バーチャルリアリティ学 第1章 学習メモ

本記事は、私が [VR技術者認定試験](https://vrsj.org/events/seminar/) に向けて [バーチャルリアリティ学](https://www.amazon.co.jp/dp/4904490053) を学習するために作成したメモです。
解説を目的とはしておりませんので、書籍を読んでいないとよくわからない点も多々あるかと思います。なにとぞご了承ください。

##### バーチャルリアリティ学 学習メモシリーズ
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- [バーチャルリアリティ学 第2章 学習メモ](https://qiita.com/segur/items/310e9e5323491a3c4178)
- [バーチャルリアリティ学 第3章 学習メモ](https://qiita.com/segur/items/4d37c27c7e40873144ba)
- [バーチャルリアリティ学 第4章 学習メモ](https://qiita.com/segur/items/abd328efcabd230b452a)


# 1.1 バーチャルリアリティとは何か

## 1.1.1 バーチャルの意味

### virtue（バーチュー）とは

物には `表面的` な部分と `本質的` な部分があって、 `本質的` の方が `virtue`

```mermaid
flowchart LR
    subgraph 物
        表面的部分
        本質的部分
    end
    virtue -.->|こっち| 本質的部分
```

### virtual（バーチャル）とは

- `virtue` の形容詞
- `virtual` は `表面的にはそうではないが本質的にはそうである` という意味
- existing in `essence` or effect though not in actual fact or form.
- 反意語は `nominal`（名目上の）

例: `virtual money`
- コインや紙幣の見た目をしていないが実質的にお金
- 「実際は存在しない想像上のお金」ではない

### `虚` とは

- `virtual` を `虚` と訳す風潮がかつてあった。（今はない）
    - 例: `real image`（実像）と`virtual image`（虚像）
- `虚` は `imaginary` に対応する訳語
    - 例: `real number`（実数）と`imaginary number`（虚数）
- `imaginary` とは、「空想上の」という意味
- `virtual` ≠ `虚`

### `仮想` とは

- `virtual` を `仮想` と訳す風潮がある。
    - 例: `virtual money`（仮想通貨）
    - 例: `virtual memory`（仮想記憶）
- `仮想` とは、「仮に想定した」という意味
- `virtual` ≠ `仮想`
    - 例: `仮想敵国` `supposed enemy` は `（本当は敵じゃないけど）仮に敵と想定した国` というニュアンス。
    - 例: `virtual enemy` は `（表面上は敵じゃないけど）本質的には敵` というニュアンス
    - 意味が真逆になってしまい、不要な争いにつながるリスクがある。


```mermaid
flowchart TB
    subgraph 　
        supposed仮想
        nominal名目
    end
    subgraph 　
        virtual実質
        real実
    end
    supposed仮想 -.-|類義語| nominal名目 
    virtual実質 <-->|反意語| nominal名目
    real実 <-->|反意語| imaginary虚
    virtual実質 -.-|類義語| real実

```

## 1.1.2 バーチャルリアリティとその三要素

### `本質` は目的で異なる

例: バーチャルヘリコプター

- ヘリコプターの操縦トレーニングが目的
    - フライトシミュレーターがバーチャルヘリコプター
- ヘリコプターでの遊覧飛行が目的
    - 遊覧飛行ゲームマシンがバーチャルヘリコプター

### バーチャルリアリティの三要素

以下の三要素をすべて兼ね備えているのが、理想的なバーチャルリアリティ

- 3次元の空間性
    - 立体的な視覚空間・聴覚空間が人間の周りに広がること
    - 例: 3D映画
- 実時間の相互作用性
    - 物体の後ろに回り込んだり、動かしたりできること
    - 例: コンピューターゲーム
- 自己投射性
    - 体性感覚や前提感覚等、さまざまな感覚と矛盾がないこと

