JP2003241639A - 仮想空間シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 体験者が、前後左右の自由な方向に自然な感
覚で安定して歩行及び走行、さらにはジャンプやしゃが
むなどの動作を行うことができる仮想空間シミュレーシ
ョン装置を提供する。また、大規模な装置や複雑な構造
を必要とせずに、体験者の様々な動きを的確に検出し、
これをディスプレイ装置の映像にフィードバックするこ
とを可能にする。 【解決手段】 ディスプレイ上に表示される仮想空間に
おいて、体験者が自由に行動することが可能なシミュレ
ーション・システムであって、前記仮想空間を表示する
ためのディスプレイ手段と、体験者が掴まるための固定
された筐体と、体験者の位置を検出する手段と、体験者
の移動量及び移動方向を検出する手段と、検出された体
験者の位置、移動量及び移動方向に基づいて、前記ディ
スプレイ手段の表示を制御する手段と、を備えることを
特徴とするシミュレーション・システムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、体験者が仮想空間
内を自由に動き回れるように構成された仮想空間シミュ
レーション装置に関し、特に、体験者がほぼ自然な感覚
で行動できるようにするためのインターフェイスを備え
た仮想空間シミュレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ドライブシミュレータ、フライト
シミュレータ、各種ゲーム装置、システムキッチンなど
に応用されている仮想空間シミュレーション装置は、体
験者の動作に応じて映像及び音声・衝撃を表現すること
により、体験者が仮想空間内に実際に存在し行動してい
るかのように錯覚させるものである。このような映像を
体験者に表示するためのディスプレイ装置としては、特
開平4-204842号公報に開示されているような、体験者の
全方位（前後左右上下）に配置したディスプレイ装置が
典型的である。また、頭部に装着可能なヘッド・マウン
テッド・ディスプレイ（Head Mounted Display、以下
「HMD」と呼ぶ）をディスプレイ装置として用いること
も一般的である。これらのディスプレイ装置によって映
像と音声を同期させて出力することにより、体験者に臨
場感溢れる仮想空間を体験させることが可能である。

【０００３】このような仮想空間シミュレーション装置
において、例えば、体験者が手元のコントローラ等を操
作して前進、後進及び転回等の動作を命令するのに応じ
て、コンピュータがこれらの動作に対応する映像及び音
声をディスプレイ装置に表現するようにすれば、体験者
を仮想空間内で現実に行動しているように感じさせるこ
とができる。しかしながら、この方法では、体験者が知
覚する映像及び音声が変化するのみであり、体験者自身
が行動しているという感覚は得られない。

【０００４】そこで、装置上で体験者自らが歩行や転回
などの動作したとき、これらの動作及び移動量等を検知
して、これに応じた映像をディスプレイ装置に表現する
ことができるような歩行インターフェイスを備えること
により、体験者により自然な行動感覚を与える仮想空間
シミュレーション装置が提案されている。

【０００５】特開平7-110650号及び特開平7-129789号に
開示されたシミュレーション装置は、ディスプレイ装置
を含む円柱状筐体の内部で体験者が歩行すると、円柱状
筐体が回転するとともにその動作に応じた映像が体験者
に表示されるような歩行インターフェイスを有する。し
かしながら、このシミュレーション装置では、体験者は
前方に向かっては自然な感覚で歩行することができる
が、他の方向への移動及び転回は自由に行うことができ
ず、無理にそのような動作を取ろうとすると筐体に体が
ぶつかってしまう危険がある。

【０００６】特開平7-200162号に開示されたシミュレー
ション装置は、体験者が一定箇所で足踏みするのを検出
し、移動量を計算し、これに応じてディスプレイ装置の
表示を制御するインターフェイスを備えている。しかし
ながら、このような一定箇所での足踏み動作は足で床を
蹴り前方に推進力を得るという歩行の動作とは異なるも
のであるから、体験者が仮想空間を歩行しているという
感覚は十分には得られない。

【０００７】特開平8-200162号に開示されたシミュレー
ション装置は、特殊構造のベルト上を体験者が歩行で
き、また前後左右自在に移動することができるように構
成された歩行インターフェイスを有する。しかしなが
ら、この歩行インターフェイスでは、ベルトの摩擦が大
きい等の理由により、体験者が歩行によって得る推進力
を十分に相殺することは困難であるため、体験者は自然
な歩行感覚を得ることができないばかりか、無意識のう
ちに筐体から足を踏み外してしまう危険さえもある。ま
た、このように構造が複雑な歩行インターフェイスで
は、体験者が歩行の際にベルトを蹴る力などから移動量
を計算することが困難である。

【０００８】特開平10-55132号に開示されたシミュレー
ション装置は、左右一対の歩行板に体験者の足をそれぞ
れ固定し、左右の足を交互に前後移動させることができ
るように構成された歩行インターフェイスを有する。し
かしながら、この歩行インターフェイス自体は不動であ
り、体験者の位置を一定に保つために、接地している方
の足を後方に引き戻すようになっている。このため、地
面を蹴って前方に推進力を得るような歩行動作を行うこ
とはできず、また、歩行板が制動されることにより足を
動かす際に負荷が生じてしまう。したがって、この装置
でも体験者は十分に自然な歩行感覚を得ることはできな
い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上に述べた従来の仮想
空間シミュレーション装置では、体験者の歩行等の動作
を仮想空間内にフィードバックするための歩行インター
フェイスが設けられているが、地面を蹴って前方に推進
力を得るという自然な感覚の歩行動作を行うことができ
るようにはなっていない。また、体験者の動作は歩行及
び走行に限定されており、その他の動作、例えば、転
回、ジャンプ、しゃがむ動作などについては全く考慮さ
れていない。さらに、これらの装置では、歩行及び走行
時の体験者の安定性が十分に確保されていないという問
題もある。したがって、本発明の目的は、体験者が、前
後左右の自由な方向に自然な感覚で安定して歩行及び走
行、さらにはジャンプやしゃがむなどの動作を行うこと
ができる仮想空間シミュレーション装置を提供すること
である。また、大規模な装置や複雑な構造を必要とせず
に、体験者の様々な動きを的確に検出し、これをディス
プレイ装置の映像にフィードバックすることができる仮
想空間シミュレーション装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ディスプレイ上に表示される仮想空間に
おいて、体験者が自由に行動することが可能なシミュレ
ーション・システムであって、前記仮想空間を表示する
ためのディスプレイ手段と、体験者が掴まるための固定
された筐体と、体験者の位置を検出する手段と、体験者
の移動量及び移動方向を検出する手段と、検出された体
験者の位置、移動量及び移動方向に基づいて、前記ディ
スプレイ手段の表示を制御する手段と、を備えることを
特徴とするシミュレーション・システムを提供する。

