空間分割多重化による  データ投影技術に関する研究 

空間分割多重化による  データ投影技術に関する研究 

新居 英明

電気通信大学大学院電気通信学研究科 博士 ( 工学 ) の学位申請論文

2008 年 3 月

空間分割多重化による  データ投影技術に関する研究 

博士論文審査委員会

主査  稲見 昌彦 教授

委員  松野 文俊 教授

委員  下条   誠 教授

委員  小池 英樹 教授

委員  柳田 康幸 教授

著作権所有者

新居 英明

2008

Information projection system consisting of a light emitting diode projector employing space-division multiplexing

Hideaki NII

Abstract

In the field of human-computer interaction, short-range wireless communication between a base station and portable communicating devices has played a very important role; for example, in a guidance announcement system in which information is characterized by position dependence. A modulated light emitting diode (LED) has been used for short-range wireless communication.

The increasing use of radio waves has led to greater traffic in communication channels; further, it is difficult to initiate communication in an environment in which a large number of objects are present. The use of an LED with signal modulation has not yet been perfected for one-many communication. The use of spatial division multiplexing is important for a one-many communication interface because it enhances scalability according to the density of information.

In this paper, we propose a method of projecting information by using a high-speed

data projector that transmits audio or video streams or the position value along each

direction via an LED array. We present the design and results of LED projectors that

transmit multiple data streams to multiple points simultaneously for a human-computer

interaction system. The first design consists of a wireless communication system with

specific directional selectivity in order to demonstrate the spatial division concept. The

second design involves the projection of the position coordinate system to the space and

the configuration of a high-speed motion capture system to detect the absolute position

data periodically. The last design, a typical case, involves the projection of a multi-video

stream to multiple directions simultaneously. In this manner, a variable directional

selectivity and scalability communication interface system can be realized.

空間分割多重化によるデータ投影技術に関する研究  新居 英明

概 要

本論文では，空間に対して異なる情報を同時に投影するプロジェクタのよう な装置による空間分割多重通信路によって生じる場所依存の情報に注目し，情 報を投影する装置から受信するモジュール内での情報処理手法までの研究をま とめている．

従来，異なった場所に対して異なった情報を送るようなシステムを構築する 場合に，情報投影と空間位置計測技術は別のものとして扱われてきていた．そ のため，物体の座標を計測し，その物体に対して必要な情報を電波などで送信 することが一般に行われてきていた．しかしながら，物体数や物体が必要とす る情報量が増えてくると，必要な通信容量が増加し，時分割，周波数分割によ る通信路の多重化では不十分な場合が考えられる．この問題を解消するために 考えられるのが，必要な場所に必要な情報を同時に送ってしまう空間分割多重 化である．つまり，プロジェクタのように画素ごとに異なる情報を一度に投影 する空間分割多重による情報投影を行うことで，あらかじめ特定の空間ごとに 必要な情報を常時投影でき，結果的に通信容量を増加させることが可能となる．

この空間分割多重には特徴があり，必要な情報を選択するためには場所を決め るだけでよいことや，途中に遮蔽されたかどうかは受信部で認識可能であるこ となどがあげられる．そのため，その特性を生かした情報投影技術を行うため の研究が必要となると考えられる．

本論文は 6 章で構成され，概要は以下の通りである．

第 1 章では，緒論として空間分割多重を時分割多重化や周波数多重化と比較 し，その特性について比較検討を行う．

第 2 章では，空間分割多重の特性を生かした情報投影技術について述べる．

主に人の周囲の環境に，空間位置に依存した情報を投影する手法について新た

に提案を行う．

第 3 章では，特定の方向だけに情報を送るプロジェクタを用いた通信機を用 いて，情報を投影することと情報の受信を選択する方法として，方向や場所の 違いを用いるというシステムを実際に試作し，その特性について述べる．

第 4 章では 1 次元の方向に情報が広がるプロジェクタを用いた，座標計測手 法について述べる．

これは複数の LED の前にフィルムマスクを置き，特定の方向のみ光を発生す るというプロジェクタを準備し，その光を高速に切り替えることで，空間に座 標情報を高速に投影し続けるプロジェクタと，光受光部を一つだけ持つデバイ スに置いて，受信信号を座標情報として解読することにより，複数のデバイス の座標を高速に取得可能なシステムについて述べる．加えて、１次元の方向に 情報が広がるプロジェクタを簡単で小型に実現する手法として，シングルトラ ックグレイコードを用いた設計について述べる．巡回型グレイコードを用いる ことで，マスク自体を切り替えるのではなく，空間パターンの位相を切り替え て投影可能となり，マスクを 1 種類だけにとどめることができる．

第 5 章では 2 次元の方向に情報が広がるプロジェクタを用いたヒューマンイ ンターフェースシステムについて述べる．このシステムは可視光 LED を並べた プロジェクタにより，人に対しては視覚情報を投影すると同時に各画素につい て異なった高速データストリームを流すことが可能である．このデータストリ ームとしてデジタル音声情報を重畳し，ヒューマンインターフェースに必要な 人の周りに必要な情報を統一的に投影可能なプロジェクタとして用いる手法に ついて述べる．その後、本プロジェクタを用いたアプリケーション例として光 線自身が持つ情報に着目し，通ってきた経路の情報を取得する手法について述 べる．一般的に光による情報投影は物体に遮蔽されることにより，情報自体も 遮られてしまうという特性をもつ．これは欠点となることも多いが，この遮蔽 を検出することにより光の経路情報を取得することも可能であり，本研究では その有用性を示す．

