JP2000155855A - 仮想現実感を利用した施工支援情報システム。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 建設工事において施工支援のために仮想現実
感を用いて、解析情報のフィードバック、作業の安全、
効率化、高精度化を図る。 【解決手段】 作業者Ｗの視点位置を得る反射プリズム
２１と、視点姿勢を得るジャイロセンサー２３と、装着
したゴーグル１１を介して表示素子１２に表示された映
像情報が、内蔵光学系を介して投影されるシースルーヘ
ッドマウンテッドディスプレイ１０と、描画オブジェク
トを蓄積した施工支援情報データベース蓄積部３２と、
求められた作業者Ｗの位置情報に基づいて、観察対象と
なる現実空間の既定座標に描画オブジェクトを重畳させ
るために逐次、描画オブジェクトを再構築する描画オブ
ジェクト再構築部３４と、再構築された描画オブジェク
トの画像データを表示素子１２に表示可能な映像情報信
号に変換する映像信号変換部４０と、映像信号受信部１
５に映像情報信号を転送し、立体映像を投影する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は仮想現実感を利用し
た施工支援情報システムに係り、特に建設工事において
現実空間に重ね合わせて映し出された仮想立体映像を利
用して対象とする現場に即した計測データの解析結果情
報、施工管理情報等を提供し、施工の合理化を図るよう
にした仮想現実感を利用した施工支援情報システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータ技術の発達により、
リアルな仮想立体映像を現実空間に取り込んだ仮想現実
感の提案がなされている。あらかじめ立体図形の動画と
して作成されたＣＧ（コンピュータグラフィックス）を
仮想立体映像として、観察者が装着したＨＭＤ（ヘッド
マウンテッドディスプレイ）に投影し、観察者がゴーグ
ルを通して見た現実空間と光学的に合成して観察者に視
覚的な作業情報を提供し、現実空間内での作業者の行動
支援を行うシミュレーションシステムが種々提案されて
いる。このシミュレーションシステムはＡＲ（オーグメ
ンテッドリアリティ）システムと呼ばれている。このＡ
Ｒシステムでは観察者の行う様々な作業を支援するため
に、適切な作業示唆の行える高精度のＣＧ情報を提供す
ることが求められている。

【０００３】このＡＲシステムでは、ゴーグルを通して
入射する外界からの光を透過させるように位置するハー
フミラー上に、ＨＭＤに組み込まれた表示素子に表示さ
れたＣＧによる仮想構造等の立体映像を、入射光と重ね
合わせるようにして、光学系を介して投影させることが
できるシースルータイプのＨＭＤが利用されている。こ
のようにシースルータイプのＨＭＤ（以下、ＳＴＨＭＤ
と記す。）を利用したＡＲシステムでは、観察者が見て
いる現実空間にＣＧ映像空間を光学的に精度よく重ね合
わせることで現実空間と仮想立体空間との融合を図り、
観察者の仮想現実感を実現することができる。このた
め、このＡＲシステムではＳＴＨＭＤを装着した観察者
の視点の３次元位置を把握することが重要である。今の
ところ観察者がＳＴＨＭＤを利用できる環境として室内
の実験室レベルが現実的なものとされている。

【０００４】ところで、屋外での作業の多い土木工事で
は上述したような仮想現実感を作業効率化のために利用
した事例は報告されていないが、原位置の風景写真等に
ＣＧによって作成した完成予想構造物をはめ込んで形状
や色彩のシミュレーションを行う手法は従来から行われ
ている。すなわち、土木、建築等の建設工事では構造物
の建設位置を絶対座標で把握し、その絶対座標をもとに
設計上の構造寸法を有する構造物を構築する。このた
め、現実空間上に所定寸法のＣＧ映像による各種構造物
をはめ込み、これを利用して各種の施工を行うことがで
きれば、いわゆる熟練作業による成果と同等の品質の施
工が可能となり、各工程での作業の効率化、精度向上を
実現できることになる。

【０００５】また、実際の施工では、出来形管理のため
の計測等を行うとともに、施工の進行により変化する地
盤状況や工事の影響による地山の変状等を計測し、その
データをもとに変状に対する対策工を教唆したり、適切
な施工を行うための各種の解析が行われている。これら
の解析結果をもとにトンネル建設工事等において進行す
る切羽位置の地盤状況が刻々と変化するような場合、そ
の地山変状をあらかじめ予測し、安全に施工を行うため
の必要な情報を得ることができる。

【０００６】トンネル掘削工事において、このような計
測結果をもとにした解析例として以下の解析システムが
出願人により開発されている。 逆解析 事前にトンネル対象断面の解析モデルを作成し、各種計
測データをもとに逆解析を行い、周辺地山の弾性係数、
初期地圧、ポアソン比（逆解析によるアウトプット）を
同定する。この同定値を用いて次段階掘削に伴う地山や
支保部材の変位・応力予測を行う。 ３次元地質分析システム トンネル切羽のディジタル画像を利用して地山のトンネ
ル縦断方向における地質構造を分析し、切羽奥部におけ
る地質の変化をあらかじめ想定し、そのための事前対策
工を行う。 対策工選定ファジーエキスパートシステム 切羽画像データや切羽観察記録などの施工データベース
を用いて、遭遇した破砕帯等に対して適切な対策工等を
選定し、事前対策および応急対策などの施工に利用す
る。 キーブロック解析 キーブロック解析は、空洞やトンネル掘削時において、
潜在的に滑り出す危険性のある岩石ブロック（キーブロ
ック）の位置、規模を推定するもので、このキーブロッ
クに対して所定の対策工を行うことで、トンネル等の安
定を図る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、トンネル掘
削工事を例にした土木建設工事においては、以下のよう
な作業においてＡＲシステムの導入によって以下に示し
ている作業の効率化、高精度化の余地が見込まれる。

