JP2015018074A - 乗り物の運転シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被験者の実際の目の位置を考慮して、シミュレーション中の被験者が受ける感覚の違和感を軽減する。
【解決手段】乗り物の運転シミュレーション装置は、被験者が座るための座席と、座った被験者に向けて視界映像を表示する表示装置（３０）と、被験者が操作可能なステアリングハンドル、アクセルペダル、ブレーキペダル等の入力装置（４０）とを備える。シミュレーション装置はまた、前記入力装置の操作に基づいて仮想的な乗り物の位置を計算する手段と、計算された乗り物の位置と定められた投影中心とに基づき前記表示装置に表示すべき視界映像の信号を生成する手段とを有する処理装置（５０）を備え、前記投影中心は前記座席に座った被験者の目の位置に基づいて定められる。
【選択図】図２

Description

本発明は、乗り物の運転シミュレーション装置に関する。詳しくは、被験者が座るための座席と、座った被験者に向けて視界映像を表示する表示装置と、被験者が操作可能なステアリングハンドル、アクセルペダル、ブレーキペダル等の入力装置とを備える乗り物の運転シミュレーション装置に関する。

乗り物の運転シミュレーション装置は、現実の乗り物で実験することが困難ないし危険を伴うような事象を研究するために、自動車、オートバイ、自転車、鉄道車両、航空機等の運転・操縦環境を仮想的に再現することができるものである。通常は被験者が操作可能なステアリングハンドル等の入力手段とスクリーン等の視覚的な表示手段を備えている。従来の装置の例は例えば下記の特許文献１に記載されている。

例えば自動車の交通安全の研究において、車両の前に人が飛び出してきたときに運転者がどのような判断をとるかや、長時間の運転で居眠りしそうになったときに運転者がどのような挙動を示すかを調べるには、本技術分野の運転シミュレーション装置が使用される。他にも、急ハンドルを切ったときの車の挙動等、車そのものの性能や、交通標識の違いによる運転しやすさの変化等、交通インフラの研究、さらには外国等、遠方の環境における運転を再現するためにも同様の運転シミュレーション装置を使用することができる。

運転シミュレーション装置は一般的に、装置を用いる空間内のある特定の位置をあらかじめ投影中心に定めて被験者の前方に置かれたスクリーンに視界映像を映し出している。定められた投影中心を通って建物等の各物体に向かう直線がスクリーンと交わる点にその物体の映像が表示される。

特開平３−２８７２８８号公報

シミュレーションの被験者の体格は各々異なるため、大柄な人と小柄な人とでは座高の差により目の位置が上下に変わってくる。また、最適な運転姿勢をとるために被験者が座席の位置を調節できるようになっている装置では、目の位置が数十センチの範囲で前後にも変わってくることがある。現実の乗り物であればこのような運転者ごとの目の位置の差は何ら問題とならないが、３次元空間内の物体を２次元のスクリーン上に映し出すと奥行き情報が捨象されるため、被験者が見る映像の動きが現実とは微妙に異なってしまう。この動きのずれは特に乗り物の進行方向が変わり映像が回転するときに顕著となる。スクリーンを被験者から遠くに置くほどこのずれは小さくなるが、物体の配置を２次元で表現している以上ゼロになることはない。この微妙な差が被験者の感覚的な違和感につながり、ひいてはいわゆる「シミュレーション酔い」を引き起こすことがある。

特に、被験者に加速度を体感させる動揺を伴ったシミュレーション装置の場合、平衡感覚を司る三半規管等で感じる加速度と、目から視覚的に得る情報との関係が現実と異なってしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、被験者の実際の目の位置を考慮して、シミュレーション中の被験者が受ける感覚の違和感を軽減することにある。

上記課題を解決するため本発明は次の手段をとる。本発明のひとつの観点から得られる乗り物の運転シミュレーション装置は、被験者が座るための座席と、座った被験者に向けて視界映像を表示する表示装置と、被験者が操作可能なステアリングハンドル、アクセルペダル、ブレーキペダル等の入力装置とを備える。シミュレーション装置はまた、前記入力装置の操作に基づいて仮想的な乗り物の位置を計算する手段と、計算された乗り物の位置と定められた投影中心とに基づき前記表示装置に表示すべき視界映像の信号を生成する手段とを有する処理装置を備え、前記投影中心は前記座席に座った被験者の目の位置に基づいて定める。このため、被験者が自らの入力装置の操作によって期待する映像とシミュレーション装置が意図する映像との差を低減することができ、被験者が受け得る感覚的な違和感を軽減することができる。

