「画像の認識・理解シンポジウム (MIRU2010)」 2010 年 7 月

バイオメタルグローブ
庄ノ達也†

豊浦 正広†

茅暁陽†† 山梨大学大学院 医学工学総合研究部 〒 400–8511 山梨県甲府市武田 4–3–11
あらまし 本研究では，拡張現実感のための接触提示手法を提案する．ステレオカメラの観測により手の三次元位置を獲得することで，仮想物体との接触を判定することができる．一般的な拡張現実感の実現方法では，仮想物体との接触を観測画像上で視覚的にのみ提示してきた．接触を視覚だけでなく触覚でも提示することにより，画像からだけでは示しにくい奥行き情報をユーザに知覚させることができる．また，視覚障害を持つユーザに対しては，カメラ観測により得られる情報を触覚として提示する新しい提示装置を提供できる．ここで拡張現実感実現のための触覚提示
では，提示装置がカメラ観測の妨げとなってはならない．そこで我々は，軽微な素材であるバイオメタルに着目し，バイオメタルをグローブ表面に縫いつけたグローブであるバイオメタルグローブを開発した．被験者実験を通じて，バイオメタルグローブが触覚による仮想物体の接触提示が行えることを確かめた．
キーワード

触覚提示，バイオメタル，拡張現実感，ステレオカメラ，緩衝領域，衝突判定．

Biometal Glove
Tatsuya SHONO† , Masahiro TOYOURA† , and Xiaoyang MAO†
† Interdisciplinary Graduate School of Medical and Engineering, University of Yamanashi
Takeda 4–3–11, Kofu, Yamanashi, 400–8511 Japan
Abstract We propose displaying collision between a user’s hand and virtual objects for augmented reality. Thecollision between the hand and the virtual objects can be detected by stereo cameras, since stereo cameras serve the3D position of the user’s hand. The collision has been visually displayed in general augmented reality environment.
By displaying the collision haptically, the user can easily sense depth of the virtual objects. The depth is diﬃcult
to be visually displayed. In addition, the collision can be displayed to vision-impaired users by detecting thatwith cameras. In augmented reality environment, displaying haptic feedbacks should not disturb for estimating 3D
position with the stereo cameras. We focused on biometal which is a light and noiseless material. Biometal wassewn on our proposed biometal glove. By subject studies, we have conﬁrmed the validity of our glove for displaying
the collision for augmented reality.
Key words Haptic display, biometal, augmented reality, stereo camera, buﬀering region, collision detection.

1. は じ め に
拡張現実感 (Augmented reality) の実現は，現実世界したまま仮想物体を操作するのが拡張現実感である．分
身を用いない拡張現実感の方がその場に仮想物体があるように知覚させることができる．

を観測する画像からカメラの位置および姿勢を推定し，近年，カメラ付き携帯端末の普及によって，現実物体現実世界の画像に合わせて仮想物体を重畳表示することに対するアノテーションや仮想物体の鑑賞を目的として，で行われる [1]．

拡張現実感の技術が一般的に利用されてきている．これ

仮想現実感 (Virtual reality) における仮想物体操作では，手や基準物体などの操作主体を観測することによっまでの拡張現実感の研究では，視覚情報の付与を目指したものがほとんどであった．て，これらの 3 次元的な動きが計算機上に獲得され，仮本研究では，拡張現実感に対する接触提示の導入を目想空間の操作として実現される．これに対し，拡張現実的とする．接触提示の導入により，画像だけからでは分感における仮想物体操作では，操作主体をカメラで観測かりにくい仮想物体の奥行き情報を感じさせることがでし，カメラに対する操作主体の相対的な 3 次元的な動ききると期待できる．また，視覚障害を持つユーザに対しを獲得することで，この動きに合わせた重畳表示を行うては，現実世界の情報をカメラ観測により獲得し，接触ことができる．操作主体の分身を仮想空間に置くのが仮提示を通して通知することができるようになる．

