Proceedings of the Virtual Reality Society of Japan the Eighth Annual Conference

日本バーチャルリアリティ学会第 8 回大会論文集(2003 年 9 月)

Proactive Desk の実装と応用－流れる絵画「Sumi-Nagashi」の体験－
Implementation and Application of the Proactive Desk
– An Experience of a Streaming Picture of Sumi-Nagashi –吉田俊介 1) ，柿田充弘 1) ，野間春生 1) ，楜沢順 1), 2) ，鉄谷信二 1)
Shunsuke YOSHIDA, Mitsuhiro KAKITA, Haruo NOMA, Jun KURUMISAWA and Nobuji TETSUTANI1) ATR メディア情報科学研究所(〒619-0288 京都府相楽郡精華町光台 2-2-2, {shun, mitsu, noma, tetsutani}@atr.co.jp)
2) 千葉商科大学 政策情報学部(〒272-8512 千葉県市川市国府台 1-3-1, kurumi@cuc.ac.jp)
Abstract: The Proactive Desk is a newly developed desk-style force feedback system which employs amechanism of a linear induction motor. A translational force in any two-dimensional direction toward anonmagnetic conductive metal plate on the desk is generated, and a position of the plate is electricallycontrolled by the computer in combination of position tracking system. When the user handles it as aninterface, he/she can feel a virtual but real force from the digital world. This paper describes animplementation of the Proactive Desk through an application of digital art “Sumi-Nagashi”.
Key Words: Haptic display, Force feedback, Digital art,Virtual reality.

1.

はじめに

ュータにて生成される絵を頭上のプロジェクタより机のWellner により提案された Digital Desk[1]は，コンピュー上に投影し，利用者は筆型のデバイスを手に持ち，筆を使タにより生み出されるデジタルな世界を人が直観的に対うかのように直接机上をなぞる．机上は一種のデジタルな話操作することが可能な環境の一例である．そこでは，利キャンバスと定義されており，筆が動いた軌跡には色が置

用者は自身の手や実物体を用いて直接コンピュータに指かれたとみなされ，それに応じてコンピュータグラフィッ

示を出し，情報を入力することができ，その計算結果は作クスも変化する．動的な絵画という作品とするために，キ業台として用いている机の上に映像として表示される．本ャンバスには色の層（カラーレイヤ）に加えて仮想的な流研究は，デジタルな世界からの出力として現在一般的に用いられている映像や音声の他に，机上物体の位置制御や利用者への力覚の提示等の物理的な情報をさらに出力することが可能な環境 Proactive Desk を提案するものである．
本稿では Proactive Desk を用いた具体的な応用事例として，従来の視覚や聴覚にのみ訴えかけるデジタルアートに対し，身体的に知覚可能なデジタル絵画の作成環境「Sumi-Nagashi」を示し，その表現手法と共に ProactiveDesk の実装について述べる．

2.

身体的に知覚可能な絵画「Sumi-Nagashi」
日本の伝統的な動きを持つ絵画である墨流しを題材としたこの作品では，デジタル絵画との視覚だけではなく触覚をも通じた対話環境を提供する（図１）．通常の描画用ソフトウェアがマウスやタブレットを使いディスプレイ

図 1 「Sumi-Nagashi」の体験風景を見ながら絵を描くのに対し，「Sumi-Nagashi」ではコンピ（正面の表示は観衆へのデモンストレーション用）

3

図 2 描画時の視覚的な変化の例
れを持つ層（ストリーミングレイヤ）が定義されており，物理情報を提示するための仕組みとして，我々はリニアそれにより描いたものが随時変化し続ける．ストリーミン

誘導モータ(LIM: Linear Induction Motor)を用いた．図４にグレイヤの各場所における流れは利用者の行動により変１次元の LIM の基本的な動作原理を示す．本システムでは化し，流れはカラーレイヤの色に反映される．利用者が新大平らにより提案されている２組の LIM のコアを直交すしい色をキャンバスに置いた時，付近のストリーミングレるように配置する方式[2]により，机の下に２自由度を持つイヤの仮想的な流れによってその色は流される．そして，LIM を構築し，机上の非磁性体の導体（以下，Forcer と呼元のキャンバスの色と混ぜ合わさり，刻一刻と変化しつつぶ）に対して２次元任意方向に駆動させる力を発生させる．

