特集

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超臨場感コミュニケーション特集

5-4

臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

5-4 Perceptual and Cognitive Mechanisms of Presence and its
Evaluation Technology
カラン明子
坂野雄一

Norberto Eiji Nawa

西野由利恵

Juan Liu

ANDO Hiroshi, Akiko Callan, Norberto Eiji Nawa, NISHINO Yurie, Juan Liu,
WADA Atsushi, and SAKANO Yuichi
要旨
本稿では、まず人が感じる臨場感の評価指標（構成要素と要因）、および臨場感の測定・評価手法について述べる。次に、臨場感の評価技術の 1 つとして、広視野 3D 映像を観察した時の脳活動を測定する評価技術の開発について概説する。また、質感、特に光沢感の定量的な評価手法と心理物理実験の結果について述べる。最後に、臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術に関わる今後の課題について議論する。

This paper first describes the evaluation indexes of presence, i.e., the components andfactors of presence, and the measurement and evaluation methods of presence. Second, as apresence-evaluation technique, we describe the development of evaluation technology which
can measure human brain activities when large-field 3D images are shown. We also describe
the quantitative evaluation methods of human sense of surface quality, especially glossiness,and the results of psychophysical experiments. Finally, future issues of perceptual andcognitive mechanisms of presence and its evaluation techniques are discussed.

多感覚統合・評価技術 ／ 臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

安藤広志
和田充史

［キーワード］臨場感，評価手法，脳活動計測，心理物理，光沢感
Presence, Evaluation methods, Brain activity imaging, Psychophysics, Glossiness1 まえがき性の確保という意義である。超臨場感システムとは、実体のない情報をあたかも実体があるがごと人に高い臨場感を感じさせる「超臨場感システ

く人に伝える人工的なシステムであり、気がつかム」を構築するためには、人が感じる臨場感とはないうちに人の脳・神経系に危害を与えている可何か、その実体を深く分析してみる必要がある。

能性がある。人の心理・生理に違和感や疲労を与人は、五感の感覚受容器で受け取った外界からのえることなく安全に臨場感を伝えるためには、人情報を脳に伝え、複雑な知覚・認知の情報処理をが感じる臨場感を正確かつ定量的に評価する必要

経て臨場感を感じ取っている。よって、人が感じがある。臨場感の解明・評価のもう 1 つの意義は、る臨場感を明らかにすることは、外界の実在を正人に臨場感を与える新しい方式の発見に繋がる可確に捉えようとする脳・神経系の知覚認知メカニ能性である。例えば、赤・緑・青という 3 つの色ズムを解明することに他ならない。

に感度特性を持つ光受容器が眼に備わっているこ

人が感じる臨場感の仕組みを科学的に明らかにとを利用することにより、映像ディスプレイは 3

し、臨場感を正確に測定・評価できるようになれ

色を組み合わせてあらゆる色を人に感じさせるこば、「超臨場感システム」を構築していく上で大きとができる。このように、五感の知覚認知メカニな意義を持つ。第 1 に、超臨場感システムの安全ズムが明らかになれば、全ての物理特性を忠実に157

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超臨場感コミュニケーション特集

再現することなく、効率的かつ効果的に人に臨場

その結果生じていると感じる感覚である。同時感

感を感じさせることができる可能性がある。超臨とは、異なる事象が同期して生じていると感じる

場感システムの「超」には、物理情報の忠実な再生感覚である。例えば、物と物が接触した映像と衝を超えて、人の知覚認知の仕組みを利用した新し突音が同期して得られると、人はこれらが同一のい臨場感システムの構築を目指すという意味が込

