PLATEAUを活用したMRナビゲーションシステム

1 はじめに

2 準備

2.2 PLATEAUの技術的側面[3]

ここでPLATEAUの技術的側面について改めて詳しく説明する。PLATEAUは先述の通り、日本の各都市の地形、建物、道路などの衛星から測定したデータと、行政としての都市データを用いて作られた3Dモデルで、3D都市モデルと呼ばれる。具体的にそれらは基本的に、2DのGIS(地理情報システム)データをもとに作られていて、市町村が都市計画基本図を作る時に使った航空測量成果とこの地図そのものを市町村から借りて、3次元のフットプリントとして作られている。それに加えて、都市計画基礎調査（都市計画法にもとづいて5年に一回程度市町村が実施する法定調査）の情報を属性として付加している。都市計画基礎調査は建物や土地の単位で、建物用途（住宅／商業施設）や構造（木造／鉄筋）、築年、面積平米、建築面積、災害リスクなどの情報を収集したものである。

PLATEAUの3D都市モデルは、CityGML形式ファイルで構成されている。CityGMLは、OGC（Open Geospatial Consortium）で提唱されている、3D都市モデルを扱うための標準的なフォーマットである[4]。またPLATEAUで扱う3D都市モデル固有の仕様は、「3D都市モデル標準製品仕様書[5]」として定められている。この標準製品仕様書では、データフォーマットの他、データの品質やフォルダやファイルの命名規則、データの分割方法なども規定されている。以下は東京23区のCityGML形式データ（13100_tokyo23-ku_2020_citygml_3_2_op.zip）を展開したフォルダ構造の例である。

                      13100_tokyo23-ku_2020_citygml_3_2_op
                      ├─13100_indexmap_op.pdf
                      ├─codelists
                      ├─metadata
                      ├─specification
                      └─udx
                          ├─bldg
                          │  ├─53392633_bldg_6697_appearance
                          │  ├─…略…
                          ├─brid
                          │  ├─53392641_brid_6697_appearance
                          │  ├─…略…
                          ├─dem
                          ├─fld
                          │  ├─natl
                          │  │  ├─arakawa_arakawa_1
                          │  │  ├─…略…
                          │  └─pref
                          │      ├─arakawa_kandagawa
                          │      ├─…略…
                          ├─frn
                          │  └─53394525_frn_6697_sjkms_appearance
                          ├─lsld
                          ├─luse
                          ├─tran
                          └─urf
                      

表1. 地形ごとの接頭辞

地物集合	接頭辞
建築物、建築物部分、建築物付属物、及びこれらの境界面、開口部	bldg
道路	tran
都市計画決定情報	urf
土地利用	luse
洪水浸水想定区域	fld
津波浸水想定	tnm
土砂災害警戒区域	lsld
高潮浸水想定区域	htd
内水浸水想定区域	ifld
都市設備	frn
植生	veg
地形（起伏）	dem

またCityGMLは、3D都市モデルの詳細な表現レベルに応じて、LOD（Level of Details）が設定されている。LOD0は上から見た平面投影形状で、ポリゴンの頂点を「緯度」「経度」「高さ」の3パラメータを1セットとし、ポリゴンを構成するすべての頂点を列記している。LOD1では、建築物を立体として表現している。平面図を高さ分だけ挙げたモデルで、建築物の高さの中央値を採用しているため、低層部と高層部があるビルなどでは、高さが正確に反映されない場合もある。公開されているPLATEAUの3D都市モデルは基本的にLOD1のデータを含んでいる。LOD1のイメージは図1の通り。LOD2ではそれに加えて地物を構成する面が、「壁」「屋根」「床」など、どのようなものであるのかを表現していて、壁や屋根の面から構成される立体が建築物である、という表現ができる。加えて、屋根形状の凹凸が正確に表現できている。また、面にテクスチャが貼り付けられ、そのデータを管理しているのもLOD2である。LOD2が公開されている場所は渋谷や新宿、丸の内など一部に限られているが、現在進行形で順次公開されている。LOD2のイメージは図2の通り。

