JP2000221902A - 広視野角表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所望の視野角を得ることができ、没入感・臨
場感の良好な広視野角表示装置を提供すること 【構成】 スクリーン１０の裏面側に液晶プロジェクタ
１１を配置し、その裏面側より所定の映像を投影する。
スクリーンの表示面は、その中央が奥側に下がった円筒
面（中心角１２０度）となり、プロジェクタで表示する
画像データは、グラフィックワークステーション１３に
より与えられる。このグラフィックワークステーション
では、周縁部の寸法が縮小されるように歪ませた映像を
出力するようになり、これにより、液晶プロジェクタか
ら照射されスクリーンに投影されるまでの歪み及び円筒
面の映像を操作者の視点位置から見たときの歪みが打ち
消され、操作者の視点位置から歪みない映像に見える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広視野角表示装置に関
するもので、より具体的には、バーチャルリアリティシ
ステムを実現するために用いられる没入感・臨場感のあ
る表示装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】バーチャルリアリティシステムを実現す
るために用いられる表示装置としては、使用者が表示装
置に表示された仮想空間（映像空間）内に自分自身があ
たかも存在している（入り込んでいる）と感じることの
できる没入感・臨場感を発生させる必要がある。そし
て、係る没入感・臨場感を得るためには、視野角が重要
な要素を占めており、視野角（両眼）が１２０度以上に
なる映像空間を形成する必要がある。

【０００３】そこで、係る条件を満足する視野角の広い
表示装置としては、表示領域の大きな大画面のスクリー
ンを用いることが考えられる。しかし、１枚の大画面ス
クリーンにプロジェクタ等を用いて拡大表示しようとす
ると、画素密度が低下して画質が劣化するため、臨場感
に欠けるものとなり、実用に供し得なくなる。

【０００４】なお、映画などのように映写フィルムをス
クリーン上に表示するようにしたものでは、フィルム幅
の広い特殊な映写フィルム・装置を用いることにより、
画質を劣化させることなく表示できるが、バーチャルリ
アリティシステムの場合には、インタラクティブに対応
させる必要があるので、映写フィルムを連続再生のみす
る上記のものは使用できない。

【０００５】そこで、係る１つの画面を分割して複数の
プロジェクタで表示するようにしたマルチプロジェクタ
方式の適用が考えられる。この方式は、画素が粗くなる
ことを防止でき、大画面に所望の解像度でもって画像を
表示できるという特徴を有する。しかし、１つの大画面
で視野角の広い画像を表示すると、周辺部で歪みが生じ
てしまう。さらには、１つの大画面で所望の視野角を得
るためには、横幅が非常に大きくならざるを得ず、装置
の大型化を招く。さらには、複数のプロジェクタを必要
とするため、係る点からも装置が大型化し、しかも、複
数のプロジェクタを同期しながらスクリーン上の各位置
に投影するため、その制御も煩雑である。

【０００６】また、半球状のドーム型スクリーンに複数
のプロジェクタまたは特殊なレンズを組み込んだ１つの
プロジェクタを使用して投影するドームスクリーン方式
がある。しかしながら、係るドームスクリーン方式で
は、スクリーンが特殊な球面状となるとともに、特殊な
レンズを使用しなければならず、製造が煩雑で、コスト
高ともなる。さらには、複数のプロジェクタを用いた場
合には、上記した装置の大型化並びに制御の煩雑化と同
様の問題を生じる。さらに、複数のプロジェクタを用い
る場合には、各プロジェクタの照射位置を精度よく設定
し、また、各プロジェクタを同期をとりながら投影・照
射を続行するため、その制御も煩雑となる。

【０００７】また、スクリーンをみても特殊形状とした
り、平面鏡を所定角度で複数設置することは、装置全体
の大型化を招くばかりでなく、その組立工程で隣接する
スクリーンの位置・角度を調整する必要があり、煩雑で
ある。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、所望の視野角を得ることができ、しかも、１つのス
クリーンと１つの出力装置（プロジェクタ）でもって、
没入感・臨場感を良好とすることができ、安易かつ小型
化を図ることのできる広視野角表示装置を提供するもの
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る広視野角表示装置では、スクリーン
と、そのスクリーンに対して、所定の映像を投影する投
影手段（実施の形態では、「液晶プロジェクタ１１」に
対応）と、その投影手段に対し、照射する映像を与える
画像処理装置（実施の形態では、「グラフィックスワー
クステーション１３」に対応）とを備え、前記スクリー
ンの表示面は、その中央が奥側に下がった円筒面とを有
する。そして、前記投影手段は、前記スクリーンに対し
その裏面から映像を照射するようにし、前記画像処理装
置は、周縁部の寸法が縮小されるように歪ませた映像を
前記投影手段に与える機能を持つように構成した（請求
項１）。

