JP2011257342A - ヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で誤差の累積を抑制することができるヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法を提供することにある。
【解決手段】頭部に装着される装着部と、装着部に配置され、角速度を検出する角速度検出器と、角速度検出器で検出した角速度の積分値に基づいて、装着部の姿勢角度を検出する姿勢検出部と、を有し、姿勢検出部は、姿勢角度が基準方向に対して角度閾値内の値であると判断したら、基準方向に対する角度偏差に基づいて角速度補正値を算出し、角速度検出器で検出した角速度を前記角速度補正値で補正する角速度補正処理を行い、前記姿勢角度を基準方向に収束させることで、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、動きを計測するヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法に関する。

バーチャルリアリティ技術や、車両、航空機などのシミュレータなどの装置には、画像を表示させること、動作を検出すること等を目的として、頭部の動きや姿勢を計測する装置を用いることがある。

例えば、特許文献１には、バーチャルリアリティに適した視覚装置として、身体の動きとして頭の動きを感知するセンサに、小型軽量を特徴とするジャイロセンサを組み込むことにより、眼鏡型あるいはゴーグル型のようなありふれた形状のものにすることができる視覚装置が記載されている。

また、特許文献２には、移動体に搭乗する使用者の頭部に装着され、使用者の目の前に配置される表示画面を有する表示手段と、使用者の頭部に取付けられ、頭部の動きを検出する頭部センサと、頭部センサの検出出力に基づいて使用者の頭の向きを算出し、この頭の向きに応じた表示画像を算出し、前記表示画面に表示する制御手段とを備えるヘッドマウントディスプレイ装置が記載されている。また、特許文献２に記載のヘッドマウントディスプレイ装置は、移動体に取付けられ、移動体の動きを検出する移動体センサを有し、前記制御手段は、頭部センサの検出出力と移動体センサの検出出力との差分に基づいて頭の向きを算出すること、頭の向きの基準となる向きを記憶しておき、制御手段に基準信号が入力されると、制御手段は、頭部センサおよび移動体センサに基づいて算出した頭の向きを、基準となる向きに置き換えることが記載されている。

また、回転角を検知する装置としては、特許文献３に、回転体における所定の軸線回りの角速度に対応した角速度信号を取得して角度信号を出力する信号処理部を含んで回転角検知装置を構成することが記載されている。信号処理部は、オフセット補正された角速度信号の高周波成分をハイパスフィルタで抽出し、抽出した高周波成分を当該角速度信号から減算することにより当該角速度信号に含まれる低周波成分を求める。そして、この低周波成分を不感帯処理部に入力して低周波ノイズ成分を除去した後、上記高周波成分と加算合成し、積分回路に送って角度信号を得ることが記載されている。

特開平６−７８２４８号公報 特許第３４０３３６１号公報 特開平１０−２５３３６０号公報

しかしながら、ヘッドトラッキング装置では、角度変化を検出し続けると、検出値の誤差が累積し、実際に向いている角度と、検出値の角度とがずれていくことがある。これに対して、特許文献２では、基準位置に移動したら、ユーザが押しボタン等を押すことによって位置を特定することで、位置ずれの発生を抑制する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、位置を補正するタイミングをユーザが毎回入力する必要があり、操作が複雑、煩雑となる。また、特許文献２では，基準位置を検出するセンサを配置する方法が記載されている。しかしながら、この方法ではヘッドトラッキング装置の使用場所が限定されてしまい、例えば移動しながら使用するような用途には適用することができない。

また、特許文献３に記載の装置は、検出した信号の周波数成分を分けたり、種々の演算を行ったりするため、信号処理が複雑になる。また、特許文献３に記載されている装置は、ドリフト成分により発生する誤差を一定程度、低減することはできるが、感度変化による誤差の累積を抑制することは困難である。つまり、感度変化によって発生した誤差を補正することは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で誤差の累積を抑制することができるヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の発明は、頭部の姿勢を検出するヘッドトラッキング装置であって、頭部に装着される装着部と、前記装着部に配置され、角速度を検出する角速度検出器と、前記角速度検出器で検出した角速度の積分値に基づいて、前記装着部の姿勢角度を検出する姿勢検出部と、を有し、前記姿勢検出部は、前記姿勢角度が基準方向に対して角度閾値内の値であると判断したら、前記基準方向に対する角度偏差に基づいて角速度補正値を算出し、前記角速度検出器で検出した角速度を前記角速度補正値で補正する角速度補正処理を行い、前記姿勢角度を基準方向に収束させることを特徴とする。

