JPH11183120A - 位置検出装置及び仮想現実感提供装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で低コストの位置検出装置及びそ
れを利用した仮想現実感提供装置を実現する。 【解決手段】 取り付けられたユニットの所定範囲内で
の位置を検出する位置検出装置であって、所定範囲の上
部に設けられた点光源113 と、レンズ11と、受光面が点
光源の像が結像される位置にレンズの光軸に垂直である
ように配置された光像位置検出センサ12とを有し、光像
位置検出センサの受光面上での点光源の像の位置を示す
信号を出力する受光ユニット10と、ユニットの方位を検
出する方位検出手段23と、ユニットの傾きであるＸ傾斜
とＹ傾斜を検出するＸ軸及びＹ軸傾斜検出手段21,22
と、検出した方位とＸ傾斜とＹ傾斜に基づいて点光源の
像の位置を補正し、補正した像の位置と点光源とレンズ
と光像位置検出センサの位置関係とからユニットの位置
を算出する位置算出部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、取り付けられた物
体の所定範囲内での位置を検出する位置検出装置及びそ
れを使用して検出した使用者の位置に応じて提供する画
像を変化させる仮想現実感提供装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、両眼に視差に相当する分だけずれ
た画像を与えることにより、あたかも３次元空間にいる
が如き感覚を与える仮想現実感（バーチャルリアリテ
ィ）提供装置が実用化されてゲーム等に応用されてお
り、より広い分野への応用が期待されている。視差分ず
れた画像を両眼に提供する方法は各種提案されている
が、現状でもっとも一般的なのが、頭部に装着されるヘ
ッドマウントディスプレイとよばれる、それぞれの眼の
直前に液晶等の表示装置とレンズの組を配置し、それぞ
れの眼に独立に画像を提供するものである。使用者は、
頭部にヘッドマウントディスプレイを装着し、それぞれ
の眼に提供される視差分異なった画像を見ることによ
り、あたかも３次元空間にいるが如き感覚を呈する。

【０００３】ゲーム装置では、遊戯者が提供される３次
元空間に応じてボタンやキー等を操作してプレーを行
う。遊戯者は頭部にヘッドマウントディスプレイを装着
した状態でプレーを行うが、良好な仮想現実感を提供す
るためには、位置や向いている方向を変えた場合、その
変化に応じて提供する画像を変化させる必要がある。位
置と方向の両方を検出して、それぞれの変化に応じて画
像を変化させることが望ましい。方向の変化を検出する
には、ジャイロセンサを使用するのが一般的であるが、
位置についてはよい検出方法がなく、位置の変化を検出
してそれに応じて画像を変化させることはあまり行われ
ていなかった。本発明は、位置の変化、いいかえればヘ
ッドマウントディスプレイを装着した人の位置を検出す
ることを対象とする。

【０００４】図９は、ヘッドマウントディスプレイの位
置を検出する従来の構成例を示す図である。図９におい
て、参照番号１００はゴーグル１０４が設けられたヘッ
ドマウントディスプレイ１０２を装着する使用者であ
り、ゴーグル１０４には両眼に映像を提供する装置が設
けられている。ヘッドマウントディスプレイ１０２の上
部には超音波源１０５が設けられており、周期的に超音
波を出力する。使用者が移動する範囲の上部には、超音
波を集音するマイク１０６から１０８が設けられてお
り、各マイクで超音波を捕らえるタイミングを検出する
ことにより超音波源１０５から各マイクまでの距離を検
出し、３角法により超音波源１０５、すなわち、ヘッド
マウントディスプレイ１０２の位置を検出している。図
示したものの他に向きを検出するためのジャイロセンサ
等が設けられているが、ここでは省略してある。

