JP2000047566A - 物体の毛並接触感シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物体表面の毛並に対する接触感を疑似的に体
験させる。 【解決手段】 多数の毛並ベクトルＨからなる毛並テク
スチャＴを定義し、仮想物体の表面にマッピングする。
オペレータの指に固定され任意方向に移動可能な作用部
上に作用点Ｐを定義し、この作用点Ｐの毛並テクスチャ
Ｔ上での移動ベクトルＭｓを認識する。移動ベクトルＭ
ｓと毛並ベクトルＨとのなす角θ（０≦θ≦π）に応じ
て、θ＝０のときに関数値が０で、θが大きくなるほど
値が大きくなる関数Ｒ（θ）を設定する。向きが移動ベ
クトルＭｓとは逆向きで、大きさが関数値Ｒ（θ）とな
るような毛並反力ベクトルを定義し、この毛並反力ベク
トルに応じた力を作用点Ｐに加えることにより、オペレ
ータの指に毛並に応じた反力を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物体の接触感シミュ
レーション装置に関し、特に、物体表面の毛並の接触感
を疑似的に体験させることのできるシミュレーション装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータを利用したシミュレーショ
ンは、種々の分野で採り入れられており、特に近年で
は、コンピュータの画像処理機能の向上により、いわゆ
るバーチャル・リアリティーと呼ばれている仮想現実の
世界をディスプレイ画面上に表示するシミュレーション
装置が普及してきている。この種のシミュレーション装
置では、通常、オペレータは仮想の空間内を自由に移動
することができ、オペレータの移動に伴ってディスプレ
イの表示画面がリアルタイムで描き換えられてゆく。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
シミュレーション装置は、ディスプレイ上の映像などを
利用して、オペレータの視覚を通じて仮想の世界を提示
することに主眼が置かれており、オペレータの触覚を通
じて仮想の世界を提示する機能に乏しい。特に、絨毯や
カーペットの表面を触れたときの毛並の接触感を疑似的
に体験させることができるシミュレーション装置は、現
在のところ実用化に至っていない。

【０００４】そこで本発明は、物体表面の毛並に対する
接触感を疑似的に体験させることができるシミュレーシ
ョン装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、方向性をもった毛並の情報が表面に付与された仮
想物体を定義し、この仮想物体に対する接触感を疑似的
に体験させるための物体の毛並接触感シミュレーション
装置において、仮想物体およびその表面に付与される毛
並の方向を定義するための情報を設定する物体情報設定
手段と、オペレータから加えられた力に基いて三次元の
任意方向に移動可能な作用点を有する作用部と、作用点
の三次元座標系上での位置を検出する位置検出部と、与
えられた力制御ベクトルに基いて作用点に加える力を発
生させる力発生部と、を有する力トランスデューサと、
位置検出部が時間差をもって検出した作用点の位置の情
報により作用点の移動方向を認識し、仮想物体の表面に
定義された毛並の方向と移動方向とのなす角度に基い
て、毛並に起因して生じる毛並反力を求め、この毛並反
力に基いて作用点に加えるべき制御力を示す力制御ベク
トルを求め、求めた力制御ベクトルを力トランスデュー
サへ与える制御を行う演算制御手段と、を設けるように
したものである。

【０００６】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション装置に
おいて、演算制御手段が、位置検出部が検出した作用点
の位置と物体情報設定手段内の情報により定義された仮
想物体の位置とに基いて、作用点と仮想物体との相互位
置関係を認識し、作用点が仮想物体の内部にあると判断
された場合にのみ、毛並反力に基く制御力を与える処理
を行うようにしたものである。

【０００７】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
または第２の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーシ
ョン装置において、演算制御手段が、毛並の方向と移動
方向とのなす角度θを０≦θ≦πの範囲で定義し、θが
大きくなればなるほど大きな毛並反力が得られるような
演算を行い、移動方向に抗する方向に毛並反力が作用す
るように、力制御ベクトルを求めるようにしたものであ
る。

【０００８】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション
装置において、物体情報設定手段内に、仮想物体の形状
を示す形状データと、平面上にそれぞれ所定方向を向い
た多数の毛並ベクトルを定義してなる毛並テクスチャと
を用意し、演算制御手段が、仮想物体の表面に毛並テク
スチャをマッピングする処理を行い、作用点近傍にマッ
ピングされた毛並ベクトルを用いて毛並反力を求める演
算を行うようにしたものである。

【０００９】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４
の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション装置に
おいて、仮想物体を定義するための情報として、仮想物
体の表面を二次元多角形の集合体として表現する形状デ
ータを設定し、作用点Ｐを最も近い二次元多角形α上に
投影して投影点Ｐｓを求め、作用点Ｐの三次元空間上で
の移動方向を示す移動ベクトルＭを二次元多角形α上に
投影して平面移動ベクトルＭｓを求め、投影点Ｐｓの近
傍に定義されている毛並ベクトルＨと平面移動ベクトル
Ｍｓとのなす角度θに基いて毛並反力の大きさを決定
し、移動ベクトルＭｓに対して逆方向を毛並反力の作用
する向きとするようにしたものである。

【００１０】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第４
または第５の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーシ
ョン装置において、仮想物体の表面近傍に、複数の毛並
テクスチャを層構造をなすように重ねてマッピングし、
作用点に最も近い層にマッピングされた毛並テクスチャ
を用いて毛並反力を求める演算を行うようにしたもので
ある。

【００１１】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１
〜第６の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション
装置において、作用点の移動速度が大きくなればなるほ
ど、毛並反力の大きさを大きく設定する演算を行うよう
にしたものである。

【００１２】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１
〜第７の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション
装置において、演算制御手段が、仮想物体の表面と作用
点との距離ｄに基づいて定まる面反力Ｆｓを演算する機
能を有し、この面反力Ｆｓと毛並反力Ｆｈとの合成力に
基いて作用点に加えるべき制御力を示す力制御ベクトル
を求めるようにしたものである。

【００１３】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第８
の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーション装置に
おいて、仮想物体を定義するための情報として、仮想物
体の硬さを示すパラメータＫを設定できるようにし、面
反力Ｆｓの大きさを、パラメータＫと距離ｄとの積（Ｋ
・ｄ）に基いて決定するようにし、面反力Ｆｓの向き
を、作用点近傍の仮想物体表面に立てた法線の向きとす
るようにしたものである。

【００１４】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
１〜第９の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーショ
ン装置において、仮想物体を表示するためのディスプレ
イと、物体情報設定手段内に設定された情報および位置
検出部が検出した作用点の位置の情報に基いて、ディス
プレイの画面上の所定の表示位置に仮想物体の形状およ
び作用点を描画する物体形状描画手段と、を更に設け、
オペレータに仮想物体の形状および位置ならびに作用点
の位置を提示できるようにしたものである。

【００１５】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
１〜第１０の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーシ
ョン装置において、二次元平面上に配置された多数の毛
根点と、これら各毛根点上に標準方向を向いて定義され
た毛並ベクトルとによって構成される標準テクスチャを
オペレータに提示する機能と、オペレータの指示に基い
て各毛並ベクトルの向きを修正する機能と、修正後に各
毛根点に定義されている毛並ベクトルからなる毛並テク
スチャを、毛並の方向を定義するための情報として物体
情報設定手段に格納する機能と、を有する毛並テクスチ
ャ作成手段を更に設けるようにしたものである。