【００１１】本発明の第1の実施形態は、ディスプレイ
装置に表示される仮想空間において、体験者が自由に行
動することが可能なシミュレーション装置であって、前
記仮想空間を表示するためのディスプレイ装置と、前記
シミュレーション装置に固定された筐体と、前記筐体に
取り付けられた、体験者を検出するためのセンサ装置
と、左右1対のシューズであって、それぞれ底面に1個以
上の回転自在なトラックボールと該トラックボールの回
転量を検出する回転量検出器と、該シューズの方向を検
出する方向検出器とを有するシューズと、前記ディスプ
レイ装置、前記センサ装置、前記回転量検出器及び前記
方向検出器と通信可能な制御装置と、を備え、前記制御
装置は、前記センサ装置の検出情報から体験者の位置を
決定し、前記回転量検出器の検出情報から体験者の移動
量を決定し、前記方向検出器の検出情報から体験者の移
動方向を決定し、前記体験者の位置、移動量及び移動方
向に基づいて前記ディスプレイ装置の表示を制御するこ
とを特徴とする。

【００１２】前記ディスプレイ装置には、体験者の前後
左右、天井及び床面に設置したスクリーンを用いること
ができる。また、前記ディスプレイ装置は、体験者が頭
部に装着可能なヘッド・マウンテッド・ディスプレイ
（HMD）であってもよい。前記センサ装置は、前記筐体
上部に取り付けられた上部センサと、前記筐体下部に取
り付けられた下部センサとを含んでいるのが好ましい。
上部センサは体験者の上半身を検出し、下部センサは体
験者の足元を検出するためのものである。

【００１３】前記トラックボールは駆動可能であり、前
記制御装置からの信号により駆動されるようになってい
るのが好ましい。さらに、前記制御装置には、前記トラ
ックボールの回転量に基づく所定の擦動相殺回転量をあ
らかじめ記憶させておき、体験者の歩行中は常に、擦動
相殺回転量分、前記トラックボールを現在の回転方向に
駆動する。すなわち、前記トラックボールと床面との擦
動による体験者のわずかな移動をほぼ相殺するようにト
ラックボールを駆動して、体験者が歩行中でもほぼ同じ
位置に留まるようにすることができる。

【００１４】前記筐体は体験者が掴まるための把手を有
し、前記センサ装置は前記把手にかかる荷重を検出する
感圧スイッチを備えることにより、体験者が把手に掴ま
っているかどうかを検出できるようになっているのが好
ましい。本発明のシミュレーション装置は、さらに、前
記制御手段と通信可能な操作スイッチを備え、体験者が
前記操作スイッチにより前記シミュレーション装置を操
作できるようになっているのが好ましい。

【００１５】本発明の第2の実施形態は、ディスプレイ
装置に表示される仮想空間において、体験者が自由に行
動することが可能なシミュレーション装置であって、前
記仮想空間を表示するためのディスプレイ装置と、前記
シミュレーション装置に固定された筐体と、複数の回転
自在なトラックボールが整列して配置された床面であっ
て、前記トラックボールの回転量及び回転方向を検出す
る回転量検出器を有する床面と、前記ディスプレイ装置
及び前記回転量検出器と通信可能な制御装置と、を備
え、前記制御装置は、前記回転量検出器の検出情報から
体験者の位置を決定し、前記回転量検出器の検出情報か
ら体験者の移動量及び移動方向を決定し、前記体験者の
位置、移動量及び移動方向に基づいて前記ディスプレイ
装置の表示を制御することを特徴とする。前記回転量検
出器は、前記トラックボールにかかる荷重を検出する感
圧スイッチを備えることにより、体験者の足が設置して
いるかどうかを検出できるようになっているのが好まし
い。

【００１６】本発明の第3の実施形態は、ディスプレイ
装置に表示される仮想空間において、体験者が自由に行
動することが可能なシミュレーション装置であって、前
記仮想空間を表示するためのディスプレイ装置と、前記
シミュレーション装置に固定された筐体と、左右1対の
シューズであって、それぞれ底面に1個以上の回転自在
なトラックボール又はローラ部材を有するシューズと、
感圧パッドを表面に備えた床面と、前記ディスプレイ装
置及び前記感圧パッドと通信可能な制御装置と、を備
え、前記制御装置は、前記感圧パッドの検出情報から体
験者の位置を決定し、前記感圧パッドの検出情報から体
験者の移動量及び移動方向を決定し、前記体験者の位
置、移動量及び移動方向に基づいて前記ディスプレイ装
置の表示を制御することを特徴とする。

【００１７】本発明の第4の実施形態は、ディスプレイ
装置に表示される仮想空間において、体験者が自由に行
動することが可能なシミュレーション装置であって、前
記仮想空間を表示するためのディスプレイ装置と、前記
シミュレーション装置に固定された筐体と、左右1対の
シューズであって、それぞれ底面に1個以上の回転自在
なトラックボール又はローラ部材と1個以上の認識用部
材とを有するシューズと、前記シミュレーション装置に
固定され、前記認識用部材を認識可能なカメラ部材と、
前記ディスプレイ装置及び前記カメラ部材と通信可能な
制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記カメラ部材
の検出情報から体験者の位置を決定し、前記カメラ部材
の検出情報から体験者の移動量及び移動方向を決定し、
前記体験者の位置、移動量及び移動方向に基づいて前記
ディスプレイ装置の表示を制御することを特徴とする。

