JP2017191474A - Hmd装置におけるセンサー類を用いたユーザーインタフェースプログラムおよび装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表示部が一体となるHMDむけのプログラム処理において、加速度センサーやジャイロセンサー、地磁気センサーなどにより情報処理部に指示を与えることで、ゲームなどのVRコンテンツにおいて利便性を向上させる、VR画像とユーザーインターフェースを実施する。【解決手段】ジャイロセンサーや加速度センサーにより検出された頭部の傾斜角に基づいて周囲の実風景を半透明合成(半透過合成)するように構成する。【選択図】図11
Description
HMD装置におけるセンサー類を用いたユーザーインターフェース関する
近年、仮想現実(VR)や拡張現実(AR)、複合現実(MR)といった技術が実用性を帯び始め諸々の市場を構築しつつある。これらの装置はHMDと呼ばれる表示部を備えた頭部装着型デバイスとHMDに内蔵されたジャイロセンサーや地磁気センサー(コンパス)、加速度センサーを用いて利用者の視線方向を検出し、それらの利用者からのセンサー入力に応じて表示内容を変化させながら情報処理を行うことが知られている。
なお前述のHMD装置はスマートフォンを用いたVR用HMDとして頭部に装着するための器具とスマートフォンを組み合わせることで誰でも利用することがグーグルカードボード(登録商標)により2014年6月24日現在で一般的に可能である。
しかしながら、これらVR装置においては操作入力においてゲームコントローラのようなデバイスによって入力するため従来型コンピュータのマウスやキーボード入力に対し比較的煩雑な入力が必要になっている。
このような状況を打開するためインターネット上では後述のような提案やVRゲームアプリケーションなどが公開されている。
より具体的には、以下に掲げる先行技術文献に関し非特許文献1に関し、ジャイロセンサーや加速度センサーを用いてHMDが叩かれたことを検出しメニューから利用者の希望する項目を選択するUIが開示されている。
非特許文献2に関し、GUIの歴史を踏まえ、VR空間にソフトウェアキーボードを表示する方法や立体カーソル(3Dカーソル)を利用してワークプレーン(所定の操作エリア)に対し操作する方法、従来型GUIをVR空間に表示するといった方法が提案されている。
非特許文献3に関し、2015年3月30日2:47の投稿内容によれば、利用者がHMDを装着し座るまでの一連の操作において加速度センサーやジャイロセンサーの動きが大きくなることを利用してHMDの装着状況を検出する方法が提案されている。
非特許文献4に関し、VRアプリケーションとしてジェットコースターを楽しむものが市販されており、このアプリケーション内でプレイを開始するときにある程度の誤差を許容しながらアプリケーション内に表示されるレバーを見続けるとレバーが倒れ、アプリケーションを楽しめるように表示内容を変化させることができるような処理が実現されている。
以下、4件につき2015年9月1日にインターネット上で確認
http://tips.hecomi.com/entry/2014/10/02/005313Oculus Rift で頭の動き + タップで簡単に Unity 4.6 UI を選択できるやつを作ってみた※Oculus Rift および Unity は登録商標 http://simrea.tumblr.com/post/110503393374/vr%E7%A9%BA%E9%96%93%E5%86%85%E3%81%A7%E3%81%AEui%E3%81%AB%E3%81%A4%E3%81%84%E3%81%A6VR空間内でのUIについて http://togetter.com/li/800996HMDのUI話「user interface design for virtual reality」 by @ pafuhana1213さん2015年3月30日02:47の投稿内容 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.fibrum.roallercoastervr&hl=jaRoller Coaster VR
