JP3829862B1 - 3次元モデル変形システム及びプログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】 3次元モデルをその意匠意図を保持したまま短時間で変形処理可能な3次元モデル変形システム及びプログラムを提供すること。
【解決手段】 複数の面で定義され、任意の対象物を表す3次元モデルを変形する3次元モデル変形システムに、予め記憶保持された上記対象物のおおよその外形を表す骨格線を3次元モデルに合わせ込み、該3次元モデルのおおよその外形を表すベース曲線を作成するベース曲線作成手段と、3次元モデルを点群化する第一のポリゴン化手段と、3次元モデルのベース曲線に操作者の指示に応じて任意の変形を加えるベース曲線変形手段と、任意変形前のベース曲線から任意変形後のベース曲線への変位に基づいて3次元モデルを表す点群を変位させ、任意変形後のベース曲線に対応した点群を求める点群変位演算手段と、求められた点群から複数の面で定義された3次元モデルを創成する第二のポリゴン化手段とを備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、概して、複数の面で定義された3次元モデルを変形する3次元モデル変形システム及びプログラムに係り、特に、3次元モデルをその意匠意図を保持したまま短時間で変形処理可能な3次元モデル変形システム及びプログラムに関する。
従来、複数の面で定義された3次元モデル(立体形状)を変形(モーフィング)する3次元モデル変形システムが知られている。
ところで、3次元モデルを大局的に変形させる際に、例えば市販のCADソフトの拡大/縮小機能を用いてスケーリング処理を行うと、意匠意図を保持したままの変形を実現することができない。例えば、変形前円形だった箇所を変形後も円形のまま保持したいという操作者側の意図があったとしても、拡大/縮小処理を用いると変形後は楕円形になってしまう可能性が高い。
この点を考慮して、3次元モデル内に複数の拘束点を設定し、意匠意図を保持したまま大局的に(グローバルに)変形させることを狙ったシステムも提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
特許文献1には、3次元モデルの断面輪郭上に1以上の操作点を設定し、これら操作点を移動させて目標の輪郭形状を設定し、この目標輪郭形状に上記1以上の操作点を移動させることによって、3次元モデルを変形させるシステムが開示されている。
特許文献2には、3次元モデルの表面上に1以上の操作点を設定し、これら操作点を目標とする3次元モデルの表面上に移動させ、この操作点の移動に基づいてモデルを大局的に変形させるシステムが開示されている。
特開2002−269586号公報 特開2004−78309号公報
しかしながら、従来のシステムでは、複数の拘束指示と意匠意図の保持とを両立できない。例えば、複数の面が相互に拘束し合う3次元形状に市販CADのパラメトリック機能を適用して所定の拘束条件の下で所望の大局的な変形を実現しようとすると、膨大な演算工程と処理時間が掛かる。
また、上記特許文献1及び2に開示されたシステムでは、3次元モデルの複数の断面上に操作点を配置して、それぞれの操作点を移動させて3次元モデル全体の変形を行わなければならないため、操作点の設定に手間が掛かると共に、変形後の形状(意匠)をイメージした上で予め操作点を設定することは困難である。さらに、操作点を移動する際に、変形後の3次元モデル形状のイメージを得ることが難しく、必ずしも操作者の意匠意図が反映されない可能性がある。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、3次元モデルをその意匠意図を保持したまま短時間で変形処理可能な3次元モデル変形システム及びプログラムを提供することを主たる目的とする。
