【研究分野】脳神経外科学

【研究領域課題番号】24791488 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

医用画像 / 複合現実 / コンピューターグラフィックス / 脳神経外科 / コンピュータグラフィックス / 脳神経外科学 / 仮想現実

【研究成果の概要】

本研究の目標は、複数の医用画像データを融合させた3次元画像構築法の開発と、医用画像と現実空間との融合画像を臨床応用することであり、概ね達成した。独自に考案した画像処理方法を駆使した融合3次元画像は全ての医用画像データを1つのコンピュータグラフィックスとして表示することが可能となり、かつ高精細を有するものとなった。現実画像との融合に関しては、薄板スプライン法によって手術画像をコンピュータグラフィックス上に重畳する方法を開発し、特許出願済である（出願番号2013-103562）。本法は複数の前向き調査でその有効性が示され、東京大学医学部付属病院脳神経外科にて500例以上の臨床症例に応用された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】脳神経外科学

【研究領域課題番号】23659683 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

神経画像診断学 / 脳機能画像 / バーチャルリアリティ / 神経科学 / 脳・神経 / 医用画像処理 / コンピュータグラフィックス

【研究成果の概要】

複数の医用画像データを融合させた三次元画像の構築手法を開発した。提案手法による融合三次元画像は異なる医用画像データのレジストレーション制限を克服し、高い空間分解能を有し、複雑化した3次元表示の視認性向上に成功した。提案手法による融合三次元画像は東京大学医学部付属病院脳神経外科で235症例に臨床応用され、高い有用性が示された。ビデオモニターを用いた拡張現実法による手術シミュレーションを開発した。提案手法は同病院にて15症例に臨床応用され、その有用性が示された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】科学教育

【研究領域課題番号】17700592 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バーチャルリアリティ / 仮想空間 / 教材開発 / コンピュータグラフィックス

【研究成果の概要】

本研究では,STSP (Science, Technology, Society, and Peace)教材の開発ならびに没入感や臨場感の教育効果の検討を目的とした。
STSP教材については,長崎原爆を題材として取り上げ,浦上天主堂の被爆前と後をコンピュータグラフィックスで再現した。そして,コンピュータグラフィックスによる仮想空間内を自由に探索できるよう,3次元立体視可能なバーチャルリアリティ教材として完成させた。この教材では,学習者がコントローラーを操作することによって仮想空間内を自由に移動できる。また,学習者はボタンを操作することによって,原爆投下前と後の様子を切り替えられる。
続いて,先の教材を4つのクライアント・コンピュータと1つのホスト・コンピュータから構成される簡易式没入型バーチャルリアリティ提示装置(P-IPTS)で提示できるよう開発を進めた。P-IPTSは,5m×2mの大型スクリーンに液晶DLPプロジェクター4台を使って仮想空間を投影することができ,かつ,移動設置することが可能な装置である。設計時に,教材に取り入れることになっていた被爆者の映像については教材化することができなかった。
評価については,P-IPTSを特別教室に設置し提示実験を行った。高等学校の生徒を対象に調査を実施した結果,視覚的な効果が学習者の興味を喚起していたことが明らかになった。一方で,P-IPTSをより実用的なものにするため,教員を対象にアンケート調査を実施し,大型スクリーンとは別に,より小型のスクリーンも開発した。そして,教員が実際に授業で活用するために必要な条件を明らかにした。現職教員は,通常の授業での利用を想定した場合は,教卓より少し大きめのスクリーンがよいこと,3分程度で設置できるものがよいことがわかった。また,大人数では大きなスクリーンがよいことが明らかになった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】メディア情報学・データベース

【研究領域課題番号】17300038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コンピュータグラフィックス / 物理モデル駆動 / バーチャルリアリティ / 非写実的画像生成法 / 仮想版画・彫刻 / 人工知能 / 形状モデリング / 仮想空間における形状創成 / グラフィクス