第 6 章では結論として，本研究で得られた成果をまとめ，今後の展望につい

て述べる．

目 次

第1章 序論 8

1.1 現在までの研究と本研究の位置づけ . . . . 10

1.2 本研究での提案内容 . . . . 13

1.3 本論文の構成 . . . . 15

第2章 空間分割多重情報通信技術 16 2.1 情報多重化手法 . . . . 16

2.1.1 空間分割多重化 . . . . 17

2.1.2 光通信による投影可能な情報量 . . . . 18

2.2 光による空間分割多重情報投影 . . . . 19

2.2.1 LED式の空間分割多重情報投影の特徴 . . . . 19

2.2.2 情報投影プロジェクタの分類 . . . . 19

2.3 まとめ . . . . 22

第3章 指向性光情報通信を用いた会話システム 23 3.1 見通し距離会話システム . . . . 24

3.1.1 提案手法. . . . 24

3.1.2 現状の通信システムとの比較 . . . . 25

3.1.3 関連研究. . . . 26

3.2 システムの実装 . . . . 26

3.3 システムの評価 . . . . 28

3.4 まとめ . . . . 28

第4章 1次元情報投影プロジェクタ 29 4.1 位置情報投影プロジェクタ . . . . 29

4.1.1 位置情報投影プロジェクタの概要 . . . . 29

4.1.2 システム概要 . . . . 30

4.1.3 １次元プロジェクタの設計と実装 . . . . 34

4.1.4 2次元以上への拡張 . . . . 36

4.1.5 実験 . . . . 37

4.1.6 まとめ . . . . 41

4.2 シングルトラックグレイコードによる位置情報投影プロジェクタ . . . . 42

4.2.1 プロジェクタの概要 . . . . 42

4.2.2 関連研究. . . . 43

4.2.3 シングルトラックグレイコード . . . . 44

4.2.4 提案手法. . . . 46

4.2.5 システムの実装と評価 . . . . 52

4.2.6 まとめ . . . . 54

第5章 2次元情報投影プロジェクタ 55 5.1 2次元情報投影プロジェクタの設計 . . . . 55

5.1.1 関連研究. . . . 55

5.1.2 2次元情報投影プロジェクタの概要 . . . . 56

5.1.3 プロジェクタによる投影実験 . . . . 59

5.1.4 インターフェースへの応用 . . . . 63

5.1.5 まとめ . . . . 65

5.2 2次元情報投影プロジェクタの応用 . . . . 65

5.2.1 関連研究. . . . 66

5.2.2 位置検出アルゴリズム . . . . 66

5.2.3 LEDプロジェクタよる実装 . . . . 68

5.2.4 マーカ . . . . 70

5.2.5 実験及び考察 . . . . 70

5.2.6 まとめ . . . . 72

5.3 情報投影プロジェクタの考え方による3次元ディスプレイの実現 . . . . 72

5.3.1 3次元テレビジョンの概要 . . . . 72

5.3.2 3次元テレビの設計と実装 . . . . 73

5.3.3 考察 . . . . 77

5.3.4 まとめ . . . . 79

第6章 結論 80

謝辞 82

参考文献 83

図 目 次

1.1 空間分割による通信の概念図. . . . 9

1.2 光による空間分割多重化情報提示概念図 . . . . 12

1.3 カメラによる位置計測 . . . . 12

1.4 プロジェクタを用いた位置計測 . . . . 13

1.5 フレームレートと画素数の関係 . . . . 14

2.1 情報投影プロジェクタ概念図. . . . 19

2.2 指向性光情報プロジェクタ . . . . 21

2.3 1次元光情報プロジェクタ . . . . 21

2.4 2次元光情報プロジェクタ . . . . 22

3.1 提案するインタフェース概要. . . . 24

3.2 試作システムの概念図(a)と実装例(b) . . . . 25

3.3 機能ブロック図 . . . . 26

3.4 通信相手との角度と通信可能距離 . . . . 27

4.1 1次元情報投影手法 . . . . 30

4.2 本プロジェクタの機構 . . . . 31

4.3 プロジェクタの外観 . . . . 32

4.4 プロジェクタ内部の説明 . . . . 32

4.5 使用したスライドマスク . . . . 33

4.6 可視光LEDを利用したプロジェクタでの投影 . . . . 33

4.7 受信側の構成図 . . . . 33

4.8 受光側マーカの外観 . . . . 34

4.9 基本送受信タイミング . . . . 35

4.10 2台使用時の外観 . . . . 36

4.11 2次元投影時の送信タイミング. . . . 36

4.12 3次元投影時の配置 . . . . 37

4.13 位置情報投影精度検証実験のセットアップ . . . . 38

4.14 投影位置精度に関する結果 . . . . 38

4.15 連続位置精度及び布の影響実験のセットアップ . . . . 39

4.16 遮蔽用布の外観 . . . . 40

4.17 条件１による実験のデータ . . . . 40

4.18 1次元情報投影プロジェクタ . . . . 44

4.19 5[bit]絶対値エンコーダ. . . . 45

4.20 分割数30のSTGC型エンコーダ . . . . 45

4.21 3[bit]マスクに個別に投影したようす . . . . 47

4.22 3[bit]マスクに同時に投影したようす . . . . 47

4.23 STGCプロジェクタ . . . . 48

4.24 マスク5[bit]分解能(左),7[bit]分解能(右) . . . . 48

4.25 コード投影範囲,光源の投影範囲(左),受光点から見た光源方向(右) . . . . 50

4.26 プロジェクタ本体外観 . . . . 53

4.27 試作システムのブロック図 . . . . 53

4.28 7[bit]プロジェクタの出力波形 . . . . 54

5.1 フィルムバックに搭載されたLED基板 . . . . 57

5.2 LEDチップ拡大図(長辺6[mm]) . . . . 57

5.3 LED制御ボード . . . . 57

5.4 LED制御回路ブロック図. . . . 58

5.5 プロジェクタ外観 . . . . 58

5.6 プロジェクタによる投影の様子 . . . . 59

5.7 受信信号波形 . . . . 60

5.8 実験装置 . . . . 60

5.9 分離度測定実験の様子 . . . . 60

5.10 受光位置と信号強度 . . . . 61

5.11 ボケのある状態の受光位置と信号強度. . . . 61

5.12 ビデオ送信機（左）、受信機（右） . . . . 61

5.13 ビデオ送信用実験装置 . . . . 62

5.14 ビデオ受信映像(２種類) . . . . 62

5.15 体験装置 . . . . 63

5.16 音源トラッキングインタラクションの概要 . . . . 64

5.17 インタラクションを体験している様子. . . . 65

5.18 位置座標取得インターフェース概要 . . . . 66

5.19 アルゴリズム検証基礎実験の構成 . . . . 67

5.20 投影アルゴリズム概要 . . . . 68

5.21 プロジェクタ(左)、受光部(右) . . . . 69

5.22 プロジェクタ機能構成 . . . . 69

5.23 実験装置 . . . . 70

5.24 実験装置全景 . . . . 71

5.25 実験中の映像 . . . . 71

5.26 実験結果 . . . . 71

5.27 回転円盤式立体視テレビシステム . . . . 72

5.28 テレバイザー外観(NHK放送博物館所蔵) . . . . 74

5.29 立体テレビブロック図 . . . . 74

5.30 機械的走査概要 . . . . 75

5.31 平行光取り出し手法 . . . . 76

5.32 立体ディスプレイ外観 . . . . 76

5.33 投影画像（左：左から見た映像、右：右から見た映像） . . . . 77

5.34 会場での様子 . . . . 78

表 目 次

1.1 本研究で扱う情報伝達手段と分割ピクセル寸法 . . . . 14

2.1 情報伝達手段と分割ピクセル寸法 . . . . 18

2.2 機能比較表 . . . . 22

3.1 対人距離と視聴覚、臨場感の変化 . . . . 24

3.2 見通し距離における従来システムとの比較 . . . . 25

4.1 モーションキャプチャ装置の分類 . . . . 30

4.2 システム仕様 . . . . 37

4.3 実験条件 . . . . 39

4.4 実験2に関する結果. . . . 41

4.5 対称型グレイコードテーブル. . . . 45

4.6 STGCテーブル . . . . 45

4.7 マスク試作パラメータ . . . . 51

4.8 実験結果 . . . . 52

5.1 LEDの仕様 . . . . 57

5.2 カメラ諸元 . . . . 59

5.3 LED分割方法と平均探索時間の関係 . . . . 70

5.4 表示性能 . . . . 77

5.5 撮影性能 . . . . 77

第 1 _{章 序論}

ユビキタスコンピューティングとは、あらゆる機器にコンピュータ、もしくはその操作が可能な装 置が組み込まれ、相互にデータを交換し合い、情報を利用できるネットワーク環境を指す。パソコン や必要なところに機能を必要なところに設置することにより人の利便性を高めていくという概念であ る[1]。パソコンや携帯電話だけでなく、腕時計、メガネ、指輪などの装飾品、家電製品などあらゆる ものがコンピューティングパワーを持つことがユビキタスコンピュータの姿とされる。その概念は最 初にMark Weiserにより1993年に提案されている[2]。

