はじめに
ＶＲ（Virtual Reality：仮想現実、人工現実感）という言葉を聞くと、頭にヘルメットの様なHMD(Head Mounted Display)をかぶり手にデータグローブなどの特殊なセンサーをつけた様子や、アーケードゲームのゲームマシンなどを連想する人も多いだろう．しかし、最近のＶＲ技術の行方を追っていくと、実用的な運用や応用例、つまりアプリケーションが着実に広まりつつあることがわかる．又昨今のインターネットの普及によって、サイバースペース、３次元仮想空間のネットワーク上での共有（VRML:Virtual Reality Modeling LanguageやWorlds Chatなど）という新しい概念がＶＲ技術に融合されてきている．
プラットフォームとしてのＰＣの高機能／低価格化とユーザＩ／Ｆの向上、汎用的で使いやすい開発ツールキットの登場、そしてユーザニーズの多様化などがアプリケーション普及の鍵となっている．
時間軸の分解能（描画速度）と映像の分解能（スクリーン解像度：見た目の綺麗さ）双方の向上によって、ＰＣを使ったＶＲシステムはより高速でリアリズムのある"本物に近い"環境を提供できるようになった．それに加えてその手軽さや携帯性から、単なるシステムのダウンサイジングに留まらず、新しい分野での試用も始まっている．
ＶＲという手段で初めて解決できる問題、或いはＶＲによるアプローチがより有効である問題、これらの問題にＰＣベースのＶＲシステムで取り組み効果を上げているケースを幾つか紹介し、これらの手段が今後製造分野における訓練、教育、シミュレーションを如何に変えていくかを考えていただければと思う．
１－１．概要
米国モトローラ社ではＶＲ技術を応用した Virtual Pager(*ﾎﾟｹｯﾄﾍﾞﾙ) Robotic Assembly Line のトレーニングシステムをＰＣベースで構築した．このシステムは従来のトレーニング方法と共に訓練センターの教育コースに組み込まれ、現場に出る前に利用される．このＶＲ訓練の結果として特にＨＭＤを併用したときに平均エラー件数が減るという報告も出ている．
１－２．背景
モトローラ社では、社員の教育機関としてモトローラ大学（Motorola University）という技術教育センターを持っており、ワープロから製造エンジニアリングまで多岐に渡る内容の訓練が行われている．モトローラでは新規採用者数千人に対し、社内教育や新しい機器の使い方の訓練を施す必要がある．世界中の工場に何千人もの作業員がいるということは、つまりそれだけ教育にも費用がかかることを意味する．これを迅速に効果的に行うことが常に求められている．
又、顧客の要求によって特殊な製品を１種類だけでも組み立てられるような柔軟性のある製造プロセスを導入するために、高度なロボットの製造ラインを開発し、その操作のために作業員も定期的なトレーニングが必要となっている．
写真１－１．ﾓﾄﾛｰﾗの Virtual Assembly Line
このようなハイテク製造ラインの１つに Pager Robotic Assembly Facility （フロリダ州）がある．実際、この製造ラインをシャットダウンすることなく作業者の訓練ができるように、これと全く同じレプリカがイリノイ州に作られている．このラボには５台のワークステーションが置かれており、その内３台は製造ロボット用に、１台は品質管理用に、そしてもう１台をロゴやマークをケースに印刷するレーザマーキング用に稼動している．
１－３．ＶＲの応用
ＶＲ訓練の対象となったクラスは、３日間でクラスでの教育、ラボでの実践、評価を行い、通常１５ー２５人の受講者から構成される．この人数はクラスルームでは最適であるが、ラボに移ってハンドオンの実践になると必ず問題が起こる．
例えばある訓練者がためらっている間に他の人間が積極的に参加すると実践時間がばらばらとなり、その結果、マシンに接する時間の少なかった人間の効率は平均以下となってしまう．開発者はこの点に着目し、ＶＲシステムを個人ベースの"Virtual
Lab"とすれば、訓練者一人一人に全ての機器を利用する機会を平等に与えられるかもしれないと考えた．
