心理的尺度による感情付き歩行動作制御法の構築

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2004 年度卒業論文

心理的尺度による

感情付き歩行動作制御法の構築

Csontruction of the walking motion wiht emotion control method by psychological measure

提出日 :2005 年 2 月 2 日

指導教授

白井克彦教授

早稲田大学理工学部情報学科

1G01P094-2

松井和教

Kazunori Matsui

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図目次

2.1 インタフェースのイメージ . . . . 8

3.1 人体モデル . . . . 11

3.2 関節の3回転軸 . . . . 12

3.3 BVHファイル . . . . 14

4.1 実験風景イメージ . . . . 17

4.2 「楽しく歩く」動作の結果 . . . . 17

4.3 「怒って歩く」動作の結果 . . . . 18

4.4 「悲しく歩く」動作の結果 . . . . 19

5.1 完成したシステム . . . . 21

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表目次

4.1 「楽しいにおける心理的尺度」とαの値 . . . . 20 4.2 「怒りにおける心理的尺度」とαの値 . . . . 20 4.3 「悲しいにおける心理的尺度」とαの値 . . . . 20

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第 1 _{章序論}

1.1 _研究背景

近年、ディジタルコンテンツの流通に伴い、アバターや映画制作等に対して3DCGアニメーションの使用頻度が増加している。さらに、家庭用PCの機能向上や利用者層の拡大により、個人レベルでの3DCGアニメーション制作の需要も高まっている。個人を対象にした場合には、複雑な操作が要求されるのではなく、簡単に操作できるものでなければ受け入れられない。しかしながら、3DCGアニメーションを作成するにあたって、

人間を登場させる機会が多いにもかかわらず、人間を表現する上で欠かせない、感情付き動作を表現することはキーフレームアニメーションや数値入力、さらにモーションキャプチャ等、個人レベルで扱うには複雑であり、高い技能と熟練を要するだけでなく、コストの面でも非常に困難なものとなっている。

そこで、個人レベルでも簡単に扱えるような直感的な制御により、3DCGアニメーションが作成できるディジタルアクタシステムの構築が必要である。本稿では、簡単で尚且つ直感的に動作が生成できるインタフェースを持つディジタルアクタシステムの構築を試みる。

1.2 本研究の目的

本研究の目的は、CGキャラクタの感情をもった動作を簡単で尚且つ直感的に生成できるシステムを構築することにある。

なお、本研究では感情付き動作の対象として、最も基本的で尚且つ多様性を保持する動作である、歩行動作に限定して取り扱う。

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第1章序論

1.3 構成

本論文では、第2章で目標とするインターフェースについて述べ、第3章でそのインターフェースの構築法について述べる。第4章では心理的尺度を獲得するための実験方法と得られた結果に対する考察を述べ、第5章ではそれをもとにして実装したシステムについて述べる。第6章でまとめと今後の予定について述べる。

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第 2 章感情付き歩行動作制御システム

目標とするインタフェース

ディジタルアクタシステムのインタフェースは数値入力等の複雑なものではなく、ユーザが容易に使用出来、尚且つ直感的なイメージを反映出来る必要がある。その１つとして、スライダーの操作によって感情付き歩行動作を制御するインタフェースを提案する。

従来の研究では「大きく歩く」のような物理歩行動作に対して、内挿・外挿を用いることで動作を生成することが可能であることが明らかになっている[2]-[4]。また、感情付きの歩行動作を内挿・外挿を用いることによって制御した前例があるが[1]、単純に物理的変化を均等に変化させたものであるため、感情の変化が均等に変化しているか否かは明らかではない。感情付き歩行動作を物理歩行動作と同様に内挿・外挿によるスライダによって制御させるためには、スライダの1目盛り毎に均等に感情の変化を感じることができる必要がある。そのためには、従来には無かった新たな指標を用いる必要がある。

