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日本バーチャルリアリティ学会誌第 8 巻 2 号 2003 年 6 月

特集 福祉と VR

視覚障害者のための VR 技術の動向
関喜一

産業技術総合研究所

実際，数種類が実用化され，日本にも 2 種類が導入された．

１．はじめに近年バーチャルリアリティ（以下 VR）技術を様々なそのうちの 1 つはソニックガイド（Sonicguide）1) という分野へ応用する試みが盛んに行われている．本稿では，眼鏡型の超音波環境探索装置であった．原理は，眼鏡のフ視覚障害者の行動補助・教育・リハビリテーションへのレームに取り付けられた超音波トランスデューサから超音応用の傾向を概説する．

波を発し，物体に反射して帰還した音波を超音波マイクロ視覚障害者を対象とした VR が晴眼者を対象としたもホンで捕えて可聴音に変換しイヤホンを通して聴覚に提示のと異なっている点は，まず第一に，視覚以外の感覚へするものであった．変換の方法は，検出した物体の左右方の情報提示が重要となることである．現在は，視覚以外向を両耳間レベル差（左右耳に提示する音の大きさの差）の残された 4 感覚のうち，聴覚と触覚への提示技術が研による頭内の左右音像位置，距離をピッチ（音の高さ），究されている．第二の相違点は，仮想環境の提示に際し，材質を音色にそれぞれ対応させるものであった．ソニック

視覚障害者がリハビリ・教育・訓練によって獲得した概ガイドを使えば聴覚を通して周囲の状況を詳細に知るこ念を考慮することが望ましいことである．一般の晴眼者とができるため，当時は多くの研究者や視覚障害リハビリは獲得していない点字読解や障害物知覚（4．で説明）なテーション・教育関係者がその可能性を模索した．

どの能力も考慮に入れた情報提示が，視覚障害者にとってよりリアルな仮想環境を作り出すことになる．
本稿では，現在研究されている視覚障害者を対象とした VR のうち，聴覚に情報を提示する形式について紹介することにする．
２．VR が登場する以前の聴覚提示技術最初に参考として，VR が登場する以前の聴覚提示技術について述べたい．
1970 年代に，電子技術を利用した「歩行補助装置」なるものの研究が盛んに行われた．その基本的なしくみは，
図 1 2 次元図形提示方式（下村ら 2), 杉本ら 3)）．
左右を両耳間レベル差，上下を周波数に変換して提示する．技術的に簡単であり，コンピュータのインタフェースなどに適している．

超音波センサや光センサなどで探知した周囲の障害物などの情報を，音や振動に変換して視覚障害者に知らせ，もって歩行における環境認知の補助を行うというものである．

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図 2 頭部伝達関数を利用したヘッドホンによる頭外音像提示技術．
ヘッドホン聴取であるにも関わらず音像が頭外定位するため，リアルな 3 次元音響が再現される．

しかし，物体の方向・距離・材質を頭内音像位置・ピッ

空間内の音源から発せられた音波は，鼓膜に到達する過チ・音色に変換するというこの情報提示方式はとても程で頭部，耳介，外耳道などの影響を受け，スペクトルが「リアル」と言えるものではなく，この提示情報から物変化する．音源から鼓膜までを１つの伝達系と考えたとき，体の存在を実感し，方向・距離・材質を認識できるようその伝達関数を一般に「頭部伝達関数（head-related transferになるためにはそれ相応の訓練が必要であった．また，function; HRTF）」と呼ぶ（頭部伝達関数にはもっと厳密な障害物知覚（4．で説明）を獲得した視覚障害者にとって定義や分類がある 4）がここでは省略する）．

はこの提示情報はかなり違和感があったようだ．本稿の一般に 2ch のステレオ信号をそのままヘッドホンで聴取

3．や 4．で紹介する研究は概して，ソニックガイドなどした場合，音像は頭内に生じる．しかし，頭部伝達関数を1970 年代に開発された装置が採用していた不自然な変デジタルフィルタなどで再現し，一旦このフィルタを通過換情報提示方式から離脱し，もっと「リアル」に物体のさせた信号をヘッドホンで聴取すると，空間内の音源から存在感，位置情報を提示することはできないだろうかと発せられた音波が頭部などの影響を受けて鼓膜に到達するいう発想からスタートしている．

状態が模擬され，頭外に音像が定位する（図 3）．

ちなみに現在でも，下村ら 2)，杉本ら 3) が，複雑なVR 技術に依存せず，左右を両耳間レベル差，上下を周波数に変化して 2 次元図形を提示する技術についての研究を報告している（図 1）．この方式は主にコンピュータのインタフェースとして考案されているもので，不自然さは否めないものの，複雑な畳込み演算などを行う必要がないため，低コストで実現できる利点がある．
３．頭部伝達関数を利用した音源定位のための VR
一般用，視覚障害者用を問わず，現在の聴覚による VRの主流は，頭部伝達関数（説明は後述）を考慮して，ヘッドホン提示により音像を頭外定位させる技術を応用したものである．一般的にこの方式の VR は，音楽用エフェクタとして使用されている他，ゲームや遊園地のアトラクションなどのアミューズメント目的で利用されている

