内容梗概
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操作中の視覚・力覚情報再現を目的とした仮想布のモデルパラメータ獲得


バーチャルリアリティー(Virtual Reality;VR)システムを用いた仮想物体の操作では、現実物体の操作において人間が得られる感覚情報を、計算機が作りだした仮想世界で再現することが重要な問題となる。従来、VRシステムにおける物体操作の対象は主として剛体であったが、布をはじめとした柔軟物体操作の実現も重要な課題である。そこで本研究では、仮想世界で布の操作を実現するために、実世界において布を操作したときに得られる視覚・力覚情報を仮想世界において再現することを目指す。

布操作にともなう視覚情報の再現に関する研究として、コンピュータグラフィックスの分野では、布の形状をシミュレーションするためのモデル化について従来から議論がされてきた。このようなモデル化では、布を多数のパラメータを持つモデルで表現している。このようなモデルの代表例としては、バネと質点の結合で布を表現するバネモデルがある。バネモデルで実現される変形の様子が現実物体のそれを再現できているかどうかは、そのモデルパラメータが最適な値に設定されているかどうかに大きく依存する。これに対し、従来は、モデルの設計者がモデルと現実物体の形状変化の一致の度合いを主観で評価し、パラメータの値を手動で決定するといった方法がとられていた。また、現実の布の伸びや曲げ、せん断といった物理特性を測定し、得られたデータをモデルパラメータに反映させることによって、リアルな布の形状を再現する方法も試みられているが、このためには布の特性を計測するための特殊な装置が必要となる。

本研究では布操作時の静止状態を対象として、布形状シミュレーションによる視覚情報と、操作点における布からの復元力による力覚情報が、実際の操作から得られる視覚・力覚情報の観測データを再現できるようなモデルパラメータを自動的に獲得することを目指す。このような処理を実際に利用する状況を考えた場合、モデル化したい布の操作を観測することによって逐次的に観測データを獲得しながら、それまで得られた観測データを再現できるように、モデルパラメータをより適切な値に修正するという処理を繰り返し、任意の操作に対する観測データを再現できるようになった時点でモデルパラメータの修正を終えるのが現実的である。そこで、本稿ではこのように逐次的に得られる観測データを用いて、それまでのパラメータの値では再現が困難である新しい観測データが獲得されるたびに、より最適なパラメータの値に自動的に修正し、最終的に獲得された観測データの全てを再現できるようなモデルパラメータを求めるという、追加学習にもとづく処理を実現する。

このための具体的手法は次のとおりである。まず布を正方格子状のバネモデルで表現する。一方、モデル化したい物体の操作時の形状と操作点にかかる力を観測し、得られたデータと、上のモデルを用いたシミュレーションによって得られる形状及び力との誤差を表す評価関数を最小化するようなモデルパラメータを獲得する。従来、1次元バネモデルでヒモの形状を再現するために、このような評価関数を最急降下法で最小化する手法が提案されていたが、これは本研究で目指すような逐次的なデータ追加による評価関数の変化には柔軟に対応ができない。そこで本稿では、最小化の手法として実数値GA(Genetic Algorithm;GA)を用いる。

実数値GAは確率的多点探索であり、最終的に得られる解が初期値の影響を受けにくく、評価関数が時間的に変化する場合であっても、以前の探索によって得られた探索点の情報を利用しつつ探索を進めることが可能である。この際の探索点のコード化の方法として、従来は2進数表現が用いられていたため、実数値を解とする探索問題への適用には問題があったが、近年実数値表現をそのまま用いることのできる実数値GAが提案されている。本研究ではこれを用いて、観測データの追加と共に変化する評価関数を最小化することによって、獲得された全ての観測データを再現できる布のモデルパラメータを獲得する処理を実現する。

以上の手法の有効性を示すために、シミュレーションデータを用いた形状、力の再現と、実際の布操作を観測することにより得られたデータにもとづく形状の再現という2種類の実験を行い、いずれの場合も与えられた観測データを表現できるモデルパラメータ値が獲得できることを確認した。また、このときGAによるパラメータの探索において、逐次的な観測データの追加に伴って評価関数が変わった場合、以前までの値では評価値が悪くなることがあっても、その後の探索過程でふたたび評価値が良いパラメータが探索されるという処理が実現できていることを確認した。


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