3 次元画像コンファレンス 2020 講演論文集, 9-3 (2020.7.10, オンライン)

レーザープロジェクタを照明光源とする
高解像度 CGH によるアミューズメント

Amusement by High-Definition CGH Using Laser Projector
as Illumination Light Source
森川凌
Ryo Morikawa

松島恭治
Kyoji Matsushima

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科
Department of Electrical and Electronic Engineering, Kansai University
ABSTRACT
Although high-definition CGHs have capability of reconstructing a very impressive deep 3D scene, only the still image
can be reconstructed because their gigantic number of pixels. Therefore, amusement games, in which only theilluminating light is changed, are proposed in this paper. Actually, two games are developed: “3D peeping” game where
the player find out the 3D object by seeing it through a small hole produced by the spot illumination, and “Spot the 3Ddifference” game that is a 3D version of ordinary “Spot the difference”. These games are implemented by Unity anddemonstrated using actual high-definition CGHs.

Keywords: 計算機合成ホログラム，アミューズメント, ゲーム
1.

はじめにいることで，大変見やすい再生像が得られるように高解像度の計算機合成ホログラム(CGH)は立体感なっている．現在のところ，この超短焦点プロジェの矛盾が全くない深い 3D 映像を再生できるため，クタは狭帯域の 3 波長白色光を発する光源としての従来とは全く異なった映像メディアとなりつつある．

み用いられているが，当然ながら，通常の 2D 映像

しかし，その干渉縞イメージの画素数は数百億～千あるいは照明光パターンを投影することもできる．

億画素にも達しており，現在の技術では静止画しかそこで本研究では，CGH の静止画 3D 映像を超短再生できない．そのため，立体画像を鑑賞する以外焦点プロジェクタで再生し，照明光パターンを変化のアミューズメントの可能性は非常に低いと言わざして遊ぶゲームを高解像度 CGH を用いたアミューるを得ない．

ズメントとして提案する．

一方，近年，再生照明光の入射角を従来よりも大2.

高解像度 CGH を用いたゲームの開発

きくする干渉縞オーバーサンプリングと呼ばれる技

高解像度 CGH を用いたゲームの構成を Fig.1 に術が用いられるようになり[1]，RGB レーザー光源を示す．このゲームのハードは，干渉縞オーバーサン内蔵した超短焦点プロジェクタを照明光源として用プリングの技術を用いた高解像度 CGH とそれを再森川凌生するためのコヒーレントな照明光源である超短焦<morikawa@laser.ee.kansai-u.ac.jp>

点プロジェクタで構成されている．一方ソフトは，関西大学システム理工学部電気電子情報工学科

Unity Technologies 社が提供するフリーのゲーム開〒564-8680 大阪府吹田市山手町 3-3-35

発プラットフォームである Unity を利用して開発しTEL 06-6368-1121(内線 5722)ている．

3 次元画像コンファレンス 2020 講演論文集, 9-3 (2020.7.10, オンライン)
Ultra‐short focus projector

2.1. 超単焦点プロジェクタの利用
本研究では， Unity でレンダリングした
2D 映像を高解像度 CGH を照明している

Lighting source

SONY 製の超短焦点プロジェクタに表示している．用いた超単焦点プロジェクタの仕様を Table 1 に示す．このプロジェクタに複雑な 2D 映像を投影することも可能であるが，CGH

高解像度 CGH の再生像とプロジェクタによる投影像が重なるだけになってしまうため，
本研究ではプロジェクタの照明光パターンのみを変化して遊ぶゲームとした．
2.2. プロジェクタ投影像の補正

𝜃Non-diffraction light

Fig.1 Setup for amusements using a high-definition CGH
and ultra-short focus projector.

プロジェクタを高解像度 CGH の照明光源としてのみ使用する場合は，プロジェクタの投影像が歪んだとしても問題はない．しかし，照明

Table 1 Specifications of the ultra-short focus projector.

Model number

LSPX－P1

曲を防がなければならない．プロジェクタ本体

Focus

Primary color liquid crystal
shutter projection method
Autoに搭載された台形補正機能ではこの歪みに対処

Screen size

22 inch－80 inchすることができなかった．そのため本研究では，

Light source

Laser diodeFig.2 に示すように，照明光投影パターンをBrightness [lm]100

光パターンを正確に投影するためには，像の歪Projection method

Unity でレンダリングする 3D 空間内の平面物体のテクスチャとして作成し，Fig.1 に示した CGHの傾き角 θ と同じ角度だけその平面を回転させることで補正を行った．
3.

高解像度 CGH を用いたゲーム
高解像度 CGH を用いたゲームの開発を行う

以上，CGH の特徴を十分に活かしたゲームあることが重要である．本研究では，静止画しか再生できないという制約の下で，高解像度 CGH の
静止画 3D 映像とプロジェクタの投影パターンを用いたゲームのアイデアを考えた．
3.1. 立体像当てゲーム
Fig.3(a)のように CGH の干渉縞全体をプロジェクタ光で照明して像を再生するのではなく，(b)のようFig.2 Distortion correction through rendering by Unity.
位置を制御し，穴から覗き込んで全体がどのような物体であるのを推測する「立体像当てゲーム」を考案した．このゲームはどのような物体であるのかを推測するゲームであるため，どのようなデザインのにスポット照明とすることで，干渉縞の一部だけかCGH でもコンテンツと用いることが可能である．

ら像を再生する．この場合，スポット照明が当たっ

3.2. 立体間違い探しゲームている部分だけがホログラムの像を再生するため，その部分があたかも 3D 空間に対する窓として働き，小さな窓穴を通して広い空間を除き込むような形になる．そこで本研究では，照明光スポットのサイズ，高解像度 CGH では様々な仮想物体を空間に配置ししてオクルージョンを再生し，深い奥行き感を生み出すことが可能である[2]．そこで本研究では，投影光を制御して 2 つのよく似た 3D モデルを交互に