上記目的を達成するための本発明の第一の態様は、複数の面で定義され、任意の対象物を表す3次元モデルを変形する3次元モデル変形システムであって、予め記憶保持された上記対象物のおおよその外形を表す骨格線を変形しようとする3次元モデルに合わせ込み、該3次元モデルのおおよその外形を表すベース曲線を作成するベース曲線作成手段と、上記変形しようとする3次元モデルを点群化する第一のポリゴン化手段と、上記ベース曲線作成手段により作成された上記変形しようとする3次元モデルのベース曲線に操作者の指示に応じて任意の変形を加えるベース曲線変形手段と、上記ベース曲線作成手段により作成された任意変形前のベース曲線から上記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線へのベース曲線変位に基づいて、上記第一のポリゴン化手段により作成された上記変形しようとする3次元モデルを表す点群を変位させ、上記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線に対応した点群を求める点群変位演算手段と、該点群変位演算手段により求められた点群から複数の面で定義された3次元モデルを創成する第二のポリゴン化手段とを有する3次元モデル変形システムである。
この第一の態様において、本システムに入力される(変形前の)3次元モデルとは、例えばCAD等によって作成された自由曲面による立体形状である。
この第一の態様によれば、複数の面により定義されているために本来的には面間相互の拘束が比較的強い3次元モデルについて、要素相互間の拘束が比較的弱いベース曲線を用意し、このベース曲線を任意に変形させることによって、このベース曲線変位に基づいて3次元モデルが変形されるため、変形前後で意匠意図を保持しつつ、演算処理工程を低減することができる。
なお、この第一の態様において、操作者が変形後のベース曲線をイメージしながらベース曲線を任意に変形できるように、上記3次元モデル変形システムが、変形前後の上記ベース曲線、変位前後の上記点群、及び、上記ベース曲線変形手段によるベース曲線の変形過程を操作者に表示する表示手段を更に有することが好ましい。
上記目的を達成するための本発明の第二の態様は、コンピュータにロードされたとき、該コンピュータに、複数の面で定義され、任意の対象物を表す3次元モデルを変形させる3次元モデル変形プログラムであって、上記コンピュータを、予め記憶保持された上記対象物のおおよその外形を表す骨格線を変形しようとする3次元モデルに合わせ込み、該3次元モデルのおおよその外形を表すベース曲線を作成するベース曲線作成手段、上記変形しようとする3次元モデルを点群化する第一のポリゴン化手段、上記ベース曲線作成手段により作成された上記変形しようとする3次元モデルのベース曲線に操作者の指示に応じて任意の変形を加えるベース曲線変形手段、上記ベース曲線作成手段により作成された任意変形前のベース曲線から上記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線へのベース曲線変位に基づいて、上記第一のポリゴン化手段により作成された上記変形しようとする3次元モデルを表す点群を変位させ、上記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線に対応した点群を求める点群変位演算手段、及び、上記点群変位演算手段により求められた点群から複数の面で定義された3次元モデルを創成する第二のポリゴン化手段、として機能させる3次元モデル変形プログラムである。
この第二の態様において、本プログラムにより処理される(変形前の)3次元モデルとは、例えばCAD等によって作成された自由曲面による立体形状である。
この第二の態様によれば、複数の面により定義されているために本来的には面間相互の拘束が比較的強い3次元モデルについて、要素相互間の拘束が比較的弱いベース曲線を用意し、このベース曲線を任意に変形させることによって、このベース曲線変位に基づいて3次元モデルが変形されるため、変形前後で意匠意図を保持しつつ、演算処理工程を低減することができる。
上記目的を達成するための本発明の第三の態様は、上記第二の態様に係る3次元モデル変形プログラムを記憶している記憶媒体である。
本発明によれば、3次元モデルをその意匠意図を保持したまま短時間で変形処理可能な3次元モデル変形システム及びプログラムを提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。なお、複数の面で定義された3次元モデルを変形する3次元モデル変形システムの基本概念、主要なハードウェア構成、作動原理、及び基本的な制御手法等については当業者には既知であるため、詳しい説明を省略する。
また、以下に説明する実施例においては、一例として、車両デザイン変更のために車両外形全体を表す3次元モデルを変形する場合について説明する。
以下、図1〜7を参照して、本発明の一実施例に係る3次元モデル変形システムについて説明する。
