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空間立体表示とユーザインタフェース

[コードNo.19STA134]

■体裁/ A4判並製本 360ページ
■発行/ 2019年 5月24日 S&T出版(株)
■定価/ 75,600円(税・送料込価格)
■ISBNコード/ 978-4-907002-75-6

監修

高木康博東京農工大学

執筆

高木康博東京農工大学
畑田豊彦東京工芸大学名誉教授
氏家弘裕産業技術総合研究所
棚橋重仁新潟大学
水科晴樹徳島大学
藤井俊彰名古屋大学
河北真宏NHK放送技術研究所
吉田俊介情報通信研究機構
山本健詞情報通信研究機構
Boaz Jessie Jackin情報通信研究機構
市橋保之情報通信研究機構
奥井誠人情報通信研究機構
涌波光喜情報通信研究機構
大井隆太朗情報通信研究機構
山東悠介地方独立行政法人大阪産業技術研究所
的場修神戸大学
下馬場朋禄千葉大学
角江崇千葉大学
伊藤智義千葉大学
坂本雄児北海道大学
長浜佑樹東京農工大学
磯前慶友東北大学
柴田陽生東北大学
石鍋隆宏東北大学
藤掛英夫東北大学
菊池宏NHK放送技術研究所
松島恭治関西大学
吉川浩日本大学
山本裕紹宇都宮大学
前田有希(株)パリティ・イノベーションズ
陶山史朗徳島大学
稲垣義弘コニカミノルタ(株)
田村希志臣コニカミノルタ(株)
落合陽一筑波大学
山口雅浩東京工業大学
篠田裕之東京大学
半田拓也NHK放送技術研究所
掛谷英紀筑波大学
堀越力湘南工科大学
兵頭啓一郎ユアサシステム機器(株)
中村康則エフ・エー・システム・エンジニアリング(株)
寺田茂エフ・エー・システム・エンジニアリング(株)

趣旨

 われわれ人間は、外界から得る情報の約80 %を視覚から得ていると言われている。さらに、われわれは、左右の目から得られる視覚情報をもとに外界の3次元情報を得ている。そのため、人間にとって最適な情報提示手段は立体映像を用いたものであるといえる。本書は、このような立体映像の表示技術とこれを利用したユーザインターフェイス技術に関連する内容を一冊にまとめたものである。
 本書は、日本でトップの研究者や開発者の方々に執筆頂いた。著者の方々には、お忙しい中、執筆をご快諾頂き、玉稿を賜ったことに感謝の意を表したい。技術内容に関してだけでなく、研究や開発に対するそれぞれの著者の思いが述べられていることが本書の特徴である。本書は、現在の日本における立体映像に関連する最高の叡智を集めたものになっていると確信している。なお、それぞれの著者の生の言葉を伝えるため、本書では敢えて用語の統一は行わなかったことを付記する。
 現在のところ、立体映像が活用されている分野は限定的である。立体映像の利用が与えるメリットがデメリットを上回る分野において利用が進んでいる。内視鏡手術やロボット支援手術などの医療分野においては、立体映像は既に必須の技術になっている。自動車設計などの工業分野においても、立体映像の利用は一般化している。これらの分野では、立体メガネを用いた立体表示が用いられるが、立体メガネをかけることの不便さに対して高精細な立体映像がもたらす利益が上回っている。一方で、3D元年と言われた2010年頃に、電機メーカー各社からメガネ式の立体テレビが発売されたが残念ながら不発に終わった。立体メガネをかけることの不便さを、当時の技術が提供する立体映像の魅力が上回ることができなかった。最近はVR元年と言われていて、ゴーグル型の2眼式立体表示の実用化が進んでいる。広視野化、高解像度化、トラッキングによる運動視差の実現などの技術開発が進められているが、視覚疲労や映像酔いなどの人間に与える影響の問題は未解決のままである。メガネなしの裸眼立体表示に関しては、携帯型ゲーム機などで実用化されているが、小画面でシングルユーザ用であるため、他分野への広がりは限定的である。大画面で多人数向けの本格的な裸眼立体表示については、解像度が低い、視域が狭い、情報量が多いなどの課題が山積している。2030年頃を目指して開発が進められている立体テレビ放送を実現するためには、これらの課題を解決し、立体映像のメリットがデメリットを上回る必要がある。本書は現在の立体映像技術のスナップショットとなっているが、これらの課題を解決するヒントを与えるものとなれば幸いである。

