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原著論文

シースルー型スマートグラスに表示した画像観視時の水晶体調節応答
木村 瞭太 1), 遠山 貴大 1), 戸谷 貴洋 2), 宮尾 敏明 2), 小嶌 健仁 1),
石尾 広武 3), 森田 一三 1), 木下 史也 1), 山川 達也 1), 宮尾 克 1)
1) 名古屋大学, 2) セイコーエプソン株式会社, 3) 福山市立大学

Lens Accommodation Response during the Viewing of Images Displayed on
See-Through Smart Glasses
Ryota KIMURA1), Takahiro TOHYAMA1), Takahiro TOTANI2), Toshiaki MIYAO2),
Takehito KOJIMA1), Hiromu ISHIO3), Ichizo MORITA1), Fumiya KINOSHITA1),
Tatsuya YAMAKAWA1), Masaru MIYAO1)
1) Nagoya University, 2) Seiko Epson Corporation, 3) Fukuyama City University
Abstract: In recent years, many visual devices have been produced for consumers. The development of
see-through smart glasses has attracted much attention. These glasses overlap virtually images by using
Augmented Reality (AR) technology. Epson released the BT-2000 see-through smart glasses, which change
distance of display by changing convergence. It is not confirmed that changing distance of display allow to change
distance of lends accommodation. In this experiment, we measured lens accommodation of subjects viewing
images displayed on see-through smart glasses. The results found that lens accommodation moved with the image
position for over one hundred people. Therefore, our study verified that correct reaction occurred visual
physiologically.

Keywords: see-through, smart glasses, lens accommodation, Augmented Reality
キーワード: シースルー, スマートグラス, 水晶体調節, 拡張現実

1. はじめにこのように，スマートグラスを用いた作業支援システムは今後活躍が期待される．一方，従来のスマートグラスではコンテン

近年，電子部品の小型化により，各種センサを搭載した様々な電子機器がモバイル化されている[1]．その中で，身に付けることを前提としたデバイスは，ウェアラブルデバイスと呼ばれる．本研究では，頭部に装着するメガネ型デバイスであるシースルー型スマートグラスに着目した．シースルー型スマー
トグラスは AR (Augmented Reality)技術を適用することで，現実世界の光景に情報を重ねあわせて表示することが可能である[2]．近年，シースルー型スマートグラスにコンテンツを重畳描画することで，利用者の作業支援を向上させるといった研究が盛んに行われている．2014 年，牧田らはスマートグラスに道路の損害情報などを重畳描画し，その有効性について言及している[3]．また，2015 年，巻渕らはスマートグラスを用いることで，ハンズフリーでの作業支援システムを提案している[4]．
2016 年 1 月 19 日受理．（2016 年 3 月 10-11 日シンポジウム「モバイル'16」にて発表）

ツの表示位置は固定されており，作業支援においても視距離が変化する手元作業などを想定した場合は，コンテンツの表示位置も手元位置に追随しなければ，違和感を生じ，作業に影響を及ぼす可能性がある．そこで，スマートグラス使用時でのコンテンツの奥行き方向での知覚位置を任意に変更することは作業支援に対しても有意義であると考えられる．奥行き方向での表示位置を変化させる一つの方法として，輻輳焦点位置の変化がある．視機能のうち，近くのものを見る際には，両眼が内側に向く輻輳運動に連動して，水晶体の厚みを増加することでピントを合わせる水晶体調節反応が起こる．また，これに付随して，瞳孔も縮瞳する．これら 3 つの反応は近見反応と呼ばれ，1 つの反応が起こることにより，他の反応が誘起される[5]．水晶体調節応答が起こることで，輻輳が変化することを調節性輻輳と呼び，輻輳が変化することで，水晶体調節応答が起きることを輻輳性調節と呼ぶ[6]．本研究では，スマートグラスのコンテンツ表示位置を左右方向に移動させること で，輻輳性調節を引き起こし，スマートグラス使用時でのコンテン

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17木村瞭太ほか: シースルー型スマートグラスに表示した画像観視時の水晶体調節応答