新しい絵が生み出される（図２）．

Forcer に生じる力はその面積や厚さに依存する[3]が，本試作機では 200mm×100mm，10mm 厚の銅板にて最大 11N

このような視覚的なデジタル絵画の流れの体験に加え，触覚的な体験を利用者に与えるために Proactive Desk をデ程度の力を計測することができた．
さらに，Proactive Desk ではこれを入出力装置として用いジタルキャンバスとして構築した．これにより，コンピュータにより計算される描画結果としての仮想的な力が，利るために，Forcer を追跡しフィードバック処理を行う．

用者が持つ筆型のデバイスに物理的な力として伝わる．例

Forcer には LED が取り付けられ，この光を頭上に配置した

えば，色や筆の大きさには仮想的な重さの属性が与えられ位置検出素子(PSD: Position Sensitive Detector)にて検出すており，キャンバスに存在する色の境界や暗い色を通り抜る．これにより，机上の任意地点への Forcer の位置制御や，けるたびに触感としてその変化を感じることができ，また， 特定箇所における任意量の力の発生などの制御を行う．なストリーミングレイヤにより定義されている仮想的な流

お，机上へはプロジェクタにより映像も投影されるため，れを感じることができる．すなわち，利用者はデジタルなLED には赤外線光を発するものを用い，PSD 側に可視光カ

筆やキャンバスの触感を通じて，絵画の持つ視覚的な色のット，プロジェクタ側に赤外線光カットフィルタを取り付感触を身体的に体験することができる．これにより，絵画けた．また利用者は Forcer を手にすることにより力というにおける触感の存在がいかに創造的な作業にとって重要

物理的な情報をデジタルな世界から得ることが可能であであったか，絵を描くものに対して再認識を促す．

る．

3.

Proactive Desk
既存の描画用ソフトウェアでは，実際の筆やブラシの機能を模した道具を用意し，マウスやタブレットを使いながらディスプレイ上にて作業を進める．しかしそれらは実在の道具の物質的な感触を表現するものではなく，デジタルアーティストらは頭の中でその感触を補完しつつ作業を進めなければならない．また，様々な作業の結果の出力には視覚的な表示装置を用いるため，筆とキャンバスのよう

図3

Proactive Desk の概要

な入出力装置が一体となった関係にはない．
「Sumi-Nagashi」では，実際の物体からの自然かつより直観的な応答に近いものとして，デジタルなキャンバスを用い，力を利用者の手先に返すことを試みる．
提案する Proactive Desk とは，デジタルな世界との物理的なインタラクションを行うためのシステムである（図３）．概念の基となった Digiral Desk では，机上に置かれた物体をカメラや位置センサなどを用いて取得，解析し，デ
図 4 リニア誘導モータ(LIM)の動作原理ジタル化して情報をコンピュータに取り込む．入力情報は１次元の LIM の動作原理は一般的な三相交流モータと同じである．１次側には３組で対となるコイルが動作方向に対して複数個並べ，これに三相交流が印加するとコイルを並べた方向に進行磁界 B が生じる．すると２次側となる導体内にはこの磁界の進行を妨げる方向に磁界を発生させる渦電流 I が励起される．この渦電流に対して進行磁界が作用し，フレミング則に従い２次側の導体に並進力 F が生じる．

コンピュータにて処理され，その結果は頭上に設置されたプロジェクタから机上へ投影される映像として実世界に出力される．Proactive Desk ではこれに物理的な情報の出力チャネルを付加する．

4

「Sumi-Nagashi」では Forcer 上に筆型のグリップを持つ抗」，「摩擦抵抗」をモデル化した３種類の仮想的な力の合装置を取り付け，入力インタフェースとして用いている．

力として定義されている（図７）．

Forcer はキャンバスと同一の色に塗られ，図５に示すよう慣性は選択中の色の「重さ」と筆の大きさにより決定すに，マウスの代わりとして利用できるようグリップ部にボる仮想的な重さの量と，筆の移動により計算される加速度

タンが配置されている．ボタンを押した際にはパルス的なに比例し，進行方向に逆らう力として定義される．ここで，明滅が生成される．PSD は数 kHz でもサンプリング可能な各色の「重さ」とは，明度を基準とした心理的な色の印象アナログデバイスであり，これをトリガとして検出するこを基に，輝度値に変換した際に白色が最も軽く，黒色が最とによりクリック操作を実現する．