空間立体表示とユーザインタフェース:序 高木康博 より

目次

序章 空間立体表示とユーザインタフェース
第1章奥行き知覚・立体知覚
第1節奥行き・立体知覚のメカニズム
1. 空間視に関わる生体機構
2. 空間視の知覚特性
2.1 奥行き知覚要因
2.2 立体知覚要因
3. 両眼視機能に整合した立体表示条件
3.1 両眼視差の空間・時間周波数特性
3.2 空間視特性から見た立体表示条件
第2節奥行き知覚・立体知覚の視覚疲労と映像酔いの生体影響評価
1. はじめに
2. 空間定位と視覚情報
3. 空間立体表示において配慮すべき生体影響と計測評価法
3.1 立体映像による視覚疲労の症状と計測評価法
3.2 映像酔いによる視覚疲労の症状と計測評価法
3.3 映像酔いの原因仮説
4. 配慮すべき生体影響の主な影響要因
4.1 立体映像による視覚疲労の生体影響要因
4.2 映像酔いによる視覚疲労の生体影響要因
5. 配慮すべき生体影響に対する対策
6. 結語
第3節HMDによる映像刺激が人に与える影響
1. はじめに
2. 映像刺激が人間に与える正の影響
2.1 映像への没入感・臨場感の促進
2.2 視覚誘導性自己運動感覚
2.3 視野拡張
2.4 自己身体像や自己意識の拡張の可能性
2.5 テレイグジステンスへの応用
3. 映像刺激が生体に与える負の影響
3.1 身体の疲労
3.2 眼精疲労
3.3 VR酔い、映像酔い
第4節立体表示の疲労評価と疲労感のない立体表示システム
1. はじめに
2. 立体表示による疲労の原因
2.1 立体表示の原理に由来するもの
2.2 機器の特性に由来するもの
2.3 視聴条件に由来するもの
3. 立体表示の疲労評価
3.1 主観的評価手法
3.2 客観的評価
4. 疲労感のない立体表示システム
5. おわりに
第2章光線再生(ライトフィールド)方式による空間立体表示
第1節ライトフィールドディスプレイの原理と技術動向
1. はじめに
2. 光線空間 / ライトフィールドとは
2.1 光線空間 / ライトフィールドの定義
2.2 実空間と光線空間の関係
2.3 光線空間の離散化
3. 光線再生(ライトフィールド)型ディスプレイとは
3.1 裸眼観察可能な立体ディスプレイ
3.2 多視点ディスプレイとの違い
3.3 輻輳調節矛盾の解消
3.4 周波数特性
4. ライトフィールド生成原理と技術動向
4.1 空間分割型
4.2 時間分割型
4.3 プロジェクション型
4.4 レイヤ型
5. まとめ
第2節超多眼立体ディスプレイ
1. はじめに
2. 従来の立体表示の問題点
2.1 輻輳調節矛盾
2.2 不完全な運動視差
3. 超多眼立体表示
4. 超多眼立体ディスプレイ
4.1 マルチプロジェクション方式
4.2 フラットパネル方式
4.3 ハイブリッド方式
4.4 時分割表示方式
5. 調節応答の測定
6. 超多眼ヘッドマウントディスプレイ
7. まとめ
第3節インテグラル立体ディスプレー
1. はじめに
2. インテグラル立体方式の基本原理
3. インテグラル立体テレビ
3.1 基本構成
4. 表示性能の向上技術
4.1 高精細映像技術の適用
4.2 複数の表示装置を用いた立体映像表示
4.2.1 画面合成技術
4.2.2 複数プロジェクター方式
4.3 色モアレ低減技術
5. おわりに
第4節円錐状スクリーンと多数のプロジェクタを用いた360°観察可能なテーブル型3Dディスプレイ
1. はじめに
2. テーブルトップでの作業に適した3D映像
3. fVisiOnにおける360°全周3D映像の再生技術
3.1 大量の光線群による3D形状の再現
3.2 試作した3Dディスプレイの外観と内部の構成
3.3 要素画像(多重視点画像)のレンダリング
3.4 全周から観察できる3D映像とその利用例