【０００５】本発明は、仮想現実感提供装置におけるヘ
ッドマウントディスプレイの位置変化を検出するための
位置検出装置を実現するためになされたが、発明された
位置検出装置は、仮想現実感提供装置以外のものにも適
用可能であり、これに限られるものではない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図９に示したヘッドマ
ウントディスプレイの位置検出装置は、装置が複雑でコ
ストが高いという問題があった。そのため、より簡単で
低コストの位置検出装置が要望されていた。本発明は、
このような問題点を解決するものであり、簡単な構造で
低コストの位置検出装置の実現を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、取り付けられたユニットの所定範囲内での位置を検
出する位置検出装置であって、所定範囲の上部に設けら
れた点光源と、点光源の像を結像するように配置された
レンズと受光面が点光源の像が結像される位置にレンズ
の光軸に垂直であるように配置された光像位置検出セン
サとを有して光像位置検出センサの受光面上での点光源
の像の位置を示す信号を出力する受光ユニットと、鉛直
方向を回転軸とするユニットの回転である方位を検出す
る方位検出手段と、水平面内の互いに垂直な所定の２軸
を回転軸とするユニットの回転であるＸ傾斜とＹ傾斜を
検出するＸ軸及びＹ軸傾斜検出手段と、方位検出手段
と、Ｘ軸及びＹ軸傾斜検出手段の検出したユニットの方
位とＸ傾斜とＹ傾斜に基づいて補正した受光ユニットの
出力する点光源の像の位置と、点光源とレンズと光像位
置検出センサの位置関係とからユニットの位置を算出す
る位置算出部とを備えることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の仮想現実感提供装置は、使
用者の頭部に装着され、使用者の両眼にそれぞれ画像を
提供する画像表示手段を有するヘッドマウントディスプ
レイと、ヘッドマウントディスプレイの画像表示手段に
表示する画像を生成する制御部とを備え、使用者の両眼
に提供する画像を視差分異ならせることにより使用者に
３次元画像を提供する仮想現実感提供装置において、上
記の位置検出装置を、使用者の上部に、光が下方に向か
って放射されるように点光源を配置し、受光ユニット
と、方位検出手段と、Ｘ軸及びＹ軸傾斜検出手段とをヘ
ッドマウントディスプレイの上に配置するように設け、
制御部は、位置検出装置の検出したヘッドマウントディ
スプレイの位置に応じて、画像表示手段に表示する画像
を変化させることを特徴とする。

【０００９】本発明の位置検出装置では、ヘッドマウン
トディスプレイ、すなわち、受光ユニットが移動する
と、移動量に応じて光像位置検出センサの受光面上での
点光源の像の位置が変化することを利用して、像の位置
を検出することにより受光ユニットが位置を検出する。
これであれば、構造が簡単で低コストで実現できる。光
像位置検出センサの受光面上での点光源の像の位置は、
受光ユニットの向きが変化すると変化する。向きの変化
は、方位とＸ傾斜とＹ傾斜の成分に分けられる。従っ
て、向きの変化を検出して補正を行う必要がある。

【００１０】前述のように、ヘッドマウントディスプレ
イでは、ヘッドマウントディスプレイの向きを検出する
ためにジャイロセンサが設けられているので、方位検出
手段とＸ軸及びＹ軸傾斜検出手段として、すでに設けら
れているジャイロセンサを使用すればコストが増加する
こともない。また、このような位置検出装置を使用する
ことにより、位置の変化に応じて提供する画像を変化さ
せて、より現実感のある間隔を提供できる仮想現実感提
供装置が低コストで実現できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例の仮想現
実感提供装置の全体構成を示す図である。この仮想現実
感提供装置は、リハビリテーションを必要とする患者に
屋外を移動する等の仮想現実感を与え、それに応じて患
者に器具を操作させて、リハビリテーションの効果を増
進させようとするものである。

【００１２】図１において、参照番号１００はリハビリ
テーションを受ける患者を、１０１はリハビリテーショ
ン用の器具を、１０２は患者１００の頭部に取り付けら
れるヘッドマウントディスプレイを、１０３はヘッドマ
ウントディスプレイ１０２に取り付けられた受光ユニッ
トを、１１１と１１２は柱を、１１３は点光源部を、１
１４は点光源部１１３の光源を駆動する光源ドライバ
を、７０は装置全体を制御する制御部を、６２は初期角
度及び位置を設定するためのボタンスイッチを示す。

