對馬 広大* Kodai TSUSHIMA
平田 和也* Kazuya HIRATA
*
技術・研究開発統括部
近年，エンターテイメント業界のみならず，産業分野においてもxR技術（VR，AR，MR技術等の総称）が盛んに活用され始めた。荏原グループにおいても製品・サービスの付加価値向上，さらに従来業務の改善を図るためxR技術の活用を推進中である。本報ではVRデバイス（HMD），及びVR設備（CAVE）を用いた産業応用としてVR空間内における接触干渉，流れ解析結果の可視化，さらに遠隔地からVR空間への参集（遠隔協調）といった各種VRの要素技術を用いた事例を解説する。さらにxRの周辺技術である360度カメラにより得られた360度画像，及び3Dスキャナーにより取得した点群モデルの活用への取り組みを紹介する。
In recent years, xR technology (general term for VR, AR, MR technology, etc.) has begun to be actively used not only in the entertainment industry but also in the industrial field. EBARA Group is also promoting the use of xR technology in order to increase the added value of its products and services and to improve conventional operations. This paper explains cases using various elemental technologies of VR, such as contact interference in VR space, visualization of flow analysis results, and participation in VR space from remote locations (remote coordination) for industrial applications using VR devices (HMD) and VR equipment (CAVE). In addition, we introduce our efforts to utilize 360-degree images obtained by 360-degree cameras and point cloud models obtained by 3D scanners, which are peripheral technologies of xR.
Keywords: xReality, Industrial application, Contact interference, Flow analysis, Visualization, Remote coordination, Virtual Reality,
Augmented Reality, Mixed Reality, 3D-CAD, Digital Transformation
VR（仮想現実，Virtual Reality）技術は，エンターテイメント業界を中心に発展し，主にCG（Computer Graphics）を用いて仮想の世界があたかも現実であるかのように知覚する（以下，没入）技術である。近年，ハードウェアやソフトウェアの高性能化，及び3D-CAD技術の進歩が加速しており，産業分野でも盛んにVR技術が応用され始めている。産業分野でのVRの活用方法は，エンターテイメント業界で利用されている形と同様に，HMD（Head Mounted Display）を用いて仮想空間内に没入し，主に3D-CADモデル（以下，3Dモデル）を立体視する方法が一般的である。この技術を用いることで，今までは3Dモデルで設計したとしても，PCの画面や，印刷物の上でしか確認できなかった設計物が，仮想空間内であたかも現実の試作品を目の前にしたかのような状況で大きさ，形状，及び構造を確認し，その結果を基に設計段階でそれらを修正することが可能となった。
また，近年VR，AR（拡張現実，Argumented Reality），MR（複合現実，Mixed Reality）等の技術は総称してxR（クロスアール，xReality）と呼称されており，本稿においてもxR技術と呼称する。
ポンプやコンプレッサー等の産業機械，揚排水機場を始めとする社会システム，ごみ処理プラント，及び半導体製造装置を主力製品とする荏原グループにおいても営業，設計，さらにアフターサービス等の各種業務の改善，及び顧客価値向上のためxR技術の適用を推進中1）である。本稿ではまず当社におけるxR設備を説明し，次にxR技術の活用法として接触干渉，流れ解析結果の可視化，遠隔協調の紹介を行う。最後にxRの周辺技術として360度カメラを用いて得た360度画像，及びその活用法の紹介も行う。
