疑問への回答を複雑にしています。システム性能において最も重要な要因のいくつかは直感に反するものでもあります。データ品質に影響する条件には：スペースのサイズ、物体の幾何形状と速度、動きの性質、環境条件の変化——さらにシステム自体の特性——カメラの数、解像度、品質；マーカーの品質とサイズ；カメラキャリブレーションプロセス；カメラデータから剛体物体の姿勢を計算するアルゴリズム——などが含まれます。

完全に制御された環境下でも、物体の動きが測定に影響を与えます。例えば、テスト物体の長さを継続的に観察できます。物体が静止しているか運動しているかによって、高度に有意な差が観察される可能性があります。これは、比較を行う前に変数の一貫性と制御がいかに重要かを示しています。

用語は文脈によって異なる意味を持つことが多く、「精度」「精密度」といった用語が全く異なる意味を持つことがあります。さらに、これらはケース固有であることが多く：例えば「精度」の意味が、生体力学、ロボティクス、視覚効果の研究で異なる理解をされることがあります。

この作業の一環として、エンジニアがどのレベルの性能を期待できるか理解するのに役立つ、情報提供的な手法を提供したいと考えました。これは、このトピックについて最も頻繁に質問するオーディエンスに適し、容易に説明でき、さまざまな用途で納得できる結果を生む手法を要求しました。

また、内部開発中および外部との会話を始めるため、理解された手法を用いて、将来の開発と改善をその文脈で伝えられるようにしたいと考えました。外部公開された手法を使用し、その手法について完全に透明性を持たせ、したがって何の結果が達成されたかについても透明性を持たせることが重要だと感じました。

Viconは、当時のエンジニアリングプロダクトマネージャー、ティム・マッセイ氏率いるグループを結成しました。彼らはモーションキャプチャが理論だけでなく実践でどう機能するかの詳細にわたる幅広い経験を持っていました。彼らは、この問題をオーディエンスにとって有用かつ情報提供的な形で理解させる方法を知っているグループでした。

数か月にわたり、外部手法をいくつかレビューし、最も有望なものを試して、その有効性とシステムの使用方法への関連性を評価しました。アメリカ材料試験協会（ASTM E57）の3D測定システム小委員会によって開発・評価された手法が最も適切であると判断しました。ASTMは2006年6月、3Dシステムの性能評価に使用できる標準を開発するためにE57委員会を設立しました。手法E3064（「6自由度（6DOF）姿勢を測定する光学追跡システムの性能評価のための標準試験方法」）は、光学モーションキャプチャボリューム内で制御された方法で動く2つの剛体物体間の統一された測定を可能にするシンプルな手法です。

この手法の利点は、理解し説明しやすいシンプルさです。しかし、連続的に動く物体を評価する（モーションキャプチャシステムの重要な構成要素であり、大きな差を生む変数）ことと、キャプチャボリューム内の多くの場所で誤差を迅速に評価できる利点もあります。

ただし、「正しい」手法は存在しないことを述べておくことが重要です。多くの異なる代替手法があり、それぞれに異なる長所があります。しかし、Viconシステムをエンジニアがどのように使用しているかに関連した評価で、人々が期待できる性能のタイプを説明するのに有益な手法だと感じられました。

Vantage 5MPまたは16MPカメラで構成される2つの別個だが類似したセットアップをテストし、2つの剛体物体間の距離を測定しました。これは熱的に中性なプラスチックで構築された既知の固定距離で、動きや温度変化から生じる物理的差異を可能な限り排除しました。これにより、既知の固定基準に対して一貫して測定精度を決定でき、動きながらボリューム内を移動しても、測定を正確に評価できます。物体が連続的に動いても観察は一貫していました。

この作業により、新しい開発がViconの提供する品質をどう改善するかをより良く伝えられるようになりました。良い例は、最近リリースされたVantage+で、フレームレート向上のメリットだけでなく、技術内に固有のトレードオフも明確に説明できるようになりました。

本記事は、Vicon（英国オックスフォード）プロダクトマネージャー、フェリックス・ツイ博士によって執筆されました。詳細はをご覧ください。