【００１６】(12) 本発明の第１２の態様は、コンピュ
ータを、上述の第１〜第９の態様に係る物体の毛並接触
感シミュレーション装置として機能させるためのプログ
ラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録す
るようにしたものである。

【００１７】(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第
１〜第１１の態様に係る物体の毛並接触感シミュレーシ
ョン装置において、力トランスデューサの作用部を、オ
ペレータの指先に嵌めて固定できる指サックにより構成
し、オペレータの指の動きに基いて作用点が移動できる
ようにするとともに、力制御ベクトルに基く制御力が指
サックを介してオペレータの指に伝達されるように構成
したものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】§１． 装置の基本構成 以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。図
１は本発明の一実施形態に係る物体の毛並接触感シミュ
レーション装置の基本構成を示すブロック図である。こ
の装置では、方向性をもった毛並の情報が表面に付与さ
れた仮想物体を定義し、この仮想物体に対する接触感を
疑似的に体験させるためのシミュレーションを行うこと
ができる。この装置の構成要素は、図示のとおり、物体
情報設定手段１０と、ディスプレイ２０と、物体形状描
画手段３０と、演算制御手段４０と、力トランスデュー
サ５０と、毛並テクスチャ作成手段６０と、である。

【００１９】物体情報設定手段１０は、仮想物体および
その表面に付与される毛並の方向を定義するための情報
を設定する機能を有する。オペレータが、この物体情報
設定手段１０に対してデータやパラメータなどの情報を
入力すると、入力された情報は、この物体情報設定手段
１０内に格納され保持される。オペレータは、物体情報
設定手段１０に対して設定したデータやパラメータを変
更することにより、シミュレーションの条件設定を適宜
変えることができる。この実施形態では、仮想物体を定
義するための情報として、図示のように、形状データ，
質感データ，光源データなる３種類のデータと、仮想物
体の硬さを示すパラメータＫとを設定できるようにして
おり、毛並の方向を定義するための情報として、毛並テ
クスチャＴなるデータを設定できるようにしている。こ
れらのデータやパラメータについては、後に詳述する。
また、毛並テクスチャ作成手段６０は、物体情報設定手
段１０内に設定される毛並テクスチャＴのデータを作成
する処理を行う機能を有しており、この処理についても
後述する。

【００２０】ディスプレイ２０は、仮想物体を表示する
ための手段であり、図１では立方体形状の仮想物体Ｂが
所定位置に表示されている状態が示されている。物体形
状描画手段３０は、物体情報設定手段１０内に設定され
た情報（形状データ，質感データ，光源データ）に基い
て、ディスプレイ２０の画面上の所定位置に仮想物体Ｂ
の形状を描画する機能を有する。なお、物体形状描画手
段３０は、仮想物体Ｂだけでなく、後述する作用点Ｐの
位置を、ディスプレイ２０の画面上に描画する機能を有
しており、図示のとおり、ディスプレイ２０の画面上に
は、仮想物体Ｂとともに、作用点Ｐの位置が表示され
る。

【００２１】力トランスデューサ５０は、作用部５１、
位置検出部５２、力発生部５３を有しており、演算制御
手段４０に接続されている。力トランスデューサ５０
は、オペレータに対するマン・マシン・インターフェイ
スとして機能し、オペレータから与えられる操作量を入
力するとともに、オペレータに対して力を返す働きをす
る。この実施形態では、力トランスデューサ５０は、１
本の指としての機能を果たすことになり、仮想物体に対
する接触感は、この指を介して体験することになる。

【００２２】作用部５１上には、作用点Ｐが定義されて
おり、この作用点Ｐはオペレータから加えられた力に基
いて三次元の任意方向に移動可能となっている。図１の
ディスプレイ２０上に表示されている作用点Ｐは、この
作用部５１上の作用点の位置である。位置検出部５２
は、作用部５１上の作用点Ｐの三次元座標系上での位置
を検出する機能を有する。具体的には、作用点Ｐの位置
は、ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標の３つの座標値として検出
されることになる。ここでは、この３つの座標値によっ
て示された作用点Ｐの位置をＰ（ｘ，ｙ，ｚ）なるデー
タで表わすことにする。

【００２３】この作用点の位置を示すデータＰ（ｘ，
ｙ，ｚ）は、演算制御手段４０に与えられ、更に、物体
形状描画手段３０へと与えられる。物体形状描画手段３
０は、前述したように、この位置を示すデータに基い
て、ディスプレイ２０の画面上に作用点Ｐの位置を描画
することになる。一方、演算制御手段４０は、位置検出
部５２が検出した作用点Ｐの位置と物体情報設定手段１
０内の情報により定義された仮想物体の位置とに基い
て、作用点Ｐと仮想物体Ｂとの相互位置関係を認識し、
その認識結果に応じて作用点Ｐに生じるべき反力（仮想
物体側からオペレータ側へと返される力）を求める演算
を行う。ここで行われる具体的な演算内容については後
に詳述する。こうして、作用点Ｐに生じるべき反力が得
られたら、この反力に基いて作用点Ｐに加えるべき制御
力を示す力制御ベクトルＣが求められ、この力制御ベク
トルＣを示すデータは、力トランスデューサ５０へ与え
られる。力トランスデューサ５０内の力発生部５３は、
演算制御手段４０から与えられた力制御ベクトルＣに基
いて作用点Ｐに加える力を発生させる機能を有する。

【００２４】§２． 物体情報設定手段に設定される情
報 続いて、図１に示すシミュレーション装置において、物
体情報設定手段１０内に設定される具体的な情報につい
て説明する。前述したように、この実施形態では、形状
データ，質感データ，光源データ，硬度を示すパラメー
タＫ，毛並テクスチャＴが設定される。

【００２５】形状データは、仮想物体の三次元形状を特
定するためのデータである。ここでは、仮想物体の表面
を二次元多角形の集合体として表現するようにしてお
り、二次元多角形の頂点座標を示す頂点テーブルと、各
二次元多角形を構成する頂点の連結関係を示す面テーブ
ルと、によって形状データを構成するようにしている。
たとえば、図２(a) に示すような立方体からなる仮想物
体を定義する場合を考える。この立方体は、６つの正方
形の集合体として表現することができ、図に１〜８の番
号を付した合計８個の頂点によって構成される。このよ
うな立方体についての形状データは、図２(b) に示す頂
点テーブルと図２(c) に示す面テーブルによって構成で
きる。図２(a) に示す頂点テーブルは、８個の頂点のそ
れぞれについて、ＸＹＺ三次元座標系における位置座標
を示している。図示の例では、図２(a) に示す立方体
は、頂点１が座標系の原点に位置し、頂点１−２に沿っ
た辺がＸ軸上、頂点１−４に沿った辺がＹ軸上、頂点１
−５に沿った辺がＺ軸上に位置しており、一辺の長さが
１となる立方体である。図２(b) の頂点テーブルは、単
に８個の頂点の位置座標を示すものであり、仮想物体の
形状は、実際には、図２(c) の面テーブルによって定義
されることになる。この面テーブルは、この立方体を構
成する６個の面〜の頂点構成を示しており、たとえ
ば、面は、頂点１−２−６−５を連結することにより
形成される面になる。