当社におけるxR設備として，一般的なHMD（2017年より運用開始）に加え，2018年に「CAVEシステム」（以下，CAVE）（図1）を構築し，運用を開始している。CAVEとは，正面，側面，及び底面等の複数枚のスクリーンを有し，スクリーンごとに右目用，及び左目用の画像を交互に投影する個別のプロジェクターを有する大型の設備群である。没入者はHMDではなく，プロジェクターにリンクした液晶シャッターメガネを用いて没入する。また，各プロジェクターの映像は没入者の位置，及び視線方向に合わせて変化し，没入者に3Dモデルの位置関係の違和感を抱かせることなく，3Dモデルの立体視が可能である。HMDは装着すると視界全てが塞がれるため，いったん没入すると周囲の状況はおろか，自らの手足すら認識できなくなるが，それに対しCAVEは，液晶シャッターメガネの装着によって視界は塞がれないため，複数人で同じ3Dモデルを認識・共有することが可能となる点が特徴の一つである。よって複数人で立体視している3Dモデルに対して，『ここ，そこ』等と指差しながら議論することも可能である。また液晶シャッターメガネはHMDと比較して軽量であるため，没入時の装用感も良好である。
図1 当社が運用しているCAVEシステム
HMDを運用する際は，HMDの他に高性能なグラフィックボードを具備したPC（当社ではノート型モバイルワークステーションを使用），仮想空間内で操作を行うコントローラー，仮想空間内で没入者の位置を特定するためのトラッカー，さらに接触干渉時に没入者の肘から指先までを仮想空間で表示させるためのVRグローブ等の機器を用いる。これら全ての機器が持ち運び可能であるため，固定された設備としてのCAVEとは異なり，社内外を問わず様々な場所にてVR技術の活用が可能という特徴がある。
「接触干渉」とは，3Dモデルを立体視している仮想空間において，3Dモデルと没入者の手モデル，若しくは3Dモデル同士が接触しているかを判定する技術である。3D-CADでもその技術は用いられているが，VRでもその技術を応用し仮想空間内で活用している。まず没入者は，両手にコントローラーを保持する，若しくは図2で示すように片手にコントローラーを保持し，もう片方の上腕部，下腕部にトラッカー，及び手にVRグローブを装着する。
図2 機材を装着したVR没入者
没入者が装着したコントローラーやVRグローブの動きは仮想空間における手や腕の動きとして，仮想の手や腕を位置矛盾ない状態で表示させる。その後没入者は，仮想空間内に表示される仮想の手や腕を用い，3Dモデルの一部パーツ等に対して，触れ，掴み，さらに移動させることが可能となる。ここで図3に当社の製品である高圧多段ポンプを示す。図3の中央部にはポンプ本体，さらにその周囲を多数の小配管類，及びバルブなどの補機類が配置されている。
図3 当社製高圧多段ポンプ
図4は高圧多段ポンプの3DモデルにVRグローブ及びトラッカーを装着して没入，及び干渉チェックを実施している状況である。通常は3Dモデル作成時に設定した色で表示されている配管や補機類に対して，VRグローブを装着した没入者の手が触れると青色に変化し，さらにグローブが振動することにより没入者へ接触を知らせる。
図4 没入者に接触を知らせる実例
また，VRグローブは没入者の五指の動きに対応しており，没入者が部品を「掴む」ことで配管や補機類が赤色に変化し，没入者へ掴んだことを知らせ，掴んだ部品を移動させることが可能になる。図5は実際に高圧多段ポンプの3Dモデルの配管を掴み，配管の取り回しを確認している状況である。
図5 配管取り回し確認の実例
「掴んだ」配管同士がぶつかった場合，配管がすり抜けることなく停止して，配管のどこが干渉しているかを矢印で示す。これによりあたかも現実の配管を取り扱っているかの様な体験を没入者へ与えることが可能である。本技術を用いることで一度装着すると自身の手足が認識できないため，没入時にモデルとの距離感，及び手の届く範囲を確認できなくなるといった，HMDの欠点に対応した。動画1において，実際に接触干渉を行っている様子を示す。
当社グループにおいて接触干渉は，主に設計時のデザインレビュー，及び分解・組立のトレーニングへの活用を検討している。例えば複雑で多くの配管を有し，実機寸法での試作が困難な図3で示したような大型の高圧多段ポンプにおいて，ポンプ本体周囲の配管類やバルブ等の補機類の配置確認や，配管の取り回しの確認が可能になる。また，図6で示したように仮想空間内に人体モデルを投影することにより，組立時や，メンテナンス時の作業性確認が可能である。
図6 3Dモデルと人体モデルの組合せの実例
これらの技術を組合せ，揚排水機場や工場内設備計画時のレイアウト確認，また高所作業時の足場や狭い環境における作業性確認，さらに工場見学や各種展示会において，お客様へ各製品のスケール感の体験，及び新旧製品の形状比較へ活用している。
なお当社における3Dモデルの立体視，及び接触干渉技術に関するソフトウェアとしてCAVEでは㈱フィアラックスの「EasyVR」，またHMDでは日本イーエスアイ㈱の「IC.IDO」を用いている。