図1は、本実施例に係る3次元モデル変形システム100の概略構成図である。
3次元モデル変形システム100は、任意の対象物を表す3次元モデルを本システム内に取り込む3次元モデル取込部101を有する。ここで、3次元モデルとは、複数の面で定義された立体形状であり、例えばCAD等によって作成された自由曲面から成る。
3次元モデル変形システム100は、更に、ユーザ操作を受け付けるユーザ入力部102を有する。ユーザ入力部102は、マウスやトラックパッドやキーボードなどの1以上の任意のユーザ入力装置を含む。
3次元モデル変形システム100は、更に、1以上の骨格線を記憶保持する記憶部103を有する。記憶部103は、任意の記憶媒体でよい。本実施例において、記憶部103は、車両外形全体を表す3次元モデル用の複数の骨格線(例えば、1BOX/2BOX用、ピックアップ用、3BOX用、など)を予め記憶しておく。
3次元モデル変形システム100は、更に、変形前後のベース曲線(後述)、変位前後の点群(後述)、及び、ベース曲線の変形過程、をユーザに視覚的に表示する表示部104を有する。表示部104は、例えば、ディスプレイ装置である。
3次元モデル変形システム100は、更に、後述するような種々の演算処理を行うと共に、上記の構成要素の各々を統括的に制御する演算制御部105を有する。演算制御部105は、例えば、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)である。
次いで、このような構成の3次元モデル変形システム100の動作・作用について図2〜6を用いて説明する。図2は、本実施例に係る3次元モデル変形システム100の処理の流れを示すフローチャートであり、図3〜6は、図2の各ステップにおける処理の様子を概略的に示す模式図である。
まず、3次元モデル取込部101により変形しようとする3次元モデル(図3(a))が本システム内に取り込まれると、演算制御部105は、取り込まれた3次元モデルに最も適した骨格線(図3(b))を記憶部103から抽出し、抽出した骨格線を取り込まれた3次元モデルに合わせ込む(図2のS201)。
この合わせ込みは、従来通りの曲線の修正手法(例えば制御点移動など)により実現可能である。この際、3次元モデルは変更せずに、骨格線側をトポロジーは変更せずに3次元モデルの少なくとも一部の面に略接するように修正する(図3(c))。
ここで、3次元モデルが複数の面で定義された自由曲面であるの対し、骨格線は、複数の曲線によって定義された自由線であるため、拘束条件が弱く、少ない演算工程で容易に修正が可能である。
このように、変形しようとする3次元モデルに合わせ込むように修正された骨格線を、以降、当該3次元モデルのベース曲線と称す。演算制御部105は、作成されたベース曲線を表示部104に指示してユーザへ表示させる。
次いで、演算制御部105は、3次元モデル取込部101により取り込まれた3次元モデルの自由曲面(図4(a))をポリゴン化して、当該自由曲面を表す点群(図4(b))を作成する(図2のS202)。曲面を点群する具体的手法については、当業者には既知であり、市販のCADの機能にて実現可能でもあることから、ここでは詳しい説明を省略する。
次いで、演算制御部105は、ユーザ入力部102を通じて入力されたユーザ操作に基づいて、S201で作成されたベース曲線に修正を加える(図2のS203)。図5は、一例として、S201で作成された(変形前の)ベース曲線(a)を、ユーザの(例えば延長方向及び数値の)指示に基づいて、トポロジーはそのままで全長だけを延ばし、変形後のベース曲線(b)を作成した場合について示している。
このベース曲線の任意変形は、具体的には、S201と同様の手法により実現可能である。市販CADのパラメトリック機能を利用すれば、曲線のある長さ等を変更するだけで容易に変形後のベース曲線を作成することが可能である。
演算制御部105は、作成された変形後のベース曲線(図5(b))を表示部104に指示してユーザへ表示させる。ユーザが変形後のベース曲線をイメージしやすいように、ユーザがベース曲線変形指示を入力中に、変形前のベース曲線(図5(a))から変形後のベース曲線(図5(b))までの変形過程(すなわち、入力に応じて徐々に変化していく様子)も表示させることが好ましい。
