本記事は、私が VR 技術者認定試験 に向けて バーチャルリアリティ学 を学習するために作成したメモです。
解説を目的とはしておりませんので、書籍を読んでいないとよくわからない点も多々あるかと思います。なにとぞご了承ください。
バーチャルリアリティ学 学習メモシリーズ
- バーチャルリアリティ学 第 1 章 学習メモ
- バーチャルリアリティ学 第 2 章 学習メモ ← 本記事
- バーチャルリアリティ学 第 3 章 学習メモ
- バーチャルリアリティ学 第 4 章 学習メモ
2.1 脳神経系と感覚・運動
脳の解剖学的構造を把握することは、VR の構築に重要。
2.1.1 脳神経系の解剖学的構造と神経生理学の基礎
脳
脳の構造は大まかに以下のようになっている。
大脳半球
大脳半球の構造は、おおまかに以下のようになっている。
大脳皮質
大脳皮質の構造は、おおまかに以下のようになっている。
前頭葉
前頭葉の構造は、おおまかに以下のようになっている。
一次運動野は運動指令を出力する。
左右が交差しているので、注意が必要。
頭頂葉
頭頂葉の構造は、おおまかに以下のようになっている。
後頭葉
後頭葉の構造は、おおまかに以下のようになっている。
側頭葉
側頭葉の構造は、おおまかに以下のようになっている。
2.1.2 知覚・認知心理学の基礎
輻輳 （ふくそう）
輻輳 とは、両眼で対象物を凝視すつときの、より目状態のこと。
両眼の視線のなす角度を 輻輳角 という。
輻輳角が大きいほど、対象物との距離は近くなる。
2.1.3 感覚と運動
誘導運動
誘導運動 とは、対象には物理的運動がないのにもかかわらず運動が知覚されること。
- 例: 流れる雲の間から見える月は、本当は止まっているのに、動いているように見える。
ベクション
ベクション とは、視覚によって、自分は静止しているにもかかわらず、移動しているかのように感じる錯覚。
- 例: 電車内から、隣の電車が動き出しているのを見ると、自分の方が動き出したように感じる。
2.2 視覚
2.2.1 視覚の受容器と神経系
視細胞
視細胞には、以下のような分類がある。
読み方
- 桿体 : かんたい
視覚情報の流れ
視覚情報の流れは以下の図のようになっている。
読み方
- 網膜 : もうまく
- 外側膝状体 : がいそくしつじょうたい
- LGN : Lateral Geniculate Necleus
- 一次視覚野 : ひしつのいちじしかくや
- 頭頂連合野 : とうちょうれんごうや
- 側頭連合野 : そくとうれんごうや
- 上丘 : じょうきゅう
- superior colliculus
※引用: もう一つの視覚経路
2.2.2 視覚の基本特性
順応と残効
刺激が除去された後でも、効果が残ることを 残効 という。
- 例: 滝をしばらく見た後に、隣の岩肌を見ると、岩が上がっているように感じる。
- 例: 下方向運動に
順応した影響。
恒常性
感覚器官に与えられた情報が変化しても、知覚が変化しないことを 恒常性 という。
- 例: 自分から 1m 離れている人は、3m 離れている人より、網膜像が 3 倍も大きい。
- 例: しかし、それほど大きな違いは感じない。
※引用: 距離が変わっても物体の大きさが一定に見える謎 「大きさ恒常性」の神経メカニズムを解明
2.2.3 空間の知覚
空間の知覚 には、 眼球運動性 両眼性 単眼性 のものがある。
眼球運動性
眼球運動性の知覚 には、 調節 輻輳 がある。
両眼性
両眼性の知覚 には、 運動視差 がある。
頭部運動の際に、
- 注視点より手前は、頭部と逆方向に動き、
- 注視点より奥は、頭部と同方向に動く
ため、網膜上で運動像差が生じる。これを 運動視差 と呼ぶ。
単眼性（絵画的奥行き手がかり）