【００１０】円筒面スクリーンに対し、通常の映像（平
面スクリーン用）を裏面側からプロジェクタで投影し正
面側から見ると、映像に歪みが発生する。これは、プロ
ジェクタから円筒面に投影したときの歪み及び円筒面の
映像を操作者の視点位置から見たときの歪みを合わせた
ものである。

【００１１】まず、プロジェクタから円筒面に投影した
ときの歪みについては、平面スクリーンの場合と比較し
てスクリーンの周縁（両側縁）の方が遠いので拡大され
るため、出力された映像に比べ外側が広がるように歪ん
だ映像がスクリーン上に投影される。

【００１２】次に、円筒面の映像を操作者の視点位置か
ら見たときの歪みについては、平面スクリーンの場合と
比較してスクリーンの周縁（両側縁）の方が近いので、
操作者の視点位置から見たスクリーン面の形は長方形で
はなく、外側が広がるように歪んだ形に見える。

【００１３】そこでこれらの歪みを考慮し、操作者の視
点位置から正しく見えるように通常の映像（平面スクリ
ーン用）を予めその逆に歪ませた映像を生成し、プロジ
ェクタで投影している。

【００１４】そして、スクリーンの円筒面の中心角を１
２０度以上にすると、映像を見る人が例えばスクリーン
の円筒面の中心付近に位置することにより、視野角１２
０度以上を実現することができる。よって、バーチャル
リアリティシステムを実現するために用いられる没入感
・臨場感のある表示装置となる。

【００１５】好ましくは、前記画像処理装置は、通常の
映像（平面スクリーン用）に対し、周縁部の寸法を縮小
するように歪ませる画像変換部を備え、その画像変換部
で変換した画像を出力することである（請求項２）。こ
のようにすると、表示する元となる映像を作成する場合
には、通常の映像（平面スクリーン用）を作成しておけ
ば、その画像を画像変換部で変換し、出力することでや
はり操作者の視点位置から歪みなく正しく映像を見るこ
とができる。

【００１６】さらに好ましくは、前記画像処理装置は、
入力手段（実施の形態では「ジョイスティック１５」に
対応）からの指示にしたがい、出力する映像を更新する
機能を有し、前記入力手段の操作者が、前記スクリーン
上に投影される仮想空間内を移動している感覚を生じる
バーチャルリアリティシステムを構築することである
（請求項３）。

【００１７】なお、本発明では、主として１人用の表示
装置、つまりスクリーンの前に操作者１人が位置し、例
えば入力手段を操作しながら投影された映像を見ること
により、その１人が没入感・臨場感を得ることができる
ものである。

【００１８】また、請求項１における画像処理装置が持
つ「周縁部の寸法が縮小されるように歪ませた映像を前
記投影手段に与える機能」は、請求項２で規定したよう
に、画像処理装置自体で画像を歪ませる画像変換部を持
っているものはもちろんのこと、係る歪ませる画像変換
部を持たずに、もともと歪ませた画像を記憶しておき、
それを読出して投影手段に与えるものも含む。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る広視野角表
示装置の外観図の一例を示している。そして、本形態の
表示装置は、一人用として用いるのに適している。同図
に示すように、１つのスクリーン１０と、そのスクリー
ン１０の背面から照射する１つの液晶プロジェクタ１１
と、液晶プロジェクタ１１に投影する所定の画像を制御
するグラフィックワークステーション１３と、そのグラ
フィックワークステーション１３に操作者からの命令を
与える入力するための入力装置たるジョイスティック１
５を有している。また、グラフィックワークステーショ
ン１３には、モニタ１４が接続されている。

【００２０】本形態では、バーチャルリアリティによる
運転・保安作業訓練を行うためのシステムに用いられ
る。すなわち、スクリーン１０上に、コンピュータグラ
フィックを用いて作成した作業空間を投影し、ジョイス
ティック１５を操作することにより、その作業空間内を
移動し（移動にともない投影する画像を変える）、その
移動順路を学習したり、作業空間内が実際にどのように
なっているかを認識したりすることに用いる。つまり、
巡視をイメージしたウォークスルーを実現することがで
きる。

【００２１】スクリーン１０は、液晶プロジェクタ１１
側、つまり、操作者から見て奥側に窪むようにして円筒
形の内周面を表示面としている。より具体的には、図２
に示すように前後が開口した筐体２０の前方開口部２１
にスクリーン板２２を貼り付けて固定している。このと
き、筐体２０の上下面の前端縁２０ａは、中心角１２０
度の円弧状に切除されている。よって、スクリーン板２
２も、その前端縁２０ａの円弧に沿って湾曲するため、
円筒型のスクリーンとなる。そして、その円弧の中心Ｐ
附近に操作者Ｍが位置してスクリーン１０を見るように
なる（図７参照）。

