バーチャルリアリティ・ 制作 ～第二回～ システムの実装（１） センサシステム システム構成 ディスプレイシステム (Presence) (Interaction) → センサシステム → (Interaction) センサ センサ シミュレーションシステム ディスプレイとセンサ（入出力）の 規定 (Autonomy) を センサシステム 「どこで」「どんな」行為が行われたか？ 「どこで」の計測 三次元空間での と （ 各座標軸方向の 座標軸周りの “Tracker” 「どんな」の計測 これらの運動 が生成され，提示 のコンピュータへの入力 : 6DOF） オイラー角 により物体の を表現 のルールを与える 第一回目の回転軸（3通り）→第二回目の 回転軸（一回目を除く2軸のいずれか）→第 三回目の回転軸（二回目を除く2軸のいず れか），の計12通りの表現方法 よく利用されるのは次の表現 zyz-オイラー角 軸のまわりに角度α 回転 の 軸のま わりに角度β回転 の 軸のま わりに角度γ回転 二軸回転時の回転角を （ , , ）とも言う zyx-オイラー角 z軸のまわりに角度α回転 回転後のy軸のまわりに角度β回転 回転後のx軸のまわりに角度γ回転 三軸回転時の回転角を（azimuth, elevation, roll），または （ 0 x 1 y 0 cos z 0 sin ， 0 cos sin 0 cos sin ， ）とも言う 0 sin cos 1 0 sin 0 cos 0 sin cos 0 0 X 0 Y 1 Z (X,Y,Z)：基準座標系，(x,y,z)：物体座標系 zyx-オイラー角 z軸のまわりに角度α回転 点Aについて，回転した後の座標軸上でのx座標を，元の Ｙ Ｙ (X,Y)で表現する A α Z Ｘ Ｘ zyx-オイラー角 z軸のまわりに角度α回転 点Aについて，回転した後の座標軸上でのy座標を，元の Ｙ Ｙ (X,Y)で表現する A α Z Ｘ Ｘ zyx-オイラー角 オイラー角：補足 三軸回転時のオイラー角を(yaw, pitch, roll)と呼び，座標系の取り方により次のよう に表す yaw : pitch : roll : 回転例 角 角 角 ＜「どこで」の計測＞ Trackerの要件 と の 合計 の計算ができること。 １回の計測に要する時間が であること。 計測の がユーザの自然な動きを表 すのに十分であること。 計測精度が各種 の精度に対して許容範 囲であること。 Trackerの計測可能範囲が想定する作業内容や人の動き の範囲をカバーすること。 Trackerを身体に装着する場合には，人の運動をできるだ け拘束せず，センシングする環境に対する拘束も少ない こと。 磁気による空間位置計測 ＜基本原理＞ ファラデーの電磁誘導の法則 「 によってコイルに が生じる」＝「誘導 」 「誘導 の大きさは，コイルを貫く磁 束の に比例する」 レンツの法則 「誘導 の変化を の向きは，原因となった磁束 向きである」 磁気による空間位置計測 ＜原理＞ 受信コイル (x,y,z,α,β,γ) 磁界の発生と 変化（交流電圧） 起電力の発生 V=f (x,y,z,α,β,γ) 発信源からの距離と，磁束方向とコイ ル断面のなす角（コイルを貫く磁束）に 依存して変化 V=f (x,y,z,α,β,γ) V=f (x,y,z,α,β,γ) 発信コイルも同様に直交コイル化 順番に励磁 発信コイル （基準：固定） ９つの式，６つの未知数 磁気による空間位置計測 ＜システム＞ 磁界 トランスミッター (直交コイル) ドライブ回路 コントロール ユニット 出力(x、y、z、Roll、Yaw、Pitch) レシーバー (直交コイル) 検出回路 磁気による空間位置計測 ＜特徴＞ 長所 理想的環境では比較的 で計測可 位置精度数ミリ，角度精度1度以下 機械式と異なり非接触計測であるため ない 超音波式と異なり に影響されない のため装着による動作拘束は少ない 短所 高価 測定範囲が狭い（固定コイル中心，半径数m程度），レシーバケー ブルの長さにも依存する 周りの の影響を受け精度が劣化する。スチール製の 机でも影響は大きい レシーバの数を増やすとサンプリングレートが低下する ある特定の位置や姿勢の近傍で計測値が不安定になる（連立方程 式の解法に除算を含むため）。 