【０００８】(1)切羽での発破孔削孔や支保部材として
のロックボルト孔削孔、切羽前方の地盤支持のための先
受け工法におけるフォアパイリング工においては、その
削孔位置はレーザーマーカーや直接測量して割り出した
位置をペイント等でマーキングし、その位置にドリルジ
ャンボに搭載された削孔機のノミ位置をオペレータが操
作盤を操作して位置合わせを行っていた。従って、作業
上熟練が必要であった。 (2)支保工建て込みでは、レーザーマーカーにより支保
工建て込み位置をマーキングし、吊り込み機械に把持さ
れた状態の支保工を重機オペレータの操作によりあらか
じめ測量により位置決めされた箇所に吊り込むようにし
てした。 (3)覆工コンクリートの配筋等は設計図面をもとに実測
しながら行っていた。 (4)出来形管理の場合では、トンネルの２次覆工の完成
後、計測担当者がトンネル内に所定間隔をあけて設定さ
れた測点での内空寸法等をスチールテープや測距装置を
用いて実測していた。

【０００９】すなわち、従来のトンネル施工では、次の
ような点が問題点として指摘されている。また、上述の
解析結果等を現場施工において、より効果的に利用する
ための方策が提案されている。 (1)切羽における発破孔やロックボルト孔、フォアパイ
リング孔の削孔では、レーザーマーカーにより岩盤面の
削孔位置は確認できるが、岩盤内に延びる孔の方向を決
定するためのノミ角度（差し角）の決定等は熟練した作
業者の勘と経験とに頼った作業であった。適正な差し角
での削孔が行えないと、トンネル周辺に余掘りや内空断
面不足が生じる。 (2)重機オペレータは支保工を建て込む位置を直接見る
ことができないため、誘導を行う補助者を必要とするた
め、作業の効率化、作業者の安全確保が十分に果たせな
いおそれもある。 (3)出来形を検査する場合、測点での情報しかなく、測
点間の情報は全く得られず、施工区間が長い場合には計
測に多大な時間を要する上、計測箇所以外での出来形不
良をカバーできないおそれもある。 (4)上述した解析システムによる解析結果は２次元ない
し３次元表示等を用いた各種出力形式で出力され、さら
に現場ではその解析結果に基づいた具体的な施工計画を
たてる必要があった。

【００１０】しかし、それらの利用形態をさらに進め
て、たとえば逆解析では解析結果により、周辺地山のひ
ずみ分布や支保部材の応力を精度良く予測できるが、あ
る位置（領域）で得られた解析結果が所定管理値より大
きな解析値が生じた場合、その位置で適正なロックボル
トの長さ、耐力の妥当性が現場位置で視覚的に判断でき
ることが望まれる。また、内空変位が実際の現場で視覚
的に確認できれば、所定の内空を確保できないことが直
観的に把握できる。具体的に仮想立体映像を利用するこ
とができれば、各解析において次のような利点がある。

【００１１】３次元地質分析システムによる分析結果
は、３次元座標データとして蓄積されるため、ＡＲシス
テム上に表示することが比較的容易であり、分析結果を
実画像に重畳して表示することによって、その場で効果
的に切羽前方地質を視覚的に把握でき、見えない次段階
の掘削等に対する施工安全性を確認できる。

【００１２】さらにファジーエキスパートシステムによ
って選定された対策工を実際の現場での実画像に重畳し
て表示させることで、より容易に対策工の効果を確認す
ることができる。逆にこれまでのデータベースを基に比
較することで不適切な対策工による欠陥等も事前に知る
ことができ、若手技術者等による対策工の選択ミス等が
激減する。

【００１３】上述したキーブロック解析では、地山内に
想定され、実際には確認することができないキーブロッ
クの形状や規模を、実際の地山に重畳して視覚的に確認
できるとともに、崩落防止のための補強工の配置、方
向、規模等の判断を容易に行うことができる。

【００１４】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術が有する問題点を解消し、ＣＧにより作成された仮想
立体映像情報を、作業者がＳＴＨＭＤを介して見ている
現実空間内にはめ込むようにして現実空間内で作業者が
行う各種の作業に有用な解析結果情報、施工管理情報等
を与え、作業の効率化、施工精度、安全性の向上を図る
ことにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、作業者の視点位置を得る視点位置検出手
段と、作業者の視点姿勢を得る視点姿勢検出手段と、装
着したゴーグルを介して観察対象となる外界の現実空間
を視野内に捉えるために、前記外界からの入射光を透過
する一方、装備された表示素子に表示された映像情報
が、内蔵光学系を介して投影される半透過面を有する映
像表示手段と、前記観察対象となる現実空間に施工され
る構造体の形状を３次元形状データから生成した描画オ
ブジェクトを、作業工程に対応したインデックスを付与
して蓄積した施工支援情報データベース蓄積部と、前記
視点位置検出手段と視点姿勢検出手段とから求められた
前記作業者の位置情報及び前記作業者の移動に伴って変
化した位置情報に基づいて、前記観察対象となる現実空
間の既定座標に前記描画オブジェクトを重畳させるため
に逐次前記描画オブジェクトを再構築する描画オブジェ
クト再構築部と、前記再構築された描画オブジェクトの
画像データを前記映像表示手段に搭載された表示素子に
表示可能な映像情報信号に変換する映像信号変換部と、
前記映像表示手段に装備された映像信号受信部に前記映
像情報信号を転送する映像信号転送部とから構成された
ことを特徴とする。

