運動の強調・抑制を可能とするインタフェ ース実現に向けた視知覚特性の研究 永谷 直久 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 2012 年 3 月 運動の強調・抑制を可能とするインタフェ ース実現に向けた視知覚特性の研究 博士論文審査委員会 主査 横井 浩史 教授 委員 下条 誠 教授 委員 小池 卓二 教授 委員 梶本 裕之 准教授 委員 稲見 昌彦 教授 著作権所有者 永谷 直久 2012 The study of motion visual perception characteristics to enhance or suppress motion in visual interface Naohisa Nagaya Abstract This thesis shows engineering techniques that can affect on human motion perception and investigates the characteristics of that perception by psychophysics experiments. Visual motion perception is a function that helps to cope when a change of environment happens and a function to get information on how to react appropriately. It is thought that the change of motion has two directions which can enhance and/or suppress the visual motion perception. In this thesis, I aim to implement techniques to give change of motion perception in these two directions and investigate the change of the characteristic. And I show that I use three techniques for enhance and/or suppress motion. First, I covered information from the outside using a liquid crystal shutter periodically to realize the suppress motion by decrease in movement ingredient and controlled the quantity of the blur as a movement ingredient perceived. Suppress motion was enabled by decreasing the quantity of the blur and showed what was able to improve the surface visibility of the moving object that was not able to observe by the naked eye and evaluated the characteristic about the visibility. Next, I enhance the rotating motion perception by using eye movement induced by galvanic vestibular stimulation and investigated responsibility of rotating angle and phase delay from stimulus. Finally, I showed that in order to let perceive both enhance and suppress motion that was perceived by the relative movement has to be provided by a moving object and the background motion. In order to find the characteristics of motion visual perception I carried out few experiments. With these experiments I found that if the background was moved adversely with variable speed while object speed kept static the relative speed changes based on different participants. These findings showed that it is able to implement user based enhance and/or suppress motion perception. With the vision system implementation we clarify the above characteristics. 運動の強調・抑制を可能とするインタフェース 実現に向けた視知覚特性の研究 永谷 直久 概要 本論文では視覚における運動の知覚に注目し，運動の視知覚に対して変化を与えるイン タフェース設計のための知見を獲得することを目標として，視覚刺激の周期的な遮断によ るモーションブラーの制御，前庭感覚電気刺激により引き起こされる視野運動，背景画像 の運動を誘導刺激とした対象の運動対比，という 3 つの手法を用いて運動の知覚を変容さ せることで得られる視知覚特性を調べた． ヒトの視知覚の中でも運動の知覚は狩猟や外敵の発見など生存と密接に結びついており， 重要な視覚機能であったと考えられる．運動の知覚といっても，外部環境に対して自己の 位置や自己の運動に関する自己身体運動の知覚と，外部環境全体または外部環境に存在す る対象の運動の知覚の 2 つの運動の知覚がある．本論文では，環境または対象の運動の知 覚を主に取り扱う．環境の運動の知覚は外界の変化に対応するための機能であり，変化に 対して適切に反応をするための情報を得る機能であると考えることができる．運動の知覚 に変化を与えるということは，外界の動きの変化を実際の変化とは異なって知覚させると いうことになる．その実際の変化とは異なった運動の知覚は，実際の動き成分を強調また は動きを引き起こすことで大きくするという手法と，実際の動きの成分を抑制または動き を小さくすることで小さくするという 2 つの実現手法があると考えられる． 本論文では，工学的に強調と抑制という 2 つの側面から運動の知覚に変化を与える手法 を実装し，知覚特性の変化を調べることを目的とする．特に，本論文では実際の動き成分 を増大または運動を引き起こすことを「運動の強調」，逆に動きを小さくすることを「運動 の抑制」と定義し， 3 つの手法を用いて運動知覚に変化を与えて，そこから得られる知覚 特性を検証した． まず，運動の抑制の研究として，液晶シャッタを用いて外界の情報を周期的に遮蔽し， 視覚情報の時間成分に対して影響を与える Stop Motion Goggle による動き成分の抑制手法に 関して述べた．動き成分の減少に関する知覚特性を検証するため，液晶シャッタを用いて 外界からの視覚刺激を周期的に遮蔽し，観察対象の運動により生じるモーションブラーの 量を制御することで，運動する対象の視認性がどのように変化するかを検証した．実験結 果から，肉眼では観察できない運動対象の視認性が，液晶の開放時間の減少（4.0ms～0.6ms） に伴い大きく向上することを明らかにした．これより，運動知覚の手掛かりの一つである モーションブラーの量を，シャッタの開放時間の減少により抑制することで，運動対象の 視認性が向上することを示した． 次に，運動の強調の研究として，視野運動が眼球運動によって引き起こせることを示す ため，前庭感覚電気刺激（Galvanic Vestibular Stimulation）により引き起こされる前庭動眼反 射を用いることで，静止している外界が回旋運動して知覚されることを示した．また，こ こで知覚される視野運動の，刺激周波数および刺激電流値に対する回旋角度，刺激から運 動が生起されるまでの位相遅れに関する知覚特性を明らかにした．これにより，本来は静 止しているはずの環境が，前庭感覚電気刺激による眼球運動によって，刺激電流値や刺激 周波数に依存した回旋運動をしているように知覚されるという，運動知覚の強調が起こっ ていることを示した． 最後に，実環境を運動する対象とその背景の画像が運動することで得られる相対運動の 制御により運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を 検証し，その速度の知覚特性を明らかにした．その結果，対象の運動方向と同方向に背景 を動かした場合は知覚される速度が低下し，逆方向に背景を動かした場合は上昇すること を明らかにした．つまり，背景の運動の制御により，対象の速度が実際の速度よりも遅く または速く知覚されるようになったということであり，運動知覚の抑制と強調がそれぞれ 引き起こされていることを示した． 全体の考察として，これら 3 つの手法による運動知覚への影響が，どのようなメカニズ ムによってもたらされるのかを議論した．また，それぞれの手法から得られる運動知覚へ の効果を，どのような場面で用いることができるのか，その応用例と制約条件を明らかに し，新しい視覚インタフェース設計のための知見を示した． 以上の知見から，運動知覚の強調・抑制という変化を与えることが工学的に実装可能で あることを示し，その特性を明らかにした． 1 目次 第1章 序論 .................................................................................................................................... - 1 - 1.1 緒言 ‐ヒトにとっての運動の視知覚‐ ......................................................................... - 1 - 1.2 本研究の工学的意義............................................................................................................. - 2 - 1.2.1 本研究の位置づけと応用範囲 ..................................................................................... - 2 - 1.2.2 人間の情報処理過程 －知覚とは‐ ......................................................................... - 2 - 1.3 本論文の背景 –運動の知覚特性- ..................................................................................... - 3 - 1.4 本論文の目的......................................................................................................................... - 5 - 1.5 本論文の構成......................................................................................................................... - 5 - 第2章 運動の知覚と視覚インタフェース ................................................................................. - 7 - 2.1 緒言 ........................................................................................................................................ - 7 - 2.2 運動の視知覚と眼の生理学的構造 ..................................................................................... - 7 - 2.2.1 実際運動と仮現運動..................................................................................................... - 7 - 2.2.2 眼の構造......................................................................................................................... - 9 - 2.2.3 網膜の構造..................................................................................................................... - 9 - 2.2.4 眼から皮質への投射................................................................................................... - 11 - 2.3 前庭感覚と前庭器官の生理学的構造 ............................................................................... - 13 - 2.3.1 前庭動眼反射............................................................................................................... - 13 - 2.3.2 前庭感覚....................................................................................................................... - 15 - 2.3.3 有毛細胞....................................................................................................................... - 15 - 2.3.4 耳石器の構造と特性................................................................................................... - 16 - 2.3.5 回転角の知覚............................................................................................................... - 17 - 2.4 視覚インタフェース........................................................................................................... - 18 - 2.4.1 環境設置型視覚インタフェース ............................................................................... - 19 - 2.4.2 身体設置型視覚インタフェース ............................................................................... - 23 - 2.4.3 各設置点別視覚インタフェースの特徴 ................................................................... - 25 - 2.5 第3章 結言 ...................................................................................................................................... - 26 運動の抑制とその視知覚特性 ....................................................................................... - 27 - 3.1 緒言 ...................................................................................................................................... - 27 - 3.2 関連研究 .............................................................................................................................. - 28 - 3.3 Stop Motion Goggle(SMG)の理論的背景........................................................................... - 29 - 3.4 Stop Motion Goggle .............................................................................................................. - 31 - 3.4.1 システム構成............................................................................................................... - 31 - 3.4.2 液晶シャッタ............................................................................................................... - 31 - 3.4.3 液晶駆動制御回路....................................................................................................... - 33 - 3.5 3.5.1 SMG を用いた知覚評価実験 ............................................................................................. - 34 実験結果....................................................................................................................... - 36 i 考察 .............................................................................................................................. - 38 - 3.5.2 3.6 SMG の実演を通じたユーザースタディ ......................................................................... - 40 - 3.6.1 コイン回し................................................................................................................... - 40 - 3.6.2 灯りを見る................................................................................................................... - 40 - 3.6.3 体験者の反応と考察................................................................................................... - 41 - 3.7 結言 ...................................................................................................................................... - 41 - 第4章 運動の強調とその視知覚特性 ....................................................................................... - 43 - 4.1 緒言 ...................................................................................................................................... - 43 - 4.2 Galvanic Vestibular Stimulation(GVS)を用いた先行研究 ................................................. - 44 - 4.2.1 人の姿勢・歩行運動制御における GVS の研究 ..................................................... - 44 - 4.2.2 眼球運動への影響....................................................................................................... - 45 - 4.2.3 GVS を用いたインタフェースの研究 ...................................................................... - 45 - 4.3 実験 1：GVS による視覚への影響評価実験 ................................................................... - 47 - 4.3.1 実験 1-1：刺激視標を空間座標に固定した実験..................................................... - 49 - 4.3.2 実験 1-2：刺激視標を頭部座標に固定した実験..................................................... - 53 - 4.3.3 実験 1-3：刺激視標を網膜座標に固定した実験..................................................... - 55 - 4.3.4 実験 1：統計分析結果................................................................................................ - 55 - 4.3.5 実験 1：考察................................................................................................................ - 58 - 4.4 実験 2：GVS による主観的回旋運動計測実験 ............................................................... - 60 - 4.4.1 実験結果：主観的視野運動の回旋量 ....................................................................... - 62 - 4.4.2 実験結果：被験者の内観報告 ................................................................................... - 64 - 4.4.3 実験 2：考察................................................................................................................ - 64 - 4.5 実験 3：GVS による眼球運動計測実験 ........................................................................... - 67 - 4.5.1 画像による眼球運動解析プログラム ....................................................................... - 67 - 4.5.2 実験結果 1：各刺激周波数における被験者内データ ............................................ - 74 - 4.5.3 実験結果 2：解析データのモデル式： Asint へのフィッティング ....... - 82 - 4.5.4 実験 3 考察................................................................................................................... - 89 - 4.6 第5章 結言 ...................................................................................................................................... - 93 運動の強調・抑制とその視知覚特性 ........................................................................... - 94 - 5.1 緒言 ...................................................................................................................................... - 94 - 5.2 関連研究 .............................................................................................................................. - 96 - 5.3 画像提示装置を用いたロボットの制御手法 ................................................................... - 97 - 5.3.1 Display-Based Computing ............................................................................................ - 97 - 5.3.2 画像提示装置を用いたロボットの制御 ................................................................... - 97 - 5.4 相対速度知覚測定実験....................................................................................................... - 99 - 5.4.1 実験結果..................................................................................................................... - 104 - 5.4.2 考察 ............................................................................................................................ - 106 - 5.5 第6章 結言 .................................................................................................................................... - 107 考察 ................................................................................................................................ - 108 ii 6.1 緒言 .................................................................................................................................... - 108 - 6.2 運動対象の知覚への影響................................................................................................. - 108 - 6.3 運動知覚に作用するメカニズム..................................................................................... - 109 - 6.3.1 SMG による運動抑制のメカニズム ....................................................................... - 109 - 6.3.2 GVS による運動強調のメカニズム ........................................................................ - 109 - 6.3.3 運動対比による運動の強調と抑制のメカニズム ................................................. - 110 - 6.4 運動の強調・抑制を行う視覚インタフェース ............................................................. - 110 - 6.4.1 各手法の応用例......................................................................................................... - 110 - 6.4.2 各手法の制約条件..................................................................................................... - 111 - 6.5 第7章 結言 .................................................................................................................................... - 112 結論 ................................................................................................................................ - 113 - 謝辞 .................................................................................................................................................... - 115 参考文献 ............................................................................................................................................ - 117 関連論文の印刷公表の方法及び時期............................................................................................. - 125 参考論文の印刷公表の方法及び時期............................................................................................. - 125 受賞歴リスト .................................................................................................................................... - 126 著者略歴 ............................................................................................................................................ - 127 - iii 図目次 図 1 感覚入力から知覚へ................................................................................................................ - 3 図 2 ミュラー・リヤーの錯視........................................................................................................ - 8 図 3 ランダムドットキネマトグラム ............................................................................................ - 8 図 4 眼球の断面図............................................................................................................................ - 9 図 5 網膜の構造.............................................................................................................................. - 10 図 6 眼から脳への神経連絡.......................................................................................................... - 11 図 7 MT 野の領野............................................................................................................................ - 12 図 8 有毛細胞の構造...................................................................................................................... - 16 図 9 前庭器官の構造...................................................................................................................... - 17 図 10 人間・環境間に介在するインタフェース ........................................................................ - 18 図 11 パララックスバリア方式（図左）とレンチキュラレンズ方式（図右）の構造（[33]より 引用） ...................................................................................................................................... - 20 図 12 TWISTER[34]......................................................................................................................... - 20 図 13 Perspecta 3D の構成（図左）と外観（図右） （[35]より引用） ...................................... - 21 図 14 360 Light Field Display の外観（図左）と構成（図右）（[36]より引用） ..................... - 21 図 15 CABIN のプロジェクタとスクリーン配置 （[39]より引用） ..................................... - 22 図 16 再帰性投影技術の構成 （[41]より引用） ..................................................................... - 22 図 17 サッカードディスプレイ （[42]より引用） ................................................................. - 23 図 18 コンタクトレンズディスプレイ （[44]より引用） ..................................................... - 24 図 19 Stop Motion Goggle（SMG）の概念図 ............................................................................... - 29 図 20 SMG システム図 ................................................................................................................... - 31 図 21 FLC（LV2500P-OEM）の概観 ............................................................................................ - 32 図 22 FLC 動作特性測定システム ................................................................................................ - 32 図 23 印可時間による FLC の動作特性 ...................................................................................... - 33 図 24 SMG 駆動波形制御回路 ....................................................................................................... - 33 図 25 実験構成図............................................................................................................................ - 35 図 26 視標加速装置........................................................................................................................ - 36 図 27 開放時間と正答率 25Hz ................................................................................................... - 37 図 28 開放時間と正答率 50Hz ................................................................................................... - 37 図 29 周波数ごとの開放時間と正答率 ........................................................................................ - 38 図 30 ランドルト環の向きと正答率の関係 25Hz ................................................................... - 39 図 31 ランドルト環の向きと正答率の関係 50Hz ................................................................... - 39 図 32 ランドルト環の向きによる影響 ........................................................................................ - 39 図 33 回転するコインと SMG を通して見た時のコイン ......................................................... - 40 図 34 ミニチュア夜景.................................................................................................................... - 41 図 35 視覚への影響（イメージ図）............................................................................................ - 47 iv 図 36 前庭感覚電気刺激装置とその回路図（回路図は[97]より引用） ................................. - 49 図 37 実験系構成概念図（実験 1）............................................................................................. - 49 図 38 各刺激周波数における反応特性 ........................................................................................ - 51 図 39 実験系構成概念図（実験 2）............................................................................................. - 53 図 40 各刺激周波数における反応特性 ........................................................................................ - 54 図 41 提示画像イメージ図（水平）............................................................................................ - 55 図 42 実験構成概念図.................................................................................................................... - 61 図 43 主観的視野運動の回旋角度：刺激周波数 1Hz 時 ........................................................... - 62 図 44 主観的視野運動の回旋角度：刺激電流値 1mA 時 .......................................................... - 62 図 45 刺激からの位相差：刺激周波数 2Hz 時 ........................................................................... - 63 図 46 刺激からの位相差：刺激電流値 2mA 時 .......................................................................... - 63 図 47 回旋運動に対する最小運動閾値と刺激周波数の関係 .................................................... - 63 図 48 Cross-correlation 法を用いた眼球運動解析ソフト（NTT 光藤）................................... - 68 図 49 瞳孔径と虹彩紋理領域........................................................................................................ - 69 図 50 製作した頭部固定型アイカメラ ........................................................................................ - 69 図 51 Firefly MV .............................................................................................................................. - 70 図 52 眼球画像への周辺環境情報の映りこみ ............................................................................ - 71 図 53 瞳孔への光源の映り込み.................................................................................................... - 71 図 54 製作したアイカメラで撮影した眼球画像 ........................................................................ - 72 図 55 実験構成 ............................................................................................................................... - 73 図 56 実験構成概念図.................................................................................................................... - 73 図 57 刺激周波数 0.1Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 75 図 58 刺激周波数 0.25Hz における各被験者の眼球回旋量 ...................................................... - 76 図 59 刺激周波数 0.5Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 77 図 60 刺激周波数 0.8Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 78 図 61 刺激周波数 1.0Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 79 図 62 刺激周波数 1.6Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 80 図 63 刺激周波数 2.0Hz における各被験者の眼球回旋量 ........................................................ - 81 図 64 推定した振幅 A の周波数応答 ........................................................................................... - 83 図 65 推定した θ[deg]の周波数応答グラフ ................................................................................ - 83 図 66 推定した θ[rad]の周波数応答グラフ ................................................................................. - 84 図 67 被験者 A のフィッティングデータ ................................................................................... - 86 図 68 被験者 B のフィッティングデータ ................................................................................... - 87 図 69 被験者 C のフィッティングデータ ................................................................................... - 88 図 70 主観的視野運動の周波数特性グラフとの比較 ................................................................ - 90 図 71 直線的加速度付加時の眼球運動 （文献[111]より引用）............................................ - 91 図 72 直線的加速度付加時の眼球運動周波数特性（文献[111]より引用）............................ - 92 図 73 GVS 誘因性の眼球運動周波数特性 .................................................................................... - 92 図 74 Shader Lamps.......................................................................................................................... - 96 v 図 75 車両型ロボットに対する CG の重畳 ................................................................................ - 96 図 76 DBC の概念図 ....................................................................................................................... - 97 図 77 DBC のシステム概要（[124]より引用） ........................................................................... - 98 図 78 速度知覚評価実験（左）と相対速度知覚評価実験（右）の調整する項目の違い .... - 99 図 79 ディスプレイと被験者視点の位置関係 .......................................................................... - 100 図 80 実験で用いたランダムドット画像 .................................................................................. - 100 図 81 実験装置 ............................................................................................................................. - 101 図 82 センサの配置...................................................................................................................... - 102 図 83 回路ブロック図（[124]より引用） ................................................................................. - 102 図 84 速度知覚評価実験結果（被験者 6 のみ） ...................................................................... - 104 図 85 相対速度知覚実験結果（被験者 6 のみ） ...................................................................... - 105 - 表目次 表 1 FLC（LV2500P-OEM）仕様 .................................................................................................. - 32 表 2 実験条件別照度...................................................................................................................... - 35 表 3 実験-要因対応表 .................................................................................................................... - 48 表 4 分散分析表（個人差 × 画像の固定座標系 × 頭部固定条件 × 刺激周波数） ........... - 57 表 5 分散分析表（個人差 × 提示画像の種類 × 頭部固定条件 × 刺激周波数） ................. - 57 表 6 Firefly MV 仕様 ....................................................................................................................... - 70 表 7 ロボットのスペック表........................................................................................................ - 101 表 8 全被験者の速度知覚および相対速度知覚実験結果 ........................................................ - 104 - vi 第1章 1.1 序論 緒言 ‐ヒトにとっての運動の視知覚‐ 本論文では視覚における運動の知覚に注目し，運動の視知覚に対して変化を与えることが可能 な視覚インタフェースを実現するためにヒトの運動に関する視覚特性の評価と考察を行う． ヒトの視知覚の中でも，とりわけ運動の知覚は人類の文明発生以前より，狩猟や外敵の発見な ど生存と密接に結びついており，環境に適応して生存する上で重要な視覚機能であった．運動の 知覚とは外界の変化に対応するための機能の一環であり，特に，変化に対して適切に反応をする ための情報の獲得を実現する機能である．Nakayama は運動視を色彩視や立体視と同様に直接的経 験であり，生物にとって最も基本的な感覚処理過程であると位置づけた[1]． 狩猟を主な生活基盤としない現在においても，運動の知覚が我々の生活に深くかかわっている という例は，神経科学者である Ramachandran の著述[2]に見ることができる．ここでは，脳の中で 視覚からの運動の情報を処理する一領域である MT 野を損傷し「運動盲」になった女性の例が報 告されている．この女性は，物の形や人の顔を認識することはできるが，走っている人や道路を 走行している車が滑らかな運動として見えず，静止したストロボ撮影のスナップ写真のように見 えるという．また，彼女は運動というものが認識できないため人と向き合って話していても表情 の変化などが見えないため電話で話しているような感じがすると語っている．通常であれば，簡 単な作業ということができるコーヒーをカップに注ぐという動作も，カップに入ったコーヒーの 液面が上がってくるスピードが分からないため，いつもあふれて床にこぼしてしまう． この例は，運動の知覚が我々の生活にとって非常に重要な機能であることを示している．走行 している車の動きが正確に知覚できないのであれば，車の運転のしようがないし，人混みの中を 歩くことさえ困難であろう．我々の周りの環境は常に変化しており，その中に我々が飛び込んで 動きまわることで，より環境は複雑に変化していく．この変化とは主に動きによってもたらされ る，相対的な位置情報の変化であると言える． では，運動盲ではない人々に対して運動の視知覚に変化を与えることは意味があるのだろうか． 我々はなんとはなしにコーヒーをカップに注ぐことができるし，走行している車の動きを滑らか に知覚することができる．しかし，高速道路を走った後に一般道に移ると速度感覚が狂い，思っ ている以上の速度を出してしまう時がある．これは主に視覚的な速度刺激に対する順応によって 生じるものであるが，我々は動きの物理量そのものを正確に知覚できているわけではないのであ る． このように，運動の知覚は我々の生活において重要な機能でありながら，環境の物理的な情報 を正確に知覚しているわけでもない．そこで，運動の視知覚に対して知覚特性を考慮した変化を 与えることで実際の環境情報をより正確に，またはより強調して注意を引くように提示すること が可能となるのではないのかということが本論文におけるリサーチクエッションとなっている． そのため，本論文ではまず運動の知覚において，動きが強調または抑制されたように知覚される 環境を構築し，その知覚特性を検証する．ここで得られた知覚特性を考察することで，運動の知 覚を制御するような新たな視覚インタフェース実装の知見を得ることが本論文のテーマとなって いる． -1- 1.2 本研究の工学的意義 1.2.1 本研究の位置づけと応用範囲 20 世紀後半の情報処理技術の向上と多感覚情報提示技術の勃興は，バーチャルリアリティ （VR：Virtual Reality）的な現実世界の知覚的再構築という枠組みを超えて，現実世界にリアルタ イムでの情報付加による拡張された現実を構築する拡張現実感技術（AR：Augmented Reality）へ と派生していった．近年，AR とは異なり使用者に対して，感覚そのもの，もしくは知覚能力が強 化されたかのように情報を提示する AH：Augmented Human というコンセプトが注目され始めて いる．VR がこれまでに人工的に現実世界の知覚的再構築や，空間的または時間的な遠隔地の環境 の構築（これらの使用者があたかも遠隔地にいるかのように体験する技術をテレイグジスタン ス：telexistance と呼ぶ[3]）を行って来たのに対して，AR や AH では人工的に現実世界に情報を 付加する，あるいは除去することで新しい情報提示システムを構築することを目指している． 本論文は，これらのうち AH 的な枠組みに立脚し，運動の知覚という我々の生活ひいては生存 に重要な役割を果たしている機能に介在することで，新しい情報提示システムの構築を目指すも のである．運動の知覚という視機能に介在するといっても，その実現手法としては実際の動き成 分を強調または動きを引き起こすことで大きくするという手法と，実際の動きの成分を抑制また は動きを小さくすることで小さくするという 2 つがあると考えられる．本論文では，実際の動き 成分を増大または運動を引き起こすことを「運動の強調」，逆に動きを小さくすることを「運動の 抑制」とし，それぞれ 3 つの手法を用いて運動知覚に変化を与えることが可能であるか検証する とともに，その知覚特性を明らかにする． 我々の生活に関わる運動の例を挙げるならば，枚挙に暇がない．テレビをつければ画面上の人 物や風景が動き，コップに水を注いで飲もうとすれば，コップを食器棚から取って水を入れるま でにも動きがある．外に出れば往来する車や歩行者が動いており，空を見れば雲が動いている． 自分も歩きまわれば時々刻々と変化する風景の中で商店の電光掲示板や街灯のネオンサインが動 いている．電車に乗れば，近くの風景は肉眼では視認できぬほどに早々と過ぎ去っていく．運動 の知覚を制御できるならば，これらのあらゆる刺激全てに応用できると言える． 例えば，往来する車のうち特定の方向や速度以上の車のみ強調して知覚させたり，多種多様な 商店の看板の中でも特定の動きをする看板のみ強調して表示したり，あるいは電車や自動車に乗 っていても標識や看板を立ち止ってみているかのように明瞭に見ることができるということが実 現できると考えている． 1.2.2 人間の情報処理過程 －知覚とは‐ 前節で運動の知覚に対して人工的に介在するということを述べたが，人間の情報処理過程にど のように介在するか本節で概説する． まず，「知覚」という言葉が情報処理においてどの段階であるのか本論文における定義を行う． 知 覚とは図 1 のよ うに外 界から の感覚 入力が脳 によっ て処理 され，知 覚表象 （ perceptual representation）が作られる[4]．本論文では，この過程の結果として私たちに意識されるものを知 覚と呼ぶ．例えば，視覚系において網膜でとらえた外界の光は感覚入力であり，それが視覚野な どで処理されて風景として意識に上ったものが知覚である．我々にとって感覚入力とは外界から -2- の物理的な刺激であり，知覚とは刺激が脳や神経系を通して処理された意識できる情報であると 言い換えることができる．また，知覚と認知の違いに関して言及するならば，下條は知覚と認知 の違いを以下のように分けている．すなわち，知覚とはその場の状況やあらかじめの予見，知識 に比較的左右されないもの．曖昧さはあるが，どの解釈が一番確からしいか，それを決める分析 の仕方があらかじめ組み込まれていて，入力のパターンから解釈が自動的に決まるもの．認知と は，知識や予見の影響を強くこうむり，状況次第で結論が変わるものとしている[5]．知覚も認知 も感覚入力が脳や神経系で処理された後の過程であることは同じである． 図1 感覚入力から知覚へ 本論文で検証する手法は，図 1 の処理過程のうち感覚入力に対して影響を与える．それによっ て，変化した知覚表象を心理物理実験により定量化し知覚特性を明らかにする．この知見から逆 に望みの知覚特性を得るために，感覚入力をどのように変化させればよいのか（本論文では動き 成分をどのように強調または抑制するのか）ということが明らかになり，システムとして実装を 行うことで新しい視覚インタフェースの設計が可能になる． 1.3 本論文の背景 –運動の知覚特性- 我々の生活において，運動の知覚が重要な機能を担っていることはすでに述べてきた．そのた め，ヒトの運動の知覚に関する生理学的な研究に関しては古くから数多く行われており，運動の 方向や速度などに関する知覚特性が明らかとなってきている．運動の知覚といっても，外部環境 に対して自己の位置や自己の運動に関する自己身体運動の知覚と，外部環境全体または外部環境 に存在する対象の運動の知覚の 2 つの運動の知覚がある． 前者は視覚情報に加え，皮膚表面における触感覚や筋や腱の緊張に関する自己受容感覚を含む 体性感覚情報，前庭感覚器官（耳石器および三半規管）による平衡感覚情報などの複数の感覚モ ダリティが関与する問題である[6]．自己運動感覚における視覚の役割として， Gibson は知覚情 報処理に関する生態光学的な考察によって，視覚情報の中に観察者の自己運動に関する情報が含 まれていることを示し，そのような視覚情報を視覚的自己受容感覚（visual proprioception）と呼ん だ[7]．特に，視覚情報により引き起こされた自己運動知覚を「視覚誘導性自己運動知覚：ベクシ ョン（vection） 」と呼ぶ．ベクション現象は，視野の大部分を占める広い領域で視覚刺激が均一に 運動すると，物理的には静止しているはずの自分の身体が，視覚刺激の運動とは反対方向に運動 して知覚される現象である．これまで，このようなベクションの現象特性や，その生起強度に影 響をおよぼす視覚刺激特性を明らかにすることにより，自己運動知覚の成立メカニズムを検討す る試みが数多くなされてきている[6],[8],[9]． 一方で，後者の環境に存在する対象の運動知覚は主に視覚による知覚現象である．本論文で取 り扱う運動の知覚も，対象の運動知覚である．以降，これまで明らかにされてきた視覚における 対象の運動知覚に関する生理学的な知見の概説を行う（網膜からの脳への投射経路などの詳説は 第 2 章に譲る） ． -3- 運動に関する知覚特性としては，最少運動閾値（minimum motion threshold）などの研究がなさ れてきており，その特性は静止参照刺激がある場合の相対運動閾とない場合の絶対運動閾では異 なることが知られている．静止参照刺激を用いた線分やドットの最少運動閾（相対運動閾）は， 網膜でも最も感度の高い中心窩において視角 10″（= 0.0028deg）以下となり[10]，網膜周辺では 視角 1′程度である[11]．これは空間解像視閾である視角 30″より低いため超視力（hyperacuity） と呼ばれ，静止している物体に対する処理機構と運動している物体に対する処理機構が異なる精 度を持っていることを示している．特に，刺激運動視標としてランダムドットを用いて測定した 研究から，最適条件において最少運動閾は 5″程度であることが報告されている[12]．最小運動閾 は視標の移動距離ではなく速度が決定要因となり，時間周波数を独立変数に取った場合に 2Hz 前 後で最小値を示す[13]などの知見がある．これに対して，参照刺激のない絶対運動閾は相対運動閾 よりも高く（つまり感度が悪い），中心窩で 30″以上である．ただし，網膜周辺部における閾値 の上昇は相対運動閾に比べて小さいため，それぞれの閾値の差は周辺視では小さくなる[10],[14]． 運動の中でも速度知覚に関する知見としては，刺激のコントラストが高いほど知覚速度が上昇 し[15]，刺激の空間周波数が高くなると速度は実際より小さく知覚される[16]ことが知られている． 2 つの運動刺激をそれぞれ別に連続的に提示した場合，その速度弁別能力は約 5%の違いを弁別で き[17]，それは運動刺激の種類に依存しない[14]．この速度弁別の精度は，中心視に比べて，周辺 視で基準刺激の速度が遅い時に悪くなる傾向がある[18]．運動における速度の評価は速度以外の情 報，例えば移動距離を固定した場合の提示時間差などによって弁別可能であるが，速度弁別の精 度は時間弁別の精度よりも高い[17]．このことから，速度の知覚が，時間・空間知覚からの間接的 推論による産物ではない，直接的な知覚過程によるものであることが示唆される． 対象がある速度以上で運動している場合，知覚される像は対象が静止している時よりもぼけて 知覚される．このぼけをモーションブラー（motion blur）と呼ぶ．絵画的な技法としてや，映像的 な演出として，このブラーを効果的に用いることで動きを強調することなどを実現する手法の提 案が行われている[19],[20]が，人間はこのモーションブラーを抑制して知覚していることが知られ ている．例えば，一方向に運動するランダムドットの見かけの長さを，ブラーの量として提示時 間を変えて測定すると，提示時間の増加に比例してブラーの量は増加するが，提示時間が 30ms を超えると逆に減少する[21]．実際に，動画などを再生すると綺麗に見えるのに，一時停止で止め て各フレームを見てみると，画像が意外にぼけていることに気付くことがある．このような，動 かすと綺麗に見えるという錯視現象は「動きに基づく鮮明化（motion sharpening）」と呼ばれる[22]． 運動対象の鮮明化現象は，動く格子パターンの様な，視覚刺激として時空間周波数成分が局在し ている単純な刺激においても生じることが知られている[23]．このことから，ブラーの抑制に基づ く鮮明化は，記憶や学習といった高次の視覚認知メカニズムではなく，初期視覚系に存在するメ カニズムによる現象であると考えられている． このように，視覚における運動の知覚に関する多くの知見が明らかにされてきているが，基本 的には人間の運動知覚のメカニズムを明らかにするために行われてきた，いわば“ありのままの 知覚特性”である．感覚入力として，通常は知覚できない現象を（あたかも知覚が強化されたか のように）知覚するような情報を提示した場合の知覚特性がどのように変化するのか，提示した 情報の属性と得られる知覚特性の対応はどのようになっているのかは，実際に実験的に検証する 必要がある． -4- 1.4 本論文の目的 本論文では視覚における運動の知覚に注目し， 1) 動きが強調または抑制されたように知覚可能な実験系を構築し，その条件における運動の 知覚特性を検証する 2) 運動の視知覚に対して変化を与えるインタフェース設計のための知見を獲得する ということを目的とする． 具体的には，視覚刺激の周期的な遮断によるモーションブラーの制御，前庭感覚電気刺激によ り引き起こされる視野運動，背景画像の運動を誘導刺激とした対象の運動対比，という 3 つの手 法を用いて運動の知覚を変容させることで得られる視知覚特性を調べる．この知見を利用して， 運動の視知覚に対して知覚特性を考慮した変化を与えることで，実際の環境情報をより正確に， またはより強調して注意を引くように提示することが可能な視覚インタフェースの設計が可能と なると考えている． 1.5 本論文の構成 本論文では視覚における運動の知覚に着目し，運動の強調または抑制を可能とする視覚インタ フェースの実現に向け，視知覚特性の評価を行った． 以降各章は以下のように構成している． 第 1 章 序論 本論文の背景と意義を明らかにするために，運動の知覚が我々の生活にとって重要な視機能で あり，多くの現象が運動の知覚を通して認識されていることを指摘し，このような視機能に介在 することで，新しい情報提示システムの構築が可能であることに言及した．その上で，運動の強 調と抑制を可能とするインタフェース実現に向けた視知覚特性を評価するという目的を述べた． 第 2 章 運動の知覚と視覚インタフェース 運動の知覚に関わる生理学的な知見として視覚と前庭感覚の概説を行った．まず，視覚の感覚 受容器としての眼球および網膜の構造と運動知覚に関する知見をまとめ，次に前庭感覚器官の構 造と前庭動眼反射の知見をまとめた．