3 関連研究

本研究のようにPLATEAUを利用した経路シミュレーションをMRで実装する取り組みは前例がほぼ存在しないが、近しい例を紹介する。

4 提案システム

先述の通りこの研究は、MRを用いてインタラクティブな経路シミュレーションを実現するためのものである。このアプリはMR空間上にPLATEAUの3D都市モデルを出現させて、経路を視覚的に確認した後に、その経路を現実の都市の中に入るように再現するものである。本研究で採用したシステムと、最終的に理想とするシステムをそれぞれ以下に記述する。

5 実装と評価

5.1 システム構成

本研究のアプリケーションは、Unityで構成したプログラムをquest3にビルドして動作させた。以下の図1に、システム構成図を示す。またこのアプリは、ビルドしたシステムの情報のみで動作している。

また、開発に使用したPCやVRゴーグルの情報については以下の通りである。

5.1.1 開発に使用したPC

デバイス名	alien20221
プロセッサ	AMD Ryzen 7 5800X 8-Core Processor 3.80 GHz
実装 RAM	32.0 GB
システムの種類	64 ビット オペレーティング システム、x64 ベース プロセッサ

5.1.2 開発に使用したVRゴーグルなど

開発には、以下のQuest3とリンクケーブルを使用した。

• Quest3：Quest3 128GB 899-00591-01
• リンクケーブル：ZyberGears VR 5メートルリンクケーブル

5.2 アプリケーションの概要

制作したアプリケーションが具体的にどのようなものかを紹介する。

1. アプリを起動する。
2. スタート時点の道オブジェクトを赤、ゴール地点の道オブジェクトを青のレーザーポインターでそれぞれ選択することで、色を変更する。
3. 両手のレーザーポインターを緑色に変更し、スタートからゴールまでの道オブジェクトを選択する。
4. コントローラーのＡボタンを押すことで、現実と同じ大きさになったPLATEAUの、選択したスタート地点にワープする。
5. コントローラーのＢボタンを押すことで、緑色の中継地点を通りながらゴール地点まで自動で移動する。

5.2.1 アプリ起動

quest3を起動し、アプリタブから「許可されていないアプリケーション」を選択すると、「quest-mr-template」というアプリが表示されているため、それを選択することでアプリが起動する。起動した最初のシーンには、カラーパススルーを利用したMR空間上に、PLATEAUの北千住駅周辺（航空写真付き地形オブジェクト、道オブジェクト）の3D都市モデルが設置してある。

コントローラーについて、右コントローラーから赤、左コントローラーから青のレーザーポインターが伸びている。quest3のコントローラーには左右トリガー、左右グリップ、左右スティック、右にAとBのボタン、左にXとYボタンがある。左のグリップを握ることで、レーザーポインターが緑色に変化する

5.2.2 経路設定

右手のコントローラーから出ている赤いレーザーポインターを、スタート地点としたい道オブジェクトに当てて、コントローラーのトリガーを引いて、色を変更する。同様に左手のコントローラーで、ゴール地点を設定する。

左手のコントローラーのグリップを握ることで、両手のレーザーポインターの色が緑色に変更される。その状態で、スタートからゴールまで通る道を選択する。緑色に変更された道オブジェクトの中心を中継地として移動するため、特に交差点を選択することで正しくこの後の移動シミュレーションができる。

5.2.3 インタラクション

スタートとゴール、中継地点を選択した後、コントローラーのAボタンを押すことで、下の方にあった北千住のPLATEAUオブジェクトの中にワープする。ワープ先は赤色のスタート地点になる。また、PLATEAUの中に入るタイミングで、建物オブジェクトが現れる。このシーンは、3D都市モデルがMR空間上に、現実の都市と同じ大きさであるというものである。

コントローラーのBボタンを押すことで、スタートから、中継地点を通ってゴールまで移動する。

右コントローラーの、トリガー、グリップ、Aボタンを同時に３秒以上押すことで、最初にシーンにリセットして戻ることができる。

6 考察

PLATEAUを利用したMR経路シミュレーションアプリと既存のデジタルツインアプリについて。Google EarthやGoogle Mapは、その普及度と使いやすさにおいて、非常に大きな強みを有している。これらのアプリケーションは、世界中どこでも手軽にアクセス可能であり、街の様子をリアルタイムで確認できるストリートビュー機能は、ユーザーにとって非常に直感的な情報収集ツールであると言える。また、これらのプラットフォームは既に広く普及しており、多くのユーザーにとって親しみやすいものであると考えられる。