物理要因で生じていると感じる。

められていると考えて良いだろう。

さらに、臨場感の身体要素として、自己存在

本稿では、まず 2 で人が感じる臨場感の評価

感、インタラクティブ感、情感を挙げることがで

指標および評価手法について述べる。次に、3きる。人は、環境を空間的・時間的に正確に捉えで、臨場感の評価技術の 1 つとして、広視野 3 Dたとしても、そこに自分自身を感じるとは限らな映像を観察した時の脳活動を測定する評価技術のい。環境とともに自己の身体を感じるとき、人は開発について述べる。また、4 で質感の定量的な臨場感をより高く感じる。自己存在感とは、自己評価手法の開発と心理物理実験結果について概説の身体全体あるいは身体各部（手・足・頭部等）のする。さらに、5 で臨場感の知覚認知メカニズム

状態（位置・方向・動き）を感じる感覚である。イ

の解明と評価技術に関する今後の課題について議

ンタラクティブ感とは、環境に存在する物や他者論する。最後に、6 で本稿をまとめる。

に働きかけたときに特定の反応が得られる相互作用の感覚である。情感とは、対象物に対して身体

2 臨場感の評価指標と評価手法

が感じる快不快の状態であり、このような感情が生じると人は高い臨場感を感じる。

2.1 臨場感の構成要素と要因
人が感じる臨場感は、「あたかも自分がその場

以上のように、人は様々な感覚要素を統合して臨場感を感じ取っている。しかも、これらの感覚にいるかのような感覚」と言えるが、臨場感の概要素は必ずしも互いに独立ではなく、相互に関連

念をより深く分析してみると、臨場感は単一の感し合っており、臨場感の感覚要素が複合的に与え覚というより、複数の感覚要素から成り立っていられた場合、相乗的な効果が生じると考えられる。

ることが分かる。そこで図 1 が示すように、臨これに対し、これらの感覚要素の幾つかが欠けて場感を分析する際の評価指標として、空間要素、いたり、互いに矛盾したりしている場合に特異な時間要素、身体要素の 3 つの要素に分解してみ

臨場感を生じさせる場合もある。例えば、手で触る［1］。

れても感触が得られないバーチャルな立体映像を

まず、臨場感の空間要素として、立体感、質

観察・体験すると、驚きの感覚が生じる。これは、感、包囲感を挙げることができる。立体感とは、「ないはずのものがある」というリアルとバーチャ空間に存在する物体の奥行き（観察者からの距離）

ルの二重性が人にある種の臨場感を与えているとや立体形状に関する感覚である。質感とは、物体考えられる。

表面のざらつき（テクスチャ）、硬さ・柔らかさ（弾次に、臨場感がどこから生じるのか、その要因性）、光沢（表面反射率）、透明度、温冷（熱伝達を考察する。臨場感の感覚要素が生じる要因とし率）等に関する感覚であり、これらの情報から人はては、外的要因と内的要因の 2 つを考える必要が物の材質（金属・木材・樹脂等）を推定している。

ある（図 1）。外的要因による臨場感とは、視覚・包囲感とは、自己の周りに空間的な拡がりを感じ

聴覚・体性感覚（触覚）・嗅覚・味覚などの感覚器る感覚であり、その空間に埋没する没入感、ある官で感知される外界の物理情報に基づく臨場感で

いはその場の雰囲気を感じる空気感も包囲感の一ある。一方、内的要因による臨場感とは、過去の種と考えられる。

経験・学習により脳内に蓄積された感覚の記憶に

次に、臨場感の時間要素として、動感、因果基づき脳内で生成される臨場感である。例えば、感、同時感を挙げることができる。動感とは、環波の音を聞くと海の風景がリアルに目に浮かぶが、境の時間的変化を捉える感覚であり、人は外界の

これは過去の経験から想起される視覚イメージが物の動き（速さ・方向）を素早く推定している。因臨場感を創り出しているためと考えられる。また、

果感とは、ある事象が他の事象が原因となって、小説や詩を読むときのように、人は文字情報だけ

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から豊かなイメージを想い浮かべることもできる。

を予備実験等において厳選するとともに、データ

このように、人は外界からの物理情報を分析しの統計的分析を行ない、出来る限り信頼性の高いて、それをそのまま脳内で再現しているわけでは結果を導く必要がある。また、厳密な官能評価をなく、学習・経験で蓄積された情報を用いて外界行なう場合は、被験者が特定の刺激に対して一定からの情報を解釈・補完し、その実在感を生じさの反応を示すように、練習・訓練を行なうこともせていると考えられる。このことは、超臨場感シ重要になる。