図 3 頭部伝達関数を利用したヘッドホンによる頭外音像提 示 技 術 の 原 理 ． 音 源 か ら 左 右 耳 ま で の 伝 達
関 数 HL(ω),HR(ω)（図上段）を，デジタルフィルタなどで再現してヘッドホンで提示すると（図中段），あ た
かも空間内に実在する音源の音を聴取しているかのよ
うに音像が定位する（図下段）．

ケースが多い．一方視覚障害者用としては，主に歩行訓練，日常生活訓練における音源定位能力の向上をめざした訓練・補助システムとしての可能性が追及されている（図 2）．
ここで，この技術の原理について概説する．

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福祉と VR図 4 障害物知覚訓練用音響 VR システム（関 9)）．
16 個のスピーカーを用いて，仮想的な障害を提示する．

頭部伝達関数は，頭部に対する音源の方向・距離によっ音響提示技術を視覚障害児用の歩行訓練へ応用する研究てそのスペクトルが異なっており，ヒトの頭外定位におを行うと報告した．計画の 4 年目には，視覚障害児に歩ける音源方向・距離決定の手がかりとなっている．従っ

行訓練を行っている学校の少なくとも５校に導入したいて，方向・距離と頭部伝達関数の対応関係をあらかじめとしている．1999 年の国際会議における彼らの発表で把握し，任意の方向・距離の頭部伝達関数を畳み込めるは，想定しているシステムは，例えば車が往来しているようなフィルタシステムを用いれば，任意の位置に音像

道路を横断する際，車が途切れるタイミングなどを音でを生じさせることができる．3 次元音響システムとして聞き取る訓練を想定したものであった．

知 ら れ る Crystal River Engineering 社 の Convolvotrn や，

小林ら 7) は，双曲面ミラーと CCD カメラを組み合Roland 社の RSS-10 などはこの原理を利用している．

わせた全方位センサを用い，そこから得られた目標物頭部伝達関数を用いた頭外音像提示技術は，空間内になどの位置を 3 次元音響に変換して提示する視覚障害

実際にスピーカを配置せずともヘッドホンにより頭外に者誘導システムを試作した．システムは，使用者の頭音像を提示できるため，場所を選ばず運搬も容易な聴覚頂部に全方位センサを取り付け，センサ内の CCD カ

VR システムとして近年急速に関心が高まっている．しメラから得られた情報を画像処理して目標物の方向とかし，頭部伝達関数は頭部の形状などによって決定され高さを検出し，3 次元音響生成装置を用いてその座標るために個人差があり，システムのフィルタに組み込んに音像を生じさせるというものであった．評価実験のだ頭部伝達関数との差が大きい人が使用した場合は十分

結果，室内に吊したカラーパネルを目標物とした場合，な頭外定位効果が得られないことがある．個人差を如何視覚障害者がその場所まで正確にたどり着くことがでに克服するかが今後のこの技術普及の鍵を握っている．

きたと報告している．
その他に関連した研究例として，井口 8) は，3 次元

次に実際の応用例を紹介する．
棟方ら 5) は，頭部伝達関数を用いた聴覚情報提示シ

音響によって予め自動車通過音を聴取する訓練を受けステムを使って，視覚障害児の音源定位能力訓練を想定た視覚障害被験者群が，訓練を受けていない視覚障害被したインタラクティブな学習プログラムを作成し，その験者群に比べて，実環境での歩行訓練時における SPR有効性を検証した．そのシステムは，キーボードにより（Stress Pulse Ratio，心拍数の増加率に基づいたストレス仮想音源の位置をコントロールすることができる．訓練指標）が有意に低いことを報告した．この結果は，3 次生は，二人一組となり，１人が源を操作し，もう１人がChaserとなる仮想音

元音響のシミュレーションによる仮想環境での事前訓練

Escaper という別の仮想音源が，視覚障害者の実環境での歩行訓練における不安感のを操作して，追いかけっこをするようなゲームを行う．

軽減に効果的であることを示している．

ゲームを繰り返して行くうちに，音源定位の訓練が進む
４．障害物知覚のための VRことが期待できる．訓練の前後で距離定位能力を比較し障害物知覚（obstacle perception, obstacle sense）は，「音た結果，有為な向上が見られたと報告している．
Inman ら 6) は，1998 年から 4 ヵ年計画で，3 次元仮想を発しない物体（壁や柱など）の存在を聴覚によって知10特集