その一方で、本研究で開発したアプリケーションが目指すのは、これらの既存アプリケーションが提供する情報のみに頼るのではなく、より高度で包括的なナビゲーション体験を実現することである。理想とするシステムでは、Quest3のMR機能を活用して、現在の仮想オブジェクトを単独で閲覧するのではなく、それらを周囲の人々と共有することで、情報や意思の疎通をより円滑に行えるようにすることが可能になると考えられる。これにより、ユーザー間でのシミュレーションの共有が可能となり、集団での移動や協力作業が求められる状況において、その有効性が増すと言える。

最終的に、出発地点と目的地を具体的に指定し、その間の経路を自動で算出する機能は、ユーザーが行きたい正確な場所への経路を提供することで、現実世界での移動をより効率的かつ確実にすることに寄与すると言える。これは、特に初めて訪れる場所や複雑な都市環境において、ユーザーが迷子になるリスクを減少させることに貢献すると考えられる。

総合すると、本研究のアプリケーションは、現実世界での移動を仮想的に再現し、ユーザーが初めて訪れる場所でも迷うことなく、安心して移動できるよう支援することを目的としている。このシステムが実現することにより、ナビゲーションの精度が向上し、都市空間における移動の効率化と安全性の増進が期待できると言える。

付録

以下は、アプリケーションの開発の詳細である。

Unity

まずアプリを実装するにあたって、Unity HubからUnity 2022.3.2f1をインストールした。また、Android Build Supportのモジュールもインストールした。インストール場所はC:\Program Files\Unity\Hub\Editor\2022.3.2f1\Editor\Unity.exeとした。

次に、以下の手順で quest-mr-template をgithubからインストールした。

1. GitHubのページの緑の「Use this template」ボタンからリポジトリを作成した。
2. 作成されたリポジトリをローカルにcloneした。
3. Unity Hubにプロジェクトを登録した。
4. プロジェクトを開き、「Build Setting」の項目から、buildするプラットフォームをAndroidに変更した。
5. 「Project Setting」の項目から、図8のように、「XR Plug-in Management」の項目で「Android」タブから「Oculus」のチェックボックスにチェックを入れた。
6. 同様に「Project Setting」の項目から、「XR Plug-in Management」の下にある「Oculus」の選択し、図9のように設定した。
7. 「File」タブから「Save As …」を選択し、Assetフォルダにシーンを保存した。シーン名は「withPLATEAU」とした。

PLATEAU SDK

以上の項目で設定したUnityプロジェクトにおいて、PLATEAU SDKと3D地理データを以下の手順でインストール、インポートした。[9]

1. Githubから、PLATEAU SDK for Unity v2.2.1-alpha.tgzをダウンロードした。
2. UnityプロジェクトのPackage Managerから、「Add package from tarball…」を選択し、先ほどダウンロードしたPLATEAU SDKを選択し、すべてインストールした。
3. Unityプロジェクト上部のタブからPLATEAU SDKを起動し、図10、11のようにサーバーから東京23区をデータセットとして選択して、範囲選択を開始した。
4. Unityのシーン画面から、図12に示す範囲を選択し、決定ボタンを押した。
5. PLATEAU SDK の地物別設定から、建築物、道路、土地起伏にまつわる要素はそのままにして、橋梁、都市計画決定情報、災害リスク、土地利用の項目の「インポートする」のチェックボックスからチェックを外してから、「モデルをインポート」ボタンを押して、北千住周辺の3D地理データをインポートした。

オブジェクトの配置

以下の手順で、ワールド内のオブジェクトを編集した。

1. インポートした3D地理モデルを、Hierarchyから選択して、InspectorのPositionからY座標を-300にした。
2. Hierarchyにある「13100_tokyo23-ku_2022_citygml_1_1_op」の下には以下のような階層でオブジェクトがある。これをこれからプログラムで制御するため、以下のように、[たくさんの道オブジェクト1] を移動させて [たくさんの道オブジェクト2] と同じ階層に移動させた。

            13100_tokyo23-ku_2022_citygml_1_1_op
            ├53395604_tran_6668_op.gml
            └LOD1
                └[たくさんの道オブジェクト1]
            ├53394604_tran_6668_op.gml
            └LOD1
                └[たくさんの道オブジェクト2]
            