そこで、心理的評価による心理的尺度を用意して、それを均等に変化させることで、感情も均等に変化させることが可能になる。本稿では、心理的尺度によって、「普通に歩く」

動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作のそれぞれの感情付き歩行動作の感情の強さを、均等に且つ連続的に変化させる3つのスライダを持つインタフェースを作成を目標とする。

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第2章感情付き歩行動作制御システム

図 2.1: インタフェースのイメージ

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第 3 _{章心理的尺度}

3.1 _{心理的尺度の定義}

心理的尺度とは「楽しく歩く」動作、「怒って歩く」動作、「悲しく歩く」動作それぞれに存在し、「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作のそれぞれの感情付き歩行動作の感情の強さを均等に変化させる心理的な評価による尺度のことを言う。

例えば、「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作を均等に変化させる心理的尺度を

「楽しいにおける心理的尺度」と呼ぶことにする。

3.2 _{心理的尺度の獲得方法}

物理動作と同様に「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作それぞれの内挿・外挿による歩行動作データを作成し分析する。

モーションキャプチャによって収録された10人分の「普通に歩く」動作、「楽しく歩く」動作、「怒って歩く」動作、「悲しく歩く」動作のBVHデータを用いた。

3.2.1 BVH データとは

BVH形式のファイルフォーマットは、モーションキャプチャーデータの収録・販売を行っているBiovision社によって定義された。BVHとはBioVision Hierarchical dataの略である。

BVHファイルは、2つのデータから構成されている。1つはモーションを行うオブジェクトの構造を記述したものである。オブジェクトは１９の関節パーツの連結として定義さ

(11)

第3章心理的尺度れている。この19関節の連結を階層構造を用いて記述したものが階層構造データである。

このオブジェクトはオブジェクト初期姿勢と呼ばれ、本研究で用いたオブジェクト(人体モデル)を図式化すると図3.1になる。オブジェクトの定義はパーツを記号「{」「}」を用いて再帰的に表現され、以下の様に記述されている。

¶ ³

HIERARCHY ROOT Hips {

OFFSET 0.0000 0.0000 0.0000

CHANNELS 6 Xposition Yposition Zposition Zrotation Xrotation Yrotation JOINT LeftHip

{

OFFSET 3.4300 -0.0000 -0.0000

CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation JOINT LeftKnee

{

OFFSET 0.0000 -18.4700 0.0000

CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation JOINT LeftAnkle

{

OFFSET -0.0000 -17.9500 0.0000

CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation End Site

{

OFFSET -0.0000 -3.1200 0.0000 }

} } }

JOINT RightHip

...

µ ´

オブジェクトの構造データの開始位置は、”HIERARCHY”というキーワードで開始される。そして、その行に続く”ROOT”はオブジェクトを定義する階層構造の一番上位にあるパーツを示している。人間を表すオブジェクトの場合、腰を表現するパーツを”ROOT”

として定義する。また、その他のパーツは、パーツが接続されている関節を定義してあ

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第3章心理的尺度

LeftHip

LeftKnee

LeftAnkle

RightHip

RightKnee

RightAnkle Hip

Chest Chest2 RightColler LeftColler

RightShoulder

RightWrist RightElbow LeftElbow

LeftWrist

Head Neck

LeftHip

LeftKnee

LeftAnkle

RightHip

RightKnee

RightAnkle Hip

Chest Chest2 RightColler LeftColler

RightShoulder

RightWrist RightElbow LeftElbow

LeftWrist

Head Neck

図 3.1: 人体モデル

り、”JOINT”と表現してある。

次にキーワード”OFFSET”であるが、この後に続く3つの数字はROOTからの位置を定義してある。3つの数字はそれぞれX軸、Y軸、Z軸の順番で定義されている。

その下に続くキーワード”CHANNELS”はパーツが持つことのできるパラメータの数を定義してある。”ROOT”には回転情報のほかオブジェクト全体の位置を示す情報が必要であるため位置が3軸、回転が3軸の合計6つのパラメータを定義されている。”JOINT”は初期姿勢から求められる”ROOT”からの相対位置から位置を計算できるため”JOINT”に繋がるパーツの3軸の回転の情報のみが定義される。従って、”ROOT”は”CHANNELS 6

