情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

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鏡像空間と実空間の境界を自在に超える
超鏡空中像表示システムの実装
巻口誉宗1,a)

佐野文香1,b)

松元崇裕1,c)

山本 隆二1,d)

概要：鏡面や鏡の中にデジタル情報を提示する手法は多々提案されているが，表示領域は鏡像空間に制限されている．我々はデジタル情報を鏡像空間だけでなく実空間へも連続的に移動させることのできる超鏡空中像（MiTAi:Mirror-Transcending Aerial Imaging）のコンセプトを提案し，実世界におけるデジタル情報の新たな視聴体験の創出をめざしている．本稿では超鏡空中像の特徴である「空中像が鏡面を超える視聴体験」をソフトウェアによって自動制御できるシステムの実装について，光学系，制御系，アプリケーション，パラメータ設計の観点から概要を述べ，実装したプロトタイプの動作をまとめる．

1. はじめにを用いた既存の空中像光学系である AIRR(Aerial imagingby retro-reﬂection)[8] を拡張した新たな光学系を提案し我々は日常生活において鏡像空間と実空間の１対１の対た [1], [2]．そして簡易的な原理確認用プロトタイプを実装

応を理解することで，鏡を自己認知や空間認知に利用してし，表示される空中像が鏡像空間と実空間を連続的に移動いる．近年はビームスプリッタ（入射光の一部を透過し，できることを確認した．本稿では超鏡空中像の特徴である一部を反射する光学素子）の裏面にディスプレイを設置す「空中像が鏡面を超える視聴体験」を自動制御によって再現ることで，鏡像空間にデジタル情報を表示するスマートミできる超鏡空中像表示システムの実装についてまとめる．

ラー [3], [4] や，ユーザの視点位置や動きを取得するセンサ

さらに動作検証結果として，実装したシステムが空中像のを追加したインタラクティブミラー [5], [6] が提案されてい移動と同期したアニメーションを付与できること，ビームる．こうした技術によって実空間に存在しないデジタル情スプリッタの偏光特性を活用することで実空間照明とディ報を鏡像空間に表示させることで，我々は鏡像空間を実空スプレイの迷光要因を軽減できることを述べる．

間との対応にとらわれずに利用できるようになった．さらにデジタル情報によって鏡の中の自己像や鏡像空間を積極的に拡張することで新たなインタラクションを創出する試みも行われている [16], [18], [19]．

2. 関連研究
ビームスプリッタの裏面にディスプレイを設置したス
マートミラーは，構成がシンプルで導入が容易なことからこうした従来研究が，ユーザの自己像や空間の拡張を対コンテキストアウェアコンピューティング分野における情象としていることに対し，我々は鏡像空間に表示されるデ報取得インタフェース [3] や，アフェクティブコンピュージタル情報自身の拡張に着目し，鏡像空間と実空間を連続ティング分野における感情インタフェース [4] としての活的に移動可能な超鏡空中像（MiTAi:Mirror-Transcending用が提案されている．一方で，スマートミラーのシンプルAerial Imaging）を提案している．超鏡空中像によって従な光学系のままではデジタル情報の表示位置は鏡面に固来，鏡像空間内，もしくは実空間内のみに限定されていた定され，ユーザの虚像と表示面には奥行方向のズレが生じデジタル情報が，鏡面を超えて移動可能な存在となることる．そのためユーザや実物体の虚像にデジタル情報を重畳で，実世界におけるデジタル情報の新たな視聴体験やインする AR(Augmented reality) や MR(Mixed reality) の分タラクションの創出が期待される．

野では，センサを追加してユーザの視点位置や動きを取得

これまで我々は超鏡空中像を実現するため，再帰反射
1a)
b)
c)
d)

NTT 人間情報研究所
motohiro.makiguchi.gn@hco.ntt.co.jp
ayaka.sano.sc@hco.ntt.co.jp
takahiro.matsumoto.ab@hco.ntt.co.jp
ryuji.yamamoto.sv@hco.ntt.co.jp© 2023 Information Processing Society of Japanし，ミラーに表示する情報を変化させるインタラクティブミラーが提案されている．インタラクティブミラーでは取得した視点位置に合わせてディスプレイの映像をリアルタイムに書き換えることで，視点位置に対して虚像とデジタ
ル情報のズレの解消に加え，運動視差の再現 [5] や，裸眼688