3. デバッグ用のUIを表示するため、UnityエディタのHierarchyビューで右クリックし、「UI」→「TextMeshPro - Text」を選択して新しいText Mesh Proのテキストオブジェクトを作成した。
4. InspectorからCanvasオブジェクトの詳細を、図13の通りに設定した。また、Canvasオブジェクトの下のText(TMP)オブジェクトのInspectorの設定を図14に示す。画像に映っている範囲以外は変更していない。
5. quest-mr-templateの中で最初からシーンに配置されているオブジェクトのうち、図15で文字の色が薄くなっているオブジェクトを削除した。
6. UnityエディタのHierarchyビューで右クリックし、Create Emptyで「DebugObject」と「GameResetter」の2つのオブジェクトを作成した。
7. 「[BB] Controller Tracking left」と「 [BB] Controller Tracking right 」の下の階層に、それぞれ「LineRendererL」と「LineRendererR」という空のオブジェクトを、先ほどと同じ手順で作成した。
8. 13100_tokyo23-ku_2022_citygml_1_1_op ├53394694_tran_6668_op.gml └LOD1 のLOD1オブジェクトにおいて、InspectorのTagから、Add Tag…を選択し、Tag 0として「Tile」というタグを追加した。また、Layers欄からUser Layer 3にTile Layerを追加した。

プログラムの実装

先述したシーン内のオブジェクトに、以下のスクリプトを実装した。スクリプトは、ProjectのAssertsフォルダ内で右クリックし、「Create」->「C# Script」から開始した。スクリプトの名前も、以下のタイトルとした。

TileManager

このスクリプトは、PLATEAUに含まれる道のオブジェクトの色を変更させている。道のオブジェクトは、以降はタイル（Tile）として扱う。具体的には、以下の機能を実装している。実装したコードはCode.1に示す。

1. マテリアル変更機能：左手で選択されたタイルのマテリアルを青色に、右手で選択されたタイルのマテリアルを赤色に変更する。また、グリップボタンが押された状態でタイルを選択すると、そのタイルのマテリアルを緑色に変更する。赤と青に変更されるタイルは常に1つだけになるように、他のタイルが選択されたら元のマテリアルに戻るようにしている。
2. 上空にオブジェクトを配置する機能：マテリアルを変更したとき、そのタイルの上空1.5メートルの座標にからのオブジェクトを自動生成する。右手で赤色に変更したときは「StartAboveObject」で、左手は「GoalAboveObject」、緑色に変更したときは「AboveObject」という名前とする。タイルの色が変更になった場合、ログと共に元あったAboveObjectは削除され、新しい場所に設置される。

Reizaapointaa

このスクリプトは、コントローラーから出るレーザーポインター操作を処理している。具体的な機能を以下に示す。実装したコードは、Code.2に示す。

1. コントローラーから出るレーザーポインターが物理オブジェクトにヒットするかをRaycastで検出し、ヒットしたタイルに対してTileManagerのChangeMaterialメソッドを呼び出す。
2. レーザーポインターの色を設定する。
3. タイルのマテリアルを変更したとき、「Michi Mark」とデバッグとして表示させる。

CameraRigMover

このスクリプトは、プレイヤーの視点を移動させるための機能を設定している。具体的な機能を以下に示す。実装したコードは、Code.3に示す。

1. OculusのコントローラーのAボタンが押されたときに、StartAboveObjectの位置にカメラリグを瞬時に移動させる。
2. シーン内からAboveObjectを含む名前のオブジェクトを見つけ出し、それらをリストに追加する。これにより、カメラリグが移動する各ポイントが決定する。
3. 現在の位置から最も近いAboveObjectを見つけ、そのオブジェクトに向かって指定した速度で移動させる。目的地に到達すると、次のターゲットを検索してまた移動する。
4. ３をカメラリグがGoalAboveObjectに到達するまで繰り返し、到着したら移動を停止する。

MaterialChanger

このスクリプトは、OculusのコントローラーのAボタンが押されたときに、Code.3で移動すると同時に、PLATEAUの建物オブジェクトを見えるようにするためのスクリプトである。具体的な機能を以下に示す。実装したコードは、Code.4に示す。

1. アプリ起動のタイミングで、建物オブジェクトのマテリアルを透明なものに変更し、元のマテリアルを保存しておく。
2. Aボタンがもう一度押されたとき、建物オブジェクトのマテリアルを元に戻すようにする。