【００２２】さらに、スクリーン板２２は、光拡散用の
エンビ板（白色）２２ａと、表面反射防止用のアクリル
板２２ｂを備え、２枚を重ねることにより構成されてい
る。アクリル板２２ｂの方が前側（操作者側）に来るよ
うに位置する。そして、各板２２ａ，２２ｂの板厚は、
共に１ｍｍの薄い材料を用いた。これにより、前端縁２
０ａつまりスクリーン板２２のスクリーン面の半径ｒが
小さくても確実に破損させること無く湾曲させることが
できる。

【００２３】なお、スクリーン材として一般に用いられ
るソフトスクリーンの場合には、ｒが小さいと円筒面状
にピンとするのは難しく、また、ハードスクリーンの場
合には、そもそも小さい半径ｒに加工すること自体がで
きない。よって従来から用いられているスクリーン材を
使用することができず、上記のように新たな材料を使用
するようにした。

【００２４】一方、液晶プロジェクタ１１は、図示する
ようにスクリーン１０の背面側に位置させている。これ
により、たとえ操作者がスクリーン１０に近づいている
（中心Ｐ）場合でも、スクリーン１０の全面に画像を投
影することができる。このとき、液晶プロジェクタ１１
の設置位置は、図３に示すように配置している。これに
より、スクリーン板２２の全面に画像を投影することが
できる。さらに、スクリーン板２２の中央部と、周辺部
（長手方向両側縁部）とでは、投射角度に差があるの
で、画面全体で明るさのむらが少なくなるようにスクリ
ーンの指向性は弱くしている。

【００２５】また、グラフィックワークステーション１
３は、図４に示すように、投影すべき画像データを記憶
した画像データベース１３ａを有し、ジョイステック１
５から与えられる命令を受けた画像抽出部１３ｂが、そ
の画像データベース１３ａにアクセスし、表示すべき画
像を抽出し、画像変換部１３ｃに送る。そして、画像変
換部１３ｃでは、受け取った画像に対し変換テーブル１
３ｄを参照しながら画像変換を行い、強制的に周縁（特
に長手方向両側）を歪ませた画像を生成し、液晶プロジ
ェクタ１１に対して出力するようになっている。

【００２６】すなわち、円筒のスクリーン板２２に投影
した場合、通常の平面スクリーンに比べてスクリーン板
２２の水平方向両側縁に行くほど、液晶プロジェクタ１
１からの距離が遠くなる。よって、液晶プロジェクタ１
１から出射された映像は、光源から離れるほど広がって
いくので、通常の平面スクリーンに投影された映像より
も、両側縁に投影された映像の方が拡大された状態とな
る。そして、円筒の半径ｒが小さいとすると、係る広が
り（中央と両側縁での拡大率の差）が無視できなくな
る。

【００２７】すなわち、図５に示すように、液晶プロジ
ェクタ１１から同図（ｂ）に示すように格子状のパター
ンを出力した場合、スクリーン板２２上では同図（ａ）
に示すように表示される。＊円筒面の映像を操作者の視
点位置から見たときの歪みの説明一方、円筒面の映像を
操作者の視点位置から見たときの歪みについては、平面
スクリーンの場合と比較してスクリーンの周縁（両側
縁）の方が近いので、操作者の視点位置から見たスクリ
ーン面の形は長方形ではなく、外側が広がるように歪ん
だ形に見える。つまり、図６に示すように、スクリーン
板２２に格子状のパターンを表示した場合、操作者Ｍの
視点位置から見たパターンは同図（ｂ）に示すように歪
んだ形状となる。

【００２８】その結果、通常の映像（平面スクリーン
用）を、半径ｒの小さい円筒形のスクリーン板２２に投
影した映像を操作者の視点位置から見ると、その映像
は、上記２つの歪みが合成され、周縁に行くほど大きく
なるように歪んで見える。

【００２９】そこで、通常の映像（平面スクリーン用）
に対し、上記の歪みと逆特性の歪みをかけた映像を生成
し、その強制的に歪ませた映像を出力することで、その
生成した歪みと、液晶プロジェクタ１１から円筒面（ス
クリーン板２２）に投影したときの歪み及び円筒面（ス
クリーン板２２）の映像を操作者の視点位置から見たと
きの歪みを合わせたものとを相殺させ、スクリーン板２
２に投影された映像は、操作者の視点位置から見て元の
歪みの無い映像に見ることができる。