ステムを構築する際に、いかにして脳内に蓄積さ一方、心理物理評価は、物理刺激に対する人れた情報を引き出して臨場感を高めるかというこの応答特性を定量的に測定する手法である。例えとを考慮して設計することの重要性を示している。

ば、心理物理実験を行なうことで異なる提示条件

多感覚統合・評価技術 ／ 臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

図 1 臨場感指標（構成要素と要因）

で同じ感覚が生じる「主観的等価点」や異なる感覚
2.2 臨場感の評価手法が生じ始める「丁度可知差異」を物理的数値として様々な感覚要素から構成される臨場感をどのよ求めることができる。心理物理評価を用いると、うにすれば正確に測定・評価することができるの意識下のプロセスを探ることも可能であり、物理であろうか。人が感じる臨場感を測定する手法に次元と対応づけることでより定量的かつ信頼性のは、1）主観評価（印象評定）、2）心理物理評価、高い結果が導ける。ただし、物理的対応が取りづ

3）脳活動計測、4）生体信号計測、5）行動計測の

らい高次の認知的感覚を心理物理手法で捉えるの5 つの手法が考えられる。これらの測定手法の特は困難である。

徴とメリット・デメリットをまとめたものを表 1 に示す。

これに対し、臨場感のより直接的な測定手法
として脳活動計測に基づく手法が考えられる。近

主観評価は通常、提示された言葉（形容詞対な

年、非浸襲で脳活動を計測する技術が急速に発展

ど）に対応する印象を被験者自ら評定する手法でしてきた。非浸襲の脳活動計測としては、脳の血ある。印象評定は特殊な測定装置がなくても質問

流変化（代謝）を捉える fMRI（機能的磁気共鳴撮紙で手軽に行なえる。しかしながら、自分が感じ

像法）
・NIRS（近赤外分光法）や神経活動の電磁変ている印象を正確に内観（意識化）することは必ず化を捉える EEG（脳電場計測法）
・MEG（脳磁場しも容易ではない。また、提示される言葉の受け計測法）がある。さらに、人の身体に現れる無意取り方にも個人差がある。よって、提示する言葉

