情報処理学会 インタラクション 2024
IPSJ Interaction 2024

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2024/2/28

AIR-range Plus：テーブル上を動き回る複数の空中像とのインタラクション
余合 彩子1,a)

倉本 大資2,b)

韓 燦教2,c)

苗村 健2,d)

概要：筆者らは以前，ユーザがテーブル上を独立して動き回る複数の空中像とインタラクション可能なシステム「AIR-range Plus」の提案と実装を行った．AIR-range Plus では実物体と光源の駆動装置，両方に自己位置を検出できる小型ロボットを用いており，ユーザはテーブル上に置かれた実物体を介して空中像とインタラクションすることができる．本稿では，ユーザがテーブル上の空中像キャラクタとともに背景の空中像を生成していくアプリケーションを実装し，展示と考察を行った．

1. はじめに実空間上を動き回る複数のキャラクタと共に，ユーザ自身が映像を生成するといったインタラクションはこれまでにない体験である．本研究では，ユーザが手を伸ばせる日常の生活空間に立体的な映像を提示できる手法として空中像に着目する．空中像は，その鑑賞のためにユーザが特別な装置を用意したり，事前の準備を行う必要がないという特長を持つ．既存の平面，例えばテーブル上に空中像を出現させ，空中像を生成する装置を背後に配置することで，ユーザは装置の存在を直接意識せずに自然に映像に集中で

図 1

きる．さらに，背景を空中像で構成することにより，提示テーブル上を動き回る複数の空中像とのインタラクション:

AIR-range Plus

可能な映像の多様性が向上し，手前の空中像キャラクタとの対話など新しいストーリーテリングな体験の実現が可能

テーブル上の空中像キャラクタとユーザが背景の空中像をとなる．

生成していく 図 1 のようなインタラクション体験を提案

筆者らは以前，空中像の提示範囲拡大手法である対称ミラー構造を利用した光学系を用いて，テーブル上を独立に動き回る複数の空中像と中空の領域に背景となる空中像を表示可能なシステム「AIR-range Plus」 [1] の提案と実装する．

2. 関連研究2.1 実物体を介した空中像とのインタラクションを行った．AIR-range Plus では実物体と光源の駆動装置の空中像は実体を持たないため，実物体に隣接した表示が両方にプログラムで移動制御を行いやすい toio™ [2] を用可能であり，空間内を自由に動かせる利点がある．実物

いており，ユーザはテーブル上に toio が組み込まれた実物体を介して現実空間に飛び出た空中像を操作できること

体を移動させることで空中像とインタラクションすることは，ユーザにとって直感的なインタラクション体験となる．

ができる．

テーブルにカードを置くとキャラクタが飛び出し動き回

本稿では，AIR-range Plus のアプリケーションとして，る EnchanTable [3] や映像が飛び出す絵本 PicPop [4] では
光沢面の反射を利用して，既存の平面上に直立した空中像

12a)
b)
c)
d)

東京大学 大学院学際情報学府
東京大学 大学院情報学環
yogo@nae-lab.org
qramo@nae-lab.org
hanc@nae-lab.org
naemura@nae-lab.org© 2024 Information Processing Society of Japanを提示する．これらの研究では，反射面を背景とすることで装置の存在感を薄め，意外性のある体験を提供しているが，実物体の移動に空中像が追従する表現は実現されていない．MARIO [5] では木製ブロックを立体的に配置するこ468

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2024/2/28とで，中空を飛び回る空中像とのインタラクションを実現したが，幾何学的整合性を満たすために実物体を Kinect でトラッキングする必要があった．これに対して ToPiCo [6]では，単一の空中像をユーザーがロボットトイ toio を介してインタラクションする体験デザインが提案されている．

toio は赤外線センサーを搭載しており，専用のマット上で絶対座標を認識することができる．しかし,ToPiCo では光沢面としてハーフミラーを用いており，toio のセンシングが難しかった．また，上記の研究 [3]〜 [6] では空中像の提示範囲が中空または光沢面に限定されていた．
図 2

提案システムの構成

2.2 空中像の提示範囲拡大
再帰透過光学素子である dual SMAs（dual Slit-MirrorArrays) [7] は 1 枚の素子で空中像を生成でき，光源と面対称な位置に結像するという扱いやすさと解像度に優れる．本
研究では，dual SMAs としてアスカネット社の ASKA3D [8]を利用している．ASKA3D の構造上，空中像の輝度は視線とプレート面の法線とのなす角度 θ に依存し，θ=45°±20°であることが推奨される．
MARIO [5] では，dual SMAs を水平面に対して 45°で設置することで中空に浮かぶ空中像を提示した．一方で，EnchanTable [3] では，dual SMAs を水平面に対して 90°で設置することでテーブルの反射面上に空中像を提示した．

