# [C23] 空中結像ホログラムを用いたデジタルアーカイブ 閲覧環境の試作：
直感的なインタラクションの実現を目指して
○柊和佑 ${ ^{1)}$, 石橋豊之 1 ), 王昊凡 1), 柳谷啓子 1)
1) 中部大学人文学部コミュニケーション学科, 〒487-8501 愛知県春日井市松本町 1200
E-mail: wasuke@isc.chubu.ac.jp

## Prototype of a Digital Archive Viewing Environment Using Aerial Imaging Holograms:

## Aiming for the Realization of Intuitive Interaction

HIIRAGI Wasuke ${ }^{11}$, ISHIBASHI Toyoyuki'), WANG Haofan ${ }^{11}$, (YANAGIYA Keiko ${ }^{1)}$

${ }^{1)}$ Chubu University, 1200 Matsumoto-cho, Kasugai-shi, Aichi 487-8501, JAPAN

## 【発表概要】

本研究は、空中結像ホログラムを活用して現実世界の空間における $3 \mathrm{D}$ デジタルアーカイブコンテンツ向けの閲覧環境の試作を行った。空中結像ホログラムによる表示は、3つの新しい可能性を持っている。第一に、物理的にそこに存在するように見えるコンテンツに、実際に手を挿入することで直接場所を指定することが可能となる。第二に、現実世界の空間とコンテンツとをシ一ムレスに統合し、従来は感じ取りにくかった質感などを感じることが可能となる。第三に、 $3 \mathrm{D}$ を直接手に取ることにより、従来の $2 \mathrm{D}$ 表示では不可能だった多角的な閲覧や観察が可能になる。本研究は、光学的なホログラム技術を利用することにより、そこに見えながらも触ることがないデータ提示方法を提案するものである。本発表では詳細とともに、実際の試作品と制作時の課題、それらの解決策などについて解説する。

## 1. はじめに

1980 年代のゲームセンター用 3D コンテンツの出現により、我々はコンピュータが計算で生み出した立体を視聴することに慣れ親しんできた。3Dコンテンツの表現力は、閲覧者にとって情報を得る手法として有用である。

本研究では、空中結像ホログラムを用いた、 $3 \mathrm{D}$ デジタルアーカイブコンテンツ向けの新しい閲覧環境の試作を行った。本研究の目的は、空中結像ホログラムを用いて、 $3 \mathrm{D}$ データの視覚化とインタラクションを実現し、閲覧者の実世界とデジタルコンテンツをシームレスに統合することである。

本発表では、試作したシステムの概要と特性、そして実際の製作プロセスにおける課題や解決策について詳述する。また、本研究が提示する新しい閲覧環境が、どのようにデジタルアーカイブの閲覧環境に影響するか検討を行う。

## 2. $3 \mathrm{D$ データの視覚化課題}

## 2. 1 3D データの制約

デジタルアーカイブ内の物体を詳細に観察
しようとする際には、多くの物理的制約が存在する。例えば、密閉された物体の内部を覗き込み、実物の詳細な構造や内部の構成を理解することは物理制約に沿ったままでは困難である。その場合、アニメーションなどの編集を行うことで、閲覧者が理解しやすいコンテンツを作成することが一般的である。しかし、コンテンツの作成は実物の物体を直接見る以上に時間と労力がかかる。

この課題を解決するための一手法として、 $3 \mathrm{D}$ 空間上にプロットした点を使った、3 次元透視可視化技術の開発が進められている[1]。点群データと強調された輪郭線を利用することで、密閉された物体であっても、3Dクリスタルのように物体の内部構造を透視することができる。3Dクリスタルとは、ガラスの中にレーザーで小さなヒビを作ることで、白い点を空中に 3 次元空間上に描画した製品である。 3 次元透視可視化コンテンツの閲覧には、立体視が可能なディスプレイ技術の開発が不可欠であり、裸眼立体視ディスプレイの利用が有効であることが報告されている $[2]$ 。デジタルアーカイブシステム利活用するには、デ
一タの特性を考慮し、一般の $3 \mathrm{D}$ コンテンツ閲覧とは異なる、裸眼、複数視点への対応、近距離閲覧時の不自然さへの対応、メガネ不要、簡易なコンテンツの入れ替え、が満たされる装置の構築が必要となる。

本研究では閲覧者がリアルタイムで 3D 映像を自由に閲覧できる、上記の要件を満たす新しいデジタルアーカイブ閲覧システムの開発に取り組んでいる。デジタルアーカイブに記録されているすべての物体の表面だけでなく、内部構造まで詳細に観察することができ、従来困難であった多角的な視点からの分析が可能になれば、デジタルアーカイブの利用の幅を大きく広げ、新しい学術的・教育的価値をもたらすと考えている。

