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設計技術シリーズ

AR(拡張現実)技術の基礎・発展・実践

監修: 蔵田 武志氏(産業技術総合研究所)
清川 清氏(大阪大学)
編集: 大隈 隆史氏(産業技術総合研究所)
価格: 6,600円(本体)+税
判型: A5
ページ数: 390 ページ
ISBN: 978-4-904774-39-7
発売日: 2015/9/28
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【著者紹介】五十音順

天野 敏之(あまの としゆき)(第2章2節)
2000年大阪大学大学院基礎工学研究科博士後期課程修了。名古屋工業大学助手、奈良先端科学技術大学院大学助教、山形大学准教授を経て、現在、和歌山大学准教授。代表的な研究に、距離画像の固有空間法による物体探索、BPLPによる画像補間、モデル予測制御を用いたプロジェクタカメラ系による見かけの制御など。博士 (工学)。
池田 聖(いけだ せい)(第3章1節)
2001年広島大学理学部物理学科卒。2003年奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科博士前期課程、2006年博士後期課程修了。同年同研究科特任助手、翌年助教。2011年大阪大学大学院基礎工学研究科助教、2015年立命館大学情報理工学部講師。AR、Computer Visionに関する研究に従事。日本バーチャルリアリティ学会他各会員。博士 (工学)。
石井 裕剛(いしい ひろたけ)(第5章4節)
1996年京都大学工学部卒業、2000年同大学大学院エネルギー科学研究科博士後期課程修了 (期間短縮)。同年同研究科助手、現在同助教。2004年~2005年ノルウェーIFE客員研究員。複合現実感、知的生産性、環境配慮行動促進などの教育研究に従事。京都大学博士 (エネルギー科学)。
石川 智也(いしかわ ともや)(第4章3節)
2008年奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科博士後期課程修了。同年産業技術総合研究所特別研究員、2013年行動ラボ(株)代表取締役を経て、2014年サイトセンシング(株)取締役、現在に至る。複合現実感、サービス工学の研究に従事。2012年日本バーチャルリアリティ学会論文賞受賞。博士 (工学)。
一刈 良介(いちかり りょうすけ)(第3章2節)
2010年立命館大学大学院理工学研究科博士後期課程修了。同総合理工学研究機構、USCの研究員を経て、2013年より産業技術総合研究所サービス工学研究センター産総研特別研究員。博士 (工学)。AR/MR、CG、サービス工学などの研究に従事。IEEE、ACM SIGGRAPH、日本バーチャルリアリティ学会などの会員。
岩井 大輔(いわい だいすけ)(第2章2節、第3章3節)
2007年大阪大学大学院基礎工学研究科にて博士 (工学)取得。同大学助教、講師を経て、2013年より同大学准教授。この間、2007年~2008年ドイツ・バウハウス大学、2011年スイス・ETHにて客員研究員。投影型拡張現実・プロジェクションマッピング技術の研究に従事。日本バーチャルリアリティ学会会員。
内山 英昭(うちやま ひであき)(第1章)
2010年慶應義塾大学大学院博士課程修了。博士 (工学)。2010年フランス国立情報学自動制御研究所博士研究員。2012年東芝研究開発センター。2014年4月より九州大学大学院システム情報科学研究院助教。コンピュータービジョン、拡張現実感の研究に従事。
大石 岳史(おおいし たけし)(第3章1節)
2005年東京大学大学院学際情報学府博士課程修了。同大学大学院情報学環特任講師などを経て、2011年より東京大学生産技術研究所・次世代モビリティ研究センター准教授。博士 (学際情報学)。文化財を対象とした大規模構造物の3次元モデル化、複合現実感による復元展示に関する研究に従事。
大隈 隆史(おおくま たかし)(第2章3節、第3章3節)