4. おわりに
第3章波面再生(ホログラフィー)方式による空間立体表示
第1節MEMS SLMを用いた走査型ホログラフィックディスプレイ
1. はじめに
2. ホログラフィーと視覚疲労
3. ホログラフィックディスプレイの課題
4. 従来のホログラフィックディスプイレイ
4.1 複数のSLMを用いる方法
4.2 時分割表示を用いる方法
4.3 音響光学素子を用いる方法
4.4 解像度変換技術を用いる方法
4.5 アイトラッキングを用いる方法
5. 水平走査型ホログラフィー
5.1 スクリーン走査型
5.2 視域走査型
5.3 回転走査型
6. おわりに
第2節複数の空間光変調素子を用いたホログラフィック3Dディスプレイ
1. はじめに
2. 電子ホログラフィとその課題
3. SLM1枚による電子ホログラフィ
4. SLM複数枚による電子ホログラフィ
4.1 視域拡大電子ホログラフィ
4.2 カラー電子ホログラフィ
4.3 視域拡大カラー電子ホログラフィ
5. 撮影から表示までリアルタイムの電子ホログラフィ
5.1 インテグラルフォトグラフィ(IP)映像からのCGH計算
5.2 装置構成と実験結果
6. まとめ
第3節投影型ホログラフィック3Dディスプレイ
1. はじめに
2. ホログラフィック3Dディスプレイと画面サイズ、視野角の関係
3. 試作した投影型ホログラフィック3Dディスプレイ
3.1 原理
3.2 要素技術の紹介
3.2.1 ホログラム投影部分
3.2.2 ホログラムプリンタによるHOEスクリーンの設計・作製
3.2.3 投影型ホログラム映像用の計算機合成ホログラム
3.3 実験と結果
3.4 投影型ホログラフィック3Dディスプレイの課題
3.4.1 視域の拡大
3.4.2 ホログラム映像のフルカラー化
4. まとめ
第4節時分割方式による360°の視域を有するホログラフィック3Dディスプレイ
1. はじめに
2. 視域と視野と情報量
2.1 視域と視野の関係
2.2 空間多重方式と時分割方式
3. 時分割方式による360°の水平視域の実現
3.1 360°の水平視域を実現する光学系
3.2 ホログラムの計算方法
3.3 実験光学系と再生像
4. 波面回転補正
4.1 直角プリズムを用いた波面回転
4.2 波面回転補正の効果
5. 時空間分割多重によるフルカラー再生
5.1 時空間分割多重方式の原理
5.2 フルカラー再生
6. おわりに
第5節位相変調によるホログラフィック3Dディスプレイ
1. 位相変調型3次元ディスプレイ
2. 位相変調型3次元ディスプレイにおける画質向上
3. 実験
4. まとめ
第6節GPUによる高速ホログラム計算
1. はじめに
2. ホログラム計算
2.1 点光源法
2.2 ポリゴン法
2.3 多視点画像法
2.4 レイヤー法
3. GPUによるレイヤー法のホログラム計算
4. まとめ
第7節ホログラフィックヘッドマウントディスプレイ
1. まえがき
2. ホロHMDの開発歴
2.1 ホロHMDの利点
2.2 ホロHMDの開発史
3. 電子ホログラフィの基本構成
3.1 電子ホログラフィの光学系
3.2 電子ホログラフィの視野
3.3 ホログラムデータの計算法 ?点光源法-
4. ホロHMDの基本構成
4.1 虚像拡大と実像拡大
4.2 視域と視野の関係
4.3 0次光の削除
4.3.1 4f光学系を用いる方法
4.3.2 位相形ホログラムを用いる方法
4.3.3 収束光学系を用いる方法
5. 収束光学系を用いたホロHMD
5.1 収束光による再生
5.2 視域
5.3 視野と高次回折像除去
5.4 収束光学系におけるホログラムデータの計算方法
5.4.1 平行光と収束光の計算法
5.4.2 周波数制限
6. 実装例
6.1 光学系
6.2 収差の補正
7. 現状と今後の期待
