JPH09106322A - ヘッドマウントディスプレイにおける姿勢角検出装置 - Google Patents

ヘッドマウントディスプレイにおける姿勢角検出装置

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JPH09106322A
JPH09106322A JP7287851A JP28785195A JPH09106322A JP H09106322 A JPH09106322 A JP H09106322A JP 7287851 A JP7287851 A JP 7287851A JP 28785195 A JP28785195 A JP 28785195A JP H09106322 A JPH09106322 A JP H09106322A
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JP
Japan
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posture angle
angle
head
accelerometer
acceleration
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JP7287851A
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Michiyasu Tano
通保 田野
Tsutomu Miyasaka
力 宮坂
Kohei Tojo
浩平 東城
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Data Tec Co Ltd
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Data Tec Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】使用する場所や環境に制限されず、無限の空間
で使用できるヘッドマウントディスプレイにおける姿勢
角検出装置を提供すること。 【解決手段】ディスプレイ本体1には互いに直角な3軸
の回りの角速度を検出する第1、第2及び第3のジャイ
ロ5、6及び7と、上記3軸の回りの加速度を検出する
第1、第2及び第3の加速度計8、9及び10とからな
るセンサ部2を配置し、該センサ部2の出力する角速度
に基づいて姿勢角の動的成分を、加速度に基づいて姿勢
角の静的成分をそれぞれ算出し、使用者の頭部の動きに
対応して姿勢角の動的成分と姿勢角の静的成分とを実際
の姿勢角として選択的に出力する演算部3を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘッドマウントデ
ィスプレイにおける姿勢角検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、バーチャルリアリティに使用さ
れ、頭の動きを検出する方法として、図6(a)に示す
ように、交流磁場発生源20から微弱交流磁場20aを
発生し、ヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDと
いう)21に配置したセンサ部22でそれをセンスし、
制御演算部23で頭の動きを検出する交流磁場を利用す
る方法や、図6(b)に示すように、超音波発生源24
からの超音波信号24aをHMD25に配置したセンサ
部26でセンスし、制御演算部27で頭の動きを検出す
る超音波を利用する方法がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
交流磁場を利用した方法では、信号発生源が微弱交流磁
場のため、ノイズの影響を受けやすい。特に、腕時計等
の金属の影響でHMDの画面が歪んだり、周囲の金属の
影響等からHMDの画面が振動する等の問題がある。ま
た、ノイズをキャンセルする為にフィルタを多用するこ
とにより応答性が低下し、頭の動きに比べて、HMDの
映像の動きが遅くなり、気分を悪くしたり酔いを発生し
た。
【0004】また、後者の超音波を利用した方法では、
他の様々な超音波信号の影響を受けての誤動作や、信号
発生源とセンサとの間の遮蔽物により信号を検出できな
くなる可能性があり、センサの前に腕や髪の毛があるだ
けで受信不能になり誤動作してしまう等の問題があっ
た。
【0005】上述の何れの方法でも信号発生源からの信
号を検出してHMDの動きを検出するタイプのシステム
は信号発生源からの信号を正確に受信することが前提で
ある為、設置環境に制限があるうえに、外部からのノイ
ズに弱いという問題点があった。
【0006】本発明は上記問題点を解消し、使用する場
所や環境に制限されず、無限の空間で使用できるヘッド
マウントディスプレイにおける姿勢角検出装置を提供す
ることをその課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明に係るヘッドマウントディスプレイにおける