http://tips.hecomi.com/entry/2014/10/02/005313Oculus Rift で頭の動き + タップで簡単に Unity 4.6 UI を選択できるやつを作ってみた※Oculus Rift および Unity は登録商標 http://simrea.tumblr.com/post/110503393374/vr%E7%A9%BA%E9%96%93%E5%86%85%E3%81%A7%E3%81%AEui%E3%81%AB%E3%81%A4%E3%81%84%E3%81%A6VR空間内でのUIについて http://togetter.com/li/800996HMDのUI話「user interface design for virtual reality」 by @ pafuhana1213さん2015年3月30日02:47の投稿内容 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.fibrum.roallercoastervr&hl=jaRoller Coaster VR
前述のようなUI(User Interface:ユーザーインターフェース)が提案されているが様々な側面においてVR空間でのUIはいまだ改良の余地がある。より具体的には、利用者からの入力においてジャイロセンサーや加速度センサーを用いて前後左右への移動やゲームなどでの回避行動、VRプログラムの操作中にメニュー表示を行ったり、ベッドであおむけに寝転がったりした時の操作や座標系の制御に関して利便性の高いUIに関してはいまだ充分とは言えない状況にあることが課題として顕在する。さらには、HMDを付けているとユーザーは手元が見えないという課題は改善されていない。
一般的なVRプログラムの利用中において頭部傾斜状態、頭部傾斜状態の連続した変化などの検出によりVRプログラムの座標系とHMDの視線方向をZ軸とし視線垂直直交方向をY軸とする座標系との関係から傾斜状態を判別してVR装置で生成されるコンピュータグラフィック画像(CG)としてのVRCG画像と撮像実風景との切り替えや透過率の変化を伴った合成を行ったりするといった方法をセンサー類から検出される情報類の組み合わせに応じて同定されたHMDの傾斜に基づいて実現する。さらにもしくは、深度撮影という赤外線等を投影することで奥行を検出する方法を交えて、深度による透過率の設定をさらに伴ったVR用のUIを構成してもよい。
従来のVRプログラム、VRソフトウェア、VRコンテンツ、VRアプリケーションなどにおいて物理的なコントローラが視認しやすくなり、操作を飛躍的に向上させることが可能である。
まず、VRプログラムとはVRアプリケーションやVRコンテンツ、VRアプリケーション、VRソフトウェアおよびそれらを起動するためのランチャープログラムなどやVRユーザーインタフェースプログラムを含む。
より具体的には広い範囲の視覚を情報処理部(400)によって算術的に生成した画像などで頭の向きや動作によってリアルタイムに構成し、さも実体験であるかのような視覚情報と音響情報を主として利用者に提供するプログラムであり、将来的に視線や嗅覚や触覚や味覚などが提供されることが想定されている。
なお、本発明に関する説明はVR装置に関する形の表記をとっているがHMDを使用するUIであればAR装置やMR装置であってもよく、そういった装置においては撮像部(103)などが装置に含まれていることにより構成されていてもよい。
次により具体的なVR装置として発明を実施するための形態における装置の構成を説明する。まず装置は表示部と頭部装着部を最低限供えた構成をしている。この構成に対し中央演算部と描画演算部と記憶部などによって構成される情報処理部を内蔵していたり、同様の情報処理部をパーソナルコンピュータ(PC)などの形態で外部に有線およびもしくは無線などにより接続していたりしてもよい。
なお、中央演算部はCPU、描画演算部はGPU、記憶部はROMやEPROM、フラッシュメモリ、RAM、ストレージとしてのHDDやSSDなどと呼称される部品などの組み合わせによって実現されており、時代とともに変化する将来的なMRAMやReRAM、ニューロンプロセッサなどが組み合わされていてもよい。また、表示部は1眼であっても2眼であってもよく、2眼であれば立体視に対応していても良い。