ツの奥行き方向の認知に及ぼす影響に関して実験を行った．の試行を行った．なお，順序による効果を考慮し，先に測定す

本 研 究 で は シ ー ス ル ー 型 ス マ ー ト グ ラ ス と し て ， EPSONるデバイスの順番を，被験者ごとに交互に入れ替えた．また，MOVERIO Pro BT-2000 を使用した．BT-2000 は，左右眼用デバイスでの視距離をランダムとした．本実験時での水平照の映像を独立に投影する特徴を持つ．また，各々の映像は，度の値は 956 ℓx であった．コンテンツは黒背景の中央に白十左右方向で中心間距離を変化させることが可能である．そこ

字の画像を使用し，被験者には白十字を注視するように指示

で本研究では，この 2 つの特徴を利用した独自のアプリケーした．また，白十字は距離によらず同一視角になるように大きションを適用し，中心間距離を変化させることで，輻輳を変化さを変更した．実験風景を図 2 に示す．

させ，調節応答が追随することを検証した．以下，本実験で使用したスマートグラスである BT-2000 を HMD (Head Mounted

2.2 評価指標実験により得られた調節値の時系列データは，瞬きなどのDisplay)と表記する．

要因を除外するため，2 回の試行でそれぞれ 10 秒間の中で2. 方法
2.1 実験方法

分散が最も小さい 3 秒間の時系列データを抽出し，その中で分散の小さい時系列データを採用した．その後，採用した 3

本研究では，14 歳から 88 歳の被験者 128 名 (男性：66 名，秒間の時系列データの平均値を，各視距離の代表値として算

女性：62 名)を対象に実験を行った．一般的に 40 歳中盤以降出した．このとき，デバイス 2 条件と視距離 3 条件の計 6 条件に調節機能が衰え始めるとされている[7]．そこで，45 歳未満のうち，1 条件でも 3 秒間の時系列データを抽出できない被験の被験者を若壮年群 (58 名)，45 歳以上を中高年群 (70 名)者は除外した．人間はおよそ 3 秒間に 1 回ほど自発的に瞬きとして分類した．また，すべての被験者は裸眼もしくは日常でをしているため[8]，瞬きの影響を考慮し，連続したデータ内に使用するメガネおよびコンタクトレンズを装着した状態で実験瞬きの入らない 3 秒間の時系列データを抽出した．

を行った．倫理的配慮として，被験者には事前に十分なインフ

算 出 し た 代 表 値 に 対 し ， 各 年 齢 群 で デ バ イ ス (LCD,ォームド・コンセントを行い，同意を得たうえで実験に参加させHMD)と視距離 (1.43 D, 0.8 D, 0.3 D)を因子とした二元配置た．本研究は名古屋大学情報科学研究科倫理審査委員会の分散分析を行った．その後，デバイスごとに各視距離で，母平承認を得て実施した．

均に差がないことを帰無仮説とする対応のある t 検定を行い，水晶体調節焦点の測定は，シギヤ精機製オートレフラクトメ多重比較を行った．また，各デバイスの同視距離において，ーターWAM-5500 を用いた．本機器の時間分解能は 5Hz で母平均に差がないことを帰無仮説とする対応のある t 検定を行ある．実験で使用する HMD および WAM-5500 を図 1 に示った．なお，本研究では有意水準を 5 %以下とした．

す．

3. 結果

本研究では，HMD および LCD (Liquid Crystal Display)にコンテンツを表示し，それぞれのコンテンツ観視時の水晶体調両眼開放型である WAM-5500 は，メガネをかけたまま自然節焦点を測定した．両デバイスに表示するコンテンツの位置な状態で測定することが可能である．しかし，本実験では，シは，被験者の眼前から 1.43 D (0.7 m)，0.8 D (1.25 m)，0.3 Dースルー型スマートグラスの映像投影光学系 (ハーフミラー)(3.33 m)に設定した．ここで Diopter (D)とは調節力の単位であを避け，斜めからの測定用赤外光を投射する必要がある．そり，メートル (m)の逆数である．実験で使用した LCD は，東芝の た め ， 前 面 開 放 型 で 左 右 20 ° の 計 測 範 囲 を も つ製 REGZA 55X3 (画面サイズ：幅 121.0 cm，高さ 68.0 cm，解WAM-5500 においても測定範囲外になる被験者が一定数見

像度：3840x2160)，LG 製 42LW5700 (画面サイズ：幅 93.0 cm，られた．結果として，若壮年群は 15 名，中高年群は 26 名とな

高さ 52.3 cm，解像度：1920x1080)，BenQ 製 G2420HD (画面った．

サイズ：幅 53.0 cm，高さ 29.8 cm，解像度：1920x1080)である．
両デバイスで，各視距離において，コンテンツを 10 秒間観視させる試行を行ない，一旦被験者の目を休息させ，2 回目