磁気による空間位置計測 ＜製品例１＞ POLHEMUS社製 3SPACEシステム FASTRAK ISOTRAKII 磁気による空間位置計測 ＜製品例１＞ FASTRAK ISOTRAKII 精度 位置 0.8mm 角度 0.15度 位置 2.4mm 角度 0.75度 測定範囲 半径約76cmの半球内 半径76cmの半球内 センサ数 最大４ 最大２ センササイズ 標準センサ 約2cm データレート 120ポイント/秒(1レシーバ) 60ポイント/秒(1レシーバ) 価格 \1,300,000- \600,000- 磁気による空間位置計測 ＜製品例２＞ Ascension Technology Corporation Flock of Birds mimiBird 磁気による空間位置計測 ＜製品例２＞ Flock of Birds miniBird 精度 位置 1.8mm 角度 0.5度 位置 1.8mm 角度 0.5度 測定範囲 半径約120cmの半球内 半径76.2cmの半球内 センサ数 最大30 最大１ センササイズ 標準センサ 25mm 5mmセンサ データレート 144ポイント/秒 120ポイント/秒 価格 \478,000- \720,000- 磁気による空間位置計測 ＜製品比較：動作原理＞ 磁界発生方式の違い POLHEMUS Ascension Technology の方が金属物体など周 囲の磁性体の影響を受けにくい 超音波による空間位置計測 ＜原理：二次元の場合＞ A 交点位置が発信器Aの場所となる B Tracker 発信器を２つ持つ 円弧状のどこかに 発信器がある 超音波受信 距離を求める 同様に発信器Bの位置を求める Trackerの傾き（姿勢）が求まる 受信機（固定） 超音波による空間位置計測 ＜特徴＞ 3つの発信器と3つの受信機により6DOFの計測が 可能 長所 価 計測が容易 の影響は受けない 短所 変化による誤差 計測範囲はあまり広くないが複数台リレーする事で広 くする事は可能 の影響をうける があっては測定できない 超音波による空間位置計測 ＜Ivan Sutherlandの方法＞ ヘルメット上に３つの超音波発信素子 37, 38.6, 40.2kHz 周囲４隅に超音波受信素子を配置 連続超音波を送信し，受信後に分離，受信 超音波と送信超音波の位相ずれ（12通り） から距離を推定する 送信3素子，受信4素子なので，位置と姿勢 が推定できる 超音波による空間位置計測 ＜製品例＞ ジャイロセンサ（姿勢計 測）との組み合わせ InterSense社 IS-900 広範囲のトラッキングが 可能 3m×3m～15m×15m 測定精度 位置 4mm 角度 0.2度～0.4度 センサ 約3cm～4cm データレート 180Hz 画像処理による点追跡 ＜原理＞ 位置が分かっている２台のカメラを利用した立体測量 画像処理による点追跡 ＜特徴＞ かなり広い範囲をカバーする事が可能，ただし その場合は画素数に依存して精度が劣化する 多点同時計測が可能 計測を確実にする（対応点を見つけやすくする） ためにLEDを用いたりマーカーを用いたりする。 カメラパラメータ（レンズ中心位置や焦点距離な ど）の測定が必要 ある角度でカメラに写らなくなった場合に計測 不可 ＜「どんな」の計測＞ グローブ型デバイス １点位置計測＝ の動き もっと細かな人間の姿勢や動きの入力 ＝ の入力 たとえば，「手指の動き」 対話的な関わりの時にもっとも頻繁に利用する部 位 自由度は20～30，1点計測型センサでは。。 グローブ型デバイス グローブ型デバイス ＜基本原理＞ 手指に簡単なセンサを装着，その変形（曲 げ角度）を測定 の利用 指の曲がり具合による VPL社，DataGlove, の変化 1987 の利用 指の曲がり具合による Virtual の変化 Technologies社，CyberGlove コンピュータ内の との対応 グローブ型デバイス ＜原理：光ファイバ＞ 透過率が指の曲がり 受 光 素 子 出 力 デ ー タ r ファイバ曲げ角θ 具合により変化 曲線形状は個人差が あるためキャリブレー ションによりC，αの値 を決定する 指数関数的な変化を するため，曲げ角が なったときの 検出精度が す る。 