識的な変化を捉えるために、生体信号（心拍・皮159

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超臨場感コミュニケーション特集

表 1 臨場感の測定・評価手法

膚電位・呼吸・瞳孔径など）や行動（眼球運動・調

水平視野角が 20°程度の狭い視野の映像しか提示

節・重心動揺・身体動作など）の計測手法も有用できなかった。これは被験者の頭の周りの空間がである。

非常に狭く、ここに広視野の立体映像を生成する

表 1 にまとめたように、臨場感の各種評価手法

技術がなかったからである。一般に、ハイビジョには、それぞれ特有の利点や限界があり、現時点

ン（HDTV）の映像を標準距離（画面の高さの 3 倍）で万能の測定手法があるわけではない。よって、から視聴すると、その水平視野角は 33°となる。

評価の対象や目的に応じてこれらの手法を適切に従って、標準的なテレビ視聴環境を MRI 装置内

選択したり、幾つかの手法を統合することにより、で再現することはこれまでできなかった。また、測定・評価の信頼性を高めていく必要がある。

迫力ある映像が楽しめる大画面シアター（IMAX®）の場合、中央座席から見た映像の水平視野角は約3 広視野 3D 映像の脳活動評価技術

70°となる。さらに、NHK 放送技術研究所が開発中のスーパーハイビジョン（縦横の解像度がハイ

3 D 映像（両眼視差映像）が人にどのような影響

ビジョンの 4 倍）の映像を効果的に視聴する場合、を与えるのか、客観的・定量的な評価技術の開発

水平視野角 100°が推奨されている。このような広が望まれている。筆者らは、広視野の 3 D 映像が視野の映像を被験者に提示して、fMRI 脳活動計

人に与える影響を fMRI 脳活動計測で評価するた測を行うことは従来、不可能であった。

めの技術を開発してきている。一般に、映像が広それに対し、筆者らは特殊な超広角接眼レンズ

い視野で提示されると臨場感が格段に向上し、包を開発することにより、MRI 装置内で水平視野角

囲感、没入感といった感覚が生じる。一方、広視100°に至る広視野 3 D 映像を提示する技術を開発

野で動きの激しい映像を見せられると、映像酔い［2］。一般に、MRI は高磁場を発生するした（図 2）と呼ばれる不快感が増加する場合もある。

ため、液晶パネル等の磁性体を装置内に持ちこむ

このような広視野の立体映像が与える好影響やことはできない。ただし、頭の周りが高磁場（地悪影響を脳活動で評価するためには、被験者に広磁気の 7 万倍に当たる 3 テスラ）であっても、部

視野立体映像を提示するための装置が必要とな

屋の隅になると磁場は（0 . 0005 テスラ程度まで）低る。しかしながら、従来の一般的な MRI 装置では下する。そこで、部屋の隅に右眼・左眼用の 2 台

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多感覚統合・評価技術 ／ 臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

図 2 広視野 3D 映像評価装置

図 3 広視野 3D 映像により賦活する脳領野のプロジェクターを磁気シールドボックスに入れ

野角 100°の映像が脳に与える影響を fMRI 脳活動て設置し、右眼・左眼用の映像を超望遠レンズに計測により測定した結果を図 3 に示す。この実験

より MRI 装置内の小型スクリーン（幅 13 cm）に

では、ランダムに配置した多数のドットが前後方向けて投影する。被験者は、このスクリーン上の向に移動する動画を視覚刺激として用いた。図 3

映像を超広角接眼レンズを通して見ることにより、の左には、映像を提示しない条件（無呈示条件）に

水平視野角 100°の立体映像を観視できる。接眼

対して、3 D で提示した条件（3 D 条件）でより賦

レンズは、脳撮像画像にノイズを与えないように、活する脳の領野を示している。3 D 映像の水平視レンズ系の素材を厳選した。また、本装置では、

野角が 25°、50°、100°と増加するにつれ、後頭野

被験者の眼球運動を両眼で捉えることが可能であの視覚皮質（V1、V2、V3、V3A の各領野）が広る。眼球運動の測定は、被験者の眼球を小型のミ範囲に賦活する様子を捉えている。これは、視覚

ラーを幾つか介して、被験者の頭の後方に設置し皮質の神経細胞が網膜位置に対応した受容野を有た 2 台の CCD カメラで撮像し、それを実時間でしているためである。図 3 の右には、2 D 映像と解析することにより達成している。

比較して 3 D 映像を提示した時（水平視野角は何

この広視野 3 D 映像評価装置を用いて、水平視

れも 100°）により賦活する脳領野を示している。こ161

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超臨場感コミュニケーション特集の結果から、広視野の 3 D 映像を観察する時は、後頭野から頭頂野にかけての脳領野が強く賦活することが分かる。この実験結果は、今回開発したる。
以下に、臨場感評価の例として、光沢感の心理
物理実験について概説する。

装置により、広視野の 3 D 映像による脳の賦活領

一般に、3 D 映像を観察した場合、平面映像と野を fMRI 脳活動計測により確実に捉えられるこ比較して、空間の奥行き感や形状の立体感だけでとを示している。

はなく，物の質感がよりリアルに感じられる。こ今後は、広視野 3 D 映像を観察時の脳活動とれは，右眼と左眼に与えられる映像が微妙に異な心理反応の対応関係を調べることにより、広視野

