拡張現実

拡張現実（AR）は、コンピューターを使用して現実世界とコンピューター生成データを組み合わせることに焦点を当てた研究分野です。 映画館の例は、映画「ターミネーター」のロボットの視点から撮影したショットです。 目のカメラから取得した画像に直接、データが観測対象に表示されます：「警察官、そのような体重、そのような高さ」。



現在、AR分野のほとんどの研究は、コンピューターグラフィックスによってデジタル処理され、「補完」されているライブビデオの使用に焦点を当てています。 特にスポーツ競技の放送中に、ビデオの上に関連する追加情報の表示を観察できます。 今日、F1ファンは画面上でリング上を移動するレースカーだけでなく、ライダー、チーム、最も重要なライバルの車に関する位置、さらにはエンジン回転数を反映するグラフに関する情報も画面に表示します。



より深刻な研究には、オブジェクトトラッキングの使用、マシンビジョンを使用した座標マークの認識、および任意の数のセンサーとパワードライブで構成される制御された環境の構築が含まれます。



当初、ARという用語は仮想現実に反して導入されました。合成された完全な情報環境にユーザーを没入させる代わりに、ARのタスクは、追加情報を処理する可能性で現実世界を補完することです。 他の研究者は、仮想現実を拡張現実の特殊なケースとして理解しています。 拡張現実自体は、媒介現実のより一般的な概念（med-R）の特殊なケースです。つまり、媒介現実によって、現実を意識的に補完または縮小し、そうでなければ修正することができます。



最初の拡張現実研究者は、1967年にシステムの実用的なプロトタイプを構築したIvan Sutherlandです。 彼はSamo of Damoclesステレオメガネを使用して3Dグラフィックスを表示しました。 それらの画像は、銀のコーティングが施された2つの半透明のガラス製ミニディスプレイに投影されました。 好奇心が強い名前は、このタイプの機器のクラスの名前であるヘッドマウントディスプレイとは対照的に、デバイスを天井に取り付ける方法に由来しています。 このシステムは、1968年にBell Helicopter Companyで実施されたプロジェクトで初めて使用されました。このプロジェクトでは、ステレオグラスがヘリコプターの下部にある赤外線カメラとペアリングされました。 カメラはパイロットの頭の動きによって制御されていました。 そのため、「拡張現実」という概念が生まれました。



現在の研究段階は1990年に始まりました。ボーイングの研究者は、航空機の組み立てと整備にヘッドマウントステレオディスプレイを使用し、実世界の画像にインタラクティブグラフィックスを重ねることを決定しました。



今日この分野で最も有名な研究者の一人は、HRL LaboratoriesのRonald Azumaです。 1997年、彼は大規模なレビュー記事「拡張現実の調査」を発表し、この技術コンセプトの実装に関連する問題と機会を初めて明確に概説しました。 1999年以来、IEEE、ACM、ユーログラフィックスの複合現実と拡張現実に関する国際シンポジウム（ISMAR）カンファレンスがその歴史をリードしてきました。 拡張現実を専門とする最も成功している有名な組織は、日本にあります-Mixed Reality Systems Lab-とドイツ-Arvikaコンソーシアム。



ロナルドT.アズマは、ARを次のようなシステムとして定義しています。

1. バーチャルとリアルの組み合わせ
2. リアルタイムで対話する
3. 3Dで動作

Hermann H. Benesは次のように書いています。「拡張現実は文脈に従って定義され、抽象的な記録とは見なされませんが、自然と生命の中に拡張現実のオブジェクトが存在するかのようです。 拡張現実とは、1人または複数の観察者が、通常コンピューターによって作成される仮想要素の助けを借りて視野を広げることができるツールです。 拡張現実がビジネス、教育、および社会に受け入れられるために、必要に応じて以下のルールを定義できます。