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第3章心理的尺度 Xposition Yposition Zposition Zrotation Xrotation Yrotation”の様に定義され、”JOINT”

は”CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation”の様に定義されている。

最後にオブジェクトの先端(例えば手の先や足の先)は”End Site”として”ROOT”からの位置を定義してある。

BVHを構成するもう1つのデータはフレーム毎の”ROOT”の位置データと”JOINT”及び”ROOT”の回転データである。各関節におけるZrotation、 Xrotation、 Yrotationの回転軸は、図3.2のように設定されている。

X軸 Y軸 Z軸 X軸 Y軸 Z軸

図 3.2: 関節の3回転軸

フレームデータはキーワード”MOTION”から開始する。フレームデータは、先ほどの階層構造の定義データに続き、以下の様に記録されている。

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第3章心理的尺度

¶ ³

...

CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation JOINT Head

{

OFFSET -0.0000 5.1900 0.0000

CHANNELS 3 Zrotation Xrotation Yrotation End Site

{

OFFSET -0.0000 4.1400 0.0000 }

} } } } } MOTION Frames: 200

Frame Time: 0.0333333

12.330000 −7.790000 0.430000 −7.260000 −26.570000 −8.930000 · · · 0.000000 0.000000 0.000000 −0.100000 0.120000 −4.370000 · · ·

... ... ... ... ... ... . ..

µ ´

”MOTION”の次の行に続く”Frames:”はデータ全体の長さを示すパラメータである。例では200となっているので、このBVHは200フレーム記録されてることになる。次に続く”Frame Time:”は1フレームあたりの秒数を示すパラメータである。例では”0.0333333”

すなわち30分の1秒である。つまり、このBVHは30Hzのモーションを記録していることになる。

この下に続くデータ列が”ROOT”の位置情報及び各関節の回転情報が行方向に時系列順に記録されている。このデータ列は、登場した”JOINT”順に”CHANNELS”で指定されたパラメータが右方向に記述される。BVHデータとは、19関節からなる人体モデルを定義し、各関節（joint）についてのローカルな座標系での回転角度（19関節×3軸方向）、

及び体の中心（Hip）の位置情報（position）から成る移動情報（19関節×3軸方向）の

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第3章心理的尺度時系列データ（計60パラメータ×フレーム数（30fps））より構成されている（図3.1、3.3 参照）。

4.91 -15.04

3.72 -1.95

-52.03 45.77

43.30

5.34 -16.48

……

3.47 ……

-2.11 -52.70

45.89 42.81

Head-Y Head-X

Hip-X ……

Hip-Z Hip-pZ

Hip-pY Hip-pX

4.91 -15.04

3.72 -1.95

-52.03 45.77

43.30

5.34 -16.48

……

3.47 ……

-2.11 -52.70

45.89 42.81

Head-Y Head-X

Hip-X ……

Hip-Z Hip-pZ

Hip-pY Hip-pX

……

…

……

…

……

…

……

…

……

…

……

…

……

…

position joint

フレーム数

60パラメータ

図 3.3: BVHファイル

3.2.2 スペクトル情報への情報量圧縮

歩行動作における関節動作は全て周期的な運動をするため、それらの時系列データは周期信号として捉えることが可能である。よって、全関節動作の時系列データは式(1)のようにフーリエ級数で近似できる。

Θ_m(t) =

∑∞ n=−∞

C_mneⁱ^2πn^T ^t (3.1)

各係数は関節運動を周波数領域に変換したときの各成分から求める。Θm(t)は求める関節の曲げ角度であり、時間tの関数になる。mは関節運動番号であり、本稿で扱う19 関節×3軸方向の関節運動を示す。nは高調波の次数であり、| C_mn |は関節運動番号m の関節運動をフーリエ変換したときの第n高調波のスペクトル強度である。