【００１６】作業者の視点位置を得る視点位置検出手段
と、作業者の視点姿勢を得る視点姿勢検出手段と、装着
したゴーグルを介して観察対象となる外界の現実空間を
視野内に捉えるために、前記外界からの入射光を透過す
る一方、装備された表示素子に表示された映像情報が、
内蔵光学系を介して投影される半透過面を有する映像表
示手段と、現場で収集され所定の通信手段で送信された
計測データを入力値として用いて解析を行う解析部と、
該解析部から返送された解析結果を加工し、前記視野内
に投影可能な情報表示データとして生成された描画オブ
ジェクトを蓄積した施工支援情報データベース蓄積部
と、前記視点位置検出手段と視点姿勢検出手段とから求
められた前記作業者の位置情報及び前記作業者の移動に
伴って変化した位置情報に基づいて、前記観察対象とな
る現実空間の既定座標に前記描画オブジェクトを重畳さ
せるために逐次前記描画オブジェクトを再構築する描画
オブジェクト再構築部と、前記再構築された描画オブジ
ェクトの画像データを前記映像表示手段に搭載された表
示素子に表示可能な映像情報信号に変換する映像信号変
換部と、前記映像表示手段に装備された映像信号受信部
に前記映像情報信号を転送する映像信号転送部とから構
成されたことを特徴とする。

【００１７】前記施工支援情報データベース蓄積部は、
前記描画オブジェクトが、所定のメニューに対応したイ
ンデックスを付与して蓄積され、前記作業者が手元の映
像切替手段の操作により前記インデックスを選択して前
記映像表示手段に投影される映像情報を変更することが
好ましい。

【００１８】上記解析部は、逆解析システムであるこ
と、あるいは３次元地質分析システムであり、該システ
ムの断面データを連続した画像データとして生成し、前
記施工支援情報データベースに蓄積させたようにするこ
と、または対策工選定ファジーエキスパートシステムで
あり、該システムに蓄積された所定の対策工情報が選択
された段階で、画像データとして生成されるようにする
こと、さらにキーブロック解析システムであり、該シス
テムで求められたキーブロックの形状及び／または規模
が、画像データとして生成されるようにすることが好ま
しい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の仮想現実感を利用
した施工支援情報システムの一実施の形態について、添
付図面を参照して説明する。図１は、本発明の施工支援
情報システムの一例を示したシステム構成図である。図
１に示したように、たとえばトンネル内で施工機械を操
作する作業者（オペレータ）は所定の安全装備以外に、
立体映像による仮想現実感を体感するためにＳＴＨＭＤ
を装着している。このＳＴＨＭＤは、公知の光学的シー
スルー方式によって映像を投影可能なゴーグルタイプの
ディスプレイで、作業者Ｗの顔部に直接装着して使用す
る。

【００２０】ＳＴＨＭＤ１０は外界からの入射光を透過
を調整可能な液晶シャッター（図示せず）を備えたゴー
グル１１部分と、ゴーグル１１内に収容されたハーフミ
ラー（図示せず）に映像を投影可能な映像表示装置１２
とを備えている。映像表示装置１２の表示素子としては
ＴＦＴ液晶パネルが用いられている。この液晶パネルに
表示された映像はゴーグル１１側部に収容された複数枚
のリレーレンズとミラーとで構成された光学系（図示せ
ず）を介してハーフミラーに投影される。

【００２１】さらに図３に示したように、作業者Ｗがか
ぶった安全帽の一部には視点位置検出手段としての反射
プリズム２１が装着されている。この反射プリズム２１
は背後の所定位置に据え付けられたトータルステーショ
ン２２から発射されたレーザー光を反射する。反射光は
トータルステーション２２側で再度受光されるので、作
業者Ｗの頭頂部位置Ｅ0の位置が把握できる。また、ト
ータルステーション２２には自動追尾機能が備えられて
いるので、移動する作業者Ｗの頭頂部位置Ｅ0を逐次把
握し続けることができる。なお、作業者Ｗの頭頂部位置
Ｅ0と視点位置Ｅ1（左右の瞳孔間中央位置）との位置補
正も逐次行われているため、作業者Ｗの位置情報は視点
位置Ｅ1として取り扱われる。なお、この視点位置Ｅ1
は、後述する立体映像作成のために作業者に固有の左右
の瞳孔位置（ＥL、ＥR）に換算されて取り扱われるが、
以下では、説明の簡単化のために視点位置Ｅ1で代表し
て述べる。

【００２２】たとえばトンネル等の構造物では坑口の絶
対座標が求められているので、坑口からの距離程を利用
してトータルステーション２２位置が設定できる。さら
にトータルステーション２２からの測距により作業者Ｗ
の視点位置Ｅ1を求めることができる。これに対して屋
外工事においては、人工衛星Ｓを利用したＤＧＰＳ（デ
ィファレンシャル方式ＧＰＳ）によるモニタリング機能
によって作業者Ｗの視点位置Ｅ1を絶対座標で検出する
ことができる。

【００２３】ＳＴＨＭＤ１０を装着した状態での作業者
Ｗの視点姿勢Ｅ2を検出する視点姿勢検出手段として、
作業者Ｗの安全帽にはジャイロセンサー２３が取り付け
られている。本実施の形態で用いられているジャイロセ
ンサー２３は３軸のセンサーからなり、このセンサー出
力によりセンサー中心に対しての姿勢（角度）データを
獲得することができる。ジャイロセンサー２３に代えて
サーボ加速度計等を装着することによっても、視点姿勢
Ｅ2を検出することが可能である。さらにソフトウェア
を利用することにより、検知された作業者Ｗの瞳孔の動
きから視点姿勢Ｅ2及び視点位置Ｅ1を追跡するようにし
ても良い。このようなデータを利用して作業者Ｗの視点
位置Ｅ1、視点姿勢Ｅ2をデータとして獲得する。このデ
ータは後に作業者Ｗの装着しているＳＴＨＭＤ１０に表
示される仮想立体映像の描画オブジェクトの更新のため
の情報として用いられる。