想現実感であり，操作主体を現実世界のものとして知覚現実世界を観測する画像から操作主体である手を認識し，これに合わせた仮想物体提示を行うことを考える．

している．Scheibe ら [6] は，金属アクチュエータの一種

このときに仮想物体と操作主体の衝突を提示するのだ

である形状記憶合金を用いた接触提示デバイスを開発し，が，接触提示のための装置が観測画像から手の 3 次元情接触提示がドライブシミュレータに対して有用であるこ

報獲得の妨げとなってはならない．そのため，接触提示とを示した．これらのデバイスでは，LED や磁気式マーは軽微な装置によって実現されなければいけない．従来カを併用することでその三次元的な位置を調べている．の接触提示装置は，仮想現実感での操作を想定した設計

磁気式マーカでは，マーカ自体は軽微であるものの，受になっており，現実空間での操作主体の見た目が変わる信機が大きくなり持ち運びには適さない．LED では，カことに対する考慮はされてこなかった．

メラと指先の位置関係が変わると指に隠蔽されて観測さ我々は，軽微な接触提示装置を実現するにあたり，金れなくなることがあるが，これについての考慮はなされ属製アクチュエータであるバイオメタルに注目した [2]．ていない．いずれの装置も持ち運びができる装置である

バイオメタルは針金のような形状をしており，通電によものの，装着によって手の見た目が変わることまでは考り収縮する素材である．指先に接触提示するためには，慮していない．これらの装置を拡張現実感実現のためにバイオメタルを指先に巻き，通電のためのケーブルを手用いるときには，カメラ以外に手の 3 次元位置を獲得すの甲に這わせるだけでよく，軽微な装置による接触提示るような装置を追加する必要がある．の実現が可能となる．我々はグローブ表面にバイオメタルを縫い付けることで，簡単に着脱可能な装置を実現する．この装置をバイオメタルグローブと呼ぶ．

3. 拡張現実感のための接触提示
本節では，仮想現実環境と拡張現実環境での接触提示

以降，2. では関連研究について述べる．3. では，拡張装置に対する要求の違いについて述べ，拡張現実環境で現実環境における接触提示への要求について説明し，この仮想物体操作とそのための接触提示の実現方法についの実現方法について説明する．4. では，バイオメタルのて具体的に述べる．

物理的特性について述べ，これに合わせたバイオメタルグローブの設計について論じる．5. では，被験者実験の結果について説明し，その内容について考察する．6. でまとめと今後の課題について述べる．

2. 関 連 研 究

3. 1 仮想現実感と拡張現実感
仮想現実感 (Virtual reality) を実現するシステムでの接触提示への要求と，拡張現実感 (Augmented reality)を実現するシステムでの接触提示への要求との違いを図1 を用いて説明する．

仮想物体と手との接触や反力を提示する装置として，

Immersion 社から Cyber Touch や Cyber Grasp が製品として市販されている [3]．Cyber Touch は，指先に取り付けた第 1 関節程度の大きさの振動子によって接触を提示する装置である．Cyber Grasp は，手の甲に金属製の土台を装着し，これに取り付けられたワイヤーを制御することで大きさを持った反力を提示する装置である．これらの装置は大きく，カメラからの手の位置 · 姿勢の推定の妨げとなる．また，仮想物体と手との接触の判定のための機構を備えておらず，手の位置 · 姿勢を知るための装置が別途必要となる．
青木ら [4] は，微小なコイルによって仮想物体との接触を提示するデバイスを開発した．青木らは，利用者が自由に移動でき，複数で同時に体験できる複合現実感アプリケーションを可能にする力覚デバイスの実現を目的とした．このとき，軽量であること，応答性が良いこと，指先腹部に障害物が少ないことの 3 つを力覚デバイスの要求仕様に挙げた．小さな力をユーザに強い力と感じさせることができるワイヤによる皮膚感覚刺激を用いることで，要求仕様を満たす指先装着型接触感提示デバイスを提案した．小さなアクチュエータを使用することで1.4g のデバイスを実現し，応答性を改善することによって高品質な反力提示を可能にした．南澤ら [5] も，微小なモータによって指先装着型接触感提示デバイスを実現