【００１８】なお、第2、第3及び第4実施形態において
も、第1実施形態と同様に、筐体に取り付けたセンサ装
置により体験者を検出し、このセンサ装置の検出情報、
及び前記回転量検出器／感圧パッド／カメラ部材の検出
情報のいずれか一方又は両方に基づいて、体験者の位置
を決定するようにしてもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本文中、同
一の符号は同一又は類似の部材を表す。まず、本発明の
シミュレーション装置の第1実施形態の構成を図１〜５
に示す。図１は、本実施形態の全体構成を概略的に示
す。本実施形態のシミュレーション装置は、床面に固定
されたほぼ円柱状の筐体1、体験者100の頭部に装着可能
なHMD21又は筐体1の周囲に設置されたスクリーン22、及
び体験者100の足に装着可能なシューズ31からなる。以
下に、各構成部分を詳細に説明する。

【００２０】筐体1は、体験者100が掴まって体勢を保持
するための把手2、体験者100の位置を検出するための上
部センサ3及び下部センサ4、把手2にかかる荷重を検出
するための感圧スイッチ5、並びに体験者100がシミュレ
ーション装置を操作するための操作部6を備えている。

【００２１】図１に示すように、リング状の把手2は、
体験者100が掴まりやすい高さ、例えば胸から腰までの
間の高さで筐体1の周囲に取り付けられており、体験者1
00が筐体1に対してどのような方向にいても、把手2に片
手又は両手で掴まることができるようになっている。ま
た、把手2は筐体1に固定されているので、体験者100は
これに掴まることにより、常に体勢の安定を保つことが
できる。

【００２２】上部センサ3及び下部センサ4は、それぞれ
筐体1の円周面上に、一定間隔で帯状に配置された複数
のセンサからなり、体験者100が筐体1に対してどのよう
な方向にいても検出できるようになっている。また、上
部センサ3は、体験者100が通常に直立、歩行等している
ときには検出するが、しゃがみ込んだときには検出しな
いような高さ、例えば頭部から胸部までの間の高さに設
置され、また下部センサ4は、体験者100が通常に直立、
歩行等しているときには検出するが、足を上げたりジャ
ンプしたときには検出しないような高さ、例えば足首付
近の高さに設置されている。

【００２３】本発明のシミュレーション装置に用いるこ
れらのセンサ3及び4は、例えば、自動ドア、家電製品の
リモコン、産業用機器等に広く用いられている、赤外線
センサ、光電センサ及びCCDカメラセンサ等を用いるこ
とができる。また、体験者が胸部付近及び足元に特定波
長の発光素子等を含む装着具を装着すれば、これらのセ
ンサによる検出精度を向上することができる。さらに、
赤外線センサ又はCCDカメラセンサを測距センサとして
用いることにより、体験者の位置をより正確に把握する
ことが可能となる。このような測距センサは、カメラの
オートフォーカス機能などに広く応用されている。

【００２４】筐体1の感圧スイッチ5は、体験者100が把
手2を掴んでいるかどうかを検出する。平均的な体験者1
00の手の重みに基づいた所定の検出荷重をあらかじめ設
定しておくことにより、体験者100が把手2に掴まると、
感圧スイッチ5がこれを検出するようにすることができ
る。

【００２５】操作部6は、筐体1の頂部など体験者100が
操作しやすい位置に設置されており、ボタンやスイッチ
等により本シミュレーション装置の作動、停止、各種設
定その他の操作を行うことができるようになっている。
ここで、操作部6は筐体1に付属している例を示している
が、操作部6を独立したリモートコントローラとし、こ
れを体験者100が手に持って、又は体に装着して操作を
行うようにすることもできる。例えば、体験者100が独
立した操作部6を備えた杖を持つようにしてもよい。

【００２６】本発明では、体験者100に仮想空間を表示
するためのディスプレイ装置として、図１に示すよう
に、HMD21又は筐体1の周囲に設置したスクリーン22を用
いる。また、図には示していないが、スピーカを設置し
て映像に同期した音声を再生することにより、さらにシ
ミュレーション効果を高めることができる。HMD21は、
本発明シミュレーション装置から映像信号を受信し、こ
れを体験者100の視野をほぼカバーしている映像表示部
に表示することにより、体験者100はHMD21に表示される
仮想空間内に存在しているような感覚を得ることができ
る。

【００２７】一方、本実施例のスクリーン22は、複数の
平面型スクリーンからなるマルチスクリーンである。図
１には2面の平面型スクリーンしか示してはいないが、
本実施例のスクリーン22は、さらに2面の平面型スクリ
ーン22を有し、前後左右4面からなる。これらの各平面
型スクリーンには、例えば、後方のプロジェクタから映
像を投影するリア・プロジェクション・タイプの投影ス
クリーンを用いることができる。しかしながら、本シミ
ュレーション装置のスクリーン22はこれに限定されるわ
けではなく、例えば円筒状スクリーンを用いることもで
きる。また、天井面にもスクリーンを設置してもよい。

【００２８】図２は、本発明のシミュレーション装置内
で体験者100が装着するシューズ31の拡大図である。シ
ューズ31は、トラックボールにかかる荷重を検出するた
めの感圧スイッチ32、シューズ31の方向を検出するため
の方向検出器33及びトラックボール・ユニット41を備え
ている。

【００２９】シューズ31の感圧スイッチ32は、筐体1の
感圧スイッチ5と同様な構造であり、トラックボール・
ユニット41のトラックボールに一定以上の荷重がかかっ
ているのを検出する。シューズ31を装着した体験者100
の足が床面に接地しているときには、体験者100の体重
がトラックボールを介して感圧スイッチ5に荷重を与え
るので、平均的な体験者100の体重を基準に所定の検出
荷重をあらかじめ設定しておけば、体験者100が足を床
面に接地しているかどうかを検知することができる。