ヘッドトラッキング装置は、上記構成により、簡単な構成で誤差の累積を抑制することができる。具体的には、利用者が操作を入力しなくても、頭部が基準方向の近傍に向くことで、姿勢角度を基準方向に収束させることができるため、簡単に誤差を補正することができる。また、基準方向に移動する毎に誤差を補正できるため、誤差の累積も抑制することができる。

ここで、前記角度閾値は、１０°以下であることが好ましい。これにより、基準方向から一定角度以上離れた領域で角速度が補正されることを抑制することができ、実際の姿勢角度に対して、測定した姿勢角度が小さくなりすぎることを抑制することができる。

また、前記姿勢検出部は、前記姿勢角度が前記角度閾値内であり、かつ、前記角速度検出器で検出した角速度が角速度閾値以下であると判定したら、前記角速度補正処理を実行することが好ましい。これにより、利用者が積極的に頭部を移動させている場合は、角速度を補正しないようにすることができる。

また、前記角速度閾値は、５°／ｓ以上１０°／ｓ以下であることが好ましい。これにより、利用者が積極的に頭部を移動させている場合は、角速度を補正しないようにすることができ、かつ、ノイズや、わずかな揺れによって、角度が変化することを抑制することができる。

また、前記姿勢検出部は、前記角速度補正処理で、前記角速度補正値に応じて、作用させるドリフト補正値及び角速度変換係数の少なくとも一方を動的に変化させて、前記姿勢角度を算出することが好ましい。これにより、角速度補正処理による補正前に算出される値と実際の値との誤差を低減することができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第２の発明は、頭部に対して装着された装着部に配置された角速度検出器で検出された角速度に基づいて、頭部の姿勢を検出するヘッドトラッキング方法であって、角速度検出器で検出した角速度の積分値に基づいて、前記装着部の姿勢角度を検出し、前記姿勢角度が基準方向に対して角度閾値内の値であると判断したら、基準方向に対する角度偏差に基づいて角速度補正値を算出し、前記角速度検出器で検出した角速度を前記角速度補正値で補正する角速度補正処理を行い、前記姿勢角度を基準方向に収束させることを特徴とする。

ヘッドトラッキング方法は、上記構成により、簡単な構成で誤差の累積を抑制することができる。具体的には、利用者が操作を入力しなくても、頭部が基準方向の近傍に向くことで、姿勢角度を基準方向に収束させることができるため、簡単に誤差を補正することができる。また、基準方向に移動する毎に誤差を補正できるため、誤差の累積も抑制することができる。

本発明にかかるヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法は、簡単な構成で誤差の累積を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、ヘッドトラッキング装置を備える画像表示システムの一例の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す信号処理装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、偏差と角度補正値との関係の一例を示すグラフである。 図４は、角度計測の一例を示すグラフである。 図５は、ヘッドトラッキング装置の制御の一例を説明するための説明図である。 図６は、ヘッドトラッキング装置の計測の結果の一例を示すグラフである。 図７は、従来のヘッドトラッキング装置の計測の結果の一例を示すグラフである。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

以下に、本発明にかかるヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、以下では、ヘッドトラッキング装置を画像表示システムに用いる場合として説明するが、ヘッドトラッキング装置は、種々の用途に用いることができる。

図１は、ヘッドトラッキング装置を備える画像表示システムの一例の概略構成を示すブロック図である。また、図２は、図１に示す信号処理装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す画像表示システム１０は、頭部装着装置１２と、制御装置１４と、遠隔カメラ制御装置１６と、頭部装着装置１２の姿勢を検出する装置であるヘッドトラッキング装置１７とを有する。ここで、ヘッドトラッキング装置１７は、ジャイロセンサ３６と、信号処理装置３８とを有する。ジャイロセンサ３６は、頭部装着装置１２に配置され、信号処理装置３８は、制御装置１４内に配置される。