Virtualhand

User’s
hand

User’s hand

Virtual object(a) 仮想現実環境

User’s hand

Virtual object(b) 拡張現実環境

図 1 環境による接触提示への要求の違い

図 1(a) に示す仮想現実環境では，手の位置・姿勢の獲得に画像以外の情報が用いられることが多い．データ
グローブや磁気式ポジションセンサが手の位置 · 姿勢の獲得に用いられるデバイスの例である．ディスプレイ上には仮想空間上のユーザの手の分身が表示され，手の分身と仮想物体の接触を判定して，視覚的および触覚的なフィードバックが与えられる．仮想物体操作は仮想空間中の分身が行うので，ユーザの手にどんな大きな装置を取り付けても問題とはならない．しかしながら，仮想現実環境では画像と手の位置 · 姿勢の獲得に用いられるデバイスの間の位置合わせが必要であり，装置が大掛かりになりやすい．また，位置合わせがずれないように装置を持ち運ぶことは一般的に困難である．仮想の手と仮想物体との接触を提示するので，仮想物体を現実のものとることができる．ステレオカメラを用いることなく，1して感じさせることは難しい．
一方，図 1(b) に示す拡張現実環境では，手の位置 · 姿

台のカメラで見える手の画像上の大きさから，手の奥行勢の獲得には主に画像が用いられることが多い．これき方向を推定する手法 [7] も提案されているが，奥行きは，画像からカメラに対する相対的な手の位置 · 姿勢を方向の推定精度が落ちるので，本研究ではステレオカメ認識し，これに合わせた仮想物体提示を行うためである．

ラを用いる方法を採用した．

カメラ付きのヘッドマウントディスプレイやカメラ付き指先にバンドを巻くこの方法では，カメラと手の位置PDA などに画像を提示すれば，ユーザの視線に対する仮想物体の重畳表示が可能である．ユーザの手に対する仮想物体提示を行う手法の例として，Color glove [7]，Handy AR [8]，ドットパターングローブ [9] などがある．
これらはいずれも視覚的に接触を提示することしかできない．これらの手法に接触提示を導入することを考えると，画像からの手の位置 · 姿勢の獲得が妨げられないようにしなければならない．

関係によっては指先が観測されないことが起こりうる．

3. 2 ステレオ観測による仮想物体操作
図 2 にバイオメタルグローブを用いた拡張現実環境における仮想物体操作の実現方法を示す．操作主体である指先に色特徴を持つマーカを配し，内部および外部キャリブレーション済みのステレオカメラによって指先の 3次元位置を獲得する．内部および外部キャリブレーショ
ンには，Zhang らによるチェスボードを用いたカメラ
キャリブレーション手法 [10] を採用した．キャリブレー
ションによって，仮想物体の 3 次元位置をステレオカメラの座標系で表現できるようになるので，指先と仮想物体の衝突判定を行うことができる．指先と仮想物体が衝突したと判定されると，画像上で視覚的な提示を行うとともに，バイオメタルの収縮による衝突の提示を行う．
これにより，拡張現実感に対する接触提示が実現される．
Stereo camera

この問題に対しては，手表面に大量に配置したマーカから手の姿勢を推定する手法がすでに提案されており，これを利用することができる [11]．また，自己隠蔽に強いマーカとしてドットパターングローブ [9] も提案されている．本研究の目的は拡張現実環境での触覚提示であるので，頑健なマーカ追跡手法については言及しない．
本研究では仮想物体は簡単のために球であるとする．
一般的な内部が定義された仮想物体であれば，仮想物体と指先の点との衝突判定は容易に行える．指先位置(px , py , pz )，仮想球の中心 (cx , cy , cz )，仮想球の半径 rとすると，以下の式が成り立つときに仮想球と指先が接触したと判定することができる．
2(cx − px )2 + (cy − py )2 + (cz − pz )2 <=r(1)