図 1 左：EPSON MOVERIO Pro BT-2000，右：WAM-5500

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図 2 実験風景
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図 3 若壮年群の水晶体調節焦点

図 4 中高年群の水晶体調節焦点

若壮年群と中高年群における，水晶体調節焦点の結果をでなかった(p>0.05)．次に，中高年群における，LCD の結果

図 3，4 に示す．若壮年群における LCD の結果は，コンテンに対し，対応のある t 検定を行った．その結果，視距離 1.43 D

ツを 0.3 D に表示した場合，平均値は 0.7 D 程度となった．コに比べ 0.3 D は平均値が有意に低下した(p<0.05)．視距離

ンテンツを 0.8 D に表示した場合，平均値は 0.9 D 程度となっ

0.3 D では，0.8 D に比べ平均値は有意に低下した(p<0.05)．

た．コンテンツを 1.43 D に表示した場合，平均値は 1.2 D 程次に，HMD の結果に対し，対応のある t 検定を行った．その度となった．また，若壮年群における HMD の結果は，コンテ

結果，視距離 1.43 D に比べ 0.3 D は平均値が有意に低下しンツを 0.3 D に表示した場合，平均値は 0.8 D 程度となった．

た(p<0.05)．

コンテンツを 0.8 D に表示した場合，平均値は 1.0 D 程度とな

次に，各デバイスの同視距離において，対応のある t 検定った．コンテンツを 1.43 D に表示した場合，平均値は 1.1 Dを行った．その結果，LCD と HMD の同視距離においては，程度となった．

すべての視距離で有意差はみられなかった．

中高年群における LCD の結果は，コンテンツを 0.3 D に表示した場合，平均値は 0.8 D 程度となった．コンテンツを 0.8

4. 考察

D に表示した場合，平均値は 1.0 D 程度となった．コンテンツ
を 1.43 D に表示した場合，平均値は 1.0 D 程度となった．ま

本研究では EPSON MOVERIO Pro BT-2000 を使用して，た，中高年群における HMD の結果は，コンテンツを 0.3 D に左右方向での中心間距離を変化させることで，HMD 使用時表示した場合，平均値は 0.8 D 程度となり，コンテンツを 0.8 Dにおいても輻輳運動に連動する調節応答が引き起こされるかに表示した場合，平均値は 0.8 D 程度となった．コンテンツを実験を行った．その結果，HMD 使用時においても輻輳性調

1.43 D に表示した場合，平均値は 1.0 D 程度となった．

節は引き起こされ，奥行き方向に関する認知が変化すること

若壮年群の結果に対し，視距離とデバイスを因子とした二が確認された．

元配置分散分析を行った．その結果，視距離を因子とした場

水晶体調節焦点の平均値は，理論値に比べ乖離がみられ合で主効果は有意であった(p<0.05)が，デバイスを因子とした．これは，被験者の近視傾向や，室内照明により，被写界た場合では主効果は有意でなかった(p>0.05)．なお，交互作深度が深くなったことが考えられる．若壮年群に比べ中高年用は有意でなかった(p>0.05)．次に，若壮年群における，群では，調節能力が低下しており，すべての視距離においてLCD の結果に対し，対応のある t 検定を行った．その結果，水晶体調節焦点の平均値の変動は小さくなった．HMD およ

視距離 1.43 D に比べ 0.8 D は平均値が有意に低下したび LCD に表示したコンテンツ観視時の水晶体調節焦点を測(p<0.05)．視距離 0.3 D では，1.43 D に比べ平均値は有意定した結果，年齢群に関わらず，HMD 使用時においても，視に低下した(p<0.05)．視距離 0.3 D では，0.8 D に比べ平均

距離 1.43 D と 0.3 D 間で水晶体調節焦点の平均値には有意値は有意に低下した(p<0.05)．次に，HMD の結果に対し，差がみられた．このことから，左右眼に表示するコンテンツの対応のある t 検定を行った．その結果，視距離 1.43 D に比べ中心間距離を変化させるとこで，調節応答が引き起きることが0.3 D は平均値が有意に低下した(p<0.05)．視距離 0.3 D で確認された．