そして情報処理部に有線及びもしくは無線からなる後述の制御装置が接続できるようになる形で構成される。これらの構成において、例えば表示部と情報処理部と各種センサー部を備えたスマートフォンなどの装置を頭部に固定するためのアダプターを用いてHMDとして利用することも可能であるし、VR用HMDに可視光撮像装置としてのカメラを搭載して構成し情報処理部としてのPCと接続し同様の全体的構成を実現してもよい。
なお、スマートフォンを用いたVR装置であればスマートフォン内に、VR用HMDとPCやゲーム機の組み合わせによるVR装置であればHMD内に加速度センサーやジャイロセンサーが組み込まれていている構成となる。
そして、これらのスマートフォンやPCなどを含んだ構成に加えて、制御装置としてのマウスやゲームパッド、キーボードなどのコントローラ、画像認識によるジェスチャ入力デバイスなどやジャイロセンサーや加速度センサーなどの運動検出センサー類による入力デバイス、視線検出などといったユーザーからの操作に基づく制御信号を情報処理部に反映させる装置を用いて本発明を実施するための基本構成が実現される。
なお最初のVR画像の表示に至るまでのあいだにVR装置で生成されるコンピュータグラフィック画像(CG)といわれるVRCG画像としてのVRコンテンツやVRアプリを選択起動するためのVR用ランチャープログラムとして実風景を背景画像としVRコンテンツやVRアプリを手前にテロップ表示するスタイルのVRユーザーインタフェースプログラムを構成することもできる。
まず、VR用HMD(101)がPC(105)やゲーム機に接続されている場合のVR装置構成を説明する。
ジャイロセンサーや加速度センサーを備えたHMD(101)が単品として市販されており、商品によっては標準で撮像部(103)を備えているものもある。撮像部がない追加部品としての撮像部を組み合わせるようにしても良い。それらにPCやゲーム機に接続することで、HMDに組み合わされた撮像部(103)、表示部(102)、センサー部(101内部)やPC(105)に組み合わされた通信部(ブルートゥース(登録商標)やUSB配線など)やPC(105)に組み込まれた情報処理部(400)を用いて、センサー部に組み込まれているジャイロセンサーや加速度センサーから算出した重力方向ベクトル情報に基づいてユーザーインターフェースをVRアプリやVRコンテンツ利用時に表示し、通信部に接続された制御装置(106:たとえばゲームパッドなど)によってユーザーインターフェースを操作し、VRアプリやVRコンテンツを起動し、制御装置からの入力によって座標系を初期化し、VRコンテンツなどの表示に利用できるようにする。なお、撮像部(103)は本発明の実施においてあってもなくてもよい。
次に、HMDにスマートフォン(201)を用いる場合のVR装置構成を説明する。
頭部装着部(104,202)が単品として市販されておりそれらにスマートフォン(201)を装着することで、スマートフォンに内蔵された表示部、センサー部、通信部(ブルートゥース(登録商標)など)、情報処理部(400)を用いて、センサー部に組み込まれているジャイロセンサーや加速度センサーから算出した重力方向ベクトル情報に基づいてユーザーインターフェースをVRアプリやVRコンテンツ利用時に表示内容を変化させ、通信部に接続された制御装置(106:たとえばゲームパッドなど)によってユーザーインターフェースを操作し、VRアプリやVRコンテンツを起動し、制御装置からの入力によって座標系を初期化し、VRコンテンツなどの表示に利用できるようにする。なお、スマートフォン(201)に内蔵された撮像部は本発明の実施においてあってもなくてもよい。
続いてVR用HMD(101)がPC(105)やゲーム機に接続されている場合もしくはHMDにスマートフォン(201)を用いる場合におけるVR装置においてVRプログラムのスタート時の座標系を指定する方法に関して説明する。VR用HMDの例(図1)においては101(センサー部含む)、102(表示部)、104(頭部固定部)、105(情報処理部、通信部などを含むPC)によってHMDとVR装置501が構成され106が制御装置となる。またスマートフォンを用いた例(図2)においては201(撮像部、表示部、センサー部、情報処理部、通信部を含むスマートフォンなど)、202(レンズと頭部装着部)、104(頭部固定部)によってHMDとVR装置501が構成され106が制御装置となる。
これらのVR用HMD(101、201)はGPUといった三次元描画装置を備えており、HMDから得られるセンサー情報に従ってVR用のコンピュータグラフィック画像を生成することができそれらを表示部に出力できる。
