第 18 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 (2013 年 9 月)

VR 調理学習システムにおける調理器具による押さえつけ動作とすくい上げ動作の考察
Pressing and Scooping GIB Manipulation with Cookware for VR Cooking System佐東康平 1) ，舟橋健司 2)

Kohei Sato and Kenji Funahashi1) 名古屋工業大学 情報工学専攻（〒466-8555 名古屋市昭和区御器所町, ksato@center.nitech.ac.jp）

2) 名古屋工業大学 情報工学専攻（〒466-8555 名古屋市昭和区御器所町, kenji@nitech.ac.jp）
概要:

当研究室では簡単な料理体験が可能な VR 調理学習システムの開発を行っている．またそのために対話操作を可能とする固体群操作モデルを提案している．食材として細かな固体の集まりを扱うことが多いが，このような集まりを固体群と定義し，個々の固体の干渉を考えず一つの操作対象として扱う．その上でハイトフィールドを基に固体群の形状を表し，その変化により挙動を表現する．これまでにフライパンなどの調理容器内の固体群をヘラなどの調理器具により直感的に操作することを目指し，実験的にヘラの操作面を垂直に限定した４自由度の操作による固体群を水平方向に押し動かす操作を実現している．本研究では，操作面を水平に限定した４自由度の操作による，固体群を押さえつける操作，すくい上げる操作について検討する．
キーワード： 調理学習システム，固体群操作モデル，変形曲面，調理器具計算しているため，計算量が大きく，リアルタイムでの操作

1.

はじめにや大域的な操作には向いていない．

近年の VR では，VR 技術の発展・普及により，VR 装置

そこで我々は，フライパンなどの調理容器に入れて扱う対が比較的，安価で手に入るようになり，一般家庭でも VR シ

象物，すなわち複数の小さな固体の集まりを全体で一つの操ステムが身近な存在となりつつある．このような VR 装置が作対象として扱う．この操作対象を固体群と呼び、固体群全普及することにより，一般家庭向けの VR コンテンツの可能体に作用する力から大域的に挙動を計算することで，高速な性が広がる．ところで近年，核家族化や単身赴任の増加に伴対話操作を可能とする固体群操作モデルを提案している [4]．

い，自分自身で料理をしなければならない状況が増えている．

この固体群操作モデルでは，固体群を個々の粒子の集合ではそのため，調理に関する学習・訓練のためのシステムに関すなく，調理容器の底面に配置した 2 次元格子に設定する各格る研究が行われている [1]．

子における対象物の高さ情報，すなわち，ハイトフィールド

当研究室では，一般家庭を対象とした VR コンテンツの一により固体群の形状と挙動の変化を表現している．これによつとして，調理学習支援システム「バーチャルお料理教室」

り，人が無意識に期待する挙動を高速に表現することを可能の開発を行っている．このシステムでは，操作者が調理におにした．また，操作者が自由に操作することができるヘラ状

ける一連の手順を実際に手を動かすことで学習することがでの調理器具を導入し，さらなる直感的な操作を目指している

きる．これまでに，調理の工程において，ご飯や具材などの，[5]．これまでに，調理器具の操作面を常に垂直に限定した上複数の小さな固体が集まったものに対する対話操作の研究をで，水平方向，上下方向の移動と操作面の鉛直軸を中心とし行ってきた．従来研究に関する研究に，溶岩 [2] や砂 [3] などた回転による 4 自由度の操作を実現している．しかしこのモを対象とした対話操作があるが，固体一つ一つの挙動を全てデルでは，調理器具で食材片を下に押さえつける，すくい上器具を考える．フライパンなども調理器具の一種であるが，げるなどの操作が不可能である．
そこで本研究では，調理器具の操作面を調理容器の底面にこれらは調理容器と呼び，ヘラなどを調理器具と呼ぶ．これ対して水平に限定し，3 自由度の平行移動と鉛直軸を中心とまでの実験モデルでは，調理器具の操作面を垂直とし，水平する 1 自由度の回転を行う調理器具による，食材片を押さえ方向と上下方向の移動，操作面の鉛直軸を中心とする回転につける，すくい上げる動作モデルを提案する．以下 2 節では限定していた．そこで，操作面の軌跡を三次元凸包と考え，従来の固体群操作モデルの概要，3 節では調理器具による押固体群との干渉判定を行い，干渉した領域の固体群を減算す

さえつけ動作とすくい上げ動作の考察，4 節では実験と結果る．また同体積の変形曲面により加算処理を行うことで移動について述べる．

を表現する (図 3)．

2.