頭部装着装置１２は、ゴーグル、サングラス、ヘルメット等、利用者の頭部に装着される装置であり、ヘッドマウントディスプレイ２０とジャイロセンサ３６が配置されている。ヘッドマウントディスプレイ２０は、頭部装着装置１２を装着している利用者の視野に画像を表示させる画像表示装置である。ヘッドマウントディスプレイ２０は、視野の全域に画像を表示させるようにしても、一部のみ、例えば片目のみに画像を表示させるようにしてもよい。さらに、ヘッドマウントディスプレイ２０は画像表示領域を透明にして、利用者の周囲の風景が見えるようにしても、画像表示領域を不透明にして表示させる画像のみが見えるようにしてもよい。ジャイロセンサ３６は、頭部に装着される装置の一部に設けられていればよい。なお、ジャイロセンサ３６については、詳細は後述する。

制御装置１４は、無線カメラ受信装置２２と、無線通信装置２６と、信号処理装置３８と、を有する。無線カメラ受信装置２２は、遠隔カメラ制御装置１６から送られる画像を受信し、ヘッドマウントディスプレイ２０に送る装置である。無線通信装置２６は、信号処理装置３８で処理された頭部装着装置１２の姿勢情報を受信し、遠隔カメラ制御装置１６に送る。

遠隔カメラ制御装置１６は、無線カメラ２８と、無線通信装置３０と、信号処理装置３２と、サーボモータ３４と、を有する。なお、遠隔カメラ制御装置１６は、頭部装着装置１２及び制御装置１４とは離れた位置に配置されている。なお、遠隔カメラ制御装置１６と、頭部装着装置１２及び制御装置１４との距離は特に限定されず、通信可能であればよい。また、無線通信に限定されず、電話通信回線やインターネット等により、通信の一部、またはすべてを有線で行なうようにしてもよい。これは、無線カメラの通信についても同様である。

無線カメラ２８は、画像を撮影する撮影装置である。なお、無線カメラ２８は、動画を撮影する撮影装置とすることが好ましいが、静止画を撮影する装置であってもよい。無線カメラ２８は、撮影した画像を、無線通信を介して、無線カメラ受信装置２２に送る。

無線通信装置３０は、無線通信装置２６と情報の送受信を行う装置であり、無線通信装置２６からヘッドトラッキング装置１７で検出した頭部装着装置１２の姿勢情報を受信する。無線通信装置３０は、受信した姿勢情報を信号処理装置３２に送る。

信号処理装置３２は、サーボモータ３４の駆動を制御する装置であり、無線通信装置３０を介して受信した姿勢情報に基づいて、サーボモータ３４を駆動させる。サーボモータ３４は、無線カメラ２８の姿勢を制御する駆動機構である。サーボモータ３４は、信号処理装置３２の制御に基づいて、無線カメラ２８の向きを上下左右方向に変化させたり、回転させたりする。

画像表示システム１０は、以上のような構成であり、頭部装着装置１２の動きをヘッドトラッキング装置１７で検出し、その動きに合わせて遠隔カメラ制御装置１６で画像を取得する方向を決定し、遠隔カメラ制御装置１６で取得した画像を頭部装着装置１２に表示させるシステムである。具体的には、画像表示システム１０は、ヘッドトラッキング装置１７で、頭部装着装置１２の姿勢を検出し、検出した頭部装着装置１２の姿勢情報を、無線通信装置２６、３０を介して、信号処理装置３２に送る。信号処理装置３２は、検出した頭部装着装置１２の姿勢情報にあわせて、サーボモータ３４を駆動させ、無線カメラ２８の姿勢を調整する。無線カメラ２８は、取得した情報を、無線カメラ受信装置２２を介して、ヘッドマウントディスプレイ２０に送る。ヘッドマウントディスプレイ２０は、送られてきた画像を表示領域に表示させる。これにより、利用者は、ヘッドマウントディスプレイ２０を見ながら、見たい方向に体または頭を移動させると、ヘッドトラッキング装置１７がその移動を検出し、その移動に基づいて、無線カメラ２８が画像を取得する姿勢を変化させる。これにより、利用者は、見たい方向の画像を簡単に見ることができる。