単眼性の知覚 には、 遮蔽 遠近法 テクスチャ勾配 速度勾配 キャストシャドー 陰影 がある。
単純な手がかりだが、強い効果を発揮する。
2.2.4 自己運動の知覚
オプティックフロー
オプティックフロー とは、網膜に投影された運動のこと。
2.2.5 高次視覚
高次視覚 とは、知識と注意を必要とする認識のこと。
顔倒立効果 （サッチャー錯視）
顔倒立効果 とは、歪んでいる顔でも顔の上下を逆さまにすると歪みに気が付きにくい現象のこと。
※引用: Wikipedia / サッチャー錯視
2.3 聴覚
2.3.1 聴覚系の構造
聴覚系の構造は、おおまかに以下のようになっている。
読み方
- 外耳 : がいじ
- 中耳 : ちゅうじ
- 内耳 : ないじ
- 耳小骨 : じしょうこつ
- 蝸牛 : かぎゅう
前庭と半規管は、加速度センサーであり、聴覚とは無関係。
※引用: 耳の構造と聴覚・平衡覚が生じる仕組みを図とイラストで解説
蝸牛
蝸牛 は細長い管が、カタツムリの殻のように巻かれた構造になっている。
管の中には、 基底膜 があり、管を上下の階に分けている。
※引用: 耳の構造と聴覚・平衡覚が生じる仕組みを図とイラストで解説
2.3.2 聴覚の問題と音脈分凝（音源分離）
音脈分凝 （おんみゃくぶんぎょう）とは、音の聞き分けのこと。
- 例: 高い周波数と低い周波数が交互に変化する場合、2 つの音源が存在するように感じる。
2.3.3 聴覚による高さ、大きさ、音色、時間の知覚
pitch
音の高さ pitch には、 height と chroma の 2 種類がある。
可聴域は 20 ～ 20,000Hz
音色
音色は 同じ大きさと高さを持った2音が異なる音と判断されたときの、その相違に対応する聴覚の属性 と定義される。
いわゆる楽器の違いがイメージしやすい。
両耳時間差
両耳時間差 の検出は、時間解像度が非常に高い。
6μs を検出した報告がある。
2.3.4 聴覚による空間知覚
音源定位
音源定位 とは、聴覚をもとに音源の位置を特定すること。
両耳間差
両耳間差 は、左耳と右耳の聴覚の差のこと。
両耳間レベル差 と 両耳間時間差 の 2 種類がある。
これらを制御する技術が ステレオ 。
両耳間レベル差
両耳間レベル差 は、音量の差のこと。
音源に近い方の耳に届いた音の音量よりも、音源に遠い方の耳に届く音の音量は小さくなる傾向がある。
これは両耳の間にある頭部が、音を遮っているため。
この性質から音源の方向を判断する。
両耳間時間差
両耳間時間差 は、音波の到達時間の差のこと。
まず、音源から近い方の耳に音が届き、音源から遠い方の耳にはその次に音が届く。
この性質から音源の方向を判断する。
頭部伝達関数
頭部伝達関数 とは、耳介・頭部によって生じる音の変化を記述した関数のこと。
耳介・頭を フィルター とみなしている。
2.4 体性感覚・内臓感覚
2.4.1 体性感覚・内臓感覚の分類と神経機構
体性感覚には、部位による分類がある。
受容期の分類
| 受容器 | |
|---|---|
| 機械受容器 | 触・圧・伸縮・緊張等に応答 |
| 温度受容器 | 温度に応答 |
| 化学受容器 | pH 等の化学的刺激に応答 |
| 侵害受容器 | 強い刺激に応答 |
2.4.2 皮膚感覚
皮膚感覚 とは、表在性の体性感覚のこと。
触覚
無毛部皮膚の機械受容単位は、受容野と神経発射特性から 4 つに分類できる。
| 小受容野(鮮明な境界) | 大受容野(不鮮明な境界) | |
|---|---|---|
| 速順応 | FAI : マイスナー小体 | FAII : パチニ小体 |
| 遅順応 | SAI : メルケル(Markel)触盤 | SAII : ルフィニ(Ruffini)終末 |