【００１３】ヘッドマウントディスプレイ１０２は、両
眼にそれぞれ独立した画像を提供する液晶表示装置等の
表示手段と投影レンズを有する。制御部７０は、視差分
異なる画像が両眼にそれぞれ提供されるように、この表
示手段に画像信号を供給する。患者１００は、両眼で視
差分異なる画像を見ることにより、屋外にいるような感
覚になる。患者１００は提供される画像を見ながら、制
御部７０から音声信号等で提供される指示に従ってリハ
ビリテーション用器具１０１を操作する。制御部７０
は、操作状態を検出して、提供する画像を変化させ、患
者の操作に応じて屋外を移動する等の感覚を与える。

【００１４】患者１００はリハビリテーション用器具１
０１の操作時に顔の向きを変化させる。良好な仮想現実
感を提供するためには、患者１００の位置や顔の向きの
変化に応じて提供する画像を変化させる必要がある。点
光源部１１３は、柱１１１、１１２により、患者１００
がリハビリテーション用器具１０１を操作する位置の上
部に配置される。受光ユニット１０３は、ヘッドマウン
トディスプレイ１０２の上部に、点光源部１１３からの
光を受けるように配置されている。光源ドライバ１１４
は、制御部７０からの制御信号に従って、点光源部１１
３の光源の点灯を制御する。制御部７０は、受光ユニッ
ト１０３及び後述する方位計とＸ方向及びＹ方向傾斜計
で検出したヘッドマウントディスプレイ１０２の位置と
向きにに従って、提供する画像を変化させる。

【００１５】図２は、点光源部１１３と、ヘッドマウン
トディスプレイ１０２の上部に設けられた受光ユニット
１０３と、傾斜・方位計のユニット２０を示す図であ
る。後述するように、傾斜・方位計のユニット２０には
Ｘ方向傾斜計と、Ｙ方向傾斜計と、方位計が設けられて
いる。図２に示すように、点光源部１１３は十分に小さ
な光源であり、その下側の所定の範囲に光を放射する。
後述するように受光ユニット１０３に所定の波長のみを
透過させるフィルタを設けて外乱光の影響を低減するた
め、所定の波長の光のみを放射することが望ましい。こ
のためには、ＬＥＤ等の単波長の光を出力する光源を使
用するか、所定の波長の光のみを透過するフィルタを設
ける。

【００１６】受光ユニット１０３には、患者が水平方向
を見ている時に光軸が鉛直方向になるレンズ１１と、レ
ンズ１１により点光源部１１３の像が形成される結像面
に受光面が設けられた光像位置検出センサ１２と、点光
源部１１３の放射する所定の波長の光のみがレンズ１１
へ入射するようにするフィルタ１３とを有する。光像位
置検出センサ１２は、光半導体で作られた受光面を有
し、受光面上で正方形の４つの頂点に相当する位置に４
つの個別電極を、正方形の中心に相当する位置に共通電
極を設け、光が受光面上に点状に照射されると各個別電
極と共通電極の間の抵抗が変化するので、各個別電極と
共通電極の間に電圧を印加して各個別電極に流れる電流
を検出することにより点像の照射位置を検出するもの
で、通常ポジションセンサと呼ばれて広く使用されてい
るものである。ここでもポジションセンサという名称を
使用する。

【００１７】図２に示すように、受光ユニット１０３を
点光源部１１３の真下に配置し、レンズ１１の光軸上に
点光源部１１３が位置するような状態で、レンズ１１に
より形成される点光源部１１３の像がポジションセンサ
１２の共通電極の位置になるようにレンズ１１とポジシ
ョンセンサ１２を位置決めする。すなわち、ポジション
センサ１２の共通電極がレンズ１１の光軸上に配置され
るようにする。共通電極の位置を座標系の原点とする。
図２に示すように、受光ユニット１０３を移動させる
と、レンズ１１の光軸に対する点光源部１１３の位置が
変化し、ポジションセンサ１２の受光面上の光像の位置
も変化する。受光ユニット１０３の移動量とポジション
センサ１２の受光面上の光像の移動量の間には所定の関
係があるので、ポジションセンサ１２の受光面上の光像
の位置を検出して受光ユニット１０３の移動量を算出す
る。

