(論文)Sight Depth Illusion/有孔パネルの錯視

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SIGHT DEPTH ILLUSION WITH PERFORATED PLANE
ーEvaluate in Mixed Reality with Head Mounted Displayー http://papers.cumincad.org/cgi-bin/works/paper/caadria2018_280

タイトル

有孔パネルにおける視深度錯視
ーMRとHMDによる評価ーhttp://papers.cumincad.org/cgi-bin/works/paper/caadria2018_280

Keywords

#SightDepth, #Isovist, #Kansei Engeneering, #Mixed Reality, #Hololense, #Unity, #Architectural Design

キーワード

＃視深度, #アイソビスト, #感性工学, #ミックスドリアリティー, #ホロレンズ, #ユニティー, #建築デザイン

Summary;

This paper examines the existence of a visual illusion with depth of sight involving a perforated panel layered above another plane, evaluates the illusion’s properties with virtual projection on a see-through, head-mounted display, and illustrates the relation between the veridical and perceived distances through a mathematical expression. The result would be indicative to egocentric spatial analysis research, and reveal potentials as a reference point for a new architectural design tool.

要約；

有孔パネルを利用し、空間の広がり感に関する錯視作用の存在を調査した。有孔パネルの各種寸法をパラメトリックに変化させその錯視の度合いを調査するため、シースルーのヘッドマウントディスプレイの仮想映写で実験を行った。数式によって、個別のジオメトリの幻視と実距離の関係を例示します。結果は主観的な空間分析方法と、空間デザインのための新しい道具の可能性を示唆した。

1. Introduction

According to recent market research reports, virtual reality (VR) would gain increasing popularity in fields such as video games, live events, healthcare, education,engineering, and military. The technology has been pointed out to have the possibility to become a platform of computing (Goldman sachs group 2016). Meanwhile, the terms of VR, augmented reality (AR), and mixed reality (MR) are gaining awareness but their differences are not clearly defined in general applications. In the field of architecture and construction, the technologies have been adopted in many way; proposed space design can be experienced in the virtual world without having to materialize CAD models, invisible phenomena can be attempted to be visualized and analyzed (Fukuda 2015), construction process can be guided digitally by utilizing a smart network on site. In this paper, VR technology would be used to evaluate the assumed illusion of sight depth associated with overlapping planes within the context of interior architectural design.

1.序論

最近の市場調査レポートによると、仮想現実（VR）は、ビデオゲーム、ライブイベント、ヘルスケア、教育、エンジニアリング、軍事などの分野でますます人気が高まっている。このテクノロジーは、コンピューティングのプラットフォームになる可能性があると指摘されている（Goldman sachs group2016）。一方、VR、拡張現実（AR）、複合現実（MR）の用語は認識されつつあるが、それらの違いは一般的なアプリケーションでは明確に定義されていない。建築と建設の分野では、この技術は多くの方法で採用されてきた；例えば、提案された設計空間を実際に建造する前に、CADモデルによって仮想世界で体験する。あるいは、目に見えない現象の解析/分析の視覚化ができる（福田2015）。または、建設現場のスマートネットワーク等を利用して建設プロセスをデジタルでガイドするような応用方法がある。しかし、この論文では建築設計のためのツールをつくることにVR/AR/MRの技術が用いられる。ー建築内装設計において、穴あき半透明の素材を使用すると、視界の奥行に関する錯覚が観測され、それを定量的に評価するための実験を行う。

3. State of Art

Originates from paintings, the practice of illusionism has seen a long history of application in various art forms, in which the subject is designed to deceive the spectator’s perception into sensing a reality that does not objectively exist, in another word, an intentionally caused misinterpretation. Such illusion is made possible by the brain’s fallibility to be persuaded of illogical concepts as the mind subconsciously assimilates inconsistent sensory information (Massey. 1997).
　In the engineering field, there are papers studying subjective evaluation, namingly Kansei Engineering. For example, there are car designers who found out the coefficient between the distance and width of a pillar in the interior of a vehicle (Takeda et al. 2013). The study concludes that there the difference between veridical distance and cognitive distance can be modeled with a sigmoid-like function, depending on the position of the object in one’s field of view. There are several precedents concerning perceptual recognition in architecture and urbanism field too, a group in Nagoya Technical University referred it as sight-depth (Kitagawa et al. 1999). In the urban design field, the space syntax group (Hillier et al.1984) have been conducting axial map researches. Those researches assessed intuitive feeling with mathematics and computational methods.
Traditional Japanese architecture in a city, as typified by tea room, has been designed with a dense in a small space in a small site. Its spatial impression be created beyond the actual conditions including not only distance but also the way of look at world. Even today, this method is effective in high-density cities such as Tokyo, creating ‘feeling of breadth’ in a limited space contributes greatly to building value improvement.