• 完全なリアルタイムの双方向性
• 正確で超高速の追跡
• 立体視
• スーパーポータビリティとワイヤレス
• 「完全な没入感」

ARに興味を持つほとんどの人は、相互作用が起こる場所の変化の方法の最も重要な特徴の1つを考慮します。 対話型システムでは、場所を正確に特定するだけでなく、環境を認識することも重要です。 相互作用は、画面から情報を読み取るだけでなく、周囲の空間やオブジェクトに溶け込んでいます。 さらに、情報システムの使用は意識的で思慮深い行為です。



個人用拡張現実システムの3つの主要コンポーネントは次のとおりです。

1. ウェアラブルコンピューター
2. 位置決め手段
3. 展示施設

パソコン



最近まで、実用的な実装の主な障害は、モバイルPCが3次元グラフィックスを計算できないことでした。 現在、焦点は適切な位置決めと表示方法の開発にシフトしています。



ポジショニング



すでに古典的なGPSナビゲーションシステムを使用しても、問題は解決しません。 結局のところ、現実を補完するという考えは、適切な場所で適切な情報を取得することです。 「古典的な」GPSセンサーは3〜30 mの最小誤差を与えます。ディスプレイ上の署名を実際のオブジェクトの画像と組み合わせる必要があるため、このような誤差はアイデアを無意味にします。 そして、都市ではGPSはしばしば無力です。



ビデオ情報の表示も同様に問題があります。 空間内の人の動きとその姿勢を考えると、3次元グラフィックスと実際のオブジェクトを組み合わせる必要があります。 モバイルディスプレイは、ウェアラブルコンピューターの弱点です。 安価で、高品質で、軽量でコンパクトなビデオグラスは、まだ希少です。



拡張現実の主なタスクは、空間内の実オブジェクトと仮想オブジェクトの合成であるため、周囲の空間に関するデータの予備的なデジタル化が必要です。 今日の小さな部屋の幾何学的空間特性の登録は、幅広い専門家の標準となっています。 オープンスペースに関しては、すべてがはるかに複雑になっています。仮想オブジェクトと実際のオブジェクトはどのように相互に配置されていますか。 ここでの作業は2つの方向で行われます。リアルタイムで「深度検知」を撮影することと、地形に関する予備情報を収集することです。



コンピューターオリエンテーリングの教え方 ジャイロスコープとコンパスの組み合わせにより良い結果が得られ、既知の景観要素の画像の認識を追加すると、ピクセルレベルの精度が向上します。 不一致は、人間の脳と視覚の特性だけのためにピクセルで測定され、仮想オブジェクトを実空間に配置するときにわずかなミスを検出できます。



ここでは、マーカーオブジェクトのフレーム内の動きを追跡することでカメラの軌道を復元することに取り組んでいる映画館の特殊効果の作成者でさえ開発することができます。



ただし、当面は、従来の方向付けアルゴリズムの実行の遅延でさえ問題が発生します。 これに追加されるのは、レンダリングエンジンの遅延です。 科学者は、平面内の動きや回転さえもシミュレートする事前にレンダリングされた仮想オブジェクトの歪みや変位など、さまざまな2次元手法で解決策を探すことを余儀なくされています。



HiBall位置追跡システムは、拡張現実技術の開発に大きなプラスの刺激的な影響を与えました。 これは、DARPAが資金を提供するプロジェクトの一環として、ノースカロライナ大学の従業員によって開発されました。 システムは事前に準備された密閉空間でしか動作できないという事実にもかかわらず、実験中に達成された精度と最小レイテンシは記録的な高さでした。 周波数1500 HzのHiBallは、0.2 mmから始まる直線変位および0.03°からの角度回転を記録します。















追跡対象物または人物に付属するセンサー自体は、6つのフォトダイオードと6つのレンズで構成されています。 各センサーはすべてのレンズから画像を受信し、合計36の独立したビューを提供します。 フォトダイオードは、吊り天井パネルのLEDマトリックスからの信号をキャプチャします。



このシステムの主な利点は、自動的に調整できることです。 実際、そうでなければ、パネルの設置は、正確な精度を必要とする退屈な手順になります。 HiBallの適応特性の有効性を証明するために、研究者は天井パネルの位置にエラーを明確に導入しました。 使用開始から10分後に、パネルの初期座標を受け取ったシステムは、新しい構成を決定することができました。