は，0.8 D と比べ平均値は有意に低下した(p<0.05)．

若壮年群において二元配置分散分析を行った結果，各デ中高年群の結果に対し，視距離とデバイスを因子とした二バイスにおいて主効果はみられず，各視距離において主効果

元配置分散分析を行った．その結果，どちらの因子においてがみられた．若壮年群では，十分な調節能力があるため，視も主効果は有意でなかった(p>0.05)．なお，交互作用は有意距離に応じて調節応答が起こり，水晶体調節焦点は遷移した

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19木村瞭太ほか: シースルー型スマートグラスに表示した画像観視時の水晶体調節応答ことが考えられる．また，デバイス間で有意差がみられなかったことは，LCD と HMD で異なる視覚生理学的調節応答をしているとはいえないということが確認された．
中高年群において二元配置分散分析を行った結果，各デバイス間および各視距離間で主効果はみられなかった．中高年群において，LCD および HMD の結果から，水晶体調節焦点が視距離に応じて変化していることが確認できる．このことから，中高年群においても HMD に表示したコンテンツを観視した際にも調節応答が正常に起こっていることが確認された．

5. まとめ近年，モバイル化技術が発達したことにより，様々なウェアラブルデバイスが発表されている．中でも，頭部に装着するタイプのスマートグラスは，AR 技術によって現実世界の光景に情報を重ねあわせて表示する，新しい情報提示として注目されている．大森ら，長谷川聡ら，長谷川旭らはヘッドマウントディスプレイに表示した 3D 映像観視時の水晶体調節焦点を測定している[9-11]．しかし，これらの研究では，シースルー型ではないヘッドマウントディスプレイを使用しているため，AR 技術を用いた映像の水晶体調節焦点を測定してはいない．牧田らは，道路の情報をスマートグラスに表示することでの有効性について研究を行っている[3]．また，巻渕らは，スマートグラスを用いたハンズフリーでの作業支援についての研究を行っている[4]．こうした研究によって，スマートグラスを用いることで，作業効率が向上することが期待されている．しかし，従来のスマートグラスでは，映像の表示位置を変更することが不可

Koji Makita, Keishun Chou, Ryosuke Ichikari,Takashi Okuma, Takeshi Kurata: A fundamental studyof an augmented reality system for road maintenance,
IEICE-MVE2014-34 114(239), 19-24 (2014.10).
[4] 巻渕有哉, 小林達也, 加藤晴久, 柳原広昌：HMD
キャリブレーションとオンサイト学習によるハンズフリ
ー遠隔作業支援 AR システム, AVM, 88(2), 1-6(2015. 2).
[5] 仁田正雄: 眼科学 改訂第 2 版, 文光堂 (1988).
[6] John Semmlow, Diane Heerema: The synkinetic
interaction of convergence accommodation andaccommodative convergence, Vision Research, 16,1237-1242 (1979).
[7] 内川恵二, 篠森敬三編: 視覚 I –視覚系の構造と初期機能–, 朝倉書店 (2007).
[8] 中野珠実，BRAIN and NERVE－神経研究の進歩，
66(1)，7-14 (2014)．
[9] Masako OMORI, Satoshi HASEGAWA, Tomoyuki
WATANABE, Hiroki TAKADA, Masaru MIYAO,Tetsuya ICHIKAWA: Study of lens accommodationin response to 3D images on a HMD, ITE TechnicalReport, 33(16), 53-56 (2009).
[10] Satoshi Hasegawa, Masako Omori, Tomoyuki
Watanabe, Kazuhiro Fujikake, Masaru Miyao: Lens
Accommodation to the Stereoscopic Vision on HMD,
Virtual and Mixed Reality, LNCS 5622, 439-444(2009).
[11] Akira HASEGAWA, Satoshi HASEGAWA, Masako
OMORI, Hiroki TAKADA, Tomoyuki WATANABE,Masaru MIYAO: Effects on Visibility and Lens
Accommodation of Stereoscopic Vision Induced by
HMD Parallax Images, Forma, 29, 65-70 (2014).
[3]

能であり，手元での作業を想定した場合では，違和感などにより作業効率が低下する可能性がある．そこで本研究では，左右眼用映像を独立に投影しており，輻輳角を変化させることが可能な EPSON MOVERIO Pro BT-2000 を使用し，作業効率向上における基礎研究として，水晶体調節焦点の測定を行った．コンテンツの表示位置を変化させることで，視距離に追随して調節応答が起こっていることを検証した．その結果，
どの年齢群においても，視距離に追随して調節応答が起こっていることが確認された．したがって，LCD と全く異なる調節応答ではないということが確認された．本研究では HMD の短時間使用について検証したが，実際の使用状況では，数時間の連続した使用が想定されるため，今後は長時間における視機能の検証することを予定している．