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3D ディスプレイを用いることで両眼視差の再現 [6] を実現できる．しかしこれらの手法では，視点位置を検出するユーザ１名のみにしか正確な情報重畳ができないことに加え，人の奥行知覚の要素のうちの調節機能はカバーできず，デジタル情報と虚像を同じ被写界深度で観察することが困難である．

Saakes ら [7] は，インタラクティブミラーの構成にプロジェクタを加えて実空間のユーザの身体に映像を投影する手法を提案している．このアプローチではユーザはデジタ
ル情報が重畳された自身の虚像を奥行知覚の違和感なく観察できる．また，Uchida ら [9] や Jacobs ら [19]，Plasencia
ら [18] は，ビームスプリッタの裏面のディスプレイを物理的に奥行方向へ離した光学系を用いている．鏡面とディスプレイに物理的な距離をもたせるこのアプローチは，シン

図 1

提案光学系の上面図．(a) 実空間と鏡像空間 F への空中像表
示．(b) 鏡像空間 B への空中像表示

プルながら人の奥行知覚の多くの要素をカバーできる他，インパクトの求められるサイネージやエンターティンメン

複数人でもデジタル情報を正確な奥行位置に観察できる．

トへの活用が期待できる．超鏡空中像のコンセプトを実現

しかしこれらの手法ではいずれもユーザが視認するデジタ

する提案光学系の上面図を図 1 に示す．提案光学系はリフ

ル情報の表示範囲はビームスプリッタの後ろ側の鏡像空間

レクタと 2 枚のビームスプリッタ、ディスプレイから構成に限定されている．

される．リフレクタは再帰性反射材である．リフレクタにデジタル情報を実空間へ表示する手法として，レンズ [10]対して斜め 45 度に設置されるビームスプリッタ１は，ディや Micro-mirror array plates(MMAP)[11]，再帰性反射材 [8]

スプレイの光をリフレクタ方向へ反射させ，リフレクタでなどの光学素子を用いてディスプレイの実像を結像させる

反射した光を視聴方向へ透過させる．ユーザに正対して設空中像表示手法が提案されている．実像による空中像はい置されるビームスプリッタ２は実空間の環境光を反射し，ずれも光学系の手前側にデジタル情報を表示できるため，ユーザに鏡像空間を視認させる．

ユーザは空中像の位置に指を重ねるなどのインタラクショ空中像を実空間に表示させる場合，および鏡像空間 F にンを行うことができる．また，実像の空中像と鏡像空間を表示する場合は図 1a のように、ディスプレイの表示面をリ組み合わせた手法として，実空間に空中像を表示し，さらフレクタに対して垂直とする．これによりディスプレイのにその空中像の虚像を模した別の空中像を鏡像空間内に提映像は既存の AIRR 光学系 [8] と同様にリフレクタによっ示する光学系 [15] が提案されている．この手法は空中像のて実像の空中像が結像される．以下ではリフレクタによっ実在感向上を目的としており，超鏡空中像のようにデジタて結像される空中像を結像空中像と呼ぶ．ディスプレイのル情報を鏡像空間と実空間の間で移動させる概念は言及さ位置と空中像の結像位置はビームスプリッタ１を基準に面れていない．

対称となる．そのためビームスプリッタ１に対してビーム鏡像空間と実空間の間でデジタル情報を移動させる手法

スプリッタ２が面対称となる仮想鏡面を定義すると，空中として，筧ら [16] はテーブルトップ型の表示面の上に鏡像の結像位置はディスプレイが仮想鏡面よりも外側では実を垂直に設置し，２台のプロジェクタと拡散型の視域制限空間に，内側では鏡像空間 F となる．よってディスプレイ

フィルムによって実空間の表示面と鏡に映る表示面にそが仮想鏡面を挟んで連続的に移動することで空中像はビーれぞれ独立した映像を表示するシステムを提案している．

ムスプリッタ２の鏡面を超えて実空間と鏡像空間を移動

このシステムは表示面にホッケー台を投影し，ホッケーのし，空中像が鏡面をすり抜けたように視認される．

パックを実空間と鏡像空間で行き来させ，ユーザとユーザ空中像を鏡像空間 B に表示する場合は，図 1b のように自身の虚像とのインタラクションの創出を目的としている