【００２４】ここで、作業者Ｗの頭頂部に装着されたジ
ャイロセンサー２３、反射プリズム２１を用いて視点姿
勢Ｅ2、視点位置Ｅ1を得るデータ処理について説明す
る。作業者Ｗの頭部に装着されたジャイロセンサー２３
からは作業者Ｗの頭（顔）が向いている方向がジャイロ
センサー２３の中心位置を原点としたＸＹＺ軸周りの単
位ベクトルＥ2（θx,θy,θz）として検出される。この
単位ベクトルＥ2をもととして視点姿勢Ｅ2が得られる。
一方、後方の既知測点Ａ（Ｘ,Ｙ,Ｚ）に据え付けられた
トータルステーション２２から発射されたレーザー光を
再びトータルステーション２２側で受光して得た反射光
情報から反射プリズム２１の位置、すなわち作業者Ｗの
頭頂部位置の座標Ｅ0（Ｘ0,Ｙ0,Ｚ0）が得られる。この
さらに作業者の左右眼の瞳孔間中心位置である視点位置
Ｅ1（Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1）に補正される。このようにして、作
業者Ｗが各種の作業に伴って場所を変えた場合にもトー
タルステーション２２の自動追尾機能により逐次その位
置情報（視点位置Ｅ1）を検出することができる。この
とき作業者Ｗが視認している現実空間の位置座標は、あ
らかじめ測量によって既定座標として確定されていた
め、作業者Ｗの視線方向、距離と視認対象である現実空
間とが一意に対応つけられて決定される。これにより作
業者Ｗが見ている現実空間と完全に重ね合わされた仮想
立体映像を作業者Ｗが装着しているＳＴＨＭＤ１０に映
し出すことができる。

【００２５】次に、現実空間に重畳して表示される仮想
立体映像を構築するために用いられる各種の施工のため
の施工支援情報データベースについて説明する。施工支
援情報データベースは、仮想現実感を利用して施工支援
を行う対象となる各種の仮設、本設構造物等の３次元の
立体形状を、実際の設計図面等に基づいて所定の縮尺で
作成した３次元形状の基本形状データ３０をもとに視点
情報としてその形状、消失点を適宜変更した形状として
描画可能な描画オブジェクトとして生成され、図１に示
した施工支援情報データベース蓄積部３２に蓄積されて
いる。

【００２６】基本形状データ３０はワークステーション
（ＷＳ）あるいはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）上で
稼働する３次元ＣＡＤソフトウェア上で作成され、ＤＸ
Ｆファイル形式で保存されている。そして仮想立体映像
構築ソフトで取り扱い可能なデータ形式に変換された描
画オブジェクトとして施工支援情報データベース蓄積部
３２に蓄積される。施工支援情報データベース蓄積部３
２からは、実際の現場付近にいる作業者Ｗが携帯する画
像切替コントローラ３１（図１参照）の操作によって、
付与されているインデックスをもとに対応した施工支援
情報データとしての描画オブジェクトが適宜取り出さ
れ、表示できるようになっている。表−１は、本実施の
形態における施工支援情報データベース蓄積部３２の一
部を示した一覧表である。同表に示したように、施工支
援情報データベース蓄積部３２では各施工支援情報デー
タとしての描画オブジェクトは、それぞれ工種、必要施
工支援情報で区分されたマトリクスに対応させたテーブ
ル形式で蓄積されている。このため、工種が異なる場合
にも共通する施工支援情報は、施工支援情報データベー
ス蓄積部３２から繰り返し取り出されるようになってい
る。

【００２７】

【表１】

【００２８】同表に示したように、一例としてトンネル
建設工事、法面保護工、開削工事等における各施工段階
で必要とされる多種の施工支援情報が細かい工種に対応
したインデックスに対応して得られるようになってい
る。また、各施工支援情報には必須データ、オプション
データとしてのレベル付け（○、△で表示）がされてお
り、作業者が状況に応じて必要とする描画オブジェクト
を適宜選択することもできる。

【００２９】この施工支援情報データベース蓄積部３２
に蓄積される描画オブジェクトのもととなる基本形状デ
ータ３０が、たとえばトンネル建設工事におけるロック
ボルト工のロックボルトの描画オブジェクトの生成情報
であれば、直径、長さ、ロックボルトの打設方向、打設
位置等のデータから構成される。また２次覆工のための
配筋データ等における異形鉄筋の各種情報も同様な線材
の情報として与えられる。鉄筋のような線材データは表
示において適当な簡略化を行っても映像においてリアル
感が損なわれないが、覆工コンクリートのように面形状
で構成される立体データにおいては、骨格となるフレー
ムデータに、質感を考慮した適当なテクスチャー要素の
貼り付けを行った描画オブジェクトとして生成される。

【００３０】ところで、作業者Ｗの位置情報（視点位置
Ｅ1、視点姿勢Ｅ2）を視点パラメータとして描画オブジ
ェクトを生成する際、実際に作業者ＷがＳＴＨＭＤ１０
を通じて見ている現実空間の広がりと描画オブジェクト
の表示スケール、消失点、立体視のための整合は厳密に
はとられていない。そこで、この描画オブジェクトを現
実空間内でのリアルな立体画像として生成するために、
映像切替コントローラ３１を介して位置情報（Ｅ1、Ｅ
2）の初期化、微調整、表示スケールの調整、各作業者
固有の身体情報（頭頂部Ｅ0と視点位置Ｅ1とのずれ、瞳
孔間距離）による画像調整が行えるようになっている。
これらの調整を行いながら、描画オブジェクト再構築部
３４で作業者Ｗの視点の移動に追従して変化する視点パ
ラメータをもとに描画オブジェクトの立体形状等を変化
させる。