【００２６】このように、頂点テーブルと面テーブルと
を用いれば、任意形状の仮想物体の表面を定義すること
ができる。図２の例では、仮想物体の表面を四角形の集
合体として定義したが、三角形や六角形など、用いる多
角形はどのようなものでもかまわない。また、本発明を
実施する上では、仮想物体の形状定義は必ずしも二次元
多角形を用いる必要はない。たとえば、球や円錐などで
あれば、方程式を用いて定義することも可能であり、物
体情報設定手段１０に設定される形状データは、数値、
式を問わず、形状を定義することができる情報であれば
どのようなものでもかまわない。なお、ここに示す実施
形態では、形状データは座標を示す情報（図２の例で
は、頂点テーブル内の各座標値）を含んでいるため、形
状とともに位置を定義する情報として機能する。もちろ
ん、形状データとは別個に位置を示すための位置データ
を設定するようにしてもよい。

【００２７】物体情報設定手段１０に設定される質感デ
ータは、形状データによって定義された仮想物体の表面
の質感を示すためのデータである。具体的には、仮想物
体を構成する各面（図２の例では、面〜）について
の環境色，拡散色，鏡面色，鏡面係数などの値が質感デ
ータとして設定される。また、光源データは、この仮想
物体を照明するための光源の性質を示すデータであり、
光源の形状（点，線，面），光源の位置，光源色などを
示すデータが光源データとして設定される。この質感デ
ータおよび光源データは、ディスプレイ２０の画面上
に、定義した仮想物体を表示するために利用されるデー
タである。物体形状描画手段３０は、この質感データお
よび光源データを考慮して、仮想物体Ｂの形状を描画す
ることになる。

【００２８】一方、硬度を示すパラメータＫは、仮想物
体の表面の硬さを左右する要素であり、後述するよう
に、物体表面からの面反力の大きさを決定する係数とし
て機能する。このパラメータＫは、仮想物体の個々の表
面ごとにそれぞれ異なる値を設定することも可能である
が、本実施形態では、１つの仮想物体に対しては１つの
パラメータＫのみを設定するようにしている。したがっ
て、１つの仮想物体については、どの面についての硬さ
も同じであるが、異なる仮想物体については、それぞれ
異なるパラメータＫを設定しているので、物体ごとに硬
さの相違を体験することができる。もちろん、１つの仮
想物体の面ごとに、これらの設定を変えれば、同一の仮
想物体であっても、面ごとに異なる硬さを体験すること
ができるようになる。

【００２９】毛並テクスチャＴは、平面上にそれぞれ所
定方向を向いた多数の毛並ベクトルを定義したデータで
あり、一般の絵柄データと同様に、仮想物体の表面にマ
ッピングして用いられるため、本願では「テクスチャ」
という文言を用いている。図３(a) は、この毛並テクス
チャＴの概念を示す平面図である。図示の例では、図の
上方を向いた多数の毛並ベクトルＨが定義されている。
この例では、各毛並ベクトルＨは、いずれもこの毛並テ
クスチャＴを構成する平面内に含まれる二次元ベクトル
である。このような毛並テクスチャＴを定義するには、
平面上に多数の毛根点Ｑを配置し、各毛根点Ｑ上にそれ
ぞれ所定方向を向いた毛並ベクトルＨを定義すればよ
い。図３(a) に示す例では、すべての毛並ベクトルＨが
同一方向を向いているが、各毛並ベクトルＨは、表現し
たい毛並に応じた方向を向くように任意に定義してかま
わない。

【００３０】この実施形態では、物体情報設定手段１０
内に、このような毛並テクスチャＴが複数通り用意され
ており、各物体の質感データ内には、それぞれどの毛並
テクチャをどの面にどのような向きにマッピングすべき
かを示すデータも付加されている。図３(b) は、立方体
状の仮想物体の各面に、３種類の毛並テクスチャＴ１，
Ｔ２，Ｔ３をマッピングした状態を示す斜視図である。
いずれの毛並テクスチャも多数の毛並ベクトルＨを有し
ており、仮想物体の表面が多数の毛並ベクトルＨによっ
て覆われた状態になっている。

【００３１】概念的には、図３(a) に示す毛並テクスチ
ャＴは絨毯の切れ端と考えることができ、個々の毛並ベ
クトルＨは、この絨毯の毛並の方向を示していることに
なる。また、図３(b) に示す仮想物体は、立方体の各面
に、この絨毯の切れ端を貼りつけたものと考えることが
できる。本発明に係るシミュレーション装置では、この
ように、表面に絨毯を貼り付けた仮想物体を触れたとき
の感触を疑似的に体験させる機能を有している。

【００３２】§３． 具体的な装置構成 図１に示すブロック図は、説明の便宜上、本発明に係る
装置を機能要素の集合としてとらえ、個々の機能要素を
ブロックで示したものであり、実際には、このシミュレ
ーション装置はコンピュータを利用して構築される。す
なわち、図１に示す装置における物体情報設定手段１
０、物体形状描画手段３０、演算制御手段４０、毛並テ
クスチャ作成手段６０は、汎用のコンピュータに、上述
した各処理を実行するためのプログラムを組み込むこと
により構成することができる。たとえば、物体情報設定
手段１０に対するデータやパラメータの設定は、キーボ
ードやマウスなどのコンピュータ用入力機器を用いて行
うことができ、設定されたデータやパラメータはメモリ
や種々の記憶装置に格納されることになる。また、物体
形状描画手段３０による描画機能や、演算制御手段４０
および毛並テクスチャ作成手段６０による演算処理機能
は、コンピュータに組み込まれたプログラムによって実
現されることになり、このプログラムは、コンピュータ
読み取り可能な記録媒体に記録して配布することが可能
である。なお、ディスプレイ２０は、コンピュータ用の
一般的なディスプレイ装置によって構成できる。

【００３３】一方、力トランスデューサ５０は、オペレ
ータの物理的操作をデジタルデータ（作用点の位置を示
すデータ）に変換する第１の機能と、演算制御手段４０
から与えられるデジタルデータ（力制御ベクトルＣを示
すデータ）を物理的な力に変換してオペレータに与える
第２の機能とを実行する物理的な構成要素である。一般
的な物体に対する接触動作には、通常、指が用いられ
る。そこで、この実施形態では、上記機能が効果的に実
行されるように、力トランスデューサ５０の作用部５１
を、オペレータの指先に嵌めて固定できる指サックによ
り構成し、オペレータの指の動きに基いて作用点Ｐを移
動できるようにするとともに、力制御ベクトルＣに基く
制御力がこの指サックを介してオペレータの指に伝達さ
れるように構成した。