3. 3 仮想物体の描画
本研究では，ステレオカメラ画像の取得は OpenCV を用いて行い，取得画像と仮想物体の描画は OpenGL を用いて行った．OpenGL における 3 次元グラフィックス
描画では，プロジェクション行列を内部 · 外部キャリブレーションの行列およびカメラ座標系からスクリーン座標系への変換行列により定義することで，カメラ座標系と仮想空間の間の整合性を取ることができる [12]．また，モデルビュー行列によって仮想物体位置の定義を行うことができる．
カメラ画像は，図 3 に示すようにビューボリュームのMarker

背面にテクスチャとして貼りつける．ビューボリューム

Biometalは OpenGL において描画する空間を定義する多面体でGloveある．2 台のカメラ画像を使って操作主体の 3 次元位置

Cablesを獲得しているが，描画はそれぞれのカメラ画像に対して行われる．仮想物体はビューボリューム内部に配置される必要がある．操作主体の位置はカメラ座標系で表現されるので，仮想物体もカメラ座標系で表現できると処Virtual object

図2

拡張現実環境における仮想物体操作の実装

理が簡単になる．カメラ座標系からスクリーン座標系への変換行列の疑似逆行列を計算しておけば，ビューボ
リューム内の任意の位置にある仮想物体と操作主体とのそれぞれの指先には，別々の色のバンドを巻き，マーカとする．2 台のそれぞれのカメラ画像上でそれぞれの色の領域を求める．領域抽出には HSV 表色系を用いた．
抽出された領域に対して画像上でラベリングを行い，最大の面積を持つ領域の重心をそのマーカの画像上での位置とする．2 台のカメラはキャリブレーション済みであるので，それぞれのマーカ位置から 3 次元位置を推定す

接触判定を行うことができる．
ただしここで，仮想物体は常にカメラ画像の前方に位置することになるので，操作主体が仮想物体を隠蔽する
ような表現はできない．デプスマップを獲得して仮想物体との前後関係を記述すれば，操作主体が仮想物体を隠蔽することも表現可能となる [13] [14]．本研究の環境ではステレオカメラを用いているので，技術的には実現可Virtual object

Captured image

4. 2 バイオメタルの配置
ここではバイオメタルグローブの具体的な設計についView volumeて述べる．
図 8 に示すように，バイオメタルの両端に留め具を付け，これを無地のグローブに縫いつけた．留め具はグローブに固定されているので，バイオメタルが収縮すると，指の腹に対して締めつけるような接触提示を行うことができる．バイオメタルは指の関節の腹の部分に固定
図3

仮想物体描画する．バイオメタルや留め具は軽量であり，グローブの表面に貼りつける形で配置することができる．

能である．しかし，ステレオ画像上での対応付けのためにはエッジ特徴点が必要であり，これが観測されない場合には正しくデプスマップが求まらない．操作主体自体
Glove
Power cableに対応付けのための特徴点を与える手法には，前述のColor glove [7] やドットパターングローブ [9] を利用する

Terminal
Biometal

ことができる．

4. バイオメタルグローブによる接触提示
本節では，バイオメタルの物理的特性について説明し，これを考慮したバイオメタルグローブの設計について論じる．

図 5 バイオメタルグローブの設計

バイオメタルと手の間には布 1 枚しかないが，電圧が最大で 3V 程度であることと，温度は瞬間的に 80 ◦ C 程度までしか上昇しないことから，ゴム手袋のような保護

4. 1 バイオメタルの物理的特性
バイオメタル [2] は，軽微でほとんど動作音がないという特長を持つ．一方で，通電から収縮までに時間がかかるという欠点がある．また，通電を止めてから元の長さに伸張するまでにもさらに時間がかかる．バイオメタ
ルの熱応答性を図 4 に示す．

具は使用しなかった．このような保護具はユーザの安全を保証する一方で，手が自由に動くことを妨げることになる．マーカはバイオメタルの表面に貼りつけるか，さらに上からグローブを重ねることで実現できる．本研究の目的である，拡張現実環境のために画像からの手の位置 · 姿勢の獲得の妨げとならない接触提示が実現されている．バイオメタルの長さについては，経験的に 3cm とShrinkage ratio (%)