又、"Virtual Lab"であればシステムをどこにでも簡単に移動できる．そうすればわざわざ世界中から訓練対象者を一カ所に集めるといった手間やコストを省くこともできる．勿論、"Virtual Lab"ならば簡単にプログラムやシーケンスを変更できるので、新しい設備にも即座に対応できるはずである．
１－４．システムの構築
モトローラ大学のInstructional Design ManagerであるArt Patonは、1994年7月にこのポケベルの製造ラインをＶＲ訓練のテストケースとして仮想モデル化することに決めた．問題は、これまでのトレーニングテクニックと比較してＶＲがどこまで効果的かということだ．
ＶＲ開発キットとして英国Superscape社のVRT(Virtual Reality Toolkit)が使用された．理由は標準のＰＣ上で動作し、オブジェクトの物理特性や自律性の制御から、サイズ、色、サウンド、アニメーション、光源までをサポートした、オブジェクト指向の概念で作られたパッケージソフトのためである．
彼らは工場内の写真を数百枚撮影し、モデリング参照用と、マッピング用のテクスチャとして利用した．３種類のロボットステーション；製造マシン、品質管理ステーション、そしてレーザ・マーキング・システムがＶＲ内で構築された．モデリングには精度と正確さが要求されたので、実際のラボにあるロボットや関連機器を計測し、実データに基づいて作成された．精密なモデリングのために約５週間費やされ、システムの操作やプログラムの開発にさらに７週間がかかった．しかしそれでもＶＲシステムは今までのレプリカラインの構築に比べると約９９％のコスト削減となった．
訓練中のフィードバックは音によって表現した．リアルなサウンドを得るために本物の機器やマシンの出す音を録音し、それをWaveﾌｧｲﾙに変換してＰＣのディスク上に保存し、仮想世界の対応する機器に割り付けていった．音によるフィードバックは非常に重要で、例えば人はベルトコンベヤーが始動したかどうかを耳で聞いて認識する．
このトレーニングからＰＣの速度は現状でも充分である事がわかった．モデリングやプログラミングは486/66Mhz PCで行われ、トレーニングにはPentium/66Mhz PCが利用されたが、Pentiumで大体10FPS(Flames Per Second)の描画スピードであった．又、比較テストでは、低コストのＨＭＤが用いられた．
ＶＲトレーニングを簡潔化するために、"Virtual Lab"は次の３段階を踏まえた小型な計測ユニットとしてモデル化された．
①セットアップと開始手順：
操作が割と複雑でありかつ重要な場面．ボタンを押す、スイッチを回す、キーボードから決められたコマンドを入力する、コンピュータメニュからオプションを選択するなどの操作が含まれており、これによってそのラインの製品が決定される．
②起動：
起動中は何か不具合が起こらない限り、特に作業は必要としない．
③シャットダウン：
何か問題が生じた場合は、迅速にそして安全にラインをシャットダウンしなければならない．
１－５．テストの実行と結果
３つに分けられた各グループは同じマスターインストラクタが指揮を行った．クラスでの授業の内容はみな同じである．
①コントロールグループ：実際のラボで１時間の訓練を受けた．手順のチェックリストを読んで、本物の機器を使って各操作を学んだ．インストラクタは常に側にいて質疑応答に応じられる．
②デスクトップＶＲグループ：モニタとマウスを使ってVirtual Labを操作した．
③ＨＭＤグループ：ＨＭＤを装着しマウスを使って②と同じVirtual Labを体験した．
②と③のＶＲグループもチェックリストとインストラクタ付きで約１時間の訓練をＶＲで受けた．
その後実際のラボにて、今度はチェックリストなしで修得した手順を１から実行した．
結果としてグループ③は基本的にノーエラーに近いスコアであった（平均エラー１回）．又次のような相違点も観察された．
又今後の課題としては、
ただし現在は立体音場までは試されていない．
１－６．今後