3. 既往研究

絵画などに端を発する錯覚の実践は、さまざまな芸術において長い歴史がある。この分野は、観測者が現実を知覚によってセンシングする方法を欺くということで、いいかえると「意図的に起こされた誤認識」である。そのような錯覚は、脳が持っている誤認の機能＝一貫性のない感覚情報群を、無意識におしなべて非論理的であっても処理しようとするはたらきによってもたらされる（Massey. 1997）。
　　工学の分野では、感性工学という呼び名で主観的評価を研究している論文がある。たとえば自動車業界では、車内のピラーの距離と幅の係数を調べた設計者がいる（Takedaほか. 2013）。この研究では、観測者の視野内の物体位置に応じて、物理距離と認知距離の差をシグモイド曲線のような関数でモデル化できると結論付けている。建築や都市工学の分野でも知覚認識に関する先例がいくつかあり、名古屋工科大学のグループはそれを視深度と呼んでいる（Kitagawa 他1999）。都市計画の分野では、スペースシンタックスグループ（Hillier et al.1984）がアキシャルマップの研究を継続的におこなっており、それらの研究は都市の直感的な指標を、数学的方法で評価した。
　　茶室などに代表される、都市における伝統的な日本建築は、小さな敷地の小さな空間に密集して設計される。その空間は、物理空間の制約を超越するように構成される、それは空間の広がりだけでななく、その世界観にもおよぶ。今日においても、この手法は東京などの高密度都市で有効であり、限られたスペースでの「広がり感」を生み出すことで、建物の価値向上に大きく貢献するであろう。

Figure 1. Examples as architectural application, Left;Light window in Joan-tea-house, (pic from Inuyama-city), Centre;Garan-renji-window in Horyu-ji (pic from 663highland), ceiling finish in Nissei Theater (pic by author).

4. Problem Statement

In such situation, though there are several theories about optical space cognition with a perforated panel (perforated wall) from interior view. Furthermore, there are few description about its details such as the translucence, reflection rate, as well as colors and objects behind such as top light or indirect lighting. This hypothesis came from author’s practical experience but had not yet been proved.　Also, evaluation with physical models is difficult not only because of costs but the lack of a verified model of effect for the client’s reference. However, recent development in parametric modeling software and VR/AR/MR technology enables the material properties to be visualized and tested before built; furthermore, AR/MR when coupled with subjective evaluation method, has the capacity to assess the spectator’s sensational feedback of the design being reviewed.

４．問題提起

このような状況において、室内から見た有孔パネル（パンチングウォール）による光学的空間認識についてのリサーチは数少ない。さらに、パネルを構成する物質の透明度、反射率などの詳細や、パネルの背後にある光の種類についての記述はほとんどない。この仮説は著者の実際の経験から導出されたが、まだ証明されていない。また、物理モデルを使用した実験は、コスト的にも、またクライアントの許可が必要なので困難である。ただし近年の、パラメトリックモデリングソフトウェアとVR / AR / MRテクノロジーの開発により、構築前に材料特性を視覚化してテストすることが可能になった。さらに、AR / MRを主観的な評価方法と組み合わせると、被験者の知覚フィードバックを通じて、デザインを評価することが出来る。

5. Hypothesis and Research Questions

If a perforated panel is layered on top of a wall as an interior finish, with a certain margin of space in between, the spectator is assumed to perceive an illusion that the space is deeper than the actual dimension. As independent variables, rate of perforation and the distance between panel and the spectator would affect the result. The author expects the participant to overestimate the depth of the space, but also considers the possibility of underestimation. To quantify the assumed phenomenon, AR with HMD are used in the experiment to simulate the spatial setting. Parametric-modelling can be integrated into the AR environment, and hence design properties of the perforated panel material can be adjusted in real time. Under this agenda, there are six research questions:

1. If motion parallax caused by movement of the spectator contribute to depthillusion

2. If illumination difference between the outer layer and inner layer contribute to depth illusion

3. If the texture and color of the inner wall contribute to depth illusion

4. If porosity of the outer layer affect depth illusion

5. If the distance between the outer layer and the spectator affect depth illusion

6. If the distance between the two layers affect depth illusion

Elements in question 1, 4 and 5 may be examined as parameters in the experiment in a simplified manner. Steinman et al (2000) has suggested dynamic-motion parallax to be an important depth cue for spatial cognition, and the use of Hololens HMD allows movement of the user, in comparison with wired VR headsets which restricts motion. Rate of perforation and the distance between two layers in question 4 and 5 are simplified as stepping values instead of continuous numbers in the experiment. Question 3 is reflected in the experiment conducted, by choosing an inner wall that is textured, but the question has to be proved by an counterexample. Variables mentioned in 2 and 6 are fixed in this case for simplification but are assumed to be correlated to the result, so further experiments are expected.

5.仮説と研究課題

壁に有孔パネルを内装仕上げとして重ね、間に一定の隙間を空けると、観測者（ユーザー）はその空間が実際の寸法よりも深いという錯覚を感じると想定される。独立変数として、穿孔率とパネルと観測者の間の距離が結果に影響を与える。著者は、観測者が空間の深さを過大評価することを期待しているが、過小評価の可能性も考慮している。想定される現象を定量化するために、HMDを使用したMR/ARを実験で使用して、空間設定をシミュレートする。パラメトリックモデリングをMR/AR環境に統合できるため、穴あきパネル材料の設計特性をリアルタイムで調整可能である。この議題下で、6つのリサーチクエッションが設定できる：

1.観察者の動きによって引き起こされる運動視差が奥行の錯覚に寄与する場合

2.外層と内層の照度/輝度の違いが奥行きの錯覚に寄与する場合

3.（内）壁の質感と色が奥行きの錯覚に寄与する場合

4.外層の多孔性が奥行きの錯覚に影響を与える場合

5.外層と観測者の間の距離が奥行きの錯覚に影響を与える場合

6.2つの層間の距離が奥行きの錯覚に影響を与える場合

問題の要素1、4、および5は実験のパラメーターとして、簡略化し、調べることが出来る。 Steinman他（2000）は、動的運動視差が空間認知のために重要であること示唆しており、動きを制限する有線VRヘッドセットと比較して、ホロレンズHMDはユーザーの動きを許容する。実験では、質問4と5の「穿孔率」と「2層の間の距離」は、連続した数値ではなく段階的な値として簡略化されている。質問3は、予備実験にてテクスチャのある内壁を選択したが、正確な判断には反例による証明が必要である。また、 2と6で述べた変数は、単純化のためにこの場合は固定されたが、結果と関係があると想定されているため、追加実験が期待される。

6. Tools

Hololens developed by Microsoft is hardware chosen to be evaluate the hypothesis. As a MR device, it differentiates from VR devices that provide the spectator with an immersive virtual environment. MR devices overlays virtual information on top of the reality through a HMD, and the spectator sees a world mixed with virtual and actual information. Most of perceptions are from the physical environment, the main issue of HMD is that virtual objects tend to appear transparent in bright environments. In this experiment, budget sun-glass-lens are attached on top of the HMD to alleviate the problem in holo-environment (fig. 2).

6.ツール

Microsoftが開発したHololensは、仮説を評価するために選択されたハードウェアである。 MRデバイスは、観客に没入​​型の仮想環境を提供するVRデバイスとは異なる。 MRデバイスはHMDを介して、物理世界に仮想情報をオーバーレイし、観測者は仮想情報と実情報が混在する世界を見ることが可能である。知覚のほとんどは物理的環境からのものです。この実験に於いてのHMDの主な問題は、仮想オブジェクトが明るい環境では透明に見える傾向があることである。したがってこの実験では、ホログラム空間の問題を軽減するために、安いサングラスレンズがHMDの上に取り付けられています（図2）。

Figure 2. DIYed Hololens for as a countermeasure for virtual objects appearing translucent.