【００３１】さらにこの描画オブジェクトは仮想立体映
像として映像データ変換部４０、映像信号転送部として
のＨＭＤコントローラ４３から作業者ＷのＳＴＨＭＤ１
０に搭載されている映像信号受信部１５を介して映像表
示装置１２としての表示素子（図示せず）に表示され
る。

【００３２】ここで、図２を参照してノートＰＣ３１内
で構築された描画オブジェクトを立体映像に変換するた
めの映像データ変換部４０の構成について説明する。作
業者Ｗが携帯するノートＰＣ３１のディスプレイは図２
に模式的に示したように、４個の分割画面で構成されて
いる。これら４個の分割画面のうち、上部画面には描画
オブジェクトをＳＴＨＭＤ１０で立体視するために、描
画オブジェクトが作業者Ｗの左右の目で別々に見たとき
の視距、光路長差を考慮した左目、右目用の画像として
生成して表示されている（以下、左目用画像をＬ画像、
右目用画像をＲ画像と記す。）他の分割画面には作業者
Ｗの位置情報（視点位置Ｅ1、視点姿勢Ｅ2）が上述した
検出手段により作業者Ｗの動きに追従して逐次変化する
数値情報として出力されている。

【００３３】上述のＬ画像、Ｒ画像を構成する描画オブ
ジェクトは、この数値情報としての視点位置Ｅ1、視点
姿勢Ｅ2をもとに高速レンダリングされ、最新の画像デ
ータに更新される。そして、この画像データ（Ｌ画像、
Ｒ画像）はアナログＲＧＢ信号としてノートＰＣ３１か
ら出力され、さらに図２に示したスキャンコンバータに
よってＮＴＳＣ信号に変換され、ＨＭＤコントローラ４
３に出力される。

【００３４】図２に示したように、上述のアナログＲＧ
Ｂ信号は映像データ変換部４０としてのスキャンコンバ
ータでＲ画像データ及びＬ画像データの左右の２つの画
像データに分離され、この画像データを交互にＳＴＨＭ
Ｄに出力することにより立体映像信号を得ることができ
る。ここで、ノートＰＣ３１上に逐次蓄えられている前
述した作業者Ｗの位置情報（視点位置Ｅ1、視点姿勢Ｅ
2）を考慮した描画オブジェクトから右目用の立体映像
と左目用の立体映像を生成する手順について簡単に説明
する。まず、仮想立体映像構築ソフトによってノートＰ
Ｃ３１の画面上に表示されたＲ画像とＬ画像に対して作
業者Ｗの位置情報が視点パラメータとして与えられる。
そして与えられた視点パラメータに対応してそれぞれの
画像において所定インターバルで高速レンダリングが行
われる。そして、再構築により更新された最新の画像デ
ータは映像データ変換部４０の第１のスキャンコンバー
タ４１に入力され、第１のスキャンコンバータ４１で右
目用のＲ画像データが取り出される。さらに第２のスキ
ャンコンバータ４２に出力信号がスルーアウトされ、次
いで左目用のＬ画像データが取り出される。このＲ画像
データとＬ画像データとは外部同期を取りながら、高速
にスイッチングされて映像信号転送部としてのＨＭＤコ
ントローラ４３に出力される。このとき画像信号はＮＴ
ＳＣ準拠信号に変換されている。このＨＭＤコントロー
ラ４３を介して作業者Ｗが装着しているＳＴＨＭＤ１０
の映像信号受信部１５に立体画像信号が送出され、ＳＴ
ＨＭＤ１０内の表示素子に仮想立体映像が表示される。
このときＨＭＤコントローラ４３から作業者ＷのＳＴＨ
ＭＤ１０までのデータ伝送は無線または有線のいずれも
可能である。

【００３５】次に、図１、図３に示した作業者の本シス
テムの利用環境について簡単に説明する。まず、作業者
Ｗは作業対象となる位置近くでＳＴＨＭＤ１０を装着す
る。このＳＴＨＭＤ１０には付帯装置として作業者Ｗの
視点の３次元の回転が計測できるジャイロセンサー２３
が装着されている。また、本実施の形態では作業者Ｗの
かぶる安全帽の頂部に反射プリズム２１が装着されてい
る。この反射プリズム２１に対して作業位置の後方の既
知座標点に設定されたトータルステーション２２等によ
りレーザー測距を逐次行うことにより、作業者Ｗの視点
位置は自動追尾され、これにより作業者Ｗの位置情報が
絶対座標で得られる。なお、屋外の場合は、ＤＧＰＳに
より直接、作業者Ｗの絶対座標を求めることができる。

【００３６】作業者Ｗは映像切替コントローラ３１を操
作して施工支援情報データベースのインデックスメニュ
ーによってこれからの作業に必要な施工支援情報を施工
支援情報データベース蓄積部３２内から選択する。この
とき選択された施工支援情報の描画オブジェクトは、作
業者Ｗの位置情報を視点とした最新の形状として再構築
されて作業者ＷのＳＴＨＭＤ１０の表示素子に転送され
る。表示映像はさらに内蔵光学系を介してあたかも作業
者Ｗが観察している現実空間内に存在するかのようにＳ
ＴＨＭＤ１０の視野内のハーフミラーに映し出される。
映し出された仮想立体映像は作業者Ｗがこれから行う作
業の完成形状であったり、作業をガイドする指標であっ
たりする。このため作業者Ｗは手元の図面等の値を現場
においてスケールアウトしたりすることなく、映し出さ
れた映像に従って直接、各作業を進めることができる。
このとき作業者Ｗが移動したり、頭を動かした場合、そ
の位置情報は逐次ＰＣ３１に送られ、描画オブジェクト
の形状や消失点の更新がなされる。これにより、移動後
の作業者Ｗの視点情報に合わせて常に作業者Ｗは自分が
見ている方向の現実空間内に仮想物体を現実空間上に重
ね合わせることができ、作業者Ｗの連続した作業を確実
にフォローしていくことができる。