## $2.23 \mathrm{D$ コンテンツを視聴する技術}

$3 \mathrm{D}$ コンテンツを視聴するための装置やテクノロジーは多種多様であり、それぞれが特徴をもっている。以下、いくつかの主要な立体ホログラム技術を示す。

## メガネ装着型立体視

アナグリフ：左右の目に赤と青のフィルムを貼ったメガネ。現在は色も再現できるが違和感が強く、使用者は疲れやすい。

偏光メガネ：左右の目に異なる変更フィルムを貼ったメガネ。複数の人々が同時に利用できる利点がある。結像した映像は、視聴者それぞれの位置に表示される。

液晶シャッター：左右に液晶を貼ったメガネ。同期信号に合わせて交互に光が通過する。メガネ自体が高価で、電源が必要。 ヘッドマウントディスプレイ(HMD): 左右の目用のディスプレイを備えた専用の機械を頭に装着する方式。

## 裸眼立体視:

半透過膜: 半透明膜やスモークにプロジェクタなどで画像を投影し、空中で結像させる方式。複数の製品やサービスが存在する。視聴距離に制約はないが、ホログラムは投影用の物体に表示されているため、物理的な接触は不可能。

視差障壁ディスプレイ: 任天堂 3DS などのゲーム機に実装実績もある方式。複数人で
の閲覧が可能だが、結像した映像は、視聴者それぞれの位置に表示される。

光線再生ディスプレイ：「波面再生型立体デイスプレイ」とも呼ばれ、複数の観察者に対して同時に立体画像を提示できる。研究段階の技術。

視線追跡型ディスプレイ：視聴者の視線に合わせて左右の目用の画像を作り、表示する方式。端末ごとに固定サイズで提供され、閲覧距離、視聴者数も決められている。

体積型 3D ホログラム :

$3 \mathrm{D}$ ファン（ホログラムファンとも）:3D フアンは、LED ライトが取り付けられた扇のような構造を持ち、高速回転しながら、連続的な光の列を形成ことによって、視覚的には固定された $3 \mathrm{D}$ 映像が浮かび上がる仕組み。この方式による製品は、低コストで市場に出回っており、商業広告やイベントでよく用いられている。

プラズマ発光型:プラズマ発光型の 3D ホログラムは、レーザーを使用して空気中の特定の点をプラズマ化し、その点を発光させる方式。現在は単純な図形を表示するにとどまっている。研究・開発が進められており、今後の表現手段として期待されている。

これらのテクノロジーはすべて、3D コンテンツの閲覧体験をよりリアルにするためのものだが、HMDを除いて $3 \mathrm{D}$ コンテンツに物理的に近づく・触れることは困難である。しかし、デジタルアーカイブにおいて、利用者は物体の質感を直感的に比較したり、センサー を介して手で $3 \mathrm{D}$ コンテンツを直感的に掴み、回転させることが望ましい。

## 3. 空間結像を用いた 3D 閲覧 3.1 空中結像技術の利点

現在、一般的に購入できる空中結像パネルは数社存在する。方式としては、再帰反射による空中結像 (AIRR: Aerial Imaging by Retro-Reflection)、2 面コーナーリフレクタ ーアレイ（DCRA）などが知られている。今回は、パネル一枚のみで完結する DCRA 方式の空中結像パネルを用いた[3]。このパネルは、

ミクロサイズの鏡を組み合わせたものであり、 パネル下部の光源から上部へ 2 枚のミクロな鏡を用いて結像させる機能を持っている。また、AIRR よりも仕組みが単純で小型化が可能であり、立体物の空中結像を行う空間を確保しやすい。また、強度が有るため、学生によるコンテンツ製作や実験も容易である。

なお、本学は現在建築中の新校舎において、学生作品用の空中結像パネル展示台およびギヤラリースペースを製作中である。

空中結像方式を採用することで、デジタルアーカイブの閲覧者は以下の利点を得ることができる。

## 直接的なインタラクション：

DCRA 方式を用いることで、コンテンツは物理的に存在するかのように見える。実際に触感はないが、これにより、閲覧者は実際に手をコンテンツの中に挿入し、直接的に特定の場所を指定することができる。この利点により、従来の間接的なインタフェースよりも、閲覧者がより直接的にコンテンツを理解できるようになる。