The simulated environment in Hololens is created with the Microsoft developers kits (Microsoft 2017) for Unity. There are two standard developing environment in game engineering in 2017, Unreal Engine (Epic Games 2017) and Unity (Unity Technologies 2017), the latter was used. But for Hololens, there are almost one choice Microsoft provide tool kit so that developer does not necessitate to type code in most of the case. Other reason is the laboring time for constructing experienced space is relatively light for MR because this can omit to make details such as modeling and lighting.

HoloLensでのシミュレーション環境は、Unity用のデヴェロッパーキット（Microsoft 2017）を使用して作成された。 2017年現在、Unreal Engine（Epic Games 2017）とUnity（Unity Technologies 2017）の2つがゲーム開発環境の標準で、後者を使用した。現実的には、開発者がコードを入力する必要がないようにMicrosoftが提供するツールキットを使用するので、選択肢はUNITY一択となる。MRを利用したもう1つの理由は、空間モデリングのための労力がVR等と比べてすくないためである。MRは実験対象のパネル以外のの、環境に存する周辺オブジェクトや光環境などをすべてモデリングする必要がないからである。

Figure 3. Software development in Unity, left is working window, right is experiment set with/without textured wall.

There are three merits in using developer environments. Firstly, trial-and-error in software development is easy to apply, because developer can program with looking at the actual space in real scale. The making of objects is done in Unity, then Hololens enables the developer to check the result immediately. As such experiment which has interaction virtual and physical objects within real sight, necessitate manual adjustment, many times. The iteration of this adjusting place, and sizing process is important to improve quality. The second merit is that this system environment can reconfigure space almost in real-time. The conventional ergonomics/Kansei engineering experiments need a full-scale, extensive mock-up for evaluation, as well as substantial manual labor in the setup. By utilizing virtual object in AR/MR, those operations became mere clicks of buttons. Thirdly, affinity between virtual and real is adjustable in MR. Concretely, VR-like immersive feeling can be amplified by adding a number of virtual object, which means more interference with real scene in MR too. In the initial stage, there were a discussion about whether the inner wall should be virtual or real, without having a conclusion, the examiner visited the site and decided not to use a virtual inner wall based on visual judgement. The point in here is that the user or developer can adapt adequate virtuality and reality on demand.

開発者環境を使用することには3つのメリットがある。第一に、開発者は実際の空間を実際のスケールで見てプログラミングできるため、ソフトウェア開発の試行錯誤が容易にできる。オブジェクトの作成はUnityで行われ、Hololensを使用すると、開発者は結果をすぐに確認できる。現実の視界内で仮想オブジェクトと物理オブジェクトが相互作用するこのような実験では、何度も手動で調整する必要がでてくる。この調整場所の反復、および大きさの調整は、品質を向上させるために重要である。 2つ目のメリットは、このシステム環境でほぼリアルタイムでスペースを再構成できることある。従来の人間工学/感性工学実験では、評価のために本格的で大規模なモックアップが必要であり、そのセットアップにはかなりの手作業が必要であった。 AR / MRで仮想オブジェクトを利用することで、これらの操作はボタンをクリックするだけになった。第三に、実物と仮想物の割合はMRで調整可能であること。具体的には、仮想オブジェクトを多数追加することで、VRのような没入感を増幅できるため、MRの実シーンとの干渉も多くなりがちである。初期の段階では、内壁を仮想にするか現実にするかについての議論があり、結論は出ずに、審査官が現場を訪れ、視覚的な判断に基づいて仮想内壁を使用しないことを決定した。ここでのポイントは、ユーザーまたは開発者がオンデマンドで仮想と現実を選択することができる点である。

Figure 4. Floating control panel with MR mirroring for examiner, hidden from examinee.