グローブ型デバイス ＜製品例：光ファイバ＞ VPL社 DataGlove 1987 光ファイバの曲がる部分にキズ が付けられ，曲げに対して光が 漏れやすいように工夫 LEDから発した光がU字型の ファイバを一周して，フォトトラン ジスタにより受光される 1本の指に2本のファイバ＝第 1,2関節の曲げを測定（ちなみに 第一関節とは指先の方）＝10自由 度の計測 ソフトウェアによる動きの近似 グローブ型デバイス ＜原理：導電性インク＞ 短い＝ 長い＝ 導電性インクによる曲げ角度センサ 導電性インク 炭素など導電性をもつ粒 子を含ませた液体 曲げ角度に応じて の長さが変化， が変化する 柔軟性・伸縮性があるた め手指にフィットし易い 曲げ角度に対する出力が であるため精度 が 曲げも計測可能 グローブ型デバイス ＜製品例：導電性インク＞ Virtual Technologies社， CyberGlove センサ数：18 or 22 18モデル 第一関節を除く各指2関節，親 指付け根，手首の関節の曲げ， 回転 22モデル 18モデル+4つの第一関節 精度：0.5度 リフレッシュレート：149レコード/秒 価格 \2,486,000- (18センサ) グローブ型デバイス ＜その他の例＞ Virtual Technologies社 Display system (Haptic)としてのGlove CyberTouch CyberGrasp モーションキャプチャ ＜基本原理＞ ユーザの体の各部に を取り付け，各部 位の三次元位置座標の変化を記録する。 ユーザの体の各部に取り付けられた の 位置を複数のカメラで計測してその位置を特定する。 記録されたモーションデータを，ユーザの体と同じ骨格 構造でモデリングされたキャラクタのアニメーション シーケンスとして与える。 計測点の数（自由度）が増加したことによる，精度向上 のためのキャリブレーション作業，ユーザ骨格構造と CGキャラクタの形状モデルの構造との一致，計測デー タとCGキャラクタとの対応，などが問題 モーションキャプチャ ＜関節角度計＞ ポテンショメータ 回転型抵抗器（オーディオの音量調節のよう なもの）を関節部に取り付け屈曲角を測定す る。 回転軸が固定のため自由度が少ない。 VPL社のDataSuitで腰と膝に利用された。 フレキシブル屈曲センサ ストレインゲージを用い，伸縮時の圧力による 電気抵抗変化を利用 光ファイバや導電性インクもこの部類 モーションキャプチャ ＜製品例1＞ VPL社 DataSuit 光ファイバセンサ（屈曲） 首，肩，肘，胴部，手首，腰， 膝，足首 ポテンショメータ（ひねり） 腰，膝 3SPACE（位置・姿勢） 手首，頭，腰 圧力センサ（着地検出） かかと 合計66自由度 モーションキャプチャ ＜製品例2＞ Motion Analysis社 HiRES 反射マーカの位置を複数のカメ 歩行解析例 ラで特定する光学式（赤外線お よび赤色光反射方式） 最大16台のカメラ使用 解像度 649×491 240フレーム/秒 反射マーカは3mm～25mm， 円錐型のラバーコーン，200個 まで認識済み モーションキャプチャ ＜製品例3＞ Ascension Technology, MotionStar 磁気センサによるリアルタイムトラッキン グ ワイヤレスタイプ有り 光学式よりも高コストパフォーマンス センサ数に関係なく100Hzのデータレート １人当たり20センサー，合計80センサー まで可能 計測範囲：半径3mの半球内 金属の影響はごくわずか（直流パルス式） 価格 \15,100,000(ワイヤレスタイプ，20センサシステム， スーツ，制御用PCなどは別) モーションキャプチャ ＜製品例4＞ キャプチャ イメージ CGイメージ マーカ ReActor 赤外線方式であり，光学式の精 度と磁気センサ式のリアルタイム 性をもつ ユーザの体のマーカから赤外線 が照射，12本のフレームの500 個以上のカメラセンサにより動き 検出 フレーム固定のためキャリブレー ション不要 マーカはIDを持つため複数同時 キャプチャも可能 データレート 900Hz(1マーカー)
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