このユビキタスコンピューティングの発達に伴い、コンピューティングパワーの実現に関する研究 と共に、情報端末同士、情報端末と情報を持っている装置との通信も重要な研究として取り上げられ ており、現在までに様々なシステムが提案されている。

このうち、通信に関する装置は以下の2つの要素から構成されていると考えられる。

1. 時間的にはあまりトポロジーが変化しない長距離通信ネットワーク 2. 短時間にトポロジーが変化する、近距離通信ネットワーク

後者のシステムは、人の移動、情報端末の移動などに伴い、トポロジーがリアルタイムに変化して いくネットワークである。このシステムを特にユビキタスネットワークと呼ぶ。

このユビキタスネットワークの通信形態として、移動している多数の端末同士の通信、移動体と特 定の場所に設置された基地局との通信が考えられる。

前者の通信形態としては、センサネットワークなどの小容量のデータをバケツリレーのように転送 していく手法が考えられる。一方後者の形態をもつ基地局との通信においては、人の要求に合わせ て、サーバに保存された情報を取得し人に表示するような大容量データ通信が考えられる。

本論文では後者の基地局との通信について取り上げる。

次に、この環境の中において、屋内環境において、人が集まる空間、例えば美術館、博物館におけ る、展示物を説明するようなガイダンスシステムの端末とその情報送出システムを想定する。

つまり人が多い空間でデバイスを各人が手で持ち、多数同時にインタラクティブに使う状況を想定 する。ここで端末に送信する情報としては、静止画像だけでなく、動画像情報、音声情報などが考え られる。動画像情報と言う場合、NTSCビデオ信号を想定する。

このような人とデバイスのインタラクション環境においては、人の移動に合わせて必要な情報が異 なる状況が多い。この時に必要な機能として、デバイスの位置を計測する機能が重要である。本論文 ではその一つの考え方として、空間そのものにIDを準備する手法を述べる。つまり、ユビキタス通 信を行う相手の認識手法として、デバイス自身が持つID以外に、場所に応じたIDに対して通信を行 うための手法を指すとも言える。このことにより、従来は指示することが難しい、特定の空間に入っ たデバイス全てに対する通信を行うことが可能となる。そのために、空間を分割しIDが必要な大き

Tr af f i c i nt er s ect i on

図1.1: 空間分割による通信の概念図

さに分け、それぞれの空間にIDを付ける。その単位で通信を行うことにより、位置計測と通信を同 時に行うことが可能となり、デバイスの数に依存しない通信環境を実現できる。

以上のような、端末が多数ある人のインターフェースシステムについて、人の出入りが常に行われ ている状況において、端末と基地局との通信路確保に関し光通信を用い、情報分割多重化の手法とし て、空間分割多重化に着目した、その有用性を検討する。

その概念説明の一例として、図1.1のような携帯電話による通話を例を述べる。この図は交差点の 向かい合った場所に携帯電話を持った二人の人が立っている状況を示している。この二人が会話を行 うためには、従来なら電話番号という相手のデバイス固有のIDを指定して、会話をおこなっていた。

しかし、この手法では電話番号が分からない場合に会話を行うことができなかった。

ここでもし、交差点という空間を分割し複数のIDを準備し「交差点の向こう側」を意味するIDが 存在する状態を仮定すると、相手の携帯電話を「交差点の向こう側に存在する携帯電話」というアド レスで呼び出すことが可能となる。このことにより、従来は難しかった空間に対する呼び出しが可能 となる。また、それぞれの空間に対し、直接通信を行うことが可能なシステムを実現すれば、端末の 数の増加に対して安定した通信を行うシステムとなり得る。

次に用語定義を行う。

プロジェクタ 空間分割多重化により、情報を指向性をもって投影可能な投影用通信の基地局装置と 定義する。

市販プロジェクタ 映像用プロジェクタは市販プロジェクタと呼称する。

デバイス コンピュータと通信回線及び表示装置を内蔵した小型可搬装置を指し、人の要求に対して、

人の興味に合わせた音声、動画像情報を伝達することを目的としている。デバイスの特徴とし ては単体では内蔵している情報量や更新頻度に制限があるが、外部との通信を行うことにより、

情報の更新や、自分の存在する場所の取得、などを行い、ユーザーが必要としている情報を提 示するシステムとする。

マーカ プロジェクタに対応して、プロジェクタからの信号を受信するデバイスをマーカと呼ぶ。マー カは光ることも、受光部がついているデバイスも両方含むものとする。つまり、プロジェクタ に対して、1対Nとなる関係のデバイスを全てマーカと呼ぶ。

情報投影の指向性 この表記は情報の投影範囲を示す。情報投影の指向性が1次元、2次元という表記 を行う。投影装置から水平方向に広がりを持ち同じ情報であり、垂直方向には異なる情報を投 影する場合を、1次元情報投影とする。例えば、「市販プロジェクタで短冊状パターン映像を投 影した場合、水平方向に1次元情報投影を行なっている」と説明可能。

一方、水平垂直共に異なる情報を投影する場合を2次元情報投影と呼ぶ。「市販プロジェクタは 静止画情報を2次元情報投影可能である」という説明が可能。

分割ピクセル寸法 情報投影における情報を送ることが可能な最小範囲。プロジェクタによる情報投 影では実際には投影角度が重要であるが、投影した空間における寸法とする。

1.1 現在までの研究と本研究の位置づけ

本研究が目指す「人とデバイスとのインターフェース」という観点から現在までの研究についてま とめる。

すでに、本研究において目指すシステムとして、博物館におけるナビゲーションシステムについて 概要を述べている。このような環境においては、有線システムの使用が難しいことは明らかである。

次に、このようなシステムとして、通信を用いないハンドヘルド型デバイスを用いたものが実際に使 われている。展示の順序に沿って音声のガイダンスを出力し、スキップ、ストップなどの機能を持っ ている。このシステムでは必要な情報は得られるものの、操作を覚える必要性、情報表示の制限から、