ディスプレイの表示面を視聴方向に向けて鏡像空間 B に配のに対し，我々は超鏡空中像を通してデジタル情報に対す置する．これによりユーザはディスプレイの映像を２枚のる認知の変化や，ユーザとデジタル情報との新たなインタビームスプリッタ越しに直接観察することで鏡像空間 B 内ラクションの創出をめざしている．に空中像を視認する．以下では鏡像空間 B へのディスプレ

3. 超鏡空中像

イ直視による空中像を直視空中像と呼ぶ．

AIRR 光学系ではビームスプリッタと空中像の両方を超鏡空中像はデジタル情報を鏡像空間と実空間の間で連ユーザに正対させることが困難であるが，提案光学系では続的に移動させる [1], [2]．特に「鏡の中から何かが飛び出ビームスプリッタ 2 を追加することでこの問題を解決する．

してくる体験」は我々が日常生活で見ることがないため，また，提案光学系では AIRR 光学系の光路にあたる空間を© 2023 Information Processing Society of Japan689

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図 22C-522023/3/1

図 3(a) 提案光学系における迷光要因．(b) 吸収偏光フィルムによ制御系の構成

る対策

ムが見えることに加え，照明光がリフレクタやビームスプ
直視空中像におけるディスプレイの移動領域として活用すリッタ１に反射されることで迷光が生じる．２つ目の迷光ることで，実装スペースの削減に加え結像空中像の光路長要因はディスプレイである．結像空中像表示時にディスプ増加を防ぐことができる．これまでの我々の検討では，提レイから斜め方向に出射された光がビームスプリッタ１，

案光学系では既存の AIRR 光学系構成との比較において空２を透過することで，ディスプレイの映像が迷光として視中像の輝度を 75%以上を維持できること [1]，および再帰認される．

性反射材とビームスプリッタをタイリングすることで表示する空中像を大型化できることを確認した [2]．

4. 実装

これらの迷光要因への対策としてビームスプリッタ２の偏光特性を活用する（図 2b）．まず，ビームスプリッタ２に対し，すでに貼合されている反射偏光フィルムの反射する偏光成分を吸収する光軸（図 2b の例では S 偏光吸収）

従来検討 [1], [2] では，ディスプレイの移動を手動で行っで，吸収偏光フィルムを貼合する．さらに実空間照明とていたため，空中像の移動速度や距離といった条件の統制ディスプレイそれぞれに対し，ビームスプリッタ２の吸収や，移動と同期した空中像へのアニメーション・演出の付偏光フィルムと直交する光軸（図 2b の例では P 偏光吸収）与が困難であった．そこで我々は，鏡面を超える動作を安で吸収偏光フィルムを貼合する．これにより実空間照明と定して再現することを目的として結像空中像に対象を絞

ディスプレイから出射される光は S 偏光のみとなり，ビーり，奥行方向 1 軸の移動と，移動と空中像映像の同期制御

ムスプリッタ２にそれぞれ吸収されることで迷光を軽減すが可能な超鏡空中像表示システムを実装した．以下では光ることができる．

学系，制御系，アプリケーション，パラメータ設計の観点から実装の概要を述べる．

4.2 制御系

4.1 光学系させるためにディスプレイの物理的な移動が必要である．

提案光学系では結像空中像を鏡像空間から実空間へ移動
提案光学系の実装にあたり，再帰性反射材として日本空中像の奥行位置を物理的に変化させる手法として XY ス

カーバイド工業製 空中ディスプレイ用リフレクタ RF-Ay

テージ [12] やリニアアクチュエータ [13] を用いる手法の（250 mm 角，位相差フィルム貼合）を用い，ビームスプ他，ミラーを回転させる手法 [14] が提案されているが，本

リッタ 1 に反射偏光フィルムを貼合した透明アクリル板

稿では奥行方向１軸の移動を最もシンプルに再現できる方（幅 350 mm，高さ 250 mm），ビームスプリッタ２に反射偏式としてリニアアクチュエータを採用した．

光フィルムを貼合した透明アクリル板（250 mm 角）を用

図 3 に制御系の構成を示す．アクチュエータとして市販いた．反射偏光フィルムはビームスプリッタ１の透過軸とのベルト駆動型リニアアクチュエータ（移動量 200 mm，ビームスプリッタ２の透過軸が等しくなる方向で配置する