【００３７】次に、このシステムを用いた実施例として
トンネル工事における各工程での作業を行う場合の適用
例について説明する。図４（ａ）は発破工法によるトン
ネル掘削時の切羽の発破孔の削孔に利用される仮想現実
感を模式的に示した模式縦断面図である。同図には、説
明のために削孔予定の発破孔が仮想線で表示されてい
る。一方、図４（ｂ）は、作業者Ｗが実際に見ている切
羽１を含む現実空間と、作業者Ｗが装着したＳＴＨＭＤ
１０のハーフミラーに投影された削孔予定の発破孔２の
仮想映像とがその位置、方向が重畳された状態で映し出
されている。作業者Ｗは現実空間の切羽面に映し出され
た仮想立体画像としての発破孔２位置および必要な削孔
ロッド３の差し角に合わせてロックボルトジャンボ４に
搭載された削岩機の削孔ロッド５の先端を３次元的に映
し出された発破孔２の延長上に移動させ、削孔作業を行
うことができる。このとき仮想立体画像には切羽奥の地
盤内での地盤状況も合わせて映し出されている。このた
め、切羽１で観察困難な弱部１ａでの発破作業を慎重に
行うようにすることもできる。このように作業者Ｗが観
察している実際の切羽１に削孔予定の発破孔２が３次元
的に表示されるため、従来のように切羽にレーザーポイ
ンター等で削孔点を投影したり、スプレー等でマーキン
グした場合に対して、勘に頼らずに削孔ロッドの差し角
等を正確に決定することができる。このため、トンネル
の余掘りが大幅に減少する。また、削岩機の位置決めが
迅速に行えるため全体の作業工程が短縮されるという利
点もある。

【００３８】図５（ａ）は掘削に伴い、切羽後方で支保
工を建て込む場合に利用される仮想現実感について説明
した縦断面図である。作業者Ｗが支保工の組立位置から
トンネルの切羽１側を観察したときに、作業者ＷのＳＴ
ＨＭＤ１０を通して見た視野内には、図５（ｂ）に示し
たように所定サイズの鋼製支保工６が奥行き方向に所定
のピッチで建て込まれた仮想立体映像が映し出されてい
る。従って、この仮想立体映像中の支保工位置に重ね合
せるように実際の支保工７を移動させ、支保工７を正確
な位置に容易かつ迅速に建て込んで設置することができ
る。

【００３９】図６（ａ）は覆工コンクリート工事までの
工程が完了し、２次覆工の出来形検査を行う検査員がト
ンネル内を移動している状態を示した縦断面である。図
６（ａ）に示した完成状態において、正確な寸法形状に
設定された２次覆工コンクリート８の仮想立体映像を現
実の覆工コンクリート９と重畳させて観察すると、実際
に打設された覆工コンクリート９とあらかじめ設計上設
定されていた覆工コンクリート８との形状や覆工厚の施
工誤差を確認することができる。このとき仮想立体映像
の覆工形状と現実の覆工との重なり部分８ａを比較する
ことにより、この正規の設計覆工断面に対して過大厚と
なった部分、過小厚となった部分、トンネル軸線とのず
れ等を直観して確認でき、出来形精度を迅速に確認する
ことができる。また、この方法による出来形検査では、
従来所定の距離程ごとにしか行っていなかった出来形検
査をトンネル縦断方向に歩きながら全長にわたって実施
することができるようになるという効果がある。

【００４０】次に、現場の計測データを収集し、その計
測データをもとにして解析した結果を所定の仮想立体映
像として生成し、この仮想立体映像を現場作業者ＷのＳ
ＴＨＭＤを介して実際に見える視野内の実像に重ねて表
示し、現場位置での迅速な安全確認や地質構造推定等を
行えるようにした実施の形態について図７を参照して説
明する。

【００４１】本システムでは、図７のシステム構成図に
示したように、前述した各種の解析を行うために種々の
計測データを収集し、そのデータを加工して入力データ
として解析部５０で行った解析結果を、施工支援情報デ
ータベース３２及び描画オブジェクト再構築部３４に取
り込み、所定の仮想立体映像として生成するようになっ
ている。

【００４２】以下、前述の施工例と同様に、トンネル建
設工事を例に説明する。トンネル現場で収集される計測
データとして代表的なものに以下がある。 (1)所定計測断面ごとに収集されるデータ ・内空変位量、天端沈下量、岩盤内の地中変位量、応力
変化量、支保部材（Ｈ形鋼、吹付けコンクリート、ロッ
クボルト、ロックアンカー）のひずみ、応力、軸力 ・支保工の変状状況（Ｈ形鋼、ロックボルト、吹付けコ
ンクリート） (2)切羽面で収集されるデータ ・切羽観察記録（切羽の画像、岩質、風化変質程度、亀
裂の頻度・形態、湧水状況など） ・岩盤の亀裂の走向・傾斜情報 これらのうち、長さデータは各種測距儀、精密写真測
量、スチールテープ等により測定され、その他のデータ
はそれぞれ地中変位計、各種歪み計、応力計等の計測機
器を用いた計測が行われ、データロッガの入力装置を利
用して一定のフォーマットのデータとして記録媒体に収
集される。

【００４３】さらにこれらの収集された各データは、公
知の通信プロトコルに基づいて現場に近い事務所等のＰ
Ｃ等のデータ処理部に連続ないし所定タイミングで送信
される。このデータ処理部（プリプロセッサ部）におい
て、計測データは対象となる解析システムの入力データ
あるいはデータベースの蓄積項目としてのデータフォー
マットに加工される。また前述した精密写真測量におい
て収集されたディジタル画像は所定の方法で画像処理を
行うことで写真座標を取得することができる。この写真
座標を仮想立体画像の基礎データとして有効である。