【００３０】方向検出器33には、例えば、振動ジャイ
ロ、圧電素子及び方位磁針からなるジャイロセンサを用
いることができる。このジャイロセンサにおいて、振動
ジャイロがシューズ31の角速度の変化を検出すると、圧
電素子に電流が流れ、これがシューズ31の方向変化の信
号に変換されるようになっている。また、方位磁針は随
時シューズ31の方向を信号に変換して発するようになっ
ている。これらの信号は、後述するように、トラックボ
ール・ユニット41の回転量検出器44又は48を介して制御
装置に送信される。図３及び４はトラックボール・ユニ
ット41の例を示す透過斜視図である。これらは、基本的
にはパーソナル・コンピュータのマウス等に広く用いら
れているトラックボールと同じ構造である。

【００３１】図３は、機械式トラックボール・ユニット
41を示す。トラックボール42は、2つのゴムローラ43及
び支持ローラ47の3点に接しながら回転する。トラック
ボール42の回転方向を検出するためには、まず、x軸及
びy軸からなるシューズ31底面と平行な平面直行座標軸
をシューズ31に与えておく。例えば、シューズ31のつま
先方向にx軸を取り、このx軸と直行しかつシューズ31底
面に平行な方向にy軸を取ればよい。次に、2つのゴムロ
ーラ43を、それぞれがx軸及びy軸方向の回転を検出する
ような位置に配置する。このように構成されたトラック
ボール・ユニット41において、トラックボール42が回転
すると、この回転はx軸及びy軸方向に分解され、それぞ
れゴムローラ43の回転に変換される。さらにトラックボ
ール・ユニット41は、各ゴムローラ43の回転量を検出す
るための回転量検出器44を備えており、これらによりト
ラックボール42のx軸及びy軸方向の回転量を検出するこ
とができるようになっている。また、各ゴムローラ43は
モータ45及びギア46を備えており、モータ45を駆動する
ことによりギア46を介してゴムローラ43を回転させるこ
とができるようになっている。2つのモータ45を用いてx
軸及びy軸方向のゴムローラをそれぞれ任意の回転量で
回転させることにより、トラックボール42をあらゆる方
向に回転させることができる。

【００３２】図４は、光学式トラックボール・ユニット
41を示す。トラックボール42、ゴムローラ43、モータ4
5、ギア46及び支持ローラ47は、図３に示した機械式ト
ラックボール・ユニットと同様に構成されており、シュ
ーズ31にはx軸及びy軸からなるシューズ31底面と平行な
平面直行座標系が与えられている。この光学式トラック
ボール・ユニット41の回転量検出器48は光学式センサで
あり、LED等により赤外線を発光し、その反射光を感知
することができるようになっている。トラックボール42
には赤外線感光素子がドット状に配置されており、これ
らにより反射される反射光の動きを光学式センサが読み
取ることにより、トラックボール42の回転量及び回転方
向を検出することができる。トラックボール42の回転量
及び回転方向は、上記の機械式トラックボール・ユニッ
トと同様、シューズ31に与えられたx軸及びy軸からなる
座標系によって表される。

【００３３】本発明のシミュレーション装置は、筐体1
のセンサ装置3及び4、感圧スイッチ5及び操作部6、HMD2
1又はスクリーン22、シューズ31のトラックボール・ユ
ニット41と通信可能であり、これらの装置類から検出信
号を受信するとともに、これらの装置類に制御信号を送
信して制御する制御装置を備えている。図５に示すブロ
ック図を用いて、この制御装置が各装置類を制御する方
法を説明する。ここで制御装置には、CPU、メインメモ
リ及び主記憶装置からなるコンピュータを用いる。図５
において、検出情報処理装置、中央演算処理装置、映像
出力系演算処理装置及び音声出力系演算処理装置、制御
装置のCPUに含まれる。主記憶装置には、HMD21又はスク
リーン22に表示するための映像及び音声データ、各装置
類を一定条件に従って制御するためのプログラム等が記
憶されている。

【００３４】本シミュレーション装置の作動にともな
い、制御装置の検出情報処理装置は、シューズ31のトラ
ックボール・ユニット41から、シューズ31に設けられた
無線システム31aを介して、シューズ31の感圧スイッチ3
2、方向検出器33、及び回転量検出器44又は48からの検
出情報を受信し、筐体1のセンサ装置3及び4からの検出
情報を受信し、筐体1の感圧スイッチ5からの検出情報を
受信する。これらの検出情報は演算処理のためのデータ
として処理されて、中央演算装置に送信される。次に、
中央演算装置は、主記憶装置にあらかじめ記憶されたプ
ログラムを作動させて、この受信データを処理・演算
し、ディスプレイ装置（スピーカ装置を含む）の制御に
関するデータを映像出力系演算処理装置及び音声出力系
演算処理装置に送信する。映像出力系演算処理装置及び
音声出力系演算処理装置は、上記データに基づいた信号
をHMD21又はスクリーン22及びスピーカに送信する。ま
た、中央演算装置は、必要に応じて、シューズ31のトラ
ックボール・ユニット41のモータ45を制御するための信
号を無線システム41aを介してトラックボール・ユニッ
ト41に送信することができるようになっている。また、
図１に示すように、本発明のシミュレーション装置の床
面には、トラックボール42の回転を円滑にするために、
摩擦係数の高い物質、例えばゴムなどでできたパッド7
を敷き詰めてあるのが好ましい。

【００３５】次に、本実施例のシミュレーション装置に
おいて、体験者100が様々な動作をしたときの、各部位
の働きについて説明する。本発明のシミュレーション装
置の床面には、あらかじめX軸及びY軸からなる平面直交
座標系を定めておき、体験者100の位置、方向及び移動
速度（単位時間あたりの移動量）をこの座標系を用いて
表すことができるようにする。