モトローラではＶＲによる訓練テストを今後も継続していくが、これによって初期テストの結果がさらに裏付けされれば、Virtual Labはモジュラー化されカスタマイズされてモトローラ社の他の工程でも利用されていくだろう．さらにＶＲシステムを社員教育用のテクニカルスクールに供給し、新しい職場と仕事に素早く適応できるような環境作りが進められるかもしれない．
２－１．ニーズ
他国の防衛組織と同様に、英国陸軍でも多種多様なトレーニング関連アプリケーションや訓練にＶＲ技術を利用している．その中に爆発物処理班のための"wheelbarrow”と呼ばれるロボットのオペレーション訓練システムがある．wheelbarrowは、危険物や危険車両の処分のために利用される、操作性の高い多目的な車両である．これは関節アーム、カメラ、各種センサーや爆発物処理用の器具やツールから構成される．
制御はリモートのコントロールユニット（写真2-1）と、オンボード・カメラから送られるイメージを表示するビデオモニターを使って行なわれる．この種の高価で複雑な機器でいつも問題となるのがトレーニングの事である．実機は一度に１人の訓練生しか使えないし、慣れるには時間をかけてトライアンドエラー的な試行錯誤を繰り返さねばならない．にもかかわらず、万が一車両や周りの建物や設備に危害を与えると、莫大な費用がかかってしまう．この問題を解決するために、低価格のＰＣベースのＶＲシステムを使うという提案が Cray Systems社から出された．Cray System社は防衛関連を基本とした取引高８千ポンドのシステム、ソフトウェアの開発会社である．
写真２－１：wheelbarrow コントロールユニット
２－２．ソフトウェアの選択
Cray Systems社のSpace and Defence Division Mark Swabey氏によると、”以前はシミュレーションシステムに関して一番の障害がコストの問題であった．クライアントは特殊なイメージジェネレータとそれ相当のエミュレーションソフトウェアを購入する資金力がなければならなかった．”
そこで彼らはＰＣベースのＶＲソフトウェア開発環境を探したが、”ただのＣファンクション・ライブラリであるような開発ソフト”は対象から外した．それは”小規模のデモンストレーションには適するが、本質的な環境を構築するには時間と手間ばかりかかってしまう”からである．こうして選ばれたのがVRTだった．第一の理由が、開発環境とモデリング環境と実行環境の間を、即座に切り替えられる事にある．もう１つの理由は、”外部コードに対して双方向のアクセスが可能”で、それによって”外部のシミュレーションにアクセスすると同時に、ハンドコントローラ・インターフェイスの開発も可能となった”のだった．
そしてシミュレーションに必要な仮想環境が製作された．具体的に車両の運行する街並のシーン、道路脇にある備品、爆発性のある物、普通の家並、狭い道路や急坂、鉄道線路などの障害物のあるコースをモデル化した．障害物のコース訓練は時間の制限をもうけ、さらに物にぶつかるとペナルティを課した．車両の動きにリアリティをもたせるために様々な要素が付加された．それは特に車両についているアームの関節運動が正しく動作するかどうか、例えばアームを上に持ち上げて障害物を越えるときに適切にチルトするか、ピッチやロウの角度は正しいかなどである．
（写真2-2）
写真２－２．：ＶＲによるwheelbarrow訓練システム
軍は初期のデモンストレーションに対して積極的な反応を示し、さらに発展したプロトタイプが作られた．そして約１年後にCrayは軍と正式な契約を結ぶ．最初のシステムは、Pentium機を４台ネットワーク接続し、４人の訓練生が独立して装置を操作したりチームとして共同作業を行えるような構成となった．さらに１ー２台のマシンをインストラクターが交互に操り、訓練生の様子を自由な視点から観察することができるようにした．
複雑なシミュレーション・ソフトウェアがソフトウェア開発キットを使ってＣ言語で開発された．
開発キットを使ったシミュレーションには、以下の項目が含まれる．
２－３．ﾊﾝﾄﾞｺﾝﾄﾛｰﾗ･ｲﾝﾀｰﾌｪｲｽ