また，本論文で実現を目指すインタフェースの定義を行い， 従来までの視覚インタフェースに関して，その設置点別に環境設置型，身体設置型の 2 つに大別 し特徴を述べた．これまでは環境設置型の視覚インタフェースが一般的であり，多くの研究・開 発が行われてきたが，本論文の目指す視覚インタフェースが今後どのような場面で利用されるの かも含めて重要性を論じた． 第 3 章 運動の抑制とその視知覚特性 視覚の中でも時間軸上の重畳知覚に関する生理学的知見を整理し，運動の抑制，特に動きの成 分としてのブラーを減少させる手法の理論的背景を述べた．その上で運動を抑制する手法として の Stop Motion Goggle（SMG）の詳説と従来の提示手法とを比較し，開発した手法の新規性と有効 性について述べた． -5- 運動の抑制における動き成分の減少に関する知覚特性を検証するため，液晶シャッタを用いて 外界からの視覚刺激を周期的に遮蔽し，観察対象の運動により生じるブラーの量を制御した．被 験者実験により，動き成分を減少させることで運動している視標の視認性が向上することを示し た． 第 4 章 運動の強調とその視知覚特性 本研究の位置づけを明確にするため，眼球運動を引き起こすために本論文で用いた前庭感覚電 気刺激：Galvanic Vestibular Stimulation（GVS）の提示手法を示した上で議論を行う．その上で， GVS が視覚に与える影響を 3 つの心理物理実験により明らかにした．第 1 の実験では，交流電流 を用いた GVS により生起される主観的な視野の回旋運動が，眼球運動によって知覚されることを 示した．第 2 の実験では，交流電流を用いた GVS により生起される，主観的な視野の回旋運動の 定量化実験を行った．その結果，GVS の刺激電流量に比例して回旋角度が大きくなること，回旋 角度は周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した．第 3 の実験では，交流電流を 用いた GVS に誘引される実際の眼球運動の回旋量と刺激からの位相遅れを測定した．その結果， 第 2 の実験で得られた主観的視野運動と同様に刺激電流量に比例して回旋角度が大きくなること， 回旋角度は周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した．これら 3 つの実験を通し て，GVS により生起される視野運動が眼球運動により引き起こされ，その視野運動量と刺激電流 値および刺激周波数との関係性を明らかにした．これにより，本来は静止しているはずの環境が， GVS による眼球運動によって刺激電流値や刺激周波数に依存した回転運動をしているように知覚 されるという，運動知覚の強調が起こっていることを示した． 第 5 章 運動の強調・抑制とその視知覚特性 実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動から運動対比を 生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を検証するため，これまで明ら かにされてきた運動対比の発生機序と特性に関する知見をまとめた．運動対比による相対速度知 覚を評価するために，画像提示装置を用いたロボットの制御手法を用いて，移動体の制御と背景 画像の運動を一つのディスプレイ上で行う環境を構築し，被験者を用いた心理物理実験を行った． 実験の結果から，ロボットの運動方向と同方向に背景を動かした場合は知覚される速度が低下し， 逆方向に背景を動かした場合は上昇することを示した．これは，背景の運動の制御により，対象 の速度が実際の速度よりも遅く，または速く知覚されるようになったということであり，運動対 比によって運動知覚の抑制と強調がそれぞれ引き起こされていることを示した． 第 6 章 考察 論文全体を振り返るとともに，各手法により得られた知覚特性を視覚情報処理メカニズムの観 点から考察し，これらの知見を用いてどのような視覚インタフェースが実現可能か考察した． 第 7 章 結論 前章までの議論より運動知覚の強調・抑制という変化を与えることが工学的に実装可能である ことを示し，その特性を明らかにしたということを結論づけた． -6- 第2章 2.1 運動の知覚と視覚インタフェース 緒言 本章では，本論文で扱う運動の視知覚に関わる視覚および前庭感覚の生理学的な知見を述べる． さらに従来の視覚インタフェースを述べ，本論文の目的となっている運動の視知覚を強調・抑制 する視覚インタフェースの位置づけを明確にする． 運動の知覚といっても，外部環境に対する自己の位置や運動に関する自己身体運動の知覚と外 部環境全体，または外部環境に存在する対象の運動の知覚の 2 つの運動の知覚があるが，本論で は後者の環境の運動知覚を主に取り扱う． 2.2 運動の視知覚と眼の生理学的構造 2.2.1 実際運動と仮現運動 環境の運動知覚もいくつかの種類に分類される．大きくは，知覚される対象が物理的に実際に 運動している場合と，実際には静止している場合とに分けられる．前者は「実際運動」と呼ばれ， 後者は「仮現運動」 ， 「誘導運動」 ， 「自動運動」などに分類される[24]．これに加えて， 「滝の錯視」 に代表されるような，一方向への運動を注視することによって引き起こされる，静止対象の逆方 向へ運動して見える現象として，運動残効（motion aftereffect）が知られている． ここでは実際運動と仮現運動に関して概説する． 実際運動 通常の環境下では，物体や観察者の移動によって網膜上に連続的かつ滑らかな運動が生じる． これを実際運動（real motion）と呼ぶが，その詳細な定義は文献により様々である．中島は (1) 外界の刺激発生源である遠刺激レベルで物理的な運動が存在する (2) 感覚受容器を直接刺激する近刺激レベルで物理的な運動（網膜上の運動）が存在する といういずれかが存在する場合における，運動知覚の成立を指すことと定義している[24]． 例えば，静止する眼の前方を対象が物理的に運動する場合には，遠刺激レベルにおいても，近 刺激レベルにおいても物理的な運動が存在するので実際運動である．また，暗中を直線運動する 光点を追視する場合は，近刺激レベルの物理運動である網膜上の像の移動には欠けるが，遠刺激 レベルの物理運動が存在するので実際運動であるといえる．さらに，対象が静止していても観察 者自身が運動することで対象が運動していると知覚される場合も，遠刺激レベルでは対象の移動 はないが網膜上では移動しているため実際運動であると定義できる． 仮現運動 物理的運動が存在しないにもかかわらず知覚される運動のことを仮現運動（apparent motion）と 呼ぶ．仮現運動の例は我々の日常生活の中に多く見つけることができる．電車の踏切で交互に点 滅する信号が左右に往復運動をしているように見えたり，商店の電飾に縁取られた看板が順に点 -7- 灯していくだけなのに運動して見えたり，電光掲示板のように文字が横や縦にスクロールするよ うに見えるのはよく見る仮現運動の例である． 仮現運動は現象的にα運動，β運動，γ運動の 3 つに区別される．α運動とは，図 2 に示すミ ュラー・リヤーの錯視が現れる内向きの矢羽の図形と外向きの図形の横軸が重なるように交互に 提示することで，物理的には横軸の線分の長さは同一であるにもかかわらず，伸縮運動をしてい るように見える現象を指す．β運動とは，仮現運動の中でも最も研究がなされており，2 つの光 点を連続して光らせるとき，2 光点の距離とそれぞれを光らせる時間間隔が適切な場合に 1 つの 光点が動いて見えるように見える現象である．γ運動とは，一つの LED を瞬間的に点灯させるよ うな刺激を短時間提示する際に，刺激の出現時には膨張して見え，逆に消失時には収縮して見え るような現象を指す． 図2 ミュラー・リヤーの錯視 仮現運動の中でもβ運動は我々が日常的に体験することが多い現象であり，仮現運動の例とし て挙げた電光掲示板などはβ運動である．β運動における 2 つの光点を連続して光らせたときに 1 つの光点の動きとして見えることは，Exner によって 1875 年には報告されている．1912 年に Wertheimer が，Exner の実験を元に，2 光点の色を変えるなどの変化を加えても，仮現運動が生じ ることを見出し，以来これらは古典的仮現運動と呼ばれる． 一方で，図 3 に示すような 2 枚のランダムドットステレオグラムのパターンをそれぞれ同じ場 所に順番に提示すると，ランダムドットステレオグラムでは奥行きを感じられた部分に動きを感 じることができる．これをランダムドットキネマトグラム（RDK：random dot kinematogram）と 呼ぶ．RDK によって得られる仮現運動は古典的仮現運動と刺激の移動距離などに関する閾値など が異なり，古典的仮現運動では視覚数度から数十度の移動距離が[25]，仮現運動が引き起こされる 閾値であるのに対して，RDK では数十分である[26]． 図3 ランダムドットキネマトグラム 我々が，テレビや映画などを見て滑らかな動きのある映像を観察することができるのは，実際 には静止画を切り替えているだけなのに，このような仮現運動が引き起こされるからである -8- 2.2.2 眼の構造 「種の起源」を著した Darwin は眼を“完璧にして複雑極まりない器官”と称したが， 「眼」と は，光を利用して物体を識別するための映像を形成する能力を有する器官であるといえる[27]．バ クテリア，動物，植物の違いを問わず，光を感知するということは，光子をどのようにとらえる のかということであり，光子を受容する際に有機分子が示す単純な反応である．例えば，アメー バやミドリムシなどは細胞内の物質に光感受性がある．そうした単細胞の動物は光を利用して運 動の方向などを決めている． 一方で，我々ヒトを含んだ多細胞動物では，独立した感光細胞または器官が光感知の役割を担 っており，その構造の複雑さは様々である．最も基本的な光感知器は眼点である．眼点は黒い色 素をともなった感光面をもつ小さなくぼみであり，原始的なレンズがかぶさっているものもある． 眼点を持つ最も単純な多細胞生物はクラゲであるといわれている． 我々の眼の構造は図 4 に示すように，外界からの光を水晶体（crystaline lens）というレンズに 入れ，厚さ 100~300μm の網膜（retina）に収束し，像を結び，視神経（optic nerve）を通して脳に つたえている．このような眼球全体は強膜（sclera）という厚くて白い膜に覆われており，前方の 角膜（cornea）部分だけは少し出っ張って透明になっている．この時，水晶体の前面を取り囲むド ーナツ状の膜である虹彩（iris）を調節して，瞳孔（pupil）を通る光の量を変化させる． 図4 眼球の断面図 2.2.3 網膜の構造 網膜はほぼ透明な薄い膜で，周辺網膜で 100μm，厚極部の厚いところで 300μm である．網膜組 織は外界の情報を直接的に得ようとして脳から抹消方向に出てきた視覚情報処理の入口部分であ るが，40 種類以上の神経細胞があり，図 5 のような 8 層構造を持っている．つまり，図 5 の下か ら色素上皮層（pigment epithelium） ，視細胞層（bacillary layer） ，外顆粒層（outer nuclear layer），外 網状層（outer plexiform layer），内顆粒層（innner nuclear layer） ，内網状層（innner plexiform layer）， 神経節細胞層（ganglion cell layer） ，視神経線維層（optic fiber layer）である．このような階層構造 の中で，桿体細胞（rod cell） ，錐体細胞（cone cell），水平細胞（horizontal cell），双極細胞（bipolar cell） ，神経節細胞などの階層的な結合関係がある[28]． -9- 視細胞層には桿体細胞と錐体細胞があるが，桿体細胞は光に対する感度が高く色覚はないが， 夜間など照明が暗い場合の暗所視（scotopic vision）で機能する．桿体細胞は図 4 の中心窩（fovea） にはなく，網膜の周辺部にいくに従って増加する．錐体細胞は光に対する感度が低いが高解像度 に寄与し，明所視（photopic vision）で機能する．錐体細胞は光の波長に対する感度が異なる 3 種 類の細胞があり，最適な波長の長さの順に L 錐体，M 錐体，S 錐体と呼ぶ．これらの細胞で波長 に対する応答が異なることを利用して色の処理が行われる．このように錐体細胞は視力と色覚を つかさどり，網膜の後極部に多く存在していることが知られている．中心窩は錐体細胞のみから なり，その密度は約 14 万 7300 個/mm2 である． 網膜における情報の伝達経路としては，眼球前面の角膜に入射した光の大部分が眼球内での散 乱や吸収，反射により約 10%程度が奥の視細胞層の外節部分に到達し，そこで電気信号に変換さ れ，双極細胞を経て神経節細胞に送られ，視神経となって脳の視中枢に伝達される．各細胞間の 結合をより詳述すると，視細胞が双極細胞とシナプス結合し，さらに双極細胞は神経節細胞とシ ナプス結合している．神経節細胞が網膜の情報処理の最後のニューロンであり，その軸策が眼球 の外側に出て視神経と名前を変え，中継核の外側膝状体（lateral geniculate nucleus：LGN）にシナ プス結合する．また，網膜内の第 1 ニューロンである双極細胞は内顆粒層にあり，この層内の外 網状層寄りには水平細胞がある．水平細胞は桿体細胞と錐体細胞からなる視細胞層と双極細胞の 間の情報伝達を制御している． 図 4 の眼球で視神経の出口である部分（眼球後極部の中心窩より下に位置する窪んだ部分）は 視細胞が存在しないため，光に対して反応しない．この部分を視神経円板といい，ここに対応す る視野上の領域を盲点（blind spot）と呼ぶ． 視細胞の数は 1 億個以上であるのに対して，神経節細胞は 100 万個程度であり，網膜上の処理 により視細胞からの情報が圧縮されて脳に運ばれていると考えられる．ただし，この圧縮は一様 ではなく，視野中心では 1 つの視細胞が 1 つの双極細胞と，1 つの双極細胞が 1 つの神経節細胞 と結合しているため高い空間解像度を保っている[4]． 図5 網膜の構造 - 10 - 2.2.4 眼から皮質への投射 網膜から一次視覚野（V1）への投射 一般に，ヒトの感覚情報の脳への投射は右半身側の情報は左脳，左半身側の情報は右脳という ように対側支配がなされている．しかし，視覚の投射様式は異なり，図 6 右図のように左右眼か らの視神経は，それぞれ 2 分割されている．すなわち，網膜の右側と左側それぞれの情報に分割 されている．網膜像の右側半分のオレンジ色の領域，つまり視野の左側半分は（網膜では外界の 像が上下左右反転するため）右脳側に伝達され，網膜像の左側半分の灰色の領域は左脳側へと伝 達される．ここでそれぞれの視神経が交叉する部位を視交叉（optical chiasma）と呼ぶが，ヒトの 場合は視野の半分のみ交叉して反対側に連絡するため半交叉という．通常，我々は右視野と左視 野の境目は気にならないが，これはそれぞれの情報を滑らかにつなげるために，左右の脳半球の 間で密接な情報交換による同期と補正によるものであると考えられている． 図6 眼から脳への神経連絡 視交叉を経て，眼球の左側に結像した右視野の情報は左の外側膝状体（lateral geniculate nucleus： LGN）に向かい，眼球の右側に結像した右視野の情報は右の LGN に向かう．LGN からは，視放 線あるいは視放射（optic radiation）と呼ばれる接続により扇形に広がり，大脳の一番奥側にある 後頭葉の初期視覚領である一次視覚野（primary visual cortex：V1 野）へと投射される．LGN は V1 野の側からも逆行投射を多く受けており，これらは視覚的注意に関する情報処理過程に関連し ている可能性が指摘されている[29]．LGN および V1 野では網膜における相対的な位置関係が再現 されている．この網膜部位再現をレチノトピー（retinotopy）と呼ぶ．レチノトピーの関係を詳し く調べると，視野中心は V1 野の後部にマップされ，視野周辺に行くにつれて前方へとマップさ れる．また，視野中心に近いほど皮質に占めるが大きくなる． 網膜から LGN を経た投射以外に，LGN に投射しない経路がある．これは，図 6 に示すような 中脳の上丘（superior colliculus）に投射する経路であり，眼球運動や焦点調節をはじめ各種の制御 に関連していることが報告されている[30]．他にも，神経節細胞でありながらメラノプシンという 視物質を含み，青色光に対してもっと強い光感受性を持つ細胞（内在性光感受性網膜神経節細： - 11 - ipRGC）も見つかっている[31]．これらの細胞は体内時計などの調整を行う視交叉上核にも投射し ており[32]，ipRGC は，概日リズムなどの生体現象にも影響を及ぼしていると考えられている． 一次視覚野（V1）から MT 野への投射 運動の知覚に関わりが深いとされる視覚野は V5 または MT 野（middle temporal area）と呼ばれ ている．MT 野は視覚皮質の中でも機能が特殊化されていることが最初に明らかになった領野の 一つで，視覚皮質の研究の中でも中心的な役割を担ってきた[33]．MT 野の神経細胞は，そのほと んどが運動の方向に対して選択性を持つが，静止している刺激には反応しないという特徴を持っ ている．また多くの神経細胞が両眼視差にも選択性を持つことが知られている． V1 から MT 野への投射は，V1 から投射される経路と V1 から V2 を経て投射される経路などが あり，最終的には頭頂連合野に投射される．この経路は背側路（dorsal stream）と呼ばれる．頭頂 連合野を損傷すると空間的課題の遂行に障害を受けることから，背側路は運動や空間認知に関す る視覚情報を処理していると考えられ， “Where”経路と呼ばれることもある． MT 野からさらに 1 段階高次のところに MST 野 （medial superior temporal area）が位置している． 一般に，高次の視覚野ほど受容野が大きくなるが，MST 野は左右半視野にまたがるほど大きな受 容野を持つ神経細胞があり，自己が移動したときに生じる光学的流動：オプティックフロー（optic flow）と呼ばれる視野全体の運動の処理に関連していると考えられている[4]．頭頂連合野は視覚 情報の他にも体性感覚や眼球運動，腕の到達運動などに関連した活動特性を持つ神経細胞も存在 し，総じて空間情報を運動行為に利用するための処理を行っていると考えられる． 図7 MT 野の領野 - 12 - 2.3 前庭感覚と前庭器官の生理学的構造 2.3.1 前庭動眼反射 前庭神経核は中枢内において小脳(Cerebella)，脳幹網様体(Brain stem reticular formation)，外転 (Abducens nerve)・滑車(Trochlear nerve)・動眼(Oculomotor nerve)の各神経核，脊髄などと密に連絡 をしている．特に外転・滑車・動眼の各神経核との関係は前庭動眼反射や前庭性眼振などの代償 性眼球運動に深く関わっていることが知られている． 前庭動眼反射(VOR : Vestibulo-ocular reflex)は頭部を回転したとき半規管受容器に加わる各加速 度が刺激となり，頭部回転と逆方向に眼球を回す反射である．これにより頭が動いていても視線 を空間内で固定することができ，視覚情報を正しく中枢に伝えることが可能となる．一方，網膜 上 の 像 の ず れ を 刺 激 とし て 引 き 起 こ さ れ る 同様 の 反 射 的 眼 球 運 動 を視 運 動 性 応 答 (OKR : Optokinetic response)，あるいは視運動性眼振(OKN : Optokinetic nystagmus)と呼ぶ[48]． つまり，開眼時に頭部を動かすと前庭動眼反射と視運動性眼球運動が同時に誘発されているこ とになる．また，ネコは眼球が頭部前方にあるため刺激を受けた半規管と同一平面で眼球運動が 起こるが，ウサギなどのように側方にある動物では異なる表現形となる．実際に顔を上げ下げす る回転運動時，前半規管と後半規管が刺激を受けるが，このときネコでは垂直眼球運動が，ウサ ギでは回転運動が起きる． この二つの反射的眼球運動を誘発する刺激が継続的に加わると，緩徐な眼球運動がある時点で 急速眼球運動により中断される，この繰り返しによって眼球に眼振と呼ばれるリズム運動が起き る．特に前庭動眼反射により引き起こされる眼振を前庭性眼振，視運動性眼球運動によって引き 起こされる眼振を視運動性眼振と呼ぶ． これとは逆に視覚刺激により前庭機能に影響を与えることもある．例えば電車に乗っている時， 隣の電車が動き出すと自分のほうが動いたという感覚を得る．これを自己運動知覚(Vection)とい い，視覚が身体の安定や空間の定位に影響していることが分かる． さらに言えば，一般に「乗り物酔い」と呼ばれる動揺病(Motion sickness)はこのような視野変化 に対応する視覚信号と，内耳による前庭感覚信号のアンバランスによって生じるという，いわゆ る「感覚矛盾説」に起因するといわれているがまだその発生のメカニズムは明らかとはなってい ない．動揺する乗り物の中，自分も周囲と同じような向きに動く場合などは，頭の傾斜や回転に 視野変化が伴わないため脳に混乱が生じ吐き気や目眩の症状が出る．また，頭を制止したままで， 動揺性映像を見つめているだけでも同様の症状が出る． 前庭動眼反射のゲイン特性 頭部運動時の視野を安定させるシステムとして，頭の回転と逆方向に眼球を回転させることに より視野を安定させる前庭動眼反射(VOR)と網膜像の頭部運動による運動によって生起される視 運動性眼振(OKN)があることは前述したとおりである． VOR のゲイン（眼球速度／頭部速度）は，OKN の影響をなくすために完全暗黒中で測定する と頭部の低い振動周波数では低く，周波数が 0.3~0.8Hz でゲインは 0.65~0.85，2~5Hz のとき 1 で ある．ただし，VOR のゲインは頭部運動の振幅にも依存し，振幅を増加させるとゲインは増加す るが頭部の回転速度が速くなりすぎると（>350deg/s）減少する．また，振動周波数が 0.3~0.8Hz - 13 - であっても，被験者が正面に静止した視標を思い浮かべ，それを固視しようと努力するとゲイン はほぼ 1 となることが知られている[62]．一方で，被験者の覚醒度が低下するとゲインが減少する [63]など，被験者の状態や実験環境の統制方法によってゲインが変化する． これに対して OKN のゲインは低い周波数で高くなることが知られている．このようなゲイン特 性は，VOR と OKN の合成ゲインが広い周波数帯において 1 になることを実現し，視野の安定に 寄与している[64]． 実際に，本を 2Hz で振動したときには読むことはできないにもかかわらず，頭を 5Hz で振動し ても本を読むことができるのは VOR と OKN の相補的相互作用のおかげであるといえる[65],[66]． 前庭動眼反射の抑制と順応 VOR と OKN の相補的な関係に加えて，視対象が運動しているような通常の環境下では追従眼 球運動(OFR : Ocular following responses)も作用することで視野を安定化している．これらの運動は 共に独立して発生しているわけではなく，お互いが相補的かつ相互に干渉しながら作用している のは既に述べたとおりである．観察者が頭部と一緒に回転する視標を固視したときには，VOR の 方向は OKN や OFR の方向と逆になる．また，運動している背景と静止した視標が重ねて提示さ れた場合には運動刺激による OKN の方向と静止視標を安定させるための OFR の方向が逆になる． この際，OFR＞OKN＞VOR という優先関係で，OKN や VOR の一部または全部が抑制されること が知られている[67],[68],[69]． さらに，左右逆転プリズム眼鏡やレンズ等で外界を変形させた視覚情報を長時間観察させると， VOR のゲインの調節が行われ（数時間のうちに変化が生じる）通常とは逆方向に運動することも ある．このとき，VOR ゲインは最初の 2 日で 60％，1 週間で 25％に減少することが報告されてい る．その後，調節が行われてから通常の視覚情報を与えると再度視野が不安定となる．このよう な VOR のゲイン調節作用は小脳で行われているということが知られている[70],[71]． 前庭動眼反射の発達過程 前庭動眼反射(VOR)の発達過程について，出産直後から視運動性眼振(OKN)と VOR の緩徐相の 発生が認められる[72]．一方で，追従眼球運動(OFR)は出生直後の新生児では発現しにくく，運動 する対象の追従はほとんどサッカードによって行われていることが知られている．ただし，視標 のサイズが視野角 10deg 以上で，被験児の注意をひきつける力が強ければ，滑らかな眼球運動自 体は生じうる[72],[73],[74]．これらの事実は，滑らかに目を動かすための機能そのものは出生直後 から備わっていることを示している．しかし，視角の小さい視標に対する OFR は生後 2 ヶ月ない し 3 ヶ月以降にならないと発生しない[75]． 発達期に視覚経験が得られない先天盲人の場合，随意的な眼球運動が不可能であり，眼振や高 振幅のドリフトが認められ，さらに VOR の機能が欠損あるいは微弱であることが知られている [76]．生後まもなく視力を失った早期失明者も同様の機能障害が見られるが，失明時期の遅い中途 失明者は随意的なサッカードや OFR が可能な場合があり，VOR の機能特性に関しては晴眼者と 同様の最大速度-振幅の関係を示す[77]． また，中途失明者に対する温度眼振検査の結果から，失明前に獲得した VOR も失明期間が長く なるにつれてその振幅が低下することが知られている[78]．つまり，随意的な眼球運動や VOR は 生後発達し，その発達および維持に能動的な視覚経験が関与するということである． - 14 - 2.3.2 前庭感覚 前庭感覚(Vestibular sensation)とは一般に平衡感覚と呼ばれている特殊感覚の一つである． 前庭感 覚は，主に三半規管(Semicircular canal)および耳石器(Otolith organ)である卵形嚢(Utricle)，球形嚢 (Saccule)の受容器によって生起されている[60]． 三半規管では三軸の回転角加速度を受容し卵形嚢，球形嚢では垂直，水平方向といった直線加 速度を受容する．三半規管と耳石器官の両受容領域では共に有毛細胞(Hair cell)が受容器として中 心的な役割を果たし，前者では膨大部稜(Crista ampullaris)における有毛細胞が内リンパ液の動きを 検出し，後者では耳石膜の動きを検出している． この他にも前庭機能の主要な中継核である前庭神経核(Vestibular nucleus)への入力としては視覚 や 皮 膚 感 覚 (Cutaneous sensation)， 頸 筋や 頸 関 節な ど が と ら え る固 有 受容 感 覚 (Proprioceptive sensibility)なども含まれる．文献によってはこれらの視覚，体性感覚に前庭感覚を加えて平衡感覚 として定義し，その中で前庭感覚は特殊的に平衡感覚に関与する受容機構としているものもある． 一般的に，前庭感覚そのものの感覚は意識にのぼりにくく実感しにくいが，姿勢の安定性が乱 れた際や，感覚器もしくは求心性繊維などの情報伝達経路に障害が生じると平衡の失調として意 識される．その臨床症状としては，目眩（眩暈） ，吐き気，耳鳴り，宇宙酔いを含む乗り物酔いな どが挙げられる． この前庭機能及び前庭感覚を検査する方法として，片方の外耳道に温水または冷水を注入する カロリックテスト(Caloric reflex test)がある．前庭器官が正常ならばこの方法により，内リンパ液 の対流が起き，温水では入れた耳の方へ，冷水では反対側への身体動揺と眼振が起こる．逆に前 庭器官に異常があると反応を示さない．この他にも温水，冷水の代わりに温風と冷風を用いるエ ア・カロリックテストなどが知られている． 一般に内耳の前庭や三半規管の疾患では，体が沈むような感覚やふわふわと浮くような気分， 目眩，などの自覚症状が出やすいことが知られている． 2.3.3 有毛細胞 有毛細胞は非常に感度の高い情報変換器官で，毛の束に与えられた物理的刺激を電気信号とし て脳に伝える．哺乳動物では，毛束の先端が 100pm 動くかどうかのわずかな偏位に応答する．そ の構造はどれも動毛(Kinocilium)1 本と不動毛(Stereocilium)30～150 本から成り，しなやかに動く動 毛に対して不動毛は根元で折れたように傾くか直立状態に戻るかしかできない． 図 8 に示す通り，毛束が偏位すると不動毛の機械刺激受容チャンネルが開き，K+が細胞内に進 入し(1)，膜に脱分極を起こし，ただちに細胞内に広がる(2)．この脱分極が細胞下方にある Ca++ チャンネルを開き，Ca++の細胞内流入を引き起こす(2)．Ca++が伝達物質を含む小胞と有毛細胞基 部の細胞膜とを融合させ，伝達物質(グルタミン酸)を放出させ(3)，それにより一次求心性繊維終 末に興奮性シナプス後電位(EPSP)が生じ，過電圧を発生させ，信号は脳に送られる(4) - 15 - (1) (2) (3) (4) 図8 有毛細胞の構造 2.3.4 耳石器の構造と特性 三半規管では三軸の回転角加速度を，卵形嚢，球形嚢では重力，遠心力を含め頭に加えられた 直線加速度を受容する．図 9 に，半規管と耳石器の概略図を示す．卵形嚢，球形嚢，蝸牛管(Cochlea) は内リンパ液を満たす膜迷路の一部であり，この中で前庭感覚をとらえる有毛細胞群は膜迷路壁 での，非常に限られた 5 ヶ所（図における a~e）にしか存在していない．しかし，これらはある限 られた種類の刺激にしか応答しない構造をしているため，その応答を総合することであらゆる方 向の直線加速度，回転角加速度の情報が得られる． a~c の半規管膨大部稜(Ampullary crest of the semicircular duct)では各有毛細胞の動毛を帽子のよ うな形をしたクプラ(Cupula)に差し入れ，それ以外の約 30 本の不動毛についてはクプラに達する 手前にとどめている．頭が回転した時，内リンパ液がその慣性のために回転方向と逆に動きクプ ラを押して変形させ，その結果各有毛細胞から一斉に信号が送られる．また，有毛細胞における 毛の背丈勾配を，半規管膨大部稜とこれに最も間近な卵形嚢部分との関係から見ると，前半規管 と後半規管の膨大部稜では全ての有毛細胞で卵形嚢から膨大部稜に向かうほど高毛（背卵形嚢性） になり，外側半規管膨大部稜では反対に，卵形嚢に向かうほど高毛（向卵形嚢性）になる． d,e の平衡斑では密集している有毛細胞群に，ゼラチン様物質と炭酸カルシウム結晶が混ざり合 った構造をしている耳石膜が覆いかぶさっている．この炭酸カルシウムの結晶を耳石と呼び体が 動くと，耳石が慣性で反対方向に動いて有毛細胞を曲げる．この時の曲がり方が神経インパルス として送られることで直線の加速度が認識される．定性的には卵形嚢は水平方向の，球形嚢は垂 直方向の加速度に応答する． - 16 - 図9 前庭器官の構造 2.3.5 回転角の知覚 前庭器官が頭部の角加速度や直線加速度をどのように受容しているのかについては既に述べた 通りである．一方，人の回転運動に対する知覚特性はどのようになっているのか，Gundry は被験 者に仰臥位及び座位にて等角加速度のロール回転を与え，回転の検知時間と角加速度の関係を調 べた[61]．その結果，座位でのロール回転の知覚には半規管と耳石器両方が関与するものの，その 知覚感度は刺激角加速度に依存し，低角加速度（<0.4deg/s2）では耳石器が，高角加速度では耳石 器と半規管の両者による知覚がなされていると示唆された．この時の低角加速度で得られた回転 検知時のロール角は 1.2deg である． また，被験者を 90deg ロールさせた姿勢からロール回転を与えると，低角加速度での回転検知 時の回転角は 3deg であったことから，卵形嚢の感度が球形嚢よりも高いことが示唆された． - 17 - 2.4 視覚インタフェース インタフェース(Interface)の原義は界面であり，水と油のような異なる物質間の接面や人間や外 界のように 2 つの異なる要素の接面を指す．情報工学や工学の分野では，人間と情報機器（コン ピュータなど）や人間と機械のように，特に人間との界面を指してヒューマンインタフェースと いう用語が使われるようになった．ヒューマンインタフェースに作用する機器（デバイス）自体 を明示的に指すためにヒューマンインタフェースデバイスという用語が用いられることもあるが， 単にインタフェースやヒューマンインタフェースと呼ばれ，用語として用いられることが多い． 本論文ではヒューマンインタフェースを扱うが，明示的に区別する際以外はヒューマンインタフ ェースデバイスの意味も含めてインタフェースという言葉を用いる． 我々は，このインタフェースを通して外界と相互作用（インタラクション）することで情報を 効率的に取得・発信している．本論文で扱うインタフェースとは，図 10 のように人間と環境との 接点およびその媒体として，両者間のインタラクションを支援する技術全般を指す．人側から見 て筋肉などの運動系を介して環境側に入力を行うインタフェースを入力インタフェース，環境側 から感覚受容器に入力を行うインタフェースを出力インタフェースと一般には呼ばれているが， 相対的に見ると前者は環境への入力インタフェースであり後者は人間への入力インタフェースで あると言える． 図10 人間・環境間に介在するインタフェース この人間と環境のインタフェースの位置を決めるのは工学的にいえばインタフェースデバイス の位置であると言える．なぜならばインタフェースデバイスを通して情報のインタラクションを 行うからである．インタフェースの作用位置をどこに設計するのかという工学的観点は情報のイ ンタラクションをどのように設計するのかと同義であり，それは新しい入力を人間にもたらすと ともに環境などの外界からの新しい出力手法の実現を可能にする． 本論文では人間への入力を行う新しいインタフェース，特に視覚における運動の知覚を変化さ せる視覚インタフェースを実現することが目的の一つである．次節以降，これまでに開発されて きた視覚インタフェースをインタフェースの設置位置に基づき，以下の 2 つに整理し概説する． 1) 環境設置型：いわゆる外界に対してインタフェースを設置する 2) 身体設置型：感覚受容器や脳などに対してインタフェースを設置する - 18 - 2.4.1 環境設置型視覚インタフェース 環境設置型視覚インタフェースとして代表的なものはテレビやプロジェクタなどがあげられ， 視覚インタフェースの中でも最も社会に普及している．一般的にはこれらは出力インタフェース としてディスプレイとも呼ばれ，以下のような分類で整理できる． 高精細ディスプレイ 近年ではディスプレイの大型化とそれに伴う画像素子の小型化によりディスプレイの高精細化 が進み，一般家庭にも HD(High Definition)ディスプレイが広く普及している．HD の画素数はメー カー各社によって様々な規格を用いているが，HD 規格における最大画素数 1920×1080pixel とな っている．また，普及はしていないがこの HD の 4 倍の画素数を持つ 4K ディスプレイも開発され ておりその画素数は 3840×2070pixel である．さらにはその４K の 4 倍，HD の 16 倍の画素数であ る 7680×4320pixel を表示可能なスーパーハイビジョン(SHV: Super Hi-Vision)や UHDTV（Ultra High Definition Television）方式のディスプレイの技術開発も進められている．プロジェクタを用 いた高精細ディスプレイは単体で Full-HD（1920×1080pixel）を表示できるものが既に流通してい るが，高精細化自体は従来から複数台を同期することで実現してきた． このようなディスプレイの高精細化は大型のディスプレイのみに留まらず，画像素子の小型化 や GPU(Graphics Processing Unit)の小型化により携帯端末などの小型ディスプレイにおいても見ら れる．Apple 社の iPhone4 において搭載された Retina Display は画素数が 960×640pixel であり，デ ィスプレイの大きさから換算した解像度は 326ppi(pixel per inch)である． 3D ディスプレイ 3D ディスプレイは立体的な映像を知覚することができる立体視ディスプレイである．3D ディ スプレイの方式としては平面のディスプレイを用いる方式，立体を直接空間上に投影し表示する ボリュームディスプレイ方式などがある． 平面のディスプレイを用いた方式は左右の眼に対して異なる映像を提示することで両眼視差に 基づいた立体視を知覚させる手法が一般的である．異なる映像を提示する手法としてメガネ型デ バイス装着方式とデバイス不要方式に分けられる．メガネ型デバイス装着方式は後述する眼球作 用型視覚インタフェースへの分類が可能のように思えるが，眼球自体の機能への変化をもたらす ものではなく環境側に固定されたディスプレイに既に視差情報が含まれているという点で環境作 用型に分類される． メガネ型デバイス装着方式は近年では液晶シャッタ方式が主流であり，ディスプレイから提示 される左眼用，右眼用それぞれの映像に完全に同期して液晶を左右交互に開閉することで情報を 提示している．