【００３６】体験者100は、足にシューズ31を装着した
後、筐体1の操作部6を操作することにより、本発明の仮
想空間シミュレーション装置を稼動させることができ
る。装置が稼動されると、HMD21又はスクリーン22に
は、コンピュータの主記憶装置にあらかじめ記憶された
仮想空間の1シーンの映像が表示される。このとき、体
験者100は体勢を保つために把手2に掴まるのが好まし
い。体験者100の安全を確保するため、体験者100が把手
2に掴まっていない限り、すなわち、筐体1の感圧スイッ
チ5が一定以上の荷重を検出しない限り、仮想空間シミ
ュレーション装置が作動しないように、コンピュータに
制御させてもよい。

【００３７】仮想空間シミュレーション装置が稼動する
と、体験者100は片手で把手2を掴みながら歩行するな
ど、自由に行動することができる。体験者100が歩行す
ると、シューズ31底面のトラックボール42が回転するの
で、体験者100の体の移動はトラックボール42の回転に
相殺されて、体験者自身はほとんど移動しない。

【００３８】体験者100の歩行中、回転量検出器44又は4
8は、トラックボール42の回転量及び回転方向を検出
し、これを検出信号としてコンピュータに送信する。こ
の検出された回転量及び回転方向は、シューズ31に与え
られたx-y座標系で表されるが、コンピュータは、他方
で、シミュレーション装置のX-Y座標系におけるシュー
ズ31の方向の検出信号を方向検出器33から受信してお
り、これに基づいてトラックボール42の回転量及び回転
方向をX-Y座標系に換算する。こうして、体験者100のX-
Y座標系における移動量及び移動方向が得られる。

【００３９】また、体験者100の歩行中、センサ装置3及
び／又は4は体験者100の位置を検出する。例えば、図１
において、筐体1の周囲に帯状に配置された複数のセン
サのうち、体験者100と対面している1個又は連続した複
数個のセンサが検出信号を発するので、筐体1から見た
体験者100の方位は特定される。また、上述したよう
に、センサ装置3及び4は、好ましくは赤外線センサ又は
CCDカメラセンサ等からなる測距センサであり、体験者1
00との距離も検出することができる。しかしながら、本
発明のシミュレーション装置では、体験者100が専ら把
手2を掴みながら歩行や移動をするようになっているの
で、装置稼動中、体験者100とセンサ装置3及び4との距
離は大きくは変化しない。したがって、体験者100とセ
ンサ装置3及び4との距離はあらかじめ一定値としてお
き、測距機能を持たないセンサを用いることにより、装
置を簡略化することも可能である。

【００４０】以上のようにして、体験者100が歩行した
ときのX-Y座標系における位置、移動量及び移動方向が
算出されたので、コンピュータはこれに基づいてHMD21
又はスクリーン22の映像を変化させる。こうして、体験
者100の動作が仮想空間内にフィードバックされるの
で、体験者100はあたかも仮想空間内に存在し行動して
いるように感じることができる。

【００４１】上述したように、体験者100が歩行して
も、体の移動は回転により大部分が相殺されるが、トラ
ックボール42と各ローラ及び床面との間のわずかな摩擦
などにより、体験者100はわずかに移動してしまう。例
えば、体験者100が前方に歩行している場合には、この
摩擦により徐々に前方に体が移動してしまう。そこで、
コンピュータは、トラックボール・ユニット41のモータ
45を駆動して、体験者100の移動をちょうど相殺できる
ような回転速度でトラックボール42を現在の回転方向に
駆動する。例えば、上記のように体験者100が徐々に前
方に移動するときは、体験者100がこれとほぼ同じ速度
で後方に移動するようにトラックボール42を回転させ
る。これを行うためには、平均的な体験者100が歩行し
たときのトラックボール42の単位時間回転量と体験者10
0の移動速度の相関関係をあらかじめ調べておく。この
相関関係は、例えば、体験者100の移動速度をトラック
ボール42の単位時間回転量の関数として算出しておき、
このデータをコンピュータに記憶させておく。体験者10
0が歩行中、コンピュータは検出されるトラックボール4
2の回転量に応じて、上記相関関係のデータから体験者1
00の移動速度を計算し、これをほぼ相殺するような回転
量分（以下、擦動相殺回転量とする）、トラックボール
42を現在の回転方向に駆動する。こうして、任意の速度
で歩行する体験者100をほぼ一定位置に留めることがで
きる。本発明のシミュレーション装置では、体験者100
は、仮想空間において、歩行の他に様々な動作をするこ
とができる。ここでは、しゃがみ込み、ジャンプ及び走
行の動作について説明する。

【００４２】図６に示すように、体験者100がしゃがみ
込んで、体験者100の頭部が上部センサ3よりも低くなる
と、上部センサ3は体験者100を検出しなくなる。このよ
うに、下部センサ4のみが体験者を検出している状態の
とき、コンピュータは体験者100がしゃがんだと判定
し、これに応じた映像をHMD21又はスクリーン22表示す
るようになっている。

【００４３】また、体験者100がジャンプして、体験者1
00の足が下部センサ4よりも高くなると、下部センサ4は
体験者100を検出しなくなり、またシューズ31の感圧ス
イッチ32も荷重を検出しなくなる。このように、上部セ
ンサ3は体験者を検出しているが、下部センサ4が体験者
100を検出せず及び／又は感圧スイッチ32が体験者100の
荷重を検出しないとき、コンピュータは体験者100がジ
ャンプしたと判定し、これに応じた映像をHMD21又はス
クリーン22表示するようになっている。さらに、図７に
示すように、体験者100は把手2に乗りかかるようにして
ジャンプすることもできる。そこで、筐体1の感圧スイ
ッチ5が平均的な体験者の体重より大きい荷重を検出す
るようにしておけば、体験者100が把手2に乗りかかって
ジャンプしたときに、これを通常のジャンプよりも高い
ジャンプとして判定し、これに応じた映像をHMD21又は
スクリーン22表示することにより、実際には体験し得な
いような高いジャンプを仮想的に体験させることができ
る。