図 3

実装した光学系

空中像の提示範囲をテーブル上から中空まで拡大する手法
として，横瀬ら [9] によって対称ミラー構造が提案されてい• 空中像は表示位置によらず輝度が連続である．

る．対称ミラー構造は dual SMAs に対して面対称に配置さ

2.2 節で述べたように，空中像の輝度はユーザの視線方れたミラーの組 (M,M ) とテーブルミラーの組 (TM,TM )向と ASKA3D のプレート面の法線とのなす角度 θ に依存から構成され，空中像はミラーの反射の有無によって領域し，光学系の構造上，ユーザの手が届きやすいテーブルの毎に異なる結像光路で表示される．AIR-range [10] では対手前ほど空中像の輝度が低下する．これはインタラクショ

称ミラー構造を用いた光学系において，領域の境界で空中ンする際の体験の妨げとなるため，テーブル上の領域にお像の輝度連続性を保つための設計パラメータが提案された．

ける空中像の輝度が確保できるように光学系の配置を検討

提案システム AIR-range Plus では，テーブル上の空中像と背景となる空中像の表示を両立するため，対称ミラーする．

3.1.2 システムの構成

構造に dual SMAs を 1 枚追加した光学系を用いる．また，

図 2 に提案システムの構成を示す．toio の制御は Unity

AIR-range では実現されていなかったインタラクティブなで行っている．制御用の PC 上に立ち上げた JavaScript ラシステムの実現を目指した．

イブラリ p5.js を用いた描画用のサーバを立ち上げておき，

3. AIR-range Plus
筆者らが以前実装した提案システムの装置と本稿で制作したアプリケーションに分けて説明する．

光源 1,2 として用いるスマートフォンからアクセスして描画用のウェブページを表示させる．p5.js のサーバと Unityはネットワーク経由の OSC 通信により接続されており，実物体に対応する toio0 の位置と連携して空中像 1 と対応する光源 1 の映像を切り替える．

3.1 提案システムの設計
3.1.1 設計要件
提案システムは以下の要件を満たすように設計されている．

3.1.3 光学系
次に光学系の設計パラメータについて述べる．ユーザの位置はテーブル上の実物体を操作可能な範囲内を想定する．この時，視点位置がテーブル面から離れるほど自然な• テーブル上を複数の直立空中像が独立に移動する．

体勢で体験することができる．一方で，体験を大きく妨げ• テーブル上の空中像と人がインタラクションできる．

る透過光の影響を受けずに dual SMAs1 と TM を見込む境• テーブルの奥に背景となる空中像を表示する．

界 (以下，境界 1) で空中像の輝度連続性を高めるためには，© 2024 Information Processing Society of Japan469

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視点位置をテーブル面に近づける必要がある．鑑賞時の視点位置は (eyeW, eyeH) = (860mm, 195mm) を想定し，空中像が視認可能な視点の高さにおいて像が途切れないようにテーブルの位置は (tW, tH) = (210mm, 80mm) とした．
上記の条件から，dual SMAs1 の水平面からの角度は 56°として実装した．dual SMAs1 と TM を見込む境界 (以下，境界 2) の輝度連続性を考慮して，dual SMAs1 とミラーの

図 4

アプリケーションのイメージ

図 5

ユーザの視点位置と視野角組 (M,M’) との角度は 90°とした．この時，テーブルからの視線の角度 θ は 10°である．
図 3 に 実 装 し た 装 置 の 外 観 を 示 す ．実 装 に あ た り

ASKA3D(630mm × 630mm) の他に用いた機材は以下の通りである．M，M ，TM にはコダマガラス社の高透過ミラー (反射率 95%，400mm × 630mm)，TM には村上開明堂社のコールドミラー (波長領域 442〜617nm：反射率 80%以上，波長領域 795〜930nm：反射率 10%以下，299mm ×399mm)，光源 1,2 として iPhone 12(162g)，光源 3 としてOLED ディスプレイ LG 27EP950-B を使用している．
3.2 アプリケーションの設計
3.2.1 体験シナリオ

初期状態ではテーブルの奥に空中像 1 のみ表示し，制作者が想定するテーブルに近い視点位置にユーザを誘導する．

提案システムのアプリケーションとして，ユーザがテーその後，ユーザの操作によって，背景の空中像 3 やテーブブル上を動き回るキャラクタ (空中像 1, 空中像 2) ととも