次いで、演算制御部105は、図5に示すようなベース曲線の変形に基づいて、このベース曲線変位に対応させて、S202で作成した変形しようとする3次元モデルを表す点群を変位させる(図2のS204)。換言すれば、S202で作成された点群(図6(a))を、変形前のベース曲線(図5(a))を変形後のベース曲線(図5(b))へ変位させるのと同様に変位させたときにどのような点群(図6(b))が得られるのかを求める。
このようにしてユーザにより指定されたベース曲線変形に応じて点群が変形されると、次いで、演算制御部105は、変位後の点群(図6(b))をポリゴン化して、曲面群、すなわち変形後の3次元モデルを創成する(S205)。
このようにして、ベース曲線の変形に基づいた3次元モデルの変形が実現される。
以下、図2のS204における変位後の点群の演算方法について、2通りの方法を説明する。ここでは、仮に、1つ目の方法を最小自乗モデル、2つ目の方法を引力モデル、と称す。
(最小自乗モデル)
まず、1つ目の最小自乗モデルによる演算方法について図7を用いて説明する。ここでは、簡易化のために図7に示すような局所的微小部分において、変形前ベース曲線Fが変形後ベース曲線Tへと変位したのに対応し、変形前の点群の各々が変形後の点群ではどこに位置するのかを求める場合を考える。
本実施例では、変形前ベース曲線F上の点X(=(x,y,z))が変位ベクトルV(=(u,v,w))で変形後ベース曲線T上に移動するもの(i=1,2,・・・N)とし、さらに、これに応じて変形前の点群の各点Xが変位関数D(x)で変位するものとして、
Figure 0003829862
が最小となるような変位関数D(X)を求める。この上記Mを最小とする演算において、本実施例では係数αを1とする(α=1)。
上記式(1)において、変位関数D(X)は、B−Splineの基底関数N(x)、N(y)、及びN(z)を利用して、以下のように定義する。
Figure 0003829862
ここで、Ai,j,kは、B−Splineの制御点で未知数である。
また、上記式(1)において、Eは、暴れ防止エネルギを表しており、以下のように定義する。
Figure 0003829862
すなわち、
Figure 0003829862
とする。但し、u_ijk、v_ijk、及びw_ijkは、それぞれ制御点Ai,j,kに対するGrevilleパラメータとする。
このようにして、上記式(1)で表されたMの値が最小となるときの変位関数D(X)を、変形前の点群(図6(a))を変形後の点群(図6(b))へ移動させる変位関数として用いる。
この最小自乗モデルによれば、変位関数としてB−Spline基底関数を利用するため、得られた変形後の3次元モデルを全体として滑らかな曲面とすることができる。
(引力モデル)
次いで、2つ目の引力モデルによる演算方法について図8〜11を用いて説明する。この引力モデルでは、3次元モデルを表す点群の各点がベース曲線への距離に応じて影響を受けると考え、ベース曲線に近い点ほど大きな変位を生ずるものとするモデルである。
まず、簡易化のために図8に示すような局所的微小部分において、変形前ベース曲線Fが変形後ベース曲線Tへと変位したのに対応し、変形前の点群の各々が変形後の点群ではどこに位置するのかを求める場合を考える。
いま、変形前のベース曲線Fを、点群中の一点Xに対する変形前ベース曲線F上の線長パラメータでXから変形前ベース曲線Fへの垂線の足パラメータであるS(X)の関数としてC(S(X))と表し、同様に、変形後のベース曲線TをC(S(X))と表し、S(X)/L=S(X)/Lが満たされるようにする。ここで、LはCの線長であり、LはCの線長である。
変形前ベース曲線Fが変形後ベース曲線Tに移動するのに応じて、変形前の点群の各点Xは、変位ベクトルD(C(S(X)))で変位する。すなわち、点Xは、点(X+D(C(S(X))))に変位する。
実際には、変形前ベース曲線F及び変形後ベース曲線Tはそれぞれ複数本存在するため、次いで、図9について考える。図9では、変形前ベース曲線Fと変形後ベース曲線Tがそれぞれ複数本存在する場合の中で最も簡易な一例として2本ずつの場合を示している。
変形前ベース曲線FがN本あるとし、それぞれ、Cf1(Sf1)、Cf2(Sf2)、・・・CfN(SfN)と表すものとすると、i番目の変形前ベース曲線Cfiについて点Xに対するCfi上の点Cfi(Sfi(X))での変位ベクトルは、D(X,Cfi(Sfi))と表すことができる。
したがって、図9の場合、1番目の変形前ベース曲線Cf1上の点Cf1(Sf1)についての変位ベクトルはD(X,Cf1(Sf1(X)))となり、2番目の変形前ベース曲線Cf2上の点Cf2(Sf2)についての変位ベクトルはD(X,Cf2(Sf2(X)))となる。