次に、頭部装着装置１２の姿勢情報を検出するヘッドトラッキング装置１７について、説明する。ヘッドトラッキング装置１７は、上述したように、ジャイロセンサ３６と、信号処理装置３８とを有する。また、ヘッドトラッキング装置１７には、頭部装着装置１２の頭部に装着する部材（サングラス、ヘルメット等）も含まれる。

ジャイロセンサ３６は、互いに直交する３軸方向の角速度を検出するセンサであり、頭部装着装置１２に装着されている。ジャイロセンサ３６としては、種々の角速度検出器を用いることができ、例えば、角速度に応じた電圧を出力する圧電振動型の角速度検出器を用いることができる。なお、ジャイロセンサ３６には、装置を小型化できるため、圧電振動型の角速度検出器を用いることが好ましい。なお、ジャイロセンサ３６は、各軸方向の回転軸から離れた位置（例えば、首の付け根）から一定距離離れた位置に配置することが好ましい。

また、ジャイロセンサ３６は、３軸方向として、頭部の姿勢に対して直交する３軸、左右の首振り方向（ヨー軸）、上下首振り方向（ピッチ軸）、左右傾き方向（ロール軸）周りの角速度を検出することが好ましい。３軸方向をこの方向とすることで、姿勢をより好適に検出することができる。

次に、信号処理装置３８は、ジャイロセンサ３６から送られる３軸方向における角速度情報から姿勢（各方向における角度）を算出する装置であり、ＡＤ変換処理部４０と、ドリフト補正部４２と、角速度変換部４４と、基準方向補正部４６と、積分処理部４８とを有する。

ＡＤ変換処理部４０は、ジャイロセンサ３６から送られている角速度情報をアナログ電圧からデジタルデータに変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器である。ＡＤ変換処理部４０は、デジタルデータに変換した電圧のデジタルデータを角速度変換部４４に送る。

ドリフト補正部４２は、ＡＤ変換処理部４０から角速度変換部４４に送られる電圧のデジタルデータから、ドリフト補正部４２において定められたドリフト値を減算する。これにより、電圧値のデジタルデータからオフセット電圧成分が除去された補正電圧デジタルデータが求められ、角速度変換部４４に送られる。

ここで、ドリフト補正部４２は、種々のドリフト値を補正することができる。例えば、ドリフト補正部４２は、ジャイロセンサ３６が個体毎に別々の値で備えているオフセット電圧をドリフト値として除去してもよい。この場合は、ドリフト補正部４２は、各ジャイロセンサ３７に対応するオフセット電圧をドリフト推定値として記憶しておくことで、補正（除去）することができる。ドリフト補正部４２は、さらに、温度センサによりジャイロセンサ３６付近の温度を検出し、検出した温度に基づいて算出されるオフセット電圧の変化を加味して、補正を行うようにしてもよい。つまり、温度によって値が変化するオフセット電圧に対して温度補正を行うようにしてもよい。

また、ドリフト補正部４２は、角速度データが閾値以下の場合、より具体的には、角速度データがドリフト推定値に対して閾値の範囲内にある場合、角速度データが０となるように、補正するようにしてもよい。つまり、角速度データが一定値以下の場合、ジャイロセンサ３６は、静止しているとみなす、不感帯処理を行うようにしてもよい。また、ドリフト補正部４２は、角速度データが一定の範囲内にある場合、角速度データとドリフト推定値との偏差をオフセット電圧の変化とみなして、ドリフト推定値を更新してもよい。なお、ドリフト補正部４２は、これら全ての補正を行ってもよいし、一部の補正のみを行ってもよい。

次に、角速度変換部４４は、ドリフト補正部４２から出力された補正電圧デジタルデータを、物理量である角速度の数値データに変換する。つまり、角速度変換部４４では、補正電圧デジタルデータに対して、予め設定されている係数を乗じることで、角速度の数値データに変換する。角速度変換部４４は、変換した角速度の数値データを積分処理部４８に送る。