このため液晶は 1 フレームに対して 2 フレーム以上の映像が必要（フレーム・シ ーケンシャル方式）になり映像の更新周波数が高くなる．また，液晶シャッタの使用により裸眼 で見るよりも輝度の低下が起こるという問題や，左右映像の分 離が不完全であるとクロストークなどが発生する問題もある． 装着デバイス不要方式（裸眼立体ディスプレイ）では，パララックスバリア方式とレンチキュ ラレンズ方式がある．どちらの方式も図 11 に示すように空間側に左右映像を適切に取得できる位 置（ホットスポット）を形成し，体験者がその視点でディスプレイを見ることによって立体視を 実現する．いずれの方式でも，視点数の増加に伴い水平解像度が逆比例して低下するため，解像 - 19 - 度低下を水平方向と垂直方向にバランスよく行い緩和する斜めレンチキュラ方式やステップバリ ア方式が提案されている[34]．VR 分野においてはパララックスバリア方式を用いて，画像表示用 LED を一列に並べて回転させることで図 12 のように体験者に水平 360 度の裸眼立体視を可能にし た TWISTER などがある[35]． 図11 パララックスバリア方式（図左）とレンチキュラレンズ方式（図右）の構造（[34]より引用） 図12 TWISTER[35] ボリュームディスプレイ方式は，スクリーンを高速に回転させ，その回転角に同期した映像を 投影することで体験者に立体映像を知覚させる手法が一般的である．Perspecta 3D は既に製品化 も成されているが，図 13 に示すように円形スクリーンを回転させて球状ディスプレイ内で知覚的 に立体的な映像を提示する．このシステムは体験者がフリッカー（点滅）を知覚しにくいように 高速に画像の描画を行う必要があるため，DLP(Digital Light Processing)方式のプロジェクタを用い ている[36]． - 20 - 図13 Perspecta 3D の構成（図左）と外観（図右）（[36]より引用） また， 360° Light Field Display はスクリーンとして拡散ミラーを用いて回転させ， 上方から DLP プロジェクタで立体を多方向から見た画像を回転角に応じて表示し立体表示を行っている[37]． 図14 360 Light Field Display の外観（図左）と構成（図右）（[37]より引用） 没入型ディスプレイ 環境作用型の没入型ディスプレイとしてはプロジェクタを用いた没入型プロジェクション技術 (IPT : Immersive Projection Technology)が VR 分野で用いられている．IPT は複数のスクリーンを立 方体状に配置し，CAVE は正面，床面，左右の 4 面[38]，CABIN は図 15 のように天井を加えた 5 面で構成される[39],[40]．体験者はその立方体の中から観察することで，通常の 1 枚スクリーンよ りも広視野角の映像を得ることが出来る． - 21 - 図15 CABIN のプロジェクタとスクリーン配置 （[40]より引用） その他 環境作用型視覚インタフェースはディスプレイやスクリーンを用いたプロジェクタ投影方式な どのようにインタフェース自体は環境側に固定され，そこから直接情報が提示されるこれまでの 手法の他に，インタフェースは環境側に固定されるが，反射光を利用することで運動体の観察な どに用いられるストロボスコープ，再帰性反射材を用いて図 16 のような光学系を組むことで実現 される再帰性投影技術 RPT(Retro-reflective Projection Technology：) [41],[42]などがある． また，LED などを用いた光点列を環境側に固定し，サッカードと呼ばれる高速眼球運動中に光点 列の点滅パターンを高速で時間変化させることで図 17 のように，光源の点滅パターンが眼球運動 により網膜上で空間パターンに展開され，2 次元イメージが知覚されることを利用した提示手法 としてサッカードディスプレイ（Saccade-based Display）がある[43]． 図16 再帰性投影技術の構成 - 22 - （[42]より引用） 図17 サッカードディスプレイ 2.4.2 （[43]より引用） 身体設置型視覚インタフェース 視覚インタフェースにおいて身体設置型の分類としては映像を網膜に固定するためにインタフ ェースを眼球座標または頭部座標系に固定しているウェアラブル型インタフェースが多い．性質 上，一つのデバイスにつき情報提示の対象者は一人となる． ヘッドマウンティドディスプレイ（HMD：Head Mounted Display） HMD は頭部座標固定型のディスプレイであり，主にディスプレイを眼球の前に置く非透過型 HMD とハーフミラー等を用いて外環境に対して情報を重畳するのに適した透過型（シースルー） HMD の 2 種類がある．HMD は VR 技術の初期から提案され[43]，様々な実装が成されてきた． 近年は画像提示素子や画像処理装置などの小型化により，映像出力も高精細で，なおかつ軽量な HMD の実装が可能となった． 視覚受容器である眼球への提示手法，特に網膜への結像方式もレンズを用いた光学系を組むこ とで知覚的には数 m 先に情報を提示する手法と，網膜に対して直接情報を提示する網膜投影型も しくは網膜走査ディスプレイ（RID：Retinal Imaging Display）と呼ばれる手法などが提案され，実 装されている． 一方で，HMD の応用例として期待されている VR・AR 技術への利用において，現実世界との 齟齬または感覚不一致による映像酔いが問題となっている．これは，HMD の使用者が提示されて いる VR 空間内を歩くような場合，映像は頭部座標系には固定されているが眼球座標または実空 間座標には固定されていないため，歩行時に生ずる前庭動眼反射によって得られるはずの安定し た視覚情報知覚機能が逆に作用してしまうという要因があげられる．また，VR 空間内で周りを見 渡すなど頭部の運動に併せて映像を提示する際の時間遅れによる要因も大きい．これらの問題点 を解決するために頭部の運動計測に応じた画像提示を実現する HCD：Head Coupled Display の研 究も行われている[44]．AR への応用においても，提示画像と実環境との重畳における位置関係お よび頭部運動による相対運動を補償するために映像の時間遅れを極力少なくすることは重要であ り今後の課題となっている． - 23 - コンタクトレンズディスプレイ HMD は頭部座標系にディスプレイを固定した視覚インタフェースであるが，眼球座標系にディ スプレイを固定する手法としてコンタクトレンズに回路を形成し，LED を配置することで情報を 提示する技術の研究が行われている[45]．駆動電力も無線方式で供給する方式が提案され実装され ている[46]が，解像度や長期間使用した際の人体への影響等まだまだ実用段階にはない． 図18 コンタクトレンズディスプレイ （[45]より引用） その他 感覚受容器作用型視覚インタフェースとして最も普及しているのが眼鏡やコンタクトレンズと いった視力矯正器具である．これらは情報をインタフェース自体が発信しているわけではないが 環境からの情報に変化を与える，つまりレンズなどの光学系を通して網膜に結像させることで眼 球機能の機能的変化を矯正している．近年では外科的な手術により変形した角膜を整形すること で視力を矯正する角膜屈折矯正手術（レーッシック）や，同様に外科的な手術により水晶体に人 工のレンズを挿入する眼内レンズ(Intraocular lens)等の手法によっても視力矯正が行われている． これらは一般的に近視や遠視などの眼球の構造的変化や白内障などの疾病によって失われた受容 器の機能を矯正し正常な状態に戻すことが目的である． ブレインマシンインタフェース 脳に情報付加点を置いたインタフェースは一般に Brain Machine Interface(BMI)と呼ばれ，デバイ スの設置場所および外科的な手術の有無により非侵襲的 BMI と侵襲的 BMI に大別される．侵襲 的 BMI は脳に電極を挿すことやデバイスを埋没させるなどの外科的処置が必要である．いずれの 方式でも視覚インタフェースとして利用するためには脳波や脳の状態を計測できるというだけで は不十分であり，外環境情報や提示したい情報をどのように直接脳に伝えるのかという問題があ る．つまり，情報をどのように符号化し，どのような経路でどの部位に刺激を加えると情報が正 確に提示できるのかということが未だ明らかになっていない． 視覚情報の符号化に関しては現在見ている対象が何であるのか脳の活動から再構成することに 成功した研究[47]などがあり，脳活動の計測から単純な幾何学的図形やアルファベットなどを再構 成できているが，現実世界のように色や複雑で多種多様な形状を再構成することは未だ出来てい ない．つまり，まだ脳に直接刺激を加えることで眼を閉じていても外の情景をありありと知覚す - 24 - るといったことが実現する段階ではないということである． しかしながら，先天的もしくは後天的に視覚機能を失った人達にとって映像として世界を知覚 することが出来うる数少ない手法であることは間違いなく，今後の研究に期待される． 2.4.3 各設置点別視覚インタフェースの特徴 各作用点別視覚インタフェースの特徴としてはインタフェースの作用部分がどの座標系に固定 されているのかということに着目して分類を行った．人間の視覚系において外界からの情報を受 容する網膜は，外界に対してではなく眼球に対して固定された座標系（眼球座標系）であり，眼 球の運動に応じて眼球座標系そのものが外界の中を動く．その頭部は身体に対して固定された座 標系（身体・頭部座標系）であり，身体の運動に応じて身体座標系そのものが外界の中を動く[48]． このように視覚系は多層の座標系構造を持っており，人に対して安定した情報提示を行う上で情 報の座標系を考慮することは重要である．これはヒトと情報のインタフェース（界面）をどこの 座標系に固定するのかと同義であり，インタフェースをどこに設定するかによってシステム全体 の入出力の因果関係が大きく異なる．例えば，人の視覚系においてはまず媒介となる光を含めた 外環境があり，続いて水晶体や網膜などを有するセンサとしての眼球，情報を脳の視覚野に伝送 する視神経，そしてそれらを処理する高次および低次の脳の視覚処理部位がある．それらのどこ に界面を設定するのかで最終的に人の知覚・認知を通した事象・現象への影響の大きさ，制御で きる範囲が限定される． 設置点の差異によって大きく異なるのは，情報を受け取る対象者の数であり，正確な情報提示 を行う上で考慮すべきノイズ（外乱）の種類である．一般的なディスプレイのように外環境に作 用点を置いた場合は不特定多数の人に情報を提示できるが，外光や観察位置などの要因による影 響を受けやすい．一方で，眼球や脳などの身体に設置することで特定の個人に対して情報を提示 できるが，情報処理過程における個人差などの影響を受けやすい．そのため環境設置型はディス プレイの高輝度化や高視野角化を行いこれらの外乱の影響を極力減らす工夫がなされてきた．身 体設置型はまだまだこれらの外乱に対して有効な手法は提案されてきてはいないが，インタフェ ースが使用者に近いためリアルタイムに使用者のモニタリングを行うことが可能であることを考 えると，上述した外乱を低減することが実現可能であると考えている．また，同様にデバイスの 固定されている座標系により環境設置型は使用者がどこにいても使用できるというわけではない が，身体設置型はデバイスが身に着けられる程度の大きさであれば使用できるという特徴がある． これまでの視覚インタフェースはディスプレイなどに代表されるように外環境に作用するイン タフェースが主流であったが，情報処理装置などの電子機器の小型化によってシステムを小型化 することが可能となり，眼球や脳に対して直接情報を提示出来ることが可能となってきた．さら に，視覚情報をセンシングする眼球と視覚情報処理過程は生理学的にも機序が明らかにされてき ており，それらの知見に基づきインタフェースの設計を行うことでこれまでとは異なった情報提 示が実現できる．例えば，単純なディスプレイとそこからの情報伝達という情報の一方向の流れ ではなく，外環境の動きに対して眼球自体を動かすことで動きそのものを強調・抑制することや， 眼球に投射する外環境情報を適切に制御することで動きを強調・抑制することなどが可能である と推論される． - 25 - 2.5 結言 本章では，運動の知覚に関わる生理学的な知見として視覚と前庭感覚の概説を行った．まず， 視覚の感覚受容器としての眼球および網膜の構造と運動知覚に関する知見をまとめ，次に前庭感 覚器官の構造と前庭動眼反射の知見をまとめた．また，本論文で実現を目指すインタフェースの 定義を行い，従来までの視覚インタフェースに関して，その設置点別に環境設置型，身体設置型 の 2 つに大別し特徴を述べた．これまでは環境設置型の視覚インタフェースが一般的であり，多 くの研究・開発が行われてきたが，本論文の目指す視覚インタフェースが今後どのような場面で 利用されるのかも含めて重要性を論じた． - 26 - 第3章 3.1 運動の抑制とその視知覚特性 緒言 ヒトの視覚情報処理において実環境における物体の移動などの運動は，網膜上に連続的な光学 的変化を生じる実際運動（Real motion）として捉えられる．視覚情報を提示する科学や芸術の分 野においてはこれまで，ストロボスコープ（Stroboscope）を用いることにより実際運動を時間軸 上で離散的にすることで高速な物体の動きの認識を容易にしたり[49]，ビデオカメラなどの撮像装 置を通じて一定周期で繰り返しの運動を観察することでコミカルに見せたり[50]することが行わ れている．このような離散化は，すなわち時間軸上での視覚情報の標本化（サンプリング）を行 っているとも換言できる． 視覚情報の離散化・標本化を行うシステムに注目すると，ストロボスコープを用いたシステム では，可視光を遮断した暗室として環境を準備しておき，高い照度の光を瞬間的に投影すること で視覚情報の標本化を実現している．この形式では，定常的な可視光が与えられていないため， 実際運動からの連続した視覚情報と，標本化した視覚情報の両者を同時に獲得することはできな い．また，標本化を行うために実環境に影響を与えてしまうため，複数の観察者がいる場合にも 単一の離散化された視覚情報しか提供することができない． 一方で，撮像装置を使用して視覚情報の標本化を実現するシステムでは，環境に影響を与える ことなく離散的な視覚情報の獲得を実現可能であるが，獲得された情報は TV モニタなどの提示 装置を通じて被験者に提供する必要がある．このため，視覚情報を提示する上で撮像装置・提示 装置のハードウェアによる制約の影響を大きく受ける． 本章では，日常的な照明環境における視覚情報を高速なシャッタを用いた視覚情報の制御によ り，直接に実環境からの光線情報を受容する被験者の視知覚の拡張を試みるインタフェースとし て Stop Motion Goggle（SMG）を提案する．SMG の特徴は下記の 3 点である． 1) 視覚情報の微少時間での遮断により裸眼で対象を観察できる日常的な照明環境における視 知覚を拡張する 2) 装着型のデバイスにより観察対象側の環境に影響を与えない形式で被験者毎に異なった視 覚情報を提供する 3) 高い応答性を持つシャッタを用いることにより極めて短い時間幅(1ms 未満)の視覚情報の標 本化を可能とする 以下本章では，SMG を提案すると共に，被験者実験により SMG 使用時の視覚情報提示に対す る知覚特性に関する評価を行い，提案するインタフェースによる視覚への影響を検討する．また 実演展示を通じた SMG による視覚体験の観察についても述べる． - 27 - 3.2 関連研究 近年，普及が進んでいる 3D ディスプレイ技術の中では，液晶シャッタにより視覚情報に影響 を与える手法が，現在の市販されている 3D ディスプレイの主要な方式であるアクティブシャッ タ方式として古くから提案され[51]，技術開発がされている．視覚情報を時分割で制御し両眼視差 を作り出すこと（フレームシーケンシャル方式）で立体映像を体験者に与える提示することがで きるが，実環境の実際運動を観察の対象とするのではなく，ビットマップディスプレイに表示さ れた映像に視差を与えるために使用されるという意味で用途が本研究とは大きく異なる． 視覚情報を遮断するための液晶シャッタデバイスは Milgram らによって提案され装置が市販さ れている[52]が，液晶として無色から白色に変わる方式を採用しており，応答速度も白色から無色 の遷移に 4ms，無色から白色の遷移に 3ms で合計 7ms 程度と低速である．本研究で開発したイン タフェースは無色から黒色に変化する方式を採用しており遮蔽した際に，環境光の反射による視 覚刺激を避けることができる．また，応答速度も黒色から無色，無色から黒色の遷移の実測値で 合計 1ms 未満と高速であるため光学的特性・時間的特性が大きく異なる． 視覚情報の標本化に関わる研究としては，すでに述べているようにストロボスコープやハイス ピードカメラなどがあげられる．ストロボスコープは高輝度 LED などの発光体を周期的に発光さ せることで暗所における視覚情報のサンプリングレートをコントロールする装置である．教育の 分野で落体の運動を時間軸方向で見るために使用されることもあるが，周期的な運動をする回転 体などの観察においては回転体の回転周波数に近い周波数で発光させることによりエイリアシン グが生じ，物体の運動の見かけ上の運動速度に変化を与えることが出来る．この特性を利用し， 水滴などを一定周期で射出する機構を有した噴水にストロボスコープを用いることで，水があた かも重力に逆らって逆流しているかのように観察することができる作品がアミューズメントパー ク等に設置されている．また，観察対象へ光を投影する研究の一つである Morphovision では，高 速回転をする観察対象に対して，観察対象と同期して回転しているミラーに特殊なパターンの光 を照射することで残像効果を起こし，観察対象が様々な形に変形したかのような視覚効果を作り 出している[53]．ハイスピードカメラはその名の通り動きのある物体などを 1000fps などで撮影す ることにより，通常のビデオカメラの撮影（60fps 程度）や裸眼観察ではぶれ（ブラー）を伴う現 象を鮮明に記録することが出来る．そして撮影した情報はディスプレイを通して，実際の時間軸 を引き延ばしたスローモーション映像として見ることが出来る．撮像素子の高性能化によって現 在では 70000fps 以上のサンプリングレートで撮影できるハイスピードカメラも登場している．回 転体の回転周期と撮像装置のサンプリングレートを適切に設定することで同様の現象を提示する 手法として，Bellows が挙げられる．同作品では回転体に無数の立体オブジェクトを配置し，ビデ オカメラのフレームレートとシャッタスピードを制御することでディスプレイを通してアニメー ションを生成している[50]． ストロボスコープや Morphovision は裸眼で観察可能であるが，設置環境が暗室である必要があ り設置環境依存性が高い．また，観察対象が設置された環境に可視光を投影することで視知覚の 変化を実現しているため，多数の被験者がいる場合にも単一の時間においては同一のパラメータ の視覚提示しか行うことができない．また，カメラ映像の場合，標本化した情報の提示のために 画像提示装置が必要であり，撮像装置のみならず提示装置の性能からも提示可能な情報に制約が ある． - 28 - 3.3 Stop Motion Goggle(SMG)の理論的背景 図19 Stop Motion Goggle（SMG）の概念図 ヒトの視覚情報処理過程は可視光を入力として感覚器である眼球内の網膜・視神経を通じて視 覚野と視覚情報が伝達される．Stop Motion Goggle（SMG）は，感覚器の直近に高速なシャッタを 設けることで，視覚情報の標本化を実現する．図 19 に SMG の概念図を示す． 視覚情報の時間軸に作用すると考えられる制御パラメータとしては，感覚器の露光周波数，露 光位相，露光時間があげられる．これは，デバイス側に注目するとシャッタの開放周波数，位相， 時間として換言できる． 開放周波数を制御すれば，運動する対象を離散化する間隔を可変とする事ができる．離散化さ れた視覚情報を与える場合，周波数と空間領域での影響の検討[54]が行われており，既に得られた 知見を応用することができる．また，観察対象からの視覚入力に周期性がある場合，開放周波数 のナイキスト周波数より高い周波数においてエイリアシングが発生し，ナイキスト周波数と入力 周波数の差分が知覚されることが標本化定理から明らかである．裸眼では普段は知覚できない高 周波数の明滅を，環境に変更を加えることなく SMG を通すだけでその場で可視化することができ る． 開放位相を制御すれば，周波数制御とあわせて感覚器に可視光が入射するタイミングを調整で きる．観察対象の周波数と開放周波数が一致している場合には，位相を指定することで，明滅し ている対象の任意の明るさの状態のみを観察したり，周期的に運動している対象の任意の状態を 観察したりすることができる． 開放時間を制御すれば，感覚器へ入射する可視光の時間幅が可変となり時間軸上で積分される 視覚情報を選択できる．ヒトの視覚では，視覚刺激を短時間しか提示しない場合でも刺激の輝度 や空間周波数に依存するが，数 10ms から 200ms 程度の視覚像が保持される視覚的持続（Visual persistence）と呼ばれる現象が起こることが知られている[55],[56]．視覚入力が連続的に変化して いる場合，シャッタの制御により開放時間幅を短くすることで，モーションブラーの低減が可能 と考えられる．SMG の使用による視知覚の拡張の効果として裸眼と比較して日常的な照明環境で 高速に動いている対象の視認性を改善できると期待できる． インタフェース設計の観点から見ると，SMG では観察対象に可視光を投影するのではなく，遮 - 29 - 断するのみである．暗室等ではなく裸眼で対象を観察できる日常的な照明環境での使用が可能で ある．また，遮断を感覚器の近傍で行う為，観察対象に影響を与えず，シャッタ毎に異なった視 覚情報を提供することができる．本研究の特徴として述べている項目のうち，被験者毎に異なっ た視覚情報を提供するできることは，システムの設計上，明かであると言える．さらに，観察対 象が景観のような大きなスケールである場合にも観察者へ可視光が届けば効果を発揮できるとい う利点もある． - 30 - 3.4 Stop Motion Goggle SMG は頭部固定型の装着インタフェースである．使用環境を限定しないよう制御用 PC を必要 としない可搬性の高いインタフェースを目標としてシステム構成や回路，シャッタの選定を行っ た． 3.4.1 システム構成 SMG は主に液晶シャッタとその駆動制御回路からなる．システム構成をおよび外観を図 20 に 示す．マイコンを任意の周波数および Duty 比を持つ波形生成器として利用するため，シャッタの 波形パラメータを制御回路内に配置した EEPROM にあらかじめ登録しておく．このパラメータを 制御回路内のダイヤルもしくは赤外送信機を介した外部入力により切り替えることで運用する． 液晶の駆動パラメータを細かく変更する場合は，PC とのシリアル通信により任意の値に指定可能 である．制御できるパラメータは液晶の駆動周波数，Duty 比，位相であり左右それぞれ独立して 制御できる． 図20 SMG システム図 3.4.2 液晶シャッタ 本研究では，短い時間における視覚情報のフィルタリングを実現するため，通常の液晶ディス プレイなどに用いられる TN 型や IPS 型ではなく応答性能に優れている強誘電性液晶（(FLC: Ferro-electric Liquid Crystal）を使用することとした．SMG では Displaytech 社（現 Micron 社）の強 誘電性液晶 LV2500P-OEM を用いた．図 21 に LV2500P-OEM の外観と表 1 に仕様を示す．素子自体 の仕様としては透過率 10%から 90%, 90%から 10%の応答時間は 50μs であり，高い応答性を持っ ている． LV2500P-OEM は印可電圧+5V 以上の電圧で光を通すが，-5V 以下の電圧を加えると光を遮断す る．実際に FLC を駆動した際の特性を調べるために図 22 のように LED とフォトトランジスタの 間に液晶を設置し測定を行った．実験は 0.02Lux の暗室で行い，フォトトランジスタの出力電圧 - 31 - をオシロスコープで測定した．図 23 に 10Hz / Duty 比 1%（印可時間 1ms）で駆動した条件と 80Hz / Duty 比 4%（印可時間 0.5ms）で駆動した条件下での測定した結果を示す．赤いグラフが印可電 圧の時間変化であり，青いグラフがフォトトランジスタの電圧値である．いずれの場合も電圧を 印可してから 50μs 程度の時間遅れがあり，その後 150μs 程度過ぎてから定常状態の 90％程度の値 までフォトトランジスタの出力電圧が上昇している．実験結果からは印可時間が 250μs(周波数 80Hz，Duty 比 2％) 以上であれば，確実に 90%以上の高い透過率で可視光を通過させる状態を実 現できることが読み取れる．また，100%の透過率を基準とした場合も黒色から無色，無色から黒 色の遷移の合計で 1.0ms 未満を実現できている． 図21 FLC（LV2500P-OEM）の概観 表1 FLC（LV2500P-OEM）仕様 パラメータ 動作特性@ 21℃ 保証動作特性@ 21℃ 透過率（液晶開状態時） 28%～30% > 25% 透過率（液晶閉状態時） < 0.03% < 0.05% コントラスト比 1000:1 500:1 35μs < 50μs 70μs < 100μs 応答時間 (10%～90%/90%～10%) 状態遷移時間 (0%～90%/100%～10%) 動作保証温度 10℃～50℃ 形状 円形 サイズ 直径 34mm 図22 FLC 動作特性測定システム - 32 - 図23 印可時間による FLC の動作特性 3.4.3 液晶駆動制御回路 制御回路の概観を図 24 示す． 液晶駆動制御波形を生成する装置として Microchip 社 PIC16F876 マイクロプロセッシングユニットを搭載している．制御電圧は±5V としているが，駆動開始時に 短時間だけ液晶に高い印加電圧をプリエンファシス回路経由で与えることにより液晶分子の応答 を早くすることができるため，DC-DC コンバータとしてコーラル株式会社 SUW60515C を用い ることで制御波形をオーバードライブさせている． 図24 SMG 駆動波形制御回路 - 33 - 3.5 SMG を用いた知覚評価実験 実験目的 SMG を用いて外界からの視覚刺激を周期的に微少時間提示し，観察対象の運動により生じるモ ーションブラーの量を制御することで，運動する対象の視認性がどのように変化するかを検証し た． 実験被験者について 本実験は 20 代の男子 5 人に対して行った．5 人の内 1 名が裸眼であり，他 4 名は眼鏡やコンタ クトによる視力の矯正を行っている．なお，実験の同意書および実験の説明書等の書類は電気通 信大学 倫理委員会に提出し，承認された資料に沿うものである． 実験方法 ‐動的視標を用いた評価実験‐ 3.3 節で述べている視知覚の拡張を考える上でのパラメータのうち，開放時間を可変として 2 つ の周波数条件で実験を行う．本実験により，SMG の特徴として述べている項目のうち，遮断によ り視知覚の拡張が行えている事と，微少時間の知覚に影響を与えられることの 2 点について検証 を行う． 視標が運動することにより生じるモーションブラーが知覚に及ぼす影響に関する研究は数多く 行われており，Takeuchi らは脳の情報処理の過程でモーションブラーを抑制することが明らかに した[22]．当然ながら，SMG を用いる場合にも開放時間中も視標の実際運動は持続しており，モ ーションブラーを完全に無くすことは理論的には行えない．しかし，Takeuchi らの知見を考慮す るとモーションブラーを完全になくさずとも鮮明に視標を知覚する領域があることが推測される． 本実験ではまず一定速度で運動する視標に対して，SMG を用いることにより様々な開放時間条 件下で用いて評価を行う．評価手法としては視力測定法として一般的なランドルト環を用いた． 肉眼では観察できないような環境を得るために，視標の速度は円滑性追跡眼球運動(Smooth pursuit Eye Movement)では捉えきれない速度域で移動させ実験を行った． 実験構成 図 25 に実験構成図を示す．視標までの距離は 500mm とし，被験者の頭部を顎台により固定し た.輻輳の影響をなくすことなどから実験は片眼で行った．視標を知覚できる範囲は被験者の水平 視野角に換算すると約 11.42deg である．視標の速度は 2.5m/s に設定した．これは角速度に変換す ると 200deg/s を超えるため円滑性追跡眼球運動の限界速度とされる 40 ないし 60deg/s よりも十分 に大きい[57]．視標となるランドルト環の直径は 6mm である．暗室内での実験のため白熱電球を 照明として用いた．照明による視標の平均照度を裸眼，FLC 駆動時のそれぞれで測定した結果を 表 2 に示す．照度は三和電気計株式会社 照度計 LX2 で計測した - 34 - 図25 実験構成図 表2 実験条件別照度 被験者の状態 駆動条件 裸眼 FLC 使用時 照度 [LUX] 181.9 常時開放時 7.87 周波数 25Hz Duty 比 2% 0.48 周波数 25Hz Duty 比 10% 1.51 周波数 50Hz Duty 比 3% 0.51 周波数 50Hz Duty 比 12% 1.54 実験装置 ランドルト環を等速直線運動させる装置として図 26 に示す視標加速装置を製作した．本装置は アクチュエータとして DC モータ マブチモーター株式会社 RS-380PH-4045 を用いて，ベルトとプ ーリを介して回転運動を直線運動に変換している．速度制御はフォトリフレクタをセンサとして PIC を介したフィードバック制御を行っている．フォトリフレクタは 2 点間の視標の移動時間を センシングする．センサの反応を向上させるために視標下部の被験者には知覚できない位置に再 帰性反射材を貼り付けた． - 35 - 図26 視標加速装置 実験手順 被験者が 2.5m/s の等速運動をするランドルト環を裸眼（眼鏡などを使用した矯正状態も含む） で詳細を識別できないことを確認後，実験を開始した． FLC の駆動パラメータは周波数 25Hz，50Hz の 2 条件で，開放時間は 25Hz 時：0.80~4.0ms で 0.4ms きざみ(Duty 比 2.0~10%まで 1%毎）の 9 条件，50Hz：0.60~2.4ms で 0.2ms きざみ(Duty 比 3.0~12%までの 1%毎)の 10 条件とした．開放位相は一定として実験パラメータから除いた．提示 するランドルト環の向きは上下左右の 4 条件とし，各向きそれぞれ 3 回提示するようにした．つ まり，FLC の各駆動条件に対して，12 回試行した．提示順序は被験者に対してランダムに提示す るようにした．各試行での被験者への提示時間は 5 秒間とした． 被験者にはランドルト環の向きを回答してもらい，全く分からない時には「分からない」と回 答するように指示した 3.5.1 実験結果 図 27，図 28 にそれぞれ 25Hz と 50Hz での開放時間と正答率の実験結果をグラフに示す．全被 験者において，開放時間の増加にともなう正答率の低下の傾向が見られた．これは 25Hz，50Hz いずれの条件下でも同様の傾向が見られた．図 29 は 25Hz，50Hz それぞれの被験者の結果を平均 し，周波数別での結果を示したグラフである． - 36 - 図27 開放時間と正答率 25Hz 図28 開放時間と正答率 50Hz - 37 - 図29 周波数ごとの開放時間と正答率 3.5.2 考察 実験結果より，全ての周波数（25Hz と 50Hz）において，シャッタの開放時間の増加に応じて 正答率が減少する傾向があることが分かった．また，シャッタの開放時間は同じであるにも関わ らず，周波数により見易さが異なるという結果が得られた．特に，開放時間が 1.2ms 以上では高 周波数より低周波数でシャッタを切ったほうが視認性の向上がみられた．高周波数では対象物が 視野内に複数観察され視標が識別しにくかったという被験者の内観報告を考慮すると，低周波数 でシャッタを切ったほうが視標の識別がしやすかったためと考えられる． 図 30，図 31 に見られるようにシャッタの駆動周波数 25Hz，50Hz のいずれも上下方向のランド ルト環よりも，横ランドルト環のほうが見やすく，シャッタの開放時間が長くなっても観察可能 であった．これは，本実験に使用した装置は横方向にランドルト環を移動させる際に，モーショ ンブラーが生じるため，図 32 に示すように，同じ環境の下で観察しても，縦に向いているランド ルト環がぼやけ，方向を見極めることが困難となったということが考えられる．よって，実験中 に被験者は横のランドルト環の方が縦のランドルト環よりも識別しやすく正答率の違いという結 果になったと考えられる．今回の実験では，ランドルト環という単純な図形を用いた実験であっ たが，文字や画像などを様々な方向性をもった要素を含むオブジェクトを観察する際はこのよう な方向性が大きく識別の容易性という点に関わってくるであろう． 開放時間の減少に伴い，視標の提示時間及びコントラストが低下しているにもかかわらず，視 認性の向上が見られた要因としては，視覚刺激を短時間しか提示しない場合でも，数 10ms から 200ms 程度の視覚像が保持される視覚系のメカニズムである視覚的持続（Visual persistence）など の影響を受けていると考えられる[55],[56]．また，コントラストの低下よりもモーションブラーに よる視認性低下の影響が大きいため，本実験におけるシャッタの開放時間が 0.6ms～の条件では視 認性の向上が得られたと考えられる． - 38 - 図30 ランドルト環の向きと正答率の関係 25Hz 図31 ランドルト環の向きと正答率の関係 50Hz 図32 ランドルト環の向きによる影響 - 39 - 3.6 SMG の実演を通じたユーザースタディ SMG は，すでに述べたとおり外界の情報を変換するフィルタとしての役割を持っており，フィ ルタの特性は液晶シャッタの開放の時間軸上での周波数・位相・時間の制御に依存する．高速に 運動をする物体の視知覚へも影響を及ぼすことは前節で検証を行ったが，これらの知見を踏まえ ながら周期的な対象の観察を中心とした実演展示を行い，ユーザーを観察することで SMG の効果 を確認した． 周期的な視覚情報は周波数によっては使用者がちらつきを知覚する．そのため，ちらつきを知 覚しないように 40Hz 以上で駆動させるように留意している． 3.6.1 コイン回し 十分な速さで回転させたコインを裸眼で観察するとコイン表面の詳細は視覚的持続の影響によ り積分的に知覚されるため認識できなくなり，モーションブラーの掛かった回転体として視認さ れる．コインの回転速度と同期した周波数でシャッタの制御を行うことで，コインの表面の詳細 の視認が可能で，あたかも止まっているように視知覚の体験を提供するコンテンツ [58]を SIGGRAPH 2008・インタラクティブ東京 2008 にて実演展示した． 実際の展示では図 33 のように土俵のようなものの上に簡単にコイン回し行える装置を用意し， 回転している状態の体験者に観察させた．体験者が SMG を通して観察するコインを図 33 右の上 下に示す．上が裸眼で，下が SMG を通して観察したものである．液晶シャッタの駆動周波数は一 定とし，予めコインの回転周波数を含む周波数に設定した上で展示を行った． 図33 回転するコインと SMG を通して見た時のコイン 3.6.2 灯りを見る 室内環境における視知覚体験の拡張は，暗室などの特殊環境を用意すればストロボスコープな どでも同様の視覚体験をすることは出来る．しかしながら，SMG を用いる場合，裸眼で観察可能 な通常の照明環境を散策し，隠された高い周波数の視覚情報を探し出すといった使用法が可能で ある．日常的に目にする照明は常に点灯しているように知覚されるが，実はある一定の周波数で 点滅している．これはその場所の電源周波数に依存している．もちろん，インバータ方式で駆動 されているような街灯などはより高周波数で駆動しているが，多くの街灯などは電源周波数で駆 動されている[59]． SMG を電源周波数と近い周波数で駆動させることで，照明の周期的な輝度変化や街灯の色変化 - 40 - などを知覚できる実演展示のコンテンツを開発し，Laval Virtual 2009, Ars Electronica Center で展示 をおこなった． 展示の形態としては，図 34 のようなミニチュアの模型を用いて夜景を再現した．電源周波数に 従って変化する照明を模型に組み込み，体験者に観察させた．さらには，夜景を SMG で眺め都市 全体の電源の位相差の可視化も行った． 図34 ミニチュア夜景 3.6.3 体験者の反応と考察 コイン回しの実演展示においては，SMG を通すとコインが直立静止しているように知覚される タイミングがあり，手で回っている状態のコインをつかもうとする人が多く観察できた．