【００３０】すなわち、例えば図７中に示すような映
像（格子状）が存在する場合に、同図中に示すように
歪ませた状態で投影すると、スクリーン板２２上の映像
を操作者の視点位置から見ると、同図に示すようにも
とのきれいな格子状の映像となって見える。そして、
とに示すように、変換前後の座標の対応は一義的に決
まるので、係る対応関係のテーブルを作成し、変換テー
ブル１３ｄに格納しておき、変換処理部１３ｃでは、受
け取った画像の各座標値の画素データを変換テーブル１
３ｄに格納された変換テーブルにしたがって座標変換
し、得られた変換画像を出力するようになっている。こ
のようにテーブル参照式とすることにより、高速に変換
処理をすることができる。

【００３１】そして、具体的な映像の例を示すと、図８
（ａ）に示すような映像を画像変換部１３ｃにて変換す
ることにより同図（ｂ）に示すような周辺が歪んだ映像
となる。この同図（ｂ）に示す映像をスクリーン板２２
に投射して、操作者の視点位置から見ると、図８（ａ）
に示すような元の状態と等しい画像に見える。なお、本
形態では、モニタ１４には、歪ませる前の元の映像を出
力できるようになっている。そして、図８に示したの
は、１年に１回実施される定期点検期間の時以外立ち入
り禁止となっている原子炉上部ドライウェルを示してお
り、この作業空間内には、配管などが立体的に輻輳して
いる。

【００３２】作業空間内でのウォークスルー機能を発揮
するためのジョイスティック１５による操作（入力する
命令）は、図９に示すようにレバー１５を±ｚ軸方向に
倒すことにより前進／後退を行い、±ｘ軸方向に倒すこ
とにより左回転／右回転を行うようにしている。なお、
処理を簡単にするため、ｙ軸回りの回転はしないように
している。また、レバー１５ａの上方に設けたスイッチ
をオンにすることにより、±ｚ軸方向に倒すことによ
り、上昇下降時のチルトを行うようになっている。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明に係る広視野角表示
装置では、１２０度以上という所望の視野角を得ること
ができ、しかも、１つのスクリーンと１つの出力装置
（プロジェクタ）でもって、没入感・臨場感を良好とす
ることができる。その結果、安易かつ小型なシステム構
成でもって、バーチャルリアリティシステムを構築する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る広視野角表示装置の実施の形態の
一例を示す外観図である。

【図２】スクリーンの構造並びにそのスクリーンと液晶
プロジェクタとの関係を示す図である。

【図３】液晶プロジェクタとスクリーン（スクリーン
板）との相対位置関係を示す図である。

【図４】主として、グラフィックワークステーションの
内部構造を示す図である。

【図５】歪みの原理を説明する図（その１）である。

【図６】歪みの原理を説明する図（その２）である。

【図７】作用を説明する図である。

【図８】画像変換の具体例を示す図である。

【図９】ジョイスティックを示す図である。

【符号の説明】

１０ スクリーン １１ 液晶プロジェクタ（投影手段） １３ グラフィックワークステーション（画像処理装
置） １４ モニタ １５ ジョイスティック（入力手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甘利 治雄 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社システム研究所内 (72)発明者 中山 功 神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号 東京電力株式会社システム研究所内 Ｆターム(参考） 5C058 AA18 BA23 BA35 BB25 EA01 EA31 5G435 AA01 AA18 BB12 BB17 DD06 GG46 LL08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スクリーンと、 そのスクリーンに対して、所定の映像を投影する投影手
   段と、 その投影手段に対し、照射する映像を与える画像処理装
   置とを備え、 前記スクリーンの表示面は、その中央が奥側に下がった
   円筒面となり、 前記投影手段は、前記スクリーンに対しその裏面から映
   像を照射するようにし、 前記画像処理装置は、周縁部の寸法が縮小されるように
   歪ませた映像を前記投影手段に与える機能を持つことを
   特徴とする広視野角表示装置。
2. 【請求項２】 前記画像処理装置は、正常な映像に対
   し、周縁部の寸法を縮小するように歪ませる画像変換部
   を備え、その画像変換部で変換した画像を出力するもの
   である請求項１に記載の広視野角表示装置。
3. 【請求項３】 前記画像処理装置は、入力手段からの指
   示にしたがい、出力する映像を更新する機能を有し、 前記入力手段の操作者が、前記スクリーン上に投影され
   る仮想空間内を移動している感覚を生じるバーチャルリ
   アリティシステムを構築することのできる請求項１また
   は２に記載の広視野角表示装置。