り，それが表面のきらめきやざらつきの感覚を高

3 D 映像が脳に与える好影響（立体感・没入感等）

めているためと考えられる。また，同じ 3 D 映像

や悪影響（違和感・映像酔い等）を詳細に解明してでも，多眼方式（視差のある画像を多数表示するいく予定である。

ことにより裸眼で 3 D 映像が観察可能な方式）と2 眼方式（3 D 専用の眼鏡を要する方式）では、人

4 臨場感の定量的・客観的評価

が物体の映像から感じる質感は異なる。これは、2 眼方式の場合、視点を移動させてどの位置から

我々はこれまで多感覚情報から臨場感が生み出

3 D 映像を見ても、1 つの視点からの映像情報しされる知覚認知メカニズムを多様な定量的・客観

か得られないのに対し、多眼方式の場合は、頭を的な評価手法を用いて探ってきた。例えば、人が動かして 3 D 映像を見ると、異なる視点からの映感じる質感（光沢感）の心理物理実験［3］、および像（例えば、物体の右から見た映像や左から見た脳活動計測［4］、環境音による視覚イメージ生成に映像）が得られるからである。実際，頭部を動か

関する脳活動計測［5］、動的な立体音に関する脳活

して物体表面を観察すると、表面の反射光が変化

動計測［6］、映像の自然さ・不自然さに関する脳活

し、光沢が増して感じられる場合がある。

動計測［7］、映像と感触の統合に関する心理物理実

筆者らは，物体の映像が動的に変化する場合や

験［8］および脳活動計測［9］、接触音や香りが感触に

両眼視差情報が与えられる場合に、どの程度，物［11］等であ与える効果を検証する心理物理実験［10］体表面の光沢が変化して感じられるか、心理物理

（A）

（B）

（C）

（D）

（B）実験刺激、（C）動的効果を調べる実験（実験 1）、
図 4 光沢感の心理物理実験：（A）実験装置、（D）立体効果を調べる実験（実験 2）（文献［3］より引用）

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実験により定量的に評価した［3］。この実験では、（照合課題）の実験結果をそれぞれ示している。実

2 眼の立体ディスプレイ（シャッター眼鏡による時験 1 の結果からは、静的映像を見る条件では動的分割方式）を用い、被験者の頭部運動を赤外線位

映像を見る条件と比較して、光沢感の評定が低く

置センサにより実時間でトラッキングすることでなり、鏡面反射率を上げないと同じ光沢感が得ら

多眼状態を模擬した（図 4（A））
。視覚刺激には、れないことを示している。実験 2 の結果からは、

図 4（B）に示すように、表面に凹凸のある板状の平面映像を見る条件では両眼視差映像を見る条件

物体の CG 画像を用いた。実験 1 では、視点が動と比較して、光沢感の評定が低くなり、鏡面反射いたときに観察される映像変化を模擬した動的条率を上げないと同じ光沢感が得られないことを示

件と物体映像が変化しない静的条件で光沢感のしている。実験 3 の結果から、両眼視差が与えら違いを単眼視で比較した（図 （C）
4 ）。実験 2 では、れた状況でも、静的映像を見る条件では動的映像

両眼視差が与えられる条件（ステレオ条件）と両眼を見る条件と比較して、光沢感の評定が低くなり、に同じ映像が与えられる条件（平面条件）で光沢感

鏡面反射率を上げないと同じ光沢感が得られないの違いを比較した。実験 3 では、実験 1 の単眼視ことを示している。

と異なり、両眼視の状況で動的条件と静的条件を

これらの結果をまとめると、物体の動きにより比較した。
（実験 4 および他の対照条件の説明は物体表面の光沢感は増加し（実験 1）
、両眼視差

省略する。
）

によっても物体表面の光沢感は増加すること（実

被験者が感じる光沢感は、マグニチュード推定

験 2）、また両眼視差のある物体表面が動くとさら法および調節法の 2 種類の心理物理学的手法でに光沢感は増加すること（実験 3）を示している。

測定した。マグニチュード推定法では、参照条件

このことは、平面ディスプレイを見るときより、2の光沢感を 10 としたときの実験条件の光沢感を

眼の立体ディスプレイを見る方がそこに表示され評定してもらった。調節法では、参照条件の光沢る物体表面の光沢感が増加し、さらに、多眼の立感と実験条件の光沢感が同じになるよう実験条件