静止状 態にみえることで，確信的に手を伸ばすためか，実際に掴むことに成功する体験者も多くいた． また，何回も体験者自身がコイン回しをして SMG での観察を繰り返す光景も見受けられた．実演 展示に向けデバイスをオペラグラス型に改良したため，裸眼と SMG での観察を交互に行う様子が 観察できた．また，なぜそのように見えるのかの原理の説明を求められることも数多くあった． 裸眼で見える対象が SMG を通すことで異なって見えるため，体験者に強い興味を持たせることが できたと考えられる． 照明を観察する実演展示においては，SMG の駆動周波数が 50Hz や 60Hz 付近のため，周囲の ディスプレイなどを見て色相の変化や明滅が生じる様子を楽しんでいた．特に，展示品以外の観 察対象を求める体験者が多く，目の前で手を素早く振る様子がみられただけでなく，静止物体に 対しても SMG を通して観察する様子が見受けられた．コンテンツとして用意した対象物に限らず 積極的に SMG を活用し観察する様子が見受けられたことは，SMG の特徴である日常的な照明環 境ですぐに使用できるという利点を体験者の行動からも読み取ることができる例だと考えられる． 3.7 結言 本章では，液晶シャッタを用いて外界の情報を周期的に遮蔽し，視覚情報の時間成分に対して 影響を与える Stop Motion Goggle（SMG）による動き成分の抑制手法に関して述べた．SMG の理 論的背景として視覚情報処理における視覚刺激の刺激周波数，位相，時間に対する生理学的知見 を示し，SMG の特徴として下記の 3 点を掲げた． 1) 視覚情報の微少時間での遮断により裸眼で対象を観察できる日常的な照明環境における視 知覚を拡張する - 41 - 2) 装着型のデバイスにより観察対象側の環境に影響を与えない形式で被験者毎に異なった視 覚情報を提供する 3) 高い応答性を持つシャッタを用いることにより極めて短い時間幅(1ms 未満)の視覚情報の標 本化を可能とする SMG を用いた心理物理実験により，動的視標に対してシャッタの開放周波数 25Hz と 50Hz に おいて，開放時間を 0.6-4.0ms の範囲で制御し，肉眼では観察できない運動対象の視認性が，液晶 の開放時間の減少，すなわち運動知覚の手掛かりの一つであるモーションブラーの量の抑制によ って，大きく向上することを示した． また，SMG の実演展示を通じた視知覚の拡張に対する体験者の反応を観察し，街灯などの日常 的な実世界の視覚情報の変容自体がエンタテイメントと成り得ること，そして観察対象として用 意したコンテンツ以外にも体験者自身で身の回りにある様々なモノを探検的に観察し出すことな どが分かった． - 42 - 第4章 4.1 運動の強調とその視知覚特性 緒言 一般に，我々は視野内に存在する様々な物体に視線を移しても，物体が動いていない限りそれ は静止して，かつ知覚上ではそれらの位置は変わらない．我々がもし外界情報を，眼球を通して 網膜に像を結び，それをそのまま知覚しているのであれば，視線を移すために引き起こされる眼 球運動による網膜像のズレは我々にとって物体の運動，あるいは視覚世界全体の運動という知覚 がなされるはずである．しかし，眼を動かしたときには網膜上で視対象の像の位置が変化するに もかかわらず，視覚世界は静止して見える．この「位置の恒常性(Position constancy)」は，Helmholtz 以来つぎのような視覚情報処理のモデルとして説明されてきた．すなわち，眼を動かしたときに は，同時に中枢から眼の動きの大きさに関する遠心性の情報『網膜外情報(Extraretinal information）』 が出て，網膜上での視対象の像の動きを相殺するために視覚世界は安定して知覚される．この運 動指令に関する『網膜外情報』は眼球運動指令の遠心性コピー(Efferent copy)やコロラリー放電 (Corollary discharge)などとも呼ばれ，その機序に関する様々な研究がなされている[28]． このように，我々は現実世界の関係と脳の計算過程が普段は同等に進行しているので矛盾を覚 えない．ところが，指先でまぶたの近辺を押すと，静止しているはずの外界がぐらぐらと動く． これは眼球運動指令の遠心性コピーがないので，脳内で『眼球は変位していない』として処理さ れ， 『網膜情報(Retinal information)による変位』がそのまま『対象の変位』と知覚されているから と考えられる．これらの知見から，逆に眼球を外的に動かすことが出来ればヒトが知覚する視覚 情報のうち空間成分を任意に制御し，運動を作り出すことができる，すなわち運動を強調して知 覚させることが出来ると考えられる． 本章では，外的な眼球運動の制御法として直接眼球に作用するのではなく，ヒトの頭部の加速 度や傾きを受容する前庭感覚を刺激することで間接的に眼球運動を引き起こす手法として前庭電 気刺激（GVS：Galvanic Vestibular Stimulation）を用いる手法を提案する．GVS を用いることで機 械的に前庭感覚を刺激するよりも装置が小型化できるため設置環境に依存しにくく，身体を器具 に固定するなどの制約条件がないため，実環境下において使用可能な視覚インタフェースが実現 可能である．インタフェースとしては眼球に直接作用するわけではないが他感覚の受容器に対し て作用し，結果として眼球に作用するという意味で視覚インタフェースとしても考えることが出 来る． 以下，前庭感覚の生理学的知見と前庭感覚を刺激することで引き起こされる反射的な眼球運動 である前庭動眼反射の知見，そして GVS の知見を通して，視覚インタフェースとして実装するう えで考慮すべき『GVS による視覚への影響』を明らかにし，知覚特性の評価を行う． - 43 - 4.2 Galvanic Vestibular Stimulation(GVS)を用いた先行研究 前庭感覚が人の姿勢制御や歩行運動制御，さらには前庭動眼反射などの眼球運動に影響を及ぼ すことは古くから知られていた． 前庭感覚の提示手法としてはこれまで，大掛かりな装置によって直接体験者の身体を動かし加 速度を与えることで前庭感覚を生起させる方法が一般的である．これは主にモーションベンチあ るいは，モーションプラットフォームと呼ばれる加振台を利用して人間に回転加速度や直線加速 度を提示する．空間内での運動は，前後，左右，上下の 3 方向とロール（前後軸回りの回転） ，ピ ッチ（左右軸周りの回転） ，ヨー（上下軸周りの回転）の６つである．モーションプラットフォー ム等を用いた研究としては，VR 研究の分野で物理的に被験者へ加速度を与えることで前庭感覚を 提示し，視覚情報との相互効果により高い臨場感を生成することが試みられている[79]．他にも， ヒトの内耳に対して冷水または冷風を注入することによって温度刺激を行い三半規管内のリンパ 液の対流を誘発し提示する方法（カロリック刺激）[80]などがある． 本節で概説する電気による前庭感覚刺激：GVS(Galvanic vestibular Stimulation)は，被験者の頭部 に電極を装着し，電気刺激装置で電流制御を行いながら刺激するものである．GVS を行うと被験 者の身体は直立時に陽極側に傾くことが知られており，これによって被験者にバーチャルな前庭 感覚を生じさせることができる． 前庭感覚の生理学的な研究としては機械的な加速度付加装置により物理的に加速度を与えるこ とでその影響を検証するという手法が一般的であったが，物理的な刺激はその実験系の特性上， 前庭感覚だけではなく体性感覚をも刺激してしまうという特徴がある．しかし，GVS による前庭 感覚刺激は前庭感覚のみを選択的に刺激することができるため，その有用性を利用して臨床分野 における前庭感覚の実験系において使用され始めた．特に，ここ 20 年で GVS を用いた前庭感覚 が人の姿勢制御及び歩行運動制御，そして眼球運動に及ぼす様々な影響に関する研究は増えてき ている．本節では GVS の関連研究を述べる． 4.2.1 人の姿勢・歩行運動制御における GVS の研究 ヒトへの GVS による加速度感の提示は両耳後ろの乳様突起上につけた電極間に微弱な電流 （<3mA）を流すことにより実現される．このとき被験者は陽極方向に加速度を感じ陽極側に傾く ことが知られている[81],[82]．直立姿勢の被験者に対して GVS を与えた場合には，数秒間にわた る身体動揺が観察され[83]，被験者の頭部が前方を向いている場合には身体は横方向に揺れ，頭部 が横を向いている場合には身体は前後の方向に揺れることが知られている[84],[85]．また，アイマ スクを着用し視覚情報を遮断している状態で両足をそろえて直立している被験者に，0.3～0.5mA の直流 GVS を与えた場合は，刺激を与え始めた直後と刺激の最中，そして刺激終了後における身 体の運動速度に有意な差があることなどが知られている[86]．このように，GVS の研究は姿勢制 御における反射の影響や前庭器の特性など多岐に渡る． 歩行運動や歩行方向に与える GVS の効果を調べる研究としては，アイマスクの使用による閉眼 歩行時に GVS を行うと歩行の軌道が GVS の陽極側に傾き，同様にアイマスクを着用して車椅子 に乗り実験者によって背後から押された場合，つまり GVS を受けている被験者が自らの足で移動 しない場合には，被験者は自らの移動の出発位置について陰極側にずれて答える傾向があること などが報告されている[87]． - 44 - 4.2.2 眼球運動への影響 前庭感覚は人の頭部の動きに対して視野を安定化させるための代償性の眼球運動である前庭動 眼反射（VOR: Vestibulo-ocular Reflex）を生起させる．そのため，GVS により前庭感覚を刺激する ことで VOR を誘発することができる．正確には， GVS により引き起こされる眼球運動は VOR と， VOR を誘発する刺激が継続的に加わることで生じる前庭性眼振により構成されている．特に，観 察される眼球運動は主に回旋性の眼球運動であり，水平性の眼振も観察される[88],[89]．眼球運動 の変位の大きさに関しても，生起される回旋量は刺激電流量に依存することが知られている [90],[91]．GVS により生起される眼球運動の研究としては，GVS の刺激電流として直流を用いて いるものと，交流を用いているものがある． Jahn らは直流を用いた GVS により生起される眼球運動を 20 歳~69 歳までの幅広い年齢層にお いて測定した．その結果，生起される回旋性の眼球運動の回旋量が，横軸を年齢，縦軸を 10 代の 回旋量を 1 として正規化したグラフが 40 代から 60 代で最大となる逆 U 字型を描くことを示し， そこから GVS は年齢と共に失われる耳石器や半規管の有毛細胞にではなく，前庭求心神経そのも のに影響を与えているという仮説を唱えた[89]．また，物理的な刺激を被験者に与えて生起された 前庭動眼反射の反応特性と GVS により生起された前庭動眼反射は，その運動の様子が類似してい ることなどが報告されている[92]． 交流を用いた GVS により引き起こされる眼球運動の研究としては，Schneider らによって刺激 周波数として 0.005Hz-1.67Hz（刺激電流値は最大 3mA）を用いた GVS に誘引される回旋眼球運動 を測定し，Robinson が提唱した前庭動眼反射の制御モデル[93]に修正を加え，耳石器および半規 管の GVS による感度と神経の発火頻度を求めた．その結果，半規管による入力の方が耳石器から の入力よりも，少なくとも 3.5 倍以上，GVS 誘因性の回旋眼球運動に対して影響を及ぼすことが 示唆された[94]． Zink らは眼球運動だけではなく，GVS により知覚される主観的視野運動に関して定量化を行っ ており，直流電流（1.5，2.0，2.5，3.0mA の方形波）を用いている．主観的視野運動の計測方法 は視覚的手がかりをなくすためにランダムドットパターンを貼り付けた直径 60cm 半球を被験者 の全視野を覆うように置き， 30cm 前方には視野角として 14deg になるように調整した調整視標 （白 色ライン）を被験者が GVS により知覚した傾きになるように調整し，その回転角をポテンショメ ータで記録した．また刺激後に知覚した傾きになるようドーム側も調整させ，その両方の値を組 み合わせて知覚された視野の回旋量とした．その結果，知覚される視野運動は中心視野および周 辺視野，つまり全視野であり，右側が陽極の時に 1.5mA では平均 2.2±0.9deg（N=4，Min=1.3deg， Max＝3.3deg） ，2.0mA では平均 2.6±1.4deg（N=12，Min=1.3，Max=6.3）などの結果を得た[90]． Zink らの研究は，直流刺激による影響の先行研究として有用な知見である．本研究では，単発の 方形波ではなく，持続的な交流刺激下における影響を計測する． GVS により生起される眼球運動の被験者間での差異について，運動の種類自体は先述したよう に回旋性および水平性が主だが，その運動特性は被験者個人内では同様の傾向を見せるものの被 験者間では大きな差が表れるということが多くの研究から明らかとなっている[88]-[92],[94]. 4.2.3 GVS を用いたインタフェースの研究 Maeda らや Bertin らによりそれまで臨床的に前庭疾患の検査などに用いられてきた前庭電気刺 激（GVS: Galvanic Vestibular Stimulation）を，人に対する前庭感覚情報提示インタフェースとして - 45 - 利用することが提案されてきた[95]-[98]．GVS は側頭部への電極装着のみで前庭感覚を提示する ことが可能なため，機械的振動などがなく，装置の小型化によるウェアラブルなシステムを構築 できるが，提示出来る加速度方向が電極の装着部位によるため多方向提示が難しい．そのため， これまで提案されてきた GVS インタフェースとしては前田らによって体験者の歩行を左右に任 意に誘導するインタフェース[98],[99]や，カーレーシング・シミュレータにおけるコーナーを曲が る際の加速度感の提示手法として等，GVS を用いた人への前庭感覚情報提示インタフェースの研 究がなされ，後者のシミュレータへの利用では GVS を用いることで臨場感が向上することなどが 確認されている[98]． また，我々によって GVS を用いて体験者に音楽のリズムと同期した加速度感を与えるという， 新しい音楽の体感システムが提案されている[100]．このシステムでは交流を用いて GVS を加速度 感の提示のみではなく，GVS により生起される視野運動を体験者がコントロール出来る視覚効果 （Visual Effect）としても利用している．この研究において交流電流を用いた GVS は視覚に対し て視野の中心を回転中心とした回旋運動を引き起こすことが見出された． - 46 - 4.3 実験 1：GVS による視覚への影響評価実験 実験目的 本来は安定して知覚される世界が，交流電流を用いた GVS によってに図 35 示すような被験者 の視野の中心を回転中心とした回旋運動として知覚される原因を検証することを本実験の主な目 的とした． 実際には動いていないものが動いていると知覚する要因として次の 3 つが考えられた．まず， 頭部もしくは眼球の運動によって網膜上に投影される像の位置が変位するため，像が動いて知覚 されたという考え．もう一つは得られた視覚情報が視神経を経由して大脳の視覚野において知覚 されるという経路上で，何らかの補正が視覚情報になされて像が動いて知覚されるという考えで ある．これらが GVS に誘発されたと仮定すると次の 3 つの要因にまとめることができる． (1) GVS に誘発される頭部の動揺により画像が動いて知覚される (2) GVS に誘発される眼球運動により画像が動いて知覚される (3) 知覚されたイメージに対して GVS による電流刺激が何らかの影響を脳に及ぼし画像が動 いて知覚される 本実験ではこの 3 つの要因のどれが GVS に誘引される視覚への影響を引き起こしているのか検 証するために，3 つの実験条件を設定し視覚実験を行った． 図35 視覚への影響（イメージ図） 実験被験者について 本実験には，事前に十分な説明を行うことで同意を得た，過去に前庭や視覚の疾患の経験のな い健常な 5 人の成人(男性 5 人 21~34 歳)が参加した．5 人の内 1 名が裸眼であり，他 4 名は眼鏡 やコンタクトによる視力の矯正を行っている． 実験方法 GVS に誘引される視覚への影響を引き起こす要因として 3 つの可能性を示したが，これらの要 因の影響を検証するために GVS に誘引される頭部運動の影響を請けない実験系と，同じく GVS に誘引される眼球運動の影響を受けない実験系，それぞれを設定しなくてはならない．特に，GVS に誘引される眼球運動には GVS により直接的に引き起こされる前庭動眼反射と，GVS に誘引さ れる頭部動揺によって間接的に引き起こされる前庭動眼反射の 2 種類がある．そこで暗室内にお - 47 - いて 1）空間固定刺激，2）頭部固定刺激，3）網膜固定刺激，という画像を固定する座標系の異 なる 3 種類の実験系を設定し，視覚への影響が生じる電流閾値を上下法により測定した．2)の実 験系では頭部座標系において画像を固定することにより，GVS に誘引される頭部動揺によって間 接的に引き起こされる前庭動眼反射の影響のない測定データが得られる．また，3)の実験系では 網膜に画像を固定することにより眼球運動による影響のない測定データが得られる．このような 各要因が 3 つの実験系の測定データに及ぼす影響の対応表を表 3 に示す．表から実験 1 の測定デ ータには 3 つの要因すべてが影響を与えることが分かる． 表3 実験-要因対応表 実験 1-1 実験 1-2 実験 1-3 空間座標 頭部座標 網膜座標 頭部運動 ○ × × 眼球運動 ○ ○ × 知覚イメージ運動 ○ ○ ○ 被験者には各刺激周波数において電流量の異なる刺激を提示し，提示画像が動いているように 知覚したか否かの 2 件法（強制 2 肢選択）で回答させた．刺激時間は 5 秒を目安とし，刺激周波 数によって調整を行った． 実験に際して，各実験系での実験の試行順序が被験者の反応に対して影響を及ぼす，いわゆる 順序効果を除去するために，次のような手順でカウンタバランスの手続きを行った． 1) 3 種類の画像の固定座標系における実験は，実験を行う順番を被験者によりランダムに設定 した． 2) 被験者に刺激開始時と終了時を毎回教示した． 実験装置 図 36 に前庭感覚刺激装置の外観を示す．ケースを含んだサイズは 90×130×30mm であり重量 は 240g である．定電流回路としてカレントミラー回路を用い，安定した刺激と被験者への高い安 全性を実現している．出力端には H ブリッジ回路を挿入し，単電源で電極の極性を任意に選択で きるようにしている．波形制御のための処理装置として Microchips 社 PIC18F252 マイクロプロ セッシングユニットを搭載している．これにより刺激の電流量，極性等を任意に制御可能である． MPU は，8 ビットのシリアル通信で DA コンバータへの指令値を送出しているため 256 段階の分 解能を持つ．回路自体は－2.5～2.5mA まで出力できるように設定してあるので最小分解能は 0.025mA である． - 48 - 図36 前庭感覚電気刺激装置とその回路図（回路図は[98]より引用） 実験ではゲル電極（National 社製）ができるだけ皮膚に接触するように，被験者の耳の付け根 から髪の生え際までの範囲に収まるような大きさ（約 5cm×2.5cm）に電極を切断し，乳様突起 (Mastoid process)に貼り使用した． 4.3.1 実験 1-1：刺激視標を空間座標に固定した実験 実験手順 被験者には暗室の中で壁面から 2m 離れた椅子に座り，壁面に提示された線の中央の注視点を 注視するように指示した．実験 1 では刺激周波数を 0.10，0.25，0.50，0.75，1.0，2.0，4.0，6.0， 8.0，12，16，32Hz とし，刺激電流値の範囲は 0.020～2.0mA とした．実験システムの構成図を図 37 に示す． 図37 実験系構成概念図（実験 1） 画像の提示方法として点ではなく線を照射できるサクラクレパス社 RX-5 赤色レーザーポイン タを用いた．フォトトランジスタを用いてこのレーザ光を観測したところ点滅している様子は観 測されなかった．したがってレーザ光の点滅による測定データへの影響はないといえる．線の長 さは水平線，垂直線共に視野角が 20deg，およそ 0.70m の長さに設定した． 実験 1 では一人の被験者につき，被験者が顎台の使用した場合とそうでない場合の 2 条件に加 え，提示する画像を垂直線と水平線の 2 種類，計 4 条件下において測定した． - 49 - 実験結果：電流閾値の周波数応答 実験 1-1 において得られた電流閾値の周波数応答のグラフを図 38 に示す．横軸に周波数，縦軸 に画像の運動知覚の電流閾値をとり，被験者別（被験者 A〜E：順に 21,23,23,25,34 歳）にグラフ 化した．最大刺激電流量 2.0mA で刺激した時に，視覚への影響がないと回答された場合は有効な データは取れなかったとしてグラフでは 2.0mA にプロットした． この結果，実験 1-1 の全ての条件において周波数が 0.75Hz～1.0Hz の時，電流閾値が最も小さく なり，電流閾値が最も小さくなった周波数を境にして，電流閾値が減少から増加に変わる傾向が あることが分かる． 水平線‐顎台使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 数 100 [Hz] 水平線‐顎台不使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 - 50 - 数 [Hz] 100 垂直線‐顎台使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 数 100 [Hz] 垂直線‐顎台不使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 数 100 [Hz] 図38 各刺激周波数における反応特性 実験結果：被験者の内観報告 提示画像として水平線を用いた条件において，被験者全員が主に水平線の注視点を回転中心と した回転運動を知覚した．この回転運動について被験者の内覧報告をまとめると，視覚運動は刺 激周波数を高くすると運動の速度が高くなり，また刺激電流値を大きくすると運動の変位が大き く知覚された． 刺激周波数別に詳しく示すと，1.0Hz 以下の刺激周波数においては全ての被験者が回転の周期は 刺激の周期と同期していると回答した．そのため，刺激周波数 0.10Hz において被験者全員が非常 に遅い回転運動であると感じた．しかし刺激周波数が高くなると回転運動ではなくなっていく傾 向が強く 4.0Hz 以上になると被験者全員が水平線は回転運動ではなく水平方向の振動をしている と知覚した．6.0Hz 以上になると刺激電流値がある値以上で周辺視野が点滅しているように見える という報告が 4 人の被験者（被験者 A，B，C，E）からなされた．12Hz では被験者 D も点滅を知 覚した．この点滅は被験者からの報告によると，提示画像が点滅しているのではなく F 視野の外 側で白い光が点滅しているように知覚しており，刺激周波数を高くすると点滅の周期も早くなり， - 51 - 刺激電流値を大きくすると点滅がより明るくなる傾向があった．また，瞼を閉じてもこの点滅は 知覚される．しかし周波数が 32Hz になると被験者 D，E は点滅を知覚しなかった． 提示画像として垂直線を用いた条件において，画像の運動は回転運動であったが，回転の中心 点は注視点であると回答とした被験者と，注視点よりも下を中心点としているという回答をした 被験者の 2 つに分かれた．その他の現象に関しては水平線提示の場合と同様の報告がなされた． GVS による体の揺れに関しては， 被験者全員が顎台を使用していない状態で刺激周波数が 1.0Hz 付近において最も体の揺れを知覚したと回答した． - 52 - 4.3.2 実験 1-2：刺激視標を頭部座標に固定した実験 実験手順 実験 1-2 では頭部座標系において画像を固定した．これにより頭部の揺れによる画像の相対的 な揺れの影響のない測定データが得られる．実験システムの構成図を図 39 に示す． 図39 実験系構成概念図（実験 2） 画像の提示手法には HMD：Head Mounted Display (SONY PUD-J5A) を用いた．この HMD は 仮想視距離約 2.0m のところに画面サイズ 42 型の画像が提示できる仕様である． 提示画像の画角，測定方法や測定する周波数値は実験 1-1 と同じである．ただし提示画像は水 平線のみとし， 測定条件は顎台使用時と不使用時の 2 種類とした．提示画像のサイズは縦：72[pixel× 横：534pixel，解像度は 72pixels/inch である． 実験結果：電流閾値の周波数応答 実験 1-1 と同様に横軸に刺激周波数，縦軸に画像の運動知覚の電流閾値をとり，被験者別（被 験者 A〜E：順に 21,23,23,25,34 歳）にグラフ化した． グラフの傾向としては，周波数が 0.75Hz～1.0Hz のとき電流閾値が最も小さくなり，電流閾値 が最も小さくなった周波数を境にして，電流閾値が減少から増加に変わるという実験 1-1 の結果 との類似性が見られた， - 53 - HMD‐顎台使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 数 100 [Hz] HMD-顎台不使用 電 流 閾 値 [ｍA] 0.1 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 刺 A B C D E 10 激 周 波 数 100 [Hz] 図40 各刺激周波数における反応特性 実験結果：被験者の内観報告 実験 1-2 における視覚運動への内覧報告は実験 1-1 において水平線を提示した場合と同様に，刺 激周波数の上昇とともに注視点を中心とするロール方向の回転運動から水平方向の振動運動に変 化した．また，点滅に関しても同様の報告がなされた． - 54 - 4.3.3 実験 1-3：刺激視標を網膜座標に固定した実験 実験手順 実験 1-3 では網膜に画像を固定することで，眼球運動による影響のない測定データを得ること ができる．網膜への画像の固定手法としては，スリットを付けた白熱球電灯を観察させ，直線画 像の残像を焼付けた．提示画像は水平線と垂直線の 2 種類とした．また，残像の効果時間につい ては個人差があったため，実験中は常に残像がはっきり見えているか口頭で確認し，残像が観察 しにくくなった場合は残像が完全に消えてから，もう一度残像を焼き付ける手順を行い引き続き 実験を行った． 図 41 に提示画像（水平線）のイメージ図を示す． 図41 提示画像イメージ図（水平） 本実験を計画するにあたり予備実験の結果から網膜に画像を固定した場合，提示した画像が回 旋運動しているように知覚される視覚への影響は見られなかった．また，同じく予備実験結果か ら，刺激周波数が 1.0Hz 付近で最も視覚への影響が知覚されやすい傾向にあることが分かった． したがって，実験 1-3 ではまず視覚への影響が刺激周波数 1.0，2.0Hz において知覚できるか測 定を行い，また同時に他の実験条件下で見られた刺激周波数が高くなると知覚される周辺視野の 点滅が実験 1-3 の条件下でも知覚されるか測定するために実験 1-3 では測定する刺激周波数を 1.0， 2.0，12，32Hz とした．測定方法は実験 1-1 と同様である．測定条件は残像の水平線，垂直線の 2 種類に加え，顎台の使用と不使用の 2 条件，計 4 条件下において測定した 実験結果：電流閾値の周波数応答 実験 1-3 では被験者 5 人全員が残像の運動を知覚しなかった． 実験結果：被験者の内観報告 実験 1-3 では顎台使用の有無に関わらず，被験者全員が提示画像の回旋運動を知覚しなかった と回答した．しかし，刺激周波数が 12Hz および 32Hz においては実験 1-1，1-2 と同様に被験者全 員が周辺視野の点滅を知覚したと回答した． 4.3.4 実験 1：統計分析結果 各実験間の条件差が測定データに与える影響を検証するために分散分析を行った．本実験は同 - 55 - 一被験者が全実験条件を試行する被験者内計画である．分散分析において要因とは測定データの 値を変化させる原因のことであり，人為的な条件設定による実験条件を指す．そこで実験 1-3 に おいて測定データは得られなかったので，実験 1-1 と実験 1-2 の結果をまとめて，条件設定差の主 効果を検定するために 2 つの 3 要因の分散分析を行った．一つは頭部固定条件（顎台の使用と不 使用）× 画像の固定座標系（空間固定と頭部固定）× 刺激周波数（0.10-32Hz），もう一つは， 頭部固定条件（顎台の使用と不使用）× 提示画像の種類（水平線と垂直線）× 刺激周波数 （0.10-32Hz）である． これら 2 つの分散分析の結果をそれぞれ表 4，表 5 に示す．刺激周波数の主効果はいずれの分 析でも有意であり（F (11, 44) = 55.03, P < 0.0001, F (11, 44) = 38.72 P < 0.0001） ，視覚運動を知覚さ せる最適な周波数があること（視覚運動知覚の周波数依存性）が支持された．頭部固定条件の主 効果は有意でなかった（F (1, 4) = 0.52, F (1, 4) = 0.17） ． また，表 4 から画像の固定座標系の主効果は有意傾向にある（F (1, 4) = 7.64, P = 0.051）ことが 示された.電流閾値の平均値は空間座標系固定の場合 0.71mA で頭部座標系固定における平均値 0.85mA より低く，HMD を用いて頭部に画像を固定した場合には視覚運動が知覚されにくくなる 傾向が示された．表 4 から，画像の固定座標系と刺激周波数の交互作用（F(11,44) = 2.51, P<0.05） ， 頭部固定条件と刺激周波数の交互作用（F(11,44) = 2.67, P<0.05）が有意であった．これは，視覚運 動知覚の周波数依存性の特性が画像の固定座標系や頭部固定条件によって異なることを意味する． 具体的には，HMD で画像を頭部に固定した場合には，全ての刺激周波数において空間座標系に画 像を固定した場合よりも電流閾値の平均値が高くなり周波数依存性が弱まること．また，あご台 で頭部を固定することにより固定しなかった場合よりも刺激周波数が 4.0Hz 以下であるときには 周波数依存性が高まり，逆に 6.0～12Hz では周波数依存性が弱まることを示した． 表 5 から提示画像の種類と頭部固定条件の交互作用が有意である（F (1, 4) = 15.20, P < 0.05）こ とが示された．水平線‐顎台使用の条件下での電流閾値の平均は 0.74mA で水平線‐顎台不使用 の条件下の平均値 0.68mA より大きい．一方，垂直線‐顎台使用の条件下で平均値は 0.67mA で 垂直線‐顎台不使用の条件下での平均値 0.70mA より小さかった．つまり，水平線は，あご台使 用で運動して見えにくくなり，垂直線は逆にあご台使用で運動して見えやすくなった．3 要因の 交互作用も有意であるが（F (11,44) = 4.61, P < 0.01），これについてはグラフから明確な傾向を読 み取ることができなかった． - 56 - 表4 分散分析表（個人差 × 画像の固定座標系 × 頭部固定条件 × 刺激周波数） Factor SS df MS(SS/df) F 個人差 (S) 10.323 4 2.581 画像の固定座標系 (A) S×A 1.168 0.612 1 4 1.168 0.153 7.64* 頭部固定条件 (B) S×B 0.030 0.231 1 4 0.030 0.058 0.52ns 刺激周波数 (C) S×C 120.111 8.731 11 44 10.919 0.198 55.03*** A×B S×A×B 0.077 0.353 1 4 0.077 0.088 0.87ns B×C S×B×C 0.357 0.534 11 44 0.032 0.012 2.67** A×C S×A×C 1.634 2.604 11 44 0.149 0.059 2.51** A×B×C S×A×B×C 0.067 1.185 11 44 0.006 0.027 0.22ns 表5 分散分析表（個人差 × 提示画像の種類 × 頭部固定条件 × 刺激周波数） Factor SS df MS(SS/df) 個人差 (S) 8.614 4 2.154 提示画像の種類 (A) S×A 0.034 1.133 1 4 0.034 0.283 0.12ns 頭部固定条件 (B) S×B 0.013 0.292 1 4 0.013 0.073 0.17ns 刺激周波数 (C) S×C 108.816 11.242 11 44 9.892 0.255 38.72*** A×B S×A×B 0.115 0.030 1 4 0.115 0.008 15.20** B×C S×B×C 0.104 1.186 11 44 0.009 0.027 0.35ns A×C S×A×C 0.329 1.703 11 44 0.030 0.039 0.77ns A×B×C S×A×B×C 0.515 0.446 11 44 SS; sum of square, df; degree of freedom, MS; mean square - 57 - F 0.047 4.61*** 0.010 ns p > .10; *p < .10; **p < .05; ***p < .01 4.3.5 実験 1：考察 実験 1-1，1-2 の測定結果と実験 1-3 の測定結果の最も大きな違いは，実験 1-1，1-2 では視野の 中心を回転中心とした回旋運動という視覚への影響を被験者全員が知覚したのに対して，実験 1-3 では被験者全員がそのような視覚への影響を知覚しなかったということである．つまり，視覚へ の影響の原因と考えられる要因は各実験間で設定した実験条件の差にあると考えられる．ここで 実験 1-3 は網膜に画像を提示することで，眼球運動の影響のない測定データが得られるが，実験 1-1，1-2 は共に眼球運動を無視できない条件下での測定データである．したがって GVS による視 覚への影響は，眼球運動による要因が最も大きいことが示唆される． 被験者の内覧報告によると水平線，垂直線どちらの画像においても回旋性の運動が見られた． 過去の研究において GVS に誘起される眼球運動は主に回旋性および水平性であり，特に視点を固 定視標に固定させると主に回旋性の眼球運動が計測されることが示されている[89]．本実験におい て提示画像には注視点を設けていたため，被験者は常に注視点という固定視標に視点を固定して いたといえる．これにより本実験においては，水平性の眼球運動に比べて回旋性の眼球運動が強 く現れていたと考えることができる．つまり本実験において知覚された回旋性の視覚運動はこの 回旋性の眼球運動に強く起因することが示唆される. 実験 1-1 と実験 1-2 をまとめた分散分析の結果から GVS に誘導される視覚運動知覚には周波数 依存性があることが示された．1.0Hz 付近でもっとも感度が高く，視覚運動が知覚されやすく，そ れよりも高い周波数では感度が急激に下がり，低い周波数でもやや感度低下が見られた．その結 果得られた周波数応答のグラフは全て 0.75～1.0Hz における電流閾値を最小値とした右上がりの 形状を示した．しかし，画像の回転周期と電流刺激の周期が同期しているという被験者の内覧報 告を考慮にいれると，0.1Hz よりも低い周波数では閾値は上がり周波数応答のグラフは U 字型に なる可能性があると考えられる． 同様に分散分析の結果から，頭部固定条件の主効果は有意ではなかった．つまり顎台使用の有 無という実験条件の設定差に対して測定結果は影響を受けないということが示唆される．しかし， 画像の固定座標系の主効果は有意傾向にあり，電流閾値の平均値は空間座標系固定の場合 0.71mA で頭部座標系固定における平均値 0.85mA より低く，HMD を用いて頭部に画像を固定した場合に は画像の回旋運動という視覚への影響が若干知覚されにくくなる傾向が示された．実験 1-2 では 実験 1-1 とは異なり GVS に誘引される頭部動揺によって間接的に引き起こされる前庭動眼反射の 影響のない測定データを得られる．このことから眼球運動のみではなく，GVS 誘導性の頭部運動 による前庭動眼反射が視覚への影響の知覚に若干の影響を及ぼしている可能性があると考えるこ とができる． しかし，これらの要因の影響の大きさは全ての被験者に対して完全に一様ではなかった．この 理由として GVS により誘起される眼球運動の応答は個人差が大きく表れるが，個人内変動は小さ いという過去の知見があげられる[88]-[92],[94]．そこで個人差という面から考察すると，図 38， 図 40 から被験者 D は他の被験者とは異なり全ての条件において刺激周波数が 32Hz であっても視 覚運動を知覚したということや，画像の固定座標系の違いは被験者 A，B のデータに大きな差を もたらす結果が表れるが，他の被験者のデータにおいて大きな差はないということが確認できる． 実験 1-1，実験 1-2，実験 1-3，全ての実験で確認された周辺視野の点滅について考察する．