【研究成果の概要】

ノンフォトリアリスティックコンピュータグラフィックス技術(NPR : Non-photorealistic rendering)は、様々な可視化技術などに使用されるが、近年では、美術・工芸の分野への応用が模索されている。本課題はこれらのNPR画像生成を、物理学的根拠のある生成方式によって行うとともに、既存の版画作品を高次レベルで符号化することを目的としている。まず、PBR(physics-based rendering)アプローチに基づき、木彫刻、木版画、銅版画を題材としたコンピュータグラフィックス(CG)画像合成法を開発した。特に木版画ではユーザインタフェースの開発を進めた。また銅版画ではドライポイントと呼ばれる芸術性が高い技術の工程と現象を物理的に模擬し、画像合成を試みた。本研究は九州産業大学芸術学部の協力を得て、専門家の参加により評価が行われたが良好な評価結果を得た。次に、次世代カーナビゲーションシステムの構成法と要素技術の開発を行った。従来型の二次記憶ベースのフルCGによるカーナビに対して、本研究では拡張現実を利用した新方式を提案した。そこでは車載カメラから得た走行前方画像をコンピュータビジョン技術により符号化し、仮想世界を構築した。その仮想世界の同一視点の画像を生成し、運転者に提示することによってリアルタイム情報を効率的に伝える方式を実現した。さらに、ノンフォトリアリスティック画像(non-photorealistic image:非写実的画像)の生成技法として、銅版画、特にメゾチントに焦点を当て、物理モデルの構成と画像生成法の研究を実施した。そこでは二種類の中間表現画像により、多彩な濃淡階調表現能力を有するメゾチント技法の再現を試みた。その結果、物理的にも良好なメゾチント作品をPBRの枠内で画像生成できることを確認した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】13,550千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】体育学

【研究領域課題番号】13358001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヴァーチャル・リアリティ / コンピュータ・グラフィックス / EMG / 運動学習 / 運動スキル / ターゲット・キャッチング / スポーツ / 練習 / スキル / 投球動作 / 筋電図 / スポーツ動作 / ビデオ解析 / トルク / 筋活動 / 時系列的筋活動 / 動作分析 / 3次元画像解析 / interactionトルク / muscleトルク

【研究成果の概要】

本研究は、近年発達してきたヴァーチャル・リアリティー(仮想現実)技術を応用して、天候等に左右されず、かつ怪我等の心配がなく、狭い室内でも使用できる全身的動作の練習ツールを開発することを目的として計画されたものである。本研究においては、特に広い場所で急速に変化する状況に臨機応変に対応しなければならないターゲットキャッチング課題をとりあげた。
報告書記載のとおり、研究は下記の3つの段階を追って実施された。
1.基本スポーツ動作の解析
初年度から2年度前半にかけて、まず、ヴァーチャル・リアリティ映像に取り込むべきスポーツ動作の基礎データを取得した。(1)投球動作の動作および筋活動の解析では、野球の投球に関与する筋電図を記録し、(2)投球動作の画像動作解析では、逆動力学によって動作を引き起こす(体肢に加わる)力の特性データを取得した。またターゲットキャッチ型動作として(3)打球動作の画像動作解析ではバドミントンの熟練者と未熟練者の打球動作データを取得した。
2.ヴァーチャル・ボールキャッチングシステムの開発
2年度から3年度にかけては、練習課題の呈示装置として、ヴァーチャルなボールを実際に腕を動かしてヴァーチャルにキャッチまたはヒットするツールを開発した。
3.投球動作の3次元筋骨格CG映像の作成
2年度から3年度にかけて、練習者の動作を練習者自身に視覚的にフィードバックするためのツールとして、実際の動作データを入力するとその通りに動く骨格CGに筋活動データを入力すると活動の強度によって色が変化する筋を結合させた筋骨格CGを作成した。この手順を適用すれば、あらゆる動作の筋骨格CG可視化が可能である。
今後は、種々のスポーツ動作の筋骨格CG化を図り、実際にこのシステムを練習に用いてその有効性を検証し、あらゆる動作の練習に適用できる廉価で汎用性の高い運動学習システムの完成を目指す。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】29,900千円 (直接経費: 23,000千円、間接経費: 6,900千円)