固体群操作モデルの概要

当研究室がこれまでに提案した固体群操作モデルでは，固体群を調理容器内に定義したハイトフィールドにより表現する (図 1)．ハイトフィールドの格子 (x, y) における固体群の高さ，すなわち固体群の体積を V (x, y) とすると，調理容器c 内に存在する固体群の総体積 Vc は次のように表される．
Vc =∑V (x, y)(1)

図 3 調理器具の移動による固体群の変形

‫ݖ‬
‫ݕ‬

調理器具を介した操作

3.1

調理器具による押さえつけ動作

本研究では続いて，実験的に調理器具の操作面を水平とし，

‫ݔ‬
図13.

移動に関しては水平，上下の平行移動と鉛直軸を中心とする

調理容器内の固体群の表現

回転に限定する．調理器具を用いて上方向から固体群を押さえつけた場合，固体群操作面から受ける力により，押さえつ各時刻で各格子の高さを適切に変化させることで，固体群の挙動を表現する．具体的には，固体群全体に作用する力による挙動の変化分を曲面により近似表現する．この曲面を変形曲面と呼ぶ．例えばある時刻 t において，傾けられた調理容器内に固体群が存在する場合 (図 2-1)，固体群は重力により調理容器下方に移動すると考えられる．そこで，正の変形曲面と負の変形曲面を適用する (図 2-2)．これにより，時刻t + ∆ の固体群は時刻 t よりも容器下方へ移動する (図 2-3)．

12

けられた部分と固体群操作面周辺の固体群が変形する．まず同様に，操作面の軌跡である三次元凸包と干渉した領域の固体群を減算する．続いて，トーラスを上下半分にした半トーラス状の変形曲面を用いて，調理器具で固体群を押さえつけた際に固体群操作面周辺の固体群が盛り上がる挙動を表現する．また，調理器具の移動速度と調理器具により最終的に押さえつけられた面積，および前述の減算体積に応じて半トーラスの大きさと形状を適切に変える事で，より自然な固体群の押さえつけと，それによる盛り上がりを表現する (図 4)．

33.2

調理器具によるすくい上げ動作

調理器具を用いて調理容器内の固体群をすくい上げる場合，固体群は，調理容器内に留まる部分と調理器具上に乗る部分
時刻t曲面を生成・加算

時刻‫ ݐ‬+ ∆‫ݐ‬図 2 変形曲面による固体群の移動に分かれる．そこで，調理器具の操作面にもハイトフィール
ドを定義する．まず，調理器具を水平に移動し，固体群に干渉する状態を考える (図 5)．この状態で調理器具を上，または水平に引き抜くように移動した場合，固体群の操作面上にまた，調理容器内の固体群を局所的に操作するための調理図6

図 4 固体群の押さえつけ動作

円錐形状によるすくい上げの表現

いる Wii リモコンと，POLHEMUS 社より発売されているPATRIOT を用いた．調理容器，調理器具，固体群をそれぞれフライパン，ヘラ，炒飯と想定し，固体群はテクスチャ位置する部分を，調理容器ハイトフィールドから調理器具ハイトフィールドに移動する．このとき操作面上の固体群は実マッピングにより描画する．固体群を押さえつける様子を図8 に，固体群をすくい上げる様子を図 9 に示す．

験的に円錐形に限定する (図 6)．これは，調理容器と調理器具の双方において固体群の崩れが起こり，状況が複雑になるためであり，この点については別途，研究を進めている [6]．
まず，操作面ハイトフィールドにおいて各格子の高さを重みとした加重平均により円錐底面の中心を求める．円錐底面の半径は，少なくとも操作面の縁に接するように決定する．その上で円錐の高さは，本来の体積に一致するように設定する．
ただし，円錐の底面と母線の成す角が事前に設定した安息角を超えている場合には，底面の中心を操作面の中心方向へと移動し，この角が安息角と等しくなるように円錐の位置や形状を決定する．現時点では操作面上の固体群の初期形状を円
図 7 実験の様子

錐に限定しているが，この手法により簡易的なすくい上げ動作が実現できるとともに，本モデルを発展させるための問題点の整理につながる．

又は

図 5 固体群のすくい上げ動作

図84.