さらには記憶媒体により構成された記憶部を備えていたもよく、記憶媒体とは光学式であったり、半導体式であったり、磁気式であったりしてもよく、ストレージなどと称させるデバイスであってもよい。
まず、HMDに取り付けられたセンサー類から重力方向を示すベクトルを取得するために加速度センサーやジャイロセンサーにより算出し重力方向ベクトルに対して直交する面を算出しながら、利用者からの頭の傾斜を検出するステップ(304)を実施する。そして、利用者からの頭の傾斜検出時の正面にVR表示のプレーヤ視線のZ軸が向かうようにして(図5)プレーヤ視線のY軸を回転させ初期化するステップを実施する。
このプレーヤ視線に対するY軸の回転を行うステップは、HMDに付属するジャイロセンサーから検出された角度に基づいて、初期化前に検出された角度を相殺するような演算を行う必要があり、前記初期化前検出角度からの減算やコンパスによる逆算、回転角度のリセット、初期化前の検出角の逆行列を掛けたり、クオータニオンによって回転角の相殺を行ったりしてもよい。
そして、重力方向ベクトルに直交した面(重力平面)に対してさらに直交する(図5、図10)プレーヤ視線のXY面座標系もしくは円柱座標系もしくは球形座標系などに対してユーザーコントロールデバイス(106)などを含む撮像装置(103)で取得された画像を半透明合成表示するステップ(305)を実施し、ユーザーインターフェースデバイスなどを含む周囲の撮像画像がVR用HMD装置(図1)もしくはスマートフォン型(図2)から得られる撮像装置(103など)から取得したVR風景上(図12)に合成表示(図10)され、利用者の保持する制御装置によって目的のVRアプリケーションやVRコンテンツのアイコン画像(2Dもしくは3Dのサムネイル、サムネイル動画、サムネイルポリゴン動画などを含む)に視界を占有されないユーザーインターフェースを構成することができる。(図10)
なお、これらの応用として、正面を見た場合の水平視線方向から下半分を下方向に向けて緩やかな合成量の変化(アルファチャネルの変化)を与えながら真下は100%、正面は0%の透過率で任意に設定可能な変化量カーブを用いて撮像画像とVR画像を合成してもよく、この方法により正面視線はVR画像で下向き視線は実風風景画像と自動的になるように構成したり、利用者が下方向をむけば向くほど実風景の透過率が上がりVR画像が表示されなくしたり、といったVR空間での視線方向に応じてVR空間画像と実風景の合成比率を変えるといった方法を用いることや、ライトフィールドカメラや赤外線投影の反射を用いたカメラなどによる奥行きの情報を撮像可能な深度カメラによってHMDからの奥行に応じた実風景とVR画像の合成などを行ったりしてもよい。
また、座標系の初期化において、まずHMDの加速度センサーで検出される重力方向を下方向とし、VR画像の表示座標系は加速度センサーで検出される下方向に対して直交する平面を(図5)プレーヤ視線のZ軸と(図5)プレーヤ視線のX軸の基準面とする。
この際、(図5)プレーヤ視線のY軸の回転に関しては利用者の制御装置からの任意の信号によって初期化を行う。より具体的には利用者が頭をプレーヤ視線のXZ平面に対して比較的平行な方向に視線を向けた状態において(図5)プレーヤ視線のY軸の回転をZ軸が正面奥行き方向にプレーヤ視線のX軸が左右方向に設定されるようにプレーヤ視線のY軸の回転角(306)を初期化する。
そしてこの初期化情報に基づいてVRコンテンツやVRアプリケーションの表示(307)を行う。これらの一連の操作によって利用者はVRアプリケーションやVRコンテンツを選択し操作することが可能となり、HMD装着時に視界を失って制御装置であるコントローラの所在が分からなくなることによって生じるVRアプリケーションやVRコンテンツを閲覧するときの視線方向に対する利用者の向きなどの混乱を軽減することができる。
また、(図5)にあるように下方向は加速度センサーやジャイロセンサーを用いて検出できるため利用者が(図5−a)から(図5−b)の姿勢をとっても水平視線方向の基準座標系の一つであるXZ平面に関しては算出が可能であるもののプレーヤ視線のY軸の回転に関してはHMDが起動したときなのかVRアプリケーションなどを起動したときなのかによってプレーヤ視線のY軸の回転とそれにともなうプレーヤ視線のZ軸の方向が不明瞭であるため利用者がどうしても混乱するという課題を本発明では利用者からの所定の操作(例えばスタートボタンの二回押しなど)によってVRの表示におけるY軸の回転を設定し、XY座標系が利用者の視線方向に直交した面として合うように生成されるように設定するとともに、いきなりVR画面が表示されることで利用者が制御装置を簡単に視認して持つことができないという課題もあわせ解決を図るものである。