姿勢角検出装置は、ディスプレイ本体には互いに直角な
3軸の回りの角速度を検出する第1、第2及び第3のジ
ャイロと、上記3軸の回りの加速度を検出する第1、第
2及び第3の加速度計とからなるセンサ部を配置し、該
センサ部の出力する角速度に基づいて姿勢角の動的成分
を、加速度に基づいて姿勢角の静的成分をそれぞれ算出
し、使用者の頭部の動きに対応して 姿勢角の動的成分
と姿勢角の静的成分とを実際の姿勢角として選択的に出
力する演算部を備えたことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面によって本発明の実施
の形態について説明する。
【0009】図1はヘッドマウントディスプレイにおけ
る姿勢角検出装置(以下、姿勢角検出装置という)を適
用したヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとい
う)を示し、このHMDは目前にあるディスプレイに表
示された映像が頭の動きに連動して変化し、仮想空間を
体験できるように設けられているもので、このHMDを
装着したまま右を向くと、計測した頭の姿勢角を映像発
生装置に送信し、映像発生装置はその姿勢角にあった映
像をHMDに送信するので右に展開する映像が映し出さ
れ、頭の動きによって全空間の360度の映像を実感で
きるように設けられているものである。
【0010】図1において、符号1はディスプレイ本体
を示し、このディスプレイ本体1にはセンサ部2が配置
されている。このセンサ部2にはHMDの外部に配置さ
れた演算部3が信号ケーブル4で接続され、この演算部
4は使用者の身体にベルト等の適宜方法で取着できるよ
うに設けられている。
【0011】センサ部は図2に示すように、互いに直交
する3軸(X軸、Y軸及びZ軸)回りの回転角速度を検
出する為の第1のジャイロ(ロール角計測ジャイロ)
5、第2のジャイロ(ピッチ角計測ジャイロ6)及び第
3のジャイロ(ヨー角計測ジャイロ)7と、上記3軸回
りの回転角度を検出する為の第1の加速度計(ロール角
計測加速度計)8、第2の加速度計(ピッチ角計測加速
度計)9及び第3の加速度計(ヨー角計測加速度計)1
0とで構成され、使用者の頭の動きによってジャイロが
検出する角速度と、加速度計が検出する加速度とをケー
ブル4を介して演算部3に出力するように設けられてい
る。
【0012】なお、上記ジャイロには携帯用ビデオカメ
ラの手振れ防止用に開発された超小型振動ジャイロ(例
えば、(株)村田製作所製ENCー05D(商標名))
を利用し、加速度計には車の衝撃検知用に開発された加
速度計(例えばバイサラ(株)製の半導体技術により製
造されたSCA12(商標名))を利用すればよい。こ
れにより、ディスプレイ本体1にセットされるセンサ部
2は100g程度の重量となり、頭への重量をあまり感
じない程度に軽量化することができるとともに、タバコ
の箱の半分のサイズに納まるように形成することができ
る。
【0013】演算部3は図3に示すように、アナログI
/F11と、外部I/F12と、CPU13と、メモリ
14と、ロジック回路15とから構成され、演算結果を
信号ケーブル16を介して映像発生装置17に出力する
ように設けられている。
【0014】アナログI/F11はジャイロ5、6、7
及び加速度計8、9、10の出力するアナログデータ
(角速度、加速度)を高速処理するもので、ジャイロ
5、6、7の検出した角速度と、加速度計8、9、10
の検出した加速度とをそれぞれ増幅するアンプと、検出
信号をデジタル化するADコンバータとから構成されて
いる。
【0015】CPU13はマイクロプロセッサで構成さ
れ、上記アナログI/F11でデジタル信号に変換され
た角速度及び加速度をメモリ14に蓄積された所定のプ
ログラムに従ってそれぞれの姿勢角(ロール角、ピッチ
角、ヨー角)を算出し、応答性の早い部分はジャイロか
ら求めた動的な姿勢角を、応答性の遅い部分は加速度計
から求めた静的な姿勢角をそれぞれ選択して、外部I/
F12を介して実際の姿勢角として映像発生装置17に
出力するように設けられている。
【0016】外部I/F12は、上記CPU13で演算
して得られた姿勢角データを映像発生装置17に出力す
るように設けられている。上述のように姿勢角検出装置
は構成されているので、使用者はディスプレイ本体1を
頭部に取着してディスプレイに表示された映像を見て仮
想空間を体感する。使用者は仮想空間の見たい方向に頭
を動かすと、センサ部2は頭の動きを感知してX軸、Y
軸、Z軸に対応した角速度信号と加速度信号とを出力す
る。角速度信号と加速度信号とは演算部3に入力され
る。
【0017】演算部3では、ジャイロの出力した角速度
信号が電圧で出力されるので、角速度にスケール変換し
たのち、時間積分することによって傾きの角度(姿勢角
の動的成分)θH を算出する。
【0018】上記姿勢角θH は第1のジャイロ5、第2
のジャイロ6及び第3のジャイロ7についてそれぞれ算
出し、X軸、Y軸、Z軸に対応した角速度信号からそれ