wheelbarrowのハンドコントローラ（写真2-3）はＰＣ内のマルチ・チャネルＩ／Ｏカードに、インターフェイス・ユニットを経由して接続されている．このユニットがハンドコントローラに電源を供給し、オペレータの操作に基づいてアナログとデジタルの出力を生成する．ルーチンはこのＩ／Ｏカードからのデータを読みとり、適切な値を仮想世界のモデルに受け渡す役割をし、その結果、（仮想の）wheelbarrowの動きとオペレーションが変更される．
写真２－３．ハンドコントローラ
将来的には、車両に搭載されたカメラの映像をオペレータのＨＭＤに送り、又オペレータの頭の動きでカメラを動かすというテレ・イグジスタンス的な教育アプローチも考えられている．
コントロール・トレーナーはこのwheelbarrow教育プログラムによって多くの利益を得ることができた．さらに新しい訓練者が、車両を安全に運行できるようになったという評価が得られている．その後このシステムは外部にも販売されることになり、同じ問題を抱えた他の組織に対してもデモンストレーションは行われている．
軍事関係の組織の中には、今だに自分たちのシミュレーションシステムにＶＲというレッテルを張られるのを嫌がる者もあるが、ＶＲという技術を商品化することによって得られる利益は、現実として認識されはじめている．VRTを始めとするＶＲソフトウェア開発パッケージは、従来防衛関係で利用されていたシミュレーション・ソフトウェアとは桁違いの低コストで、モデリングやシミュレーションの環境を提供している．さらにＶＲの大衆化や普及によって、その商業的な意味は高められ、マーケット規模は拡大化していくだろう．
Northern Telecom(Nortel)社は大規模な企業ﾈｯﾄﾜｰｸ、ﾜｲﾔｰﾚｽ･ﾈｯﾄﾜｰｸ、ｷｬﾘｱ･ﾈｯﾄﾜｰｸという３つのセグメントを中心に活躍する世界的な通信システム開発会社である．1995年7月、Nortel社の教育グループはPC VRを使って新しいＣＢＴ(Computer Based Training)プログラムを開始することを約１００万ドルのライセンス契約で明らかにした．これによって、Nortel社の技術エンジニアのメンテナンスやサービス教育を行い、さらに顧客へのプレゼンテーションへも利用する予定である．
最初にこの教育プログラムの対象となったのが、Meridian-1と呼ばれる通信機器である．このＶＲシステムでは仮想環境の中でこの機器のアセンブリからメンテナンス、サポートまでに必要な情報を実際に経験しながら学ぶことができる．
システムには３次元モデルの他にオーディオ、デジタル写真、ビデオなどの情報も取り入れられ、従来印刷して配布していた多量のマニュアルの内容をＶＲソフトに置き換える．ユーザはトレーニング中に問題に遭遇したら、*仮想世界の中にある*マニュアルを読むこともできる．
Nortel社はエンジニアやユーザの教育のために今まで世界各地に配布していたマニュアルを、このＶＲソフトをコピーしたCD-ROMやネットワークによる配布に置き換えることを計画している．それによるメリットはコスト削減だけでなく、ソフトのバージョンアップも容易となり、何よりもユーザが“楽しみながら”自主学習のできる効果的なツールを提供することになるだろう．
４－１．ニーズ
あまり一般的には知られていないが、今日の炭坑内での死傷事故の大半は、補強材やフレームの破損によるものではなく、ＦＳＶと呼ばれる車両が原因となっている。ＦＳＶは*Free Steer Vehicles*の略で炭坑の地下で使われる資材の運搬用特殊車両である。 ＦＳＶは約４ｍ位の長さで３トン程の資材を運ぶ事ができ、平均約１０台が稼動している。
ＦＳＶのドライバにとって一番の問題とは、暗く狭い空間の中で煩雑な大型の車両を扱うことよりもむしろ、その視界が非常に限られている事である。炭坑作業者が車両の動く先にいても、ドライバには簡単に避ける事はできない。
４－２．リスクの可視化