【００４４】特に、前述した「３次元地質分析システ
ム」では図８に示したようにトンネル縦断方向に関して
複数の断面データから連続した平面図、側面図が得られ
るが、さらに、これらの地質構造を、本発明の仮想立体
映像として生成して実際の視野に重ね合わせることがで
きる。これにより、切羽では平面的にしか確認できない
破砕帯、断層等の規模、走向傾斜等を図９（ａ）、
（ｂ）に示したように、視認方向Ａ，Ｂ（図８参照）の
それぞれの方向において、作業者Ｗはトンネル切羽より
奥方の地質の変化を含めて立体的に把握することができ
る。これにより、切羽の進行に伴って適用される各種の
補助工法の適切な選定に活用することができる。

【００４５】また、本実施の形態の逆解析システムで
は、現場事務所に設置されたＰＣにインストール可能な
程度の容量のシステムを想定している。このＰＣ上の逆
解析システムの入力データとして内空変位計測データを
加工したものを用いている。通常、この種の逆解析シス
テムでは対象断面の解析モデルをあらかじめ作成してお
き、この解析モデルに計測データを入力し、解析を行
う。この解析により周辺地山（岩盤）弾性係数、初期地
圧、ポアソン比を同定して、この同定物性値を用いて次
段階の掘削に伴う地山や支保部材の変位・応力予測が行
える。したがって、トンネル天端、側壁の変位を仮想立
体映像として生成し、実際の視野上に重ね合わせること
により、ビジュアルにトンネル内空変位を確認すること
ができる。

【００４６】逆解析結果を用いた予測解析は、周辺地山
のひずみ分布や支保部材の応力も精度良く予測できる。
これらのひずみ分布や支保部材の応力分布と、所定の計
測管理基準値（ひずみや応力度など）と比較し、計測管
理基準値を超えた値が生じた領域等を映像として実現場
の映像と重ね合わせることができる。図１０は仮想立体
映像として地山内に仮想の設計ロックボルトＢを映し出
し、そのときボルトＢの支保作用が効いた状態でのトン
ネル地山側での支保部材の応力分布がコンター形状Ｃで
模式表示されている。これにより、作業者Ｗは地山のど
の部分が実際に許容値内にあるかどうか等を視覚的に判
断することができる。

【００４７】また、対策工選定ファジーエキスパートシ
ステムでは、現場から得られた地質、各種計測データ、
切羽画像データや切羽観察記録をデータベース内の蓄積
データと照合して必要に応じて適切な対策工を選定する
ことができる。選定された対策工は、推奨された規模、
範囲を実現場の座標、形状データに合わせて仮想空間映
像として再構築させ、作業員が視認した現場の景色と重
ね合わせることができ、視覚的にその対策工の規模等を
確認できるとともに、施工時のガイドとして施工の迅速
化、精度向上を図ることができる。

【００４８】さらに、キーブロック解析の結果、潜在的
に滑り出す危険性をもっている岩石ブロック（キーブロ
ック）の位置、規模が確認された場合でも、キーブロッ
クは地盤内に存在しているため実際には見ることができ
ない。そこでその位置、規模を仮想立体映像として再構
築し、作業員の視認している範囲にその映像を重ね合わ
せてやることで、実施工では、きわめて特定しにくいキ
ーブロックの位置や補強工の方向などが容易に判断する
ことが可能になる。特に、ドーム状（半球状）空洞など
の場合には通常のトンネルとは異なり、掘削の方向が常
に変化するため、キーブロック位置が特定しにくい。こ
のような場合にその効果は一層大きい。

【００４９】これらの逆解析、キーブロック解析の結果
は従来、２次元ないし３次元出力結果として図化してい
た。本発明では、これらの解析結果データに作業者の視
点座標データを盛り込み、仮想立体画像として生成して
いる。これらの画像データはたとえば必要に応じて座標
変換プログラムでＤＸＦファイル等の画像ファイルに変
換する。そして作業者の視点座標を取り込んだオブジェ
クトとして生成し、ＳＴＨＭＤにシースルー表示させ、
作業者の視野内に情報を重ね合わせる。

【００５０】表示映像は通常、３次元データとして立体
的に表示されるが、所定地山断面での内空変位、歪み等
はデータの簡略化を図り、２次元表示することで見やす
くしてもよい。なお、３次元的な地質構造の表示に関し
ては、作業者が切羽を見た視野内の切羽前方だけでな
く、トンネル全線にわたる表示も可能である。さらにフ
ァジーエキスパートシステムで選定された各種補助工
法、たとえば増しボルト、増し吹付けコンクリート、鏡
吹付けコンクリート、先受け工等は選定部材データ、施
工ピッチ、施工範囲等を考慮した仮想映像を生成するよ
うにし、現状地盤に補助工法を付加した状態を視覚的に
確認することができる。

【００５１】以上の説明では、トンネル工事を例に挙
げ、各工程において本発明のシステムを適用した施工例
について説明したが、この他対象となる工事としては狭
い場所での複雑な空間設定を行うものや、土工事におけ
る切土、盛土等の形状等を確認したり、また掘削仮設工
事においてその掘削状態や支保工の組立情報等を与える
ことにより山留め工事を迅速に行うことも可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上に述べたように、建設工事において
現実空間に重ね合わせて映し出された仮想立体映像を利
用して、対象とする現場に即した計測データの解析結果
情報、施工管理情報等を提供し、施工の迅速化、合理
化、安全性の向上という効果を奏する。

【００５３】また、１次元線情報あるいは２次元面情報
であった計測データ及び解析結果を、本発明において３
次元化し、さらに作業者の視覚情報を重ね合わせた立体
映像として可視化することによって、補強工法の範囲や
縫返し区間等を具体的に判定しやすくなるという効果も
期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による仮想現実感を利用した施工支援情
報システムの一実施の形態を示した概略システム構成
図。