固体群を押さえつける様子

実験結果

前述した提案モデルに基づいて実験システムを計算機 (In-提案モデルにおけるハイトフィールドの格子サイズと処理

tel Core i5-2400，3.10GHz) 上に C++ および DirectX を速度の関係性について調べた．表 1 に各格子サイズにおけ用いて構築し，実験を行った．実験の様子を図 7 に示す．本る処理速度を示す．調理器具底面は直径 325mm の円，調理実験では，入力装置として，任天堂株式会社より発売されて器具の固体群操作面は一辺の長さが 100mm の正方形を想定

さえつける際の変形曲面に半トーラスを用いることで，固体群操作部周辺の固体群が盛り上がる様子を表現した．また，調理器具操作部上でも調理容器同様に固体群を操作できるものとし，調理容器内の固体群の一部を分割した上で調理器具上に移動することで，調理容器内の固体群を調理器具ですくい上げる動作を表現した．
現在は，すくい上げ時の調理器具上の固体群の初期形状を円錐としており，その後，再び追加ですくい上げる状況を考慮していない．この点については，文献 [6] と合わせて再考する必要がある．また，調理器具操作面の向きに関する限定
図9

固体群をすくい上げる様子をなくし，自由に操作できるようにする必要もある．最終的に，調理器具の操作を 6 自由度にすることで，調理器具によし，それぞれのハイトフィールドの格子の解像度が等しくなるように格子数を設定する．格子サイズを小さくすることで格子数が増加し，格子の間隔が狭くなるため，より詳細な固体群の表現が可能となる．処理速度は小数点以下を四捨五入した値である．一般的に対話操作システムには 10〜12FPS以上の処理速度が必要と言われている．表より，対話操作を行うのに十分な処理速度が得られていることがわかるだけでる固体群操作は，いっそう臨場感が向上すると考えられる．
将来的には，食材の準備，加工といった調理における一連の手順のモデルを提案し，組み合わせることで，VR 調理学習システム全体の構築を進めていく．
謝辞研究を進めるにあたり，有益な議論を頂いた本研究室 諸 氏 に 感 謝 す る ．な お ，本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費

24501186 の研究助成による．

なく，実際の調理学習システム構築時には，調理容器外への固体群のこぼれ，調理容器の煽り操作による固体群の舞い上がり，変形曲面による固体群の崩れに加え，洗う，切る，盛り付けるなどの処理も行う必要があり，十分な余裕をもった速度が確認できる．

参考文献[1] 加藤史洋，三武裕玄，長谷川晶一: “ 体験型料理シミュレータ ”， 日本バーチャルリアリティ学会第 15 回大会
講演論文集, 2D2-2 (DVD-ROM), 2010.

表 1 処理速度についての実験結果[2] 小田康行, 村岡一信, 千葉則茂: “溶岩流の粒子ベース・ビジュアルシミュレーション”, 芸術科学会論文誌, Vol.2,

格子サイズ [mm]

処理速度 [fps]16.5 × 16.5

721

[3] 西田友是, 尾上耕一: “Virtual Sandbox”, Proceedings

12.5 × 12.5496

of IEEE 2003 Paciﬁc Conference on Computer Graph-

9.5 × 9.5286

No.1, pp.51-60, 2003.

ics and Applications, pp.252-259, 2003.
[4] 舟橋健司, 小栗進一郎: “家庭での利用を目的とした VR
調理学習システムのための固体群操作モデルの検討”, 日
次に，数名の被験者に本システムを体験してもらい，提案モデルの挙動の自然さについて調べた．なお，実験における本バーチャルリアリティ学会第 13 回大会講演論文集,pp.171-172, 2008.

ハイトフィールドの格子サイズは 16.5mm × 16.5mm とし[5] 森井敦士, 森愛絵, 山本大介, 舟橋健司: “VR 調理学習シた．実験後，調理器具で固体群を押さえつける様子とすくいステムのための剛体による固体群操作モデル”, 日本バー上げている様子がわかるという評価が得られた．

チャルリアリティ学会第 15 回大会講演論文集, 2C2-2(DVD-ROM), 2010.

5.

むすび

[6] 栗本雄多, 舟橋健司: “VR 調理学習システムのための近本研究では，操作面を調理容器の底面に対して水平に限定

接ハイトフィールド間における固体群の崩れ表現”, 日本

した調理器具による，固体群を押さえつける，および，すくいバーチャルリアリティ学会第 18 回大会講演論文集, 2013

上げる操作モデルについて検討した．調理器具で固体群を押(予定).