1999年奈良先端科学技術大学院大学博士後期課程了。同年電子技術総合研究所研究員。2001年組織改編により、産業技術総合研究所研究員。博士 (工学)。2003年~2005年JSPS海外特別研究員 (Columbia大学客員研究員)。Computer Vision、Computer Graphics技術の応用システム研究に従事し、特に拡張現実感・複合現実感技術、サービス工学を主な研究テーマとして活動。
大星 直樹(おおぼし なおき)(第5章3節)
大阪大学工学部通信工学科、大阪大学歯学部卒、京都大学大学院医学研究科単位取得退学。博士 (医学)。2004年近畿大学理工学部助教授、2007年同准教授、2009年同教授。医療情報学が専門。情報処理学会、電子情報通信学会、日本生体医工学会、日本バーチャルリアリティ学会、IEEE、ACM、医療情報学会、各会員。
亀田 能成(かめだ よしなり)(第5章2節)
1991年京都大学工学部情報工学科卒業。1996年同大学博士課程研究指導認定退学。京都大学博士 (工学)。京都大学助手、MIT客員研究員、筑波大学講師を経て、筑波大学准教授。複合現実感技術、拡張現実、視覚メディア、画像処理の研究に従事。IEEE、電子情報通信学会、情報処理学会、日本バーチャルリアリティ学会、画像電子学会、各会員。
神原 誠之(かんばら まさゆき)(第3章2節)
2002年奈良先端科学技術大学院大学博士後期課程修了。博士 (工学)。同年同大学情報科学研究科助教。2010年同大学准教授、現在に至る。複合/拡張現実感、環境知能、ヒューマンロボットインタラクションの研究に従事。IEEE、電子情報通信学会、情報処理学会、日本バーチャルリアリティ学会、各会員。
北原 格(きたはら いたる)(第1章2節、第3章4節)
1996年シャープ(株)入社。2000年筑波大学先端学際領域研究センター助手。2003年ATR研究員。2005年筑波大学大学院システム情報工学研究科講師。2008年同准教授。自由視点映像、複合現実感の研究に従事。2009年度日本バーチャルリアリティ学会論文賞などを受賞。博士 (工学)。
清川 清(きよかわ きよし)(序章、第2章1節、第4章4節、第6章)
1998年奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科博士後期課程修了。同年日本学術振興会特別研究員。1999年通信総合研究所(現・情報通信研究機構)研究官。2001年ワシントン大学HITLab客員研究員。2002年大阪大学サイバーメディアセンター助教授。2007年同准教授。現在に至る。博士 (工学)。
蔵田 武志(くらた たけし)(序章、第4章3節、第5章1節、第6章)
1996年筑波大学大学院工学研究科修士課程修了。現在、産業技術総合研究所サービス工学研究センター研究チーム長 (兼筑波大学大学院連携大学院教授)。2003年~2005年JSPS海外特別研究員 (ワシントン大学)。ISO IEC/JCT 1/SC 24委員、SC 24/WG 9 (ARの概念と参照モデル) 国内小委員会主査。TrakMark WG委員。PDRベンチマーク標準化準備委員会委員長。博士 (工学)。
黒田 知宏(くろだ ともひろ)(第5章3節)
1998年奈良先端大博士課程修了。奈良先端大助手、オウル大客員教授、京大医学部附属病院講師、大阪大准教授、京大病院准教授を経て、現在京大病院医療情報企画部長・病院長補佐、医学研究科・情報学研究科教授。仮想・強調現実感、福祉情報学、医療情報学、ウェアラブルコンピューティングなどの研究に従事。日本VR学会論文賞他受賞。IEEE、電子情報通信学会、HI学会、システム制御情報学会、日本バーチャルリアリティ学会、日本VR医学会、生体医工学会学会、医療情報学会、日本手話学会などの会員。博士 (工学)。
黒田 嘉宏(くろだ よしひろ)(第5章3節)
2005年京都大学大学院情報学研究科博士後期課程修了。同年京都大学大学院医学研究科特任助手。2006年大阪大学大学院基礎工学研究科助教。2013年大阪大学サイバーメディアセンター准教授。現在に至る。医用VR、触覚情報処理に関する研究に従事。IEEEなどに所属。博士 (情報学)。
興梠 正克(こうろぎ まさかつ)(第4章3節)