した．長すぎると加熱および放熱に時間がかかり，短すぎると十分な力がかからない．留め具から手の甲を通って 1 組の電線を配置した．1 本のバイオメタルごとに 1組の電線が必要となる．電線は TUSB-ADAPIO と接続されている．
070
100Temperature (oC)

図 4 バイオメタルの熱応答

4. 3 緩衝領域の設定
バイオメタルの応答の遅さを補うために，図 6 のように仮想物体の外部に緩衝領域を設定する．緩衝領域に操バイオメタルは通電によって加熱することで収縮する．
◦150mA 程度の通電によって 70 C 付近にまで加熱されると，4%の収縮が得られる．ばね状に形成したバイオメタルへリックスでは 50%の収縮が得られる．いずれも外気で冷却されると伸張する．バイオメタルには細さに複数の規格があるが，細いほど加熱と冷却は速くなる．
収縮の遅延に対しては，4.3 で述べる緩衝領域の設定によって対処する．
通電のためにはタートル工業社製 TUSB-ADAPIO [15]を用いた．TUSB-ADAPIO は USB ケーブルを通じて，0V から 2.5V まで 0.1V 単位での電圧制御ができる．

作主体が侵入したときに，バイオメタルを適度に加熱するための電流を流すものとする．これにより，仮想物体に接触に対する通電による加熱の時間が短くて済み，バイオメタルの応答の遅さを補うことができるようになる．
バイオメタルが収縮を始める電流の大きさは，室温や電源の整流の精度によって変化するので，あらかじめ利用する環境で試用して決定する．
バイオメタルの応答の遅さを補うためには，緩衝領域に侵入したときに仮想物体表面からの距離に応じた電流を流すことも考えうる．こうすることで仮想物体に接触したときの収縮開始を速めることができ，仮想物体から遠いところでユーザが収縮を感じてしまうこともなくVirtual object

Markers

Buffaring region

図6 緩衝領域

Virtual objects

なる．しかしこれはバイオメタルの熱応答特性から考えると難しい．なぜなら，バイオメタルは温度が一定以上

図7 実験環境になると大きく収縮するという性質があるためである．
よって，バイオメタルをアクチュエータに用いる場合に階の主観評価の回答方法は，“5：とてもそう思う，4：そは，細かな収縮制御を期待することはできない．この理う思う，3：どちらともいえない，2：あまりそう思わな由から，本研究では緩衝領域に侵入したときにある一定い，1:全くそう思わない” の 5 段階である．質問項目はの電流を流すのに留めた．
緩衝領域の半径 rb (rb >= r) と定義すると，加熱のため以下のとおりである．
質問 1: グローブは装着しやすかったですか．の電流を流す条件は，式 (1) を変形して次の式のように

質問 2: 操作に影響は及ばなかったですか．

与えられる．

質問 3: 接触を感じることができましたか．
質問 4: 知覚は簡単でしたか．

2(cx − px )2 + (cy − py )2 + (cz − pz )2 <= rb(2)

rb は仮想物体の大きさやバイオメタルの応答速度を考慮して行った．この緩衝領域の設定は，接触開始時にバイオメタルの収縮を速めるためのものであり，接触終了時にバイオメタルの伸張を速めるためのものとはなっていない．伸張を速めるためにはバイオメタルを冷却する必要がある．バイオメタルの周囲に冷媒を配置するなどの対処も考えられるが，装置が大掛かりになり適切ではない [16]．また，指先で弛緩する方向に収縮するバイオメタルを配置することも考えられるが，本研究では，緩衝領域の設定によって収縮を速めるに留めた．

5. 実

験

質問 5: 実世界を意識することができましたか．
質問 6: 将来，使ってみたいと思いますか．
接触提示のある球を選ぶタスクに対する正答回数は，全 25 回中の 22 回であり，ユーザは 88 ％の確率で正確な位置を認識することができた．このとき，2 回以上誤回答した被験者はいなかった．この結果から，バイオメタルグローブによる接触提示はユーザに伝わったと考えられる．
次に 5 段階の主観評価の結果を図 8 に示す．
654