図4. 被検者からは見えないようにしたフローティングコントロールパネル。（論文より引用）

7. Experiment

The method of experiment utilizes the ‘Perceptual Matching Method’ for examination, which is typical method in VR thesis (Swan 2006) though there are several projection-ergonomics measurement. That examiners would verbally ask the participant how far away a specified point seems to be in meters in different conditions. Verbal questions are only limited to how far away the second wall looks to you in meters, and scale in comfort-ability. The experiment needs the questionnaire to be repeatedly tested for at least ten times, with different people (more than eight) and different eye positions and different material properties, so you get a database for generating a reliable model. In this experiment, the procedures were conducted 27 times and 8 samples including different gender, and professions. The goal of this experiment and evaluation is to establish difference the coefficient between real sight depth and cognitive depth, in order to make analyzing tool which based on ergonomics but also appropriate indicator for designer/architect. The experiment with HMD was done in an interior space with 8 participants and several examiners. The participant on chair is allowed to move only in X direction. The examiner asked questions, such as “Tell me the distance between the inner wall and current position of you in meters”. The same procedure was repeated three times. To avoid conjecture, the following conditions are set; 1) Chair moves randomly in the switch of distance between the participant (the spectator) and the inner wall, 2) The rate of perforation of the perforated panel is not mentioned to the participant.

7.実験

いくつかのプロジェクションエルゴノミクス測定の方法がありますが、ここではVR論文（Swan 2006）の典型的な方法である「知覚マッチング法」を試験に利用する。その実験試験官は、任意の地点がさまざまな条件でメートル単位で、基準からどれだけ離れているように見えるかを参加者に口頭で質問する。口頭での質問は、2番目の壁がメートル単位でどれだけ遠くに見えるか、および尺度の妥当性にのみ限定されます。実験では、さまざまな人（8人以上）、さまざまな目の位置、さまざまな材料特性を使用して、アンケートを少なくとも10回繰り返しテストする必要があるとされている。これにより、信頼できるモデルを生成するためのデータベースを取得できる。この実験では、手順は27回行われ、さまざまな性別と職業を含む8つのサンプルとしての人が参加した。この実験と評価の目的は、人間工学に基づいた分析ツールを作成のために実際の視界深さと認知深さの差の関数を確立することであるが、これは同時に設計者/建築家にとっても有用な指標である。 HMDの実験は、8人の参加者と数人の試験官がいる室内空間で行われた。椅子に座っている受験者は、X方向にのみ移動できる。審査官は、「内壁と現在の位置との距離をメートル単位で教えてください」などの質問をする。同じ手順を3回繰り返した。受験者の推測を避けるために、以下の条件が設定されている。 1）椅子は参加者（観客）と内壁の間の距離の切り替えでランダムに動かされる。2）穴あきパネルの空隙率は参加者に通達しない。

Figure 6. What HMD shows; left scanning environment, right examinee view during experiment.

図6. ヘッドマウントディスプレイ が示すもの。左がスキャン環境、右が実験中の被検者の視界。
実験中の様子。（論文より引用）

8. Result data

The below figures show the average result of 8 participants in 27 examinations, abnormal values being taken out. The right axis indicates that the actual distance between virtual wall and the participant, the left axis is the percentage of porosity of virtual wall. Those two are apparently variables in this experiment. The vertical axis shows the reported value (m), the distance participant feels there is between him and the inner wall behind the virtual perforated panel.

8.結果データ

下の図は、計27回の実験のうち、8人のそれぞれの参加者の平均結果を示しているが、ただし異常値は除外されている。右軸は「仮想壁と観測者の実距離」を示し、左軸は「仮想壁の空隙率」である。これらの2つは、この実験では変数である。縦軸は「報告された値（m）」を示しており、観測者が知覚した実壁（仮想壁のうら）と自分の間の距離を示す。

Generally, this graph shows same rough tendency such as right upper part goes higher, than left bottom part, but not easy to see accumulate information and consideration in this representation.

このグラフは一般的に左下の部分よりも右上の部分が高くなるなど大まかな傾向は読み取れるが、この表現で正確な情報と考察を行うのは容易ではない。

Figure 8. Average of distance all examinee perceived.

Same as the previous axis definition, the above figure shows the average result of all participants as the green surface, on the other hand the orange surface indicates the real distance between the second wall and the participant. The Graph shows that, 1) the larger distance between the participant and the virtual wall, the larger the perceived space is in general. 2) In the case, the distance between the virtual panel and participant is, with 20% porosity, less than 2 meter, as illusion becomes bigger, while 40% and 60% almost accord.