## 1.1.3 バーチャルリアリティと人間の認知機構

人間は、視覚・聴覚・触覚等の感覚器を介してて現実を捉えている。
これは、カントが `悟性のアプリオリな形式` と呼んだ、人間の認知機構により、現象を認識しているにすぎず、物自体を認識しているわけではない。
感覚器のフィルターを介すため、現実そのものよりも情報量は減っている。
    - 例: 視覚が検出する電磁波の波長は `0.38～0.78μm` (380～780nm)
    - 例: 聴覚が検出する振動の周波数は `20～20,000Hz` (20Hz～20kHz)
VRの三要素を駆使すれば、現前しているのと同等の効果を引き起こしうる。

### アプリオリ（a priori）

ここでの `アプリオリ` は、カント哲学の用語で、 `経験に先立つ先天的な` `生得的な` `先験的な` のような意味。

### アポステリオリ（a posteriori）

`アポステリオリ` は、 `アプリオリ` の反意語。
`経験に基づく後天的な` `非生得的な` `後験的な` のような意味。

## 1.1.4 バーチャルリアリティの概念と日本語訳

### バーチャルリアリティの概念

`virtual` は欧米の概念であり、東洋（日本・中国）には `virtual` という概念がまったく存在しなかった。
そのため、 `虚` や `仮想` のような、誤解を招きやすい訳語を使わざるを得なかった。
しかし、 `虚` や `仮想` は、 `virtual` と逆の意味。
欧米人と `virtual` について会話する時は、無用の争いを生む可能性があるので、注意が必要。

### バーチャルリアリティの日本語訳

日本語で表記したい時は、訳さずに `バーチャルリアリティ` `VR` がオススメ
どうしても漢字で表記したい場合は `人工現実感` があるが、これは訳というより作りを表している。

## 1.1.5 道具としてのバーチャルリアリティ

VRは3Cと3Eのための道具とみなせる。 `human tools of 3Cs and 3Es`

| 3Cと3E | 和訳 |
|---|---|
| Creation | 創造 |
| Control | 制御 |
| Communication | 通信 |
| Elucidation | 解明 |
| Education | 教育 |
| Entertainment | 娯楽 |

# 1.2 VRの要素と構成

## 1.2.1 VRの基本構成要素

```mermaid
flowchart LR
    ユーザ
    subgraph システム
        出力システム
        シミュレーションシステム
        入力システム
    end

    ユーザ -->|操作| 入力システム
    入力システム --> シミュレーションシステム
    シミュレーションシステム --> 出力システム
    出力システム -->|感覚提示| ユーザ
```
※mermaidで作図しているため、教科書とレイアウトが違います

操作と感覚の `ループ` によって現実感を感じる。

### ディスプレイ

- `ディスプレイ` とは `出力システム` のこと。
- システムから見ると `出力` だが、ユーザーから見ると `感覚入力`
- 視覚刺激だけでなく、全感覚レンジに `ディスプレイ` という言葉をVR学では使う。

## 1.2.2 VR世界のいろいろ

テレイグジスタンス

```mermaid
flowchart LR
    ユーザ
    subgraph VRシステム
        出力システム
        入力システム
    end
    subgraph 遠方の現実世界
        ロボット
    end

    ユーザ -->|操作| 入力システム
    入力システム -->|通信回線| ロボット
    ロボット -->|通信回線| 出力システム
    出力システム -->|感覚提示| ユーザ
```
※mermaidで作図しているため、教科書とレイアウトが違います

## 1.2.3 VRをどうとらえるか

VRのとらえ方は、様々なものがある。

### `AIPキューブ` でVRをとらえる

MIT Media Lab `D.Zeltzer` 氏が提唱したAIPキューブは以下の3つの軸を持つ。

- Autonomy（自律性）
- Interaction（対話性）
- Presence（臨場感）

`(A,I,P)` のように座標値で表現する。

例:
- オムニマックスシアター（全天周シアター）は `(0,0,1)`
- TVゲームは `(0.5,0.5,0.5)`

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/9e3fd4dc-b7e7-28e5-300a-66e92e1d638f.png)
※引用: [ResearchGate / The-AIP-Cube-from-Zelt92](https://www.researchgate.net/figure/The-AIP-Cube-from-Zelt92_fig2_242374257)