【研究分野】都市計画・建築計画

【研究領域課題番号】10450219 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

経路認知 / シミュレーション / 模型空間 / CG / 画像合成 / 街路空間 / バーチャルリアリティ / CG画像 / リアルタイム / 画像合成装置

【研究成果の概要】

本研究は、ヘッドマウントディスプレイを用いた視環境シミュレータに、CGによって作成された、人、自動車などの動的な要素を付加して表示するシステムを開発し、これを用いた経路認知(記憶と再認、および雰囲気の違いの評価)についてのシミュレーション実験を行い、これを従来の固定的環境要素のみによる実験結果と比較することによって、動的な付加的要素の効果を明らかにすることを目的として行われた。
まず、CG画像を用いて、街路の動的環境要素としての歩行者の流れや滞留が経路の記憶、再認に及ぼす影響に関する実験を行った。その結果、多くの人が人の流れや滞留を経路記憶の手がかりとしていること、したがってそれらが変化することによって迷いが生じること、さらに滞留する人々の存在によってその場所の意味付けが強化され記憶されやすいことなどを明らかにした。
次に、より現実感のあるシミュレーション空間を作成するため、人や車などの動的環境要素をコンピュータグラフィックスで生成し、模型空間の画像と合成する新しいシミュレーションシステムを開発した。そして、動的環境要素が街路空間の雰囲気に及ぼす影響について実験を行った結果、本装置のある程度の有効性が確認された。
本研究で開発したシミュレータシステムは、先に述べた場所の雰囲気に関する実験のみならず、経路探索や緊急時の避難行動、あるいは街路や室内の快適性評価など、これまでに人や車などの動的な環境要素が存在しない設定のもとで行われてきた様々なシミュレーション実験に応用できるものと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】11,800千円 (直接経費: 11,800千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】09898008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バーチャルリアリティー / 地震災害過程 / シミュレーション / コンピュータグラフィックス / 迫真性 / 超現実性 / 相互作用性 / オ-ギュメンテッドリアリティ

【研究成果の概要】

平成9年11月に河田と林は米国ロサンゼルス地域,サンフランシスコ湾岸地域,およびワシントン州シアトル地域を訪れ,米国における地震防災の実務および研究においてバーチャルリアリティ技術の利用状況と今後の展望に関する現地調査を行った.さらに,平成10年3月4・5日にワークショップ「災害を観る」を京大会館で開催し,災害の可視技術について体系化を行った.その結果,少なくとも地震災害過程の研究においてはバーチャルリアリティ技術は,迫真性,超現実性,相互作用性という3つの特徴によって把握できることが明らかになった.第1の迫真性とは,現実の存在する対象ときわめて対応性の高い心的表象を構築しうることを指し,コンピューターグラフィックスによる静止画及び動画の作成が主である.第2の超現実性は,現実には存在し得ない対象を心的表象としては構築できる機能をさす.そこではコンピューター技術よりも現実には存在しない対象に関してどれだけ明確なイメージを構築できるかの想像力にかかっている.これら2つの特徴は観察者としての人間が持つ心的表象を問題としている.それに対して第3の特徴は行為者としての人間が持つ心的表象に関する特性である.自分の環境に対する働きかけによって環境像が変化する.自分の行動と環境の変化との間に協応関係が存在することを指す.低頻度事象である巨大災害を考える地震災害研究ではバーチャルリアリティの第2の特性である超現実性に着目した技術開発が必要性あり,今後はより抽象度の高い現実の構成をめざすという意味から「オ-ギュメンテッドリアリティ」の構築に関する研究の推進が必要であることが明らかになった.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997

【配分額】3,100千円 (直接経費: 3,100千円)

【研究分野】計算機科学

【研究領域課題番号】07680342 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

CG / VR / 顔モデル / 表情 / アニメーション / CG(Camputer Graphics) / 三次元計測 / CG(Computer Graphics) / モーションキャプチャリングシステム

【研究成果の概要】

本研究ではCGで人間の表情をよりリアルに表現することを目的に,人間の3次元顔モデルの作成と表情データの作成を行った.
顔モデルの作成には,実時間三次元計測装置を利用した.しかし,この計測装置は縞投影を用いているため,撮影装置に対して傾きが大きい面や光が反射されない部位に対してはデータが計測できないという問題点がある.
そこで,本研究では,表情作成の基礎的な研究としてデータ欠損のない三次元顔モデルを生成する手法について検討を行った.提案手法は,無表情で顔を左右に振る動きを三次元計測装置で計測し,そのデータを用いて逐次的に三次元顔モデルの欠損部分の補間および計測誤差を修正する手法である.まず,ある時刻に計測された三次元データから初期値となる顔モデルを作成する.その後,逐次的に計測されたデータから作成した顔モデルとその時点までに補間,修正を行った顔モデルを比較し欠損部分の補間,モデルの修正を行うことで三次元顔モデルを作成した.
また,表情データの作成には,データの入力方法としてモーション・キャプチャ技術を用い,現在最もリアルに表情が生成できると思われる筋肉モデルを用いて表情を生成した.
心理学の研究によると,人間の感情を表す顔の表情は,怒り,悲しみ,恐怖,嫌悪,驚き,喜びの6種類であり,それらは万国共通である.本研究では,これらの6種類の表情についてデータを取り,CGアニメーションで表現を行った.
モーションキャプチャシステムを用いて,顔の任意の点の動きを測定することができるが,採取したデータからワイヤーフレームで作成したCGモデルをどの様に動かすかが問題になる.そこで,人間の顔の表情は,表情筋の収縮によって表現されるという解剖学的知見を用いる.つまり,顔にある17個の表情筋の動きをモーションキャプチャシステムで採取するために顔面上に13個の特徴点を定め計測する.その特徴点の動きを表情筋の収縮率に変換し,CGモデルを動かす.CGモデルでは,ワイヤーフレームモデル上に筋肉モデルを定義し、ワイヤーフレームモデルを動かし表情を表現した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】情報通信工学