【図２】本発明の施工支援情報システムのうち、映像デ
ータ変換部の一実施の形態を示した概略システム構成
図。

【図３】作業者の位置情報を得るためのシステム構成の
一実施の形態を示した模式説明図。

【図４】本システムをトンネル建設工事における発破孔
削孔作業に適用した実施の形態を示した模式状態図。

【図５】本システムをトンネル建設工事における支保工
建て込み作業に適用した実施の形態を示した模式状態
図。

【図６】本システムをトンネル建設工事における覆工出
来形検査に適用した実施の形態を示した模式状態図。

【図７】本発明による仮想現実感を利用した施工支援情
報システムの他の実施の形態を示した概略システム構成
図。

【図８】３次元地質分析システムの解析結果例を示した
模式説明図。

【図９】図８に示したデータをトンネル建設工事におけ
る切羽観察データとして適用した実施の形態を示した模
式状態図。

【図１０】設計ロックボルトによる地山内応力分布状態
を示した模式状態図。

【符号の説明】

１０ シースルーヘッドマウンテッドディスプレイ（Ｓ
ＴＨＭＤ） １１ ゴーグル １２ 映像表示装置 １５ 映像信号受信部 ２１ 視点位置検出手段 ２３ 視点姿勢検出手段 ３１ 映像切替コントローラ ３２ 施工支援情報データベース蓄積部 ３３ 画像データ変換部 ４０ 映像データ変換部 ４３ 映像信号転送部 ５０ 解析部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中原 博隆 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 (72)発明者 松元 和伸 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 (72)発明者 筒井 雅行 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作業者の視点位置を得る視点位置検出手段
   と、作業者の視点姿勢を得る視点姿勢検出手段と、装着
   したゴーグルを介して観察対象となる外界の現実空間を
   視野内に捉えるために、前記外界からの入射光を透過す
   る一方、装備された表示素子に表示された映像情報が、
   内蔵光学系を介して投影される半透過面を有する映像表
   示手段と、前記観察対象となる現実空間に施工される構
   造体の形状を３次元形状データから生成した描画オブジ
   ェクトを蓄積した施工支援情報データベース蓄積部と、
   前記視点位置検出手段と視点姿勢検出手段とから求めら
   れた前記作業者の位置情報及び前記作業者の移動に伴っ
   て変化した位置情報に基づいて、前記観察対象となる現
   実空間の既定座標に前記描画オブジェクトを重畳させる
   ために逐次前記描画オブジェクトを再構築する描画オブ
   ジェクト再構築部と、前記再構築された描画オブジェク
   トの画像データを前記映像表示手段に搭載された表示素
   子に表示可能な映像情報信号に変換する映像信号変換部
   と、前記映像表示手段に装備された映像信号受信部に前
   記映像情報信号を転送する映像信号転送部とから構成さ
   れたことを特徴とする仮想現実感を利用した施工支援情
   報システム。
2. 【請求項２】作業者の視点位置を得る視点位置検出手段
   と、作業者の視点姿勢を得る視点姿勢検出手段と、装着
   したゴーグルを介して観察対象となる外界の現実空間を
   視野内に捉えるために、前記外界からの入射光を透過す
   る一方、装備された表示素子に表示された映像情報が、
   内蔵光学系を介して投影される半透過面を有する映像表
   示手段と、現場で収集され所定の通信手段で送信された
   計測データを入力値として用いて解析を行う解析部と、
   該解析部から返送された解析結果を加工し、前記視野内
   に投影可能な情報表示データとして生成された描画オブ
   ジェクトを蓄積した施工支援情報データベース蓄積部
   と、前記視点位置検出手段と視点姿勢検出手段とから求
   められた前記作業者の位置情報及び前記作業者の移動に
   伴って変化した位置情報に基づいて、前記観察対象とな
   る現実空間の既定座標に前記描画オブジェクトを重畳さ
   せるために逐次前記描画オブジェクトを再構築する描画
   オブジェクト再構築部と、前記再構築された描画オブジ
   ェクトの画像データを前記映像表示手段に搭載された表
   示素子に表示可能な映像情報信号に変換する映像信号変
   換部と、前記映像表示手段に装備された映像信号受信部
   に前記映像情報信号を転送する映像信号転送部とから構
   成されたことを特徴とする仮想現実感を利用した施工支
   援情報システム。
3. 【請求項３】前記施工支援情報データベース蓄積部は、
   前記描画オブジェクトが、所定のメニューに対応したイ
   ンデックスを付与して蓄積され、前記作業者が手元の映
   像切替手段の操作により前記インデックスを選択して前
   記映像表示手段に投影される映像情報を変更するように
   したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
   仮想現実感を利用した施工支援情報システム。
4. 【請求項４】前記解析部は、逆解析システムであること
   を特徴とする請求項２記載の仮想現実感を利用した施工
   支援情報システム。
5. 【請求項５】前記解析部は、３次元地質分析システムで
   あり、該システムの断面データを連続した画像データと
   して生成し、前記施工支援情報データベースに蓄積させ
   たことを特徴とする請求項２記載の仮想現実感を利用し
   た施工支援情報システム。
6. 【請求項６】前記解析部は、対策工選定エキスパートシ
   ステムであり、該システムに蓄積された所定の対策工情
   報が選択された段階で、画像データとして生成されるよ
   うにしたことを特徴とする請求項２記載の仮想現実感を
   利用した施工支援情報システム。
7. 【請求項７】前記解析部は、キーブロック解析システム
   であり、該システムで求められたキーブロックの形状及
   び／または規模が、画像データとして生成されるように
   したことを特徴とする請求項２記載の仮想現実感を利用
   した施工支援情報システム。