7.1 液晶と光学系の検討
7.2 計算時間
7.3 実用システムの小型化・軽量化
8. あとがき
第8節ホログラフィックプロジェクタ
1. はじめに
2. ホログラフィックプロジェクタの映像投影の原理
3. 既存のプロジェクタとの違い
4. 技術的課題と解決への取り組み
4.1 再生像の画質
4.2 ホログラフィックプロジェクタ独自の投影手法
5. まとめ
第9節ホログラム表示用超高精細液晶パネルの構造設計
1. はじめに
2. 液晶を用いた位相変調素子の構造・原理
2.1 液晶とは
2.2 位相変調素子の原理
3. 液晶位相変調素子の解像限界
4. 1μmピッチの画素で生じる課題
5. 誘電体シールド壁構造の設計方針
6. まとめ
第10節磁気光学効果を用いた空間光変調器
1. はじめに
2. 磁気光学効果を用いた空間光変調器
3. スピンSLMの基本技術
3.1 基本構造と動作原理
3.2 特徴と課題
3.3 スピン注入磁化反転特性
4. スピンSLMの開発状況
4.1 GMR型スピンSLM
4.2 TMR型スピンSLM
5. 超高密度磁性ホログラムによる3次元画像表示
6. おわりに
第11節大規模計算機合成ホログラムによる奥行きの深い3D映像
1. はじめに
2. コンピュータホログラフィにおける空間バンド積問題
2.1 単色再生の高解像度CGH
2.2 空間バンド積の問題
3. ポリゴン法とシルエット法による干渉縞パターンの合成
3.1 ポリゴン法による物体光波の合成
3.2 シルエット法によるオクルージョン処理
3.2.1 物体単位シルエット法
3.2.2 ポリゴン単位シルエット法とスイッチバック法によるその高速計算
4. レーザーリソグラフィによる干渉縞パターンの描画
4.1 干渉縞パターンの発生
4.2 干渉縞パターンの描画
5. 大規模CGHのフルカラー表示技術
5.1 ダイクロイックミラー方式
5.2 RGBカラーフィルタ方式
5.3 積層方式
6. おわりに
第12節ホログラムプリンタ
1. はじめに
2. 平面型ホログラムプリンタ
2.1 フリンジプリンタの原理
2.2 フリンジプリンタ設計の概要
2.3 フリンジプリンタで出力したホログラムの例
3. 体積型ホログラムプリンタ
3.1 体積型ホログラムプリンタの原理
3.2 体積型ホログラムプリンタ設計の概要
3.3 体積型ホログラムプリンタで出力したホログラムの例
4. おわりに
第4章VR/AR用表示技術
第1節再帰反射による空中結像(AIRR)による空中ディスプレイとその自由空間インターフェース応用
1. はじめに
2. 再帰反射による空中結像(AIRR)
2.1 AIRRの原理
2.2 AIRRの特長
2.3 偏光変調型AIRR
3. AIRRによる空中ディスプレイ
3.1 大画面空中LEDスクリーンの形成
3.2 透明な再帰反射素子を利用した観察領域の拡大
3.3 2層の空中映像による空中3D表示
4. 空中スクリーンを用いた自由空間インターフェース
4.1 AIRR Tablet
4.2 実時間実空間2層ディスプレイ(R2D2w/AIRR)
5. 空中映像とユーザーのダイナミックなインタラクションのための取り組み
5.1 空中ヒーター
5.1.1 直交ミラーアレイCMA (crossed-mirror array)
5.1.2 角パイプアレイSPA (square-pipe array)
5.1.3 2層矩形ミラーアレイWARM (double-layered arrays of rectangular mirrors)
5.2 空中ヒーターとAIRRによるマルチモーダル空中インターフェース
6. おわりに
第2節2面コーナーリフレクタアレイによる空中立体表示と空中タッチ技術
1. はじめに
2. 空中立体像が見える仕組みと実現手法