近年流れ解析技術は研究としてのみならず，設計や開発といったモノづくりの現場におけるツールとして広く活用されている。現在の流れ解析はほぼ全てが3次元解析であるため，当然結果も三次元の流れ場情報を得ることができる。得られた結果は速度ベクトル，及び圧力コンター等として画面に表示，若しくは紙面に出力して評価をする。これらの従来の評価手法では，主に流れ場の観察したい部分を切断して断面として表示を行う。未知の流動現象に対して任意断面を観察することになるため，三次元性が高く複雑な流れ場，若しくはポンプ内部流路のように複雑形状内の流れ場では，断面に垂直方向の情報を失うことになり，流れ場をより詳細に評価することが困難であった。また断面以外でも鳥瞰図表示，若しくはアニメ表示なども用いられているが，複雑な三次元の流れ場把握には困難である。
そこでCAVE，又はHMDを用いてVR空間中に構築した流れ場へ没入することにより，詳細な流れ場評価を試みた。今回は大型立軸ポンプ（図7）を対象として，ポンプへと水を導く吸込み水槽，そしてポンプの入口である吸込みベルマウス周辺の流れ解析を行った。
図7 当社製大型縦軸ポンプ
まずは解析結果の表示例として，吸込み水槽上流部からベルマウス周辺の流跡線を図8に示す。
図8 ベルマウス周辺の流跡線
吸込み水槽の上流側である図の右上から可視化用の魚型マーカーを流し，左下に位置するベルマウスへ流入する流動状況を観察した。図8より特にベルマウスの下流側において流跡線が乱れ，魚型マーカーが複雑な流動を呈していることが確認できる。しかし流れ場の三次元性が高いため，当該領域に存在しているであろう水中渦，及び空気吸込み渦の発生位置や方向などを正確に把握することが困難である。
次に同じ結果を用いてHMD，及びCAVEによるVR空間における評価の様子を，動画2及び図9に示す。なお今回用いたソフトウェアは，HMDではSIEMENS社のSTAR-CCM+VR，そしてCAVEでは㈱フィアラックスのEasyVRである。動画2では，没入したVR空間の中で手に持ったコントローラーより粒子を放出し，流れ解析結果に伴い流動させることにより，局所流動を可視化する。没入者はあたかも実世界の現象のように視線や，観察位置を変化させ複雑な三次元流動の調査を行うことが可能である。これは従来の断面切断による二次元的な評価では極めて困難であったが，xR技術の活用により高精度で詳細な評価を容易に実現することが可能となった。
図9 CAVEを用いた流れ解析結果の実例
CAVEでは複数人が同じ仮想空間を共通認識でき，さらにお互いの存在・姿を認識しながらの没入となるため，立体視した解析結果への指差し等を行いながら『これ，この辺り，この様な感じ』といった直感的な言葉を用いた議論が可能である。またHMDでは装置システムが可搬であるため，様々な場所にてVR技術を用いた評価が可能となる。いずれの方式においても，流れ場の内部を自由に移動しながら観察する方向を任意に変更することにより，局所的で複雑な流動様相の把握が容易となる。特に今回の解析対象においては水中渦，及び空気吸込み渦それぞれと，ベルマウスの位置関係，及び渦による複雑な三次元流動様相の把握にVR技術は大変有効であった。
「遠隔協調」とは，遠隔地をインターネット回線で接続し，それぞれの地点から同一の仮想空間へ没入し，同一の3Dモデルを立体視する技術である。それぞれの地点からの没入者は，仮想空間において互いにアバターとして顔や手が立体視されるため，それぞれの立ち位置，視線，さらに指差し位置を仮想空間上で相互に認識可能である。また図10で示すように，一人のアバターが行った3Dモデルへのマーカー設置や寸法追記等の変更も，即時に全ての没入者が見ているモデルに反映される。
図10 遠隔協調時の3Dモデルへのマーカー設置の実例
遠隔協調の活用事例として，例えば地方の揚排水機場に設置されたポンプの故障に対し，現地作業員と本社技術者が同一の仮想空間に没入する事例が挙げられる。仮想空間上で作業員が3Dモデルを指差しながらポンプの障害状況を説明し，技術者が同じモデルを用いて対応方法を指示する事が可能となる。HMDとHMD，若しくはHMDとCAVEでも遠隔協調は可能であるため，HMDセットのみを地方へ送り，現地でセッティングすれば技術者が全国各地を巡回する必要が無くなり，迅速に広範囲な各種トラブル対応が可能となる。昨今の感染症感染拡大防止対策による長距離移動が制限される状況において，本技術は有効であろう。また社内において研究，開発，設計，さらに生産の各部門が遠隔地に分散している場合にも，従来のテレビ会議システムを用いて画面に表示された図面等による平面的な情報を用いた議論ではなく，試作品を目の前にしたかのような立体視による設計デザインレビューが可能となる。計画時における構造や形状の把握が，より正確で詳細に各部門担当者にて共有されるため製品品質の向上，及び開発リードタイムの削減，現場における据付作業時の手戻り削減等も期待される。
当社における遠隔協調技術の活用事例を示す。図11は本社（東京都），及び当社事業所（熊本県）へHMD等のVRシステム一式を送り，藤沢事業所（神奈川県）にあるCAVEと接続し遠隔協調を実施している状況である。図11内のCAVEスクリーンには，各所からの没入者が水色のアバターとして頭部，及び両手部の表示が確認できる。同一の仮想空間内において，3Dモデルを共通認識しながら工場建屋内のレイアウト確認，及び製品組み立て時の作業性確認を行った。今後は海外拠点との接続も計画中である。