【００１８】図３は、本実施例において、受光ユニット
１０３の位置を算出する処理を行う部分の構成を示す図
である。この部分は制御部７０内に設けられる。制御部
７０は患者１００の両眼に提供する映像の生成等のため
にコンピュータが設けられており、受光ユニット１０３
の位置を算出する処理もこのコンピュータで行われる。
図３において、参照番号３１はＣＰＵであり、３２はＲ
ＯＭであり、３３はＲＡＭであり、これらが通常のコン
ピュータを構成する。実際には、映像情報を記憶するた
めの外部記憶装置等が設けられているが、発明に直接関
係しないので、ここでは示しておらず、説明も省略す
る。コンピュータは、入力ポート３４を介して、ポジシ
ョンセンサ１２、Ｘ方向傾斜計２１、Ｙ方向傾斜計２
２、方位計２３の出力を読み取れるように構成されてい
る。

【００１９】Ｘ方向傾斜計２１、Ｙ方向傾斜計２２、方
位計２３は、ヘッドマウントディスプレイ１０２の各座
標軸を中心とする回転成分を検出するものである。方位
計２３は鉛直方向の軸であるＺ軸を中心とする回転を検
出するもので、患者１００の向いている方向を出力す
る。Ｘ方向傾斜計２１は、Ｙ軸を中心とする回転を検出
するもので、ＸＺ軸平面内での傾きを出力する。また、
Ｙ方向傾斜計２１は、Ｘ軸を中心とする回転を検出する
もので、ＹＺ軸平面内での傾きを出力する。ここで、患
者１００は、リハビリテーション中に頭部をあまり大き
く傾けることはないものとする。

【００２０】Ｘ方向傾斜計２１、Ｙ方向傾斜計２２、方
位計２３は、角加速度計と、検出した角加速度から回転
角速度及び回転角度を算出する処理回路とを有する公知
の回転角度検出器であり、例えば、図４に示すような構
成を有するものである。図４に示したものは、ファース
バランス形とよばれるもので、ピボット５３で支持され
た片持ち梁５１を角速度を検出する方向５９に垂直にな
るように配置する。加速度がかかり片持ち梁５１のもう
一方の端が変位するが、それをピックオフ５４で電気信
号として検出してサーボ増幅器５５に入力する。サーボ
増幅器５５はこの信号に応じた電流をプルーフマス５２
と補助線輪５６の電磁石の部分にフィードバックする。
これにより片持ち梁５１には逆方向に加速度がかかり安
定する。この時のフィードバック電流は加速度に比例し
ており、フィードバック電流を検出することにより加速
度を検出する。加速度を時間積分すれば速度が、速度を
時間積分すれば回転角度が検出できるので、このような
処理を信号処理部５８で行い、回転角度が出力される。

【００２１】次に、受光ユニット１０３で検出されるポ
ジションセンサ１２の受光面上の光像の位置から光ユニ
ット１０の位置を算出する処理について説明する。図５
は、レンズ１１の光軸が鉛直方向で方位も変化しない状
態で受光ユニット１０３が移動した場合の処理を説明す
る図である。ＸＹＺ座標系は患者が移動する空間の座標
系を、ｘｙｚ座標系はポジションセンサ１２の座標系を
示す。

【００２２】レンズ１１がＸＹ平面上を移動すると、図
５の（１）に示すように、光像のｘｙ平面上の位置が変
化する。図５の（２）は（１）の状態をＸＺ平面に投影
した状態を示す。図示のように、レンズ１１の中心から
受光面までの距離をＷとし、点像のｘ座標をｘ０とする
と、角度θは次の式（１）で表される。 θ＝Ｔａｎ^-1ｘ０／Ｗ …（１） 点光源部１１３からレンズ１１の中心からまでの距離を
Ｈとすると、レンズ１１の中心のＸ座標Ｘ０は次の式
（２）で表される。