2001年早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了。博士 (情報科学)。現在、産業技術総合研究所サービス工学研究センター主任研究員と産総研技術移転ベンチャー・サイトセンシング(株)取締役兼務。歩行者自律航法 (PDR) の研究に従事。2011年~2012年ジョセフフーリエ大学客員研究員を兼務。IEEE、日本バーチャルリアリティ学会各会員。
酒田 信親(さかた のぶちか)(第4章4節)
2007年筑波大学大学院システム情報工学研究科博士課程修了。博士 (工学)。大阪大学大学院基礎工学研究科助教 (現職)。遠隔協調作業、ウェアラブルコンピューター、ウェアラブルプロジェクションが専門。日本バーチャルリアリティ学会会員。
柴田 史久(しばた ふみひさ)(第5章1節)
1999年大阪大学大学院基礎工学研究科博士後期課程修了。同大学産業科学研究所助手を経て、2003年より立命館大学理工学部助教授。現在、同大学情報理工学部教授。博士(工学)。モバイルコンピューティング、複合現実感などの研究に従事。日本バーチャルリアリティ学会学術奨励賞・論文賞、ヒューマンインタフェース学会論文賞などを受賞。
杉本 麻樹(すぎもと まき)(第4章2節)
2006年電気通信大学大学院博士後期課程修了。博士 (工学)。慶應義塾大学大学院メディアデザイン研究科特別研究講師などを経て、現在、慶應義塾大学理工学部情報工学科准教授。AR環境における画像提示装置を用いた移動体の位置・姿勢計測と制御などの研究に従事。
田中 秀幸(たなか ひでゆき)(第1章1節)
2001年東京大学大学院工学系研究科修士課程修了。2004年東京大学先端科学技術研究センター助教。2011年より産業技術総合研究所知能システム研究部門主任研究員。環境構造化、生活支援ロボットの研究に従事。日本ロボット学会、人工知能学会、日本バーチャルリアリティ学会に所属。博士 (工学)。
谷川 智洋(たにかわ ともひろ)(第4章1節)
2002年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了。同年通信・放送機構研究員。2004年情報通信研究機構研究員。2005年東京大学先端科学技術研究センター講師。2006年同大学大学院情報理工学系研究科講師、2015年同准教授、現在に至る。五感情報提示技術、複合現実感技術に関する研究に従事。博士(工学)。
鳴海 拓志(なるみ たくじ)(第4章1節)
2006年東京大学工学部卒業。2008年同大学大学院学際情報学府修了。2011年同大学大学院工学系研究科博士課程修了。2011年より同大学情報理工学系研究科知能機械情報学専攻助教。拡張現実感、錯覚を利用した五感インタフェースなどに関する研究に従事。博士(工学)。
日浦 慎作(ひうら しんさく)(第3章1節)
京都大学研究員、大阪大学准教授、マサチューセッツ工科大学メディアラボ客員准教授などを経て、現・広島市立大学大学院情報科学研究科教授。コンピュータービジョン・コンピュテーショナルフォトグラフィーなどが専門。博士 (工学) (大阪大学)。
堀 謙太(ほり けんた)(第5章3節)
2000年奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科修了。博士 (工学)。京都大学医学部附属病院リサーチアソシエイト、京都大学情報学研究科研究員を経て、群馬県立県民健康科学大学診療放射線学部准教授。遠隔医療、医療情報学、医療系eラーニングなどの研究に従事。
牧田 孝嗣(まきた こうじ)(第3章3節、第5章1節)
2009年奈良先端科学技術大学院大学情報科科学研究科博士後期課程修了。同年同大学博士研究員。2010年産業技術総合研究所サービス工学研究センター産総研特別研究員。2014年より、キヤノン株式会社MR事業推進本部所属。複合現実感、ウェアラブルコンピューティングに関する研究開発に従事。博士 (工学)。
山本 豪志朗(やまもと ごうしろう)(第2章3節)
2004年大阪大学基礎工学部卒業。2006年同大学大学院修士課程修了。2008年~2009年日本学術振興会特別研究員。2009年同大学院博士課程修了、岡山大学助教。2011年より奈良先端科学技術大学院大学助教。2012年~2013年オウル大学客員研究教授。博士 (工学)。HCI、拡張現実感の研究に従事。