図11 本社，熊本事業所，藤沢事業所の3拠点遠隔協調の一例
xR技術の周辺技術である，360度画像及び映像の活用について述べる。360度画像とは，360度カメラ（図12）と呼ばれる特殊なカメラで撮影した，上下左右全方位を収めた全球パノラマ画像のことである。なお全球画像に関しては水平方向360度，及び鉛直方向360度の720度画像と呼称することもあるが，本稿では全球の静止画，そして動画のいずれも「360度画像」に統一して紹介する。360度画像の1例を示す。図13は当社本社ロビーを360度カメラで撮影した360度画像である。
図12 360度カメラの一例
図13 本社ロビーの360度画像
図13中の左側に写っている黒いポンプは本来天井付近までの高さを持つ巨大なポンプであり，通常であれば1枚の画像に収めることは難しい。360度画像であれば，上下左右が圧縮されて1枚の画像に収まっていることが分かる。このように，360度画像は平面で見ると圧縮されたパノラマ画像の様に見える。ここでスマートフォンにて専用のアプリケーションを使って360度画像を見ると，視差が付いた左右の画像が得られ，さらに自身の視線方向の動きに追随し画像も変化するため，あたかも自身がその場に立っているかのような実写VR体験が可能である。360度画像の活用において，特筆すべきはその導入の容易さであろう。本稿執筆時点で，360度カメラは5万円未満で十分な性能のカメラが購入可能である。360度カメラを操作，及び撮影した360度画像を閲覧する専用のアプリケーションも無償で提供されており，その操作も大変容易である。スマートフォンを格納するVRゴーグル自体も300円程度から購入可能であるため，比較的手軽にxR技術の体験，そして活用検討が可能である。
360度画像の利用の想定シーンは多岐にわたる。例えば工場内のKY（危険予知）活動の教育コンテンツを作成する，広報活動や採用活動，及び営業活動における会社紹介コンテンツを作成する，及び遠隔協調技術と組合せ，立会試験をリモート化する等，製造部門のみならず，管理部門においてもVRを幅広く適用することが可能である。
今後VR技術の活用拡大を図る際の課題として，社内で取り扱っている事業の製品群に対する3Dモデルの整備が進んでいない状況が挙げられる。前章までの事例では，主に比較的小型の単体製品を対象にVR没入を紹介してきた。これに対して当社グループでは，揚排水機場やごみ処理プラントなどの大きな設備も取り扱っている。揚排水機場やごみ処理プラントにおける計画レビュー，各種機器の搬入経路・設置，配管の取り回し，そして運用開始後の操作・メンテナンス等の作業性検証にも接触干渉や遠隔協調は有効であろう。新規案件に対しては，計画時から3D-CADの活用も進んではいる。しかし既存の設備に対する3Dモデルは，ほぼ存在しない。そのためそれらの設備に対してxR技術を用いる際には，新たに3Dモデルの製作を余儀なくされてきた。
そこで既存の設備に対する3Dモデルの取得には，3Dレーザースキャナー（以下，3Dスキャナー）で得られる点群データの活用2）が挙げられる。3Dスキャナーを用いることにより，既存設備の点群データを半日程度で取得可能であり，新規に3Dモデルを製作するよりも早く，原状に即した3Dモデルを得ることができる。点群データ，及びポンプ等単体製品の3Dモデルを仮想空間に併設することにより，ポンプ分解・組立性の確認，新設するポンプの搬入経路の確認，配管の取り回しの検証等を仮想空間内にて行うことが可能となる。
点群データの活用の一例として図14を示す。図14は仮想空間内に3Dスキャナーで取得した点群データ，さらに3D-CADで製作した3Dモデルを併設して，HMDを用いて没入した状況である。なお図14におけるVR没入には，ラティス・テクノロジー㈱の「XVL Studio VRオプション」を用いた。
図14 点群データ活用の一例
画像中央下部には，没入者が手にしているHMDのコントローラー表示が確認できる。没入者は仮想空間内において，このコントローラーを疑似的な手として3Dモデルに触れ，さらに部品をピックアップして移動させることが可能である。またピックアップして移動する部品と，空間内の点群データとの接触干渉チェックも可能である。
xR技術において点群データの活用は，より様々な業務への応用展開が期待される。そのため今後は当該技術に対する情報収集，さらに技術導入を推進予定である。
本稿で紹介した以外にも，xR技術は今後様々な分野で急速に浸透し，技術的にさらに発展することが予測される。当社グループでは今後もxR技術に関する技術調査・開発を継続するだけではなく，事業の現場へxR技術活用の提案を行い各種業務の効率化・高精度化等を進めてゆく。さらに営業・広報活動においても活用を進め，顧客満足度及び企業価値向上のためのツールとして，当社グループが掲げるESG経営への貢献を目指している。
1） 平田，荏原製作所におけるVR技術の産業応用，第86回CG・可視化研究会.
2） 對馬，VR技術を用いたDX～製造業のVR活用の最前線，月刊下水道2020.7.
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