ル上を動く新たな空中像 2 が登場し，表示される空中像のに星空 (空中像 3) を生成する体験を制作する．ユーザは数や位置が拡張される．これにより，テーブル上の空間をtoio0 が組み込まれた実物体をテーブルミラー TM 上の任ユーザ自身で彩るような体験が生まれることを目指す．

意の位置に移動させることで，空中像 1 との間接的なインタラクションが可能となる．体験シナリオは以下のように進行する．

( 1 ) ユーザが実物体を操作するまでの間，空中像 1 は白い星を持って TM の右奥で待機する．

( 2 ) 空中像 1 が実物体が置かれた位置まで移動して，場所に応じて星の色を変化させる．

( 3 ) 空中像 1 は再び右奥へ戻り，星 (空中像 3) を中空へ浮かばせる．(1)〜(3) を 3 回繰り返す．

( 4 ) 空中像 2 が登場して星（空中像 3）を落下させ，指定空中像の動作
ユーザが実物体を置いた位置に応じて空中像 1 が持つ星の色を変化させることで，様々な位置での試行を動機付ける．さらに，ユーザが操作する実物体が 3 秒間同じ位置で静止するまでの間，空中像 1 を実物体の移動に追従させる．
これは提案システムの入力と出力に同一のデバイスを使用することで制御時の移動命令が簡潔化されるという利点を生かしたインタラクションである．移動する方向によって，空中像 1 の向きを考慮する．

スポットまで回収する．
空中像 1 は常に表示されている一方で空中像 2 は (4) のタ

3.2.3 アプリケーションの実装

イミングのみ表示される．上記のような体験のループに3D プリントした台に取り付けた光源 1 および光源 2 をよって，ユーザのアクションによって提示される空中像のtoio1 および toio2 で駆動することで，空中像 1 および空数や位置が拡張される様子を表現する．ユーザ視点におけ中像 2 の制御を行った．光源 1 および光源 2 として使用するアプリケーションのイメージを 図 4 に示す．

るスマートフォンの質量は toio の最大積載重量 200g を下3.2.2 インタラクションデザイン回るように選定した．しかし，重心バランスの問題により空中像を最適な視点で鑑賞できるように，ユーザには前後移動の動作が不安定であった．そのため，光源の重量座った状態でテーブルに手が届く位置での体験を推奨すが直接 toio に掛かることがないように台の設計を行った．

る．最適な視点とは，空中像が不要な光の影響を受けず，

toio1 および toio2 の底面には薄型ネオジム磁石を貼り付

表示位置によらず輝度連続で良好に観察できる状態を指け，走行時の土台となるホワイトボードへの吸着力を高めす． 図 5 は体験時の視野角である．

た．また，走行時の摩擦を軽減するために四隅にミニキャスターを使用した．走行パターンは，徐々に加速して中間ユーザの視点誘導© 2024 Information Processing Society of Japan地点以降は目標地点まで減速するように制御した．

470

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図 6

光源 1 および光源 2 を運ぶ台の形状

図 7

光源 1 および光源 2 の軌道イメージ

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toio は二輪のロボットであるため，横向きで使用した場
合はスマートフォンの表側を正面方向に維持したまま前後方向に移動することは難しい．一方で，移動時のスマート

図 8

フォンの傾きが正面に対して急であるほど，観察される空異なる奥行きに表示した空中像中像の幅が狭くなり違和感が生じる．本アプリケーション
では上記に示した理由から， 図 6 のように，空中像 1 を駆

テーブル側における toio マットの位置を調整している．こ動する toio1 は左右方向の移動を行いやすいように横向き

こで，テーブルミラー TM として使用するコールドミラーで使用し，前後方向に移動する空中像 2 を駆動する toio2は，波長領域 795〜930nm における反射率が 10%以下であは縦向きで使用した．

り，赤色の可視光領域で大幅に反射率が低下する．コール

toio1, 2 はそれぞれ最大速度 126mm/s, 100 mm/s にな

ドミラーの反射面を見込む領域において空中像の色味が変るように制御した．また，目的地方向に回転しながら前進化することを防ぐため，テーブル上に提示される空中像 1後退を行い，目的地でスマートフォンの表側が正面方向をおよび空中像 2 の色味を赤色成分の少ない色味に調整し向くように制御を行った． 図 7 は光源 1 および光源 2 のた．さらに，toio1 および toio2 の移動のタイミングに合軌道イメージである．空中像 1 は指定のタイミングでのみわせて，足音や星の落下音などの効果音を Unity から出力実物体の移動に反応するよう，ソフトウェア上でプログラした．

ムされている．一方で，空中像 2 は実物体の動きには追従せず，予め定義されたループパターンに従って動作する．
空中像 3 は Unity の実行画面をディスプレイに表示することで提示される．実物体が置かれた位置に応じて空中像 1