【００４４】図８〜１０を参照しながら、走る動作につ
いて説明する。走行中は他の動作よりも体勢が不安定に
なりやすく、また速度が大きいため、トラックボール42
を駆動しても体験者の移動を相殺することはできない。
そこで、図８に示すように、体験者100は筐体1に対面
し、両手で把手2に掴まりながら走行することにより、
体勢を崩すことなく一定位置で安定して走行することが
できる。

【００４５】体験者100の安全のため、仮想空間内で
は、このような方法でしか走行ができないように、コン
ピュータが各装置類を制御するのが好ましい。図９及び
１０に示すように、センサ装置3又は4が検出する体験者
100の位置と筐体1の位置を結ぶ線51と、シューズ31の方
向検出器33が検出するシューズ31の方向、すなわち体験
者100の進行方向52とを比較することにより、体験者100
が筐体1に対面しているかどうかが判定できる。具体的
には、例えば、X-Y座標系において、体験者100の位置と
筐体1の位置を結ぶベクトルと、体験者100の進行方向の
単位ベクトルとの内積を計算し、この値が一定値以上か
どうかを判定すればよい。体験者100が筐体1の操作部6
を操作するなどして、仮想空間のシミュレーションが終
了したとき、モータ45を駆動してシューズ31のトラック
ボール42の回転を停止させることにより、体験者100の
安全を確保するのが好ましい。

【００４６】本発明のシミュレーション装置の第2実施
形態を図１１に示す。本発明実施形態では、体験者100
が装着するシューズは、トラックボール・ユニットなど
を有しておらず、ゴム等でできた摩擦係数の高い靴底を
有する普通のシューズである。シミュレーション装置の
床面には、複数のトラックボール42が整列して埋設され
ている。ここでは図示しないが、この床面のトラックボ
ール42は、第1実施形態同様、図３または４に示すよう
なトラックボール・ユニットとともに設置されており、
トラックボール42の回転量及び回転方向を検出すること
ができるようになっている。このトラックボール・ユニ
ットは、図５に示すように、制御装置と通信可能であ
り、検出信号及び制御信号を送受信する。その他の部材
の構成は第1実施例のものと同様である。

【００４７】本実施例において、体験者100の位置、移
動量及び移動方向を検出する方法を説明する。シミュレ
ーション装置には、あらかじめX軸及びY軸からなる平面
直交座標系を定めておく。トラックボール42はこのX-Y
座標系に沿って配置されている。ここで、各トラックボ
ール42の位置は(X,Y)という座標により表すことができ
る。

【００４８】体験者100の位置は、第1実施例同様に、セ
ンサ3及び4により検出することもできるが、トラックボ
ール42からも検出することができる。体験者100が歩行
又は走行すると、シューズが接しているトラックボール
42のみが回転するので、回転しているトラックボール42
の座標が体験者100の位置を表していることになる。

【００４９】体験者100の移動量及び移動方向は、トラ
ックボール42の回転量及び回転方向から求めることがで
きる。本実施例では、トラックボール・ユニットにもシ
ミュレーション装置と同じくX-Y座標系を与えておく
と、検出されるトラックボール42の回転量及び回転方向
は、そのままX-Y座標系における体験者100の移動量及び
移動方向となる。

【００５０】トラックボール42は抵抗が少ないため、一
度回転すると、体験者100が回転させ続けなくともしば
らく回転し続ける。このため、体験者100が、歩行や走
行をしながら、シミュレーション装置内を自由に移動し
たときに、体験者100がいなくなった場所のトラックボ
ール42の回転までが検出されてしまい、体験者100の位
置や行動が正確に検出されないおそれがある。そこで、
トラックボール・ユニットのゴムローラ部分に感圧スイ
ッチを備えて、感圧スイッチが一定以上の荷重を検出し
ているトラックボール42のみを検出対象とするのが好ま
しい。

【００５１】本発明のシミュレーション装置の第3実施
形態を図１２に示す。本発明実施形態では、体験者100
が装着するシューズ61は、トラックボール・ユニットを
有するが、これらの回転を検出する装置類は備えていな
い。あるいは、底面にローラ部材を有するローラスケー
ト靴のようなシューズを用いてもよい。シミュレーショ
ン装置の床面には、感圧パッド62が敷き詰められてい
る。感圧パッド62内部には圧電センサが含まれており、
床面上の各位置での荷重を検出することができるように
なっている。また、感圧パッド62は、図５に示すよう
に、制御装置と通信可能であり、制御装置に検出信号を
送信する。その他の部材の構成は第1実施例のものと同
様である。

【００５２】本実施例において、体験者100の位置、移
動量及び移動方向を検出する方法を説明する。シミュレ
ーション装置には、あらかじめX軸及びY軸からなる直交
平面座標系を定めておく。感圧パッド62上の位置は、こ
のX-Y座標系において (X,Y)という座標により表すこと
ができる。

【００５３】体験者100の位置は、第1実施例同様に、セ
ンサ3及び4により検出することもできるが、感圧パッド
62からも検出することができる。上述の通り、感圧パッ
ド62内部の圧電センサによって、床面上の各位置での荷
重を検出することができるので、荷重がかかっている位
置が、体験者100の現在の位置あり、この位置を上記で
定められた(X,Y)で表すことができる。

【００５４】体験者100が歩行するときの動作は次のと
おりである。まず、体験者100は前方に一方の足を踏み
出して着地し、この足で床面を後方に蹴る動作をする。
このとき、シューズ61底面のトラックボール又はローラ
部材が回転するとともにこの足は後方に移動する。次
に、他方の足を上記同様前方に踏み出し、この足に体重
を移すとともに後方の足を床面から持ち上げる。これら
の動作が両足で交互に繰り返される。このとき、感圧パ
ッド62は、左右の足の荷重が交互に、体験者100の体の
やや前方からやや後方まで移動するのを検出する。ま
た、走行の動作においても、これと同様な足の動きが検
出される。ここで、感圧パッド62が検出結果する左右の
足の荷重の移動方向は、互いに平行であり、体験者100
のほぼ真後ろの方向となるので、これより、体験者100
の移動方向を決定することができる。