【研究領域課題番号】06555106 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

仮想操作環境 / 人工現実感 / 形状設計 / CAD / コンピュータグラフィックス / バーチャルリアリティ / 3次元モデル / 力覚ディスプレイ

【研究成果の概要】

仮想操作環境を利用した創造的形状設計においては、まず設計者・デザイナ-が思い浮かべた形状設計のイメージをあたかも実世界における粘土の作業や積木の作業のように、容易に3次元モデルとして構築できなければならない。さらに、仮想操作環境での直接操作が形状モデルに対して自由に行なうことができると、形状の変形・加工・修正といった操作がきわめて容易かつ自然に行なうことができる。
このような仮想操作環境を実現するためのインタフェース装置として、研究代表者がすでに提案している空間インタフェース装置SPIDARを用いることにした。この装置は、操作者の指先を4本の糸で吊ることにより操作者の作業意図を計算機に入力するとともに、作業中の形状モデルからの触覚・力覚を指先にフィードバックすることができる.
本研究では、このような3次元形状測定機と仮想操作環境による形状変形加工機能、さらに近年急速に実用化されつつある3次元形状加工機等を有機的に統合した形状設計システムの開発のための技術的課題を解決することを目的とした。
本研究により得られた研究成果は以下の通りである.
1.仮想環境における3次元自由形状の直接操作を実現するための空間インタフェース装置SPIDARの基本性能の向上を計り、操作性の評価を明らかにしたこと。
2.仮想環境における3次元自由形状の加工・設計のための両手協調作業を実現する新しいインタフェース装置の提案とその開発を行なったこと。
3.互いに遠隔地にいる設計者やデザイナ-同志があたかも同一の作業環境にいるような形で設計作業のできる遠隔仮想環境のシステム構成を提案し、そのシステム開発を行なったこと。
4.3次元形状測定機により測定した自由形状の測定データ群から、仮想環境での加工・設計作業に適した自由形状モデルを半自動的に生成する方法とアルゴリズムを開発したこと。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】7,700千円 (直接経費: 7,700千円)

【研究分野】社会システム工学

【研究領域課題番号】05558040 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バーチャルリアリティ(VR) / 安全空間 / 避難 / 人間行動 / コンピュータグラフィクス(CG) / コンピュータシミュレーション / 火事 / 迷路 / 避難行動 / シミュレーション

【研究成果の概要】

平成5〜6年度の2年間で,バーチャルリアリティ(VR)を用いた安全空間設計シミュレータの開発を目的として,迷路内の人間の避難行動実験を対象としたVRシミュレーションシステムを構築した.そして以下に示すように,実迷路を用いた被験者実験とVRシミュレーションの比較から,VR実験の再現性と防災上の訓練効果を確認した.
(1)VRシステムの完成:CGを用いて作成した仮想空間を閉空間とする人間行動解析用のVRアプリケーションソフトおよび行動軌跡追跡ソフトの完成.
(2)VRシステムを用いた迷路実験の再現:平成5年度に作成した避難空間を基に,迷路内照明・ドアの開閉,壁・天井・床などの質感の向上などの問題を解決し,平成6年度には,より実際に近い避難環境を再現した.
(3)実迷路を用いた実験とVR実験との比較研究:東京消防庁池袋防災センター内にある煙体験コーナーの迷路を用いて被験者実験を行い,VRシステムの再現性の確認と防災訓練上の効果を検証した.すなわち,「実迷路のみを用いて避難行動をするグループ」「VR訓練(自分でVR操作する+VR画像のみの訓練)を受けた後に実迷路で避難行動をするグループ」「迷路の平面図を見た後に実迷路で避難行動をするグループ」に分けて,避難行動実験を行った.そして,実迷路を用いた避難行動とVRシニュレーション結果を比較することにより,VR空間での人間行動の再現性とVRによる擬似体験の防災訓練上の有効性を確認した.
(4)より汎用性のある安全空間設計シミュレータ開発に向けた問題点のまとめと提言:上記(1),(2)、(3)によって行った実験並びにVRシミュレーション結果を検討・分析し,まとめた.また研究を通して浮かび上げってきた問題点を整理し,本研究で開発したシミュレーションシステムの今後の課題と展望を検討した.

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】9,600千円 (直接経費: 9,600千円)