(16)

第3章心理的尺度また、過去の研究より、人物動作における関節動作は、全て第3高調波までのスペクトル情報で十分動作を再現可能であることが示されている[1]。歩行データごとに被験者の個性などが含まれているため、それらを排除する必要がある.そこで、それぞれの歩行動作10人分のデータを平均し、そのそれぞれを「普通に歩く」動作、「楽しく歩く」動作、

「怒って歩く」動作、「悲しく歩く」動作の代表とする。「普通に歩く」動作のスペクトルデータの平均をC_mn、感情付き歩行動作のスペクトルデータの平均をC_mn^, とすると、その物理的な変化に対応した特徴量ωmnは(2)式より求まる。

ωmn =C_mn^, −Cmn (3.2)

さらに、(3)式によって、16段階の内挿・外挿動作データA_αを作成する。

A_α =C_mn+α×ω_mn(α= 0.0,0.2,· · ·,3.0) (3.3) これらの式によって、「楽しく歩く」動作、「怒って歩く」動作、「悲しく歩く」動作それぞれ16段階の内挿・外挿による歩行動作データを作成し心理的評価を行う実験をし、

その評価値を分析することによって心理的尺度を獲得する。

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第 4 _{章実験}

「楽しいにおける心理的尺度」、「怒りにおける心理的尺度」、「悲しいにおける心理的尺度」を獲得するために実験を行う。

4.1 実験方法

まず、作成した「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作を内挿・外挿した16段階の歩行動作を被験者にランダムに提示し、「普通に歩く」を0点、被験者がイメージする最も「楽しく歩く」動作を100点として、それぞれの動作に点数をつけてもらう。ただし、被験者がイメージする最も「楽しく歩く」動作よりもさらに楽しいと感じる歩きがあれば、100点以上の点数をつけても構わないものとする。次に、被験者がつけた最高点

を100点として0〜100点になるように正規化し、それを被験者の数で平均を取り、さら

に0〜100点に正規化する。これを「楽しいにおける心理的尺度」とする。これを「普通

に歩く」動作から「怒って歩く」動作と、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作にも同様に行う。

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第4章実験

図 4.1: 実験風景イメージ

4.2 実験結果

4.2.1 「楽しく歩く」動作の結果

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 αの値

楽しいにおける心理的尺度

図 4.2: 「楽しく歩く」動作の結果

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第4章実験 0.0≤α≤2.4で全体的に増加し、それ以降は減少に転じる。0.0≤α ≤0.6では、ほとんど変化が見られない。0.6≤α≤1.4は振動している。

4.2.2 「怒って歩く」動作の結果

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 αの値

怒りにおける心理的尺度

図 4.3: 「怒って歩く」動作の結果

0.0≤α≤2.6で全体的に増加し、それ以降は減少に転じる。0.0≤α≤0.4、0.8≤α≤ 1.2ではほとんど変化が見られない。1.2≤α≤1.8は振動している。

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第4章実験

4.2.3 「悲しく歩く」動作の結果

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 αの値

悲しいにおける心理的尺度

図 4.4: 「悲しく歩く」動作の結果

0.0≤α≤2.2で全体的に増加し、それ以降は減少に転じる。0.0≤α≤0.2ではほとんど変化が見られない。0.8≤α≤1.4は振動している。

4.2.4 考察

「楽しく歩く」動作、「怒って歩く」動作、「悲しく歩く」動作の全てにおいて、αの値が増加するに従って、心理的尺度が始めは増加し、あるところで減少に転じるという傾向が見られた。心理的尺度が増加する部分だけを用い、さらにその部分で振動している部分は平均を取ることによって、心理的尺度を10点毎に変化させれば、１目盛り毎に感情の強さを変化させるスライダが作成可能であると考えられる。これによって、心理的尺度とそれに対応する内挿・外挿におけるαの値の関係を示す次の表を得た。