精度：± 0.1 mm，最高速度：500mm/s，負荷：300N）を用（例として P 偏光を透過し，S 偏光を反射するものとする）．

いた．ディスプレイにはスマートフォン motorola 製 moto

また，光学系構築にあたり図 2a に示す２つの迷光要因

g31 を用いた．リニアアクチュエータと空中像映像を同期への対策を行う．１つ目の迷光要因は実空間をビームスプ制御するため，アクチュエータを制御するクライアントリッタ２に映すために必須となる実空間照明である．実空マイコンと，スマートフォンの表示映像をマスタ PC から間に設置した照明光がビームスプリッタ２を透過して装置制御する．クライアントマイコンには M5Stack を用いた．

内部に入ることでユーザから装置内部の光学系やフレークライアントマイコンはマスタ PC と USB ケーブルで接© 2023 Information Processing Society of Japan690

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図42C-522023/3/1

実装した光学系と制御系の外観（構造がわかりやすいよう一部外装を外した状態）続され，シリアル通信で受信した奥行位置に合わせてリニ

図 5

装置上面図に対する飛び出し距離の変数アアクチュエータのステージを移動させる．実装で用いた緑）となり，その他の部分では空中像が視認されなかった

ベルト駆動リニアガイドアクチュエータは，ステッピングり，片目のみに空中像が視認されることにより両眼視差がモータとタイミングベルトによってステージ位置とモータ機能せず，空中像に対する奥行知覚が曖昧になるといったの回転数が対応しているため，物理スイッチによって初期問題が生じる．こうした問題を避けるため以下では飛び出位置を検出し，初期位置からのモータの回転数の増減をカし距離の理論値の算出方法について述べる．

ウントすることで現在のステージ位置を把握する．

視聴条件として装置の上下左右中央に視点がある場合を想定する．図 5 に示すようにビームスプリッタ１がリフレ4.3 アプリケーション

クタに対して斜め 45 度に設置されている場合，リフレク

マスタ PC とスマートフォンには Unity で実装したマスタの幅を Wr とするとビームスプリッタ２からリフレクタタアプリとクライアントアプリをそれぞれインストールまでの距離も Wr となる．また，ビームスプリッタ２からする．マスタ PC 上のマスタアプリは上記光学系の実サイ視点までの視距離を D，瞳孔間距離を E ，空中像の表示幅ズに合わせた仮想ステージ環境と，空中像として表示したを Wa とする．さらに両眼の輻輳の交差点から空中像までい被写体，想定視点位置に設置された仮想カメラを保持すの距離を a，交差点から視点までの距離を b とすると，a, bる．マスタアプリは仮想カメラで撮影した被写体の映像はそれぞれ以下の式で求められる．

を，WebRTC ベースの UnityRenderStreaming によってスマートフォンのクライアントアプリにリアルタイムで伝送する．空中像映像をマスタアプリ上でレンダリングし，クa : Wa = b : E
Wa ba =E

ライアントアプリは受信した映像の表示のみを行うことで，センサ導入などの拡張性が向上することに加え，コンテンツを更新する度にスマートフォンにクライアントアプリを書き出す作業がなくなり，調整時の PDCA サイクルを高E : Wr = b : Wr + D − b
E(Wr + D)
b =(Wr + E)

速化できる．マスタアプリはユーザの操作入力に基づいてこのとき，飛び出し距離 P は上記 a, b を用いて以下の式か仮想ステージ環境内の被写体を移動させ，アニメーションら求められる．

や演出を付与するとともに，被写体の奥行位置をクライアントマイコンに送信する．

P = D − (a + b)

(1)

瞳孔間距離 E は女性の平均値よりも男性の方が長く，飛び出し距離の制約が強まることから，例として男性の平均4.4 パラメータ設計である 65 mm を設定した（E = 65）．空中像の表示幅 Wa

提案光学系において空中像が視認できる範囲はビームスはディスプレイサイズから設定でき，例として今回の実装プリッタ１とリフレクタが同時に視認できる範囲に限定さに用いたスマートフォン g31 の画面幅である約 66 mm をれる．そのため空中像が両眼で観察される範囲は各眼とリ設定した（Wa = 66）．視距離 D について，先行研究 [17]フレクタの両端を結んだ２つの三角形の重畳部分（図 5 のでは腕を伸ばして対象を操作する際の最適距離は，腕の長© 2023 Information Processing Society of Japan691

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さを L とした際に 0.4L から 0.8L とされていることを参考

