モジュール型デバイスによる実世界への図形描画と空間計測
飯田一樹†

池内隼生††

内山 俊朗‡‡

鈴木 健嗣†

Modular device for geometrical drawing
and spatial measurement in the real world
KAZUKI IIDA†

1.

JUNKI IKEUCHI††TOSHIAKI UCHIYAMA‡‡

KENJI SUZUKI†

な社会的音楽インタフェースを開発 ４，５）しており，はじめにこれを運動療法へ適用する試みを行っている．これら

現在，実世界における情報提示や直感的な情報操作に共通する点は，単なる運動計測のみならず，同時にを目指し，仮想現実感やタンジブルインタフェース，音や光により人の動作を促すことが可能であるという及び実空間と仮想世界を重ね合わせる複合現実感

１）特徴を有することであると言える．

技術などの研究が広く行われている．このように，現しかしながら，このような動作計測及び情報提示を実の空間内における人の動作に応じて情報空間の操作実現するためには，装置が大掛かりになったり，実空を行うためには，適切な情報提示と実時間での動作計間に情報を提示するための使用場所に制限が大きいた

測が必要不可欠である．情報提示については，プロめ，使用者のみならず周囲の環境に対する負荷が高くジェクタや HMD などによる視覚刺激に加え，スピーなる．また，前述のタイルデバイスなどでも，予め定カやハプティックデバイスなど聴覚・触覚提示が用いめたインタフェースの形状に制約され，実空間に自由られる．一方動作計測には，カメラ計測に加え，レンに計測空間を生成することは難しい．

ジファインダ，フォースプレート，モーションキャプ

そこで本稿では，環境や使用者へ大きな負荷を与えチャ等，環境にセンサデバイスを設置し，人が機器をず，実世界において簡便に幾何学図形を描画し，かつ装着することなく実世界での動作計測をする手法が多描かれた図形によって作られた空間の計測を可能にすく用いられている．

る，新しいモジュール型デバイスを提案する．これは，このような背景のもと，簡便に動作計測と情報提示

図 1 に示すようにレーザ光を出力する小型モジューを実現するデバイスを利用して運動療法に応用するとルを空間内に自由に配置することで図形を描画するといった新しい試みが見られる．例えば，仮想現実感をともに，これらのモジュール群が形成する閉空間で物応用した SONY Eyetoy を用いたリハビリテーション

体検知を実現するものである．これにより床面を可能の臨床試験が行われており，良好な結果が報告されてな限り阻害せず，また空間内での物体検知，人の移いる２）．また，モジュール型のタイルを組み合わせる

動・跳躍などといった運動計測，及び次の動作位置のことにより空間内に計測可能な空間を自由に生成し，指示や認識結果の提示が可能になり，子ども達が広場

これを用いて運動計測を行うデバイス

３）が提案され，リハビリテーション効果において有効性が実証されてに線を引いて，遊びの空間を作るような感覚を実現することを目指す．

いる．一方我々も，自由な体の動きから音楽を生成する試みである身体的音響メディア技術を応用し，新た† 筑波大学 工学システム学類
College of Engineering Systems, University of Tsukuba†† 筑波大学 芸術専門学群
School of Art and Design, University of Tsukuba‡‡ 筑波大学 大学院人間総合科学研究科
Graduate School of Comprehensive Human Sciences,University of Tsukuba

図1 エアタイルの使用例

情報処理学会 インタラクション 2010

提案手法

2.

計測範囲

ここでは，提案モジュールにより図形描画と空間計測を実現する手法を説明する．各モジュールは手の平程度の大きさで，一方向にレーザ光を照射する機能を持つ．このモジュールを複数用意し，使用者は空間内に描きたい図形の頂点にモジュールを置き，レーザ光

モジュール

レーザー光により各辺を構成することで自由に閉空間を描くこと
図2 図形描画の例が出来る．モジュールが閉空間を形成すると，その空間 内 に お いて 物 体 の検 出が 開 始 す る． こ れ は， モ
ジュール群による頂点とレーザ光による辺で形成された空間内の計測可能領域を視覚的に示しており，これAを“エアタイル”と呼ぶ．図形描画の例を，図 2 に示す．なお，ここで形成できる閉空間は全ての頂点を１度ずつ通る閉路，つまりハミルトン閉路を仮定したB図形である．生成したエアタイルによって，領域への人の出入りが検知できたり．複数のエアタイルを交信することで人の移動を計測することが可能である．
(a)システム概要3.