GameResetter

このスクリプトは、Oculusのコントローラーの、トリガー、グリップ、Aボタンの3つを3秒間押し続けたときに、アプリ起動シーンに戻すためのスクリプトである。実装したコードは、Code.5に示す。

DebugDisplay

このスクリプトは、呼び出すことでシーン内のデバッグテキストにデバッグ用の文字を出力することができるようになるスクリプトである。実装したコードは、Code.6に示す。

コンポーネントの設定

1. 設置したDebugObjectにDebugDisplayスクリプトをアタッチした。また、Inspectorから「Debug Text」の欄にText(TMP)をアタッチした。
2. [BB] Camera Rigオブジェクトに、CameraRigMoverスクリプトをアタッチした。また、InspectorからCameraRigMoverのコンポーネントを、Speedを7、DebugDisplayの欄にDebugObjectをアタッチした。
3. 設置したLineRendererLに、Reizaapointaaスクリプトをアタッチし、さらにLineRendererコンポーネントを、Add Componentタブから追加した。Inspectorの設定は図16に示す。ただしLineRendererとスクリプトにアタッチするマテリアルは、Assets/Oculus/SampleFramework/…に入っているマテリアルを使用した。
4. 3と同様に、LineRendererRにReizaapointaaスクリプトをアタッチし、LineRendererコンポーネントを追加した。Inspectorの設定は図17に示す。
5. PLATEAU の道オブジェクトの上位階層のLOD1オブジェクトに、TileManagerスクリプトをアタッチした。Inspectorの設定は図18に示す。
6. PLATEAU の建物オブジェクトの上位階層のLOD1オブジェクトに、MaterialChangerスクリプトをアタッチした。InspectorのTransparent MaterialにはAssets/Oculus/SampleFramework/…にあるClearマテリアルをアタッチした。
7. GameResteerオブジェクトにGameResetterスクリプトをアタッチした。

ビルド設定

1. 「File」タブから「Build Setting」を起動し、PlatformをAndroidに変更した。
2. Scenes in Build欄において、Add Open Scenesボタンから「withPLATEAU」シーンを追加した。
3. Quest3とPCをリンクケーブルで接続し、Quest3側を開発者モードにして、Quest3側でPCとのデータのやり取りを許可した。
4. UnityのBuild Settingにて、「Build And Run」ボタンを押して、Buildを開始した。
5. Quest3のアプリ欄の「提供元不明」欄にビルドしたアプリが表示されていればビルドは成功である。

参考文献

• [1] 国土交通省Project PLATEAU（プラトー）｜3D都市モデルのこれまでの成果と今後の取り組み - 空間情報クラブ｜インフォマティクス運営のWebメディア (2024/1/22)

  https://club.informatix.co.jp/?p=14300

• [2] 3D都市モデルを活用した災害リスクの情報の可視化マニュアル

  https://mlit.go.jp/udx (2024/1/22)

• [3] PLATEAU [プラトー] | 国土交通省が主導する、日本全国の3D都市モデルの整備・オープンデータ化プロジェクト (mlit.go.jp)

  https://www.mlit.go.jp/plateau/ (2024/02/21)

• [4] CityGML - オープン地理空間コンソーシアム (ogc.org)

  https://www.ogc.org/standard/citygml/ (2024/02/21)

• [5] 3D都市モデル標準製品仕様書 (mlit.go.jp)

  https://www.mlit.go.jp/plateaudocument/ (2024/02/21)

• [6] 物流ドローンのフライトシミュレーション | Use Case | PLATEAU [プラトー] (mlit.go.jp)

  https://www.mlit.go.jp/plateau/use-case/uc20-026/ (2024/1/22)

• [7] Meta QuestのMRアプリのテンプレートプロジェクトを作った #Unity – Qiita (2023/12/25)

  https://qiita.com/noritsune/items/8b1ef9e99e668916e202

• [8] noritsune/quest-mr-template: Meta Quest 3でMRアプリを作るためのUnityのテンプレートプロジェクトです。 (2023/12/25)

  https://github.com/noritsune/quest-mr-template

• [9] Release PLATEAU SDK for Unity v2.2.1-alpha · Project-PLATEAU/PLATEAU-SDK-for-Unity　(2023/12/25)

  https://github.com/Project-PLATEAU/PLATEAU-SDK-for-Unity/releases/tag/v2.2.1-alpha