バイオメタルグローブが仮想物体を知覚させるのに3有効かどうかを評価するために，被験者実験を行った．

2

具体的には，図 7 に示すように “画像上の 5 個の球の中1Q1から 1 つ接触提示のある球を選ぶ” というタスクを設定した．ステレオカメラはディスプレイの上に設置され，

Q2

Q3

図8Q4

Q5Q6

主観評価結果ユーザはディスプレイに提示される映像を見ながら仮想物体との接触を試みる．仮想物体と手が接触しても視覚まず，“質問 1: バイオメタルの装着感がよいかどう的なフィードバックは与えられない．本研究では人差しか” の質問に対しては，全ての被験者が “とても思う” も指および中指の第一関節の 2 か所にのみ設置した．よりしくは “そう思う” と答えた．“質問 2：操作に影響は及

多くの関節に対してバイオメタルを装着することができばなかったか” についても，1 人を除いて “とても思う”，る設計となっているが，これは今後の課題とした．

または “そう思う” という評価が得られた．この 2 つの触覚のある球はランダムに設定する．被験者は大学生

評価から，バイオメタルグローブが装着しやすく，拡張5 人であり，1 人当たり 5 回の試行を行った．どれだけ正解したかという正答回数を数え，実験後にリッカート法に基づく 5 段階の主観評価アンケートを行った．5 段

現実環境での操作を妨げない設計になっていることが示された．
次に，“質問 3: 接触を感じることができましたか” の質問に対して，多くの被験者が感じたと答えた．このことから，バイオメタルグローブによって接触を提示することには成功しているといえる．一方で，“質問 4: 知覚が簡単でしたか” という質問に対しては，評価が下がった．これは，意識して接触提示を知覚するようにしなければ知覚できないことを示している．この問題に対しては，多数のバイオメタルを配置することで広い面積に対する接触提示が行えるようになり，知覚するのが簡単になるのではないかと考えている．また，接触開始時の応答を速める緩衝領域の設定だけでなく，接触終了時の応答を速める仕組みが必要だったと考えている．“質問 5:
実世界を意識することができましたか” に対して，“どちらともいえない”，“あまりそう思わない” という意見が多かった．これは，実験環境においてディスプレイ上にカメラ画像が映っており，ディスプレイを見ながら操作していたため，現実世界にものがあることに直結しなかったと考えられる．今後，現実世界内に仮想物体を重畳表示するヘッドマウントディスプレイを装着し，実験を行うことで解決すると考えられる．最後の “質問 6: 将
来，使ってみたいですか” に対しては高い評価を得ており，今後の研究の発展に期待が持てる．

6. ま と め
本研究では，拡張現実環境における仮想物体との接触提示を実現した．拡張現実感を実装するときに，画像から手の位置 · 姿勢獲得の妨げとならないことを目指し，バイオメタルグローブを作成した．実験では，バイオメタルグローブが情報提示に有効かどうか評価した．実験結果から，バイオメタルグローブによって接触提示が行えることを示した．
今後の課題として，緩衝領域の設定方法を改善することを挙げる．本研究では，バイオメタルの応答の遅さを補うために緩衝領域を設定した．この緩衝領域は接触開始のときの応答を速めるためのものであり，仮想物体から離れるときの応答の遅さを解決するものではない．そのため，ユーザが仮想物体に触れている状態から離れる際に，仮想物体との接触を感じ続けることとなった．実験からも，仮想物体から離れた瞬間にバイオメタルを伸張することが，仮想物体の知覚のために必要であることがわかった．これについて，仮想物体から離れるときに指先を弛緩する方向に収縮するようなバイオメタルを配置することで対処することを検討している．さらに応答を速めるためには，ユーザの行動をあらかじめ予測して仮想物体との接触のタイミングを推定することもできる．
また，現在は人差し指と中指の先 2 カ所にバイオメタルを巻いている．今後，指のすべての関節にバイオメタルを配置し，仮想物体の形状を感じたり，仮想物体を動かしたりといった操作を可能にしていきたい．

文

献[1] G. Klein, and D. Murray, “Parallel tracking and mapping for small ar workspaces,” International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR),2007.
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