展示順序や鑑賞時間が決められる、といった制限が生じてしまう。

この制限を解消するために、場所に合わせた情報を提示する研究が行われてきている。

すでに実用化しているシステムとしては、ハンドヘルド型デバイスにRFID[3]を組み合わせること で、展示物の近辺のIDを読み取ることで、その場所に合わせた情報を提示する手法が挙げられる。

このシステムでは内蔵している情報が限られていること、IDの読み取りを行うために能動的に行動 する必要があるなどの制限が挙げられる。他には、特定の方向に赤外線により音声情報を投影するこ とで、赤外線を受光するデバイスを向けることで音声の案内を行うシステム[4]なども実用化されて いる。

このような制限をより解消した研究としては、CoBIT[5]が挙げられる。このシステムは博物館な どにおける場所に応じた情報を投影、取得する光インターフェースとして研究開発されている。本シ ステムの構成としては、展示物単位に送信ユニットを複数準備し、体験者はデバイスを持ち歩きなが ら博物館内を移動する。使い方としては送信ユニットから案内音声を赤外線信号を使って投影し、赤 外線受信機の装着者が投影した領域に近づくと、聴覚情報が聞こえてくるというものである。CoBIT の特徴として受信機は無電池の赤外線受信装置を用いるため安価にシステムを構成可能であることが あげられる。

しかし、赤外線信号の到達範囲が比較的近距離に限定されると共に、細かい位置によって投影情報 を変化させるためには、ビデオカメラ等を用いた位置の検出機構[6]が必要である。

他にも、展示物に近づくと天井から下に向けて投影する赤外線のIDに反応してディスプレイと音 声等を組み合わせた案内を行うユビキタスゲーミング[7]などが存在する。

一方、RFタグと光による情報投影技術を組み合わせた研究として、RFIG [8]が挙げられる。この

がプロジェクタからの光情報を取得、無線を使用してバイナリパターンの受信情報をプロジェクタ側 に伝えることで、無線だけでは判断できないタグの詳細位置を計測可能な仕組みになっている。この 研究は、上記のシステムと比較した場合位置分解能が高いことが特徴である。

このようなシステムと比較すると、本研究で目指すインターフェースは以下のような点が異なると 考えられる。個々の端末から表示する情報としてインタラクティブにリアルタイムな動画像情報を想 定する。このようなリアルタイムに動画像を通信しながら案内を行うシステムはまだ実現していない。

また、人とのインターフェースを実現する上では一定の精度でデバイスの位置を計測することも必 要となる。そのような環境においては、展示品に対して一つの説明だけではなく、１つの展示物の中 の複数の部分に対して説明を与えるといった、新しい使い方が考えられる。

リアルタイム通信に関しては、ビデオ映像を提示するシステムにおいては、全てのデータをデバイ スに内蔵する手法も考えられるが、記憶装置の容量や情報の更新時の処理等を考慮すると、サーバを 準備しデバイスとの間を何らかのネットワークで接続する手法が実用化が容易であると考えられる。

多数の端末と無線により通信を行うことを想定すると、位置に応じた情報通信、位置情報取得技術の 2点が必要となる。

筆者の研究においては、展示物の一部分程度、1[m]の数分の一程度の分割ピクセル寸法を持ち、そ れぞれの空間分割多重化されたエリアに動画像信号を送ることを想定している。そのため、本研究に おいては、分割ピクセル寸法が1[m]程度以下の分野について高い伝送帯域を持った投影手法につい て分類し、説明する。

情報投影手法の選択

本手法を実現するために複数の動画像情報を同時に送る手法として無線で伝送することを考える と、まず電波を用いた手法が考えられる。

• 複数の通信路を用意する手法として周波数分割があるが、必要な周波数帯が増加してしまい、

無免許で使用できる範囲では限られた周波数でしか使用できないことが問題となる。

• ^{電波においては}CDMAによる分割手法を用いることも可能であるが、受信電力を同一レベル に合わせる必要性、受信回路が大規模になるという問題があり、小型のデバイスには不向きで ある。

• 空間分割多重による通信も考えられるが、一般的に使われる周波数では波長が長く、大まかに 特定の方向に投影することしか実現できず、どの範囲に投影されたか、認識されにくい。

このように電波を用いた通信には各種の問題があるが、これらの問題に対して波長が短い可視光・

赤外光を使ったシステムは以下のような特徴がある。

• 光は電波と比較すると回折がほとんど無く進むことから、障害物があると通信がとぎれるが、

逆に特定の方向に投影が可能であり、可視光であれば投影光が直接認識可能である。

• 光を用いた場合、空間分割多重化が精度良く実現可能であり、分割ピクセル単位に異なる動画 像情報や、位置情報を投影することも容易である。

Pr oj ect i on Space Pr oj ect or 1

Project or 2

Projectorn

Devi ce

図 1.2: 光による空間分割多重化情報提示概念図

図 1.3: カメラによる位置計測

以上のことをふまえて、博物館などにおいて、展示物の部分単位の精度で位置情報を取得し、それ ぞれに対応した動画像の説明を行うことが可能な情報量を投影可能な、光による空間分割多重化によ る情報提示手法について述べる。その概要は図1.2に示すような複数のプロジェクタと投影空間、そ れに情報を受け取るデバイスから構成されており、プロジェクタからパターンを投影することにより 位置情報を、そのパターンのピクセル毎に情報を重畳することにより投影されるピクセル毎に異なる 情報を投影可能である。

このような光で情報を投影するシステムとして、実は市販の映像用プロジェクタがある。このコン セプトは筆者らが再帰性反射通信に関する研究[16] で提案した、ビデオカメラとプロジェクタとい うものは、双対の関係にある、ということから説明可能である。つまり、ビデオカメラを画像を映像 情報に変換する装置と考えると、プロジェクタは映像情報を画像に変換する装置と考えることが可能 ということである。

実際の使用例について説明すると、テレビ映像撮影装置として発展してきたビデオカメラが、画像 処理システムでは図1.3のようにマシンビジョンのセンサーとして使われてきた。プロジェクタにお いても同様にマシンビジョンと同様に応用することで、人に対して映像投影するだけにとどまらず、

図1.4で示すようにデバイスに対して情報を投影することが考えられている。以上のことから、プロ ジェクタを情報投影装置と説明可能である。次にそれぞれの情報投影装置の伝送帯域について検討を おこなう。

FGXKEG

2TQLGEVQT

図1.4: プロジェクタを用いた位置計測

まず、市販プロジェクタにおけるビデオ信号を投影する場合のフレームレートは約60[Hz]である。

60[Hz]のフレームレートにおける変調可能な情報量は、最高でも一画素あたり60[symbols⁻¹]以下と なるため、1画素毎に異なる音声やビデオ信号を伝送するには不十分である。そこで、より高速に変 調できるDMD（Digital Micro-mirror Device）を利用したDLPプロジェクタ[51]に着目した。市販 のDLP(Digital Light Processing)プロジェクタは60[Hz]〜200[Hz]程度のフレームレートで画像を更 新するが、[11]によるとDLP内部の変調素子であるDMD（Digital Mirror Device）を直接制御可能 な機器も販売されており、外部から直接DMD素子を制御することで、1秒辺り1万回程度のOn/Off が可能である。