基準方向補正部４６は、積分処理部４８で算出された姿勢角度に基づいて、角速度データ（角速度の数値データ）を補正する補正部である。ここで、積分処理部４８は、供給された角速度データを積分することで、姿勢角度を算出する。つまり、基準方向補正部４６は、積分処理部４８で算出された姿勢角度を用いて、フィードバック制御を行う。積分処理部４８は、算出した姿勢角度のデータを上述したように、無線通信部２６に送る。

次に、図３を用いて、基準方向補正部４６について詳細に説明する。基準方向補正部４６は、積分処理部４８で算出された姿勢角度、及び、予め設定されている姿勢角度と角速度補正値との関係に基づいて、角速度データを補正する。予め設定されている姿勢角度と角速度補正値との関係とは、図３に示すような関係である。ここで、図３は、偏差と角度補正値との関係の一例を示すグラフである。図３は、縦軸が角速度補正値であり、横軸が基準方向からの角度偏差である。なお、基準方向からの角度偏差とは、算出された姿勢角度の基準方向からの角度偏差である。ここで、基準方向は、任意の方向に設定することができ、例えば、頭部装着装置１２が正面を向いている方向を基準方向とすることができる。図３に示すように、基準方向補正部４６は、姿勢角度の基準方向からの角度偏差が一定の範囲、本実施形態では、角度偏差θが−θ_０≦θ≦θ_０の範囲にある場合、補正値として所定の角速度が設定されている。ここで、角度偏差と角速度の補正値とは、−θ_０≦θ≦θ_０の範囲で比例関係となっている。また、角度偏差θがθ＜−θ_０または、θ_０＜θの範囲の範囲にある場合、補正値は、０と設定されている。つまり、基準方向に対する角度偏差がθ_０よりも大きい場合は、補正を行わない設定となっている。

基準方向補正部４６は、図３に設定されている関係に基づいて角速度補正値を決定し、角速度変換部４４から送られてくる角速度データから角速度補正値を減算する。このように、基準方向補正部４６は、姿勢角度の基準方向からの角度偏差が一定の範囲にある場合、姿勢角度と基準方向との差が０となるフィードバック制御を行う。

ヘッドトラッキング装置１７、及び、ヘッドトラッキング装置１７を有する画像表示システム１０は、上述のような構成であり、ジャイロセンサ３６の検出結果に基づいて、頭部装着装置１２の基準方向に対する角度偏差が閾値内である場合は、角速度を補正することにより、姿勢角度を基準方向に収束させることができる。これにより、誤差の累積が発生することを抑制することができ、頭部装着装置１２が実際に向いている方向と、ジャイロセンサが検出している方向とのずれが累積することを抑制することができる。

以下、図４及び図５を用いてより詳細に説明する。図４は、角度計測の一例を示すグラフである。図５は、ヘッドトラッキング装置の制御の一例を説明するための説明図である。なお、図４は、角速度補正を行わない場合の例であり、図５は、角速度補正を行う場合の例である。

図４には、利用者の頭部（頭部装着装置）を基準方向に向けている状態から一方向に頭部を振り（頭の向きを移動させ）、頭部の向きを基準方向から一定角度ずれた向きとし、その後、反対方向に頭部を振り、頭部が基準方向を向いている状態に戻す動きを行う場合の頭部の動きと、計測値との一例を示す。なお、基準方向を０°としている。ヘッドトラッキング装置１７の基準方向補正部４６を用いずに検出した場合、計測値は、図４中実線で示すように、実際の動きに対して、一定角度ずれて検出されることがある。なお、ジャイロセンサ３６は、絶対位置ではなく、角速度（向きの移動）を計測する装置であるため、実際の角速度と計測した角速度との間にずれが生じると誤差となる。また、この誤差は、累積するため、図４に示すように頭部の動きと計測値との間に累積誤差が発生し、角度のずれが生じる。

これに対して、図５に示すように、ヘッドトラッキング装置１７の基準方向補正部４６を用いて、角速度を補正することで、頭部の動きと計測値との間に累積誤差の発生を抑制することができる。ここで、図５は、時間と、角度との関係を示すグラフと、時間と角速度との関係を示すグラフとがあり、２つのグラフの時間軸は、同じ時間軸となっている。また、図５も、利用者の頭部（頭部装着装置）を基準方向に向けている状態から一方向に頭部を振り（頭の向きを移動させ）、頭部の向きを基準方向から一定角度ずれた向きとし、その後、反対方向に頭部を振り、頭部が基準方向を向いている状態に戻す動きを行う場合の例である。また、頭部の動きを点線６０で示し、計測した角度（算出した姿勢角度）を実線６２で示し、計測した角速度を点線６４で示し、角速度補正値を実線６６で示す。