現状のメディア技術とVRとの間の位置付けを論じる上で、有効。

### ヒューマンインターフェースの観点でVRをとらえる

#### 従来の(VR以外の)ヒューマンインターフェース

- システムとユーザーの関係は `対面的`
- ユーザが第三人称的にシステムを眺める。
- 恣意的な決まりごとがある。
    - 例: シングルクリックでファイルを選択、ダブルクリックでファイルを開く
    - 例: □ボタンでパンチ、✕ボタンでキック

```mermaid
flowchart LR
    ユーザ <--> システム
```

#### VRのヒューマンインターフェース

- VRの世界とユーザーの関係は `包含的`
- VRは第一人称体験
- 恣意的な決まりごとが極小化されている。
- `身体運動` との `相似性` が高い。

```mermaid
flowchart LR
    subgraph システム
        ユーザ
    end
```

# 1.3 VRの歴史

## 1万8000年前 ラスコー洞窟の壁画

- 人類最古の壁画
- 祭祀用の儀式に使われた

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/6e602b53-92b4-48e4-e0d7-51ee77b199e4.png)
※引用: [Wikipedia / ラスコー洞窟](https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%B9%E3%82%B3%E3%83%BC%E6%B4%9E%E7%AA%9F)

## 18～19世紀 パノラマの時代

### 1787年～1863年 `Robert Barker` 氏の全天周絵画

- まるで丘の頂上から街を眺めているかのような体験
- 円筒形の壁面の内側に描かれた巨大な絵画
- コンテンツはさまざまだが、有名なのは「エジンバラの風景」（カルトン・ヒルの頂上からの眺め）
- 鑑賞者はシアター中央の展望台から鑑賞
- 360°すべての方向に絵があることで、元の光景を再現する試み


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/86b4ef0a-e06b-9200-2ffa-eadb2108475c.png)
※引用: [Wikipedia / Panorama](https://en.wikipedia.org/wiki/Panorama)


### 1900年 `Mareorama`

- まるで船の甲板にいるような体験を楽しむ娯楽アトラクション
- ロール式の絵を巻き取りながら動かし、動きを表現する `ムービングパノラマ`
- ピッチング・ローリングの動きを伴う客船型の観覧台
- 送風機による潮の香り
- 照明による太陽の動き
- パノラマ最後の技術開発と言われている（この後、映写機の登場によって、パノラマは衰退）

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/1d5b3450-941c-60c2-e8c0-8747c60742a6.png)
※引用: [Wikipedia / Mareorama](https://en.wikipedia.org/wiki/Mareorama)

## 1960年代 コンピューターを用いたVRが登場

### 1963年 `M.Heilig` 氏の `SEN-SORAMA`

- 街中をバイクで走り回る体感ゲーム
- ディスプレイに立体映像
- 椅子が振動する
- ファンで顔へ風を当てる
- 風景に合わせた臭いを提示

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/1bc3cfdd-7250-b2ac-a253-9dd74a95f7b8.png)
※引用: [Wikipedia / センソラマ](https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%BD%E3%83%A9%E3%83%9E)

### 1967年 North Carolina大学 `Project GROPE`

- CG映像に触るというコンセプト
- マスターアームを力覚フィードバックとして用いた。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/0ab4c9e2-3d7c-c12d-72c7-eec286db0e76.png)
※引用: [ResearchGate / GROPE-HI-haptic-display-system-in-use](https://www.researchgate.net/figure/GROPE-HI-haptic-display-system-in-use_fig1_220721620)