有毛部皮膚には、 マイスナー小体 がないが、代わりに 毛包受容器 がある。
機械受容器の神経線維は Aβ線維 。
振動検出閾曲線
皮膚に 正弦波振動刺激 を提示して振動検出閾曲線を測定する。
振動検出閾曲線 は、全体として U字・V字の形をしている。
250Hz 付近に最低閾値 0.1μm を持つ。
40Hz 付近で機械受容単位が交代する。
- 40Hz 以下は
FAI - 40Hz 以上は
FAII
温度感覚
| 温度 | 受容器 | 神経線維 | |
|---|---|---|---|
| 熱痛覚 | 45℃ 以上 | ||
| 温覚 | 40~45℃ | 自由神経終末 | 無髄線維(C 線維) |
| 冷覚 | 30℃ 付近 | 自由神経終末 | 細い有髄線維（Aδ 線維） or 無髄線維(C 線維) |
| 冷痛覚 | 15℃ 以下 |
無関帯
31~36℃ の刺激を受け続けると、温覚も冷覚も生じなくなる。
これを 無関帯 という。
痛覚
痛覚は、 体性痛覚 と内蔵性痛覚 に分けられる。
有髄線維と無髄線維
| 神経線維 | 髄鞘 | 伝導速度[m/s] | 備考 |
|---|---|---|---|
| Aβ 線維 | 有髄線維 | 36~72 | 触覚。跳躍伝導 |
| Aδ 線維 | 有髄線維 | 12~30 | 痛覚。跳躍伝導 |
| C 線維 | 無髄線維 | 0.5~2.0 |
有髄線維は跳躍伝導という仕組みがあるため、伝導速度が速い！
※引用: 日本脳科学関連学会連合 / 第 20 回目 跳躍伝導
細い有髄線維とは？
有髄線維には太さによって分類が異なる。太い順に、以下の 4 種類ある。
Aα 線維 > Aβ 線維 > Aγ 線維 > Aδ 線維
痛覚は一番細い Aδ線維 。
触覚は Aβ線維 。
2.4.3 深部感覚
深部感覚の受容器は、 固有受容器 と呼ばれる。（深部受容器とは呼ばないようなので注意が必要。）
深部感覚は 固有感覚 とも呼ばれる。
固有受容器は 筋肉 腱 関節 等にある。
筋紡錘 （きんぼうすい）
筋紡錘は 錐内筋線維 感覚神経 運動神経 で構成される。
筋紡錘の両端は 錐外筋線維 に付着している。
錐内筋線維の長さを調整することで、錐外筋線維の伸縮情報を受容する。
2.4.4 内臓感覚
内蔵の情報は 内蔵求心性線維 によって中枢へ伝えられる。
通常、内蔵求心性線維の情報は意識されない。
- 例: 血圧調整は意識されない。
しかし、飢え・渇き・尿意・便意等の臓器感覚は意識される。
2.5 前庭感覚
2.5.1 前庭感覚の受容器と神経系
半規管
半規管は以下の 3 つあり、互いにほぼ直交している。
- 前半規管
- 後半規管
- 水平半規管（外側半規管）
※引用: 平衡感覚と頸椎性めまい
有毛細胞には、 数十本の不動毛 と 一本の動毛 が規則的に配列されている。
2.5.2 平衡機能の基本特性
前庭動眼反射
前庭動眼反射 は、視線を空間内で一定に保ち、網膜像のぶれを最小におさえるように働く。
頭部が回転したときに、眼球を逆方向に回転させる。
眼振
頭部を回転させ続けると、眼球には 眼振 が発生する。
頭部回転と逆方向にゆっくり回転してから、同方向に素早く回転することを繰り返す。
前庭動眼反射の利得
利得 とは、入力と出力の比率のこと。
前庭動眼反射の利得は、頭部回転の角速度に対する、眼球回転の角速度の比率のこと。
| 頭部回転方向 | 回転軸 | 利得 |
|---|---|---|
| 水平運動 | 上下方向 | ほぼ 1 |
| 垂直運動 | 左右方向 | ほぼ 1 |
| 回旋 | 前後方向 | 1 より小さい |
代償性眼球運動
代償性眼球運動 は、直線加速度が加わったときに起こる反射。