## 現実世界とのシームレスな統合 :

大きさはパネルのサイズに依存するが、実際の物と並べて見比べることが可能であるため、現実世界の空間とデジタルコンテンツがシームレスに統合される。これにより、閲覧者は従来感じることが困難だった質感やディテールを、より繊細に感じることができる。現実の物理環境とデジタルコンテンツが一体化することで、閲覧者は情報把握が容易になる。

## 多角的な閲覧や観察の実現：

パネルを除く、装置の構造が単純であるため、センサーなどの設置が簡便であるため、空間内の閲覧者の手の位置を取得しゃすく、あたかも $3 \mathrm{D}$ オブジェクトを直接手に取るような処理が可能となる。これは、従来の $2 \mathrm{D}$ 表示では実現不可能だった多角的な視点からの閲覧や観察を可能にする。閲覧者は物体を様々な角度から見ることができ、従来の方法では得られなかった新たな情報や知識を得ることができる。
また、結像させるデータはコンピュータで表示できる形式であればよく、画面 1 枚分の映像で空中結像を作ることが可能である。この簡便性は $3 \mathrm{D}$ デジタルアーカイブを閲覧させるうえでのコストを下げることができ、動画などでわかりやすい説明映像などを制作することも最低限で済ませることが可能となる。 デジタルアーカイブに蓄積されている大量のデータを、閲覧者主導で利活用できる点も大きな特徴である。

## 3. 2 試作システムの構築

Unity とリープモーションを利用して、指し示している場所に応じて情報を提示するコンテンツを試作した。空中結像を利用することで、ユーザーは実際に奥行きを感じ、更に直感的な体験が可能となった（図 1)。

図 1. 接触可能な $3 \mathrm{D}$ コンテンツ

また、構造上黒部分が透明として描画されるため、下側に配置されるディスプレイは黒を描画した際に明るくならない有機 EL 方式が必須である。また、ゴーストを発生させないようにするため、ディスプレイに閲覧角度を制限するフィルタを貼ることで閲覧体験が向上する。その上で、パースで強調された奥行きを使って表示することで、擬似的に立体映像を感じることができる。

視差による奥行きをより感じるために、複数台の液晶パネルを設置することで奥行きを出すことができる。しかし、手前の結像に干渉して不自然な画像になってしまうため、奥に配置するディスプレイは背後からの光を透過する必要がある。有機 EL など自発光するディスプレイを使った透過ディスプレイは存
在するが、入手する方法が見つからなかったため、今回は試すことができていない。

そこで、前述の体積型 3D ホログラムを用いることで、簡易的に立体を結像させることが可能となる。今回は、参考文献 [1] [2]で作成された動画[4]を本空中結像装置で表示し、提示手法が有効であることを確かめた（図 2）。

図 2. 点群データの空中結像

また、体積型 $3 \mathrm{D}$ ホログラムとして 3D ファンを用いて提示手法が有効であることを確かめたほか、3D クリスタルを用いて体積型 3D コンテンツが有効であることを確認した（図 3）。

図3. 平面型展示台

なお、配置方法は数種類存在が存在するため、図 3、図 4 のように実際に展示台を作成して見え方を検討した。筆者らの体感では体積型 $3 \mathrm{D}$ ホログラムを使う場合、図 3 が優れていた。

図 4. 斜面型展示台

## 4. おわりに

空中結像を実現した DCRA パネルを用いることで、立体構造を触ることが可能な空間に表せることが確かめられた。今後、より条件に合致した体積形 $3 \mathrm{D}$ ホログラムを用いることで、描画素材の物理的特性を無視して、触ることが可能であることがわかった。3D ホ口グラム技術は数多くあるが、今後、体積形 $3 \mathrm{D}$ ホログラムの新技術に注目し続けることでより直感的な提示方法を構築できるだろう。

## 参考文献

[1] Tanaka, S., K. Hasegawa, N. Okamoto, R. Umegaki, S. Wang, M. Uemura, A. Okamoto, and K. Koyamada. "See-through Imaging of Laser-scanned 3D Cultural Heritage Objects Based on Stochastic Rendering of Large-scale Point Clouds." 2016. https://isprsannals.copernicus.org/articles/III-5/73/2016/ (参照 2023-09-25).

[2] 青井大門. “ 3 次元計測点群の半透明立体視における視覚ガイドとしてのエッジ強調”。 2023. https://www.ritsumei.ac.jp/file.jsp?id= 591418 (参照 2023-09-25).

[3]株式会社パリティ・イノベーションズ. https://www.piq.co.jp/ (参照 2023-09-25).

[4] 立命館広報課 shiRUto.“八幡山の組立てプロセスを可視化(1)”. 2019.

https://youtu.be/tG2XjUln_Cw?si=EraHuHX TuUWP8g4J (参照 2023-09-25).

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