このDMDを用いた研究としては、東京大学の北村らのDMDを用いた空間分割型可視光通信の基 礎検討[49]等の研究が行われている。この研究は投影映像に文字などの静的な情報を付加するという 方向性を持っていると考えられる。

しかしながらDMDの伝送帯域を使った場合を検討してもビデオ信号を投影するには不十分であ る。そこで次にLEDを使ったシステムを検討した。

LEDは以下のような特徴を持つ素子である。値段が安価で、明るく、高速変調が可能な素子であ る。これを複数使用しアレイ状に組み合わせることで、LEDを光源として各画素単位で異なった情 報を伝送可能なプロジェクタとして利用できないかと考えた。変調可能な周波数は100[MHz]以上で あることから各画素単位の伝送帯域は動画を送るという目標は十分達成可能である。そのため、本研 究ではLEDを用いた情報投影技術についての研究を取り上げることとする。

これらのシステムにおける、投影できる画素数と伝送帯域については図1.5に示すような関係があ ると考えられる。このグラフは情報投影という観点から見たプロジェクタの分類であるが、市販プロ ジェクタやDMD制御によるプロジェクタでは実現できない、高いフレームレートをLEDを用いた プロジェクタで実現可能であることを示している。

1.2 _{本研究での提案内容}

人とのインターフェースを行う機器を想定した場合必要な、指向性のある情報投影技術の実現、そ の具体的な応用を示す。

博物館などにおける入館者などに対して展示物のガイドを行うことが可能なデバイスの実現を想定 し、光通信による動画像情報投影システムの実現を目指す。この目的のために、LEDを用いた音声 投影プロジェクタの設計実装、LEDによる詳細な位置情報取得装置の設計実装、を行い、システム の実現に必要な条件を検討する。具体的な目標は以下の通りである。取得できる位置情報の分割ピク

セル寸法10[mm]、伝送帯域15[MHz]を持ち、異なる動画像情報を空間の平面に対し数十[cm]単位の

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図1.5: フレームレートと画素数の関係

表1.1: 本研究で扱う情報伝達手段と分割ピクセル寸法

投影距離 分割ピクセル寸法 使用波長 伝送帯域 指向性情報通信型装置 20[m] 1[m] 940[µm] 3[MHz]

1次元情報投影プロジェクタ 5[m] 1[cm] 940[µm] 455[kHz]

2次元情報投影プロジェクタ 2[m] 0.25[m] 530[µm] 15[MHz]

空間分割ピクセル寸法で同時投影可能なシステムの実現である。このようなプロジェクタを設計し、

展示物に対するライトのように離れた場所から投影することによって、複数との端末へ同時に異なる 動画像情報提示、端末の空間位置の取得が可能なシステムの実現を目指す。

検証手法について

実際に空間分割多重化するプロジェクタを試作し、現在の一般的な技術においても、有用なシステ ムが実現可能であることを示す。

しかしながら、現在の所全てを満たすシステムは実現していない。そのため、以下のような表1.1 の3種類のシステムを実装することで、上記の検証をおこなった。

このテーマはそれぞれ以下の点を検証を行うこととする。

1. 空間分割多重化により特定の場所に向けて情報投影を行う場合の問題点や到達距離に関する制 限について検証をおこなう。

2. 1次元情報投影により、位置情報を空間に投影し、分解能に関する制限についての検証する。

3. 2次元情報投影により、各画素から動映像市販プロジェクタと同様のシステムを実装すること で、隣接画素とのクロストークと実際に動画像情報が複数投影可能であることを検証する。

1.3 本論文の構成

第2章では、空間分割多重の特性を生かした情報投影技術について述べる。主に人の周囲の環境 に、空間位置に依存した情報を投影する手法について提案を行う。第3章では、特定の方向だけに情 報を送るプロジェクタを用いた通信機を用いて、情報を投影することと情報の受信を選択する方法と して、方向や場所の違いを用いるというシステムを実際に試作し、特性を述べる。

第4章では1次元の方向に情報が広がるプロジェクタを用いた、座標計測手法について述べる。こ れは複数のLEDの前にフィルムマスクを置き、特定の方向のみ光を発生するというプロジェクタを 準備し、LEDを高速に切り替えることで、空間に座標情報を高速に投影し続けるプロジェクタと、光 受光部を一つだけ持つデバイスに置いて、受信信号を座標情報として解読することにより、複数のデ バイスの座標を高速に取得可能なシステムについて述べる。また、本手法によるプロジェクタを簡単、

小型に実現する手法として、シングルトラックグレイコードを用いた設計について述べる。巡回型グ レイコードを用いることで、マスク自体を切り替えるのではなく、空間パターンの位相を切り替えて 投影可能となり、マスクを1種類だけにとどめることができる。

第5章では2次元の方向に情報が広がるプロジェクタを用いたヒューマンインターフェースシステ ムについて述べる。このシステムは可視光LEDを並べたプロジェクタにより、人に対しては視覚情 報を投影すると同時に各画素について異なった情報を流すことが可能である。広い伝送帯域の投影 例として輝度信号と動画像情報を複数重畳し、ヒューマンインターフェースに必要な人の周りに必要 な情報を統一的に投影可能なプロジェクタとして用いる手法について述べる。また、その使用例とし て、光線自身が持つ情報に着目し、通ってきた経路の情報を取得する手法について述べる。一般的に 光による情報投影は物体に遮蔽されることにより、情報自体も遮られてしまうという特性をもつ。こ れは欠点となることも多いが、この遮蔽を検出することにより光の経路情報を取得することも可能で あり、本研究ではその有用性を示す。

第6章では結論として、本研究で得られた成果をまとめ、今後の展望について述べる。

第 2 章 空間分割多重情報通信技術

本章では空間分割多重の特性を生かした情報投影技術について述べる。情報を多重化する手法につ いて概説後、空間分割多重化について述べる。また、実際にシステムを実現する上で使用可能な伝送 手段として電波による無線と光通信を取り上げ、光による空間分割多重のメリットを述べる。最後に LEDアレイを用いて空間分割多重化による情報投影プロジェクタを統一的に扱うために、その構造 から光源部、拡散部と分ける手法を示す。これにより、次章以降で扱うプロジェクタの分類を行うこ とができる。

2.1 情報多重化手法

近距離の情報通信をワイヤレスで行う場合には、電磁波を用いた通信が一般的である。しかしなが ら、近接した多数のデバイスと通信を行うためには、伝送路を広帯域にする必要がある。一般的に伝 送帯域は以下の手法を用いて広域化可能である。