【００３４】図４は、この指サックの形態をした作用部
５１を用いて構成される力トランスデューサ５０の機能
を示すブロック図である。作用部５１は、ゴムなどの弾
力性をもった材料で構成されており、オペレータは、こ
の作用部５１を指の先端に装着して固定することができ
る。図示の例では、この作用部５１の先端部分に作用点
Ｐが定義されている（もちろん、作用点Ｐは作用部５１
のいずれの部分に定義してもかまわないが、操作性を向
上する上では、指先位置に定義するのが好ましい）。本
発明では、このような力トランスデューサを少なくとも
１組用意する必要がある。

【００３５】この力トランスデューサ５０において、作
用部５１は三次元の自由度をもって移動可能な状態に支
持されている必要がある。すなわち、作用点Ｐは、オペ
レータから加えられた力に基いて三次元の任意方向に移
動可能な状態になっている必要がある（もちろん、作用
点Ｐの移動可能空間は、所定の範囲内に制限されていて
かまわない）。したがって、オペレータは、作用部５１
を指先に装着した状態で、指先を三次元空間内の任意の
方向に移動させることができる。位置検出部５２は、前
述したように、作用点Ｐの三次元空間内の位置を、Ｐ
（ｘ，ｙ，ｚ）なる３つの座標値からなるデータとして
リアルタイムで逐次検出する機能を有している。一方、
力発生部５３は、演算制御手段４０からリアルタイムで
逐次与えられる力制御ベクトルＣに基いて、力ｆを発生
させ、これを作用点Ｐに逐次加える機能を果たす。ここ
で、作用点Ｐに加えられる力ｆは、力制御ベクトルＣの
向きおよび大きさをもった力である。

【００３６】結局、オペレータは、作用部５１を装着し
た指を任意の方向に動かすことが可能ではあるが、逆
に、作用点Ｐに加わる力ｆを常に指先に受け、物体から
の反力を感じることになる（もちろん、ｆ＝０の場合
は、何ら反力は感じない）。

【００３７】図５は、このような力トランスデューサ５
０の具体的構成例を示す斜視図である。図では、力トラ
ンスデューサ５０の作用部５１（指サック）を右手の人
差し指に装着した状態が示されている。この指の先端部
分に作用点Ｐが定義されており、オペレータは、作用部
５１を任意の方向に移動させながら、仮想物体に対する
接触感を体感することができる。図示の力トランスデュ
ーサ５０では、複数のリンク機構を用いて、上述した２
つの機能を実現している。すなわち、作用部５１は、複
数の自在アームによって支持されているため、ある程度
の範囲の空間内では、三次元の任意の方向に自由に移動
させることが可能である。しかも、各自在アームの回転
位置を検出する機構が備わっており、作用点Ｐの三次元
座標値Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を検出することができる。更
に、各自在アームに力を加えるためのモータが用意され
ており、これらのモータを駆動することにより、作用点
Ｐに任意の方向、任意の大きさの力を作用させることが
できる。

【００３８】このような複数のリンク機構を用いた力ト
ランスデューサは、既に公知の装置であるため、その構
造や機構についての詳細な説明は省略する。市販の製品
としては、たとえば、米国のセンサブル・デバイス社
（SensAble Device Inc.）が「ＰＨＡＮＴｏＭ」なる商
品名で販売している装置を利用することができる。結
局、本発明に係る毛並接触感シミュレーション装置は、
図５に示すような力トランスデューサを、汎用コンピュ
ータに接続し、所定のプログラムをこのコンピュータに
組み込むことにより実現することが可能になる。

【００３９】§４． 物体との接触による面反力の定義 続いて、物体からの反力の演算方法について述べる。い
ま、三次元座標系上の所定位置に、所定の仮想物体が定
義されているものとする。この仮想物体は、実在の物体
ではないので、たとえば、図５に示すような力トランス
デューサ５０を用いた場合、この力トランスデューサ５
０が設置されている三次元空間内のいずれかの位置に、
仮想物体の存在が定義されているに過ぎない。ここで、
オペレータが図５のような指サック状の作用部５１を人
差し指に装着し、この作用部５１の先端に定義された作
用点Ｐを移動させたところ、図６の側断面図に示すよう
に、仮想物体Ｂ（αおよびβは、この仮想物体Ｂの表面
を示す）の内部の位置に到達したとしよう。仮想物体Ｂ
は、実在の物体ではないので、もし、力トランスデュー
サ５０に対して何ら力制御ベクトルが与えられていなけ
れば、オペレータは、作用点Ｐを自由に移動させること
ができるので、図６に示すように仮想物体Ｂの内部にま
で作用点Ｐを動かすことは可能である。

【００４０】ただ、実際には、このような作用点Ｐの動
きは、仮想物体Ｂが実在の物体であった場合には矛盾す
る。すなわち、作用点が図示の点Ｐへ移動したというこ
とは、指先が物体の内部に侵入していることになり、物
体が変形をしない限り、そのような作用点の移動は現実
的には不可能である。もちろん、物体が弾性変形や塑性
変形を生じるものとして、作用点が物体の内部に侵入し
た場合には、それに応じて物体の形状をリアルタイムで
補正するという手法を採れば、図６に示すような作用点
の移動に、現実的な矛盾は生じない。しかしながら、物
体形状をリアルタイムで補正するには、膨大な演算処理
が必要になり、特に、ディスプレイ２０上にリアルタイ
ムで物体を描画する場合、かなり高機能なコンピュータ
が要求されることになる。そこで、本実施形態では、仮
想物体Ｂは剛体から構成されており、形状は一切変化し
ないものとして取り扱っている。

【００４１】このように、仮想物体Ｂを剛体として取り
扱うと、図６における作用点Ｐの位置は、指先が剛体中
にめり込んでいる状態に相当するため、現実の物理現象
を忠実にシミュレートするという意味では、矛盾した移
動になる。しかしながら、本発明の主眼は、オペレータ
に物体に対する接触感を体験させることにあるので、必
ずしも現実の物理現象を忠実にシミュレートする必要は
ない。したがって、本発明では、図６に示すように、作
用点Ｐが仮想物体Ｂの内部に侵入するような事象も認め
ることにする。ただし、オペレータに接触感を感じさせ
るためには、作用点Ｐが仮想物体Ｂの内部に侵入した際
に、何らかの反力を作用点Ｐに戻してやる必要がある。
このように、物体内部に作用点が移動したことに対し
て、物体側から作用点側に戻される反力を、ここでは面
反力Ｆｓと呼ぶことにする。

【００４２】本願発明者は、この面反力Ｆｓの大きさ
を、作用点Ｐとこれに最も近い仮想物体の表面αとの距
離ｄに基いて決定すれば、非常に現実的な接触感をオペ
レータに与えられることを見出だした。すなわち、物体
情報設定手段１０内に設定されている硬さを示すパラメ
ータＫと、この距離ｄとの積（Ｋ・ｄ）を物体からの面
反力Ｆｓの大きさと定義すれば、距離ｄ（すなわち、表
面αからの深さ）が大きくなればなるほど、面反力Ｆｓ
は大きくなる。したがって、オペレータは、作用点Ｐを
より深い位置へと移動させるためには、より大きな力
（面反力Ｆｓに対抗する力）が必要になり、仮想物体の
表面に対する接触感を得ることができる。また、面反力
Ｆｓの絶対値は、パラメータＫに依存するため、大きな
パラメータＫが設定されている面ほど硬く感じられ、小
さなパラメータＫが設定されている面ほど柔らかく感じ
られることになる。