も重い量となるように定義した．描画により筆の下の絵がProactive Desk における力覚提示の仕組みの特徴として，変化した場合，例えば徐々に暗い色に変化する場合はそれ利用者に見えるのは Forcer だけであり，ほぼその構造をキに応じて慣性力も変化する．

ャンバスである机の下に隠蔽することが可能な点が挙げ

流体抵抗は流れから筆が受ける力である．ストリーミン

られる．これは，頭上から投影されるコンピュータの映像

グレイヤ上の筆の接地している領域を対象として速度ベを阻害するものが少ないことを意味し，利用者は通常のタクトルの総和平均を求め，それと筆の接地面積との積によ

ブレットを扱うかのように机上での操作が行える．さらにり，流れの向きと大きさを決定する．これは結果的にカラLIM を用いる利点として，強力な力をキャンバス全体にわーレイヤの色が流れていく方向へ押し流すかのようにデたる広い範囲に容易に発生させることが可能な点が挙げバイスへ働く力となる．

られる．結果として，Digital Desk に要求されるような２次摩擦抵抗はキャンバス上の色を基準に定義される力で元での作業が，磁気的な吸引力による机上物体の位置制御ある．具体的には筆の進行方向前方に存在するカラーレイ装置[4]や，機械的なリンク機構による他の力覚提示装置[5]ヤ上の色の重さ（慣性と同様に定義）の変化を基に計算さらと比較してより簡単に行うことが可能である．

れる．進行方向前方の対象領域から求められる標本偏差に比例した大きさを力の進行を妨げる力として定義し，方向4.

「Sumi-Nagashi」における絵と力の表現は進行方向と逆方向とする．標本偏差は色の変化が少ない「Sumi-Nagashi」のデジタルなキャンバスには図６に示

部位では小さく，変化が大きい部位では大きくなるため，すような２つのレイヤが定義されている．利用者による筆進行方向に対するキャンバスの色変化に応じた一種の摩型デバイスのドラッグ操作により置かれていく色はカラ擦抵抗値として機能する．

ーレイヤ上に加えられる．カラーレイヤ上の色はストリー

これらの合力を提示することにより，利用者が著しく色ミングレイヤによって定義される仮想的な流れに沿ってが変化する領域内で筆を走らせたり，速い流れの中を進む徐々に運ばれていく．ストリーミングレイヤは２次元速度ように動かす時，その場所のキャンバスの特性に応じた感ベクトルの場として表現されており，場所によって異なり， 触を得ることを可能とした（図８）．
逐次変化するものである．
描画用の筆としては３種類の機能が用意されている．単
純に色を置く筆のほかに，キャンバス上に既に置かれている未乾燥の絵の具をあたかも塗り広げるかのような筆と，ストリーミングレイヤの流れの一部をせきとめたり加速させたりするように変化させる筆が用意されている．これ
らの筆の種類の他にも，大きさや色は，利用者が自由に変更することが可能である．
これらの描画が行われる際，キャンバスに視覚的な変化だけが生じるのではなく，利用者が持つ筆型のデバイスに対してキャンバスからの物理的な触覚の情報として力が加わる．ここで，利用者が受ける流れは「慣性」，「流体抵
図 6 キャンバスの内部構造

Push button

Inertia power
IR-LEDBattery

Flow resistance

Color fraction

Movementof brushStreaming
direction

Edge of color

Brush

Brush

Micro ComputerForcer

図 7 定義した力の概念図

図 5 ペン型グリップを伴う Forcer

5

Brush

5.

「Sumi-Nagashi」のコンセプト

性質（個数，形，大きさ，色，文字など）はコンピュータ

最先端の技術を好み用いるアーティストたちにとっての世界に取り込まれ，机上に表示されたアイコンはマウスは，現代においてコンピュータを彼らの道具として選択すの代わりに指で直接操作することができた．しかしながら，ることは自然な傾向であるとも言える．しかし現状での表

このシステムでは利用者に対して映像という形でしか情現の形は，視覚と聴覚の感覚チャネルに訴えかけるものが報を提供することができなかった．これは視覚的なインタ主流であることが多く，その結果として，創造に必要とさラクションの輪は閉じているのに対し，物理的なインタラれる作家の身体性という重要な要素の活用が疎かになる