そして、この引力モデルでは、この変位ベクトルD(X,Cfi(Sfi))に重み付けを行う。ここでは、変位ベクトルD(X,Cfi(Sfi))に掛かる重み関数をW(X,Cfi(Sfi))で表す。
この重み関数は、一旦、距離の自乗に反比例する一般的な重み付けとして以下のように定義しておく。
Figure 0003829862
すると、変形前ベース曲線Fと変形後ベース曲線Tがそれぞれ複数本ずつ存在する場合の点Xの変位ベクトルD(X)は、
Figure 0003829862
と表すことができる。但し、
Figure 0003829862
及び
Figure 0003829862
である。
以上の説明では、点Xに対応した変形前ベース曲線F上の点を求めるために垂線パラメータを用いたが、垂線を引けない場合や、同じ曲線でも線数によって不都合が生じる場合もあり得る。そこで、以下のような積分モデルを考える。
まず、図10に示すように、1本の変形前ベース曲線F(i番目の変形前ベース曲線Cfi)をN個の微小線ΔSに分割する。
いま、ji番目の微小線ΔSji(=Si,ji+1−Si,ji)をCfi(Sfi))で置き換えると、変位ベクトルD(X,Cfi(Sfi(X)))は、ΔSjiを始点として変位とみなすことができるため、
Figure 0003829862
及び
Figure 0003829862
と表すことができる。上記式(7)では、仮に、重みを距離の自乗としてある。
ここで、1本の変形前ベース曲線FはN個の微小線ΔSjiから構成されているため、1本の変形前ベース曲線Fに対する変位F(Cfi(X))は、積分により、
Figure 0003829862
と表すことができる。
さらに、実際には変形前ベース曲線Fは複数本存在するため、すべての変形前ベース曲線Fに対する変位F(Cfi(X))は、積分により、
Figure 0003829862
と表すことができる。
よって、最終的な変位ベクトルD(X)は、
Figure 0003829862
となる。
なお、上記では、重み関数W(X,Cfi(Sfi)))を距離の自乗に反比例するものとしたが、これではベース曲線まである程度遠い位置に存在する点でもわずかながら影響を受けることになる。換言すれば、ベース曲線からの影響が完全にゼロとなる点が存在しないことになる。
そこで、下記式(11)及び図11に示すようなある程度ベース曲線から離れた点は影響が完全にゼロとなるような重み関数を利用することにより、意匠意図をより良く保持した変位が実現される。
Figure 0003829862
図11において、実線が式(11)で表された重み関数であり、破線が上記の距離の自乗に反比例した重み関数の場合である。ここで、関数F(d)は、区間d<d≦dを滑らかにつなぐ曲線である。
さらに、この引力モデルにおける重み付けでは、特に意匠意図を確実に保持したい箇所について、ベース曲線が点群に与える影響力(引力)を強くするために、ベース曲線を構成する曲線群のうちの任意の曲線を二重に重ね、その曲線からの引力を倍にして当該箇所の拘束力を強めるようにしてもよい。
この引力モデルによれば、上記のような引力モデル関数の定義やベース曲線の重ね合わせにより、変位後の点群をポリゴン化して曲面を創成する際に、変形後のベース曲線に比較的接近する傾向の曲面群を創成することができる。
以上、図2のS204における点群を変位させる手法について、具体的方法を2つ例に挙げて説明した。
このように、本実施例によれば、相互に関連する面群を大局的に変形させるよりも線群及び点群を変形させる方が拘束条件が弱く、演算処理負荷が低いことに鑑み、複数の面で定義された3次元形状である3次元モデルに複数の曲線から成るベース曲線を与えると共に、元の3次元モデルを点群に落とし込み、ベース曲線に与えられた所望の変形に基づいて元の3次元モデルを表す点群を変位させることによって3次元モデルを変形するため、3次元モデルの意匠意図や拘束を考慮し、且つ、短時間の簡易な演算工程で変形処理を実行することができる。
本発明は、複数の面で定義された3次元モデルを変形する3次元モデル変形システム及びプログラムに幅広く利用できる。3次元モデルによって表される対象物は、車両にかかわらず、任意の工業製品でよい。