【００４３】一方、面反力Ｆｓを作用させる方向は、作
用点Ｐに最も近い物体表面αに立てた法線の向きとすれ
ばよい。すなわち、図６に示すように、物体表面αに立
てた単位ベクトルを法線ベクトルＮとすれば、面反力Ｆ
ｓは、この法線ベクトルＮを用いた Ｆｓ＝（Ｋ・ｄ）・Ｎ なる式により、ベクトル量として与えられることにな
る。結局、演算制御手段４０は、作用点Ｐと仮想物体Ｂ
との相互位置関係を認識し、作用点Ｐが仮想物体Ｂの内
部にあると判断された場合には、上記式に基いて、面反
力Ｆｓをベクトル量として求める演算を行うことにな
る。なお、作用点Ｐが仮想物体Ｂの外部にある場合に
は、面反力Ｆｓを戻す必要はないので、このような演算
は不要である。

【００４４】§５． 物体との接触による毛並反力の定
義 ところで、上述した面反力Ｆｓは、オペレータに対して
仮想物体Ｂの表面の存在を感じさせるための反力である
が、仮想物体Ｂの表面にマッピングされた毛並を感じさ
せることはできない。毛並を感じさせるためには、面反
力Ｆｓとは別個に毛並反力Ｆｈを定義する必要がある。
面反力Ｆｓの実体は、物体表面に対して加えられた力に
対抗する力である。これに対して、毛並反力Ｆｈの実体
は、物体表面の毛並に逆らうような移動を行おうとした
場合に、この移動に対抗する力ということができる。た
とえば、絨毯をその毛並に沿って撫でるようにすると毛
並反力Ｆｈは極めて小さいが、毛並とは逆方向に逆撫で
するようにすると大きな毛並反力Ｆｈが得られることに
なる。

【００４５】このように、毛並に起因して生じる毛並反
力Ｆｈを求めるためには、作用点Ｐの現在位置に関する
情報だけでは足りず、作用点Ｐの移動方向に関する情報
が必要になる。より具体的には、毛並反力Ｆｈの大きさ
は、毛並の方向と作用点の移動方向とのなす角度に基い
て定める必要がある。作用点Ｐの移動方向は、位置検出
部５２が時間差をもって検出した作用点の位置の情報に
より認識することが可能である。たとえば、図７には、
作用点Ｐの移動状態が示されている。すなわち、ある時
点において点Ｐ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）の位置にあった
作用点が、現時点では、点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）まで移動し
ている。このように、作用点Ｐについて時間差をもって
検出した２通りの地点の座標値が得られれば、両地点を
結ぶ移動ベクトルＭを認識することができる。この移動
ベクトルＭは、現時点における移動方向を示すベクトル
として取り扱うことができる。もちろん、現時点におい
て点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）に存在する作用点が、次の時点で
必ずしも移動ベクトルＭの方向に進むとは限らないが、
一応、点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）における移動方向を移動ベク
トルＭの方向として取り扱っても大きな問題は生じな
い。

【００４６】なお、図７には、作用点Ｐに最も近い物体
表面αが示されており、現時点の点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）の
位置においては、作用点Ｐと表面αとの距離はｄとなっ
ているが、前時点の点Ｐ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）の位置
においては、作用点Ｐと表面αとの距離はｄ０となって
いる。したがって、面反力Ｆｓの大きさは、前時点では
（Ｋ・ｄ０）であったところ、現時点では（Ｋ・ｄ）と
なる。

【００４７】さて、図７において、現時点における毛並
反力Ｆｈを求めるには、次のような演算を行えばよい。
まず、作用点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を最も近い物体表面α
（この実施形態では二次元多角形）上に垂直に投影して
投影点Ｐｓを求める。続いて、作用点Ｐの三次元空間上
での移動方向を示す移動ベクトルＭを、物体表面α上に
垂直に投影して平面移動ベクトルＭｓを求める。そし
て、図８(a) に示すように、この投影点Ｐｓ上に定義さ
れている毛並ベクトルＨと平面移動ベクトルＭｓとのな
す角度θに基いて毛並反力Ｆｈの大きさを決定する。ま
た、毛並反力Ｆｈの向きは、図８(b) に示すように、平
面移動ベクトルＭｓに対して逆方向になるようにする。
すなわち、毛並反力は、作用点Ｐを毛並に逆らって移動
させようとする動作に対抗して生じる反力であるので、
作用点Ｐの移動方向に抗する方向に作用させることにな
る。もちろん、作用点Ｐを毛並に沿った方向に移動させ
る動作に対しては、毛並反力を生じさせる必要はない。
そこで、毛並ベクトルＨと平面移動ベクトルＭｓとのな
す角度θを、０≦θ≦πの範囲で定義し、θが大きくな
ればなるほど毛並反力Ｆｈが大きくなるように、毛並反
力Ｆｈの大きさを決定すればよい。

【００４８】具体的には、たとえば、図９のグラフに示
すような関数Ｒ（θ）の値を反力係数と定義し、毛並反
力Ｆｈを、大きさが反力係数値Ｒ（θ）に等しく、向き
が平面移動ベクトルＭｓとは逆向きのベクトル量として
定義すればよい。図９に示す関数Ｒ（θ）は、θ＝０の
ときに関数値Ｒ（０）＝０となり、θ＝πのときに関数
値Ｒ（π）＝最大値となるような関数である。しかも、
θが０から増加すると関数値Ｒ（θ）も徐々に増加し、
θ＝π／２の近辺で関数値Ｒ（θ）が急激に増加する形
をとる。これは、θが０のときには、毛並に沿って仮想
物体の表面を撫でている動作になるため、毛並反力を生
じさせる必要はなく、θが比較的小さい場合にも、ある
程度毛並の方向に撫でている動作になるため、毛並反力
もわずかでよいが、θがπ／２の近辺では、毛並に対し
て直角方向に撫でている動作になり、更に、θがπ／２
を越えると、毛並に逆らって逆毛を立てる動作になるた
め、毛並反力を急激に増加させる必要があるからであ
る。

【００４９】たとえば、図１０(a) に示すように、θ＝
３０°の場合には、毛並テクスチャＴ上の毛並ベクトル
Ｈと、平面移動ベクトルＭｓとは、ある程度同じ方向を
向いているため、毛並反力Ｆｈは、平面移動ベクトルＭ
ｓとは逆向きの方向に作用するものの、その大きさはそ
れほど大きくはならない。これに対して、図１０(b)に
示すように、θ＝１５０°の場合には、毛並テクスチャ
Ｔ上の毛並ベクトルＨと、平面移動ベクトルＭｓとは、
ほぼ逆の方向を向いているため、平面移動ベクトルＭｓ
とは逆向きの方向に、かなり大きな毛並反力Ｆｈが作用
することになる。