クションの輪は実世界から仮想世界への入力，一方向のみ傾向があった．に制限されていたと言える．

芸術における身体の重要性は，芸術に関わるすべての人，Proactive Desk は完結した物理的なインタラクションの特に作家は強く認識するところであった．自らが関わる素輪を Digital Desk の概念にもたらすための解のひとつであ材と道具とを体で会話し深く感じるところから人を魅了る．例えば既存の GUI へ応用し，致命的な結果を引き起こする芸術は誕生するという[6]．いわゆるデジタルアーティ

すボタンに対してはボタンに進入しづらい力を発生させ，ストはそういった体感を，現実世界に存在しない道具を用奨励するような操作に対してはそちらへ誘導する力を発いて，あたかも実在し，触っているかのように自らの想像生させることにより視覚に加えた物理的な操作支援を行力により無理やり補完することで得てきた．すなわちこれうことが可能である．また Forcer を位置制御させるためのはごく限られた生命体としてのリソースのみを用い，全て仕組みを実装していることにより，例えば机上に投影されのリソースを用いてきた従来の芸術分野と同等の仕事をた地図上を Forcer に配置した車の模型が移動して道順をしなければならない状態に置かれていたと言える．これが示すといった，コンピュータグラフィックスではなく，実デジタルアートやメディアアートに他の芸術分野と比較物を用いた視覚的な情報提示なども可能となる．力覚のフして，多角的な創造性に限界があるように感じられ，まるィードバックを描画用ソフトウェアや CAD などに取り入で人間の存在が必要無いように感じられる原因のひとつれることにより，利用者は筆や定規といった実在する他のでもある．しかしながらこれをもってこの分野に将来性がツールの模擬的な物を使えるだけではなく，刻一刻と形が無いと言う事は早計であり，単にそのための道具が未熟な変化する定規やある一定の法則に基づき描画中の軌跡がだけである．

変化していく筆など仮想的なツールを使うことも可能と我々は，芸術作業における身体性，視覚と脳の生理的ななる．さらに，机自身が利用者のまたは他人の行動を記録，関係をもっと研究し，合理的な知覚の拡張を進めるべきで蓄積し，再生することにより，時間や場所に束縛されず自ある．この「Sumi-Nagashi」はデジタルアートの世界に身分や他人の感覚を共有できる装置となるだろう．

体性を取り込むためのひとつの試みであり，視覚と触覚の「Sumi-Nagashi」は仮想的な触覚情報をデジタル描画ソフ

調和により生まれる新しい芸術の可能性を例示するもの

トウェアに取り込んだ例であり，デジタルアーティストにである．画家が絵の具の粘性や，キャンバスと絵の具の接新しい表現手法を提案するものである．

着具合を微妙な触覚によって正確に把握し，必要な効果を今後は展示等を通じた多くの人々への体験の提供を行構築していくのと同じ次元でのデジタルならではの身体い，本システムの有効性を検討したい．また，Proactive Desk

性の拡張こそが本研究の最終的な目的である．の力覚提示性能を向上させることにより，より豊かなデジタル世界からの表現手法を模索する．

6.

おわりに謝辞Digital Desk の概念は，コンピュータの中で帰結していた本研究は通信・放送機構の研究委託“超高速ネットワーク社会に向けた新しいインタラクションメディアのデジタルな世界と我々のいる物理的な世界との障壁を取研究開発”により実施した．

り除くひとつの力となった．机に置かれた実世界の物体の

参考文献[1] P. Wellner : The Digital Desk Calculator: Tangible
Manipulation on a Desk Top Display, ACM UIST ’91,
pp.27-33, 1991.
[2] 大平膺一，川西利昌：２方向リニア誘導モータの実験的検討，計測自動制御学論，Vol.19，No.2, pp.74-79, 1983.
[3] H. Noma, Y. Yanagida, and N. Tetsutani : The Proactive
Desk: A New Force Display System for a Digital Desk
Using a 2-DOF Linear Induction Motor, IEEE VR2003,
pp.217-224 , 2003.
[4] G. Pangaro, D. M. Aminzade, and H. Ishii : The actuatedworkbench, ACM UIST '02, pp.181-190, 2002.
[5] SensAble Technologies, Inc. : PHANTOM,
http://www.sensable.com/, 1996-2003.
[6] S. Zeki : Inner Vision: An Exploration of Art and the Brain,
Oxford University Press, 2000.

図 8 「Sumi-Nagashi」の操作画面

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