【００２３】 Ｘ０＝Ｈ×Ｔａｎθ ＝Ｈ×Ｔａｎ（Ｔａｎ^-1ｘ０／Ｗ） …（２） これらの式は、ＹＺ平面に投影した成分についても成立
するので、レンズ１１の中心位置が算出できる。図６
は、レンズ１１の光軸がＺ軸と一致しない場合、すなわ
ち、Ｘ方向傾斜計２１とＹ方向傾斜計２２の出力がゼロ
でなく、受光ユニット１０３が傾いた場合の処理を説明
する図である。

【００２４】この場合も、図６の（１）の状態をＸＺ平
面及びＹＺ平面に投影してＸ成分とＹ成分を別々に算出
することが可能である。図６の（２）はＸＺ平面に投影
した状態を示す。図６の（２）において、レンズ１１の
光軸が鉛直方向に対してφ傾いたとすると、角度θは次
の式（３）で表される。

【００２５】θ＝Ｔａｎ^-1ｘ０／Ｗ＋φ …（１） 従って、レンズ１１の中心のＸ座標Ｘ１は次の式（４）
で表される。 Ｘ１＝Ｈ×Ｔａｎθ ＝Ｈ×Ｔａｎ（Ｔａｎ^-1ｘ０／Ｗ＋φ） …（４） これらの式は、ＹＺ平面に投影した成分についても同様
に成立する。

【００２６】図７は、レンズ１１の光軸がＺ軸を中心と
してψ回転した場合の処理を説明する図である。この場
合は、ｘｙ座標をｘ’ｙ’座標に座標変換する。ｘｙ座
標とｘ’ｙ’座標の変換式は次の式（５）で表される。 ｘ’＝ｘＣｏｓψ−ｙＳｉｎψ ｙ’＝ｃＳｉｎψ＋ｙＣｏｓψ ｘ² ＋ｙ² ＝ｘ’² ＋ｙ’² …（５） 以上のようにして、ヘッドマウントディスプレイ１０２
が傾いたり回転した場合にも、位置が検出できる。

【００２７】図８は、本実施例における位置検出の処理
動作を示すフローチャートである。ステップ２０１で
は、制御部７０が患者１００に対して、指示された方向
に向いて初期角度設定用ボタンスイッチ６２を押すよう
に指示する。ステップ２０２では、ボタンスイッチ６２
が押されたことを確認し、押された場合にはステップ２
０３に進む。

【００２８】ステップ２０３では、Ｘ方向傾斜計２１
と、Ｙ方向傾斜計２２と、方位計２３の示す角度をリセ
ットし、ゼロを示すようにする。ステップ２０４では、
ポジションセンサ１２の出力を読み取り、その時点のポ
ジションセンサ１２の出力をオフセット値として記憶す
る。上記のように、ポジションセンサ１２は、図２に示
すように、受光ユニット１０３を点光源部１１３の真下
に配置し、レンズ１１の光軸上に点光源部１１３が位置
するような状態で、レンズ１１により形成される点光源
部１１３の像がポジションセンサ１２の共通電極の位置
になるように位置決めされているが、実際には誤差があ
るので、このような補正を行う。以下の説明では、ポジ
ションセンサ１２の出力はこの分が補正された信号とす
る。

【００２９】ステップ２０５では、リバビリテーション
が開始されることを患者１００に知らせる。ステップ２
０６では、Ｘ方向傾斜計２１と、Ｙ方向傾斜計２２と、
方位計２３の出力を読み取り、Ｘ方向の傾斜とＹ方向の
傾斜と方位を算出する。ステップ２０７ではポジション
センサ１２の出力を読み取り、ポジションセンサ１２の
受光面上での点光源部１１３の位置を読み取る。そし
て、ステップ２０８で、ステップ２０６で検出したＸ方
向の傾斜とＹ方向の傾斜と方位に基づいて上記の補正
と、レンズ１１の中心位置の算出する。ステップ２０９
では、算出したレンズ１１の中心位置をヘッドマウント
ディスプレイ１０２の位置として出力した後、ステップ
２０６に戻り、終了するまでステップ２０６から２０９
の処理を繰り返す。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、傾いた
り回転してもヘッドマウントディスプレイ１０２の位置
が容易に検出可能であり、しかもヘッドマウントディス
プレイ１０２の傾きや回転の影響の除去は他の目的で設
けられている検出器の検出結果を利用して行えるため、
コストを増加させることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の全体構成を示す図である。

