情報処理学会 インタラクション 2018
IPSJ Interaction 2018

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Magicatrope: ハーフミラーを用いた立体ゾートロープの多層構造化によるアニメーション表現
横田智大†1橋田朋子†1

概要：本研究は，ハーフミラーを用いて立体ゾートロープを多層化し，1 枚の円板上で 2 つの異なる物体群のアニメーションを共に提示可能とするものである．従来の立体ゾートロープでは空間の可視・不可視の切り替えに大域的かつ一様なストロボ光が用いられ，1 枚の円板上では 1 つの物体群のアニメーションのみが提示されてきた．提案手法
では，回転する円板の上部にハーフミラーを垂直に立てて設置する．これによって円板上を同心円状の 2 つの領域（＝鏡の手前側と奥側）に分割し，それぞれの領域に別々の物体群を配置する．ハーフミラーの手前と奥で別々のストロボ光源を制御することで，1 枚の円板上で 2 つの異なる物体群のアニメーションを共に提示することを実現した．これにより，2 つの物体群によるアニメーションのスイッチングや，コマ数が異なる 2 つの物体群のアニメーションの同時提示など，従来の手法では不可能だった表現が可能となった．

Magicatrope: Representation of Animation by Multi-layer
3D Zoetrope with a Semitransparent Mirror
TOMOHIRO YOKOTA†1TOMOKO HASHIDA†1

Abstract: In this research, we multilayered a 3D zoetrope with a semitransparent mirror and present animations frame-by-framewith two different object groups together on the same turntable. In the conventional 3D zoetrope, a strobe light with global andconstant frequency is used for switching between visible and invisible spaces, and on one turntable, only animation of one object
group is presented. In the proposed method, a semitransparent mirror is set vertical above the turntable. As a result, the turntable
is divided into two concentric regions (= the front side and the back side of the mirror), and different object groups are arrangedin each region. By controlling different strobe lights in front of and behind the semitransparent mirror, we realized thatframe-by-frame animations of two different object groups can be presented together on one turntable. Our contribution is torealize such expressions of conventional methods which are not able to be shown through switching of animation by two object
groups and simultaneous presentation of animation of two object groups with different number of frames.

図 1 1 枚の円板上で歩いている人物（左）と走っている人物（右）のアニメーションを切り替えて提示する様子．
Figure 1 Presenting animaion of walking (Left) and running (Right) on the same turntable.

1. はじめにせることで，非周期的かつインタラクティブな立体ゾート
ロープを実現した[3]．Fukaya らは，高速に回転させた 1 つ

立体ゾートロープは円板の回転とストロボ光の制御によの物体に対してプロジェクタによるパターン光を投影する

り，円板上で実物体の周期的なアニメーションを提示する

ことで，物体の変形を表現した[1]．Miyashita らは，円板の手法である．この手法は芸術だけでなく研究の分野でも注

回転とストロボ光の制御を高速に行うことで実物体同士の目されており，研究の分野からは立体ゾートロープの表現重ね合わせやモーションブラーの低減を行い，幅広い質感を拡張する新たな手法が多く提案されている．特に Smootを高解像度に提示可能なマテリアルデザインのための実体

らは，通過する物体に合わせて選択的にストロボを発光さディスプレイを提案した[2]．そして吉田らは，高速プロジ†1 早稲田大学
Waseda University© 2018 Information Processing Society of Japanェクタを位置分解能を持つストロボ光アレイとして用い，周期運動する実物体を視覚的に再配置することで，現実感767

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単純な立体ゾートロープにおけるアニメーション表現の制約として，円板上の 1 つの物体群による一定コマ数かつ一様なアニメーションしか提示できないという問題が挙げられる．様々な動きを持つ複数の物体群が 1 枚の円板上にまとめて配置される場合もあるが，その場合も一定周波数のストロボ光よって大域的に円板が照らされる．そのため円板の回転中にアニメーションに変化を与えることや，
図 2

動きのコマ数が異なる物体群のアニメーションを同時に提Figure 2

示することは難しい．先行事例のように円板の回転やプロ

Magicatrope の構成

Configuration of Magicatrope.