【目次】

序章

  1. 1.拡張現実とは
  2. 2.拡張現実の特徴
  3. 3.これまでの拡張現実
  4. 4.本書の構成

第1章 基礎編その1

  1. 1.マーカーベースの位置合わせ
    1. 1-1 ARマーカーとは
      1. 1-1-1 ARマーカーの概要
      2. 1-1-2 ARマーカーの特徴
      3. 1-1-3 ARマーカーの誕生と発展
      4. 1-1-4 マーカーを用いたARシステムの基本構成
    2. 1-2 矩形ARマーカー
      1. 1-2-1 マーカー認識手法の概要
      2. 1-2-2 マーカー方式のメリット・デメリット
    3. 1-3 その他のタイプのARマーカー
      1. 1-3-1 隠蔽に強く、広範囲で使用できるマーカー
      2. 1-3-2 美観を損ねないマーカー
      3. 1-3-3 姿勢精度を向上させるマーカー
    4. 1-4 ランダムドットマーカー
      1. 1-4-1 概要
      2. 1-4-2 マーカーの認識と追跡
      3. 1-4-3 特徴
    5. 1-5 マイクロレンズシートを用いたマーカー
      1. 1-5-1 姿勢推定に関する従来マーカーの問題
      2. 1-5-2 可変モアレパターンの活用
      3. 1-5-3 LentiMarkとArrayMark
      4. 1-5-4 LentiMarkとArrayMarkの姿勢推定法
      5. 1-5-5 LentiMark、ArrayMarkによる高精度な姿勢推定
      6. 1-5-6 LentiMark、ArrayMarkの改良-問題②の改善
      7. 1-5-7 LentiMark、ArrayMarkのまとめ
    6. 1-6 ARマーカーのまとめと展望
  2. 2.自然特徴ベースの位置合わせ
    1. 2-1 概要
    2. 2-2 特徴点を用いた認識
      1. 2-2-1 認識の流れ
      2. 2-2-2 特徴点検出
      3. 2-2-3 特徴量算出
      4. 2-2-4 特徴量マッチング
      5. 2-2-5 その他の特徴を用いた認識
    3. 2-3 特徴点を用いた追跡
      1. 2-3-1 2次元特徴点の追跡
      2. 2-3-2 3次元特徴点の追跡
      3. 2-3-3 その他の特徴を用いた追跡
    4. 2-4 ARを実現する処理の枠組み
      1. 2-4-1 認識処理のみを用いたAR
      2. 2-4-2 認識と追跡処理を用いたAR
      3. 2-4-3 SLAMを用いたAR
      4. 2-4-4 認識処理のみを用いたARのサンプルコード
    5. 2-5 評価用データセット
      1. 2-5-1 metaioデータセット
      2. 2-5-2 TrakMarkデータセット
    6. 2-6 奥行き情報を用いた位置合わせ手法
      1. 2-6-1 奥行き情報を利用するメリット
      2. 2-6-2 奥行き情報を用いた位置合わせ処理

第2章 基礎編その2

  1. 1.ヘッドマウントディスプレイ
    1. 1-1 拡張現実感とヘッドマウントディスプレイ
    2. 1-2 ヘッドマウントディスプレイの分類
    3. 1-3 ヘッドマウントディスプレイのデザイン
      1. 1-3-1 アイリリーフ
      2. 1-3-2 リレー光学系
      3. 1-3-3 接眼光学系
      4. 1-3-4 ホログラフィック光学素子を用いたHMD
      5. 1-3-5 網膜投影ディスプレイ
      6. 1-3-6 頭部搭載型プロジェクター
      7. 1-3-7 光線再生ディスプレイ
    4. 1-4 広視野映像の提示
    5. 1-5 時間遅れへの対処
    6. 1-6 奥行き手がかりの再現
      1. 1-6-1 調節(焦点距離)に対応するHMD
      2. 1-6-2 遮蔽に対応するHMD
    7. 1-7 マルチモダリティ
    8. 1-8 センシング
    9. 1-9 今後の展望
  2. 2.空間型拡張現実感(Spatial Augmented Reality)
    1. 2-1 幾何学レジストレーション
    2. 2-2 光学補償
    3. 2-3 光輸送
    4. 2-4 符号化開口を用いた投影とボケ補償
    5. 2-5 マルチプロジェクターによる超解像
    6. 2-6 ハイダイナミックレンジ投影
  3. 3.インタラクション
    1. 3-1 AR環境におけるインタラクションの基本設計
    2. 3-2 セットアップに応じたインタラクション技法
      1. 3-2-1 頭部設置型AR環境におけるインタラクション
      2. 3-2-2 ハンドヘルド型AR環境におけるインタラクション
      3. 3-2-3 空間設置型AR環境におけるインタラクション
    3. 3-3 まとめ