3. DCRAの原理と空中映像表示
3.1DCRAによる結像の原理
3.2DCRAによる空中映像表示
4. DCRAを用いた応用システム
4.1.DCRAの空中立体像表示への応用
4.2 DCRAの空中タッチディスプレイへの応用
5. おわりに
第3節大型・遠距離観察用DFD(Depth-fused 3D)表示技術
1. はじめに
2. 基本的なDFD表示方式の原理
3. 屋内向けの透明スクリーンを用いた大画面・遠距離観察用Edge-based DFD表示方式
3.1 Edge-based DFD表示方式の原理
3.2 プロジェクタ光学系による大型・遠距離観察用DFD表示システムの提案
3.3 遠距離観察時における知覚される奥行き測定のための実験方法
3.4 観察距離10 mでのEdge-based DFD表示の奥行き知覚特性
4. 屋外向けのNon-overlapped DFD表示方式
4.1 基本原理
4.2 Non-overlapped DFD表示方式における知覚される奥行きの実験方法
4.3 前後面の間隔が50 cmの場合の奥行き知覚特性
4.3.1 観察距離が5 mの場合
4.3.2 観察距離が10 mの場合
4.4 前後面の間隔が100 cmの場合の奥行き知覚特性
4.4.1 観察距離が5 mの場合
4.4.2 観察距離が10 mの場合
5. DFD表示方式における視域の拡大方法(通常画面サイズ、近距離観察)
5.1 ぼけエッジ画像による視域の拡大
5.2 多眼アークDFD表示方式による視域の拡大
6. まとめ
第4節ホログラフィック光学素子を用いたシースルー型ウェアラブルディスプレイ
1. はじめに:ウェアラブルディスプレイの技術動向
2. ウェアラブルコミュニケーターの基本構成
3. WCc光学系の概要
4. HOE露光光学系の概要
5. おわりに
第5章空間立体ユーザインタフェース
第1節レーザーと超音波による空中触覚提示
1. はじめに
2. 関連する研究アプローチ
3. レーザーと超音波を用いる理由
4. 触覚像の定義
4.1 計算機ホログラム
4.2 レーザーによる触覚像
4.3 超音波による触覚像
5. 実験システム
5.1 レーザーハプティックス
5.1.1 光学系
5.1.2 ハードウェア仕様
5.2 音場生成
5.3 制御システム
6. ユーザー研究と結果
6.1 レーザーの知覚しきい値
6.2 集束超音波の知覚しきい値
6.3 描画パターンの知覚
6.4 相互作用に関する実験
7. 応用例
8. 考察
8.1 スケーラビリティ
8.2 相互作用
8.3 安全性
9. おわりに
第2節ホログラフィック3Dタッチ
1. ジェスチャーインタフェースと3Dタッチ
2. 実像を再生するディスプレイ
3. 3Dタッチ検出
4. 3Dディスプレイによる3Dタッチインタフェース
5. ホログラフィックスクリーンを用いたライトフィールドディスプレイ
6. 3Dタッチセンシングディスプレイ
7. ホログラフィック3Dタッチインタフェースの応用
第3節空中超音波による3次元映像への触感付
1. はじめに
2. 超音波による力の発生
2.1 音響放射圧
2.2 音響放射圧の空間的制御
2.3 音響放射圧の時間的制御
3. 映像との同時提示
3.1 空中触覚タッチパネル
3.2 触覚プロジェクタ
3.3 視触覚クローン
4. おわりに
第4節形状と硬さを空間に提示するハプティックインターフェース
1. はじめに
2. 形状と硬さを空間に提示するハプティックインターフェース
2.1 形状と硬さのセンシング
2.2 形状の提示
2.3 硬さの提示
2.4 実物体の形状と硬さの伝達
3. 形状と硬さを空間に提示するハンドヘルド型ハプティックインターフェース
3.1 ハプティックインターフェースの制御方式
