Automatic Filter Design for Synthesis of Haptic Textures from Recorded Acceleration Data

Sliding a probe over a textured surface generates a rich collection of vibrations that one can easily use to create a mental model of the surface. Haptic virtual environments attempt to mimic these real interactions, but common haptic rendering techniques typically fail to reproduce the sensations that are encountered during texture exploration. Past approaches have focused on building a representation of textures using a priori ideas about surface properties. Instead, this paper describes a process of synthesizing probe-surface interactions from data recorded from real interactions. We explain how to apply the mathematical principles of Linear Predictive Coding (LPC) to develop a discrete transfer function that represents the acceleration response under specific probe-surface interaction conditions. We then use this predictive transfer function to generate unique acceleration signals of arbitrary length. In order to move between transfer functions from different probe-surface interaction conditions, we develop a method for interpolating the variables involved in the texture synthesis process. Finally, we compare the results of this process with real recorded acceleration signals, and we show that the two correlate strongly in the frequency domain

Electrostatic Friction Displays to Enhance Touchscreen Experience

Touchscreens are versatile devices that can display visual content and receive touch input, but they lack the ability to provide programmable tactile feedback. This limitation has been addressed by a few approaches generally called surface haptics technology. This technology modulates the friction between a user’s fingertip and a touchscreen surface to create different tactile sensations when the finger explores the touchscreen. This functionality enables the user to see and feel digital content simultaneously, leading to improved usability and user experiences. One major approach in surface haptics relies on the electrostatic force induced between the finger and an insulating surface on the touchscreen by supplying high AC voltage. The use of AC also induces a vibrational sensation called electrovibration to the user. Electrostatic friction displays require only electrical components and provide uniform friction over the screen. This tactile feedback technology not only allows easy and lightweight integration into touchscreen devices but also provides dynamic, rich, and satisfactory user interfaces. In this chapter, we review the fundamental operation of the electrovibration technology as well as applications have been built upon

触覚フィードバックを用いた体性感覚の操作

人間が自らの肉体に対して持つ興味は大きい．多くの人間は体力的・知能的・美的な面で他の人間よりも優れた肉体を欲すると考えられ，また様々な特殊な体を持つ空想上のキャラクターに憧れ人間とは異なる構造の身体に興味を持つ物も多いであろう．だが身体機能の向上のためには通常長期間の継続した訓練を必要とし，人間とは異なる身体への変身は不可能であるといえる．科学技術の発展に伴い肉体形状および運動機能への物理的な介入方法が広まりつつあるが，未だに身体的リスクと金銭的コストが高く，複雑な装置を必要とするため誰もが気軽に利用できるものではない．このような背景から本研究では，人間の肉体そのものに介入するのではなく，肉体が生成する感覚である体性感覚を肉体外部から操作することで肉体の主観的特性を操作することを目標とする．主に身体表面の感覚を刺激するアクチュエータとして広く使われているボイスコイル型振動子は，様々な触感の呈示を簡便なセットアップで実現できる．したがってこれを身体運動に同期させて駆動する振動フィードバックシステムを開発し，運動に伴って発生する身体内部の感覚を操作することを試みる．体性感覚の操作に関する本研究は2 つの戦略によって構成される．一つは体性感覚の「増強」である．これは自己身体運動を把握する能力を高め，より鮮明に，あるいは詳細に運動状態を知覚させる量的な操作である．一方で，もう一つの戦略は体性感覚の質的な操作である「変調」である．これは身体自体の硬さや重さといった特性を変化させることであり，結果として身体を構成する材質・構造を主観的に変調することになる．これら2 つの戦略に沿った具体的な手法を，体性感覚の増強に関して2 件，変調に関しても2件設計した．体性感覚の増強に関しては，第一にロータリスイッチの回転に伴うカチカチとした触覚・力覚フィードバック「カチカチ感」に着目した．これを肘関節に付与して運動時の体性感覚を鮮明化し，腕立て伏せ姿勢の教示を試みた（第3 章）．第二に，自動車運転におけるアクセルペダルの操作を補助するため，ペダルの角度が一定値変化する度に瞬間的なクリック振動を呈示することで，ペダル角度の把握能力向上および操作性向上を試みた（第4 章）．体性感覚の変調に関しては，第一に様々な材質の衝突振動を再現する減衰正弦波モデルに着目し，これを身体運動に同期させて呈示することで身体材質感の変調を試みた（第5 章）．これによりロボットやゴム人間といった特殊なキャラクターの体性感覚の再現を目指した．第二に，ロボットキャラクターのみに着目し，実際のロボットに生じる振動加速度を記録・モデリング・再生する手法によりロボットの内部構造に起因する体性感覚まで再現することを試みた（第6 章）．またロボット感体験の総合的なリアリティ向上のため高品質な視覚・聴覚刺激を組み合わせたバーチャルリアリティゲームを開発した．また体性感覚の操作をより広範囲で行うため，既存の触覚ディスプレイの問題点を考察し，身体広範囲に均等な触覚刺激を呈示する触覚ディスプレイを開発した（第7 章）．最後に本研究全体のまとめと結論を述べ，今後の展望を示す（第8 章）．電気通信大学201

Modern Applications of Electrostatics and Dielectrics

Electrostatics and dielectric materials have important applications in modern society. As such, they require improved characteristics. More and more equipment needs to operate at high frequency, high voltage, high temperature, and other harsh conditions. This book presents an overview of modern applications of electrostatics and dielectrics as well as research progress in the field

誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発

物体に触れた際の体験を再現する触覚インタラクションの設計・開発はバーチャルリアリティの体験の質を向上する手段として注目されている．一方で，視聴覚と比較して触覚研究の歴史は浅く，質の高い触覚インタラクションの設計・開発は発展途上であるといえる．触覚インタラクションの設計・開発のアプローチに現象を忠実に再現する写実的なアプローチがある．しかし，写実的な触覚インタラクションは現象の再現性は高いものの，現実に起こりうる体験しか表現できない．また，視聴覚と比較して触覚から得られる情報は不明瞭であり，感覚統合において劣位に扱われてしまう．以上から，現象の再現性が必ずしも必要なく，幅広い表現や体験の明瞭さが重要であるエンタテインメント等での触覚インタラクションの応用を考えた際，写実的なアプローチとは別のアプローチが必要であるといえる．これに対し，著者は漫画やアニメーションで用いられる誇張表現の概念を触覚インタラクションの設計・開発に適用することを考えた．漫画やアニメーションでは現実を基に大げさに描くという誇張表現を用いて，視聴者に非現実的ではあるがもっともらしいという印象（本論文では実感性と定義）を与える．本論文は誇張表現の概念を触覚インタラクションの設計・開発に適用することで，再現性は高くないが実感性に優れた触覚インタラクションを設計・開発することを目的とする．これにより，触覚インタラクションの表現の幅の拡張，および分かりやすく実感性のあるも体験の実現を期待する．また，設計・開発した触覚インタラクションを総括することで誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性を向上させるための要件を明らかにする．本論文では，まず誇張表現の論理構造を見いだし，3つの論理モデルを設定する．次に，3つのモデルを基に8つの触覚インタラクションの設計・開発に関する研究について述べる．各研究では，個別の研究背景および目的について述べ，触覚インタラクションを実装し，目的に則した評価によって個々の有効性を検証する．そして，設計・開発した触覚インタラクションおよびモデルを総括し，実感性を向上させるための要件を明らかにする．本論文は全6章から構成され，内容の要旨は以下のとおりである．第1章では，まず触覚インタラクションが注目されるようになった背景について述べ，写実的アプローチの限界について指摘する．次に，漫画やアニメーションに見られる誇張表現について述べ，本論文の目的として「誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発」および「誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性を向上するための要件を明らかにすること」を設定する．そして，誇張表現の論理的な分類を行い，触覚インタラクションの設計・開発の指針とするための3つのモデル（代替モデル，変調モデル，重畳モデル）を見いだす．代替モデルでは，感覚Aを別の感覚Bに置換して提示する．変調モデルでは，感覚Aに操作kを加えて変調し提示する．重畳モデルでは，感覚Aに別の感覚Bを提示して重畳する．第2章では，本論文で扱う触覚について定義する．触覚に関する基礎的な生理学的，心理学的知見に関して述べ，次章以降で述べる触覚インタラクションの設計・開発において必要な知見を共有する．第3章では，代替モデルに基づいた2つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は肘部の屈伸運動に伴ってロータリスイッチを回した時に生じる周期的な触覚フィードバック（カチカチ感）を提示するカチカチ感提示装置の設計・開発である．本装置によって視覚的運動知覚が困難な状況において触覚的運動知覚を拡張することでユーザの身体姿勢の制御の向上を試みる．2つ目は視覚から材質感を提示する手法VisualVibrationの設計・開発である．本手法では，現実では聴覚・触覚で感じられる高周波数振動を視覚で感じられるように変調して疑似触覚提示を行う．本手法のケーススタディとして物体を叩いた時に生じる振動を取り上げ，視覚的な振動提示による材質感提示を試みる．第4章では，変調モデルに基づいた3つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は叩き動作に対して振動提示することでタッチスクリーンが異なる材質になったかのような体験を提供するHaCHIStick&HACHIStackの設計・開発である．本システムは時間応答性に優れており，叩いた瞬間に振動提示が可能である．そのため，ユーザにとっては叩いた対象の材質が変わったように感じられる．2つ目は歯磨き音を変調して提示することで歯磨きの快感および達成感を増強する拡張歯ブラシの設計・開発である．羊皮紙錯覚（手を擦った際に生じる音の高周波成分を強調すると手のひらが乾いた紙のように感じられる）を利用して汚れている，美化されているといった歯の状態を疑似的に再現し，歯磨きの体験を拡張する．3つ目は徳利を傾けた際に内容液の流出によるトクトクという振動（トクトク感）提示の設計・開発である．実際に徳利から液体が流出する際に生じる振動を計測，モデリングし，実際に液体を注ぐことなくトクトク感を再現する．実験的に構築した振動モデルをもとに，粘性感および残量感を再現する．第5章では，重畳モデルに基づいた3つの触覚インタラクションの設計・開発について述べる．1つ目は前章で述べたトクトク感を実際のペットボトルで液体を注ぐ動作に重畳するトクトク感重畳の設計・開発である．トクトク感重畳による注がれる液体の量の錯誤効果を示し，飲食体験の触覚的演出の可能性を示す．2つ目は関節部の屈伸運動に伴って振動を提示することで関節が異なる材質になったかのような体験を提供するJointonationの設計・開発である．本システムによって，サイエンスフィクションに登場するゴム人間やロボットに視聴覚に加え触覚的にも変身したかのような体験を提供する．3つ目はタッチスクリーン上でのユーザの動作に対して引力提示を行う装置VacuumTouchの設計・開発である．本装置は引力提示によってタッチスクリーン上に摩擦感を重畳する．これにより例えばタッチスクリーン上に擬似的な引っかかりをつくりだし，ユーザの操作の補助を行う．第6章では，3つの誇張表現の論理モデルおよび8つの触覚インタラクションに関する研究を総括する．各々の研究を再評価し，課題を整理することで誇張表現に基づいた触覚インタラクションの実感性向上のための要件を明らかにする．そして，本論文の成果を基に誇張表現に基づいた触覚インタラクションの設計・開発に関する研究の今後の展望について論じる．電気通信大学201