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バーチャルリアリティ・制作 

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バーチャルリアリティ・制作 . ~第三回~ システムの実装(2) ディスプレイシステム. ディスプレイシステムの役割. 「人間の       に,現実世界が与えるのと同様な       を与えること」 人間の         が対象となる. 人間の感覚. 特殊感覚 体性感覚 皮膚感覚 深部感覚(固有受容感覚,自己受容感覚) 内臓感覚. 脳の役割. 大脳皮質 脳幹 視床(大脳への入力ゲート) 外側膝状体: 内側膝状体: 視床下部: 小脳. 脳の役割 Brodmann の脳地図 (1909). 前頭葉

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バーチャルリアリティ・制作 

~第三回~システムの実装(2) ディスプレイシステム

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ディスプレイシステムの役割
  • 「人間の       に,現実世界が与えるのと同様な       を与えること」
  • 人間の         が対象となる
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人間の感覚
  • 特殊感覚
  • 体性感覚
    • 皮膚感覚
    • 深部感覚(固有受容感覚,自己受容感覚)
  • 内臓感覚
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脳の役割
  • 大脳皮質
  • 脳幹
    • 視床(大脳への入力ゲート)
      • 外側膝状体:
      • 内側膝状体:
      • 視床下部:
  • 小脳
brodmann 1909
脳の役割Brodmannの脳地図(1909)
  • 前頭葉
    • 第4野(    領野)手,足,顔などの細かで巧みな運動
    • 第8野(           中枢)両側眼球の随意的共同運動
  • 頭頂葉
    • 第1,2,3野(    領野)体性知覚,内臓知覚
  • 側頭葉
    • 第41野(        領野)聴覚中枢,音の鑑別,認識
    • 第22野(Wernick領)言語理解
  • 後頭葉
    • 第17野(       領野)色,形,動き,明るさ
    • 第18野(       領野:後頭葉注視中枢)対象を注視,追跡する眼球運動中枢
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脳の役割Penfieldの図(1950)

中心溝から

前頭葉側

中心溝から

頭頂葉側

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視覚ディスプレイ
  • 目的
    • ユーザに            を与えること
  • 視覚的臨場感の3要素
  • 視覚領野の発見       年
  • 三原色説       年
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奥行感を得る仕組み
  • 人はどのようにして奥行きを知覚するか?
    • 2m以内
    • 20m以内
    • 100m以内
    • 200m以内
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眼の構造
  • 角膜,水晶体
    •         に像を結像する
  • 錐体細胞
    •         に反応
    •       に集中,高分解能
  • 杆体細胞
    •       にのみ反応
    • 錐体細胞周囲で高密度
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輻輳の仕組み
  • 輻輳
    • 映像中の一点を見るとき,両眼が          に動く
    • 近くを見る場合,視線が                  になるように動く
    •         で物体をとらえる方向に動く
  • 輻輳角
    •       の交差する角
  • 輻輳角と眼間距離から対象物体との距離を測っている
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両眼視差の原理
  •           のために透視変換に違いが生じる
  • 左右網膜に違った像が結像する
  • 視覚野において比較,奥行き感が生成される
  • 主に物体の         を知る仕組みとして機能している
  • 距離1mにおいて数mm程度の高精度で       検知可能
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水晶体調節と視角
  • 水晶体調節
    • 網膜像の        調節
    • 毛様体筋の力と水晶体の弾性→       の厚さ調節
    • 筋の緊張から距離を推察
    • 精度が悪く,対象物が約2m以内の場合のみ有効
  • 視角
    • 物体までの       と物体の      に関連する角度
    • 網膜上の像の大きさと関係する
    • 輻輳,視差と同様視角の重要な要素の一つ

水晶体

視角

物体

網膜像

眼球

head mounted display hmd

VPL社 Eyephone

“ダモクレスの剣”