ジェクタによる映像投影を高速に制御する手法は，立体ゾートロープの表現の幅を大きく広げるが，機材が高価になってしまう問題や運用に危険が伴う問題がある．
我々はこのような表現の制約に対して，円板の上部にハーフミラーを設置し，その手前と奥で異なるストロボ光源を制御することで，1 枚の円板上で 2 つの異なる物体群のア ニ メ ー シ ョ ン を 共に 提 示す る こ と が で き る シス テ ム
Magicatrope を提案する．このシステムでは図 1 のように，2 つの異なる物体群によるアニメーションを空間的に重な図 3り合う位置に提示し，観察者はそれらを選択的に観察する

Figure 3

ハーフミラーを用いた選択的な物体の提示
Selectively displaying objects with a semitransparent
mirror.

ことが可能である．特に，2 つの物体群が異なるコマ数で構成されている場合であっても，同時にアニメーションを成立させることができる．本稿では，Magicatrope のシステ間からの透過光が暗い空間からの反射光をかき消すため，

ム 概 要 と 設 計 及 び 実装 結 果に つ い て 述 べ る ． その 後 ，ハーフミラーは反対の空間が透けて見える半透明の板としMagicatrope の応用として考えられるアニメーション表現てふるまう．の例を紹介し，本システムの限界について議論する．

2.3 ハーフミラー上での物体の見えを制御するストロボ

2. Magicatrope
2.1 システム概要

光源の設計
我々は上述したハーフミラーの性質に着目し，円板上のハーフミラーを挟む形でミラー前後の各領域を照らすスト

Magicatrope は，1 枚の円板上で 2 つの物体群のアニメー

ロボ光源を設置する．このとき，ストロボ光源は図 2 のよションを共に提示することができる立体ゾートロープであうにハーフミラーの近傍に設置し，光源の下の数 cm にはる．図 2 に示すように，回転する円板の上部にハーフミラ光を透過しない素材を用いるようにする．これにより，一ーを垂直に立てて設置する．このハーフミラーによって円方のストロボ光がハーフミラーの反対側の領域を直接照ら板上を同心円状の 2 つの領域（＝鏡の手前側と奥側）に分し，各領域の明るさの差が小さくなってしまうことを防ぐ．

割し，それぞれの領域に任意のコマ数で構成された別々のこの状態でそれぞれのストロボ光源を点灯させたとき，物体群を配置する．ハーフミラーの手前と奥で異なるストハーフミラー上で観察される様子を図 3 に示す．図 3(a)ロボ光源を制御することで，1 枚の円板上で 2 つの異なるはどちらのストロボ光源も点けていない状態であり，特に物体群のアニメーションを共に提示することができる．

暗い環境ではミラー上の物体を観察するのは困難である．

2.2 ハーフミラーの性質

図 3(b)のように手前のストロボ光源を光らせると，手前のMagicatrope のシステムはほとんどが従来の立体ゾート領域に設置された物体がハーフミラーに映って見える．図

ロープと同様であり，ハーフミラーを用いることが大きな3(c)のように奥のストロボ光源を光らせると，奥の領域に特徴である．ハーフミラーは反射率と透過率が等しいマジ設置された物体がハーフミラーを透けて見える．図 3(d)ックミラーであり，ミラーを隔てて存在する 2 つの空間ののように 2 つのストロボ光源を共に光らせたときには，各相対的な明るさの差に応じてふるまいが変化する性質を持

領域の明るさが重なり合い像は薄くなるものの，手前と奥つ．明るい空間側からハーフミラーを見ると，明るい空間の領域の各物体を共に見ることができるようになる．これからの反射光が暗い空間からの透過光をかき消すため，ハらより，図 2 のように回転する 2 つの物体群の間にハーフーフミラーは明るい空間内部を映しだす鏡としてふるまう．

ミラーが存在していると，発光させるストロボ光源に応じ一方で，暗い空間側からハーフミラーを見ると，明るい空て各物体群によるアニメーションを選択的あるいは同時に© 2018 Information Processing Society of Japan768

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2C622018/3/564mm とした．縦のサイズは物体群の大きさに合わせて 80～120mm の間で可変とし，パワーLED はミラーの最上部から更に約 60mm 離れた位置に固定した．このハーフミラー及びストロボ光源を，円板に直接荷重がかからないように筐体の上から吊り下げるかたちで設置する．ハーフミラーは円板の中心から 30mm～140mm の間の位置に自由に設置可能とした．円板上に載せる物体群には立体物を用いるのが理想だが，今回のプロトタイプでは簡単のために一連の動きの画像を紙に印刷し，それらを切り抜いたものを円板上に立てて設置した．
図 4Figure 4

システムの外観Appearance of the system.