各モジュールは，マイクロコントローラ，レーザ発A

光器，赤外線発光部・受光部，測距センサ，バッテリを備えており，全て同じ仕様のモジュールを複数利用することでエアタイルを実現する．なお，マイクロコ
ントローラでは，主に以下の４つの処理を行う．１）

CB

赤外線通信により他のモジュールを検出，２）メッシュネットワークを構成してモジュール間通信，３）(b)

測距センサによりモジュール周囲の物体検出，４）
レーザ・LED 発光により，モジュールの状態を示す情報提示．このように同じモジュールを複数用いるこAとで，拡張性を確保している．
3.1

エアタイル生成アルゴリズム

ここでは，閉空間（エアタイル）を生成する過程について述べる．各モジュールは，他のモジュールからCB発せられた赤外光を検出すると，次のモジュールへ自身の情報を伝えるためレーザ光と赤外光を発することとした．また，各モジュールは上部に備えたスイッチ操作により，他のモジュールからの赤外光の受光に関わらずレーザ／赤外光を発信できる．最初に置いたモジュールは，他のモジュールから信号を受け取らないためにこのようなスイッチ操作による発光機能が必要である．
まず使用者は，空間に２つのモジュールを置き，いずれかのモジュールをスイッチ操作することで，レーザ光を発光させる．そしてレーザ発光の方向を確認しながら，別のモジュールにレーザ光が入射するように(c)
図3 エアタイルの生成向きを変える（図 3 (a)）．レーザ光を受ける側のモジュールをＡ，スイッチ操作したモジュールをＢとする．なお，モジュールはレーザ光と同方向に赤外線通信により，モジュールの固有アドレスを発信する．これにより，ＡはＢの固有アドレスを受け取ることになる．また，Ａはメッシュ通信により，周囲のモジュールに対しＢをエアタイルのメンバに追加するコマンド，

モジュール型デバイスによる実世界への図形描画と空間計測
レーザー光及び当該エアタイルにおいて何番目のメンバであるかという情報を共有させる．この例では，Ａは１番目，8Ｂは２番目のメンバとして割り当てられる．ここで，1237

１番目のメンバは，エアタイル内でリーダとして設定6される．また，メンバの追加時には，エアタイル内のリーダのアドレスを送信すると同時に，メンバ追加を

54

赤外線受光モジュール

各モジュールの LED を利用して，メンバ追加時のパ

図4 相対角度の検出方法

ターンを提示することで使用者に状態を伝える仕組みとした．
使用者は，LED 発光によりＢがエアタイルのメンバに追加されたことを視認した後，別のモジュールＣを適当に配置する．そこで，スイッチを押すことで出力されたレーザ光をＢへ向けることで，同様にＣがエアタイルの３番目のメンバに追加できる（図 3 (b)）．
さらに，最初に置いたＡのレーザ光をＣに向けることで，逐次的に情報が伝達され再びＡに戻ってくる．
これによりリーダであるＡがエアタイルの完成を認識し，これを示す LED を点灯させるように他のメンバ

図5 閉空間の計測方法

モジュールに指令を伝達する（図 3 (c)）．その結果，使用者はエアタイルにより閉空間が形成されたことが直径 10cmわかる．
以上の手順によりエアタイルを生成する．直線の辺で形成されることを前提とし，追加するメンバの数により，様々な多角形を描くことが可能になる．
3.2

他のモジュールの検出

前節に述べた通り，他のモジュールの検出には，赤図6 モジュールの外観（模式図と試作モジュール）外線通信を用いる．赤外光は外装により指向性を高め，ては前述する通り，他のモジュールとの相対位置の検レーザと同じ方向に出力する．モジュールには８方向出と固有アドレスの交信に利用する．一方，メッシュに赤外線受光部を取り付け，受光した受光部が向く方