4. 評価と考察
4.1 空中像の表示の確認
実装システムにより，異なる奥行に空中像を提示した様に表示される星の色を 9 色から選択した．

子を 図 8 に示す．撮影時のカメラのピントは TM 手前を3.2.4 実装上の工夫0cm として，それぞれ奥行き 0cm, 15cm, 30cm に合わせた．

空中像の奥行き方向の表示位置を知覚を向上させる一つ

図 8(a) では緑色のキャラクタ, 図 8(b) では水色のキャラの方法として，人工影の重畳が効果的であることが知られクタ， 図 8(c) では星の空中像にピントが合っている様子ている [5]．しかし，提案システムではテーブル上の反射が確認できる．

面を使用して空中像を提示するため，人工影を用いると空光学系を実装する際，インタラクション体験の妨げとな中像の輝度が低下する．そこで，静止した背景の空中像 3らないように，境界 1 における輝度の連続性よりもテーブを用いるとともに，空中像 1 の横方向の移動を増やし，運ル上の領域における空中像の輝度の確保を優先とした．そ動視差を利用して奥行きの知覚を向上させることを試みのため，推奨する位置よりも高い視点においては，TM をた．また，実物体と同じ視差で空中像を観察できるように，見込む領域が dual SMAs1 を見込む領域よりも高い輝度でテーブルミラー TM 上には複数の実物体を配置した．

空中像が観察される． 図 9 に視点の高さを変えた場合のアプリケーションの実装にあたり，実物体が置かれた位空中像の見え方の違いを示す．目視で観察した結果，推奨

置と空中像 1 が表示される位置が一致するように光源側との視点位置では境界 1 で色調の違いはほとんど識別でき© 2024 Information Processing Society of Japan471

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図 91C-65
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視点位置による見え方の違い

図 11

アプリケーション動作中の様子

物体の位置に表示されていることが確認できる． 図 11(c)からは，空中像 1 が空中像 3 と同じ奥行きまで下がってから，星を上げる動作を行う様子が確認できる．また，空中図 10

像 1 の移動中に実物体の位置を動かした場合， 図 11(d) の輝度測定のイメージ

ように空中像 1 が実物体の方向を向いて追従する様子が確ず，輝度の連続性も維持されていることが確認できる．一方で，視点の高さを上げると輝度の不連続性が目立ち，周りには迷光が確認される．

認できる．

toio がスマートフォンを運ぶ速度の許容範囲の検証を行った．その結果，動き始める動力として最低限 74mm/s

次に，輝度計（コニカミノルタ製 CS-100A）を用いて，空の速度が必要であり，移動速度は 4cm/s であった．左右方中像の輝度を測定した．システムの実装に沿って，境界 1 で向に移動する toio1 は速度 250mm/s 以上において，マッは光源 1(iPhone 12) を，境界 2 では光源 3(LG 27EP950-B)

トから飛び出してしまう問題があった．一方で，toio2 でを使用し，領域間の輝度連続性を確認した．光源は最大輝は速度 284mm/s 以下であれば問題なく動作した．これは度で使用し，空中像 1 を TM の手前，空中像 3 を TM の奥

重心バランスによる移動の容易さが関係していると考えらに配置し， 図 10 の丸印の位置における輝度を測定した．

れる．ただし，速度 180mm/s 以上では駆動時のモータ音

丸印の濃淡は大まかな輝度の変化を反映しており，濃い部が体験の妨げとなる程度に認識された．

分がより高い輝度を示す．ただし，体験時に想定される視点位置は測定位置よりもテーブルに近く，dual SMAs を見4.3 展示

込む角度の変化が急になる．また，測定は暗室で行った．

アプリケーションの展示を行い，ユーザの行動観察と考そのため，室内照明が存在する環境下において実際に視認察を行った．来場者は身長に合わせて，座面の高さが 42cmできる空中像は測定値よりも暗くなる．と 61cm の 2 種類のイスから選択して，座って視点で体験測定の結果，境界 1 および境界 2 ともに輝度差は 5cd/m2した．

以下であり，この差は目視で明らかな差異としては認識

展示全体を通して，システムの仕組みに対して興味を持されないことが分かった．また，空中像 1 は全測定点でつユーザが多かった．その中でも「魔法のようだ」「どこ215 ± 3cd/m に収まっており，テーブル上を動き回る空中でセンシングされているか分からない」といった感想が挙像が位置に依存せず均一な輝度を維持することが確認されがった．さらに，dual SMAs と TM の間の輝度差や色味，た．一方で，空中像 3 においては視野角の範囲が広くなり，輪郭のずれに関する指摘がなく，「実現する上での課題を2輝度は 10〜60cd/m の範囲にわたって変動していた．実2予想できない」という感想も多く見受けられた．これは，装したアプリケーションでは 20cd/m 以上の範囲内で空光学設計パラメータと視点位置の誘導が適切であり，ユー中像 3 を表示した．