4. 動作結果
4.1 歩行と走行のアニメーション提示することできる．このときハーフミラーの配置によっ動作確認も兼ねた Magicatrope のコンテンツとして，あて，2 つのアニメーションの半径方向の位置関係が決定さる人物が歩いている姿と走っている姿の 2 種類のアニメー

れる．2 つの物体群の中間にハーフミラーを設置すると，ションを提示した．歩行及び走行のアニメーションの制作

ミラー上では 2 つのアニメーションを空間的に重なり合うには Unity を用いた．実際に用いた歩行と走行の画像群を位置に提示することができる．一方の物体群にハーフミラ

図 5 にしめす．歩行のアニメーションは 13 コマ，走行のーを寄せると，それに合わせてミラーに映る手前の物体群

アニメーションは 12 コマで 1 周期とし，ストロボの発光周の像が移動するため，2 つのアニメーションを並べて同時期が被らないようにした．円板上では，ハーフミラーの奥に観察できるようになる．

3. 実装の領域に歩行の画像群を 1 周期（13 コマ）分設置し，手前の領域に走行の画像群を 2 周期（24 コマ）分設置した．制
作した円板を図 6 に示す．本システムでは手前の領域に配実装したシステムの写真を図 4 に示す．円板を回転させ置した物体群はハーフミラーに映った像として観察されるるモータには，オリエンタルモータのブラシレスモータため，必要に応じて左右を反転した物体群を用意する必要BLM460SHP-10S を用いた．このモータを，同社のモータがある．今回は人物の進行方向を左方向で統一するため，ドライバ BMUD60-A2 によって駆動する．円板の回転速度は特に定めておらず，円板上の物体群に応じて様々な速度を試した．その際には，主に 1～3rps の値を設定した．ス
トロボ光源には 10W のパワーLED を 4 つ用いた．ハーフミラーの手前側に 2 つ，奥側に 2 つのパワーLED を設置し，これらを LED と同じ数の LED ドライバ IC・CL6807 によって駆動した．パワーLED は全て 100×50×40mm の放熱板に貼り付けて固定し，12V0.2A のファンを用いて空冷した．モータの回転は，円板に取り付けたエンコーダによって外部から取得する．スリット付きの円板を 3D プリンタによって出力し，そのスリットの通過を透過型フォトセン
サ KI1233-AA によって取得した．エンコーダで取得した円板の向きと同期したストロボ光の制御には，Arduino Unoを用いた．物体がハーフミラーの前を通過するタイミングに合わせて，ストロボ光を約 0.5～1ms 程度点灯させる．このストロボの発光時間は円板の回転速度に合わせ，光量の確保とモーションブラーの低減をある程度共に満たす値を設定した．
物体群をのせて回転させる円板の直径は 300mm とした．
円板の上部に設置するハーフミラーには，反射率と透過率が共に 30%とされている反射膜タイプのガラス製ハーフミ

図 5ラーを用いた．このミラーの厚みは 3mm，横のサイズはFigure 5© 2018 Information Processing Society of Japan

アニメーションのための画像群
Pictures for frame-by-frame animation.

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2018/3/5が遮られてしまう問題がある．4.1 で述べたように必要に応じて左右を反転した物体群を用意する必要がある点も，本システムの問題点の一つである．
また，Magicatrope では反射膜タイプのハーフミラーを用いて立体ゾートロープの多層化を行った．この手法では，ハーフミラーを透過した像を正しい色味で観察することができないという問題がある．これは，ハーフミラーの反射膜（薄い金属膜）自体が色を持っていることが原因である．
また，使用したハーフミラーは反射率と透過率が共に 30%であり，入射光の 40%はミラーに吸収されている．この吸図 6制作した円板

Figure 6

Turntable.