3.2 ハンドヘルド型ハプティックインターフェース
3.3 形状と硬さを提示するハンドヘルド型ハプティックインターフェース
4. おわりに
第5節立体表示を用いたユーザーインタフェース
1. 背景
2. 1人用空中像ディスプレイとその応用
3. 多人数用空中像ディスプレイとその応用
4. 触覚提示との組み合わせ
5. 今後の課題
5.1 実物体との遠隔インタラクション
5.2 提示画像の高解像度化
第6章空間立体表示の標準化動向
第1節裸眼立体ディスプレイ表示性能の評価と国際標準化
1. はじめに
2. 奥行き知覚の要因
3. 裸眼立体表示ディスプレイの方式
3.1 二眼方式
3.1.1 パララックスバリア方式
3.1.2 レンズ方式
3.1.3 時分割方式
3.2 多眼方式
3.3 物体光再現(光線再現)方式
4. 3次元ディスプレイの性能評価
4.1 立体ディスプレイ特有の性能評価指標
4.2 ISO9241-331 TR で定義している課題
4.2.1 視域
4.2.2 クロストーク
4.2.3 逆視
4.2.4 その他
5. ISO9241-331 TR の規定に基づいた光学的計測方法
5.1 基本的な計測方法
5.1.1 最も基本的なディスプレイ特性の計測
5.2 実際の測定例
5.2.1 QSVS、QBVS の解析
5.2.2 クロストーク
5.2.3 その他
6. おわりに
第2節HMDの国際標準化動向
1. 初めに
2. 国際標準化とは
2.1 国際標準化団体
3. HMDに関わる標準化
3.1 HMDに関連したパラメータ
3.2 IEC TC 110(Electronics Display Devices)
3.3 ISO TC159/SC4(Ergonomics of human-system interaction)での標準化の例
3.3.1 ISO TC159/SC4/WG2(Visual display requirements)
3.3.2 ISO TC159/SC4/WG12(Image safety)
3.3.3 その他のHMDの標準(人間工学)
4. 今後
第3節ホログラムの国際標準化動向
1. はじめに
2. 日本工業規格の制定
3. 国際標準は規格の制定
4. 規格の概要
5. おわりに
第7章空間立体表示の応用
第1節医療現場で期待される3D技術〜ヘッドアップサージャリーの基礎技術(2D→3D映像変換技術と3D裸眼表示装置、3Din3D表示装置)〜
1.はじめに
2.ヘッドアップサージャリー
3.医療現場で期待される3D技術について
4.2 D→3D映像変換装置(2D→3D コンバーター)
5.3 D裸眼映像表示装置(FASE 3D裸眼表示装置)
6.3 Din3D表示装置
7.3D関連商品
8.3D映像化技術とその原理
8.1 人はどのように立体を知覚しているのか
8.2 立体情報のない2D映像(2D→3D変換技術)からの立体映像化技術
8.2.1 2D→3D映像変換技術
8.2.2 3D裸眼表示装置
8.3 光線再生方式を実現するには
9. 今後に向けて
第2節医療用裸眼立体ディスプレイ
1. 背景
2. フルハイビジョン裸眼立体ディスプレイ
2.1 時分割指向性バックライト式裸眼立体表示
2.2 時分割パララックスバリア式裸眼立体表示
3. 医療への応用事例
3.1 手術シミュレータへの応用
3.2 手術トレーニングへの応用
4. まとめ
第3節超多眼ヘッドアップディスプレイ
1. はじめに
2. 超多眼ヘッドアップディスプレイ
3. 試作システム
4. 試作システムの評価
4.1 視点間クロストーク
4.2 運動視差の滑らかさに関する評価
4.3 奥行き知覚精度の評価
5. まとめ



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