実際の動作と違い、感情付き歩行動作のアニメーションではαの値が1.0以上となる外挿、つまり誇張した動作が重要だと言える。

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第4章実験表 4.1: 「楽しいにおける心理的尺度」とαの値

楽しいにおける心理的尺度 αの値

0 0

10 0.6239

20 0.8911

30 0.8996

40 0.9080

50 1.3131

60 1.6013

70 1.6820

80 1.7627

90 2.1007

100 2.4

表 4.2: 「怒りにおける心理的尺度」とαの値

怒りにおける心理的尺度 αの値

0 0

10 0.6624

20 1.1196

30 1.2485

40 1.4943

50 1.2718

60 1.7376

70 1.7897

80 2.1274

90 2.4710

100 2.6

表 4.3: 「悲しいにおける心理的尺度」とαの値

悲しいにおける心理的尺度 αの値

0 0

10 0.4132

20 0.5343

30 0.7043

40 0.8431

50 0.9174

60 1.0897

70 1.3228

80 1.3988

90 1.7232

100 2.0

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第 5 _{章完成したシステム}

図 5.1: 完成したシステム

実験によって獲得した、「楽しいにおける心理的尺度」、「怒りにおける心理的尺度」、

「悲しいにおける心理的尺度」それぞれをを0点から100点まで10点毎に変化させた11動作を生成できるスライダを合計3つ作成することによって、「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から

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第5章完成したシステム

「悲しく歩く」動作が均等に変化する動作が作成できるシステムを実装した。

スライダを操作するだけで感情付き歩行動作が作成できるので、心理的尺度によって、

「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作のそれぞれの感情付き歩行動作の感情の強さを、均等に且つ連続的に変化させる3つのスライダを持つインタフェースを作成するという目標が達成できた。

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第 6 章まとめと今後の予定

6.1 _まとめ

本稿では、「普通に歩く」動作から「楽しく歩く」動作、「普通に歩く」動作から「怒って歩く」動作、「普通に歩く」動作から「悲しく歩く」動作のそれぞれの感情付き歩行動作の感情の強さを均等に変化させるスライダを持つインタフェースを作成を試みた。感情の強さを判断する指標となる心理的尺度を定義し、実験によって「楽しいにおける心理的尺度」、「怒りにおける心理的尺度」、「悲しいにおける心理的尺度」を獲得した。それによって、物理歩行動作と同様に単純に内挿・外挿で歩行動作を変化させるのではなく、

それぞれの心理的尺度を10点毎に変化させるスライダを作成し、そのスライダによって、

ユーザが容易に使用出来、尚且つ直感的なイメージを反映出来るシステムが完成した。

6.2 今後の予定

「楽しく歩く」動作から「悲しく歩く」動作、「楽しく歩く」動作から「怒って歩く」

動作、「怒って歩く」動作から「悲しく歩く」動作のような感情付き歩行動作間でも同様に動作を作成してこのシステムに実装する予定である。

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謝辞

本研究を進めるにあたり、研究環境を整え、適切なご助言をいただきました白井先生に深く感謝いたします。御多忙にも拘らず数々の御指導をしていただいた、東洋大学の村上先生と、人間科学部の誉田先生には大変感謝しております。お二人のおかげで、本卒業論文を完成させることができました。同じマルチモーダル感情表出チームのM2の長船さんと森野さんには本当にお世話になりました。長船さんには研究内容や論文の書き方について丁寧に詳しく教えていただきありがとうございました。森野さんにはシステムを作る上でプログラムについて詳しく教えていただきありがとうございました。もっとプログラムの勉強をしなければならないと感じています。M1の板野さんには研究の相談にのっていただいたり、助言をいただきありがとうございました。そして、画像班のみなさんに感謝します。

最後に、精神的にも経済的にも支えてくれた両親に最大限に感謝の気持ちを捧げます。

今年の1月に亡くなった父の冥福を祈ります。

心理的尺度による 感情付き歩行動作制御法の構築

2004 年度 卒業論文