これをすべて実装するには、SCAAT（一度に1つの制約）アルゴリズムを使用できます。 その名前が示すように、アイデアは測定値が利用可能になったときに使用することです。 従来のシステムがすべての座標（x、y、z、t）を同時に取得しようとすると、SCAATは1つのサイクルでそのうちの1つのみを修正し、各反復で空間内のセンサーの推定位置のゾーンを決定する方程式の解にますます正確な制限を課します。 これによりレイテンシが最小限に抑えられ、十分に高い測定周波数で良好な精度が得られます。 「会社の秘密」は、カルマン数学フィルターの元のアプリケーションにあります。



科学者の努力の集大成は、システムの商業運用でした-3rdTech社はHiBall-3000 Trackerを販売しています。 カスタムセンサーデバイスのオプションの1つに3次元デジタイザーがあり、これを使用してボリュームオブジェクトをデジタル化できます。

残念ながら、HiBallの旅行者は適していません。 彼はGPSが必要です。 ただし、測定の精度は地形や地形の性質だけでなく、大気現象によっても影響を受けます。 そして、 ディファレンシャルGPSが助けになります。



地形上には、「ベース」GPSステーションが設置されており、既知の座標を持つ慎重に選択された基準点に配置されています。 ステーションのタスクは、既知の座標から現在利用可能なすべての衛星から予想される信号遅延を計算し、推定値と実際に取得した値の差を決定することです。 次に、各衛星の補正係数を含む衛星のリストが無線で表示されます（通常は300 kHzの周波数で）。 近くのモバイルセンサーは、リストを受け入れ、現時点で観測している衛星を分離し、信号の遅延時間の測定値を調整することしかできません。



GPS測位の開発における次のステップは、 コードフェーズGPSです。 従来のGPSセンサーは、コード同期を使用して衛星信号の時間遅延を決定します。 衛星は、コードの絶えず繰り返されるシーケンスを中継します。 信号を受信した受信機は、受信したシーケンスと一致するまでシーケンスを循環的にシフトし始めます。 コードの同期に必要なステップの数は、時間遅延の概念を示しています。 しかし、それは「アイデアを与えます」：シーケンス内の文字の頻度は制限され、測定の精度も同様です。



コードフェーズGPSセンサーはコードの同期で停止せず、シーケンスがデジタルレベルで一致した後、内部クロックの搬送波周波数と衛星信号の一致を達成し始めます。 GPS衛星の送信周波数は1.57 GHzであり、この値を距離の言語に変換すると、位相同期の最大測定精度は約3 mmです。



ディスプレイ



拡張現実システムとのユーザーインタラクションには、非標準のソリューションが必要です。 もちろん、普通のキーボードとマウスを廃棄する人はいませんが、テクノロジーのモバイル性を考えると、これらはビデオグラスにとって理想的なペアではありません。 実験装置では、研究者はほぼすべての情報入力技術を使用しようとしています。自由度6のマニピュレーター、音声認識、ジェスチャー認識です。 しかし、原則として、拡張現実と完全に対話するには、いくつかのデバイスを組み合わせる必要があります。



最も興味深いのは、「仮想インターフェイス」であり、そのシンプルさと独創性に顕著です。 スキー棒が剣に変わり、子供の車から引き裂かれたハンドルが飛行機の舵輪に変わるとき、すべては子供のゲームの間とまったく同じです。 たとえば、ある人が通常のボードを取り上げると、コンピューターはその上にキー、スイッチ、ディスプレイなどのコントロールを「描画」します。 このメソッドは、PIP（Personal Interaction Panel）で実装されています。









別の実験システムでは、ユーザーは実際の小さなヘラで仮想玩具のアパートの仮想家具を再配置します。 また、一部の最新のスロットマシンでは、特別なテニスラケットで仮想テニスをプレイできます。



Magic Bookコンセプトの優雅さを賞賛します。これは、ページがさまざまな仮想世界の「ポータル」として機能する本です。 アルバムをめくるユーザーが特定の世界に「入る」ことを決定すると、そのアバターはシステムの他のユーザーの本の対応するページに表示されます。