頭部の直線運動とは、逆方向に眼球が回転する。
利得は、注視点が近いほど大きくなる。
眼球反対回旋
眼球反対回旋 は、頭が傾いたときに、眼球が反対方向に回旋すること。
利得は小さい。
前庭脊髄反射
前庭脊髄反射 は、外乱に対して身体平衡を保つように働く。
頭の位置をもとに戻すように、四肢を伸展・屈曲させる。
前提頸反射
頭が動いたときに、ブレーキをかけるように 前提頸反射 が 頸筋 に働く。
（四肢ではないので注意が必要。）
静的姿勢反射
耳石器 は、緩やかな運動時に 静的姿勢反射 を起こす。
動的姿勢反射
半規管 は、回転運動時に 動的姿勢反射 を起こす。
2.5.3 身体運動と傾斜の知覚特性
| 回転 | 回転軸 |
|---|---|
| ロール | 前後方向 |
| ピッチ | 左右方向 |
| ヨー | 上下方向 |
ヨー回転の閾値
水平回転を知覚する閾値は、だいたい以下の値。
0.1～0.3 [deg/s^2]
等角速度で加速すると、 20~40秒 までは角加速度を感じるが、その後は減速していると感じるようになる。
ロール回転の閾値
静的なロール傾斜を知覚する閾値は、だいたい 1.5～2.2 deg 。
- ロール角が小さい時は、実際の傾斜角より大きく感じる。（Müller 効果）
- ロール角が大きい時は、実際の傾斜角より小さく感じる。（Aubert 効果）
持続的な直線加速度の閾値
持続的な直線加速度の知覚の閾値は、
- x 軸方向 :
6 cm/s^2程度 - z 軸方向 :
10 cm/s^2程度
2.5.4 動揺病
動揺病 とは、いわゆる 乗り物酔い のこと。
VR 機器による動揺病は VR酔い , サイバー酔い と呼ばれる。
シミューレーター酔い は、実機での経験が豊富な人ほど酔いやすい。
主観的鉛直方向 を変化させる刺激は、動揺病を引き起こしやすい。
2.5.5 前庭感覚と視覚の相互作用
7a 野
7a は、ブロードマンの脳地図における番地が 7 の a 番ということ。
7a野 は、視覚と前庭感覚を統合処理している。
車酔い
車内の静止物を見ている場合は、目を閉じている場合よりも酔いやすい。
前方の道路がよく見える場合は、まったく見えない場合よりも、3 倍酔いにくい。
視覚性動揺病
視野の広範囲が動くと、ベクションが発生し、長時間続くと視覚性動揺病が発生する。
身体が静止しているという前庭感覚と、ベクションが矛盾したせいで動揺病が発生していると考えられていたが、そうではないとする実験結果もある。
2.6 味覚・嗅覚
味覚・嗅覚は 化学物質の刺激 から得られる感覚。
2.6.1 味覚の受容器と神経系
味蕾 の先端にある 味受容体 と 味物質 が結合すると 味 が感知される。
味蕾 （みらい）
味蕾は舌・上顎・喉の奥等にある。
味蕾は味細胞の集団。先端部に 味孔 があり、味成分を受容する。
七回膜貫通型受容体
七回膜貫通型受容体 は、受容体の一種。
味蕾において 七回膜貫通型受容体 は、分離量が大きい 甘味 うま味 苦味 の味物質に結合する。
乳頭
舌には、3 種類の 乳頭 がある。
読み方
- 有郭乳頭 : ゆうかくにゅうとう
- 葉状乳頭 : ようじょうにゅうとう
- 茸状乳頭 : じじょうにゅうとう
味覚情報の神経伝達
味覚情報の神経伝達は、以下のようになっている。
読み方
- 味蕾 : みらい
- 鼓索神経 : こさくしんけい
- 舌咽神経 : ぜついんしんけい
- 大錐体神経 : だいすいたいしんけい
- 孤束核 : こそくかく
- 眼窩前頭皮質 : がんかぜんとうひしつ
- 扁桃体 : へんとうたい
2.6.2 味覚の特性
味覚と嗅覚は脳内で統合処理されている。
- 例: 鼻をつまむと食品の味がわからなくなる。