【００５０】なお、上述の例では、作用点Ｐを仮想物体
の表面α上へ投影して投影点Ｐｓを求め、この投影点Ｐ
ｓ上に定義されている毛並ベクトルＨと、平面移動ベク
トルＭｓとの角度θを求めるという説明を行ったが、実
際には、図３(a) に示すように、毛並テクスチャＴ上に
は離散的に毛根点Ｑが定義されており、この毛根点Ｑの
位置にのみ毛並ベクトルＨが定義されている。したがっ
て、実際には、投影点Ｐｓ（もしくは作用点Ｐ）の近傍
にマッピングされた毛並ベクトルを用いて毛並反力を求
める演算を行うようにすればよい。たとえば、図１１に
示すように、投影点Ｐｓの近傍に４つの毛根点Ｑ１〜Ｑ
４が存在し、これら各毛根点Ｑ１〜Ｑ４にそれぞれ毛並
ベクトルＨ１〜Ｈ４が定義されていたとし、投影点Ｐｓ
と各毛根点Ｑ１〜Ｑ４との距離がそれぞれＬ１〜Ｌ４で
あったとする。このような場合は、たとえば、投影点Ｐ
ｓに最も近い毛根点Ｑ２に定義された毛並ベクトルＨ２
を用いて毛並反力を求めるようにすればよい。あるい
は、４つの毛並ベクトルＨ１〜Ｈ４の合成ベクトルを用
いて毛並反力を求めてもよい。この場合、距離Ｌ１〜Ｌ
４を考慮して、より投影点Ｐｓに近い毛並ベクトルの成
分がより多く含まれるようなベクトル合成を行うことも
可能である。

【００５１】なお、図７に示す例では、作用点Ｐの移動
を、単に移動ベクトルＭあるいは平面移動ベクトルＭｓ
として取り扱っているが、作用点が点Ｐ０（ｘ０，ｙ
０，ｚ０）にあった前時点と、作用点が点Ｐ（ｘ，ｙ，
ｚ）にある現時点との時間間隔を常に一定とすれば、こ
の移動ベクトルＭあるいは平面移動ベクトルＭｓの大き
さは、作用点の移動速度を示すものになり、これらのベ
クトルは、速度ベクトルＶあるいは平面速度ベクトルＶ
ｓということができる。したがって、毛並反力Ｆｈの大
きさを求める際には、この平面速度ベクトルＶｓの大き
さを考慮し、たとえば、Ｆｈ＝−Ｖｓ・Ｒ（θ）のよう
な式で定義されるベクトル量Ｆｈとして毛並反力を定義
するようにすれば、作用点の移動速度が大きくなればな
るほど毛並反力の大きさも大きくなり、毛並を撫でる速
度が速くなればなるほど、より大きな反力が返されると
いう、より現実的なシミュレーションを行うことが可能
になる。

【００５２】§６． 毛並テクスチャの定義方法 既に述べたように、図１に示す毛並テクスチャ作成手段
６０は、図３(a) に示すような毛並テクスチャＴを作成
する機能を有し、作成された毛並テクスチャＴは、物体
情報設定手段１０内に格納され、後に、演算制御手段４
０によって、仮想物体の表面にマッピングされることに
なる。そこで、ここでは、毛並テクスチャ作成手段６０
によって行われる毛並テクスチャＴの作成方法の一例を
述べておく。

【００５３】まず、図１２(a) に示すような標準テクス
チャＴ０を用意し、これをオペレータに提示する。この
標準テクスチャＴ０は、二次元平面上に配置された多数
の毛根点Ｑ（図示の例では、所定ピッチの格子状に配さ
れている）と、これら各毛根点Ｑ上に標準方向（図示の
例では、斜め右上方向）を向いて定義された毛並ベクト
ルＨ０とによって構成されている。このような標準テク
スチャＴ０は、たとえば、ディスプレイ画面上に表示さ
れることになる。

【００５４】続いて、オペレータの指示に基いて、各毛
並ベクトルＨ０の向きの修正処理を行う。図１２(b)
は、このような修正処理後の状態を示したものである。
毛並ベクトルＨ０の向きの修正作業は、たとえば、オペ
レータがマウスなどのポインティングデバイスを用い
て、個々の毛並ベクトルの先を時計まわりもしくは反時
計まわりに移動させる指示を与えることによって行うこ
とができる。あるいは、標準テクスチャＴ０上でマウス
ポインタを動かし、このマウスポインタの軌跡の方向を
向くように、各毛並ベクトルＨ０の向きを自動的に修正
するような処理を行うことも可能である。

【００５５】こうして、各毛並ベクトルＨ０の向きの修
正が完了したら、修正後に各毛根点Ｑに定義されている
毛並ベクトルＨからなるテクスチャが、作成すべき毛並
テクスチャＴとなる。毛並テクスチャ作成手段６０は、
こうして作成した毛並テクスチャＴを、毛並の方向を定
義するための情報として、物体情報設定手段１０に格納
する処理を行う。

【００５６】§７． 本発明に係るシミュレーション装
置の動作 続いて、本発明に係る物体の毛並接触感シミュレーショ
ン装置の動作を、図１３および図１４に示す流れ図を参
照しながら説明する。

【００５７】図１３に示す流れ図は、シミュレーション
に先立つ準備段階の動作手順を示している。まず、ステ
ップＳ１１において、仮想物体の定義が行われる。具体
的には、§２で述べたように、仮想物体を定義するため
の形状データ、質感データ、光源データ、硬度を示すパ
ラメータＫが、物体情報設定手段１０に対して設定され
ることになる。続くステップＳ１２では、毛並テクスチ
ャＴが作成される。これは、たとえば、§６で述べた手
法により毛並テクスチャ作成手段６０を用いて、所望の
毛並テクスチャＴを作成すればよい。実用上は、必要に
応じて、複数種類の毛並テクスチャが作成されることに
なる。最後のステップＳ１３では、物体情報設定手段１
０内に設定された仮想物体に対して、同じく物体情報設
定手段１０内に設定された毛並テクスチャＴをマッピン
グする処理が、演算制御手段４０によって行われる。こ
の実施形態では、§２で述べたように、各仮想物体は、
二次元多角形の集合体として定義されているので、各二
次元多角形に、それぞれ所定の毛並テクスチャを、所定
の向きにマッピングする処理が行われることになる。こ
のテクスチャマッピングの処理は、既に、公知のコンピ
ュータグラフィックス技術であるため、ここでは詳しい
説明は省略する。以上で、シミュレーションの準備は完
了である。

【００５８】さて、実際のシミュレーション動作は、図
１４に示す手順によって行われる。この手順は、演算制
御手段４０によって実行される手順である。まず、ステ
ップＳ２１において、作用点の現在位置Ｐ（ｘ，ｙ，
ｚ）が、位置検出部５２から入力される。そして、ステ
ップＳ２２において、この作用点の現在位置が、仮想物
体の内部か否かが判断される。既に述べたように、物体
情報設定手段１０内に設定されている仮想物体の形状デ
ータは、三次元空間内での仮想物体の位置の情報を含ん
でいるので、作用点の現在位置Ｐの座標値を参照するこ
とにより、作用点が仮想物体の内部にあるか外部にある
かを判断することができる。ここで、作用点が仮想物体
の外部にあると判断された場合には、再びステップＳ２
１の手順へ戻ることになる。別言すれば、作用点が仮想
物体の内部に侵入するまで、ステップＳ２３以降の手順
（反力を作用させる手順）は実行されないことになる。