前述の軸の定義と同様に、上の図はすべての参加者の平均結果を緑色の曲面として、オレンジ色の曲面は2番目の壁（実の壁）と参加者の間の実際の距離を示しています。グラフは、1）参加者と仮想壁の距離が大きいほど、一般に知覚される空間が大きくなる傾向を示す。 2）この場合、仮想パネルと観測者の間の距離が２ｍ以下かつ空隙率が20％では、錯視が大きくなる傾向があるが、40%や６０％ではそれほど変わらない。

SIGHT DEPTH ILLUSION WITH PERFORATED PLANE 　419

穴あき平面による視線奥行き方向の錯視 419

図9. 視線錯視の量（m）。（論文より引用）

Finally, again in same measure rules, the slope shows the difference between the value of real distance and perceived distance. The magnitude of illusion distance is always positive value instead of the case people goes closer to virtual panel, and high porosity. (the value of it nearly equals zero). Besides the case, the lager distance from a object and a person, makes the lager feeling of distance.

最後に同じ測定規則で、グラフの勾配面は物理距離と知覚距離の差を示す。錯覚距離の大きさはほぼ常に正の値でである、但し観測者が仮想パネルにかなり近く、空隙率がとても高い場合（その値はほぼゼロに等しい）を除く。基本的には、壁から観測者の距離が長くなると、錯覚距離感が大きくなる傾向にある。

9. Conclusion and Prospect

The assumption that an inner wall with a perforated panel on top creates an perceptual illusion that exaggerates the in-between depth is valid with limitations. Two of the conditions are examined and revealed here. Firstly, the distance between the spectator and the perforated panel has to be wider than 1 meter. Secondly, the transmittance, which in here is translated into rate of perforation in perforated panel, has to be of a certain percentage. 20% proved to be the most effective in this experiment. While these figures work in this given environmental conditions, but are more related to the perceive-able scale of the perforated panel. However, some issues are yet to be addressed. One is whether the experimented parameter range was appropriate, because the graph of the result seems to be a continuous one. Another point is that if other untested variables would carry a bigger impact to the outcome, such as the distance between inner and outer wall, illumination level between interior space and, interstitial space, as pointed out in heading 5. Thus further experiment would be expected.

9.結論と展望

上部（人間側）に有孔パネルがある内壁が、壁間の深さを誇張する知覚的錯覚を作り出すという仮定は、条件付きで有効である。ここで2つの条件を明らかにする。まずひとつ目に、観測者と有孔パネルの間の距離は1メートルより広くなければならない。第二に、透過率は、ここでは穴あきパネルの穴あけ率に変換され、この実験では20％が最も効果的であることが証明された。これらの数値はこの特定の環境条件で機能することは確認されたが、それは知覚可能な孔のスケールに影響されるようである。ただし、いくつかの問題はまだ対処されていない。 1つめは実験したパラメーター範囲が適切かどうかである、結果のグラフの曲面（関数）が連続しているように見えるのが理由である。もう1つのポイントは、5項で指摘したように、内壁と外壁の間の距離、内部空間と間質空間の間の照度（輝度）レベルなど、他のテストされていない変数が結果に大きな影響を与える場合である。これらには、同様にさらなる実験が期待される。

Figure 10. The implementation in practice, at Tokyo referring this effect and its moc-up. .

This time authors quantitatively assessed how much impression of the distance over the punching panel is amplified with respect to the actual situation while utilizing MR. Based on these studies, one of the authors starts utilizing this effect as a design tool, above figure shows an example application of ceiling finish in a project. With the limited size of sites in urban area, this office space is designed to expand the perceived spatial boundary.

今回、著者はMRを利用しながら、パンチングパネルを用いれば、この効果で距離感が増幅されるかを定量的に評価した。この研究に基づいて、著者のうちのひとりがこの効果を設計ツールとして使用を開始した。上の図は、そのプロジェクトでの天井仕上げに適用された例を示す。このオフィスは都市部に位置し、敷地の大きさが限られているため、知覚される空間が広く見えるように設計されている。

References

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