第3章 発展編その1

  1. 1.シーン形状のモデリング
    1. 1-1 能動的計測による密な点群取得
      1. 1-1-1 能動ステレオ法
      2. 1-1-2 光飛行時間測定法
    2. 1-2 受動的計測による点群取得
      1. 1-2-1 Structure-from-Motionの概要
      2. 1-2-2 Structure-from-Motionのバリエーション
      3. 1-2-3 Structure-from-Motionにおける高速化・安定化の工夫
    3. 1-3 点群データ処理およびAR/MRへの応用
      1. 1-3-1 位置合わせ処理
      2. 1-3-2 統合処理
      3. 1-3-3 シーン形状のAR/MRへの応用
  2. 2.光学的整合性
    1. 2-1 光学的整合性とは
    2. 2-2 光学的整合性に含まれる構成要素
    3. 2-3 光源環境の推定技術
    4. 2-4 実物体の形状・反射特性推定に関する技術
    5. 2-5 AR/MRにおける実時間レンダリング技術
      1. 2-5-1 シャドウマップ
      2. 2-5-2 環境マップ
      3. 2-5-3 Image-Based Lightning(IBL)
      4. 2-5-4 事前に計算されたGI結果の活用
      5. 2-5-5 写実性の向上が期待されるその他の描画法
      6. 2-5-6 リライティング(Relighting)
      7. 2-5-7 最新の動向
    6. 2-6 画質の整合性
  3. 3.ビューマネージメント、可視化
    1. 3-1 アノテーションのビューマネージメント
    2. 3-2 Diminished Reality
    3. 3-3 焦点の考慮、奥行きの知覚
    4. 3-4 まとめ
  4. 4.自由視点映像技術を用いたMR
    1. 4-1 自由視点映像技術の拡張現実への導入
    2. 4-2 静的な物体を対象とした自由視点映像技術を用いたMR
      1. 4-2-1 インタラクティブモデリング
      2. 4-2-2 Kinect Fusion
    3. 4-3 動きを伴う物体を対象とした自由視点映像技術を用いたMR
      1. 4-3-1 人物ビルボード法
      2. 4-3-2 自由視点サッカー中継
      3. 4-3-3 シースルービジョン
      4. 4-3-4 NaviView
    4. 4-4 まとめ

第4章 発展編その2

  1. 1.マルチモーダル・クロスモーダルAR
    1. 1-1 マルチモーダルAR
    2. 1-2 クロスモーダルAR
  2. 2.ロボットと連携するAR
    1. 2-1 ロボットとセンサー情報
    2. 2-2 ロボットとヒューマンインタフェース
      1. 2-2-1 ロボット操縦のためのARインタフェース
      2. 2-2-2 ロボットの外装を変更するAR
      3. 2-2-3 内装を変更するARインタフェース
      4. 2-2-4 ロボットの知覚情報・行動計画の可視化
      5. 2-2-5 AR環境におけるロボットの機能拡張
    3. 2-3 ロボットと連携するAR技術の可能性
  3. 3.屋内外シームレス測位
    1. 3-1 さまざまな測位手法
    2. 3-2 ハイブリッド測位
      1. 3-2-1 屋内外シームレス測位のための情報統合方法
      2. 3-2-2 センサー・データフュージョンの概要
      3. 3-2-3 SDFの応用事例紹介
    3. 3-3 歩行者デッドレコニング(PDR)
      1. 3-3-1 姿勢(方位)角の推定
      2. 3-3-2 進行方向の推定
      3. 3-3-3 歩行動作検出と歩幅の推定
      4. 3-3-4 高さ方向の移動検知
      5. 3-3-5 PDRベンチマーク標準化に向けて
  4. 4.ARによるコミュニケーション支援
    1. 4-1 ARによる協調作業支援
      1. 4-1-1 協調作業の分類
      2. 4-1-2 ARを用いた協調作業の分類
      3. 4-1-3 協調型ARシステムの設計指針
    2. 4-2 ARを用いた同一地点コミュニケーション支援
    3. 4-3 ARを用いた遠隔地間コミュニケーション支援
      1. 4-3-1 ARを用いた対称型遠隔地間コミュニケーションシステム
      2. 4-3-2 ARを用いた非対称型遠隔地間コミュニケーションシステム