【００５５】さらに、この足の荷重の移動は連続的なも
のであるから、シューズ61底面のトラックボール又はロ
ーラ部材が着地してから再び床面を離れるまでの間に、
感圧パッド62上で移動した距離を、荷重検出結果から算
出することができる。ここで、この移動距離は、足が着
地している間に、トラックボール又はローラ部材が回転
した量ともほぼ等しいので、したがって、これを体験者
100のそれぞれの足よる移動量とみなすことができる。
なお、歩行又は走行速度が高いほど、各着地ごとの移動
量が大きくなり、同時に移動回数も増えるので、単位時
間の移動量は体験者100の移動速度をほぼ正確に表して
いることになる。

【００５６】本発明のシミュレーション装置の第4実施
形態を図１３に示す。本発明実施形態では、体験者100
が装着するシューズ71は、トラックボール・ユニットを
有するが、これらの回転を検出する装置類は備えていな
い。あるいは、底面にローラ部材を有するローラスケー
ト靴のようなシューズを用いてもよい。各シューズ71の
つま先付近及びかかと付近には、カメラにより認識可能
な認識用部材72が取り付けられている。スクリーン22の
4隅の上方には、それぞれ、この認識用部材72認識する
ことができるカメラ部材73が取り付けられている。HMD
を用いる場合には、カメラ部材73は筐体1に取り付ける
ことができる。カメラ部材73は、例えば赤外線カメラ又
はCCDカメラであり、認識用部材72は発光ダイオード等
の発光素子とすることができる。これら合計4個の認識
用部材72は、それぞれ異なる波長を発光するようにし、
それぞれを別個に認識することができるようにしてお
く。シミュレーション装置には、あらかじめX軸、Y軸及
びZ軸からなる直交立体座標系を定めておく。カメラ部
材73は、光学式モーションキャプチャーシステムによ
り、撮像野内の認識部材72を随時検出し、その位置(X,
Y,Z)を算出するようになっている。また、カメラ部材73
は、図５に示すように、制御装置と通信可能であり、制
御装置に検出信号を送信する。その他の部材の構成は第
1実施例のものと同様である。

【００５７】体験者100の位置は、第1実施例同様に、セ
ンサ3及び4により検出することもできるが、カメラ部材
73によっても検出することができる。カメラ部材73は、
シューズ72に取り付けられた4つの認識部材72を検出す
るので、これより体験者100の両足の位置を算出し、体
験者100の位置(X,Y,Z)を決定することができる。

【００５８】体験者100の移動方向及び移動量は、カメ
ラ73によって検出される。カメラ73は、左右それぞれの
シューズ71のつま先及びかかとに取り付けられた認識部
材72の位置を検出するので、これにより左右の足の方向
が分かる。通常、足の向いている方向がそのまま体験者
100の進行方向となるので、これを体験者100の移動方向
とすることができる。また、体験者100の移動量につい
ては、上記の第3実施例と同様な方法で算出することが
できる。すなわち、体験者100の左右それぞれのシュー
ズ71が床面に着地している間に認識部材72が移動した距
離を各足の移動量とすることができる。本実施例におい
て、カメラ73は認識部材72の立体的位置(X,Y,Z)を検出
するので、認識部材72の垂直位置からシューズ71が着地
しているかどうかを判断すればよい。こうして、上記の
第3実施例と同様に、体験者100のそれぞれの足が着地し
ている間に移動する移動距離を、体験者100の移動量と
みなすことができる。

【００５９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明は、大規
模な装置や複雑な構造を必要することなく、体験者が仮
想空間において歩行、走行、しゃがみ込み、ジャンプ等
の動作を自然な感覚でかつ安全に行うことができる仮想
空間シミュレーション装置を提供する。また、これらの
動作を的確に検出して、ディスプレイ装置の映像にフィ
ードバックすることにより、体験者は仮想空間内に存在
し行動しているかのような臨場感溢れるシミュレーショ
ン体験を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシミュレーション装置の第1実施形態
の全体構成を概略的に示す斜視図である。

【図２】本発明のシミュレーション装置において体験者
が装着するシューズの拡大図である。

【図３】本発明に用いる機械式トラックボール・ユニッ
トの透過斜視図である。

【図４】本発明に用いる光学式トラックボール・ユニッ
トの透過斜視図である。

【図５】本発明の制御装置と各装置類との通信方法を示
すブロック図である。

【図６】本発明のシミュレーション装置において、体験
者がしゃがみ込んだ状態を示す図である。

【図７】本発明のシミュレーション装置において、体験
者が筐体に寄りかかってジャンプした状態を示す図であ
る。

【図８】本発明のシミュレーション装置において、体験
者が走行している状態を示す図である。

【図９】体験者と筐体の位置関係を示す平面図である。

【図１０】体験者と筐体の位置関係を示す平面図であ
る。

【図１１】本発明のシミュレーション装置の第2実施形
態の全体構成を概略的に示す斜視図である。

【図１２】本発明のシミュレーション装置の第3実施形
態の全体構成を概略的に示す斜視図である。

【図１３】本発明のシミュレーション装置の第4実施形
態の全体構成を概略的に示す斜視図である。

【符号の説明】

1 筐体 2 把手 3 上部センサ 4 下部センサ 5 感圧スイッチ 6 操作部 7 パッド 22 スクリーン 31 シューズ 32 感圧スイッチ 33 方向検出器 41 トラックボール・ユニット 42 トラックボール 43 ゴムローラ 44 回転量検出器 45 モータ 46 ギア 47 支持ローラ 48 回転量検出器 61 シューズ 62 感圧パッド 71 シューズ 72 認識用部材 73 カメラ部材 100 体験者