• 周波数分割多重

• ^{時分割多重}

• ^{コード分割多重}

• ^{空間分割多重}

周波数分割多重とは異なる周波数による搬送波を用いた多重化であり、テレビ放送などで実用化さ れている。時分割多重とは同一周波数を複数の装置で共有し一定周期で順次使用する仕組みであり、

携帯電話などで実用化されれている手法である。また、コード分割多重については、同一周波数を複 数の複数の装置で共有し、但し通常の情報の変調に加えて、特定のコードでもう一度変調すること で他のコードを用いた信号との干渉を低下させる手法である。すでにCDMAと呼ばれる携帯電話や GPSシステムにおいて実用化されている。空間分割多重化とは、指向性を持つアンテナを用いて、電 磁波の送受信方向を制限することで同一周波数を複数の機器で共有可能となる。電磁波を使用した場 合、波長より十分長い領域で指向性を利用したシステムが実現可能である。しかしながらその波長に 比べて十分大きなアンテナが必要になる。例えば、無線LANを用いた場合には波長は0.1[m]程とな り、本研究で目標とする分割ピクセル寸法での使用は難しい。また、屋内環境で指向性を制御するこ とは、壁面からの反射の問題もあり、目標とする指向性を実際の環境で制御するのは難しいと考えら れる。

次に、より周波数の高い電磁波である光通信における情報多重化手法についても上記と同様に分類 が可能である。周波数分割等を用いるためには、異なる周波数を分離するために、光の状態のまま分

離するフィルタやアンプが欠かせない。また、時分割多重のためには高速の変調素子が必要となる。

空間分割多重については、無線LAN等に用いられる電磁波に比較し、可視光、近赤外光では波長が 短いために回折の影響が小さくなる。そのため本研究で目標とするサイズで、空間分割多重化が容易 である。例えば、可視光を用いた場合には、本研究で目標とする分割ピクセル寸法で投影範囲をコン トロールできることが可能となる。また、空間分割多重のもう一つの利点として、通信対象が増えた 場合に対象の物体の位置に応じて通信対象が限られるということから、通信開始時の処理が簡単に なる、ということが挙げることができる。無線通信などで、非常に多くの対象デバイスが存在する場 合、相手を特定し、安定した接続を行うまでの手順が非常に複雑である。一方、本手法による空間分 割多重化を行った場合、相手の特定は非常に簡単な手順で特定でき、システムも簡単に構成できると 考えられる。

このような屋内環境で多数のデバイスと空間分割多重化により情報通信を行う手法として、光を用 いた通信について議論を行う。但し、空間分割多重化により全ての空間に対して稠密な情報投影とい う手法については未だ実現できていないために、以下の2点について注目した。

• 空間分割を行う一区画のサイズ（以後分割ピクセル寸法と呼ぶ）の小型化

• 投影可能な情報量の増加

情報量の単位としては、伝送に使われる帯域幅[Hz]を伝送帯域の目安とする。

2.1.1 空間分割多重化

基本的な空間分割の考え方として、複数の機器を使うために、到達距離を制限することで、一つの 空間を小さく区切って使うという手法が考えられる。その小さな区画に、情報投影装置と情報を受信 するデバイスを配置する。このように考え、通信手段とその到達距離についてまとめてみる。

光空間通信についての研究については、すでに屋内向けの数[m]範囲のタイプから屋外向けの1対 1ではあるが、到達距離が数[km]に及ぶ製品が製造、販売されている[9]。他に光源にLEDを用い た交通信号機から高周波のパルス性の情報信号を重畳し、周囲に投影する可視光通信システムの研究 [10]などが行われている。この研究では最大100[m]程度の分割ピクセル寸法に情報を投影している。

次に、屋内において、電灯にパルス性の情報信号を重畳することで、部屋に情報を投影する研究[11]

も行われている。このような環境においては、10[m]程度の分割ピクセル寸法に情報を投影している ことになる。より短い距離の分割ピクセル寸法1[m]程度においては、多数の研究が活発に行われて いる。例えばIrDA [12]によるデバイス間の通信用システムがすでに実用化されている。このように １対１で情報を伝送することが可能なシステムはすでに実用化されている。しかしながら、この手法 を用いた場合には、分割ピクセル寸法を小さくするためには、多くの基地局が必要となること、複数 のデバイスを扱うと、伝送帯域が有効利用することが難しいことが挙げられる。

また、無線によるシステムの実現を行うWiFi無線LANシステム[14]が挙げられる。分割ピクセ ル寸法としては100[m]程度である。より小さい範囲に区切る通信としてBluetooth [15]による通信 が考えられる。分割ピクセル寸法が1〜10[m]程度である。電波を用いた場合にはこれ以下の細かい 分割ピクセル寸法の通信はこの周波数帯においては行われていない。

上記の上伝達手段と分割ピクセル寸法、情報の伝送帯域幅を表2.1のようにまとめる。

表2.1: 情報伝達手段と分割ピクセル寸法 伝送距離 伝送帯域 ビル間光通信 1.0[km] 100[MHz]

可視光信号通信 100[m] 10[MHz]

Bluetooth 10[m] 1[MHz]

IrDA 1.0[m] 16[MHz]

この表から分かることは、投影範囲が1[m]より小さい範囲で、非常に多くのデバイス存在する場 合に対応した情報投影手法についてあまり存在していないことが分かる。

2.1.2 光通信による投影可能な情報量

次に電波と光の投影可能な情報量を比較検討する。

近距離で多数のデバイスを無免許で使用することを想定すると、市販のシステムとしては、WiFi による無線LANかBluetoothを用いた手法が一般的である。この中でも、狭い範囲で複数のシステ ムを共存させて使う場合にはBluetoothが好まれる。無線LANについては、出力が大きく広範囲に 電波が広がるため、一カ所に多数設置することが困難であるためである。

そこで今回のように単位空間あたりの通信容量を比較する。Bluetoothによる無線システムと光の プロジェクタについて、一点から投影可能な情報量を比較する。

Bluetooth SIG[15]によると、物理的通信路は79[channel]で、同時、同一箇所で利用可能なのは約 15[channel]である。1[channel]の通信速度は最大3[Mbps]であるため、合計通信容量は

C_b = 45[Mbps]

となる。

一方、映像投影用のプロジェクタ（例えば画素数pixel = 1,024×768）が投影可能な情報量は 786[kpixel]×60[bps] = 47,186[kbps]となり

C_d= 0.05[Gbps]

と表せる。また、DMD素子においては、786[kpixel]×10[kbps] = 7,860[Mbps] 通信容量 C_p= 7.9[Gbps]

となる。最後に、筆者が提案するLEDプロジェクタについては、15[Mbps]×20[pixel] = 300[Mbps]

であり、

C_l= 0.3[Gbps]

と表せる。上記の数値を比較すると、映像投影用プロジェクタとBluetoothとほぼ同一、また高速 DMD素子C_pにおいてはC_p > C_l> C_d> C_bであり、近距離に1点から情報を投影する場合、光に 利点が有ることが明白である。そのため、以後の章では光を用いた情報投影についてのみ述べる。