拡張現実のディスプレイ（HMDまたはHWD、頭部装着型ディスプレイ）は、光学的に透明（光学シースルー）とビデオ透過（ビデオシースルー）の2つの主なタイプに分けられます。 最初のものは、人が周囲の世界を見ることを可能にします-視聴者は生成された画像とその周囲の空間の両方を観察します。 ビデオ透明メガネは、外部ビデオカメラを使用して実際のオブジェクトの画像を生成します。



ビデオグラスに加えて、通常のフラットモバイルディスプレイとプロジェクションディスプレイも使用されました。 特に後者は、車両（車、飛行機）および固定システム（クレーン、プロセス制御パネルなど）での使用に適しています。 最後に、最も珍しいオプションは、世界のオブジェクトに画像を直接投影し、再帰反射反射層で覆います。 この場合、反射は厳密に光の入射線に沿って発生するため、異なる視点から1つの被写体を見ている複数の人々は、隣人の「情報」に気付きません。 再帰反射コーティングの助けを借りて、オブジェクトを透明にすることができます-そのためには、オブジェクトの背後にあるスペースを表面に表示する必要があります。



残念ながら、光学的に透明なディスプレイでは、実際のオブジェクトを常に除外/不明瞭にすることはできません。また、仮想世界と現実世界を正確に一致させることは非常に困難です。 また、ビデオ透過システムは、カメラの位置と人間の目（視差）の不一致に悩まされます。この写真は、世界を見るのに慣れている位置から非常に離れています。 さらに、3次元ディスプレイの永遠の問題、瞳孔の焦点と瞳孔間距離の明確な関係を解決する必要があります。 オブジェクトの遠隔性に応じて、これらのパラメーターは両方とも常に変化しますが、ボリュームオブジェクトが目から等距離の平面に投影されると、それらの間の接続が切断され、深刻な不快感につながります。 IMAX 3D映画館を訪れるすべての人は、この感覚に精通しています。



技術的な課題がすべてではありません。 拡張現実では、「フレーム輻輳」の本当の脅威が発生します-出力される情報が多すぎるという脅威です。 何百もの重要なオブジェクトが同時に表示されることがあります。 生活を楽にするために、ユーザーは情報をフィルタリングし、そこから本当に必要なものを分離する必要があります。 また、ユーザーが現実世界の重要なオブジェクトに仮想要素を押し付けることを許可してはなりません。たとえば、車のフロントガラスに投影されたホテルやレストランへの仮想ポインターは、対向するトラックや信号機を遮らないようにする必要があります。

20世紀の60年代に生まれた拡張現実技術は急速に発展しています。 同時に、開発者は多くの問題に直面し、それらを非常にうまく解決しています。 拡張現実では、現実世界と仮想世界の間に違いはなく、世界をより面白く飽和させることができます。 したがって、拡張現実技術は徐々に私たちの生活に入り、変化し、より快適になります。 さらに、彼女は今では珍しいものでもエキゾチックなものでもありません。私たちはほとんどすべての段階で彼女に出会いますが、私たちはそれに気づきません。



キャンペーンの開発大手



www.arvika.de/www/e/home/home.htmアルビカ-

www.artesas.de/site.php?lng=en - ARTESAS -高度な拡張現実サービスアプリケーションのためTechnologiesの産業

www.globis.ethzを.ch / research /

index-グローバル情報システムグループwww.hitlabnz.org -HitLabNZ

www.iconolab.com -IconoLab

www.ipf.uni - karlsruhe.de-ドイツ写真測量および宇宙

研究所www.mixedrealitylab.org -Mixed Reality Lab

www.nus.edu.sg-シンガポール国立大学

www.t-immersion.com/home.asp-Total Immersion

www1.cs.columbia.edu/graphics/top.html-コロンビア大学のコンピューターグラフィックスとユーザーインターフェイスの研究室。



PSこれは、トピックに関するいくつかの記事をまとめたものです。何かを忘れた場合は、追加してください。