前記の運転シミュレーション装置は、ひとつの態様として、前記処理装置が、座った被験者を撮影した画像データから被験者の目を自動的に認識する手段と、その認識結果に基づいて目の位置を測定する手段とを有することが好ましい。これにより、被験者の目の位置が自動的に映像表示に反映される。

前記の運転シミュレーション装置は、別の態様として、前記処理装置がある時点に測定した目の位置を投影中心として定め、それ以降に表示すべき視界映像の信号を継続的にこの投影中心に基づいて生成することが好ましい。これにより、目の位置の反映処理が繰り返されないため映像処理に余分な負荷がかからない。

本発明のひとつの態様による運転シミュレーション装置を示す斜視図である。 本発明のひとつの態様による処理装置による処理の流れを示すブロック図である。 乗り物の動きから映像を生成する基本的な原理を説明する図である。 投影中心が目の位置とずれている場合における物体の像の移動を説明する図である。 投影中心が目の位置とずれているために物体が装置の意図とはずれて見えることを説明する図である。 投影中心が目の位置とずれている場合において、移動後の物体が来ると期待する位置について説明する図である。 投影中心が目の位置とずれている場合において、移動後の物体の期待する位置が実際に見える位置と異なることを説明する図である。 投影中心を目の位置に合わせることによってずれを抑えることができることを説明する図である。

以下、本発明を実施するための各種態様について図面を参照しながら説明する。シミュレーション装置１０には、図１に示すように、被験者が座るための座席２０と、被験者に向けて視覚的に映像を提示する表示装置３０（ディスプレイ）と、被験者が物理的に操作可能な入力装置４０と、表示すべき映像信号を生成する処理装置５０（図２参照）とが設けられる。また、音声を再生可能なスピーカー等の音響装置を設けて、前記の処理装置に音声信号を生成させるようにしてもよい。さらに、速度計等、実際の乗り物にあるような各種計器類を備えた計器盤６０を設けてもよい。

座席２０は床に直接設置してもよいが、図１に示すように床からある程度の高さに浮かせた状態に保持したステージ２１上に設置してもよい。また、座席は床やステージ上に完全に固定してもよいが、スライド機構やリンク機構などによって被験者の体格や好みに合わせて前後や上下に位置を調節できる装置を設けてもよい。さらには、実際の運転中に運転者が体感する加速度を再現し被験者にさらなる現実感を与えるために、図１に示すようにステージを動かすアクチュエーター２３を１基以上設け、座席にさまざまな方向の動揺を与えることができるようにしてもよい。

表示装置３０としては、液晶ディスプレイや、ビデオプロジェクタ等、動画映像を表示可能なものであれば任意のものを用いることができる。図１に示すように、複数（図では３面）の画面３１を並べて配置するマルチディスプレイを採用して映像を分割表示することもできる。座席を床面に対して動揺させる場合、表示装置は床に直接固定してもよいが、図１に示すようにステージに固定してもよい。

入力装置４０には例えば乗り物を操舵、加速、減速させるための装置が含まれる。シミュレートする乗り物が自動車であれば、例えば図１に示すようにステアリングハンドル４１とアクセルペダル４２とブレーキペダル４３とを設けることができる。他の種類の乗り物のためのシミュレーション装置であれば、その乗り物に応じた機能と形態を有する入力装置が設けられる。

処理装置５０は例として、ＣＰＵとＲＡＭ等の記憶装置とを備え、記憶装置に記憶されたプログラムをＣＰＵが読み込んで動作する汎用又は専用のコンピュータを用いて実現することができる。画像処理に特化したＧＰＵを備えたコンピュータとしてもよい。場合によってはコンピュータを複数台設け、有線または無線のネットワークで接続して情報を送受信可能とし、各コンピュータに機能を分担させてもよい。処理装置５０には道路や建物等を含むシミュレートしたい３次元の空間情報があらかじめ保存されており、被験者が運転・操縦する対象となるのはこの空間内を移動する仮想的な乗り物となる。