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスプレイ上に表示される仮想空間に
   おいて、体験者が自由に行動することが可能なシミュレ
   ーション・システムであって、前記仮想空間を表示する
   ためのディスプレイ手段と、体験者が掴まるための固定
   された筐体と、体験者の位置、移動量及び移動方向を検
   出する手段と、検出された体験者の位置、移動量及び移
   動方向に基づいて、前記ディスプレイ手段の表示を制御
   する手段と、を備えることを特徴とするシミュレーショ
   ン・システム。
2. 【請求項２】 ディスプレイ装置に表示される仮想空間
   において、体験者が自由に行動することが可能なシミュ
   レーション装置であって、前記仮想空間を表示するため
   のディスプレイ装置と、前記シミュレーション装置に固
   定された筐体と、前記筐体に取り付けられた、体験者を
   検出するためのセンサ装置と、左右1対のシューズであ
   って、それぞれ底面に1個以上の回転自在なトラックボ
   ールと該トラックボールの回転量を検出する回転量検出
   器と、該シューズの方向を検出する方向検出器とを有す
   るシューズと、前記ディスプレイ装置、前記センサ装
   置、前記回転量検出器及び前記方向検出器と通信可能な
   制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記センサ装置
   の検出情報から体験者の位置を決定し、前記回転量検出
   器の検出情報から体験者の移動量を決定し、前記方向検
   出器の検出情報から体験者の移動方向を決定し、前記体
   験者の位置、移動量及び移動方向に基づいて前記ディス
   プレイ装置の表示を制御することを特徴とするシミュレ
   ーション装置。
3. 【請求項３】 ディスプレイ装置に表示される仮想空間
   において、体験者が自由に行動することが可能なシミュ
   レーション装置であって、前記仮想空間を表示するため
   のディスプレイ装置と、前記シミュレーション装置に固
   定された筐体と、複数の回転自在なトラックボールが整
   列して配置された床面であって、前記トラックボールの
   回転量及び回転方向を検出する回転量検出器を有する床
   面と、前記ディスプレイ装置及び前記回転量検出器と通
   信可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記回
   転量検出器の検出情報から体験者の位置を決定し、前記
   回転量検出器の検出情報から体験者の移動量及び移動方
   向を決定し、前記体験者の位置、移動量及び移動方向に
   基づいて前記ディスプレイ装置の表示を制御することを
   特徴とするシミュレーション装置。
4. 【請求項４】 請求項２又は３のいずれかに記載のシミ
   ュレーション装置において、前記回転量検出器は、前記
   トラックボールの少なくとも1つにかかる荷重を検出す
   る感圧スイッチを備えることを特徴とするシミュレーシ
   ョン装置。
5. 【請求項５】 請求項２乃至４のいずれかに記載のシミ
   ュレーション装置において、前記トラックボールは駆動
   可能であり、前記制御装置からの信号により駆動される
   ようになっていることを特徴とするシミュレーション装
   置。
6. 【請求項６】 ディスプレイ装置に表示される仮想空間
   において、体験者が自由に行動することが可能なシミュ
   レーション装置であって、前記仮想空間を表示するため
   のディスプレイ装置と、前記シミュレーション装置に固
   定された筐体と、左右1対のシューズであって、それぞ
   れ底面に1個以上の回転自在なトラックボール又はロー
   ラ部材を有するシューズと、感圧パッドを表面に備えた
   床面と、前記ディスプレイ装置及び前記感圧パッドと通
   信可能な制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記感
   圧パッドの検出情報から体験者の位置を決定し、前記感
   圧パッドの検出情報から体験者の移動量及び移動方向を
   決定し、前記体験者の位置、移動量及び移動方向に基づ
   いて前記ディスプレイ装置の表示を制御することを特徴
   とするシミュレーション装置。
7. 【請求項７】 ディスプレイ装置に表示される仮想空間
   において、体験者が自由に行動することが可能なシミュ
   レーション装置であって、前記仮想空間を表示するため
   のディスプレイ装置と、前記シミュレーション装置に固
   定された筐体と、左右1対のシューズであって、それぞ
   れ底面に1個以上の回転自在なトラックボール又はロー
   ラ部材と1個以上の認識用部材とを有するシューズと、
   前記シミュレーション装置に固定され、前記認識用部材
   を認識可能なカメラ部材と、前記ディスプレイ装置及び
   前記カメラ部材と通信可能な制御装置と、を備え、前記
   制御装置は、前記カメラ部材の検出情報から体験者の位
   置を決定し、前記カメラ部材の検出情報から体験者の移
   動量及び移動方向を決定し、前記体験者の位置、移動量
   及び移動方向に基づいて前記ディスプレイ装置の表示を
   制御することを特徴とするシミュレーション装置。
8. 【請求項８】 請求項３乃至７のいずれかに記載のシミ
   ュレーション装置において、前記筐体は、前記制御装置
   と通信可能な、体験者を検出するためのセンサ装置を含
   むことを特徴とするシミュレーション装置。
9. 【請求項９】 請求項２又は８のいずれかに記載のシミ
   ュレーション装置において、前記センサ装置は、前記筐
   体上部に取り付けられた上部センサと、前記筐体下部に
   取り付けられた下部センサとからなることを特徴とする
   シミュレーション装置。
10. 【請求項１０】 請求項２乃至９に記載のシミュレーシ
    ョン装置において、前記ディスプレイ装置は、前記筐体
    の周囲に設置したスクリーン又は体験者の頭部に装着可
    能なヘッド・マウンテッド・ディスプレイ（HMD）であ
    ることを特徴とするシミュレーション装置。
11. 【請求項１１】 請求項２乃至１０のいずれかに記載の
    シミュレーション装置において、前記筐体は体験者が掴
    まるための把手を有し、前記センサ装置は前記把手にか
    かる荷重を検出する感圧スイッチを含むことを特徴とす
    るシミュレーション装置。
12. 【請求項１２】 前記制御手段と通信可能な操作部を備
    え、体験者が前記操作部により前記シミュレーション装
    置を操作できるようになっていることを特徴とする請求
    項２乃至１１のいずれかに記載のシミュレーション装
    置。