【図２】実施例における光源部と、受光ユニットと、傾
斜・方位計の配置及び、受光ユニットの構成を示す図で
ある。

【図３】実施例における信号処理部の構成を示す図であ
る。

【図４】傾斜・方位計を構成する回転角度検出器の構成
を示す図である。

【図５】レンズの光軸が鉛直方向で方位も変化しない状
態で受光ユニットが移動した場合に位置を算出する処理
を説明する図である。

【図６】レンズの光軸がＺ軸と一致しない状態で受光ユ
ニットが移動した場合に位置を算出する処理を説明する
図である。

【図７】レンズの光軸がＺ軸を中心として回転した状態
で受光ユニットが移動した場合に位置を算出する処理を
説明する図である。

【図８】実施例における処理動作を示すフローチャート
である。

【図９】ヘッドマウントディスプレイの位置を検出する
従来の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１１…レンズ １２…光像位置検出センサ（ポジションセンサ） １３…フィルタ ２０…傾斜・方位計ユニット ２１…Ｘ方向傾斜計 ２２…Ｙ方向傾斜計 ２３…方位計 ７０…制御部 １００…患者 １０２…ヘッドマウントディスプレイ １０３…受光ユニット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 取り付けられたユニットの所定範囲内で
   の位置を検出する位置検出装置であって、 前記所定範囲の上部に設けられた点光源（１１３）と、 前記点光源（１１３）の像を結像するように配置された
   レンズ（１１）と、受光面が前記点光源（１１３）の像
   が結像される位置に前記レンズ（１１）の光軸に垂直で
   あるように配置された光像位置検出センサ（１２）とを
   有し、前記光像位置検出センサ（１２）の前記受光面上
   での前記点光源（１１３）の像の位置を示す信号を出力
   する受光ユニット（１０３）と、 鉛直方向を回転軸とする前記ユニットの回転である方位
   を検出する方位検出手段（２３）と、 水平面内の互いに垂直な所定の２軸を回転軸とする前記
   ユニットの回転であるＸ傾斜とＹ傾斜を検出するＸ軸及
   びＹ軸傾斜検出手段（２１、２２）と、 前記方位検出手段（２３）と前記Ｘ軸及びＹ軸傾斜検出
   手段（２１、２２）の検出した前記ユニットの方位とＸ
   傾斜とＹ傾斜に基づいて前記受光ユニット（１０３）の
   出力する前記点光源（１１３）の像の位置を補正し、補
   正した像の位置と、前記点光源（１１３）と前記レンズ
   （１１）と前記光像位置検出センサ（１２）の位置関係
   とから前記ユニットの位置を算出する位置算出部とを備
   えることを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 使用者（１００）の頭部に装着され、当
   該使用者（１００）の両眼にそれぞれ画像を提供する画
   像表示手段を有するヘッドマウントディスプレイ（１０
   ２）と、 該ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の前記画像表
   示手段に表示する画像を生成する制御部（７０）とを備
   え、前記使用者（１００）の両眼に提供する画像を視差
   分異ならせることにより使用者に３次元画像を提供する
   仮想現実感提供装置において、 請求項１に記載の位置検出装置を、 前記使用者（１００）の上部に、光が下方に向かって放
   射されるように前記点光源（１１３）を配置し、 前記受光ユニット（１０３）と、前記方位検出手段（２
   ３）と、前記Ｘ軸及びＹ軸傾斜検出手段（２１、２２）
   とを前記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の上に
   配置するように備え、 前記制御部（７０）は、前記位置検出装置の検出した前
   記ヘッドマウントディスプレイ（１０２）の位置に応じ
   て、前記画像表示手段に表示する画像を変化させること
   を特徴とする仮想現実感提供装置。