また、(図6)を用いてさらに初期化例を説明するとHMDの利用開始時に利用者が仰向け状態でVRアプリケーションなどのソフトウェアを利用開始した場合通常のジャイロセンサーや加速度センサーから取得される座標系では空しか見えないため寝転んでVRコンテンツやアプリケーションを楽しむことができないという課題がある。しかし、本発明を用いて図6のように重力方向を視線方向に対する背後方向とし、重力方向と直交する面をXY平面として構成し重力方向と反対の方向を前とした前後軸としてのZ軸ととらえ、利用者視線の座標系とワールド座標系とを併せて初期化することにより、寝転んだままVRコンテンツやアプリケーションを楽しむことができるようにすることも可能である。
このようにVRと実風景画像をHMDのうなずき方向、つまり視線方向をZ軸、視線縦方向をY軸、視線横方向をX軸とするHMD視線座標系におけるX軸の回転として得られる傾斜角に基づいて表示合成比率を変化させながら合成画像表示することによって従来のカメラのないHMD単体では困難であったVRユーザーインターフェースの実現が可能となる。
図3を用いてより詳しく説明する。まず、VRプログラムは起動される(301)とVR表示に必要な座標系のパラメータなどを初期化するステップ(302)が実施される。そして(図12)のようなVR画像(この例ではイルカの背中に乗っている)表示されるステップ(303)が実施される。
また、(図9)および(図10)はHMDによるVR装置においての操作手順にについてより具体的に説明する。まず利用者がHMDの座標系を初期化したい場合画面内に表示された任意のアイコンなどをタップしたり、HMDの視線方向を特定のVR表示内のオブジェクトに合わせて選択したりといった操作を実施するステップ(902)がなされ、座標家の初期化処理が行うステップ(906)が実施される。初期化の方法は前述のとおりHMDの視線方向ベクトルと重力ベクトル(G)の関係から特定のアイコンを選択していると判断できる方法など任意の方法であってよい。
続けて、HMDのセンサー変化パターンを検出するステップ(903)が実施され、(図10)にあるようなセンサー情報の組合せと一致するかの評価により、どのような操作が行われているか検出するためにセンサー情報を取得するステップ(907)とセンサー情報組合せ検出ステップ(908)で実施し、それらセンサー情報に基づいたVR表示内容を生成するステップ(909)を実施する。この際、特段センサーからの変化パターンが検出されない場合は通常のVR表示内容生成ステップ(904)が実施される。
(図10)についてより具体的に説明すると左に加速度センサー値、右にVR装置の内部処理での解釈内容としてVR動作を例として記載した一覧表となっており、HMDを右に傾けた場合や左に傾けた場合、及びもしくはそれらのHMDを装備した頭の動作の組合せによって解釈テーブルを設け、それらの動作の組合せによって任意の処理系を選択できるようにすることが可能である。
そして、前述のステップ(904)もしくはステップ(905)に基づいてVR画像を表示するステップ(905)が実施される。
このように頭を振る動作に対しそれぞれの頭の振り方をセンサーで検出し検出結果群に意味づけしたVR装置用コマンド入力インターフェースを構成することができるようになり、より詳しくは攻撃動作や防御動作のためのVRUIを構成するようにしてもよい。
そして、図10のフローチャートの応用として利用者が例えばうなずき状態になると手元の物理コントローラ(106)が撮像部(103)によって撮影され、VR画像(図12)に半透明合成されてHMD表示される。この際HMDに備えられたセンサー類(ジャイロや加速度、コンパスなどを備えていてもよい)によってHMDの傾斜状態が検出されるステップ(304)が実施される。
このとき検出された傾斜角によって、正面を見ているのであればVR画像(図12)のみを表示し、傾斜がうなずき方向に45度であればHMDの撮像部(103)で撮像されているゲームコントローラ画像などを含んだ周囲の実画像とVR画像を例えば50:50の比率で合成表示する。