### 1968年 `I.Sutherland` 氏の `Ultimate Display`

- **最初のHMD**。
- ハーフミラーを利用した光学シースルー。
- ポリゴンではなく線画。
- `機械式` リンク機構で頭部の回転を測定。
    - 自分の向いている方向の映像を見ることができた。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/2d201f88-8a87-05f2-1a3e-8ea72643a48d.png)
※引用: [ResearchGate / The-worlds-first-head-mounted-display-with-the-Sword-of-Damocles-Sutherland-1968](https://www.researchgate.net/figure/The-worlds-first-head-mounted-display-with-the-Sword-of-Damocles-Sutherland-1968_fig2_292150312)

### 1969年 `M.Krueger` 氏の `METAPLAY`

- `インタラクティブアート` という概念の提唱。
- 鑑賞者の姿をビデオカメラで撮影し、映像作品に反映させる。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/a471522e-d544-7024-514e-9f4ab8bf54bf.png)
※引用: [Myron Krueger Biography:](http://thedigitalage.pbworks.com/w/page/22039083/Myron%20Krueger)


## 1980年代 航空宇宙分野・ロボット分野で発展

### 1981年 MIT MediaLab `N.Negroponte` 氏の `MediaRoom`

- 空間型インターフェースの概念の提唱。
- 部屋全体がコンピューター端末。
- 壁面スクリーンを音声・ジェスチャー等で操作。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/661f9891-ad35-e36f-1f8f-d26adaa034b1.png)
※引用: [Dataland: the MIT's '70s media room concept that influenced the Mac](https://www.theverge.com/2012/5/24/3040959/dataland-mits-70s-media-room-concept-that-influenced-the-mac)

### 1982年 機械技術研究所 `舘暲` 氏らの `TELESAR` （テレサ）

- `テレイグジスタンス` の概念の提唱。
- マスタースレーブ型ロボット。
- スレーブロボットの視覚・力覚をマスター側の操縦者にフィードバック。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/b485bd42-83d4-dd30-8c82-1e805918157f.png)
※引用: [テレイグジスタンスロボット「TELESAR」](https://tachilab.org/jp/projects/telesar.html)

### 1983年 米国海軍海洋システムセンター `J.D.Hightower` 氏の `Greenman`

- テレプレゼンスロボット
- エグゾスケルトン型のデザインを操縦者が装着
- 立体視映像や力覚フィードバックを伴った直接操作

![Greenman-teleoperator-x640.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/fd4f5764-7eb2-263b-95b4-96bbb0638237.jpeg)
※引用: [1983-88 – “GREENMAN” TELEOPERATOR – SMITH & ARMOGIDA (AMERICAN)](http://cyberneticzoo.com/teleoperators/1983-88-greenman-teleoperator-smith-armogida-american/)

### 1982年 米国空軍 `T.Furness` 氏の `VCASS`

- ヘルメット型HMD
- 戦闘機用コクピットのVR

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/b7e2c3ac-b1e6-87af-797e-6a13a13563cb.png)
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/9febb2af-b95c-817f-310c-20349b4f8990.png)
※引用: [The Complete History of VR – Part 5: Exploring The Uses of VR](https://www.virtual-reality-shop.co.uk/the-complete-history-of-vr-part-5/)

### 1985年 NASA `M.McGreevy` `S.Fisher` 氏の `Virtual Environment`

- 宇宙船内のコクピットの設計
- HMD
- データグローブ
- 3次元音響

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/221845/2aa94c4f-7c0c-2a58-2d07-65f52b4fe41d.png)
※引用: [Time Machines: NASA goes virtual at CES](https://www.engadget.com/2013-12-15-time-machines.html)



# さいごに
本記事作成にあたり以下のページを参考にさせていただきました。ありがとうございました！

- [VR技術者認定講習会・試験](https://vrsj.org/events/seminar/)
- [History of VR - Timeline of Events and Tech Development](https://virtualspeech.com/blog/history-of-vr)
- [「バーチャルリアリティ学」第1〜4章　学習用ドキュメント](https://qiita.com/Somelu01/items/ec8d94e923a3ba818829)
- [『バーチャルリアリティ学』１〜４章まとめ](https://qiita.com/nkjzm/items/9a897b005c6640ef242a)