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覚し定位する能力」と定義づけることができる．物体は，直に入射する騒音（この場合の騒音は，音源が無限遠方

たとえ自分では音を発しなくても，環境音のある空間のとみなされ，波面は平面波であるとする）のみが存在す

中に存在すれば，音の伝わり方を変化させる．この変化る場合で，騒音を用いる障害物知覚の修得にとって最もを聴覚によって捕えることにより物体を検出する能力が基礎となる音場である．この音場は，図 5(a) 左に示すよ障害物知覚である．

うに，頭部に対し障壁と反対方向（この例では頭部右方障害物知覚は百年ほど前までは空気の流れの変化など向）から到来する直接音 D と，障壁方向（この例ではを感じる皮膚感覚によるものと考えられていたようだが，頭部左方向）から到来する反射音 R によって構成される．

現在では物体からの反射音や，物体による音の回折など

なお反射音 R は直接音 D に対し遅延時間 2d/c（c は音が重要な手がかりとなっていることが知られている．

速）を持たせたものとなる．この音場を再現するため障害物知覚は，物体の存在によって起こる音の聞こえには，図 5(a) 右のように，頭部右方向のスピーカから方の変化と物体の存在との対応関係を学習することによ

直接音 D(t)，頭部左方向のスピーカから反射音 R(t)=D(t-り可能となる．この能力は音源定位と同様，視覚障害者2d/c) を出力すればよい．図 5(b) は，障壁に垂直に入射の聴覚による環境認知能力の１つとして重要な位置付け

する騒音に加えて，入射角 θ（ただし便宜上，θ は隣接にあり，視覚障害リハビリテーション・教育においてもするスピーカの見込み角 22.5° に等しいとする）で入射その訓練は重要な課題となる．

する騒音を付加した場合で，図 5(a) の例よりも少し実

関 9) は，物体からの反射や遮音を音響システムを使って人工的に再現することにより仮想物体を作り出し，障害物知覚の学習・訓練を行うシステムを開発した．
図 4 に同システムの概要を示す．提示装置は 16 個のスピーカからなる．障壁などの物体が存在する状態を仮想的に提示する場合は，音源からまっすぐ頭部に届く直接音の到来方向，物体からの反射音の到来方向，及び直接音との遅延時間を計算し，16 スピーカシステムを使って音場を生成する．
同システムによって仮想的に作り上げた訓練環境は，実環境では難しかった段階的訓練を可能にする．従来の訓練は，実環境で本物の障壁などに訓練生を接近させて，物体の存在によって起こる音の聞こえ方の変化を経験的に理解させる方法が採られていた．しかし，実際の環境中には物体の存在を知る手がかりとはなりえない無関係な雑音が存在する．また，物体による反射や回折なども理想的な状態で起こるわけではなく，実環境は初心者のための学習教材としては難しい場合があった．その点，このシステムが作る人工的な仮想環境では，無関係な雑音は取り除くことができ，また反射や回折も理想的な状態で再現できるため，初心者に基礎の学習をさせるための最適な教材が作り出せる．
また逆に意図的に無関係な雑音を加えるなど難易度を調整できるので，初学から熟達へ向けて難易度を徐々

図 5 音響 VR 装置を用いた音場再生の例（騒音を用いる障害物知覚における，障壁が頭部側面方向に存在する場合の例）．に高めていく段階的訓練が可能になる．
同システムの原理を説明する．図 5 に，このシステム(a) 障壁に垂直に入射する騒音のみが存在する場合(b) 障壁に入射角 θ で入射する騒音を付加した場合（D,D1,D2 は互いに無相関）障壁の存在によって影響を受けない騒音を付加した場合（N1 ～ N10 は互いに無相関）を用いた音場再生の一例を示す．この図の例は，騒音を用いる障害物知覚において，障壁が頭部側面方向に存在する場合を例にとったものである．図 5(a) は障壁に垂11(c)6812

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特集

福祉と VR図 6 障害物知覚訓練用音響 VR システム簡易版．2 ～ 4 台のス
ピーカを用いた小型の障害物知覚訓練システム．視覚障害生活訓練専門職員養成過程で教育用として導入．

５．おわりに環境に近づけた例であり，障害物知覚の訓練としては少し難易度を上げたものである．この音場は，図 5(b)視覚障害者のための VR 技術の動向と題してその傾向

左のように，直接音 D と反射音 R に加えて，入射角 θと幾つかの研究を紹介した．の直接音 D1, D2 と，それに対する反射角 θ の反射音 R1,VR 技術の導入により視覚障害者の生活の質の向上がR2 により構成される．なお反射音 R1, R2 はそれぞれ直図られるのは誠に好ましいことではあるが，一方で，「何接音 D1, D2 に対し遅延時間 2d cosθ /c を持たせたものの目的で VR 技術を用いるのか」，即ち，「VR 技術を用いとなる．この音場を再現するためには，図 5(a) の例とると，今までの視覚障害者の行動補助・教育・リハビリテー