ネットワーク通信は，DigiMesh プロトコルを用い，向によって相対角度を判断する（図 4 ）．

ユニキャストとブロードキャストの切り替えを利用す

赤外線通信はモジュールの固有アドレスを交信し，ることで，モジュール間の通信や，モジュール群に相対角度の検知とともに，モジュールの特定を行う．

よって形成されるエアタイル同士の通信，及び外部の

3.3

閉空間の計測上述の通り閉空間を形成すると，エアタイルは空間ホストコンピュータに対する通信に用いる．
3.5

モジュールプロトタイプの開発

計測を行うことが可能になる．閉空間の計測には，提案手法の有効性を検証するため，モジュールの試PSD 測距センサを用いる．各モジュールには８個の作を行った．図 6 に示す通り，各モジュールは，直PSD 測距センサを実装し，図 5 に示す通り等間隔で径約 10cm の円筒状を有する．制御にはマイクロコン

８ 方 向 に 向け て 取 り付 ける ． ま た ，リ ー ダ は各 モ

トローラ（Atmel 社製 AVR）
，電源には 1000mAh のリジュールの相対位置関係から閉空間の形状を識別し，チウムポリマー電池を用い，長時間の使用を想定してこれに基づいて各モジュールの適切な方向の PSD 測いる．また充電回路を内蔵することで，モジュール単距センサからの値を利用することで閉空間の物体検知位で充電が可能である．PSD の測距範囲は 10~150cmを実現する．

であり，モジュール間の有効最大距離は約 3m 程度で3.4モジュール間通信

モジュール間通信には，赤外線通信とメッシュネッ
トワーク通信の２種類を利用する．赤外線通信についある．また，赤外線による他モジュールの検出における相対角度の分解能は，22.5°程度である．
実際にモジュールを利用してエアタイルを生成し，

情報処理学会 インタラクション 2010

閉空間内の物体検知が可能であることを確認した．実際に動作中の様子を，図 7 ，図 8 に示す．また，正三角形のみならず，直角三角形など自由に形状を変化させることが可能であることを示した．

4.

まとめと今後の予定

本稿では，実世界への図形描画と空間計測を手軽に実現するため，エアタイルという手法を提案し，実際(a) 2 番目のメンバの追加にモジュールを試作することで実現可能性を示した．
これにより，複数生成したエアタイル間の協調動作を実現することで，人がエアタイル間を移動していることを検知したり，人に移動を促す情報提示を行うことが可能になると考えられる．
今後は，提案手法によるエアタイルを用いて，実世界への図形描画と空間計測に伴うゲーム性やエンタテイメント性を確保しながら，運動療法への応用を目指したい．また，エアタイルの内部状態を適切にユー(b) 3 番目のメンバの追加

ザーに伝えたり，使う楽しみを増やしたりするために，情報提示の方法を検討している．具体的には，現在単色の LED をフルカラー化すること，及び音響を発生する機構を加える予定である．
また，測量時の指標提示，カメラキャリブレーション，イベントでの区画表示などの実世界における簡便な情報提示装置としての応用も考えられる．さらに，イルミネーションやゲームなど，新たな芸術表現の創出もあわせて検討して行きたい．

参考文(c) 閉空間の完成
図7 動作風景献1) 田村秀行，大田友一，複合現実感，映像情報メディア学会誌，Vol.52, No.3, pp. 266-272 (1998)
2) G. Yavuzer, A. Senel. MB Atay, and HJ Stam,''Playstation eyetoy games'' improve upper extremityrelated motor functioning in subacute stroke: arandomized controlled clinical trial," Eur J Phys
Rehabil Med., 44(3):237-44. (2008)3) H. H. Lund, M.D. Pedersen and R. Beck, "Modular
robotic tiles: experiments for children with autism,"
Artificial Life and Robotics, pp. 394-400 (2009)4) K. Suzuki, "Embodied Sound Media Technology for
the Enhancement of the Sound Presence," Lecture
Notes In Computer Science, Vol. 5611, pp. 745-751,
Springer (2009)5) K. Suzuki, M. Kyoya, T. Kamatani, and T.
Uchiyama, ”beacon: Embodied Sound Media
Environment for Socio-Musical Interaction,” Proc. of8th Intl. Conf. on New Interfaces for MusicalExpression, (2008)
図8 正三角形・直角三角形生成時の物体検知