図５に示すように、点線６０と点線６４に示すように、ジャイロセンサ３６は、頭部の動きに対応した角速度を検出している。なお、点線６０の頭部の動きと点線６４の計測値（図４では角速度は示していない）とは、図４に示す例と同様の値である。ここで、図５では、実線６２で示す計測した角度がθ_０以下である場合は、基準方向補正部４６により、角速度補正が行われる。なお、実線６６は、角速度補正値の正負を反転させた状態で示している。これにより、図５に示す例では、角速度として、点線６４の値と実線６６の値とを合計した値が算出される角速度となる。このように、実線６６の角速度補正値により角速度を補正することで、計測される角度は、実線６２に示すように、基準方向に収束する。

以上より、ヘッドトラッキング装置１７は、誤差の累積を抑制することができ、利用者が、例えば、オフセット動作、基準値設定操作等の特定の操作を行うことなく、自動的に累積誤差を低減することができる。

ここで、利用者が画像表示システムを操作するときの動作としては、基本的に、前方正面に頭部を向けている姿勢が基本姿勢となる。また、自動車、航空機のシミュレーション装置の場合も、進行方向である前方に注意を払っているため、前方正面に頭部を向けている姿勢が基本姿勢となる。このように、ヘッドトラッキング装置を用いる場合は、基本的に所定の姿勢が基本姿勢となる。また、基本姿勢とは異なる方向、例えば側面などを向いた場合も、画面の確認が完了したら、また基本姿勢に戻る。

以上より、基準方向補正部における基準方向として、使用時に利用者が多くの時間とる姿勢、つまり基本姿勢の方向を設定することで、基本姿勢、また基本姿勢に近い状態に居る場合は、算出される姿勢角度が予め設定した基準角度となる補正が行われる。これにより、ドリフトの累積を抑制することができ、基本姿勢でいるにも係らず、正面ではない向きと判断されることを抑制することができる。例えば、姿勢に対応する向きの画像を表示させる場合、基本姿勢でいる場合に、正面ではない向きの画像が表示されてしまう恐れを低減することができる。

また、本発明のヘッドトラッキング装置は、センサとして、角速度検出器のみを用いた構成であるため、絶対角度を計測できるセンサを用いる場合よりも装置構成を簡単にすることができ、装置を軽量化することができ、装置を安価にすることができる。また、ヘッドトラッキング装置は、基準方向補正部により補正を行うことで、角速度検出器を用いた場合でも、高い精度で測定が可能となる。また、基準方向への角度補正ができるため、ドリフト補正値の推定精度を比較的に低くしても、高精度な計測が可能となる。これにより、演算処理部への負荷を小さくすることができ、安価で、演算能力が低い演算処理部も用いること可能となる。また、演算能力が低い演算処理部も用いた場合でも、高い精度で頭部の姿勢を検出することができる。

ここで、基準方向からの角度偏差の閾値、つまり、θ_０は、一回の頭部の動き、例えば、右方向の首振り動作、上方向の首振り動作で生じると予想される累積誤差（誤差の積分値）よりも大きい値、つまり、１回の動作により生じる最大誤差よりも大きい値とすることが好ましい。これにより、頭部が基準方向を向いた際に、的確に基準方向補正部による補正をより確実に実行することができる。また、角度偏差の閾値は、最大誤差よりも大きい値で、かつ、できる限り小さい値とすることが好ましい。つまり、最大誤差よりも大きい値で、かつ、最大誤差に近い値とすることが好ましい。このように、角度偏差の閾値をできる限り小さくすることで、基準方向近傍のうち、頭部を動かしても画像が変化しない領域を小さくすることができる。つまり、頭部の動きに追従して、角度変化を検出できる領域をより大きくすることができる。なお、角度偏差の閾値θ_０は、１０°以下とすることが好ましい。