同様，図 5(b) 右のようにそれぞれの音の到来方向に相ションの方法論における何の問題が解決するのか」を明当するスピーカから D, D1, D2, R, R1, R2 を出力すればよ

確にしないまま，「VR という面白いものがあるからとりい．図 5(c) はさらに，障壁の存在によって影響を受けあえず使ってみよう」という発想で行われる研究が多い

ない騒音が到来する場合で，かなり実環境に近い例でように見える．VR 技術の幕開けの時代である現在におあり，障害物知覚の訓練としては難易度が高い．このいてそういう研究の立場は否定しないが，しかし目新し場合も同様に，それぞれの音の到来方向に相当するスさにつられて目的を見失ってはいけないと思う．
本稿が，視覚障害者のための VR 技術の発展と，このピーカから騒音を出力すればよい．
現在このシステムの簡易版が，視覚障害生活訓練専門技術に対する多くの読者の関心を集めることに寄与すれ職員養成過程の中で，職員候補生の教育用として用いらば幸いである．

れている（図 6）．将来的には彼らの手を経て視覚障害リハビリテーション・教育の現場に導入されることが期

参考文献待できる．また現在関ら 10）は，訓練システムが発生す

1) 日本ライトハウス：視覚障害者のためのリハビリテー

る訓練用音響をオーディオ CD に収録して無償で配布しション III．電子機器を活用した歩行訓練，日本ライトている．この CD は，家庭用のオーディオ機器で再生でハウス （1979）
2) 下村淳，小林真，太田道男：音響的視覚代行装置にきるため，特殊な機器を新たに購入する必要がなく，視覚障害教育・リハビリテーションの現場で容易に導入でおける提示音の周波数と音像の上下感について，第きるように配慮されている（図 7）．

22 回感覚代行シンポジウム講演論文集，141-144（1996）

今後は，スピーカ提示ではなく，3．で述べた頭部伝達

3) 杉本雅彦，伊東一典，清水道雄：音の移動感を用いた関数による VR 技術を用いてヘッドホン提示に移行して視覚障害者のためのパターン伝達システム，ヒュー行くことにより省スペース・運搬性を高め，在宅訓練，

マ ン イ ン タ フ ェ ー ス シ ン ポ ジ ウ ム 2002 論 文 集，訪問型訓練にも対応して行くであろう．

539-542 （2002）

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図 7 障害物知覚訓練用音響 CD（関ら 10)）．障害物知覚訓練用音響 VR システムが発生する訓練用音響を，特殊な機器を用いず一般家庭用オーディオ機器で再生できるようにオーディオ CD に収録したもの．
視覚障害教育・リハビリテーションの現場への導入性を考え，視覚障害関係者に無償で配布されている．

4)J. Blauert，森本政之，後藤敏幸：Spatial Hearing 空間音10) 関喜一，伊藤精英：障害物知覚訓練用音響 CD の作成（その 2），第 28 回感覚代行シンポジウム講演論文集，

響，18，鹿島出版会（1986）
5) 棟方哲弥，鈴木陽一，魚住超，詫間晋平：頭部伝達47-52 (2002)

関数を用いた聴覚情報提示システムの障害児教育への適用，日本音響学会聴覚研究会資料，H-98-78 （1998）【略歴】

6)Inman，D．
P．
S．
: Teaching orientation and，Ken Loge，M．

関喜一（SEKI Yoshikazu）

mobility skills to blind children using simulated acoustical

独立行政法人産業技術総合研究所

environments， Proc． of HCI International ’99， 2，

人間福祉医工学研究部門

1090-1094（1999）

1989 年北海道大学工学部電子工学科卒．1994 年同大学主任研究員

7) 小林真，太田道男：全方位センサと 3 次元音響を利院工学研究科生体工学専攻博士後期過程修了．工学博

用した視覚障害者用歩行誘導システム，バイオメカニ

士．同年通商産業省工業技術院生命工学工業技術研究所

ズム学会誌，24 (2)，123-125 (2000)

入所．2001 年独立行政法人産業技術総合研究所に改組．

8) 井口健司：3 次元仮想音響を使用した歩行訓練の体系

視覚障害者の聴覚による環境認知の研究に従事．日本音化の試み，国立身体障害者リハビリテーションセン響学会，視覚障害リハビリテーション協会，日本リハビ

ター学院視覚障害学科平成 14 年度卒業論文（2003）

リテーション工学協会各会員．国立身体障害者リハビリ

9) 関喜一：音響 VR 技術を用いた視覚障害者の聴覚訓練，テーションセンター学院視覚障害学科非常勤講師．感覚

日本 ME 学会雑誌 BME ，12 （8），38-43 （1998）

代行研究会事務局幹事．

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