収率も，ミラーを介した像の見えが肉眼と異なる原因になる．2 つの領域の物体群を違和感なく重畳するには，各領域の像を肉眼での見えに近いかたちで提示する必要がある．

走行の画像群は左右を反転して印刷し円板上に設置した．

Magicatrope は高価な光学素子やアクチュエータを用いシステムは暗所で動作させ，円板は 1rps で回転させた．実ることなく，安価なシステムで立体ゾートロープによる表際にアニメーションを提示した様子は，本稿の図 1 に示し現の幅を拡張するものである．より高度な表現を可能にすている．ミラー上では空間的に重なる位置に歩行と走行のるためには改めて光学素子やアクチュエータを選定し，シアニメーションが観察されるため，1 人の人物が途中で走ステムを再構成する必要がある．

りだすような表現ができた．他にもハーフミラーの位置をずらすことで，異なるコマ数で動く 2 人の人物のアニメー

6. まとめションを並べて同時に提示することができた．ただしこの本稿では円板の上部にハーフミラーを設置し，その手前表現ではミラーの前後のストロボ光源が異なる周期で発光と奥で異なるストロボ光源を制御することで，1 枚の円板し，撮影が困難であるため画像は割愛している．

上で 2 つの異なる物体群のアニメーションを共に提示する

4.2 その他の応用例

ことができるシステム Magicatrope を提案した．同システ4.1 では歩行と走行という 2 種類のアニメーションの切ムの実装を行い，動作の確認として歩行と走行のアニメーり替え及び同時提示を行ったが，本システムを応用するこションの切り替えや，コマ数が異なるそれらの動きを同時とで他にも様々な表現が期待される．例えば，使用するスに提示するアニメーション表現を行った．また本システム

トロボ光源を手前と奥で即座に切り替えるのではなく，の応用として，手前の物体群のアニメーションから奥の物PWM 制御により光量を徐々に入れ替えていくことで，手体群のアニメーションへゆっくりと変化する表現や，立体前の物体群が奥の物体群へゆっくりと変化するようなアニ物のデザインを自由に変更可能なアニメーションの可能性メーションを提示することが可能になる．また，衣服やアについて述べた．最後に，本システムの限界について議論

クセサリーを人物から独立した物体群として用意し，それした．今後は他の光学素子を用いた実装の可能性についてらをハーフミラー上で重ね合わせて提示することで，後か検討するとともに，現システムの発展としてハーフミラー

ら人物の着せ替えが可能なアニメーションが実現できる．の手前と奥の領域をそれぞれ異なる円板とモータで構成し，5. 議論
本システムは 1 枚のハーフミラーを用いて実装を行った
ため，システムの正面が決まりアニメーションを観察可能な視点が限られている．複数のハーフミラーを回転軸を囲むように並べて設置し，各ミラーの前後に同じようにストロボ光源を設けることで，観察可能な視点を拡げることが可能である．ただしこの場合は，各ハーフミラー間でもストロボ光源を個別に制御する必要がある．このとき，あるハーフミラーに設けられたストロボ光源の光が他のハーフミラーの見えに影響を与えないよう，各ミラー間で光を遮る設計を適切に行うことも求められる．また，今回はハーフミラーを垂直に立てて円板上に設置したため，正面からハーフミラーを見ようとすると手前の領域の物体群に視界© 2018 Information Processing Society of Japan

各領域の回転を個別に制御とすることで，より自由度の高い表現が可能な立体ゾートロープを実現したい．

参考文献
[1]

Fukaya, T., Iwai, T., and Yamanouchi, Y. Morphovision. Proc.
SIGGRAPH ’06, No. 22, ACM (2006).
[2] Miyashita, L., Ishihara, K., Watanabe, Y., and Ishikawa, M.
ZoeMatrope: A system for physical material design. ACM Trans.
Graph. 35, 4 (2016).
[3] Smoot, L., Bassett, K., Hart, S., Burman, D., and Romrell, A. An
interactive zoetrope for the animation of solid figurines andholographic projections. Proc. SIGGRAPH ’10, No. 6, ACM(2010).
[4] 吉田 貴寿, 渡辺 義浩, 石川 正俊．周期運動する実物体と高速時分割構造化光を用いたリアリスティックディスプレイの開発，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，22 巻，2 号，pp.229-240 (2017).

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