味覚は種を超えてよく似ているが、わずかに違いがあることもある。
- 例: 人口甘味料
アスパルテームは、人には甘く感じられるが、猿には甘く感じられない。
苦味のバリエーションは多く、25 種類の苦味受容体がある。
2.6.3 嗅覚の受容器と神経系
鼻腔 の中にある 嗅細胞 と 匂い物質 が結合すると 匂い が感知される。
匂いのバリエーションは多く、350 種類以上の受容体があると考えられている。
読み方
- 糸球体 : しきゅうたい
- 顆粒細胞 : かりゅうさいぼう
- 梨状皮質 : りじょうひしつ
- 眼窩前頭皮質 : がんかぜんとうひしつ
2.6.4 嗅覚の特性
オルソネーザル
オルソネーザル とは、鼻から入ってくる匂いのこと。
レトロネーザル
レトロネーザル とは、喉の方から上がってくる匂いのこと。
2.7 モダリティ間相互作用と認知特性
2.7.1 視覚と聴覚の相互作用
モダリティ とは、 五感の別 であり センサーの違い のこと。
視覚と聴覚は相互に影響し合っている。
腹話術効果
腹話術効果 とは、音源定位が視覚で知覚された位置によってバイアスを受けること。
- 例: 人形の口から声が出ているように感じるが、本当は腹話術師の口から声が出ている。
ダブルフラッシュエフェクト
ダブルフラッシュエフェクト とは、短いフラッシュが 1 回光る時に、短い音が 2 回提示されると、フラッシュも 2 回点滅したように感じられるという錯覚現象
聴覚の高い時間精度が視覚を補っているため起きる現象。
マガーク効果
マガーク効果 とは、ある音韻の発話の映像と別の音韻の音声を組み合わせて視聴すると、第三の音韻が知覚されること。
- 例:
ガと言っている映像に、バと言っている音声を組み合わせて視聴すると、ガでもバでもなく、ダと聞こえる。
※引用: PsychSeeing / 口は口ほどにモノを言う ～マガーク効果～
2.7.2 体性感覚とその他のモダリティの相互作用
視覚が体性感覚に影響することがある。
- 例: 光沢のあるものは、滑らかに感じる。
身体の動きが、低次の視覚・聴覚に影響を与えることもある。
情動 が知覚パフォーマンスに影響を与えることもある。
シュード・ハプティックス（pseudo haptic）
シュード・ハプティックス は、視覚情報から擬似的な触覚を生み出す手法のこと。
- 例: マウスポインターの移動速度を遅くすると、マウスが重いと感じる。
2.7.3 思考、記憶と学習
主題材料効果
問い（クイズ）の設定（ストーリー）を、よく慣れ親しんだ日常的な状況にすると、正答率が上がること。
短期貯蔵庫
短期貯蔵庫 は、二重貯蔵モデルにおける、容量制限の厳しい方の記憶のこと。
- 例: 電話をかける際に電話番号を一次的に記憶するが、電話をかけ終わった頃には忘れてしまう。
容量は 7±2チャンク と非常に限られている。
（文字数ではなくチャンクなので注意が必要）
情報処理の観点から、 作動記憶 とも呼ばれる。
長期貯蔵庫
長期貯蔵庫 は、二重貯蔵モデルにおける、容量がほぼ無制限の方の記憶のこと。
知覚学習
知識やスキルの獲得だけでなく、訓練による 知覚精度 の向上も学習過程として考える必要がある。（ 運動精度 ではないので、注意が必要。）
典型性効果（プロトタイプ効果）
概念をカテゴリー分けする際に、典型事例との類似性によって特徴付けること。
- 例: ペンギンよりもスズメの方が
鳥っぽく感じる。
2.7.4 アフォーダンス
アフォーダンス とは、環境が人間や動物に与える 意味 のこと。
- 例: 川に渡された丸太は、人間にとっては
橋という意味を持つが、象はそう思わないだろう。
さいごに
本記事作成にあたり以下を参考にさせていただきました。ありがとうございました！