ぞれ動的ロール角θHR、動的ピッチ角θHP及び動的ヨー
角θHYを算出する。
【0019】加速度計の出力した加速度信号は、加減速
による運動加速度成分と、傾斜によって発生する重力加
速度成分とが混在した信号として認識される。運動加速
度成分は周波数領域的には高周波成分に位置し、重力加
速度成分は低周波成分に位置する。そのため、姿勢角を
算出するには、該加速度信号から低周波成分を抽出し、
抽出した低周波成分から姿勢角を算出する。この低周波
成分は入力された加速度信号を予め設定したカットオフ
周波数F0のローパスフィルタを通して抽出すればよ
い。
【0020】加速度計は上述のようにして重力加速度成
分αを検出することができるので、図4に示すように3
0°傾いた時の加速度計の得る重力加速度はg・sin
(30°)であり、90°傾いた時の重力加速度はg・
sin(90°)になる。したがって、加速度計がαな
る重力加速度を検出した時の傾きの角度(姿勢角の静的
成分)θL は計算式(1)で求めることができる。
【0021】 θL =sinー1(α/g)・・・・・・・(1) 上記姿勢角θL は第1の加速度計8、第2の加速度計9
及び第3の加速度計10についてそれぞれ算出し、X
軸、Y軸、Z軸に対応した加速度信号からそれぞれ静的
ロール角θLR、静的ピッチ角θLP及び静的ヨー角θLYを
算出する。
【0022】なお、加速度計は運動により発生する加速
度も検出する為、時間平均し運動加速度成分をキャンセ
ルして姿勢角を求めるが、その為に応答性に問題が発生
するのでジャイロと組み合わせることにより解決するこ
とができる。
【0023】つまり、図5に示すように、応答性の早い
部分(周波数の高い)はジャイロから求めた姿勢角θH
、遅い部分(周波数の低い)を加速度計から求めた姿
勢角θL をそれぞれ選択し、選択した姿勢角を実際の姿
勢角(ロール角θTR、ピッチ角θTP、ヨー角θTY)とし
て外部I/Fを介して映像発生装置17に出力する。
【0024】上述のように、ジャイロの角速度から算出
した姿勢角の動的成分と、加速度計の加速度から算出し
た姿勢角の静的成分とから使用者の頭の動きの速度によ
って応答性の早い部分はジャイロから求めた姿勢角θH
、遅い部分は加速度計から求めた姿勢角θL を選択し
て実際の姿勢角θT として出力するので、現在多く利用
されている信号発生源からの信号をキャッチして姿勢角
を検出する方法に比べ、本発明に係るHMDの姿勢角検
出装置によれば、ジャイロと加速度とを使用して姿勢角
を検出することにより、信号発生源を利用することなく
単独でHMDの姿勢角を検出することができる。
【0025】また、信号発生源を利用しないので、HM
Dを使用する場所が特別な場所の条件を必要とせず、ど
のような環境の下でも使用することができる。
【0026】さらに、ジャイロは自立型センサーである
ため、外のノイズの影響を受けることがない。
【0027】
【発明の効果】本発明に係る姿勢角検出装置によれば、
信号発生源を利用することなくHMDを取着した頭の姿
勢角を検出することができるので、無限の空間で使用で
きるとともに、外部のノイズの影響を受けることがな
く、HMDを使用する場所が特別な場所の条件を必要と
せず、どのような環境の下でも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のHMDにおける姿勢角検出装置の使用
状態を説明する斜視図
【図2】センサ部の構成を示す斜視図
【図3】姿勢角検出装置の構成を示すブロック図
【図4】重力加速度と傾斜角度との関係を示すベクトル
【図5】姿勢角の周波数帯域におけるジャイロと、加速
度計との関係を示す姿勢角/周波数グラフ
【図6】(a)(b)は従来のHMDにおける姿勢角検
出装置の構成図
【符号の説明】
1 ディスプレイ本体 2 センサ部 3 演算部 5 第1のジャイロ 6 第2のジャイロ 7 第3のジャイロ 8 第1の加速度計 9 第2の加速度計 10 第3の加速度計

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディスプレイ本体には互いに直角な3軸
    の回りの角速度を検出する第1、第2及び第3のジャイ
    ロと、上記3軸の回りの加速度を検出する第1、第2及
    び第3の加速度計とからなるセンサ部を配置し、該セン
    サ部の出力する角速度に基づいて姿勢角の動的成分を、
    加速度に基づいて姿勢角の静的成分をそれぞれ算出し、
    使用者の頭部の動きに対応して姿勢角の動的成分と姿勢
    角の静的成分とを実際の姿勢角として選択的に出力する
    演算部を備えたことを特徴とするヘッドマウントディス
    プレイにおける姿勢角検出装置。
JP7287851A 1995-10-09 1995-10-09 ヘッドマウントディスプレイにおける姿勢角検出装置 Withdrawn JPH09106322A (ja)

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