周 辺視野の点滅は被験者 5 人全員に知覚され，この点滅が見えた周波数から急に画像の揺れなどの 運動が知覚されづらくなり，そこから周波数を高くすると被験者の多くは最大刺激電流値 2.0mA - 58 - でも画像の運動は知覚しなくなった．逆に最も高い周波数まで画像運動の知覚を報告した被験者 D は，他の 4 人が点滅を感じたと報告した刺激において点滅は感じなかったと回答した．点滅の 見え始める周波数と視覚への影響を知覚する最大刺激周波数の間には相関関係があると推測でき る．また点滅の周期は刺激周波数が 16Hz の時に一番速く感じる傾向があり，32Hz にすると点滅 というよりも視野全体が白く光る感じがするという報告がされた． 人間は点滅として提示される光を見ると，ちらつきを知覚するが，その点滅の周期を高くする と臨界ちらつき周期（CFF：critical flicker frequency）に達する．これは点滅光が連続光に見える周 期である．これ以上点滅周期を高くしても光はちらつきとして知覚されず，定常光として知覚さ れる．一般に点滅光の輝度及び大きさが増大すると CFF は高くなる．さらに，点滅光の網膜への 提示部位として中心窩よりも周辺視野のほうが CFF は低く，低輝度であれば 2.0Hz から 10Hz，高 輝度であっても 20Hz 以下であるということが知られている[60]． 本実験において周辺視野で知覚された点滅光の周期が電流刺激の周期に比例して変化している ように感じたという被験者の内覧報告を加味すれば，刺激周波数が 32Hz において点滅光が連続光 として知覚されたため，視野全体に連続光を知覚したと考えることができる． - 59 - 4.4 実験 2：GVS による主観的回旋運動計測実験 実験目的 本実験では GVS によって誘引される被験者の主観的な視界の揺れを定量化することを目的と した． 実験被験者について 本実験には，事前に十分な説明を行うことで同意を得た，過去に前庭や視覚の疾患の経験のな い健常な 5 人の成人(男性 5 人 21~26 歳)が参加した．全員が眼鏡やコンタクトによる視力の矯正 を行っている． 実験方法 GVS による主観的視野の運動に関する計測手法としては zink らの用いた手法がある[90]．Zink らの実験においては，刺激波形が方形波であるため，同じ刺激条件で計測した眼球運動の運動デ ータからは刺激が方形波の直流刺激であることに起因すると思われる眼振や代償的な（元の眼球 位置に戻ろうとする）反対方向への運動が見られことが報告されている． 本実験では，暗室において回旋運動を行う直線を GVS 開始後に動作させ，回旋運動の位相と振 幅を調節させること（調整法）で，顎台を用いて頭部を固定した被験者の知覚する視界の揺れを 刺激中の実時間上でキャンセルさせ，主観的に視界が静止している状態に調整してもらった．そ して，この状態における直線の運動を被験者の知覚する視野の揺れ，つまり視野運動の主観的等 価点（PSE: Point of Subjective Equality）と見なして，視野運動の定量化を行った． 回旋運動をする直線（白色）は OpenGL でアンチエイリアシング処理を行い描画し，プロジェ クタで壁面に投影した．プロジェクタはプラスビジョン株式会社製 V-1100 使用した．投影した画 像の解像度は 1024×768pixels である．図 42 に示すように直線の中心には注視点（赤色）を設け， 被験者頭部から注視点までの距離を 2m とした．直線の長さは被験者の視野角約 20deg を占める ように 70cm とした．本環境において直線の端では約 66pixels が 1deg に相当するため，プログラ ム上で振幅は 0.025deg，位相は 9deg（1/40 周期）単位で調整可能とした． 暗室で行う際に，プロジェクタの光が照明となり壁面の境界（垂直性）やテーブルの端（水平 性）が視覚的な手がかりとなってしまうことを防ぐために，プロジェクタのレンズ部位外を覆う とともにレンズ部には減光フィルタを取り付け光量の調節を行った．この結果，室内および画像 を投影した壁面の照度は 0.0lx，提示直線および注視点の照度は 0.9lx になった．照度の計測には 三和電気計株式会社製の照度計 LX2 を用いた． - 60 - 図42 実験構成概念図 実験装置 前庭感覚電気刺激装置に関しては 4.3 節で述べたものと同じものを用いた． 実験手順 本実験では交流，つまり周期的な波形である Sin 波形電流による GVS を刺激として用いる．刺 激電流値条件として 1.0，1.5，2.0mA の 3 条件，刺激周波数は 0.5，0.8，1.0，1.6，2.0Hz の 5 条件 である．被験者内における刺激条件の提示順序は，刺激周波数をランダムに決定した後，3 通り の電流値をランダムな順番で提示するという，提示順序のランダマイズ化を行い，主観的視野運 動の計測を行った．この提示条件をランダマイズ化した計 15 通りの条件下で，被験者は各条件に 対して 4 回ずつ計測を行うように設計した．これらの実験系の前に，各被験者は各刺激周波数に おいて回旋運動に対する最小運動知覚閾値の測定を上下法により測定した．また，提示直線の回 旋運動の位相および振幅に対する操作方法も事前に教示し練習してもらった． 実験手順は以下の通りである． （実験手順1） 被験者の頭部を顎台で固定し，提示した直線の中心にある注視点を注視させる． （実験手順2） 提示直線は振幅 0deg の状態で静止させたまま，口頭による実験者の刺激開始の合 図と供に刺激を開始する． （実験手順3） 5 秒経過後，任意のタイミングで実験者によりランダムな振幅（1-5deg 程度）を加 えられた提示直線の回旋運動が提示される．このタイミングは教示されない． （実験手順4） 提示直線の回旋運動開始から 5 秒後，まずは位相のみ変化させ，主観的に直線の 回旋運動の振幅が最小となるような位相に調整してもらう． （実験手順5） 位相調整後，振幅を調整してもらい主観的視野運動が静止するよう位相に関して も微調整してもらう． （実験手順6） 被験者が主観的に静止している状態になったことを口頭で報告させる． （実験手順7） 刺激停止 ここで被験者により調整された提示直線の回旋振幅を GVS により生起された主観的視野運動 の回転角度とし，調整された位相を GVS から視野運動が生起されるまで位相遅れ deg とした． - 61 - 4.4.1 実験結果：主観的視野運動の回旋量 実験において測定された主観的視野運動の回旋角度 deg を被験者別（被験者 A-E）にグラフ化 した．その一例として図 43 に刺激周波数 1Hz における主観的視野運動の電流値応答と，図 44 に 刺激電流値 1mA における主観的視野運動の周波数応答のグラフを示す．同様に，刺激から主観的 視野運動が生じるまでの位相のずれの刺激周波数 2Hz 時における電流値応答の関係を図 45 に，刺 激電流値 2mA における周波数応答との関係を図 46 に示す．また，各被験者の回旋運動に対する 最小運動閾値の周波数応答を図 47 に示す． 図43 主観的視野運動の回旋角度：刺激周波数 1Hz 時 図44 主観的視野運動の回旋角度：刺激電流値 1mA 時 - 62 - 図45 刺激からの位相差：刺激周波数 2Hz 時 図46 刺激からの位相差：刺激電流値 2mA 時 図47 回旋運動に対する最小運動閾値と刺激周波数の関係 - 63 - 4.4.2 実験結果：被験者の内観報告 本実験における被験者の内観報告を被験者ごとにまとめて記載する． 被験者 A：高周波域のほうが回旋運動の静止確認が容易である．逆に低周波域では回旋が捉えづ らかった．なお，0.5Hz では気分が悪くなった，という報告があった． 被験者 B：前庭感覚電気刺激中に横揺れを知覚した．また高周波域で刺激電流値を上げていくと 電極貼り付け位置下部での痛みと，周辺視野に極わずかな光の点滅を知覚したとの報 告があった． 被験者 C：高周波域では注視点の横揺れを知覚し，刺激周波数の上昇に伴い横揺れの振幅が増大 した．また，高周波域で電流値を増加すると被験者 B と同様に，周辺視野に光の点滅 を知覚したとの報告があった． 被験者 D：被験者 A と同様に，高刺激周波域における回旋運動の静止確認が容易であり，逆に低 周波域では回旋運動が知覚しづらかったという報告があった． 被験者 E：被験者 B と同様に，視野の横揺れを知覚したという報告があった． 4.4.3 実験 2：考察 図 43，図 44 の主観的視野運動の計測結果から，視野運動の回旋角度は本実験における刺激範 囲（1.0～2.0mA）において電流刺激量に比例して増大するが，刺激周波数域（0.5～2.0Hz）では刺 激周波数に反比例して周波数が高くなると回旋角度が減少する傾向が分かった．また，図 45，図 46 の刺激からの位相ずれに関する計測結果から，主観的視野運動は刺激から 50-80deg 位相が遅れ て発生していることが分かる．しかし，位相ずれの刺激電流値応答および刺激周波数応答に関し ては被験者間で一様の傾向を読み取ることはできない．位相ずれに関しては本実験で用いた刺激 条件（電流値 1.0-2.0，周波数 0.5-2.0Hz）においては大きく変動しないと考えられる．図 47 の回 旋運動に対する最小運動閾値の計測結果からは，0.5-2.0Hz の周波数帯において周波数が高くなる ほど閾値が下がる傾向にあることが分かった． これらの計測結果に関してそれぞれ先行研究の知見と比較して考察を行う． GVS 誘因性主観的視野運動の計測手法に関して 全被験者の結果を通して，全ての条件において回旋性の主観的視野運動を知覚し，被験者自身 による提示直線の回旋運動調整により主観的静止点を求めることが出来た．これは実験条件とし て設定した 0.5-2.0Hz の周波数帯においては用いた計測手法により，主観的視野運動の角度および GVS からの位相ずれに関して定量化が行えたと考えられる．提示した刺激周波数帯においては主 観的視野運動の知覚閾が低い，つまり主観的視野運動を知覚しやすいという 4.3 節 実験 1 の結果 に基づいた条件設定であったことと，交流電流刺激条件では，持続的な刺激が可能であったこと のため，調整法による主観的等価点を求める実験系が実現できた． 実験の結果からは，交流波形による GVS では主観的視野運動の回旋角度は刺激電流値の大きさ に比例し，逆に刺激周波数に対しては反比例することが読み取れる．実際の眼球運動に着目する と，交流波形を用いた GVS により誘引される回旋性 VOR は刺激周波数に関してローパス特性を 持ち，本論文において用いた刺激周波数帯では周波数の上昇に応じてゲインが下がることなどが 示されている[94]．このことから，回旋性 VOR と主観的運動量の間に高い相関が有る可能性が示 - 64 - 唆される．主観的視野運動が GVS に誘引される回旋性 VOR に依存しているという考えは，4.3 節 実験 1 の結果からも支持されている． また，刺激周波数に対して主観的回旋量が反比例する ことは，直流の刺激を用いた Zink らの先行研究結果[90]が，本研究より大きな主観的視野運動を 記録した事実とも整合性があると考えられる．しかしながら，GVS 誘因性の眼球運動の運動特性 は被験者間で異なることが知られており，被験者間では単純に回旋角度の大きさを比較すること はできない点には留意が必要である． 一方で，本計測手法における計測誤差要因としては人の運動知覚における最小運動閾値が上げ られる．図 47 の各被験者の回旋運動に対する最小運動閾値から計測された回旋角度との関連を考 察する．人の最小運動閾値に関する研究は古くから行われており[10],[13]，静止参照刺激を用いて 線分やドットの相対的な最小運動閾を測定すると，網膜でも最も感度の高い中心窩において視角 10″（= 0.0028deg）以下となる[10]．刺激運動視標としてランダムドットを用いて測定した研究か ら最小運動閾は視標の移動距離ではなく速度が決定要因となり，時間周波数を独立変数に取った 場合に 2Hz 前後で最小値を示す[13]などの知見がある．これらの知見は我々が計測した最小運動 閾値と一致する．この運動閾値が低ければ，提示視標の調整により得られる視野の主観的静止点 と知覚される領域が狭くなる，つまり個人内での計測データの誤差が少なくなると考えられる． 今回測定した 5 人の被験者データからはそれぞれの最小運動閾値と測定データ（N=4）の偏差と の関連性は見られなかったが，本計測手法を低周波数（< 0.5Hz）の交流波形刺激において用いる 際はこの点に注意する必要があると考える． 測定データの個人差 測定された主観的視野運動の回旋角度および位相ずれの各パラメータに関して，同じ刺激条件 下でも被験者間の測定データに差が見られた．刺激周波数 1Hz 時における回旋角度の刺激電流値 応答の被験者間データ結果にも見られるように，この時の刺激電流値 2mA における被験者 D の 計測結果は 0.55±0.074deg（N=4，Max=0.65deg，Min=0.475deg）に対して被験者 B の計測結果は 0.30±0.12deg（N=4，Max=0.45deg，Min＝0.175deg）である．被験者の内観報告からも被験者間に おける GVS により生起される痛みや周辺視野の点滅等の知覚に違いが見られる． GVS による眼球運動の運動特性など視覚への影響，および歩行や姿勢などへの影響に関する過 去の研究においても個人差が表れることが報告されている．MacDougall らは特に，前庭器官や前 庭求心性の神経に対して直接電極を差し込み刺激する前庭電気刺激に対して，皮膚に電極を貼り 付けて行う GVS を Surface GVS として，Surface GVS により得られるデータが個人内（同一被験 者内）では安定するのに対して，個人間（被験者間）ではばらつきが大きいことに関して言及し ている[88]．そして，GVS への反応の大きさや反応パターンなどの被験者間差は形態的な個人差 であることを示唆し，他にも要因として電極の位置や皮膚抵抗，電流の刺激経路，被験者の覚醒 状態の差異などの可能性をあげている GVS を人への前庭感覚提示インタフェースとして用いて，人の歩行誘導を行った場合も反応が 被験者間で異なることが報告されており，原因として GVS による電流刺激が前庭器官のみではな く，個々人の頭蓋形状に依存した漏れ電流の存在により，同じ刺激量でも実際の前庭器官への刺 激が異なっているという可能性と，前庭器官への刺激量が同じであっても，そこから前庭反射や 前庭感覚知覚までに至る経路上でのゲインが個々人で異なるという可能性の 2 つをあげている これらの個人差を生み出す可能性がある要素に関して検証を行い，どの要因が最も個人差を生 - 65 - み出すのかを明らかにするか，もしくは，これらの個人差を何らかの標準的な指標による GVS の 影響の標準化や刺激電流値もしくは周波数に対する重み付けを用いた正規化を施さなければ， GVS を利用した前庭感覚インタフェースの開発および，視覚前庭感覚統合システムの構築をする 上で必要な GVS 誘因性の加速度感や視野運動の制御の一般化ができない． - 66 - 4.5 実験 3：GVS による眼球運動計測実験 実験目的 GVS により人は主観的な視野の運動を知覚することが知られている．特に交流電流を用いた GVS では刺激周波数に依存した周期的な回旋運動が知覚され，その回旋角度は刺激電流値の大き さに比例することが 4.4 節 実験 2 で示された．また，視標を被験者の頭部座標系，網膜座標系， 空間座標系に固定した条件下での実験において，主観的な視野運動は主に GVS により生起される 眼球運動に起因することが 4.3 節 実験 1 で示唆された． しかし，我々は眼球を自発的に動かしても GVS に生起されるような視野の運動は知覚できない． 前述したように，我々の頭部が動いても前庭動眼反射(VOR)や視運動性眼振(OKN)といったシステ ムが，網膜像の動きを少なくしようとするためである．さらには，随意的な眼球運動でのエファ レンスコピー等による，脳内での動き知覚の抑制作用などの知見は，本当に眼球運動によって視 界の運動が知覚されているのかという疑念をもたらす． 本実験において，頭部固定式のアイカメラで GVS 中の眼球運動を測定し，その運動特性の知見 を得ることは，これまでの実験によって得られた実験の結果をさらに深く検証するための材料と なり，それゆえこれまでの実験結果を総括しうるものであると期待される． 実験被験者について 本実験では，事前に十分な説明を行うことで同意を得た，過去に前庭や視覚の疾患の経験のな い健常な 4 人の成人（20 代 男性 4 人）が参加した．全員が眼鏡やコンタクトによる視力の矯正 を行っており，内 1 名は著者であった．なお，実験の同意書および実験の説明書等の書類は電気 通信大学 倫理委員会に提出し，承認された資料に沿うものである． 4.5.1 画像による眼球運動解析プログラム 回旋眼球運動(Torsional eye movement)を検出するには主にサーチコイル法と眼球運動の画像解 析の 2 種類がある． サーチコイル法はコンタクトレンズの周りにコイルを取り付け，被験者を一様な交流磁場の中 に置き，眼球の回転に比例した誘導電流を取り出すことで眼球の水平，垂直運動成分はもちろん 回旋成分も高精度で計測することができる．ただし，眼球とコンタクトレンズとの間のスリップ の影響や，被験者への影響も無視できないため長時間の測定には不向きである． 画像解析による眼球運動計測法としては，眼球に付着させたパターンを CCD カメラなどにより 撮像し，その映像を画像解析することにより眼球の回旋量を求める方法と，虹彩紋理や瞳孔(Pupil) を利用して画像解析を行う手法が知られている[101]．前者は，眼球に付着させるパターンとして コンタクトレンズにマークを付着させるもの[102]，輪舞結膜上に視標用の色素を付着させるもの [103]などが考えられるが，眼球への侵襲があるため一般化には至っていない．これに対して，後 者の虹彩紋理を利用する方法は近年の科学技術の進展に伴う高精度な CCD カメラや安価で高性 能な PC の登場により注目されている[104]．特に，撮像装置として高速度カメラを使用すれば， サッカードや固視微動のような高速でかつ微細な眼球運動を計測することができる．虹彩紋理の 利用法としては，紋理の中の特徴点を追跡する方法[105]，[106]，[107]や瞳孔運動によって生じる - 67 - 紋理歪みを 2 次元相関関数を用いて克服する方法[108]，瞳孔の形状変化を楕円検出法などにより 求める方法などがある[109]． また，解析のための計算時間を短縮する手法として，Hatamian と Anderson の相関法[110]がある． これはある瞬間の瞳孔系よりわずかに大きな円周上の虹彩の濃度分布をテンプレートとして，そ の直後の濃度分布との相関を逐次求めることで回旋を算出する方法[111]で，計算時間は大幅に短 縮され回旋眼球運動の実時間計測などを実現している． 本実験では主に回旋運動の計測を行うことを目的としているため，眼球の経時画像の虹彩パタ ーンマッチングによる眼球回旋運動量の解析を行った．解析プログラム（Mac OSX 上で動作を確 認）として NTT CS 研（現 九州大学）の光藤氏が開発した，虹彩の輝度分布とリファレンス画 像の虹彩の輝度分布との相関による Cross-correlation 法を使用して，画像解析から眼球の回旋量を 推定することで眼球運動計測を行う．図 48 に解析プログラムの GUI と実際の実行画面を示す． 本解析ソフトでは，眼球の回旋角度の他に眼球の水平方向および垂直方向の変位量も推定する ことができる．変位量の正方向はそれぞれ，用いる眼球の画像が右目左目に関係なく，カメラか ら向かって右方向が水平方向（x 軸）の正方向であり，垂直方向（y 軸）では下方向が正，回旋量 は時計回り方向が正方向となっている．つまり，図 48（画像は左目）では時計回りが回旋変位量 の正方向であり，被験者からすると反時計回り方向が正方向である． 図48 Cross-correlation 法を用いた眼球運動解析ソフト（NTT 光藤） 画像解析による運動解析手法において，その分析限界を定める一つの要素として解析に用いる 画像の解像度の高低が挙げられる．しかし本解析プログラムでは推定に用いる虹彩部分では隣り 合うピクセル同士をまたぐピクセル（サブピクセル）を設けることで解析上の画像解像度を上げ ている． 虹彩紋理を取得する手法として，まず瞳孔を検出し，しかる後に瞳孔のエッジから一定画素は なれた同心円に囲まれた円筒領域内の画像を極座標表示により線形にマッピングする手法が一般 的であるが，本手法でもこの手法が用いられている．図 49 に視覚的に分かりやすいように解析上 での瞳孔の領域を着色した．本手法においては，瞳孔は真円と見なして解析を行っているが，実 際の瞳孔は楕円形に近く，人によっては一部変形した形状をしているため，この見なしが推定値 の発振や実測値と誤差を生む． - 68 - 図49 瞳孔径と虹彩紋理領域 また，虹彩紋理は瞳孔径が変化した際に変形するが，その変形モデルは線形ではない．この虹 彩紋理の変化の非線形性も誤差の原因の一つである． 製作したアイカメラ 本研究において片眼眼球運動撮影のための頭部固定型アイカメラを作成した．図 50 にその外観 を示す．用いるカメラの選定にあたっては，頭部座標系にカメラを固定し眼球の運動を撮影する という目的から，小型軽量で解像度が高く，フレームレートが高いという条件を満たすことが最 も重視した選定基準であった．そこで，重量が 8g と軽量かつ 640x480 の解像度で 60fps での撮影 が可能，しかも別途付属するキャプチャソフトを用いると撮像したデータを無圧縮 BMP ファイル の連番として生成してくれる Firefly MV(PointGrey Research Inc,Canada : 国内代理店 （株） Viewplus)を選んだ．図 51 および表 6 にそれぞれ Firefly MV の外観と仕様を示す． 図50 製作した頭部固定型アイカメラ - 69 - 図51 Firefly MV 表6 Firefly MV 仕様 画像素子 マイクロン製 1/3 インチ プログレッシブ CMOS MT9V022 ピクセル Standard-VGA 640x480， Wide-VGA 752x480 A/D コンバータ 10 ビット A/D コンバータ 画像出力データ 8 ビット，16 ビットデジタルデータ 標準解像度 フレームレート ゲイン 640x480pixel 60，30，15，7.5 FPS 自動/マニュアル（切り替え可能） 0dB~12dB シャッタスピード S/N 比 自動/マニュアル（切り替え可能） 0.12ms~66.6ms（15fps） 最低ゲインにおいて 50dB 以上 寸法 25mm×40mm（レンズホルダー，および光学系を含まず） 重量 8g（レンズホルダー，および光学系を含まず） インタフェース 6 ピン IEEE-1394（画像取得，カメラ制御） 今回，このアイカメラの製作において留意したのは，前述した解析プログラムで正確に瞳孔お よび虹彩紋理を検出しやすい画像を撮影できるようにするという点である．瞳孔および瞳孔径の 正確な検出の実現は，瞳孔のエッジから定画素数離れた領域を虹彩紋理として用いる画像解析手 法において，計測精度を上げるために必要不可欠であるといえる．そのため，製作したアイカメ ラには光学的な改良を行った． 以下，今回製作したアイカメラにおける改良点を記述する． (1) 角膜表面および瞳孔への周辺環境情報の映りこみの抑制 眼球撮像時にカメラ自体を含む周りの像が，角膜表面の反射により撮像したデータに極力写り こまないようにするため，アイカメラの土台となるゴーグル前面及び内側に羅紗布を貼り付けた． 図 52 に見られるような周辺環境の映りこみは，画像解析により眼球の変位量を推定する手法にお いて大きなノイズの原因となるため除去する必要がある． - 70 - 図52 眼球画像への周辺環境情報の映りこみ (2) LED 光源の反射によるノイズの除去 一般に， 市販されているアイカメラの多くは図 53 のようにカメラと同軸上に光源用の赤外 LED を配置するため，取得画像上で瞳孔の欠損が存在する．このノイズを除去するために，取得画像 に対して何らかの処理をすることや，計算により欠損箇所の補間を行うことはあまり効率がいい 方法とは言えない．角膜反射法や強膜反射法などのように，計測手段として LED の反射光が必要 である場合以外は，むしろ計測精度を下げる最大の原因となる． 図53 瞳孔への光源の映り込み そのため，製作したアイカメラでは光源をカメラと同軸上に置かず，眼球に対して斜めから配 置した．斜めに配置することで図 54 の取得画像のように，光源が映りこんでも虹彩や瞳孔に対し て影響を及ぼさない． - 71 - 図54 製作したアイカメラで撮影した眼球画像 実験方法 実験は白熱灯を間接照明として使用した平均照度 60Lux 程度の室内で行った．これは暗室もし くは完全暗中では瞳孔が大きく開き，虹彩紋理が極めて撮像しにくくなるためである．GVS には 実験 1，2 と同様の電流刺激回路を用い，安定した刺激電流を供給するため，昇圧回路ではなく安 定化電源（PAS500-06 KIKUSUI 社製）を用いた．眼球の撮影は第 5 章において紹介した自作アイ カメラを用いた．このアイカメラにより眼球の画像を 60Hz で取得し，IEEE-1394 ケーブルを介し て BMP 連番ファイルで保存した．実験では刺激時間は 10 秒間に設定したのでカメラから取得す るデータは 1 試行につき 700 データ（約 11.5sec）とした． 提示した刺激電流は交流電流であり，周波数は 0.1，0.25，0.50，0.8，1.0，1.6，2.0Hz の 7 種類， 刺激電流値は 2.0ｍA とした．これは過去の研究において，電流値を大きくするとそれに比例して 視野の傾き量が増大するという知見が確認されており，また，予備観察において低い電流値では 眼球の回旋量が小さく，測定誤差を生みやすいと判断したからである．被験者には上記 7 種類の 刺激周波数に加えて ns：無刺激の計 8 条件において，それぞれ 4 回ずつ眼球をアイカメラにて撮 影した．提示刺激の提示順序は被験者ごとにランダムに与えた． 本実験系において，刺激電流制御回路とアイカメラは外部デバイスによって協調動作していな い．つまり，電流刺激開始時刻とアイカメラによる撮影開始時刻を同時刻にすることはできない． 解析を行う際に電流刺激が開始された開始時刻を何らかの形で検出する必要がある．そこで，電 流が流れたと同時に LED を点灯させるようにした．つまり，得られた画像データから電流の開始 時刻を検出できるようにした．この手法による刺激開始時刻の検出誤差はアイカメラのフレーム レートが 60Hz であるから，最大で約 16.7ms の誤差が出るということになる． 実験手順 被験者は椅子に座り，図 55 の右図のように顎台により頭部を固定したまま実験中は注視点を固 視するように教示した．加えて，実験試行中はできるだけ瞬きをしないように教示した．図 56 に 実験構成概念図を示す．顎台から 2m 離れた壁面に，青色 LED を光らせ注視点とした． 1 試行は前述の通り約 11.5sec として，刺激パラメータとして 8 条件，1 条件につき 4 回試行の 計 32 回の測定を行った．各試行間に 10sec 程度の間隔を挟み，全試行回数の半分にあたる 16 回 の測定終了後，2 時間以上の間隔を挟んで残り 16 回の試行を行った． - 72 - 図55 実験構成 図56 実験構成概念図 - 73 - 4.5.2 実験結果 1：各刺激周波数における被験者内データ 全被験者において，GVS 誘因性と考えられる回旋性の眼球運動が確認された．しかし，内 1 人 の被験者の眼球運動データが，他の 3 人の被験者では一様に安定して測定できた低周波の刺激に おいても，眼球の直線運動などによる瞳孔検出ミスにより，安定した眼球運動が得られなかった ため，実験結果として最終的な解析に用いたのはその他の 3 人分のデータである．以後，被験者 A，B，C とする．得られたデータは MATLAB により処理した．データの正負に関して回旋量の 正方向は被験者視点からでは反時計回り，カメラ視点からは時計回り方向である．また，刺激を 開始してから初めに陽極となるのは左耳からである． 各グラフにおいて赤線は各刺激周波数における最大値 2mA の刺激電流値が描く波形を示し，そ の他は眼球の回旋運動である．グラフの横軸は時間 s（刺激開始時刻を 0 としている） ，縦軸は振 幅 deg である． 図 57～図 63 に各刺激周波数における眼球の回旋角度測定結果を示す． - 74 - ＜被験者 A＞ 4 3 Amplitude[deg] 2 1 0 -1 -2 -3 0 2 4 6 8 10 6 8 10 Time [s ] ＜被験者 B＞ 4 3 2 Amplitude[deg] 1 0 -1 -2 -3 -4 0 2 4 Time [s ] ＜被験者 C＞ 4 3 Amplitude[deg] 2 1 0 -1 -2 -3 -4 0 2 4 6 8 Time [s] 図57 刺激周波数 0.1Hz における各被験者の眼球回旋量 - 75 - 10 ＜被験者 A＞ 3 2 Amplitude[deg] 1 0 -1 -2 -3 0 2 4 6 8 10 6 8 10 6 8 10 Time [s ] ＜被験者 B＞ 3 2 Amplitude[deg] 1 0 -1 -2 -3 0 2 4 2 4 Time [s] ＜被験者 C＞ 3 2 Amplitude[deg] 1 0 -1 -2 -3 0 Time [s ] 図58 刺激周波数 0.25Hz における各被験者の眼球回旋量 - 76 - ＜被験者 A＞ 2 1 .5 1 Amplitude[deg] 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 Time [s ] 6 8 10 6 8 10 6 8 10 ＜被験者 B＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 Time [s ] ＜被験者 C＞ 2 1 .5 1 Amplitude[deg] 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4] Time [s 図59 刺激周波数 0.5Hz における各被験者の眼球回旋量 - 77 - ＜被験者 A＞ 2 .5 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 2 4 2 4 Time [s ] 6 8 10 6 8 10 6 8 10 ＜被験者 B＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 Time [s ] ＜被験者 C＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 Time [s ] 図60 刺激周波数 0.8Hz における各被験者の眼球回旋量 - 78 - ＜被験者 A＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 6 8 10 6 8 10 6 8 10 Time [s ] ＜被験者 B＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 Time [s ] ＜被験者 C＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 Time [s ] 図61 刺激周波数 1.0Hz における各被験者の眼球回旋量 - 79 - ＜被験者 A＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 6 8 10 6 8 10 6 8 10 Time [s ] ＜被験者 B＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 2 4 Time [s ] ＜被験者 C＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 Time [s ] 図62 刺激周波数 1.6Hz における各被験者の眼球回旋量 - 80 - ＜被験者 A＞ 2 1 .5 Amplitude[deg] 1 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 6 8 10 Time [s] ＜被験者 B＞ 2 1 .5 1 Amplitude[deg] 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 2 4 2 4 Time [s] 6 8 10 6 8 10 ＜被験者 C＞ 2 1 .5 1 Amplitude[deg] 0 .5 0 - 0 .5 -1 - 1 .5 -2 0 Time [s ] 図63 刺激周波数 2.0Hz における各被験者の眼球回旋量 - 81 - 4.5.3 実験結果 2：解析データのモデル式： Asint へのフィッティング 前節における解析データにおいて，人に対する入力（外的刺激）は交流電流刺激の S (t ) A sint である．ここで S (t ) は刺激電流量を示す．よって本実験では A 2.0mA であり， 2f ( f は刺激周波数)となる． このような入力に対して，前節のような正弦波状の出力（回旋眼球運動）が得られた．そこで， 得られた離散的な時系列データである眼球の回旋量 y(t ) に対して，電流刺激からの位相遅れ を 加味して，振幅を A とした y(t ) A sint を得られる眼球運動のモデル式とした． このモデルを得られたデータに対してフィッティングし，振幅 A と位相遅れθを推定する．つ まり，本実験において眼球回旋量のデータが y(t1) Asint1 y(t 2 ) A sint 2 y(t N ) A sint N で同定できるとすると，行列式に展開して y (t 1 ) A sin t 1 y (t 2) A sin t 2 y (t N ) A sin t N sin t 1 sin t 2 sin t N cos t 1 cos t 2 A cos A sin cos t N ここで sin t 1 sin t 2 J sin t N cos t 1 cos t 2 cos t N として J の擬似逆行列を用いて A cos と A sin を求める． そうすると N sin(t i ) 2 A cos i 1 A sin N sin(t i ) cos(t i ) i 1 sin(t i ) cos(t i ) i 1 N 2 cos(t i ) i 1 N 1 N sin(t i ) yi i 1 N 2 cos(t i ) y i i 1 となり，ここで N を 1 周期もしくは周期の整数倍に選べば A および θ が求まる． - 82 - 本実験では 1sec あたりのデータ取得数が 60 個であるから，N＝600＝10sec 分，刺激周波数が 0.25Hz のデータのみ N＝480＝8sec 分のデータを用いて A と θ を推定した． その結果，各刺激周波数における振幅 A および位相差 [deg]のグラフは，それぞれ図 64，図 65 のようになった（図 66 は図 65 を rad に換算したもの）．図 64 に示したように，全被験者にお いて振幅 A に周波数依存性が見られた．すなわち，振幅 A は刺激周波数が高くなるほどその値は 減少する単調減少の傾向を示した．また，刺激からの位相遅れ θ は，被験者 A および B において， 刺激周波数が高くなるほど大きくなり 1.6Hz で最大となる．被験者 C は刺激周波数が 0.8Hz で最 大となるが，全被験者で刺激からの位相遅れが周波数依存性を持つ傾向が示された． 2.5 Amplitude [deg] Subject A 2 Subject B Subject C 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 Frequency [Hz] 2 う 図64 推定した振幅 A の周波数応答 0 θ [deg] -30 -60 -90 -120 Subject A Subject B -150 Subject C -180 0 0.5 1 1.5 Frequency [Hz] 図65 推定したθ[deg]の周波数応答グラフ - 83 - 2 0 Subject A -0.2 Subject B -0.4 Subject C θ [rad] -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 0 0.5 1 1.5 Frequency [Hz] 図66 推定したθ[rad]の周波数応答グラフ - 84 - 2 また，この A と θ により得た， y(t ) A sint の描くグラフは図 67，図 68，図 69 のよう になった．グラフの黒線は 4 試行分(データによっては 2 試行もしくは 3 試行分)の眼球運動データ を平均したもの．