これらの半透明合成において、カメラ座標とは異なり、身体周囲を基準とする座標系(例えば車の運転のVRであれば座席やハンドルの座標系、飛行機のシミュレーションVRであれば飛行機のコックピット内部の座標系)の所定の水平面などの基準面以下の範囲に対し基準面から次第に下(例えばY軸方向が減る方向)に行くにしたがってグラデーションを持った半透明合成比率の変化をさせるようにVRCGと周囲の実風景を合成させてもよく素基準面となる水平面方向はVRCG:周囲の実風景の比率が100:0、基準面から下方向に傾いた範囲であれば傾斜に応じて45度であれば50:50、真下であれば0:100といった半透明合成比率の構成にしてもよく、これらの合成比率は任意のカーブなどをもって計算されて表示されてもよい。
このとき、傾斜角がHMDのうなずき方向に30度であればVR70:撮像画像30といった比率にしたり、逆に、傾斜角がHMDのうなずき方向に70度であればVR30:撮像画像70といった比率にしたりし、任意の比率で合成することにより利便性の向上を図ってもよく、端的に言えば傾斜量に合わせて合成比率を可変にしてもよい。そして、そのような合成の結果としてVR単体では半透明合成の結果図10のようにユーザーの手元の実物のコントローラがVR画像(図12)に半透明合成され(図11)のようになる。
さらに、所定の角度以上の傾斜角にHMDがなったら半透明合成するようにしてもよいし、VR空間の視線方向の下半分を半透明合成にするようにしてもよいし、下半分のうちより下のほうにいくにしたがって撮像された実風景による画像の比率が高くなるように合成してもよいし、HMDに備えられた深度カメラなどの奥行情報を撮像可能なデバイスによって所定の奥行によって合成対象を判別したり、半透明合成したり半透明合成の基準を決定したりしてもよい。
このような流れを踏まえ、毎フレームごとに撮像された実風景画像はVR装置のパフォーマンスに応じてVR画像に合成されつつステップ(306)の評価を得ながらVRアプリケーションとして終了(307)するまで実施される。
VR装置をはじめとしてAR装置やMR装置のUIに利用可能である。
101 VR用HMD(表示部、センサー内蔵)頭部装着部,102 表示部,103 撮像部,104 頭部固定部,105 PC(パーソナル・コンピュータ:通信部、情報処理部内蔵),106 制御装置,201スマートフォン(撮像部、表示部、センサー部、通信部、情報処理部などを内蔵),202 頭部装着部,301 起動処理,302 撮像処理,303 表示処理,304 傾斜検出,305 半透明合成表示,306 座標系初期化,307 VR表示部,400 情報処理部.401 中央演算部.402 描画演算部.403 記憶部,501 VR用HMD
Claims (4)
- 表示部と撮像部とセンサー部とを備えたVR装置におけるVRの表示に関し、
撮像部でとらえた周囲画像とVR装置内で生成したVRCG画像とを半透明合成するステップを実施することを
特徴とするプログラム
- 表示部と撮像部とセンサー部とを備えたVR装置におけるVRの表示に関し、
撮像部でとらえた周囲画像とVR装置内で生成したVRCG画像とを半透明合成するステップを実施する際に、
センサー部でとらえた頭部の傾斜情報に基づいて半透明合成比率を変化させることを
特徴とするプログラム
- 表示部と撮像部とセンサー部とを備えたVR装置におけるVRの表示に関し、
撮像部でとらえた周囲画像とVR装置内で生成したVRCG画像とを半透明合成するステップを実施する際に、
センサー部でとらえた頭部の視線方向をZ軸、視線縦方向をY軸、視線横方向をX軸とするHMD視線立体座標系での傾斜角としてのX軸の回転量に基づいて半透明合成比率を変化させることを
特徴とするプログラム
- 請求項1から3に記載のプログラムが記憶された記憶媒体
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KR102189882B1 (ko) * | 2019-12-31 | 2020-12-11 | 주식회사 리얼테크 | 드론 조종 교육을 위한 드론 시뮬레이션 시스템 |
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