処理装置５０が処理する流れのひとつの態様として、図２に大まかな機能ブロック図を示す。基本的なシミュレーション装置の動作として、まず被験者が実際の乗り物を運転・操縦するときと同様に入力装置４０を操作すると、この物理的な操作を入力装置４０が変換して信号を生成する。この運転操作の信号を受け取った処理装置５０がこの信号に基づき仮想空間における仮想的な乗り物の位置を更新する（図中の運転処理部）。このように計算された乗り物の位置に基に処理装置５０が例えば道路や建物等を含む視界映像の信号を生成する（図中の映像生成部）。そしてこの映像信号を受け取った表示装置３０が図１に示すように被験者に向けて視界映像を提示する。処理装置５０がこの処理を繰り返すことによって表示される視界映像が次々と遷り変わっていき、被験者はこの映像を見ることで実際に３次元空間内を進んでいくかのような現実感を得る。

上記の映像の生成に当たっては、図３に示すようにまずシミュレーション装置が置かれる空間内の１点を投影中心Ｐ（ＶＲ視点）として定める。そしてこの投影中心Ｐから見せたい物体Ａ（厳密には物体表面の注視点Ａ）の方向に延ばした視線と表示装置の画面との交点にその物体Ａの像ａを表示する。したがって、もしこの投影中心Ｐに被験者の目があればシミュレーション装置が意図した通りの映像を被験者が体験することができる。逆にこの投影中心Ｐから被験者の目が離れているほど被験者が実際に見る映像は意図した映像からずれたものとなる。本発明の各種態様では、この投影中心を座席に座った被験者の目の位置に基づいて処理装置が定める。これにより被験者が受ける違和感を緩和することができる。左右の目に同じ映像を見せる二次元映像の技術による限り、投影中心Ｐを左右の目のいずれに合わせてもずれはゼロにはならないが、実用的には両目の位置の中間点に投影中心Ｐを設定するのが好ましい。しかし、両目に対して所定の位置関係にある点等、目的に応じて投影中心Ｐを柔軟に設定することもできる。左右の目に異なる映像を見せる立体映像の技術を用いる場合には、左右の目それぞれの位置を左右の映像に対する投影中心として設定することができる。

処理装置はシミュレーションの前またはシミュレーションの最中に１回以上必要に応じて表示装置に対する着座した被験者の目の空間的な位置を測定する（図２の目位置測定部）。ひとつの態様として、シミュレーション（運転）の開始前に表示装置または音響装置を介して処理装置が被験者に運転姿勢をとるように指示し、被験者がボタンを押すなどして測定を許可する入力があったときに処理装置が目の位置の測定を行う。こうして定められた投影中心は一回のシミュレーション全体を通して用いられる。被験者が替わらない限り少なくとも体格に起因する目の位置の変化は生じないため、同じ投影中心を基準に用いることができる。ただし被験者は運転中姿勢が一定しているとは限らないため、別の態様として、シミュレーション中に可能な限り目の位置の測定を繰り返して新たな投影中心をリアルタイムに映像に反映させることが理想的ではある。しかしながら、この繰返しの測定が負荷となって映像にさらなるタイムラグを生じ、これがかえって酔いの原因となることも考えられるため、処理装置の性能によっては最初に一回だけ測定を行うことが好ましい。

目の位置の測定は、場合によっては手作業で行って処理装置に入力することもできるが、撮像装置が撮影したデジタル画像のデータに基づき処理装置が自動的に被験者の目を認識することにより行うのが好ましい（図２の顔認識部）。このような自動認識の処理には、ひとつの例として、セキュリティシステムとして実用化されている公知の顔認識システムを応用することができる。顔認識システムでは一般的に、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置によって撮影された画像データから目や鼻や顎など顔の目立つ特徴を抽出することで背景から人間の顔を識別することができる。撮像装置７０は、例えば図１に示すように表示装置の画面３１上部に座席に向けて設置される。また認識処理には、別の例として、ゲーム用デバイスとして市販されているＫｉｎｅｃｔ（登録商標）の技術を応用することもできる。Ｋｉｎｅｃｔは、可視光により撮影した画像に加え、赤外線を被験者に向けて照射して得られる反射光を撮影して解析することにより、人体の動きの認識を実現している。この技術を用いる場合、撮像装置７０として赤外線カメラも併せて設けられる。