なお、人間の頭部の可動範囲は、正面を基準方向とすると、いずれの方向においても、基本的に、１８０°以内である。そのため、比較的精度が低く安価なジャイロセンサを用いた場合であっても、一回の頭部の動きを発生する累積誤差は、簡単に１０°以下とすることができる。つまり、本発明のヘッドトラッキング装置は、比較的精度が低く安価なジャイロセンサを用いた場合でも、適切に基準方向への角度補正を実行することができ、累積誤差の発生を抑制することができる。

また、上記実施形態では、基準方向からの角度偏差と、角速度補正値との関係を比例関係としたが、本発明はこれに限定されず、種々の関係とすることができる。例えば、ｓｉｎ関数で変化するようにしてもよく、また、ステップ状に値が変化する関数としてもよい。

なお，角度偏差に対する角速度補正値の大きさ、つまり補正係数が、過小であると、基準方向に収束するまでに要する時間が長くなり、誤差が解消されないまま次の動作が行なわれる可能性がある。一方、補正係数が過大であると、補正値が大きすぎて基準方向付近で振動的になる可能性がある。したがって、センサの感度や角度偏差の閾値に応じて適切な値にする必要がある。例えば、角度偏差の閾値が１０°の場合、補正係数は２以上１０以下とすることが望ましい。

ここで、基準方向補正部は、角度偏差が閾値内であり、角速度が閾値以下である場合のみ、角速度の補正を行うようにしてもよい。つまり、角度偏差が閾値内であっても、角速度が閾値よりも大きい場合は、角速度の補正を行わないようにしてもよい。すなわち、頭部が静止しているとみなせるような小さい角速度のときは補正を行い、意図的に頭部を動かしているような比較的大きな角速度のときは補正を行わない。これにより、角度偏差の閾値内から意図的に頭部を動かした際に、角速度が補正され実際の姿勢角度に対して検出された角度が小さくなってしまうことを抑制することができる。

なお、角速度の閾値ω_０は、５°／ｓ（ｄｅｇ／ｓ）以上１０°／ｓ、つまり、５≦ω_０≦１０とすることが好ましい。これにより、頭部が基準方向の近傍（閾値内）にあって、利用者が意図的に頭部を動かした場合、角速度補正を実行せずに、頭部のわずかな揺れやジャイロセンサのノイズは、角速度補正により補正することができる。

また、ヘッドトラッキング装置は、角速度補正値に基づいて、ドリフト補正値または角速度変換係数（ジャイロセンサで検出された電圧値を角速度に変換する際に乗算する係数）を動的に修正することが好ましい。つまり、基準方向付近で角速度補正値を行いつつ、角速度補正値の算出結果に基づいて、誤差要因を判定し、その誤差が発生しないように、ドリフト補正値または角速度変換係数を修正することが好ましい。これにより、角速度データの誤差の発生を低減することができ、より高い精度で、姿勢角度を検出することができる。

ドリフト補正値、および角速度変換係数の補正の一例を示す。頭部を基準方向からＣＷ方向に回転させる方向をプラス方向、ＣＣＷ方向に回転させる方向をマイナス方向として、頭部を基準方向からＣＷ方向に回転させ、また基準方向に戻す動作を行う。このとき、角度データが常にプラスになるならば、その原因として角速度データがＣＷ方向にオフセットしているか、ＣＷ方向の感度（変換係数）が真値よりも大きくなっているか、ＣＣＷ方向の感度（変換係数）が真値よりも小さくなっていることが考えられる。このように、基準方向との誤差情報に基づいて、ドリフト補正値、角速度変換係数の少なくとも一方を動的に修正することで、角速度をより精度よく検出することができ、誤差の発生をさらに抑制することができる。

以下、図６及び図７の測定例を用いて、より詳細に説明する。ここで、図６は、本発明のヘッドトラッキング装置の計測の結果の一例を示すグラフであり、図７は、従来のヘッドトラッキング装置の計測の結果の一例を示すグラフである。なお、本計測では、ジャイロセンサとして、村田製作所製、圧電振動ジャイロ（ジャイロスター（登録商標））ＥＮＣ−０３Ｒを用いた。なお、ジャイロセンサは、検出範囲が±３００ｄｅｇ／ｓｅｃであり、感度が０．６７ｍＶ／ｄｅｇ／ｓｅｃであり、リニアリティが±５％であり、応答性が５０Ｈｚである。また、感度は、アンプでさらに１０倍に増幅した。