3 次元画像コンファレンス 2020 講演論文集, 9-3 (2020.7.10, オンライン)

Illumination light source

再生し，その間違いを見つける「立体間違い探しゲーム」を考案した．例えば，Fig.4(a)のように，物体の前後関係を変えて配置
すると，Fig.4 (b)のように正面から見たとき，その正投影では 2 次元的な配置は同じになる．そのため，正投影した 2D 映像では全く違いがわからず，調節を刺激しない
従来の 3D 映像であれば，視点を変えてようやく間違いを発見することができる．ホ
ログラムの場合は調節による距離感もある
ので，視点を動かさなくても間違いは発見(a)Full ｒeconstruction

Fig.3 The principle of “3D peeping” game.

できるが，前後差が小さければ発見は難したゲームになるのではないかと考えた．
実際のゲームの作成𝑦

提案したゲームを作成し，アミューズメントとしての確認を行った．提案した 2 つのゲームの共通事項として，タイトル画面，説明画

𝑧𝑧

CGH

Fig.4𝑥CGH(b)Front view(a)Top view

面，ゲーム画面，解答画面の 4 つの画面構成となっている．これらの画面は，ゲームソフトを𝑦𝑥

いと考えられ，ホログラムの特徴を活かし
4.

(b)Partial ｒeconstruction

Difference setting by swapping the depth position.

実行している PC のメインモニタに表示し，セカンドモニタとして接続した超短焦点プロジェク
タで照明光の動きをコントロールしている．なお，
本ゲームはキーボードのみでゲームを進める簡易的な仕様となっている．
4.1. 立体像当てゲーム
本ゲームは，照明スポットで生成した除き穴から覗いて物体を言い当てるゲームであるため，可能な限りスポットを動かせる範囲が広く，大型の CGH を用いる方が面白いと考えられる．ホログラムのサイ

Fig.5 Optical reconstruction of the “3Dpeeping” game.

ズが小さいと，照明光のスポットの移動可能領域を十分確保できず，面白みに欠けてしまう．そこでサ

Table.1 Parameters of CGHs used for the amusement.

Pixel pitches [μm]Sailing
Warship II
225,000×300,000
0.8 × 0.4

Spot the 3D
difference
65,536×131,072
0.8 × 0.4

Size of CGH [cm2]18.0 × 12.0

5.2 × 5.2

ンプルコンテンツとして本研究室で作製した高解像
度 CGH である Sailing Warship II を用いている[3]．
CGH のパラメータを Table.1 に示す．また，スポット照明の光学再生像を Fig.5 に示す．この CGH 全体の再生像は Fig.4(a)に示されている．本ゲームは，まNumber of pixels

ず一つの小さなスポットが CGH 内に現れ，動くよに CGH 全体が照明されるまでが制限時間であり，うになっている．スポットは時間が経つに従って短時間で当てると高得点が出るようになっている．

徐々に大きくなり，数も増えるようになる．最終的

また，本ゲームの欠点としては，一つの CGH で一度3 次元画像コンファレンス 2020 講演論文集, 9-3 (2020.7.10, オンライン)y

遊んでしまうと二度目は遊べず，コンテンツ(CGH)を交換しなければならない点である．どのようなCGH でも遊ぶことができるが，大きな CGH の方が40 40 100xz

小さなものより像を観察しやすいため，大規模なCGH の方が好ましい．しかし，大規模な CGH によxるコンテンツを大量に用意することは難しい．そのため，一つの CGH で複数回遊べるゲームシステム

yが好ましいと思われる．例えば，照明光のスポットを動かして，星が何個存在するのかを当てるというx

内容であれば，一度では全て見つけられない可能性があるため，一つのコンテンツで複数回遊ぶことがzできるのではないかと思われる．
4.2. 立体間違い探しゲーム「立体間違い探しゲーム」のサンプルコンテンツに用いた高解像度 CGH である Spot the 3D differenceの物体配置と正投影した正面図を Fig.6 に示し，パx

Unit: mm
Fig.6 The 3D scenes of the sample CGHs used for“Spot the 3D difference”.

ラメータを Table 1 に示している．実際の CGH では，二つの CGH を一つに基板に作製している．両方を同時に照明した時の光学再生像を Fig.7 に示す．また，この CGH では，3 節で述べた前後関係の差異の他に，ある物体の背後に同じ形状の物体をもう一つ配置することによる間違いを設定した．しかし，実(a) Front view

際の光学再生像では，Fig.7 (a)のように，正面から見た時に透視投影で見えてしまう問題がある．そのため，正面から見た時に見かけの大きさが同じになるように前後の物体の大きさを調整する必要がある．
物体の背後にもう一つ物体がある間違いは，正面から見てもわからず，Fig.7 (b)のように右視点から見ることで間違いが確認できる．
5.

まとめ(b) Right view

高解像度 CGH を用いたアミューズメントとして2 つのゲームのアイデアを提案し，開発を行った．
今後は，3D モデルをもっと複雑にする等の難易度の調整を図る必要がある．
謝辞
本研究は，日本学術振興会科研費 18H03349 の助成を受けたものである．
参考文献[1] K. Matsushima: Introduction to Computer
Holography, Sect. 8.8.3 (Springer, 2020).

Fig.7 The 3D scenes of the sample CGHs
used for “Spot the 3D difference”.

[2] K.

Matsushima,M.

Nakamura,andS.

Nakahara: Silhouette method for hidden surface
removal in computer holography and its
acceleration using the switch-back technique,Opt. Express 22, 24450-24465 (2014).
[3] https://youtu.be/8USLC6HEPsQ