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慶應と東工大、光学シースルーHMDにおいてAR画像を異なる焦点位置で鮮明に表示する可変焦点オクルージョン技術を発表

慶應義塾大学と東京工業大学による研究チームは、光学シースルーヘッドマウントディスプレイ(OST-HMD)における異なる焦点距離のヴァーチャルオブジェクトを鮮明に表示する可変焦点オクルージョン(光学遮蔽)技術を発表しました。

論文:Varifocal Occlusion for Optical See-Through Head-Mounted Displays using a Slide Occlusion Mask

著者:Takumi Hamasaki, Yuta Itoh
所属:Keio University, Tokyo Institute of Technology

本提案の出力結果。近、中、遠距離の3パターンの焦点距離でヴァーチャルオブジェクトが鮮明に表示されている。

本論文は、OST-HMDのための可変焦点オクルージョン技術を提案します。ここでいうオクルージョンとは、手前にあるヴァーチャルオブジェクトが背後にある実物体を隠す状態のことを指します。オクルージョンがないと、OST-HMDによりレンダリングされたヴァーチャルオブジェクトは半透明で現実的ではないように見えます。したがって、オクルージョンは奥行き知覚を可能にする強力な視覚的手がかりとして必要です。

従来のオクルージョン技術は、通過する光線を選択的に減衰させることができるデバイス「空間光変調器(spatial light modulator, SLM)」を使用して、SLM上の各ピクセルで入射光線を選択的に遮断することで実行します。しかしながら、これでは単一の固定深度でしかオクルージョンマスクを作成できません。このような固定焦点オクルージョン技術では、オクルージョンマスク面とヴァーチャルオブジェクトとの間の奥行きに不整合を引き起こし、ぼやけたオクルージョンマスクを伴う不快なユーザ経験をもたらします。

この課題を解決するために、本提案では可変焦点オクルージョン技術を用いたOST-HMDシステムを検証します。具体的には、透過型液晶ディスプレイ(LCD)を物理的にスライドさせて、オクルージョン面を光路に沿って光学的に移動させることで任意の深度のヴァーチャルオブジェクトに整列させるアプローチを検証します。ヴァーチャルオブジェクト面の深さに従ってLCDを移動させることによって、オクルージョンマスクを鮮明に表示します。

オクルージョンマスク面が固定されている固定焦点オクルージョンと、オクルージョンマスク面もヴァーチャルオブジェクト面と同じ深さで動いているのが本提案の可変焦点オクルージョン。

実験では、LCDを物理的にスライドさせるために、電気リニアステージが備わったカスタム網膜投影ディスプレイを実装します。

結果、システムが25cmから無限の範囲の深さまでオクルージョン面をシフトできることを実証しました。これにより、OST-HMDにおけるオクルージョンマスクのヴァーチャルオブジェクトを任意の焦点位置で鮮明に表示することを可能にします。

本本提案を用いて出力した3種類の虚像の評価図。ヴァーチャルオブジェクトの焦点距離が3つ用意されており、上段=近距離、中段=中間距離、下段=遠距離。オクルージョン面がヴァーチャルオブジェクトの深さと一致している時は映像が鮮明に表示されている。