【００５９】作用点が仮想物体の内部にあるとの判断が
なされたら、ステップＳ２２からステップＳ２３へと進
み、ここで面反力Ｆｓの演算が行われる。この面反力Ｆ
ｓの演算は、既に§４で述べたとおりであり、具体的に
は、仮想物体表面からの距離ｄと、硬度を示すパラメー
タＫと、仮想物体表面に立てた法線ベクトルＮとによ
り、面反力Ｆｓは、 Ｆｓ＝（Ｋ・ｄ）・Ｎ なる式によりベクトル量として求まることになる。

【００６０】続いて、ステップＳ２４において、前時点
における作用点の位置と現時点における作用点の位置と
を認識し、作用点の移動ベクトルＭを求め、これを仮想
物体表面に投影して平面移動ベクトルＭｓを算出する。
この処理は、既に§５で述べたとおりである。そして、
ステップＳ２５において、作用点Ｐを仮想物体表面に投
影し、適用すべき毛並ベクトルＨを決定し、更に、ステ
ップＳ２６において、毛並反力Ｆｈを算出する。これら
の処理も、既に§５で述べたとおりである。具体的に
は、平面移動ベクトルＭｓとは逆方向を向き、平面移動
ベクトルＭｓと毛並ベクトルＨとのなす角度θの関数値
Ｒ（θ）に応じた大きさをもった毛並反力が、 Ｆｈ＝−Ｍｓ・Ｒ（θ） なる式によりベクトル量として求まることになる。この
とき、前時点と現時点との時間間隔を一定に定めておけ
ば、平面移動ベクトルＭｓの大きさは、作用点の移動速
度を示すものになり、平面移動ベクトルＭｓは、平面速
度ベクトルＶｓとして機能することになる。

【００６１】こうして、面反力Ｆｓと毛並反力Ｆｈとが
求まったら、ステップＳ２７において、合成反力Ｆが、
Ｆ＝Ｆｓ＋Ｆｈなる式により求められる。ここで、面反
力Ｆｓは、物体表面に対する法線方向を向いたベクトル
であるのに対し、毛並反力Ｆｈは、作用点の移動方向に
抗する方向を向いたベクトルであり、合成反力Ｆは両ベ
クトルの合成ベクトルとして求まることになる。こうし
て、合成反力Ｆが求まったら、この合成反力Ｆに基い
て、作用点に加えるべき制御力を示す力制御ベクトルＣ
を決定し、この力制御ベクトルＣを力発生部５３に対し
て出力する。実際には、合成反力Ｆをそのまま力制御ベ
クトルＣとして出力すればよい。

【００６２】最後に、ステップＳ２８において、現時点
での作用点の位置Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を、前時点での作用
点の位置Ｐ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）とする処理が行わ
れ、ステップＳ２１からの処理が繰り返し実行されるこ
とになる。この前時点での作用点の位置Ｐ０（ｘ０，ｙ
０，ｚ０）は、後にステップＳ２４において、平面移動
ベクトルＭｓを算出する際に用いられることになる。

【００６３】かくして、オペレータの指には、力発生部
５３から力制御ベクトルＣに応じた制御力が加えられる
ことになる。この力制御ベクトルＣは、作用点が仮想物
体の外部にあるうちは零であるが、作用点が仮想物体の
内部に侵入すると、面反力Ｆｓと毛並反力Ｆｈとの合成
反力に対応したものになり、オペレータは、仮想物体の
面に接触した感触とともに、この面に定義された毛並の
感触を得ることができる。

【００６４】§８． 種々の変形例 以上、本発明を図示する実施形態に基いて説明したが、
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、
この他にも種々の形態で実施可能である。以下にいくつ
かの変形例を述べておく。

【００６５】(1) 上述の実施形態では、仮想物体の表
面上に単一の毛並テクスチャＴをマッピングしている
が、仮想物体の表面近傍に、複数の毛並テクスチャを層
構造をなすように重ねてマッピングすることも可能であ
る。たとえば、図１５は、仮想物体の表面である面α
（０）上に毛並テクスチャＴ（０）をマッピングすると
ともに、面α（０）よりも距離ｄ１だけ深い位置に定義
された面α（ｄ１）上に別な毛並テクスチャＴ（ｄ１）
をマッピングし、更に、面α（０）よりも距離ｄ２だけ
深い位置に定義された面α（ｄ２）上に別な毛並テクス
チャＴ（ｄ２）をマッピングした例である。すなわち、
面α（０）の近傍に、３枚の毛並テクスチャＴ（０），
Ｔ（ｄ１），Ｔ（ｄ２）を層構造をなすように重ねてマ
ッピングしたことになる。この場合、作用点に最も近い
層にマッピングされた毛並テクスチャを用いて、毛並反
力を求める演算を行うようにすればよい。

【００６６】たとえば、図示の例の場合、作用点Ｐ
（ｘ，ｙ，ｚ）に最も近い層が、面α（ｄ１）であった
とすれば、作用点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）を面α（ｄ１）に投
影して投影点Ｐｓを求め、毛並テクスチャＴ（ｄ２）を
用いて毛並反力を求める演算を行えばよい。このよう
に、複数の毛並テクスチャを層構造をもって定義する
と、立体的な毛並を表現することが可能であり、仮想物
体の表面部分と深い部分とでは、毛並の向きが相違する
ようなモデルを構築することができる。

【００６７】(2) 上述の実施形態では、毛並ベクトル
は毛並テクスチャを構成する平面上に二次元ベクトルと
して定義されていたが、図１６に示すように、三次元ベ
クトルとして定義された毛並ベクトルを有する立体毛並
テクスチャを用いることも可能である。もちろん、この
立体毛並テクスチャを用いて、図１５に示すような層構
造を構成することも可能である。

【００６８】このように、毛並ベクトルＨを三次元ベク
トルとして定義した場合、移動ベクトルＭを二次元平面
上に投影した平面移動ベクトルＭｓを用いる代わりに、
三次元空間上で移動ベクトルＭと毛並ベクトルＨとのな
す角度θを用いて、毛並反力を演算することができる。
もちろん、毛並ベクトルＨおよび移動ベクトルＭを所定
平面上に投影し、この投影平面上での角度θを用いるよ
うにしてもかまわない。

【００６９】(3) 反力係数を示す関数Ｒ（θ）は、図
９に示す例では、角度θが増加するにしたがって関数値
も増加し、θ＝πにおいて関数値が最大値となるような
関数になっていたが、関数Ｒ（θ）としては、必ずしも
このような関数を用いる必要はない。たとえば、θ＝π
／２のときに最大値をとるような関数を用いれば、毛並
と逆方向に撫でるよりも、毛並に対して直角方向に撫で
る方が抵抗が大きいモデルを構築することができる。