参考文献
[1]

[2]

20

Tsutomu Horikoshi: Wearable devices: current
features and future perspective, Memoirs of Shonan
Institute of Technology, 49(1), 65-73 (2015.3).
柴田史久：応用 1 モバイル AR 位置情報に基づくAR システム, 情報処理 51(4), 385-391 (2010.4).

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著者紹介

森田 一三 (非会員)遠山 貴大 (学生会員)

1992 愛知学院大学歯学部卒業．同年 臨床研修課程（1993 まで）．1997 愛知学院大学大学院歯学研究科修了（博士（歯学））．同年 愛知学院大学歯学部助手（口腔衛生学講座）．1999
同講師． 2006 ロンドン大学客員研究員（2007まで）．2013 愛知学院大学歯学部退職．2014 名
古屋大学大学院情報科学研究科博士研究員．
立体映像の生体計測，e-paper の可読性について研究に従事．

2012 名古屋大学工学部電気電子・情報工学科
入学．ヘッドマウントディスプレイの視認性や立体映像に関する研究に従事．

木下 史也 （非会員）木村 瞭太 (学生会員)
2015 名古屋工業大学工学部情報工学科卒
業．同年，名古屋大学大学院情報科学研究科
情報システム学専攻博士前期過程入学．立体映像に関する研究に従事．

戸谷 貴洋 （非会員）
セイコーエプソン（株） ビジュアルプロダクツ事業部 HMD 事業推進部 主事, セイコーエプソン入社後、液晶プロジェクターの光学系の設計／開発を担当。2009 年よりシースルーHMD の光学技術開発リーダーとして参画。2011 年のMOVERIO 「 BT-100 」 を 初 め 、 2014 年 の「BT-200」、2015 年の「BT-2000」の開発に従事．

2012 年 3 月，福井大学工学部知能システム工学科卒業．2014 年 3 月，福井大学大学院工学研究科博士前期課程修了，同年 4 月，名古屋大学大学院情報科学研究科情報システム学専
攻博士後期課程に進学，現在に至る．主に胃電図解析に関する研究に従事．

山川 達也 (学生会員)
2014 同志社大学理工学部情報システムデザイン学科卒業．同年，名古屋大学大学院情報科学研究科情報システム学専攻博士前期過程入学．立体映像に関する研究に従事．

宮尾 敏明 （非会員）
セイコーエプソン（株） ビジュアルプロダクツ事業部 HMD 事業推進部 主任, セイコーエプソン入社後、有機 EL デバイスのアレイ設計/開発を担当。2009 年以降シースルーHMD の導光板製造プロセス開発に従事し、MOVERIO の小型、軽量化に取り組む．

小嶌 健仁 （正会員）
1989 信州大学農学部農芸化学学科卒業．同
年 愛知県公立学校教員．2012 名古屋工業大学大学院工学研究科博士前期課程修了．2014
名古屋大学大学院情報科学研究科博士後期過程修了．同年，中部学院大学看護リハビリテーション学部看護学科助教，2015 年 同講師に昇任，現在に至る．立体映像の生体測定，モバイルアプリケーションに関する研究に従事．

宮尾 克 (正会員)
1977 名古屋大学医学部医学科卒業．1982 医学博士．同大学医学部助手・講師・助教授・教授(多元数理科学・情報基盤センター)を経て，2009 情報科学研究科教授，現在に至る．人間工学・公衆衛生学を通じ，立体映像の生体影
響，ケータイ・モバイル機器のユーザビリティ，多言語情報システムを研究．

石尾 広武 （正会員）
福山市立大学都市経営学部・教授．1995 京都大学大学院理学研究科で博士（理学）号取得．主たる研究は，量子力学の基礎論，カオス理論，計算物理学，そしてヒューマン・コンピュータ・インタラク
ション．The University of Tennessee，Oak Ridge
National Laboratory ， Harvard University ，Technische Universität Wien ， Linköpings
Universitet ， University of Bristol ， Universidad
Autónoma de Madrid などで研究に従事．

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