赤線は刺激電流量，緑線はモデル式 y(t ) A sint である． ＜被験者 A＞ Model Fitting 3 Model Fitting 2.5 2 2 1.5 1 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 1 0 -1 0.5 0 -0.5 -1 -2 -1.5 -3 0 2 4 6 8 -2 10 0 1 2 3 Time[s] 刺激周波数 0.1Hz 1 1 0.5 0.5 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 1.5 0 8 0 -1 -1 -1.5 -1.5 0 2 4 6 8 -2 10 0 2 4 刺激周波数 0.5Hz 8 10 刺激周波数 0.8Hz Model Fitting 2 6 Time[s] Time[s] Model Fitting 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 7 -0.5 -0.5 0 -0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 6 Model Fitting 2 1.5 -2 5 刺激周波数 0.25Hz Model Fitting 2 4 Time[s] 0 2 4 6 8 10 -2 0 Time[s] 刺激周波数 1.0Hz 1 2 3 4 Time[s] 5 6 刺激周波数 1.6Hz - 85 - 7 8 Model Fitting 2 1.5 Amplitude[deg] 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 0 2 4 6 8 10 Time[s] 刺激周波数 2.0Hz 図67 被験者 A のフィッティングデータ ＜被験者 B＞ Model Fitting 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 -0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 0 2 4 6 Model Fitting 2 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 2 8 -2 10 0 1 2 3 4 Time[s] Time[s] 刺激周波数 0.1Hz 1.5 1 1 0.5 0.5 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 7 8 Model Fitting 2 1.5 0 -0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 6 刺激周波数 0.25Hz (3data) Model Fitting 2 5 0 2 4 6 8 10 -2 0 Time[s] 2 4 6 8 Time[s] 刺激周波数 0.5Hz 刺激周波数 0.8Hz (3data) - 86 - 10 Model Fitting 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 -0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 Model Fitting 2 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 2 0 2 4 6 8 -2 10 0 2 4 Time[s] 6 8 10 Time[s] 刺激周波数 1.0Hz 刺激周波数 1.6Hz Model Fitting 2 1.5 Amplitude[deg] 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 0 2 4 6 8 10 Time[s] 刺激周波数 2.0Hz (3data) 図68 被験者 B のフィッティングデータ ＜被験者 C＞ Model Fitting 2 Model Fitting 2 1.5 1.5 1 1 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 0.5 0 -0.5 -1 0 -0.5 -1 -1.5 -1.5 -2 -2.5 0.5 0 2 4 6 8 10 -2 0 Time[s] 刺激周波数 0.1Hz 1 2 3 4 Time[s] 5 6 7 刺激周波数 0.25 (3data) - 87 - 8 Model Fitting 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 0 -0.5 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 -2 Model Fitting 2 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 2 0 2 4 6 8 -2 10 0 2 4 刺激周波数 0.5Hz (2data) 1 1 0.5 0.5 Amplitude[deg] Amplitude[deg] 1.5 0 -0.5 0 -0.5 -1 -1 -1.5 -1.5 0 2 4 6 8 10 -2 0 2 4 6 Time[s] Time[s] 刺激周波数 1.0Hz 刺激周波数 1.6Hz Model Fitting 2 1.5 Amplitude[deg] 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 0 2 4 10 Model Fitting 2 1.5 -2 8 刺激周波数 0.8Hz (3data) Model Fitting 2 6 Time[s] Time[s] 6 8 10 Time[s] 刺激周波数 2.0Hz 図69 被験者 C のフィッティングデータ - 88 - 8 10 4.5.4 実験 3 考察 全体を通して，まず言えることは眼球が電流の陽極側に回旋しているということである．また， 刺激周波数が 0.1Hz から 0.8Hz 程度までの低い周波数で，刺激周波数に依存していると思われる 正弦波上の眼球回旋運動が見られているということである．特に，被験者 A は前刺激周波数条件 において安定した正弦波状の運動が確認された．一方で，被験者 B と被験者 C は低刺激周波数帯 (~0.8Hz)において一部，乱れたデータを示している．この特徴は高刺激周波数帯(1.0Hz~2.0Hz)にお いてはさらに顕著になる． このデータの乱れの原因として考えられるのが，電流刺激による瞳孔径変化がもたらす解析値 の飛びである．刺激が 1Hz を超える高周波になると，被験者 B，C の解析データに明らかに実際 の眼球運動とは異なる飛び値が出ていた． この理由として，すでに述べたとおり刺激による瞳孔変化が解析値に影響を及ぼしていると考 えられる．過去の研究からも低周波では GVS の電流刺激に対して痛覚はほとんど刺激されなかっ たが，2Hz 付近からチクチクと刺すような刺激を知覚するという報告がされている．この痛覚の 知覚は刺激周波数にも依存するが，もちろん刺激電流値の大きさにも比例し，刺激電流値が高い ほどこのチクチク感，もしくは電流が流れていることが知覚されやすくなる． 主観的な視野運動の運動特性との比較 本実験において，GVS により誘起される回旋性眼球運動を y(t ) A sin t のモデル式にあ てはめ，その振幅 A およびθを求めた．その結果，全被験者において振幅 A に周波数依存性が見 られた．すなわち，振幅 A は刺激周波数が高くなるほどその値（ゲイン）が減少するローパス特 性を示した．刺激からの位相遅れ θ は，被験者 A および B において刺激周波数が高くなるほど大 きくなり 1.6Hz で最大となる．被験者 C は刺激周波数が 0.8Hz で最大となるが，全被験者で刺激 からの位相遅れが周波数依存性を持つ傾向が示された． これらの結果は，振幅のみに関して言えば，4.4 節 実験 2：GVS による主観的回旋運動計測実 験によって得られた GVS により生起される主観的な回旋運動の回旋量が振幅においては周波数 依存性を示し，ローパス特性を持つことが示されたことと一致する．しかしながら，刺激からの 位相遅れ θ に関しては，過去の知見において周波数依存性が見られず，位相遅れは一定の傾向を 示したことに反している．したがって，一見これらの結果から実際の眼球運動と被験者が知覚し ている視覚情報が一致していないことが示唆されそうである． しかし，過去の知見において用いられた刺激周波数は 0.5~2.0Hz であったことに留意して，図 70 に示すようにグラフの尺度を合わせると，実際は本実験で得られた結果と同様の傾向を示して いることが分かる．つまり，過去の知見において刺激からの位相遅れに周波数依存性が見られな かったのは検証した刺激周波数帯が狭かったためであると言える．そのため追加実験として 0.5Hz 未満の刺激周波数を用いたときの被験者の主観的な視野運動を測定しなければ，さらに詳しい考 察は行えないが，刺激周波数が 0.5~2.0Hz では主観的な視野の運動と眼球運動の周波数特性は同 様の傾向を示しているといえる．この結果は，GVS に誘起される視野運動が，主に GVS 誘因性 の回旋眼球運動によって引き起こされることを示唆した 4.3 節 実験 1：GVS による視覚への影響 評価実験の結果に対して，その妥当性を刺激周波数が 0.5~2.0Hz において支持できた． 主観的な視野運動に関する過去の知見との比較から離れて，本実験で得られた刺激周波数が 0.1 - 89 - および 0.25Hz の眼球運動について考えてみると，0.1Hz では 0.5Hz 以上の高い周波数刺激により 得られる振幅および位相遅れθに関して，それぞれ振幅は 約 2 倍になり，位相遅れθ は 20deg~40deg 減少している．0.1Hz 以下の刺激周波数では，Schneider らの実験によりでの 0.005Hz における結果において，位相差が 0 に近くなっていることなどから[94]，本実験系においても同様 に位相遅れが 0 に漸近すると考えられる． 図70 主観的視野運動の周波数特性グラフとの比較 本実験は白熱灯を間接照明として使用した平均照度 60Lux 程度の室内で行った．これは暗室も しくは完全暗中では瞳孔が大きく開き，虹彩紋理が極めて撮像しにくくなるためである．結果と して，本実験において測定した眼球運動には前庭動眼反射(VOR)と視運動性眼振(OKN)の 2 つの代 償性眼球運動システムが作用していると考えられる．しかし，前述したように知覚される視野運 動は実際の眼球運動の運動特性と同様の傾向を示した．このことは 0.5Hz 以上においては OKN の 影響が小さいということを示唆している．なぜならば，VOR は OKN により抑制されるからであ る．そして，この結果は VOR と OKN が相補的相互作用によって視野を安定させ，OKN は低い周 波数でゲインが最も高いという知見に対して，『0.5Hz 以下の周波数において OKN のゲインは最 も高くなる』という補足事項を付け加えることができる． 物理的な加速度付加により得られた眼球運動特性との比較 本実験において得られた GVS 誘因性の眼球運動と，機械的な加速度付加装置によって誘発され る眼球運動の運動特性を比較する．この際，留意すべき点は本実験で得られた眼球運動が，全て の被験者および刺激周波数帯で電極の陽極側に回旋した，つまり左耳側の電極が陽極であるとき 眼球は被験者視点で見ると反時計回りに回旋したという点である．GVS の知見として，被験者は 陽極側に加速度を知覚し，陽極側に傾くことが知られている． - 90 - 一方で，前庭動眼反射は頭部の運動に対して視野を安定させるために頭部とは逆方向に動く代 償性の眼球運動である．これらの知見を統合すると，本実験により得られた眼球運動はそもそも 前庭動眼反射ではない別のシステムにより生起された眼球運動であるということを前提として比 較せねばならなくなる． しかし，これはこれまでの前庭動眼反射の研究のほとんどが，回転刺激を用いた半規管性の前 庭動眼反射について検証しているため『前庭動眼反射＝頭部の動きと反対方向に引き起こされる』 という先入観によって起るミスリードである． それでは GVS によって引き起こされる眼球運動はどのような要因で引き起こされるのか． Lionel らは被験者の頭部を含めた全身を拘束し，両耳を通る軸（垂直立位姿勢時には重力方向に 垂直な軸）への直線的な加速度(Iinteraural linear acceleration)を加えたときに生じる眼球運動を測定 した[112]．刺激周波数は 0.01，0.02，0.05，1.0Hz である．これは先行研究として 0.35~1.0Hz の同 様の実験が Merfeld らによってなされていたためである[113]．この結果，図 71，図 72 に示した， Y 軸方向に直線的な加速度（最大加速度 0.5G となる正弦波状刺激）を加えたとき，測定された眼 球運動は加速度の方向に回旋している（眼球運動の正方向は被験者視点で見たときの時計回り方 向としている） ． これより，GVS により誘起される眼球運動は現象のみを考えると，直線的加速度によって誘起 される，つまり耳石性の前庭動眼反射であることが示唆された． 図71 直線的加速度付加時の眼球運動 - 91 - （文献[112]より引用） 図72 直線的加速度付加時の眼球運動周波数特性（文献[112]より引用） 図73 GVS 誘因性の眼球運動周波数特性 刺激周波数が 0.01~1.0Hz での眼球運動の周波数特性を示した図 72 と本研究で得られた GVS 誘 - 92 - 因性の眼球運動周波数特性の対数グラフ（図 73）を比較すると図 72 において Y-Upright は被験者 が座位姿勢時の眼球運動の周波数特性），GVS 誘因性の眼球運動における位相遅れθに関して， 1Hz 以上では Lionel らの測定結果では 90deg 以上の位相遅れが見られるなどの違いが見られる． また，文献[89]において，そもそも GVS は耳石器や半規管の有毛細胞に対して影響を及ぼしてい るわけではなく，前庭求心神経線維に対して影響を及ぼし，前庭動眼反射が誘起されていること が示唆されたことなどを加味すると，現時点では，GVS 誘因性の眼球運動が耳石性の前庭動眼反 射のみによって構成されているとは言えないが，今後被験者数を増やしてサンプルデータ数を増 やし，刺激周波数条件も 0.01Hz から 4.0Hz までの GVS に誘起される眼球運動を測定することで 今後さらに深く検証する必要がある． そして，GVS 誘因性の眼球運動と直線的加速度付加時の眼球運動に特定の周波数帯域のみにお いてでも相関が見られたならば，それは GVS の刺激電流量が物理的な直線的加速度に換算できる 可能性があるといえる． 4.6 結言 本章では，周期的な前庭感覚刺激により生起される眼球運動によって，視覚情報の運動を強調 する手法として Galvanic Vestibular Stimulation（GVS）に関して述べた． GVS の理論的背景とし て，GVS の手法自体はすでに確立しており，これまで臨床分野での前庭系の検査や前庭感覚の心 理物理実験などにおいて用いられてきている手法であること，そして前庭感覚提示インタフェー スとしても活用されてきていることを示した．しかし，従来の GVS インタフェースは歩行誘導や 加速度感の提示の目的として使われており，本論文で目指す視覚インタフェースとして用いられ ることはなかったことなど，本章での主張点との相違を論じた． その上で，GVS が視覚に与える影響を 3 つの心理物理実験により明らかにした． 第 1 の実験では，交流電流を用いた GVS により生起される主観的な視野の回旋運動が，視覚処 理のどの段階で起こっているのかを明らかにするために行った．その結果，GVS に誘引される眼 球運動によって視野の運動が知覚されることを示した． 第 2 の実験では，交流電流を用いた GVS により生起される，主観的な視野の回旋運動の定量化 実験を行った．ここでは定量化の手法も含めて提案し，過去の直流電流を用いて計測した手法と の相違点を示すとともに，GVS の刺激電流量に比例して回旋角度が大きくなること，回旋角度は 周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した． 第 3 の実験では，交流電流を用いた GVS に誘引される実際の眼球運動を制作したアイカメラに より撮影し，虹彩文様のクロスコリレーションマッチングにより回旋量と刺激からの位相遅れを 推定した．その結果，第 2 の実験で得られた主観的視野運動と同様に刺激電流量に比例して回旋 角度が大きくなること，回旋角度は周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した． これら 3 つの実験を通して，GVS により生起される視野運動が眼球運動により引き起こされ， その視野運動量と刺激電流値および刺激周波数との関係性を明らかにした．これにより，本来は 静止しているはずの環境が，GVS による眼球運動によって刺激電流値や刺激周波数に依存した回 転運動をしているように知覚されるという，運動知覚の強調が起こっていることが示された． - 93 - 第5章 5.1 運動の強調・抑制とその視知覚特性 緒言 運動情報の処理の様々な局面において，相対的な運動や運動勾配が重要な意味を持つ[48]．なぜ ならば，対象の運動を知覚する際には，対象の局所的な運動情報のみではなく，空間的・時間的 に近傍なその他の運動の影響を強く受けるからである．例えば，静止した刺激が周辺の運動の反 対方向に運動して見えることがあるが，速度の違う運動の境界では速度差がより強調されて知覚 され[114]，同じ速度で運動する対象であっても背景速度が違えば別々の速度で運動しているよう に知覚される[115]．このような現象は，明るさの対比（brithness contrast）との類似性があるため [115]，運動対比（motion contrast）と呼ばれる．現象自体の呼称として誘導運動（induced motion） と呼ばれることもあるが，誘導運動の概念は相互作用する刺激が必ずしも近傍にないような現象 も含む．運動対比は，概念として脳などの中枢系における運動検出器間の相互抑制結合や，高次 の相対運動検出機構などによって説明される[114]． 静止している対象に運動対比が生じるためには，背景などの誘導刺激がその最少運動閾の 2～4 倍以上の速度で運動することが必要となるが，誘導速度が速すぎても運動対比は生じないことが 知られている[116]．対象が運動している場合の見かけの速度への影響は，誘導刺激となる背景が 同じ方向の場合に知覚速度の低下が生じ，その効果は対象と背景が同速度のとき最も強くなる [117]．対象と背景が反対運動をしている場合は，知覚速度の上昇が生じるという報告[117]と，知 覚速度の低下が生じるとする報告[118]の両方がある．後者は運動対比ではなく，誘導刺激と同じ 方向の運動が知覚されるという運動同化（motion assimilation）現象が関わっていると考えられる． 運動の対比と同化がどのような要因で切り替わるのかについては，類似した刺激であっても，特 定のパラメータが異なるだけで同化が対比に転じる例がいくつか報告されている．例えば，ラン ダム運動するドット領域と一方向に動くドット領域を縞状に提示すると，領域間の間隔が狭い時 には全体が同じ方向に動いて知覚されるが（同化） ，間隔を広げるとランダム運動領域は反対方向 に運動して知覚される（対比）[119]．刺激の大きさが同じでも，中心視では対比，周辺視では同 化が生じやすいこと[120]などが報告されている．また，運動対象が静止している条件で，誘導刺 激が 2 次運動（second-order motion） （2 次運動とは，輝度や色が画像中の 1 点で定まる 1 次の刺激 属性であるのに対して，コントラストや時空間周波数，両眼視差などのように 2 点の関係で定ま る 2 次の刺激属性を持ったパターン運動のこと）の場合は運動対比が生じないことなどが報告さ れている[121]． このように，我々の運動の知覚において，背景などの相対的な運動が知覚される対象の運動の 速度などに強く影響する．これまでの知見から，対象の運動速度と誘導刺激となる背景の運動の 関係を適切に設定することで，知覚される対象の速度を任意に制御できることが示唆されるが， 実際に運動する実物体の対象の背景を反対方向に動かすことによって，知覚速度が上昇するのか 低下するのかは明らかになっていない． 本章では， 実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動から 運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を検証し，その速度 の知覚特性を明らかにする．知覚速度の上昇は運動の強調であり，知覚速度の低下は運動の抑制 - 94 - である．この相対運動による運動対比から運動の強調と抑制がどのように実現されるのかを知る ことが本章の目的である． - 95 - 5.2 関連研究 実世界の物体に対して，プロジェクタなどを用いてテクスチャを重畳することや，情報を付加 することは拡張現実感（AR）の研究において様々な手法が提案・実装されている．その中でも， Shader Lamps は図 74 のように複雑な形状を持った実物体に対しても，プロジェクタを用いてテク スチャ情報や陰影の情報を提示している[122]．この研究ではアプリケーションとして，テクスチ ャを動かすことで，情報を重畳している対象の運動をシミュレートすることなどや，実世界の車 両模型に対して，視覚効果を投影することで車模型が実際に走っているように見せるものがある． しかし，知覚される運動の知覚特性などの検証は行われていない． 図74 Shader Lamps 杉本らは，図 75 のように駆動装置を持つロボットを用いることで，コンピュータグラフィック ス（CG：Computer Graphics）でロボットの周囲に映像の修飾を加えるのみではなく，ロボット自 身の動作によって情報世界での衝突などで生じるバーチャルな力の表現を可能とした[123]．しか し，本システムでは背景画像が固定されているため車両の移動範囲がプロジェクタの投影面に制 限されてしまう．これに対して，背景画像を運動させることで，運動の知覚だけではなく見かけ 上の移動範囲が拡大され，空間的な制約をなくすことができると考えている． 図75 車両型ロボットに対する CG の重畳 - 96 - 5.3 画像提示装置を用いたロボットの制御手法 本章では，移動体とその背景の運動から生じる運動対比によって，知覚速度の変化を検証する ことを試みる．そのためには，移動体の運動制御と背景画像の運動を一つのシステムで制御でき ることが望ましい．本節では，画像提示装置を用いた Display-Based Computing (DBC)による移動 体の制御を概説する． 5.3.1 Display-Based Computing Display-Based Computing (DBC)とは，ディスプレイやプロジェクタといった広く一般的に使用さ れている画像提示装置を利用して，様々な情報機器に対して計測や制御，通信を行い，さらに人 間に対しても視覚情報を提示することを目的とした概念である．DBC の概念図を図 76 に示す． DBC については，これまでに多く研究が進められている[123],[124],[125]．図 76 に示したように， これまでの画像提示装置は人間に対しての視覚情報提示装置として利用されてきた．それに対し て，DBC では受光素子を配置した情報機器に画像を提示し，画像提示装置から様々な情報を与え ることで，情報機器の位置の測定，情報機器の制御，情報機器との通信を実現し，実世界に対し て新たな情報システムを構築することを目的としている． 図76 DBC の概念図 5.3.2 画像提示装置を用いたロボットの制御 DBC における移動体の制御システムは，図 77 に示すように，ロボット，画像提示装置，画像 描画のための制御用 PC の 3 つの要素で構成されている[125]．画像提示装置の画面上にはロボッ トを制御する信号として特定の画像を表示する．この姿勢・位置制御のための特別な画像のこと を以後， 「指標画像」と呼ぶ．ロボットは画像提示装置からの画像情報を受光センサから読み取る ことができ，この指標画像を追従するように動く．このため，制御側は指標画像の位置および姿 勢を設定するだけでロボットの位置および姿勢を制御することができる．これは，ライントレー サーロボットが床に描かれた静的なラインを追従するものであるのに対して，ロボットの移動経 - 97 - 路を動的に変更することが可能であることを意味する．これにより，画像提示装置が提示できる 範囲内においてロボットを自由に移動させることができる． 図77 DBC のシステム概要（[125]より引用） - 98 - 5.4 相対速度知覚測定実験 実験目的 本実験は，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動から 運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を検証し，その速度 の知覚特性を明らかにすることを目的とする． 実験被験者について 本実験は，過去に視覚の疾患の経験のない健常な 20 代の男子 7 名（ 20 代 ）に行った．全員 が眼鏡やコンタクトによる視力の矯正を行っている． 実験方法 本実験では，ディスプレイ上の実環境を運動する対象として車両型ロボットを用い，運動する 背景画像はランダムドット画像を用いる．それぞれの運動の速度と方向を変化させることで相対 運動を生じさせ，その際のロボットの知覚速度を評価する． まず，本実験環境下における速度知覚に対する精度を評価するために，参照刺激として図 78 の 左図のように，ある速度で移動するロボットを提示し，その後に被験者にそれと同じ速度になる ようにロボットの移動速度を調整してもらった．この時の被験者が調整したロボットの移動速度 を，参照刺激の移動速度との主観的等価点として定量化した． 次に，本実験の目的である相対運動時の知覚速度の評価を行った．参照刺激は速度知覚評価実 験と同様に，ある速度で移動するロボットを提示するが，図 78 右図のように調整するのはロボッ トの速度ではなく背景の画像の速度と運動方向である．この時，ロボットは一定の速度で移動し ている．調整された背景の速度とロボットの速度を単純に足し合わせたもの（ロボットの移動方 向と逆向きを＋）を主観的等価点とした． 図78 速度知覚評価実験（左）と相対速度知覚評価実験（右）の調整する項目の違い ディスプレイと被験者視点の位置関係は垂直方向に 600mm，ロボットの移動開始点と視点位置 の水平方向の距離は 750mm に設定した．ロボットはディスプレイ上を移動するので，ロボットの 位置と被験者視点とがなす角は図 79 のようになる． - 99 - 図79 ディスプレイと被験者視点の位置関係 背景画像として用いるランダムドット画像は，図 80 のように 2048×2048 ドットの黒背景に対 して，1,048,576 の白ドットをテクスチャ上に均等に配置されるように作成した．実際にディスプ レイに表示した際の 1 ドットの大きさは約 5mm であった． 図80 実験で用いたランダムドット画像 - 100 - 実験装置 図 81 に実験装置として使用した液晶テレビ(SHARP AQUOS 52V 型 LC-52GX2W)と小型ロボッ トを示す． 図81 実験装置 ロボットは画像提示装置であるディスプレイ上を移動することを考慮し，大きさと重量ができ るだけ小さく，軽くなる必要がある．本実験で用いたロボットは，大きさが一辺を 40mm とする 立方体内に収まり，重量はバッテリを含めても 86g である．表 7 に使用したロボットのスペック を示す． 表7 ロボットのスペック表 寸法(長さ，幅，高さ） 40mm×40mm×40mm 重量（バッテリ含む） 86g 操舵方式 左右独立 2 輪駆動 CPU PIC16F872SS(16MHz) センサ フォトトランジスタ×5 モータドライバ 2ch/ドライバ ×2 電源 単 5 アルカリ電池 1.5V×2 ロボットは左右独立 2 輪駆動方式で走行する．駆動モータには小型の DC ギヤドモータを用い た．ロボットの底面には画像提示装置からの指標画像の位置および姿勢を把握するため 5 つのフ ォトトランジスタ（東芝製 TPS615）をセンサとして配置した．センサの配置設計は図 82 のよう に中央にセンサを一個配置し，残りの 4 つのセンサは中央のセンサを中心とした直径 30mm の円 上に 90 度間隔で配置した．ロボット底面に浅い角度で入射する外乱光の影響を受けないよう，セ ンサ基板には各センサと同じ位置に穴を開けた黒いアクリル板を貼り付け，センサの先端がアク リル板の表面から 1mm 程度内側になるように配置した（図 82 右）．ロボットの位置，姿勢制御 には周囲 4 つのフォトトランジスタのみを用いる．中心のフォトトランジスタはアームの開閉な ど，追加機能の制御情報の受信に用いることができる． - 101 - 図82 センサの配置 ロボットの最上部には Micro Controller Unit(マイコン，以下 MCU)やモータドライバなどが実装 されたメイン基板を配置した．フォトトランジスタが配置されたセンサ基板とメイン基板とをフ ラットケーブルで接続した． センサの出力はメイン基板の MCU へと送られる． MCU には microchip technology 社の PIC16F872SS を用い，16MHz で動作させた．また，モータドライバには三洋製の LB1836M(ドライバ 2ch 内蔵)を 2 個用いた．左右両輪を駆動するために 1 個のドライバを割り当 て，一方のドライバは作業用のアームなどの機能を拡張するために利用することが出来る． ロボットの回路は電源回路，センサ回路，MCU，モータ駆動回路で構成されている（図 83） ． 重量をできるだけ抑えるため，電源には単 5 電池 1.5V を 2 本直列にして使用した．これにより電 源電圧として 3V を確保した．しかし，MCU などの制御系の電源電圧には 5V が必要となること から， 電源回路として 5V 出力のチャージポンプ式昇圧回路を設け昇圧した． 昇圧 IC には microchip technology 社製の MCP1252 を使用した． 図83 回路ブロック図（[125]より引用） 制御信号は，センサ回路，MCU，モータ駆動回路の順に伝達される．センサ回路では 5 つのフ ォトトランジスタの出力を 120kΩの抵抗により，電流から電圧に変換する．次に，そのセンサ出 力は MCU に内蔵された AD コンバータを介して，MCU に読み込まれる．MCU は 5 つのセンサ の出力から，指標画像とロボット自身との位置・姿勢のずれを算出する．そして，MCU はそのず れを解消するように，モータドライバに指令を送る．この一連の流れがメインループで常に繰り 返されることにより，ロボットは指標画像を追従することができる． - 102 - 実験手順 ‐速度知覚評価実験‐ 本実験では，ロボットの移動速度をどの程度正確に知覚できているのかを調整法で検証する． 参照刺激としてのロボットの移動速度は 17.5，35.1，52.6，70.1，87.6mm/s の 5 条件であり，それ ぞれの速度に対して 3 試行，合計 15 試行を提示順序のランダマイズ化を行い実験した．各参照刺 激の提示後，被験者はロボットの速度を操作して，直前に提示された参照刺激と同じ速度になる ように調整してもらった．ロボットの操作は PC のキーボードのキーの押し下げで行い，操作方 法は事前に教示した．その他の実験前準備として，被験者の視点位置がディスプレイから 750mm の高さになるように調整してもらった．また，視覚以外の速度知覚手掛かりをなくすために被験 者には耳栓をしてもらった． 実験手順は以下の通りである． （実験手順1） スペースキーの押し下げとともに参照刺激としてロボットが移動を開始する． （実験手順2） ロボットを開始位置に戻し，直前に提示された参照刺激の速度と同じになるよう に，キーの←（減少） ，→（増加）を操作してロボットの移動速度の調整をしても らう． （実験手順3） 被験者が主観的に同じ速度になったと思ったところで Enter キーを押してもらう． ここで被験者により調整されたロボットの速度を参照刺激の知覚速度とした， 実験手順 ‐相対速度知覚実験‐ 本実験では，参照刺激の移動速度に対して，相対運動を生じさせることで得られる相対速度が 同じになるように，ある速度で移動するロボットの背景のスクロール速度を調整してもらうこと で相対速度の評価を行う．参照刺激としてのロボットの移動速度は速度知覚評価実験と同じく 17.5，35.1，52.6，70.1，87.6mm/s の 5 条件である．一方で，主観評価側の背景上を移動するロボ ットの移動速度（以後，評価刺激速度と呼称する）は 17.5，35.1，52.6，70.1 の 4 条件であり，そ れぞれの参照刺激速度に対して，それと同じかまたは異なる評価刺激速度で移動するロボットの 背景画像のスクロール速度を調整してもらった．試行回数は参照刺激の 5 条件に対して各々3 試 行，計 15 試行を評価刺激速度 4 条件に対して行うため，総計 60 試行である．刺激条件の提示順 序はランダマイズ化し，被験者には 15 試行毎に 10 分間の休憩をとってもらった．速度知覚評価 実験と同様に，ロボットの操作は PC のキーボードのキーの押し下げで行い，操作方法は事前に 教示した．その他の実験前準備として，被験者の視点位置がディスプレイから 750mm の高さにな るように調整してもらった．また，視覚以外の速度知覚手掛かりをなくすために被験者には耳栓 をしてもらった． 実験手順は以下の通りである． （実験手順1） スペースキーの押し下げとともに参照刺激としてロボットが移動を開始する． （実験手順2） ロボットを開始位置に戻し，キーの押し下げによりロボットが一定速度で動きだ す． （実験手順3） 直前に提示された参照刺激の速度と同じになるように，キーの←（減少），→（増 加）を操作して背景のスクロール速度を調整してもらう． （実験手順4） 被験者が主観的に同じ速度になったと思ったところで Enter キーを押してもらう． ここで被験者により調整された背景のスクロール速度とその時のロボットの移動速度を足し合 わせたものを相対速度の知覚速度とした， - 103 - 5.4.1 実験結果 表 8 は全被験者の速度知覚評価実験の結果と相対速度評価実験の結果を示している．図 84 は実 験結果のうち，被験者 6 の速度知覚実験の結果をグラフ化したものであり，縦軸は被験者が調整 したロボットの移動速度であり，横軸は参照刺激速度である．図 85 は被験者 6 の相対運動知覚実 験結果であり，縦軸は被験者が調整した背景画像のスクロール速度であり，横軸は参照刺激速度 である．スクロールの速度は評価刺激であるロボットの移動方向と逆向きが＋（プラス）であり， 同方向は－（マイナス）としている． 表8 全被験者の速度知覚および相対速度知覚実験結果 図84 速度知覚評価実験結果（被験者 6 のみ） - 104 - 図85 相対速度知覚実験結果（被験者 6 のみ） - 105 - 5.4.2 考察 速度知覚に関して 速度知覚評価実験の結果から，被験者らは提示された刺激速度を知覚できていることが確認で きる．しかし，被験者らの速度知覚傾向は，実際の速度よりも過少評価されることが明らかとな った．特に，速度を過少評価した被験者は他の速度域でも同じく過少評価する傾向が見て取れる． これにより，個人内での速度知覚のグラフは線形性を示し，参照刺激の速度が大きいほど知覚速 度が大きくなることが示された．一方で，高速度域では個人内でもデータのバラつきが大きい． このような線形性と高速度域でのバラつきが見られた要因としては，人間の速度弁別能力があ る速度に対して一定の速度幅で規定されるものではなく，ある速度に対して約 5%の比率幅で弁別 閾が規定される[17]からだと考えられる．つまり，全体としては速度弁別能力により参照刺激の増 加に比例した線形性を示し，高速度域では比率に基づき低速度域よりも弁別閾値が大きくなるた め，データがバラついたと考えることが出来る． 知覚速度が過少評価された要因としては，刺激のコントラストが高いほど知覚速度が上昇する という知見[15]があるが，本実験で用いた黒と白で構成されたランダムドットの背景と，主に白色 で構成されたロボットの外装のコントラスト比が小さかったためではないかと考えている． 相対速度の知覚に関して 相対速度知覚評価実験の結果から，全被験者に関して参照刺激速度が評価刺激速度より大きか った場合，背景を移動方向とは逆向きに動かし，評価刺激速度よりも小さかった場合は同方向に 動かす傾向が見られた．これは，背景をロボットの移動方向とは逆向きに動かすことで知覚速度 が上昇し，同方向に動かすことで知覚速度が低下するということを示している．この知見は，対 象と背景が反対運動をしている場合は，知覚速度の上昇が生じるという報告[117]を支持するもの である．本実験で得られた相対速度知覚においても，速度知覚において得られた個人内での知覚 速度の線形性が見られるが，要因としては同様に速度弁別閾の特性があげられる． 一方で，データのバラつきとしては，背景をロボットの移動方向（評価刺激の運動方向）と逆 方向に動かした時にバラつきが大きくなり，同方向の時にはバラつきが小さくなる傾向が見られ た．これは，運動対比において誘導刺激である背景の運動方向が速度弁別に影響を与えているこ とを示唆している．