体ディスプレイを視点を変えて見る方が物体表面の光沢パラメータ（鏡面反射率）を調節してもらっの光沢感が増加して感じられることを意味していた。

る。以上のように、異なる提示方式により人が感心理物理実験の結果を図 5 に示す。上段はマ
グニチュード推定法（評定課題）、下段は調節法

多感覚統合・評価技術 ／ 臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

図 5 光沢感の心理物理実験結果（文献［3］より引用）

じる質感の差を心理物理実験により定量的に捉えることができたと言える。

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超臨場感コミュニケーション特集

5 今後の課題

6 むすび

臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術に関

本稿では、まず人が感じる臨場感の評価指標

わる今後の課題として、次の 3 つを挙げることが（構成要素と要因）、および評価手法について述べできる。第 1 に、ある感覚情報が与えられたときた。次に、臨場感の評価技術の 1 つとして、広視の脳活動と心理・行動反応を測定し、その対応

野 3 D 映像を観察した時の脳活動を測定する評価関係を分析することで、脳活動の意味付けをより技術の開発について概説した。また、質感、特に明確にしていくことである。これにより、臨場感

光沢感の定量的な評価手法とその実験結果についの向上や違和感の増加等を脳活動により評価できて述べた。今後は、人が感じる臨場感の知覚認知る手法が確立されていくものと考えられる。第 2メカニズムの解明をさらに進め、より客観的・定に、心理物理実験等による臨場感の定量的評価に

量的な評価技術の開発を行なうとともに、これらより、臨場感を向上させるための要件を見出しての成果の超臨場感システム開発への活用を目指しいくことである。このような定量化された技術要ていきたい。

件は、今後の超臨場感システムの開発にとって重要な意味を持つと考えられる。最後に、人が感じ謝辞る臨場感の知覚認知メカニズムを活用することにより、物理情報から得られる臨場感を超える臨場

広視野 3 D 映像評価装置の開発は、2009 年度

感を人に与えられる可能性を追求することである。

に総務省から受託した「眼鏡の要らない 3 次元映

これは、知識・記憶に基づく感覚情報の生成・連像技術の研究開発」の一環として実施した。

想・予測といった機能をうまく活用することと考えられる。今後は、以上のような 3 つの観点から研究を継続していきたい。

参考文献
1

安藤広志，「バーチャルリアリティ学」（日本バーチャルリアリティ学会編）内 6．2．2 節「臨場感の構成要素」
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2

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11. 1）．
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情報通信研究機構季報 Vol.56 Nos.1/2 2010

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Y. Nishino and H. Ando, "Crossmodal interactions between visual and haptic information in 3D

特集

9object learning and top-down processing: an fMRI study," 30th European Conference on
Visual Perception (ECVP2007), Perception, Vol. 36, supplement, pp. 209–210, Aug. 2007.
10

J. Liu and H. Ando, "Contact sound can influence haptic stiffness perception," International
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11

西野由利恵，D．W．Kim，J．Liu，安藤広志， 嗅覚と体性感覚の相互作用： 香りは硬さ知覚に影響するか？，

安藤広志

カラン明子

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループグループ
リーダー 博士（計算神経科学）
認知脳科学、多感覚認知メカニズム、
多感覚インタフェース

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
認知脳科学、聴覚認知メカニズム

Norberto Eiji Nawa

西野由利恵

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
博士（情報学）
認知脳科学、生理心理学

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
博士（心理学）
認知心理学、認知脳科学

Juan Liu

和田充史

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
博士（工学）
多感覚認知メカニズム、多感覚イン
タフェース

ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
博士（情報学）
認知脳科学、脳機能イメージング、
機械学習

多感覚統合・評価技術 ／ 臨場感の知覚認知メカニズムと評価技術

日本味と匂学会第 44 回大会，Sep. 2010.

坂野雄一
ユニバーサルメディア研究センター
超臨場感システムグループ専攻研究員
博士（工学）
視覚心理物理学、認知脳科学

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