また、測定では、頭部を、正面を向いている状態から、左右のいずれか一方に頭部を動かした（回転させた）後、正面を向いている状態に戻り、正面で一時期に頭部を止め、左右の他方に頭部を動かした後、正面を向いている状態に戻り、正面で一時期に頭部を止めることを繰り返す動作を３０秒続けた。また、基準方向補正部による補正パラメータは、角度閾値を±１０°、角速度閾値を±５°／ｓｅｃ、補正係数を４とした。ここで補正係数とは、角度偏差から角速度補正値を算出する際の比例係数であり、補正係数４の場合、０°からのズレ（角度偏差）の４倍の角速度を補正値とする。

図６及び図７に示すように、基準方向補正部で補正した図６の測定結果は、正面を向いている場合、検出された角度が正面近傍となるが、基準方向補正部で補正していない図７の測定結果は、正面を向いている場合も、検出された角度が正面近傍から一定角度ずれた角度となる。また、図７に示すグラフの場合は、角度誤差が累積するため、首を振った左右の最大角も、実際の角度とは、ずれていた。

以上のように、本発明にかかるヘッドトラッキング装置及びヘッドトラッキング方法は、頭部の位置を検出するのに有用である。

１０ 画像表示システム
１２ 頭部装着装置
１４ 制御装置
１６ 遠隔カメラ制御装置
１７ ヘッドトラッキング装置
２０ ヘッドマウントディスプレイ
２６、３０ 無線通信装置
２８ 無線カメラ
３２ 信号処理装置
３４ サーボモータ
３６ ジャイロセンサ
３８ 信号処理装置
４０ ＡＤ変換処理部
４２ ドリフト補正部
４４ 角速度変換部
４６ 基準方向補正部
４８ 積分処理部
６０ 頭部の動き
６２、６４ 計測値
６６ 角速度補正値

Claims (6)

1. 頭部の姿勢を検出するヘッドトラッキング装置であって、
   頭部に装着される装着部と、
   前記装着部に配置され、角速度を検出する角速度検出器と、
   前記角速度検出器で検出した角速度の積分値に基づいて、前記装着部の姿勢角度を検出する姿勢検出部と、を有し、
   前記姿勢検出部は、前記姿勢角度が基準方向に対して角度閾値内の値であると判断したら、前記基準方向に対する角度偏差に基づいて角速度補正値を算出し、前記角速度検出器で検出した角速度を前記角速度補正値で補正する角速度補正処理を行い、前記姿勢角度を基準方向に収束させることを特徴とするヘッドトラッキング装置。
2. 前記角度閾値は、１０°以下であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドトラッキング装置。
3. 前記姿勢検出部は、前記姿勢角度が前記角度閾値内であり、かつ、前記角速度検出器で検出した角速度が角速度閾値以下であると判定したら、前記角速度補正処理を実行することを特徴とする請求項１または２に記載のヘッドトラッキング装置。
4. 前記角速度閾値は、５°／ｓ以上１０°／ｓ以下であることを特徴とする請求項３に記載のヘッドトラッキング装置。
5. 前記姿勢検出部は、前記角速度補正処理で、前記角速度補正値に応じて、作用させるドリフト補正値及び角速度変換係数の少なくとも一方を動的に変化させて、前記姿勢角度を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のヘッドトラッキング装置。
6. 頭部に対して装着された装着部に配置された角速度検出器で検出された角速度に基づいて、頭部の姿勢を検出するヘッドトラッキング方法であって、
   角速度検出器で検出した角速度の積分値に基づいて、前記装着部の姿勢角度を検出し、
   前記姿勢角度が基準方向に対して角度閾値内の値であると判断したら、基準方向に対する角度偏差に基づいて角速度補正値を算出し、
   前記角速度検出器で検出した角速度を前記角速度補正値で補正する角速度補正処理を行い、前記姿勢角度を基準方向に収束させることを特徴とするヘッドトラッキング方法。

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