この様な状況での危険を減らすために、Nottinghan Universityの工学部のAIMS(Artificial Intelligence in the Minerals Sector)ではSuperscape ＶＲＴソフトを使って仮想的に炭坑内の状態を再現し、炭坑作業者にＦＳＶの危険度やその対処方法を示すことにした（写真4-1）。PCベースの仮想炭坑トレーナシステムでは、何種類もの地下炭坑モデルを作成し、体験者は仮想のＦＳＶの運転手の立場として、又は坑内を歩く坑員の立場として参加できる。最大の問題はドライバの視界が狭いことであるため、作業員が仮想のＦＳＶを操ればドライバの立場が体験でき、この危険性を認識する事ができるだろうと考えた。こうしてユーザに故意的に危険な状態を経験させそのリスクを評価できるようにシステムのシナリオは作成された。具体的な内容は、
●車道エディタ：
これによって仮想世界の開発者は仮想炭坑に車道を簡単に作る事ができる。車道の先端、接合点、傾斜等を入れて柔軟性のある開発が可能となった。
●ＦＳＶの人間工学モデル：
さらに人間工学を考慮した車両の設計という観点からも、ドライバの視野の確保方法が研究されており、その１つにＦＳＶの先端にビデオカメラを取付けてその映像を運転席のモニタで見るという案がある。仮想のＦＳＶではコントロールパネルを作り、様々な明るさの状態でＦＳＶの積載量を変えた時にカメラ位置を変えるとどなるかをシミュレーションした。
●ＦＳＶリスクモデル：
物理属性を持つリスクボックスを作ってＦＳＶ周辺の危険度を評価できるようなモデルを作成した。従来はある作業を以前に定義したエリア内で実行した際の危険度を評価することで、リスク分析を行っている。しかしそのためには環境を３次元でビジュアライズしなければならない。これを頭の中で行うのは容易な事ではなく、リスク理論的に評価することが困難になってくる。そうしてヒューマンエラーは増加するのだ。
ＶＲでシナリオを表現することで、ビジュアライズ作業は研究者からコンピュータに移行した。それによって研究者は目的の状況を得られ誤認識も減った。その上、コンピュータは適切なアルゴリズムを使って、リスクの起こり得る場所を自動的にユーザに示す事ができる。
リスクエリアは仮想世界の中では’危険領域’としてカラー・ボックスで定義された。車両はハイ・リスクとミディアム・リスクという２つの危険領域で囲まれ、危険度をモニタするためにリスク・マーカ（色付きのボックス）がリスクのレベルを緑（低）、黄色（中）から赤（高）へと変化させた。リスク・マーカは仮想世界のどんな物や人にも付けられる。これによってＶＲ世界の中のある特定の人間のリスクを効率よく調査することが可能となった。
危険領域は時間の経過や仮想世界の状況によって動的に変化する。ＦＳＶの場合、動き出すと危険領域は前方に拡大する。
周辺の危険領域はＦＳＶが静止している時と動いている時とでは異なるため、コンピュータでフレーム毎にその領域を再計算するようにプログラミングした。
ＶＲソフトによって初めて、今まで把握しずらかった環境が３次元で可視化され、機器や人間の細かな動きや、それらの相対的な振る舞いが明確となった。特定の操作のリスクも異なる視点から何度も調査され、ユーザがインタラクティブに機器や人間を制御することも可能であった。
４－３．人間モデルと空間内での認識
ＶＲモデルには仮想の作業員と相互認識という概念も必要だった。仮想作業員は実際と同じようにそれぞれ認識可能な動的な範囲を持つ。例えばヘッドフォンを付けて手元に集中した作業をしている時は非常に狭い範囲しか認識できない。一方車道を歩いている時その範囲は目で見える空間に広がり、さらに聴覚は後方のエリアもカバーする。こういったデータを仮想作業員の周りにボックスを表示して示した。この範囲を利用してコンピュータは各作業員の認識レベルに応じた判断を計算できる。
写真４－１．仮想炭坑モデル
４－４．効果
ＶＲ技術によって作業効率を上げて安全性を考慮した地下作業を計画し、作業員にリスクの状況と理由を分かり易く理解させることが可能となった。研究の担当であるDr. Schofieldは、ＰＣのパワーや機能は今後もアップするだろうが、こういった危険作業のリスクを軽減させる目的としては現在のＶＲシステムで十分であると述べている。
出典：
参考文献：