Head Mounted Display (HMD)
  • 頭の向いている前方の映像しか見ていない→ 常に          の映像を供給
  • +
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HMDの特徴
  • 長所
  • 欠点
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HMDによる立体視
  •      による距離情報と      による距離情報の矛盾→ ミニチュア模型,実際の光景と感じない
  • 凸レンズによる画面提示距離の変換
    • 約2m,                          距離
    •        は変えない
    •      ,     ,     でモノの     と     が規定される
    • 「バーチャルプレーン」
  • バーチャルプレーンへの左右両眼用の透視変換CGを作成,それぞれのディスプレイに提示
hmd 1
HMDの問題点1 重量
  • HMD重量による認識誤差
  • CRT→LCD→超小型LCD(0.7inch程度)
hmd 2
HMDの問題点2 解像度
  • Eyephone90
    • 視野角:水平48度,垂直36度
    • カラーLCD:1.3inch, 92万画素(1920×480)
    • 表示:640×480
    • 1m先に45inch画面
  • 問題1
    • 水平方向1画素あたりの視野角は?
  • 問題2
    • 人間の目の中心窩における分解能は?
hmd 218
HMDの問題点2 解像度
  • SONY LDI-D100B
    • カラーLCD:0.7inch,155万画素
    • 1.2m先に30inch画面
  • 問題
    • アスペクト比を4:3として,表示解像度と水平方向1画素当たりの視野角を求めなさい。
hmd 219
HMDの問題点2 解像度
  • CRTを利用すれば。
    • Datavisor80
    • n-Vision社製
    • 解像度 640×480~1280×1024
    • 視野角 120度
    • 1inch CRT
  • どうしても大型になる。
    • 重量?
  • 視野角は広い
    • 分解能は?
hmd 3
HMDの問題点3 光学系
  • 没入感を感じる視野角 80度~100度
  • なるべく大きな視野角を持つ光学系を軽量に設計=非常に困難
  • 低い解像度→視野角拡大 =強度近視に相当する分解能
  • 物理的に小さい視野角で高臨場感
  • 実際の視野角より大きな視野角で透視変換された画像の提示など
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HMDの現状と将来
  • 現状
    • 冬の時代
    • 没入型が主流
    • 必要な技術
  • 将来
    • Mixed Realityの分野での巻き返し?
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1面型大画面ディスプレイ
  • オムニマックス・スクリーン
    •      ,    スクリーンで観客を取り囲み,大映像を投影
    • 利点
      •             に映像提供できる
    • 欠点
      • (リアルタイムインタラクションが困難)
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その他の1面型大画面ディスプレイ
  • アーチ型スクリーン
  • 傾斜型スクリーン
  • 複数人同時使用可能
  • 立体視可能
  • 広い場所が必要
  • 手軽で比較的高い臨場感
  • 広い場所を必要としない
  • アプリケーション開発が容易
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スクリーンが1面の場合の立体視
  • アナグリフ
    • 左右両眼の映像を青と赤の2色で描画
    • 左眼:青のフィルタ→赤の映像のみ供給
    • 右眼:赤のフィルタ→青の映像のみ供給
    • 色の情報が欠落
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スクリーンが1面の場合の立体視
  • 偏光方式の問題点
    • スクリーンは,        を変化させないモノでなければならない鏡面反射=シルバースクリーンなど
    •                   が必要となる
    • 直線偏光と円偏光
      • 直線偏光の方が正しい画像を生成できる
      • 直線偏光は               が変化すると偏光関係が崩れる
      • いったん円偏光に変換,眼のところで再度直線偏光に戻す
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スクリーンが1面の場合の立体視
  • 時分割方式
    • 人間の目の錯覚を利用
    • インターレスのフィールド周波数 60Hz→連続映像と認識(TVの原理)
    •     のプロジェクタより,右眼用,左眼用の映像を        に表示する
    • 同期してシャッターが開閉する液晶シャッター眼鏡を通して見る
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スクリーンが1面の場合の立体視
  • 時分割方式
    • CrystalEYES3StereoGraphics社
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スクリーンが1面の場合の立体視
  • 時分割方式の問題点
    • ビデオ信号をそのまま用いた場合,左右両眼の              が30Hzとなり,ちらつきが発生する
    • ビデオ信号の                 を120Hzに変換する→ 解像度は      になってしまう
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多面型大画面ディスプレイ
  • CAVE (CAVE Automatic Virtual Environment)
    • SIGGRAPH’92でイリノイ大学が発表
    •                         に10フィート四方のスクリーンを配置
    •                    にステレオ映像投影
    • スクリーンごとに1台のコンピュータを配置,制御用にもう1台コンピュータを利用
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CAVE
  • 同時に数人が入場可
  • 1ユーザ(ドライバ)に位置センサ装着
  •            の両眼視差映像が投影される
  • スクリーンとユーザの距離が大きいため,ドライバ以外のユーザ(パッセンジャ)の違和感は     
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CAVEにおける立体視
  • 各スクリーンに背面投影された映像を液晶シャッター眼鏡で見る
  • HMDとの違い
    • HMDでは,バーチャルプレーンが実際の表示面と          場所につくられる
    • CAVEでは,バーチャルプレーンと実プレーンの場所が     
    • 首を動かすことなく広い視野を提供できる
    • 高精細プロジェクタの利用により解像度を上げられる(2500×2000/台)
    • 常に          が見えている(HMDの場合,見えているのはバーチャルな自分)
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CAVEにおける立体視