2.2 光による空間分割多重情報投影

前節より、場所による空間分割法による限界と、投影可能な情報量にも制限を回避するために、特 定の一点から情報を広く投影可能な光による空間分割多重情報投影技術について述べる。

また、情報を空間分割多重化手法を用いて、単位空間あたりの通信容量を最大化するために、LED アレイなどを用いた情報投影プロジェクタについてついて説明を行う。

2.2.1 LED式の空間分割多重情報投影の特徴

まず、本コンセプトの概念は図2.1に示す。このシステムでは、複数の光源（LEDアレイ）、投影 用レンズ、それから空間に投影した情報を受信するデバイスから構成されている。

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図2.1: 情報投影プロジェクタ概念図

このように、プロジェクタの光源が複数のユニットから構成されていることから、各画素について 異なる情報により明滅可能なことがメリットとなる。各LEDに高速変調を行うことにより、各画素 単位にビデオ信号などを投影することも可能となる。

このシステムの基本形としては、市販プロジェクタを使い、基本的な空間分割多重化を行った実験 については筆者の過去の報告[16]で述べている。しかしこの報告では非常に低い情報量の伝送手法を 実現しているに過ぎない。一方、本提案では同様のコンセプトであるが、2次元情報投影プロジェク タを使うことで、分割ピクセル単位に異なる動画像情報を投影可能な、プロジェクタのプロトタイプ を実現する。また、平均輝度を制御することにより、人に対しては輝度情報を2次元情報投影するこ とも可能である。

このシステムを使うことで、多数の機器が人の周囲に存在する状況において、多数のデバイスと同 時に通信を行うことができる。また、通信容量の増加という観点から考えると、周波数分割多重、時 間分割多重に加えて、電磁波の波長では難しい数[m]程度の空間における空間分割多重化による通信 容量の増加を期待できる。今回試作した可視光LEDによる情報投影システムにおいては、複数のビ デオ信号を送信し、デバイスの受信位置に合わせて、異なるビデオ信号を受信できることを確認し、

実際のアプリケーションを作り基本的な動作を確認した。

2.2.2 情報投影プロジェクタの分類

また、指向性をもつ情報投影については、いくつかの状況が考えられる。

特に人とのインターフェースとして用いる場合には、プロジェクタの設置場所と人が移動できる範 囲との関係が重要である。

相手が1箇所だけであれば、1対1の情報投影で済む場合も考えられる。それに対し、一軸上の移 動に対して異なる情報を投影したい場合には、1次元情報投影手法が有効である。また、平面的に移 動する対象に対して、異なる情報を投影する場合には2次元情報投影手法が有効である。このように 考えると情報投影プロジェクタの機能を投影する範囲や、その光源の種類によって分類することによ り、本研究で述べる情報投影プロジェクタを統一的に扱うことができると考えられる。

統一的に扱うためにプロジェクタは以下の２つに分解し定義することができる。

• a)投影関数（光源の位置とその輝度が入力）

• b)ピクセル単位で高速時系列データを送信可能な光源

上記のように分解することで、光分解能が必要な範囲、高速に情報を投影する必要があるのか、など の条件を明確に分離できる。

まず、一例として、市販プロジェクタをこの関数で記述してみる。本事例では、全ての画素が異な る点光源から構成されている空間分割多重情報投影装置と考える。まず、本システムの座標系はプロ ジェクタから投影したスクリーン上の２次元へ射影した点で表し、その点を(x, y)と記述する。他に 必要なパラメータを以下のように示す。

S(k) : 光源の情報

(h(k), v(k)) : 光源のプロジェクタ座標系での位置

P(x, y) : プロジェクタ座標系での点の輝度情報

f(x, y) : 光源の形状

n : 光源数

以上のようにプロジェクタの要素を表した場合、に本手法のLEDによる情報投影プロジェクタは 以下のように表現できる。

P(x, y) =

∑n k=1

f(x−h(k), y−v(k))S(k) (2.1)

例えば、懐中電灯のようなシステムでスクリーンに投影した環境においては光源をS(1)のみとすれば、

P(x, y) =S(1) (2.2)

と表すことが可能である。

次に市販プロジェクタのモデルを式(2.1)を用いて表す。

g(x, y) : 入力画像の(x, y)座標の輝度情報を示す

Gray(k) : 時系列としてkのグレイコードデータ

int(x) : xにもっとも近い整数値を与える関数

X Y

Opt i c axi s

図2.2: 指向性光情報プロジェクタ

X Y

Opt i c axi s

図2.3: 1次元光情報プロジェクタ

f(x, y) =





1 (−0.5< x <0.5かつ−0.5< y <0.5のとき)

0 (上記以外のとき) (2.3)

P(x, y) =f(x−int(x), y−int(y))g(x, y) (2.4)

このように表記が可能となる。本表記法を用いて、本論文に示されるプロジェクタを以下のように分 類する。

まず第3章で示す、単一の情報を投影するタイプで、図2.2の指向性光情報通信を用いた会話シス テム(S(1)：音声信号）

P(x, y) =f(0,0)S(1)

第4章で示す、図2.3の１次元情報投影システム(x:0..255,y:0..255) P(x, y) =f(x,0)Gray(x) P(x, y) =f(0, y)Gray(y)

第5章で示す、2.4の2次元情報投影システム(x:0..4,y:0..3,n=20) (S(k),h(k),v(k)は別に決定され るものとする)

P(x, y) =

∑n k=1

f(x−h(k), y−v(k))S(k)

Y

Opt i c axi s

Y

X

図2.4: 2次元光情報プロジェクタ 表2.2: 機能比較表

機能 理論限界 実装的限界伝送領域：分

割領域：到達距離 実装制限の理由 単一指向性音

声通信 音声投影 3[MHz]：1領域：15[m]

LED の光出力に より，距離が制限 される．

1 次元情報プ

ロジェクタ 位置情報投影

1[bit] マスク辺り 1 回発光位置データ一 式で 10回の発光が 必要

1[kHz]：256領域：5[m]

受光素子のフィル タ特性により，遅 れが生じる．

1次元STGC

プロジェクタ 位置情報投影 1bitマスク辺り1回

発光 100[Hz]：126領域：1[m]

受光素子の AGC などが影響して，

不安定になる．

2 次元情報プ

ロジェクタ 動画像情報投影 1画素あたり１情報 15[MHz]：4×5領域：3[m]

LED の寸法によ り，小型化の限界 あり．

と表記が可能である。

このように表記することにより、本論文で取り上げる情報投影プロジェクタを統一的に扱うことが 可能となる。また、次章以降で取り上げるプロジェクタの特徴を比較した表を表2.2にまとめる。こ の表は、各プロジェクタがどのような情報を、どの範囲に投影しているかという点と、通信速度の理 論的限界、実装的限界を示している。