ザに自然な映像を提示できたことを示している．テーブル上の実物体や効果音の導入により，体験の没入感が高まっ

4.2 動作確認たとの声もあった．これは，テーブル上に空中像を表示す

図 11 はアプリケーションの動作中の様子である．

る光学系の特性が貢献していると考えられる．移動中のス

図 11(a) では空中像 1, 図 11(b) では空中像 2 がそれぞれ実マートフォンの傾きによる空中像の違和感に関する懸念に© 2024 Information Processing Society of Japan472

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もかかわらず，独立して動くキャラクタに対する肯定的なコメントが寄せられた．さらに，実物体を動かして空中像が追従する様子を楽しむユーザや 9 色全てを発見しようと試みるユーザ，様々な実物体を動かそうとするユーザの存
在は，システムの仕組みを隠蔽しつつ好奇心を刺激する効果があったことを示唆している．しかし，ユーザが実物体を TM の手前端に置くと視野角を外れるため，空中像が見切れる問題が生じており，対策が必要であることが分かった．また，子どもが移動する空中像に手を伸ばして捕まえており，奥行き感を適切に認識している様子が観察できた．
一方で，立体感の欠如についての意見もあり，影の付与が実在感を高めるために必要であると考えられる．

5. 課題と制約
光学系
現在の光学系では，迷光対策が行われていない．そのため，空中像の表示位置や視点位置によって迷光が視界に入り，鑑賞体験を妨げる可能性がある．対策としては，偏光板や視界制御フィルムにより迷光を遮蔽する手法が考えられる．また，本システムは光学的整合性に課題がある．

6. おわりに
本稿では，ユーザがテーブル上を独立して動き回る複数の空中像とインタラクション可能なシステム AIR-range

Plus のアプリケーションの実装と展示を行った．アプリ
ケーションでは，ユーザが実物体を介してテーブル上のキャラクタとともに背景の空中像を生成していく体験を設計した．展示を通じて，ユーザが輝度連続で明瞭な空中像を観察し，空中像の適切な表示位置を認識できたことを示すような観察結果が得られた．一部のユーザからは，立体感の欠如や実装上の制約について意見があり，実在感を高めるための課題が明らかになった．今後の課題として，光学的整合性の実現，幾何学的・時間的整合性の改善によるインタラクション性の向上が挙げられる．
謝辞 本研究は中山未来ファクトリーの支援を受けて行われた．
参考文献
[1]

3.2.4 節で述べたように空中像の下に影を提示することが困難である．さらに，奥の光源が手前のスマートフォンに遮蔽されることで，空中像の重畳表示ができないという問[2]

題も存在する．この問題に対しては，梶田ら [11] によって提案されているハーフミラーを用いた光源の多層化などの[3]方法を検討する必要がある．
実装[4]

今回の実装では，toio の移動命令と効果音の出力命令，映像表示命令を順番に行っていたため，映像の切り替えに数秒程度の遅延が生じることがあった．これらの処理を並[5]列に行うことで時間的整合性の向上が期待される．また，ユーザによる移動命令時に光源 1 と光源 2 が接触する可能性がある．対処法としては，ソフトウェア上で toio1 の移動範囲の制限を設けることや，光源 2 の待機場所用に光源側の toio マットを拡張することが考えられる．

[6]
[7]

toio を用いることで生じる制約も存在する．toio のモーター音がコンテンツの効果音と混ざり合い，体験の没入を[8]妨げる可能性がある．また，実物体が置かれた位置によっ[9]て空中像の表示位置が不正確になることがあった．toioマットの仕様では X 座標× Y 座標が 305 × 215 であり，1座標が 1.38mm に対応している．これに対し，各座標の誤[10]差が 15 以内，角度の誤差が 4 度以内である場合に toio によって目標到達とみなされることが原因として考えられる．
これは，ソフトウェア上で目的地到着後の微調整を行うことで精度の向上が見込める．調整の際，表示されている空中像に違和感が生じないようにする工夫が必要である．

© 2024 Information Processing Society of Japan[11]

余合彩子，倉本大資，韓 燦教，苗村 健： 机上を動き回る複数の空中像のインタラクティブシステム AIR-range
Plus の基礎検討，2023 年映像情報メディア学会冬季大会
講演予稿集, 21C-2 (2023). (発表予定).
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