運動が単一の物体に属すると認識された場合は，個別の運動の場合よりも速 度弁別閾が上昇する（バラつきが大きくなる）という報告[126]もあり，この知見の関与も指摘で きる．つまり，背景の運動方向が逆方向の場合には，背景の運動も含めてロボットの運動として 認識され，背景の運動方向が同方向の場合には，背景の運動とロボットの運動がそれぞれ別個の 運動として認識されている可能性がある． 被験者 1 は他の 6 名と異なり，参照刺激と評価刺激の速度が大きく異なる時には背景のスクロ ール速度を非常に大きく調整している．誘導速度が速すぎても運動対比は生じないことが知られ ている[116]ため，この結果が得られた要因としては運動対比以外の要因，例えば誘導刺激として の背景の運動が，ロボットの運動をマスクし，移動速度の正確な知覚ができなかったからという ことなどが考えられるが，特定はできない． - 106 - 5.5 結言 本章では，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動から 運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を検証するため，こ れまで明らかにされてきた運動対比の発生機序と特性に関する知見をまとめた．関連研究として， 実世界の車両模型に対して視覚効果を投影することで，車模型が実際に走っているように見せる 拡張現実感（AR）の研究などが行われているが，その知覚特性などが明らかになっていないこと を示した． 運動対比による相対速度知覚を評価するために，画像提示装置を用いたロボットの制御手法を 用いて，移動体の制御と背景画像の運動を一つのディスプレイ上で行う環境を構築し，被験者を 用いた心理物理実験を行った．実験は調整法による測定手法を用い，ある参照刺激速度に対して 背景画像のスクロール速度を被験者が操作して，移動するロボットの速度が参照刺激速度と主観 的に等価になるように調整してもらい相対知覚速度の定量化を行った． 実験の結果から，ロボットの運動方向と同方向に背景を動かした場合は知覚される速度が低下 し，逆方向に背景を動かした場合は上昇することを示した．これは，背景の運動の制御により， 対象の速度が実際の速度よりも遅く，または速く知覚されるようになったということであり，運 動対比によって運動知覚の抑制と強調がそれぞれ引き起こされていることを示した． - 107 - 第6章 6.1 考察 緒言 本章では，論文全体を振り返るとともに，各手法により得られた知覚特性を考察し，これらの 知見を用いてどのような視覚インタフェースが実現可能か考察する． 本論文では，運動の知覚における動きの強調を実際の動き成分を増大または運動を引き起こす ことと定義し，逆に動き成分を抑制または運動している対象を静止させることを動きの抑制と定 義した．第 3 章では，液晶シャッタを用いて外界からの視覚刺激を周期的に遮蔽し，観察対象の 運動により生じるブラーの量を制御した．動き成分としてのブラーを減少させると，運動してい る視標の視認性が向上することを示した．第 4 章では，前庭感覚電気刺激により引き起こされる 前庭動眼反射を用いて，静止している外界が回転運動して知覚されることを示し，刺激周波数と 刺激電流値を変数として知覚される回旋角度および刺激から運動が生起されるまでの位相遅れの 関係を明らかにした．第 5 章では，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで 得られる相対運動から運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条 件を検証し，その速度の知覚特性を明らかにした． 6.2 運動対象の知覚への影響 第 3 章における SMG を用いた手法では，液晶シャッタを用いて外界からの視覚刺激を周期的に 遮蔽し，対象の視認性がどのように変化するかを検証した．これにより，肉眼では観察できない 運動対象の視認性が，液晶の開放時間の減少（4.0ms～0.6ms）に伴い大きく向上することを示し た．開放時間の減少，すなわち運動知覚の手掛かりの一つであるモーションブラーの量の抑制に よって，視認性が向上したということである． 第 4 章では，GVS により視野の回旋運動が知覚されることを示し，その原因が眼球運動による ものであることを明らかにした．さらに，ここで知覚される視野運動の，刺激周波数および刺激 電流値に対する回旋角度，刺激から運動が生起されるまでの位相遅れに関する知覚特性を明らか にした．これにより，本来は静止しているはずの環境が，GVS による眼球運動によって刺激電流 値や刺激周波数に依存した回転運動をしているように知覚されるという，運動知覚の強調が起こ っていることが示された． 第 5 章では，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動か ら運動対比を生じさせ，対象の運動方向と同方向に背景を動かした場合は知覚される速度が低下 し，逆方向に背景を動かした場合は上昇することを示した．これは，背景の運動の制御により， 対象の速度が実際の速度よりも遅くまたは速く知覚されるようになったということであり，運動 知覚の抑制と強調がそれぞれ引き起こされていることを示している． 以上のことから，本研究で用いた 3 つの手法で，それぞれ運動の知覚に対して強調または抑制 という観点で影響を与えたということができる． - 108 - 6.3 運動知覚に作用するメカニズム 前節において，本研究で用いた手法がそれぞれ，運動の知覚に対して強調・抑制という軸で影 響を与えたことを示したが，そのメカニズムに関して考察する． 6.3.1 SMG による運動抑制のメカニズム SMG による運動抑制は，主にシャッタの開放時間の制御によるモーションブラーの抑制によっ てもたらされていると考えられる．ブラーの発生要因としては視覚系の比較的緩慢な時間応答に あると考えられ，視覚的持続（Visual persistence）などの影響を受けていると考えられる．視覚的 持続は刺激の輝度や空間周波数などにも依存するが，視覚刺激を短時間しか提示しない場合でも， 数 10ms から 200ms 程度の視覚像が保持される視覚系のメカニズムである[55],[56]．視覚的持続が 網膜レベルの特性で引き起こされるのか，または大脳レベルの特性でその視覚情報の処理に必要 な時間を確保するためのメカニズムとして引き起こされるのかについては，空間周波数に依存す ることから多くの研究者が高次の過程，つまり大脳レベルの特性であると主張している[48]． SMG はシャッタの制御により開放時間幅を短くすることで，モーションブラーの低減ができたと 考えられる．さらに，この視覚的持続により，本論文における実験において数 ms 以下の提示時間 でも対象の視認が可能であったと言える． SMG による運動抑制には他にも，視覚系にそもそも備わっているモーションブラーの抑制効果 が影響してくると考えられる．モーションブラーの抑制効果は動きに基づく鮮明化現象[22]などか らも明らかなように，対象が運動している時に生じる現象である．SMG による運動抑制とこの鮮 明化の生起は背反的であり，実際に第 3 章で行った実験では鮮明化の影響はないと考えられる． しかし，SMG の制御パラメータの一つである視覚情報の提示周期を適切に設定して，対象が仮現 運動をしているように知覚させることができれば，開放時間の制御によるブラーの抑制に加えて， この動きに基づく鮮明化によるブラー抑制の効果を得られると考えられる．つまり，望みのブラ ー量を得るために開放時間をそれほど短くしなくとも，知覚としては対象が鮮明に見えるように することができるということである．この議論はインタフェース設計にも関わってくるため後述 する． 6.3.2 GVS による運動強調のメカニズム GVS による運動の強調は，第 4 章における実験 1 の結果からも明らかなように，GVS により誘 引された回旋性の眼球運動によってもたらされている．つまり，網膜像の変化によって引き起こ される現象である．既に指摘した通り，この眼球運動は GVS の前庭入力によって生起されている ため前庭動眼反射（VOR）であると考えるのが妥当である． 実験において，刺激周波数が 2Hz 付近において最も視界の揺れに対する感度が高くなり，眼球 の回旋角度も大きくなった要因として，VOR の特性と運動知覚における周波数特性が関係してい ると考えられる． VOR のゲイン （眼球速度／頭部速度）は周波数が 0.3~0.8Hz でゲインは 0.65~0.85， 2~5Hz のとき 1 である．これは， 2Hz 付近で眼球の回旋角度ゲインが高くなるという結果を支持 している．また，VOR のゲインは頭部運動の振幅にも依存し，振幅を増加させるとゲインは増加 するが頭部の回転速度が速くなりすぎると減少することが指摘されており，これは高周波数にお いて感度が低下した結果を支持する．運動知覚における周波数特性としては，最少運動閾値が時 - 109 - 間周波数を独立変数に取った場合に 2Hz 前後で最小値を示す[13]などの知見があり，ヒトの運動 を知覚する感度がそもそも 2Hz 付近で高まることことを示し，本実験の結果を支持している． 6.3.3 運動対比による運動の強調と抑制のメカニズム 第 5 章では，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動か ら運動対比を生じさせ，対象の運動の強調と抑制を行った．対象の運動方向と同方向に背景を動 かした場合は知覚される速度が低下し，逆方向に背景を動かした場合は上昇することを示した． この知見は，対象と背景が反対運動をしている場合は，知覚速度の上昇が生じるという報告[117] を支持するものである． この運動対比による運動の強調と抑制のメカニズムは，刺激パラメータによって運動対比と運 動同化が切り替わることからも指摘できるように，脳などの中枢系における運動検出器間の相互 抑制結合や，高次の相対運動検出機構などによって説明される現象である[114]と考えられる．他 にも，第 5 章の実験結果に対する考察においても指摘した通り，速度知覚における速度弁別閾の 特性や刺激のコントラストによる影響などを受けていると考えられる． 6.4 運動の強調・抑制を行う視覚インタフェース 本論文では，運動の知覚に対して SMG，GVS，運動対比という 3 つの手法を用いて，それぞれ 運動の強調と抑制を試みた．検証した 3 つの手法は，ヒトの情報処理過程のうち感覚入力に対し て影響を与える．それによって，変化した知覚表象を心理物理実験により定量化し知覚特性を明 らかにしてきたが，この知見から逆に望みの知覚特性を得るために，感覚入力をどのように変化 させればよいのかが明らかとなった．このような知覚特性を考慮したシステムを実装することで， 新しい視覚インタフェースの設計が可能になると考えられる． これをインタフェースの情報伝達の流れという観点で考えると，本論文で提案してきた手法で は情報自体を発信するというよりも，受容器側の特性や情報処理過程の特性を利用して環境情報 の知覚を変化させることで，環境側に影響を与えずに対象者に特定の情報を提示するという流れ になる．つまり，情報の発信の仕方ではなく情報の受け取り方自体に主眼を置いて，人と環境間 の情報の流れを捉えている．そのため，本論文で提案した SMG，GVS，運動対比による手法は， 情報となる視覚刺激自体がない状態から新たに情報を作り出すことは出来ないが，情報の加算・ 減算を行うことが可能である．SMG は眼球に投射する外環境情報を適切に遮断し制御することで， 物体の動きの時間成分を強調・抑制することが可能であり，GVS は外環境の動きに対して眼球自 体を動かすことで，動きそのものを強調することが可能である．運動対比による手法は移動体に 対して背景の運動を変化させることで，知覚される運動速度の強調と抑制が可能である． この 3 つの手法が実環境においてどのような場面で用いることが可能であるかを考察し，次に それぞれがもたらす知覚特性の結果から考察される制約条件に関して述べる． 6.4.1 各手法の応用例 SMG の応用例 SMG では時間軸において微少時間の視覚情報や周期的な情報を観察する被験者の視覚を拡張 - 110 - することができるため，顕微鏡や望遠鏡で肉眼では見えない世界を覗けるように，SMG を通して 世の中の様々な時間軸の影響する視覚現象に対して利用可能であると考えている．例えば，往来 する車のうち特定の方向や速度以上の車のみ強調して知覚させたり，多種多様な商店の看板の中 でも特定の動きをする看板のみ強調して表示したり，あるいは電車や自動車に乗っていても標識 や看板を立ち止ってみているかのように明瞭に見ることができるということが実現できる可能性 がある．特に，科学教育における SMG の利用には大きな可能性があると考えられる．また，SMG の優位性はリアルタイムで肉眼では観察できないような物体の実際の変化を観察できる点にあり， さらにはデバイスの特性から同じ観察対象であってもシャッタ毎に制御パラメータを変えること ができるという点である．例えば，左右の眼にそれぞれ異なる情報を提示できるのもストロボス コープなどにはない特徴である． GVS の応用例 眼球運動による視野運動を利用して，例えばロボットを遠隔地から操作する際に，ロボットか らの映像に対して運動情報を付加することによって，より臨場感の高い VR システムの構築など に応用できると考えられる．また，周期的な前庭感覚への刺激によってもたらされる乗り物酔い 防止や新たなエンタテインメントシステムの構築などの視覚・前庭感覚統合システムの開発に寄 与できる． 運動対比による手法の応用例 主に AR システムに対して利用可能であり，情報を重畳している対象の運動をシミュレートす ることなどや，実世界の車両模型に対して，視覚効果を投影することで車模型が実際に走ってい るように見せるなどの応用例が考えられる．これは例えば，設置空間などが限られている車の店 頭広告などで自動車自体は低速で動いているにもかかわらず，知覚としては高速で動いているよ うに見せることなどの利用法が考えられる． 6.4.2 各手法の制約条件 SMG の制約条件 第 3 章における心理物理実験の結果から，SMG はシャッタの開放時間が短いほどランドルト環 の認識率が向上することを示したが，刺激周波数が 25Hz と 50Hz では同じ開放時間でも 50Hz の 方が認識率は悪くなることも示された．この考察として被験者の内観報告などから高い周波数で は対象物が視野内に複数観察され視標が識別しにくかったから認識率が悪くなったということが 示唆された．そのため SMG で運動する物体を観察する際には開放時間は同じでもなるべく低い周 波数で作動させた方が良いように思えるが，実際には低い周波数ではフリッカーなどが知覚され 最悪の場合使用者が光過敏性発作を起こしてしまう可能性もある．フリッカーの知覚に関しては 照明条件や観察物体の輝度にもよるため一概にどの周波数以上とは言えないが少なくとも 30Hz 以上で駆動することが望ましいと考えている． GVS の制約条件 GVS の制約条件としては用いる刺激周波数と刺激電流値があげられる．実験 1 で示された通り - 111 - GVS の視野運動の知覚には感度の高い周波数帯と低い周波数帯があり，また 4Hz を超える高周波 数では痛みなどを伴う傾向が見られたことや実験 2，実験 3 から低い刺激周波数の方が同じ刺激 電流値でも視野および眼球の回旋角度が大きくなることが示されたことなどから使用する周波数 帯は感度も高く刺激による痛みを伴いにくい 2Hz 以下かつ 1.5mA 以下が望ましい．このような使 用する刺激電流値の制約条件は安藤らの研究においても論じられ同様に 1.5mA 以下と報告されて いる[98]． 運動対比による手法の制約条件 運動対比による知覚速度の変化は個人内では線形性を保つため，知覚速度の制御はしやすいが， 個人間ではバラつきがあり，この補正をどのように行うかが課題となる．また，本実験では検証 しなかったが，背景の刺激面積に応じて知覚される特性も変化すると考えられ，例えば，刺激面 積の拡大によって生起される視覚誘導性自己運動知覚による影響を如何に抑制または利用してシ ステムの構築を行うのかということを検討する必要がある． 6.5 結言 本章では，SMG，GVS，運動対比による手法のそれぞれより得られた運動知覚に関する知覚特 性を考察し，それを人間の情報処理のメカニズムから論じた．また，これらの知見を用いてどの ような視覚インタフェースが実現可能かを示し，その制約条件などをまとめた． - 112 - 第7章 結論 本論文では，運動の強調・抑制を可能とするインタフェース実現を目指し，外界からの情報を 周期的に遮蔽することで視覚情報の動き成分を抑制する SMG（Stop Motion Goggle）と，周期的な 前庭感覚刺激による眼球運動により視覚情報の動き成分を強調する GVS（Galvanic Vestibular Stimlation） ，移動体とその背景画像の相対的な運動によって視覚情報の動き成分の強調・抑制を行 うという 3 つの手法によって得られた視知覚特性の評価を行った． 第 2 章では，運動の知覚に関わる生理学的な知見として視覚と前庭感覚の概説を行った．まず， 視覚の感覚受容器としての眼球および網膜の構造と運動知覚に関する知見をまとめ，次に前庭感 覚器官の構造と前庭動眼反射の知見をまとめた．また，本論文で実現を目指すインタフェースの 定義を行い，従来までの視覚インタフェースに関して，その設置点別に環境設置型，身体設置型 の 2 つに大別し特徴を述べた．これまでは環境設置型の視覚インタフェースが一般的であり，多 くの研究・開発が行われてきたが，本論文の目指す視覚インタフェースが今後どのような場面で 利用されるのかも含めて重要性を論じた． 第 3 章では，液晶シャッタを用いて外界の情報を周期的に遮蔽し，視覚情報の時間成分に対し て影響を与える Stop Motion Goggle（SMG）による動き成分の抑制手法に関して述べた．SMG の 理論的背景として視覚情報処理における視覚刺激の刺激周波数，位相，時間に対する生理学的知 見を示し，SMG の特徴として下記の 3 点を掲げた． 1) 視覚情報の微少時間での遮断により裸眼で対象を観察できる日常的な照明環境における視 知覚を拡張する 2) 装着型のデバイスにより観察対象側の環境に影響を与えない形式で被験者毎に異なった視 覚情報を提供する 3) 高い応答性を持つシャッタを用いることにより極めて短い時間幅(1ms 未満)の視覚情報の標 本化を可能とする そして，SMG を用いて外界からの視覚刺激を周期的に遮蔽し，観察対象の運動により生じるモ ーションブラーの量を制御することで，運動する対象の視認性がどのように変化するかを検証し た．この被験者を用いた心理物理実験により，動的視標に対してシャッタの開放周波数 25Hz と 50Hz において，開放時間を 0.6-4.0ms の範囲で制御し，被験者実験によって高速に運動を行って いるランドルト環に対する認識率はシャッタの開放時間が短いほど向上することを示した． また，SMG の実演展示を通じた視知覚の拡張に対する体験者の反応を観察し，街灯などの日常 的な実世界の視覚情報の変容自体がエンタテイメントと成り得ること，そして観察対象として用 意したコンテンツ以外にも体験者自身で身の回りにある様々なモノを探検的に観察し出すことな どが分かった． 第 4 章では，周期的な前庭感覚刺激により生起される眼球運動によって，視覚情報の運動を強 調する手法として Galvanic Vestibular Stimulation（GVS）に関して述べた． GVS の理論的背景と して，GVS の手法自体はすでに確立しており，これまで臨床分野での前庭系の検査や前庭感覚の 心理物理実験などにおいて用いられてきている手法であること，そして前庭感覚提示インタフェ ースとしても活用されてきていることを示した．しかし，従来の GVS インタフェースは歩行誘導 - 113 - や加速度感の提示の目的として使われており，本論文で目指す視覚インタフェースとして用いら れることはなかったことなど，本章での主張点との相違を論じた． その上で，GVS が視覚に与える影響を 3 つの心理物理実験により明らかにした． 第 1 の実験では，交流電流を用いた GVS により生起される主観的な視野の回旋運動が，視覚処 理のどの段階で起こっているのかを明らかにするために行った．その結果，GVS に誘引される眼 球運動によって視野の運動が知覚されることを示した． 第 2 の実験では，交流電流を用いた GVS により生起される，主観的な視野の回旋運動の定量化 実験を行った．ここでは定量化の手法も含めて提案し，過去の直流電流を用いて計測した手法と の相違点を示すとともに，GVS の刺激電流量に比例して回旋角度が大きくなること，回旋角度は 周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した． 第 3 の実験では，交流電流を用いた GVS に誘引される実際の眼球運動を制作したアイカメラに より撮影し，虹彩文様のクロスコリレーションマッチングにより回旋量と刺激からの位相遅れを 推定した．その結果，第 2 の実験で得られた主観的視野運動と同様に刺激電流量に比例して回旋 角度が大きくなること，回旋角度は周波数依存性を持ちローパス特性があることなどを示した． これら 3 つの実験を通して，GVS により生起される視野運動が眼球運動により引き起こされ， その視野運動量と刺激電流値および刺激周波数との関係性を明らかにした．これにより，本来は 静止しているはずの環境が，GVS による眼球運動によって刺激電流値や刺激周波数に依存した回 転運動をしているように知覚されるという，運動知覚の強調が起こっていることが示された． 第 5 章では，実環境を運動する対象とその背景の画像を運動させることで得られる相対運動か ら運動対比を生じさせ，対象の移動速度が実際よりも上昇または低下する条件を検証するため， これまで明らかにされてきた運動対比の発生機序と特性に関する知見をまとめた．関連研究とし て，実世界の車両模型に対して視覚効果を投影することで，車模型が実際に走っているように見 せる拡張現実感（AR）の研究などが行われているが，その知覚特性などが明らかになっていない ことを示した． 運動対比による相対速度知覚を評価するために，画像提示装置を用いたロボットの制御手法を 用いて，移動体の制御と背景画像の運動を一つのディスプレイ上で行う環境を構築し，被験者を 用いた心理物理実験を行った．実験は調整法による測定手法を用い，ある参照刺激速度に対して 背景画像のスクロール速度を被験者が操作して，移動するロボットの速度が参照刺激速度と主観 的に等価になるように調整してもらい相対知覚速度の定量化を行った． 実験の結果から，ロボットの運動方向と同方向に背景を動かした場合は知覚される速度が低下 し，逆方向に背景を動かした場合は上昇することを示した．これは，背景の運動の制御により， 対象の速度が実際の速度よりも遅く，または速く知覚されるようになったということであり，運 動対比によって運動知覚の抑制と強調がそれぞれ引き起こされていることを示した 第 6 章では，論文全体を振り返るとともに，各手法により得られた知覚特性を考察し，これら の知見を用いてどのような視覚インタフェースが実現可能か考察した． 以上の議論より，運動知覚の強調・抑制という変化を与えることが工学的に実装可能であるこ とを示し，その特性を明らかにした． - 114 - 謝辞 ここまで来るのに何度挫折し，何度立ち止まったことだろうか． そのたびに多くの人々に支えられ，助けられ，決して自分一人では到達できない場所にたど り着くことが出来ました．生きている間にこの論文を書き上げることが出来たことを心から感 謝いたします． まず，博士後期課程の途中からの申し出にもかかわらず私の主任指導教員を引き受けて下さ った，知能機械工学科 横井浩史教授には大変お世話になりました．横井先生にはご多忙の中， 何かと気にかけていただき，格別のご配慮を賜りました．このご恩は忘れません，本当にあり がとうございました． 審査委員の知能機械工学科 下条誠教授には学部の頃から騒がしい私を暖かい目で見守って 下さりました．予備審査時には私の論文の細かなところにまで目を通していただき丁寧なアド バイスをしていただき，心より感謝しております．また，同じく審査委員で副指導教員を引き 受けて下さった知能機械工学科 小池卓二教授には博士後期課程のみならず学士と博士前期課 程においても論文の副査をしていただきました．先生の生理学に関する高い御見識からの的確 な指導は常に私の研究へのモチベーションを高く保たたせて下さいました．これまでの学位も 含めまして心より謝意を表します．情報理工学部 総合情報学科の梶本裕之准教授のあらゆる事 に対する探求心と，研究に対する姿勢には大変感銘を受けるとともに研究者の理想像の一つと して多くのことを学ばせていただきました．慶應義塾大学大学院 メディアデザイン研究科の稲 見昌彦教授には学士から博士後期課程までの足かけ 8 年にわたる研究室生活において，研究室 の運営者として多大なる支援と指導をしていただきました．お世話になっている期間の長さも さることながら，これまでの私の人生において最も多くのことを私に学ばせてくれている先生 なのは間違いありません．厚くお礼申し上げます．稲見先生をはじめ審査委員の先生方には今 後もご迷惑おかけすることもあるかと思いますが，まずはここまで来られたのは諸先生方のお かげです．ありがとうございました． 京都大学 工学研究科の松野文俊教授には先生が電気通信大学に在籍時から格別のご厚誼に あずかり，博士論文がなかなか書き進まず落ち込んでいるときには電話で励ましのお言葉をか けていただくなど，私にとっては尊敬してやまない偉大な研究者であると同時に，時には父親 のようにやさしく見守ってくださいました．東京工業大学大学院 総合理工学研究科の長谷川晶 一准教授にも松野先生と同じく電気通信大学在学時はもちろんのことながら，学外活動として の学生コンテストの委員として様々な面で私をサポートして下さいました．大阪大学大学院 情 報科学研究科の前田太郎教授の余人の想像を超えた奇抜な発想と着眼点の素晴らしさ，そして 何より楽しんで研究を行う姿勢には大きな影響を受けました．同じく大阪大学大学院 情報科学 研究科の安藤英由樹准教授には研究のみならず様々な場面で多くのご助言とアドバイスをいた だきました．八戸工業大学 機械情報技術学科の藤澤隆介助教には博士後期課程に進む際の相談 に乗っていただいただけでなく，その後の多くの不安が付きまとう研究生活における悩みなど の相談にも数多くのっていただき，ただの大学の先輩後輩という関係を超えた付き合いをさせ ていただきました．そして，慶應義塾大学 理工学部の杉本麻樹講師には稲見研究室の先輩とし て研究はもちろんの事ながら，私の私生活の面で最もお世話になりました．一時期，大学に顔 - 115 - を出さなくなった私を実の兄のように心配してくださり，多くの支援とご助言をもって私が本 論文を書く生活基盤を整えて下さりました．杉本先生には一生を賭して返さねばならないほど のご恩を感じております．ここで紹介させていただいた先生方のおかげで本論文を書き進む勇 気と気力が生まれたと思っております．心よりお礼申し上げます． 電気通信大学，そして慶應義塾大学大学院 メディアデザイン研究科（KMD）での研究生活 では多くの学生や卒業生，スタッフ，同期に支えられてきました．電気通信大学時代の先輩で あり，KMD 博士後期課程に在籍している小泉直也氏には電通大時代からお世話になっており ましたが，慶應でもなかなか論文の進まず気落ちしている私を励ましてくれました．同じく KMD の博士後期課程に在籍している高橋征資， Anusha Withanas，上間裕二，Janak Bhimani， 杉浦裕太，Charith Fernando，安謙太郎，Jan Rod にはディスカッションや日々の何気ない会 話を通して，単調になりがちな論文執筆期間に潤いと活力をもらいました．また，東京大学大 学院 工学系研究科 特任研究員として KMD に在籍していた常盤拓司氏にも多くの励ましのお 言葉と人生の先輩としてのアドバイスをいただきました．電気通信大学 稲見研究室時代の同期 である KMD 舘研究室 特任助教の古川正紘には博士審査時に必要な事務作業や論文の内容に 関して親身に相談乗ってもらいました．同じく同期の大阪大学大学院 情報科学研究科 前田研 究室 特任研究員の橋本悠希や太田光紀，小島稔，五代裕介，山本暁夫には私が自信をなくして 落ち込んでいた時期に何かと気にかけてくれて飲み会などを企画して励ましてくれました．博 士後期課程の同期として大学や研究室は異なりましたが， KMD 舘研究室 講師の南澤孝太君 や青木孝文君，東京工業大学 精密工学研究所 助教の三武裕玄君とは国際学生対抗バーチャル リアリティコンテストの企画委員や有志で興した内部研究発表会である D ゼミなどを通してお 互いに刺激しあい，ともに研鑽しあえる関係になれたことを嬉しく思います．研究室配属から 8 年間という期間を振り返ると，私は先生だけでなく先輩や同期，後輩にも優秀で気のいい奴 らに恵まれたのだなと痛感いたします．ここで名前を挙げた他にも多くの先輩，後輩に支えら れ苦楽をともにできたことは私の人生の宝です．心の底からありがとうと叫びたいです． KMD 稲見研究室 秘書の佐藤裕子さん，杉本美央さん，電気通信大学 横井研究室 秘書の矢 吹佳子さんには博士審査の事務的な手続きなどで大変お世話になりました．私が博士審査の申 請締め切り日を間違えるという前代未聞の大ポカをやらかし，関係各所への謝罪などでご迷惑 おかけいたしました．本当に申し訳ありませんでした．そんな私にもいつも笑顔で対応してい ただいた皆様に深く感謝しております．ありがとうございました． 他にも，大学の同期，サークルの同期，高校時代からの同期，趣味の世界を通して知り合っ た仲間達には多くの支援と言葉にできないほどの多くの力をもらいました．本当にありがとう． お前らみんな大好きだ！ そして，こんな歳まで就職せず好きなことをやらせてくれ，私が落ち込んでいた時には「最 後まで応援するよ」と言って見守り続けてくれた両親には本当に感謝しています．こんなでき の悪い息子で申し訳ないけど，これからもずっと見守って下さい． 最後に，本論文の完成を見ずに昨年他界した祖母と稲見研究室元秘書の岩崎和子さん，本当 に遅くなってごめんなさい．自分が情けないです．こんな私ですが，どうか見捨てず天国から 見守っていて下さい． 立身行道、揚名於後世、以顯父母、孝之終也． 孝経の一節より - 116 - 参考文献 [1] K. 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Naohisa NAGAYA, Masashi YOSHIDZUMI, Maki SUGIMOTO, Hideaki NII, Taro MAEDA, Michiteru KITAZAKI and Masahiko INAMI: Gravity Jockey: A Novel Music Experience with Galvanic Vestibular Stimulation, Proceedings of ACM SIGCHI International Conference on Advances in Computer Entertainment Technology ACE 2006, 2006. （第4章の内容に関連する） 参考論文の印刷公表の方法及び時期 1. 安謙太郎，永谷直久，常盤拓司，杉本麻樹，稲見昌彦：画像提示装置を用いたロボットの制御 手法，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.16，No.2，2011. （第5章の内容に関連する） 2. Naohisa Nagaya, Fabian Foo Chuan Siang, Masahiro Furukawa, Takuji Tokiwa, Maki Sugimoto, Masahiko Inami: Stop Motion Goggle, ACM SIGGRAPH New Tech Demo, 2008. （第3章の内容に関連する） 3. Naohisa NAGAYA, Maki SUGIMOTO, Hideaki NII, Michiteru KITAZAKI and Masahiko INAMI: Visual perception modulated by galvanic vestibular stimulation, the 15th International Conference on Artificial Reality and Telexistence 2005 (ICAT 2005), pp.78-84, 2005. （第4章の内容に関連する） - 125 - 受賞歴リスト 1. エンタテインメントコンピューティング 2008 論文賞受賞 永谷直久，Fabian Foo Chuan Siang，古川正紘，常盤拓司，杉本麻樹，稲見昌彦，Stop Motion Goggle の開発，エンタテインメントコンピューティング 2008，2008. 2. 第 6 回 芸術科学会展（DiVA 展）第 1 部門 優秀賞受賞 冨田正浩，永谷直久，稲見昌彦：Relative Motion Racing，2008. 3. ACM ACE 2006 Outstanding Paper Award 受賞 Naohisa NAGAYA, Masashi YOSHIDZUMI, Maki SUGIMOTO, Hideaki NII, Taro MAEDA, Michiteru KITAZAKI and Masahiko INAMI: Gravity Jockey: A Novel Music Experience with Galvanic Vestibular Stimulation, Proceedings of ACM SIGCHI International Conference on Advances in Computer Entertainment Technology ACE 2006, 2006. 4. ACM ACE 2006 Excellent Paper Prize 受賞 Yuki HASHIMOTO, Naohisa NAGAYA, Minoru KOJIMA, Satoru MIYAJIMA, Junichiro OHTAKI, Akio YAMAMOTO, Tomoyasu MITANI, Masahiko INAMI: Straw-like User Interface: Virtual experience of the sensation of drinking using a straw, Proceedings of ACM SIGCHI International Conference on Advances in Computer Entertainment Technology ACE 2006, 2006. 5. 日本バーチャルリアリティ学会 論文賞受賞 永谷直久，杉本麻樹，新居英明，前田太郎，北崎充晃，稲見昌彦：前庭感覚電気刺激による視 覚への影響, 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.10, No.4, pp.475-484, 2005. 6. 第 9 回 文化庁メディア芸術祭 アート部門 奨励賞受賞 橋本悠希，大瀧純一郎，小島稔，永谷直久，三谷知晴，宮島悟，山本暁夫，稲見昌彦：Conspiratio, 第 9 回メディア芸術祭，2006. 7. 第 11 回 学生 CG コンテスト 佳作受賞 橋本悠希，大瀧純一郎，小島稔，永谷直久，三谷知晴，宮島悟，山本暁夫，稲見昌彦：Conspiratio, 第 11 回学生 CG コンテスト，2006. 8. インタラクション 2005 ベストインタラクティブ発表賞受賞 橋本悠希，小島稔，永谷直久，三谷知晴，宮島悟，稲見昌彦： Straw- like User Interface(SUI)： 吸飲感覚提示装置，インタラクション 2005 論文集，pp.81-82，2005. - 126 - 著者略歴 永谷 直久（ながや なおひさ） 1982 年 2 月 8 日 宮城県に生まれる 2000 年 3 月 宮城県仙台第一高等学校 卒業 2001 年 4 月 電気通信大学 電気通信学部 知能機械工学科 入学 2005 年 3 月 電気通信大学 電気通信学部 知能機械工学科 卒業 2005 年 4 月 電気通信大学大学院 電気通信学研究科 博士前期課程 知能機械工 電気通信学研究科 博士前期課程 知能機械工 電気通信学研究科 博士後期課程 知能機械工 電気通信学研究科 博士後期課程 知能機械工 学専攻 入学 2007 年 3 月 電気通信大学大学院 学専攻 修了 2007 年 4 月 電気通信大学大学院 学専攻 入学 2011 年 3 月 電気通信大学大学院 学専攻 単位取得済み退学 2012 年 3 月 博士（工学）取得予定 2007 年 4 月より日本学術振興会特別研究員（DC1）として，前庭感覚電気刺激の視覚への影響 に関する研究に従事．2011 年 4 月から慶應義塾大学大学院メディアデザイン研究科付属メディア デザイン研究所リサーチャー．視覚拡張および前庭感覚提示を利用したインタフェースの研究に 従事．日本バーチャルリアリティ学会会員． - 127 -
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