右眼

  • CAVEの大きさが2m立方から3m立方なのはなぜか?

プロジェクタ

左眼

物体

  • 多数の面への提示像から一つの三次元物体が構成される
  • 部屋の隅の違和感はほとんど無い

プロジェクタ

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日本の没入型システム
  • 東京大学 CABIN5面
  • 岐阜県VRセンター COSMOS6面
  • 総務省通総研 UNIVERS4面
  • メディア教育開発センタ TEELeX5.5面
  • 筑波大学 Co-CABIN5面
  • その他,埼玉大学,女子美大など
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その他の多面型大画面ディスプレイ
  • Holo Wall
    • 広いに画面による深い没入感
    • 広い視野角,大きい物体の表示に適する
    • 多人数で見る事が可能
    • 側面が無い
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その他の多面型大画面ディスプレイ
  • HOLOSTAGE
    • SXGA(1280X1024)が5面
    • 高輝度(6000ANSIルーメン)
    • 多人数で見る事が可能
    • 日本初導入は東海大学
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空間投影型立体ディスプレイ
  • Perspecta
    • 三次元画像を二次元画像に分割,回転スクリーン上に二次元画像を投影
    • 立体眼鏡不要
    • 市販されているものとしては世界唯一
    • 直径10inch球状の画像
    • 解像度
      • 768×768,198枚
      • 約100M voxel
    • リフレッシュレート
      • 24Hz
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空間投影型立体ディスプレイ
  • Transpost (日立製作所 Hitachi Human Interaction Lab.)
    • リアルタイムに立体映像が生成可能
    • リアルタイム通信も可能
    • 裸眼立体視が可能
    • 映像処理にディジタル処理が不要で仕組みが単純,低コスト
    • 原理
      • まず,24方向からの映像を撮影する。
      • 撮影された映像が360度24方向円形に並んだ鏡へ投影される。
      • 鏡の反射を利用して,360度24方向からの映像を回転するスクリーンへ投影する。
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裸眼3D液晶ディスプレイ

SHARPの3D液晶ディプレイ原理

  • スイッチ液晶によって,「視差バリア」を設ける。
  • 視差バリアは,光の進行方向を制御し,左右の目に異なる光が届くように分離する事が出来る。
  • TFT液晶には,左眼用画像,右眼用画像から構成された特殊な画像を表示し,それぞれの目に対応する画像を届ける。
  • 通常の2D画像の時にはスイッチ液晶を透過にする事により通常のディスプレイとして利用可能
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