第5章 実践編

  1. 1.はじめに
    1. 1-1 評価指標の策定
    2. 1-2 データセットの準備
    3. 1-3 TrakMark:カメラトラッキング手法ベンチマークの標準化活動
      1. 1-3-1 活動の概要
      2. 1-3-2 データセットを用いた評価の例
    4. 1-4 おわりに
  2. 2.Casper Cartridge
    1. 2-1 Casper Cartridge Projectの趣旨
    2. 2-2 Casper Cartridgeの構成
    3. 2-3 Casper Cartridgeの作成準備【ハードウェア】
    4. 2-4 Casper Cartridgeの作成準備【ソフトウェア・データ】
    5. 2-5 Casper Cartridgeの選択
    6. 2-6 Ubuntu Linux用USBメモリスティック作成手順
    7. 2-7 Casper Cartridge作成手順
    8. 2-8 Casper Cartridge利用時の注意
    9. 2-9 ARプログラム事例
    10. 2-10 AR用ライブラリ(OpenCV、OpenNI、PCL)
    11. 2-11 カメラトラッキング性能指標の算出
  3. 3.メディカルAR
    1. 3-1 診療の現場
      1. 3-1-1 外来診療の特徴
      2. 3-1-2 必要とする情報支援
      3. 3-1-3 AR情報の提示
      4. 3-1-4 事例紹介(歯科診療支援システム)
      5. 3-1-5 ARの外来診療への応用のためには
    2. 3-2 手術ナビゲーション
    3. 3-3 医療教育への適用
    4. 3-4 遠隔医療コミュニケーション支援
  4. 4.産業AR
    1. 4-1 ARの産業分野への応用事例
    2. 4-2 産業ARシステムの性能指標

第6章 おわりに

  1. 1.これからのAR
  2. 2.ARのさきにあるもの

【参考文献】

  • 奥富正敏,ディジタル画像処理,CG-ARTS協会,2006.
  • 武富貴史,佐藤智和,横矢直和,"拡張現実感のための優先度情報を付加した自然特徴点ランドマークデータベースを用いた実時間カメラ位置・姿勢推定",電子情報通信学会論文誌 (D),Vol.J92-D,No.8,pp.1440-1451,2009.
  • 一刈良介,永仮貴浩,津村勇毅,北村一博,柴田史久,田村秀行,"マーカレス・カメラ・トラッキングを強化するリハーサル・パス法とその実世界運用",日本バーチャルリアリティ学会論文誌,Vol.17,No.3,pp.241-252,2012.
  • T. Tuytelaars and K. Mikolajczyk, "Local invariant feature detectors: A survey", Foundations and Trends in Computer Graphics and Vision, Vol.3, pp.177-280, 2008.
  • C. Harris and M. Stephens, "A combined corner and edge detector", Proceedings of the 4th Alvey Vision Conference, pp.147-151, 1988.
  • E. Rosten, R. Porter and T. Drummond, "Faster and Better: A Machine Learning Approach to Corner Detection", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.32, pp.105-119, 2010.
  • D. Lowe, "Distinctive image features from scale-invariant keypoints", International Journal of Computer Vision, Vol.60, pp.91-110, 2004.
  • H. Bay, A. Ess, T. Tuytelaars and L. Gool, "SURF: Speeded Up Robust Features", Computer Vision and Image Understanding, Vol.110, No.3, pp.346-359, 2008.
  • T. Lindeberg, "Feature detection with automatic scale selection", International Journal of Computer Vision, Vol.30, pp.79-116, 1998.
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