2.3 _まとめ

本章では空間分割多重を生かした情報投影として移動体通信に使われている電波と可視光、近赤外 線による光を比較し、分割ピクセル寸法が小さい範囲では光が有用であることを示した。

また、人に対して投影を行う場合の指向性の分類を行った。1対1、1次元情報投影、2次元情報投 影というシステムについて光源情報を特定の関数で変換して、プロジェクタ座標系に投影するものと し、統一した式で示した。

第 3 章 指向性光情報通信を用いた会話システム

本章では空間分割多重における情報投影という部分に着目し、特定の方向だけに情報を送るプロ ジェクタによる設計と実装について述べる。本システムは、空間を分割した分割ピクセルが１つであ るという特別の場合に情報を投影する装置である。屋内で用いるには十分な10[m]程度の距離につい て、1[m]程度の分割ピクセルサイズで空間分割多重化を行い、通信に必要な性能を得られるか検討 した。

性能を検討するために一つのアプリケーションとして、離れた人とコミュニケーションをとる通信 装置として使用した例について述べる。

人間は視覚・聴覚という，遠距離感覚器が発達しており，対人・対物との距離を様々な方法で知覚 し，距離に応じて認知・行動の様式を変化させている．文化人類学者Edward T. Hallはこの距離に よる認知・行動様式の変化を「Proxemics（プロクセミックス， 知覚文化距離 [18]）」という造語で 表した[19]．本研究では，特に人間同士のコミュニケーションにおけるプロクセミックスに着目し，

新たなコミュニケーションインタフェースの提案を行う（図3.1）．

人間のコミュニケーションの質は対人距離によって著しく変化するが、特に、知覚レベルの変化は 大きなものである。コミュニケーションに大きな役割を果たす視聴覚に着目して対人距離を分類する と、[19]より引用すると表3.1のように大きく3つに分けられる。第一に、1〜2[m]以内の距離（ 接 触距離 と記す）では、手の届く範囲で、お互いの顔をつきあわせてコミュニケーションが行われ、

相手の姿・声ともに生々しく知覚可能であり、非常に高い臨場感がある。第二に、5[m]から十数[m]

程度の距離（ 見通し距離 ）では、相手の姿は見えるが、声は、はっきりと聞こえない。大声をあ げる、ジェスチャを交える等によって意思を伝えることはできるが、コミュニケーションの精度、臨 場感は大きく落ちてしまう。第三に、数十[m]以上の距離（ 遠隔距離 ）では、お互いの姿・声と もに知覚することができず、何らかの道具を介することなくコミュニケーションを成立させることは できない。この距離の分類の中で、遠隔距離でのコミュニケーションについては、電話やテレビ電話 をはじめ、これまでも多くの研究がなされ、コミュニケーションの精度、臨場感の改善の取り組みが なされている。一方、交差点の向こうにいる友人に声を掛けたり、レストランでウェイターを呼ぶ時 のような、見通し距離のコミュニケーションに関する研究は数少ない。

そこで、本研究では、見通し距離におけるコミュニケーションの質を向上させるウェアラブルイン タフェースの提案を行う。

図3.1: 提案するインタフェース概要 表3.1: 対人距離と視聴覚、臨場感の変化

距離 視覚 聴覚 臨場感 接触距離 〜1,2[m] ◎ ◎ ◎ 見通し距離 5[m]〜十数[m] △ × △ 遠隔距離 数十[m]以上 × × ×

3.1 見通し距離会話システム

3.1.1 提案手法

提案するインタフェースの構造を図3.2(a)に示す。図3.2(a)にあるように、インタフェースはヘッ ドフォン、マイクロフォン、赤外線送信部、2つの赤外線受信部、小型振動子によって構成され、聴覚 情報の伝達は、赤外線通信によって行われる。装着者の発話はマイクロフォンで電気信号に変換され て、赤外線送信部からインタフェース前方に発信される。インタフェースの受信システムは2つの赤 外線受信部を有している。1つは全方向からの赤外線を受信するもので、もう1つはインタフェース前 方に方向選択性を持ったものである。全方向受信部が信号を受信した時、つまり、他のインタフェー ス装着者がその人の方向を見て話しかけた時には、受信された赤外線信号は小型振動子を振るわせ、

着信を知らせる。さらに、方向選択性受信部にも信号が受信された場合、つまり、インタフェース装 着者同士が向かい合い、かつ、一方が話しかけた場合、方向選択性受信部の信号は音声に復調され、

ヘッドフォンを通して装着者に提示される。

本インタフェースの装着者同士は、お互い直接声が届かない距離にいても、自分がコミュニケーショ ンをとりたい相手の方向を向き、話しかけることで、相手に呼びかけることができる（図3.1(a)）。お 互いが向かい合っていない場合、呼びかけられた側は、着信振動から呼びかけに気付き、発信者を探 す。そして、お互い向かい合うことで会話を開始する（図3.1(b)）。本インターフェースの装着者は、

見通し距離にいても、「向かい合って声を掛ける」という接触距離でのプロトコルで、会話を行うこ

Directional IR Receiver IR Transmitter

Microphone

Omni-directional IR Receiver

8KDTCVQT

(a) (b)

Directional IR Receiver IR Transmitter

Headphone

Microphone Omni-directional IR Receiver

8KDTCVQT

図3.2: 試作システムの概念図(a)と実装例(b) とができる。

3.1.2 現状の通信システムとの比較

本インタフェース以外の方法で、見通し距離のコミュニケーションの質を向上させる方法として は、ジェスチャで視覚情報を増大させる方法や、トランシーバや携帯電話を使用して聴覚情報を送信 する方法が考えられる。本インターフェースと同じく聴覚情報を送信するトランシーバ、携帯電話を 表3.2のように比較した。

まず、通話相手の選択について考えると、トランシーバは全員に同じ情報が送信されるため、相手 を選択して会話することはできず、関係のない会話も聞こえてくる。携帯電話は、あらかじめ相手の 電話番号を知っていれば、選択的に発信することができる。また、受信側も通話ボタンを押さない限 り会話は開始されず、発信者・受信者に明確な選択が存在する。一方、提案するインタフェースでは、

お互いが相手の方向を向くという直感的な選択方式で、排他的な会話を行うことができる。ただし、

通話を続けるには相手の方向を向き続けなければならない、というデメリットもある。

次に、通話発信トリガについて考えると、トランシーバにおいては送話ボタンを、携帯電話におい ては電話番号を押す必要がある。そのため、会話をしようとする度にボタンを押す必要があり、見え る位置にいる相手であっても簡単に連絡が取れない場合がある。提案するインタフェースでは、声を 出して話しかけることが通話発信のトリガとなるので、前述の2つのシステムとは異なり、ハンズフ リーでコミュニケーションを行うことが可能である。

表3.2: 見通し距離における従来システムとの比較 相手の選択 通話発信トリガ トランシーバ × 送話ボタン

携帯電話 電話番号選択  

通話ボタン 電話番号を押す 本システム 相手の方向を向く 話しかける