装置が見せたい映像と被験者が実際に見る映像とのずれは、映像が回転するとき（すなわち乗り物が転回するとき）にさらに顕著となる。図３の説明図には、シミュレーション装置（特に画面）を設置する現実の空間に、被験者が運転する仮想的な乗り物（ここでは車とする）の動きとこの乗り物から見える物体の位置とが重ねて描かれている。ここで、車が点Ｒを中心としてある角度αだけ左（反時計回り）に転回した状況を考える。実際の運転であれば物体Ａ（ここでは建物等、地面に固定されたものとする）は動かず、ある位置Ｖにある車（とその運転者）が別の位置Ｖ’に進むはずである。しかしシミュレーション装置では被験者を動かさず、表示する映像の方が動く。移動後の車Ｖ’と物体Ａの位置関係を保ったまま車を元の位置Ｖに戻すと、物体は実際の位置Ａから点Ｒを中心に逆回り（時計回り）に同じ角度αだけ回転した位置Ａ’に移動する。したがって、物体の像は投影中心Ｐから見掛け上の物体の位置Ａ’へ向かう直線が画面と交わる点ａ’に描画される。このように被験者が車を左に転回させると物体の像は右に移動することがわかる。

今度はさらに被験者の目の位置も考慮し、車の転回に伴って被験者が受ける感覚について議論する。図４〜図７は、投影中心Ｐが目の位置Ｅからある程度離れている場合の例である。この状況は、本発明を利用せず投影中心Ｐを目の位置Ｅとは無関係な定点（画面から一定の位置関係にある点等）に定め、実際に目の位置Ｅからある程度離れてしまっている場合とも考えられる。また図を簡単にするため車の転回中心Ｒは投影中心Ｐと同じ位置としているが説明の一般性は損なわない。図４に示すように車をある角度αだけ左に転回させるべく被験者がステアリングハンドルを操作すると、シミュレーション装置は物体を元の位置Ａから転回中心Ｒの周りに同じ角度αだけ右に回転した位置Ａ’に見せようとする。このとき前段で説明したとおり画面に描画された像は元の位置ａから右に移動した位置ａ’まで移動している。しかし目の位置Ｅが投影中心Ｐから離れているため、図５に示すように実際には物体は（投影中心Ｐからではなく）目Ｅから画面の像ａ，ａ’に向かった先の位置Ｂ，Ｂ’に見えており、移動前後とも装置が意図した位置Ａ，Ａ’と異なっている。また被験者は車を角度αだけ転回させたつもりでいるから、移動後の物体は図６に示すように実際に見えていた位置Ｂから右に同じ角度αだけ回転した位置Ｃに来ると期待するはずである。仮に物体がその期待する位置Ｃにあるなら、図７に示すようにその像も目Ｅから物体Ｃに向かう途中の位置ｃに現れなければならないが、これは実際に描画されている像の位置ａ’とは異なる。このように自らの運転操作により期待する物体の描画位置ｃや回転角γが実際のものａ’，βとは異なる。

一方で本発明によれば、態様によっては図８に示すように目の位置Ｅの測定精度に応じて投影中心Ｐを目の位置Ｅに合わせることができるため、期待する物体の描画位置を実際の描画位置に近づけて被験者が受け得る感覚的な違和感、ひいてはシミュレーション酔いを軽減することができる。

なお、本発明は以上に説明した態様に限定されるものではなく、当業者であればその他各種の態様で実施できるものである。

１０ シミュレーション装置
２０ 座席
２１ ステージ
２３ アクチュエーター
３０ 表示装置
３１ 画面
４０ 入力装置
４１ ステアリングハンドル
４２ アクセルペダル
４３ ブレーキペダル
５０ 処理装置
６０ 計器盤
７０ 撮像装置
Ｅ 目（の位置）

Claims (3)

1. 被験者が座るための座席と、座った被験者に向けて視界映像を表示する表示装置と、被験者が操作可能なステアリングハンドル、アクセルペダル、ブレーキペダル等の入力装置とを備え、
   前記入力装置の操作に基づいて仮想的な乗り物の位置を計算する手段と、計算された乗り物の位置と定められた投影中心とに基づき前記表示装置に表示すべき視界映像の信号を生成する手段とを有する処理装置を備えた乗り物の運転シミュレーション装置であって、
   前記投影中心を前記座席に座った被験者の目の位置に基づいて定めることを特徴とする運転シミュレーション装置。
2. 請求項１に記載の運転シミュレーション装置であって、前記処理装置が、座った被験者を撮影した画像データから被験者の目を自動的に認識する手段と、その認識結果に基づいて目の位置を測定する手段とを有する運転シミュレーション装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の運転シミュレーション装置であって、前記処理装置がある時点に測定した目の位置を投影中心として定め、それ以降に表示すべき視界映像の信号を継続的にこの投影中心に基づいて生成する運転シミュレーション装置。
   

Images