本発明の一実施例に係る3次元モデル変形システムの概略構成図である。 本発明の一実施例に係る3次元モデル変形システムの処理の流れを示すフローチャートである。 図2のフローチャートのS201における処理の様子を概略的に示す模式図である。 図2のフローチャートのS202における処理の様子を概略的に示す模式図である。 図2のフローチャートのS203における処理の様子を概略的に示す模式図である。 図2のフローチャートのS204における処理の様子を概略的に示す模式図である。 図2のフローチャートのS204における処理の一例(最小自乗モデル)による点群変位の様子を示す図である。 図2のフローチャートのS204における処理の別の一例(引力モデル)による点群変位の様子を示す図である。 図2のフローチャートのS204における処理の別の一例(引力モデル)による点群変位の様子を示す図である。 図2のフローチャートのS204における処理の別の一例(引力モデル)による点群変位を説明するための図である。 図2のフローチャートのS204における処理の別の一例(引力モデル)による重み付けを説明するためのグラフである。
符号の説明
100 3次元モデル変形システム
101 3次元モデル取込部
102 ユーザ入力部
103 記憶部
104 表示部
105 演算制御部

Claims (4)

  1. 複数の面で定義され、任意の対象物を表す3次元モデルを変形する3次元モデル変形システムであって、
    予め記憶保持された前記対象物のおおよその外形を表す骨格線を変形しようとする3次元モデルに合わせ込み、該3次元モデルのおおよその外形を表すベース曲線を作成するベース曲線作成手段と、
    前記変形しようとする3次元モデルを点群化する第一のポリゴン化手段と、
    前記ベース曲線作成手段により作成された前記変形しようとする3次元モデルのベース曲線に操作者の指示に応じて任意の変形を加えるベース曲線変形手段と、
    前記ベース曲線作成手段により作成された任意変形前のベース曲線から前記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線へのベース曲線変位に基づいて、前記第一のポリゴン化手段により作成された前記変形しようとする3次元モデルを表す点群を変位させ、前記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線に対応した点群を求める点群変位演算手段と、
    前記点群変位演算手段により求められた点群から複数の面で定義された3次元モデルを創成する第二のポリゴン化手段と、を有することを特徴とする3次元モデル変形システム。
  2. 請求項1記載の3次元モデル変形システムであって、
    変形前後の前記ベース曲線、変位前後の前記点群、及び、前記ベース曲線変形手段によるベース曲線の変形過程を操作者に表示する表示手段を更に有する、ことを特徴とする3次元モデル変形システム。
  3. コンピュータにロードされたとき、該コンピュータに、複数の面で定義され、任意の対象物を表す3次元モデルを変形させる3次元モデル変形プログラムであって、
    前記コンピュータを、
    予め記憶保持された前記対象物のおおよその外形を表す骨格線を変形しようとする3次元モデルに合わせ込み、該3次元モデルのおおよその外形を表すベース曲線を作成するベース曲線作成手段、
    前記変形しようとする3次元モデルを点群化する第一のポリゴン化手段、
    前記ベース曲線作成手段により作成された前記変形しようとする3次元モデルのベース曲線に操作者の指示に応じて任意の変形を加えるベース曲線変形手段、
    前記ベース曲線作成手段により作成された任意変形前のベース曲線から前記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線へのベース曲線変位に基づいて、前記第一のポリゴン化手段により作成された前記変形しようとする3次元モデルを表す点群を変位させ、前記ベース曲線変形手段により作成された任意変形後のベース曲線に対応した点群を求める点群変位演算手段、及び、
    前記点群変位演算手段により求められた点群から複数の面で定義された3次元モデルを創成する第二のポリゴン化手段、として機能させることを特徴とする3次元モデル変形プログラム。
  4. 請求項3記載の3次元モデル変形プログラムを記憶していることを特徴とする記憶媒体。
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