光学系 [1], [2] ではディスプレイの方向を回転させ，直視空に，成人男性の腕の長さの平均として L = 700 mm[18] を中像を視認させることも想定している．ディスプレイの偏想定し，0.8L = 560 mm を設定した（D = 560）．上記条

光方向を動的に切り替えることは困難なため，結像空中像件における飛び出し距離は式 (1) から約 223 mm となる．と直視空中像の両方を実装する場合は，吸収偏光フィルム

この数値を目安にコンテンツ制作時に被写体の飛び出し距の代わりに視野角制限フィルムを用いる手法や 2 台の偏光離に上限を設定することで，両眼視差による奥行知覚を損方向の異なるディスプレイを L 字に組み合わせる手法などなわない空中像表示を実現できる．の代替案が有効と考えられる．

5. 動作検証結果と考察

6. まとめ

5.1 超鏡空中像の移動とアニメーション

本稿ではデジタル情報が鏡像空間と実空間を連続的に移実装したシステムを用いて空中像を鏡像空間から実空間動できる超鏡空中像表示システムを実装した．実装したシに連続的に移動させた際の写真を図 6 に示す．左側のイステムはマスタ PC によって空中像の移動機構と表示映像

ンコは実空間に配置した実物体，右側のドラゴンは空中像を制御することで空中像の移動と同期したアニメーションである．実装システムによって，空中像が実空間の鏡像空や演出を付与できる他，ビームスプリッタの偏光特性を活間から実空間へ連続的に移動できることと，移動と同期し用することで実空間照明とディスプレイの迷光を軽減できて空中像のアニメーション（ドラゴンの飛行モーション）る．今後，本システムを用いてユーザの超鏡空中像に対すを再生できることが確認できた．一方で肉眼による観察でる認知やインタラクション性に関する評価を行い，実世界は，鏡面の位置が曖昧で空中像が鏡面を超えた瞬間の把握における人とデジタル情報との新たなインタラクション創が困難であった．そのため空中像が鏡面を超えるインパク出に向けた検討を進める．

トを増大させるためには，鏡面の前後で空中像の輝度や色を変化させるなどの演出の付与が重要と考えられる．

参考文献
[1]

5.2 迷光要因の軽減効果
迷光要因対策の効果について，まず実空間照明に対する[2]吸収偏光フィルム設置あり・なしの比較を図 7 に示す．図7a の吸収偏光フィルムなし（対策なし）の場合，鏡像空間には実空間に配置したインコと実空間照明の虚像以外にも[3]ビームスプリッタ１に反射した照明の虚像や内部光学系を支えるフレームが視認される．一方，迷光要因対策として[4]

吸収偏光フィルムを設置した場合（図 7b）ではそれらの迷光が大きく軽減されることがわかる．

[5]

ディスプレイに対する吸収偏光フィルム設置あり・なしの比較を図 8 に示す．図 8a の吸収偏光フィルムなし（対策[6]なし）の場合，装置を斜め方向から観察するとディスプレイの映像が直接視認されることによる迷光が生じている．

[7]

一方，対策として吸収偏光フィルムを設置した場合（図 8b)ではディスプレイの迷光が大きく低下していることが確認できる．

[8]

ディスプレイに設置した吸収偏光フィルムで吸収される偏光成分は空中像結像に寄与しないことから，原理上は今[9]回の対策によって空中像の輝度低下を生じずにディスプレイの映像を完全に除去できる．図 8b に見られる空中像の若干の輝度低下と迷光成分の残留は，偏光フィルムの性能，[10]および視域が狭いことが要因と考えられ，今後，吸収偏光フィルムの性能向上や視域拡大によってさらなる改善が期[11]待できる．また，今回の実装では結像空中像のみに絞って実装したため，ディスプレイの迷光要因に対して吸収偏光フィルムによる対策が有効であった．一方で，本来の提案© 2023 Information Processing Society of Japan[12]

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図 62C-52
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実装したシステムで表示した空中像．F 値 4.5，露出時間 0.635 秒，ISO 値 64 で撮影．

[18]

[19]

図 7

D.M.Plasencia,
F.Berthaut,
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実空間照明の迷光軽減効果．F 値 11， 露出時間 8 秒， ISO
値 64 で撮影．

図 8

ディスプレイの迷光軽減効果．F 値 4， 露出時間 0.635 秒，

ISO 値 64 で撮影．

[13]

[14]

[15]
[16]

[17]

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