【００７０】(4) 上述の実施形態では、毛並反力の向
きを平面移動ベクトルＭｓに対して逆方向となるように
とっているが、毛並反力は作用点の移動方向に対して抗
する方向に作用すればよいので、たとえば、移動ベクト
ルＭに対して逆方向となるような方向にとることも可能
である (5) §４では、面反力Ｆｓを定義する方法として、物
体表面と作用点との距離ｄに基いて面反力の大きさを決
定する方法を示したが、面反力Ｆｓの定義方法は、この
ような方法に限定されるものではない。たとえば、作用
点が物体表面上を通過してからの経過時間に応じて、面
反力Ｆｓの大きさを決定するような方法を採ることもで
きる。

【００７１】(6) 上述の例では、１組の力トランスデ
ューサ５０のみを用いているが、複数組の力トランスデ
ューサ５０を用意すれば、仮想物体に対する把持動作を
体験させることも可能である。図１７には、２組の力ト
ランスデューサ５０を用い、両作用部５１（指サック）
をそれぞれ親指と人差し指とに装着した状態が示されて
いる。いずれも指の先端部分に作用点Ｐが定義されてお
り、オペレータは、両作用部５１を任意の方向に移動さ
せながら、仮想物体Ｂを把持する動作を体感することが
できる。また、仮想物体Ｂの把持動作には、仮想物体Ｂ
の表面に定義した摩擦係数を考慮したシミュレーション
を行うことができ、この摩擦係数は、物体表面の毛並の
情報に関連させて定義することが可能である（たとえ
ば、毛並に逆らった方向の摩擦係数は、毛並に沿った方
向の摩擦係数よりも大きく設定する）。

【００７２】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る物体の毛並接
触感シミュレーション装置によれば、仮想物体の表面に
多数の毛並ベクトルからなる毛並テクスチャをマッピン
グし、作用点の移動方向と毛並ベクトルとの向きに応じ
て毛並反力を作用させるようにしたため、物体表面の毛
並に対する接触感を疑似的に体験させることができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る物体の毛並接触感シ
ミュレーション装置の基本構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示すシミュレーション装置において定義
された仮想物体およびその形状データの一例を示す図で
ある。

【図３】図１に示すシミュレーション装置において定義
された毛並テクスチャの一例およびこれを仮想物体にマ
ッピングした状態を示す図である。

【図４】図１に示すシミュレーション装置における力ト
ランスデューサの機能を示すブロック図である。

【図５】図４に示す力トランスデューサの具体的な構成
例を示す斜視図である。

【図６】本発明における面反力Ｆｓの求め方の基本概念
を説明するための物体の側断面図である。

【図７】本発明における毛並反力Ｆｈの求め方の基本概
念を説明するための斜視図である。

【図８】仮想物体の表面に定義された毛並ベクトルＨと
作用点の移動方向を仮想物体表面に投影した平面移動ベ
クトルＭｓとの関係およびこのときに作用する毛並反力
の向きを示す平面図である。

【図９】毛並反力Ｆｈの大きさを決定するために用いら
れる反力係数を決定する関数Ｒ（θ）の一例を示すグラ
フである。

【図１０】毛並テクスチャの向きと作用点の移動方向と
の関係を示す平面図である。

【図１１】作用点近傍の毛並ベクトルを適用する方法を
示す平面図である。

【図１２】本発明で用いる毛並テクスチャの作成方法の
一例を示す平面図である。

【図１３】本発明に係るシミュレーション装置の準備段
階の手順を示す流れ図である。

【図１４】本発明に係るシミュレーション装置の動作段
階の手順を示す流れ図である。

【図１５】仮想物体の同一平面上に層構造をなすように
複数の毛並テクスチャをマッピングした状態を示す斜視
図である。

【図１６】三次元方向を向いた毛並ベクトルを有する立
体毛並テクスチャの一例を示す斜視図である。

【図１７】２組の力トランスデューサを用いた本発明の
構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１〜８…頂点 １０…物体情報設定手段 ２０…ディスプレイ ３０…物体形状描画手段 ４０…演算制御手段 ５０…力トランスデューサ ５１…作用部 ５２…位置検出部 ５３…力発生部 ６０…毛並テクスチャ作成手段 Ｂ…仮想物体 Ｃ…力制御ベクトル ｄ，ｄ０，ｄ１，ｄ２…作用点と仮想物体の表面との距
離 Ｆ…合成反力 Ｆｈ…毛並反力 Ｆｓ…面反力 ｆ…作用点Ｐに加わる力 Ｈ，Ｈ０，Ｈ１〜Ｈ４…毛並ベクトル Ｋ…硬さを示すパラメータ Ｌ１〜Ｌ４…距離 Ｍ…移動ベクトル Ｍｓ…平面移動ベクトル Ｎ…法線ベクトル Ｐ…作用点 Ｐｓ…投影点 Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）…作用点Ｐの現時点の位置 Ｐ０（ｘ０，ｙ０，ｚ０）…作用点Ｐの前時点の位置 Ｑ，Ｑ１〜Ｑ４…毛根点 Ｒ（θ）…毛並反力係数 Ｔ０…標準テクスチャ Ｔ，Ｔ１〜Ｔ３，Ｔ（０），Ｔ（ｄ１），Ｔ（ｄ２）…
毛並テクスチャ α，β…仮想物体の表面を構成する多角形 α（０），α（ｄ１），α（ｄ２）…表面近傍の層 θ…毛並ベクトルと平面移動ベクトルとのなす角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島田 政行 東京都新宿区市谷加賀町一丁目１番１号 大日本印刷株式会社内 (72)発明者 久保田 靖夫 東京都新宿区市谷加賀町一丁目１番１号 大日本印刷株式会社内 (72)発明者 室田 秀樹 東京都新宿区市谷加賀町一丁目１番１号 大日本印刷株式会社内 Ｆターム(参考） 2F051 AA16 AB06 AC09 BA00 2G024 AD50 BA17 CA01 CA11 EA20

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方向性をもった毛並の情報が表面に付与
   された仮想物体を定義し、この仮想物体に対する接触感
   を疑似的に体験させるためのシミュレーションを行う装
   置であって、 仮想物体およびその表面に付与される毛並の方向を定義
   するための情報を設定する物体情報設定手段と、 オペレータから加えられた力に基いて三次元の任意方向
   に移動可能な作用点を有する作用部と、前記作用点の三
   次元座標系上での位置を検出する位置検出部と、与えら
   れた力制御ベクトルに基いて前記作用点に加える力を発
   生させる力発生部と、を有する力トランスデューサと、 前記位置検出部が時間差をもって検出した作用点の位置
   の情報により作用点の移動方向を認識し、仮想物体の表
   面に定義された毛並の方向と前記移動方向とのなす角度
   に基いて、毛並に起因して生じる毛並反力を求め、この
   毛並反力に基いて前記作用点に加えるべき制御力を示す
   力制御ベクトルを求め、求めた力制御ベクトルを前記力
   トランスデューサへ与える制御を行う演算制御手段と、 を備えることを特徴とする物体の毛並接触感シミュレー
   ション装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシミュレーション装置
   において、 演算制御手段が、位置検出部が検出した作用点の位置と
   物体情報設定手段内の情報により定義された仮想物体の
   位置とに基いて、作用点と仮想物体との相互位置関係を
   認識し、作用点が仮想物体の内部にあると判断された場
   合にのみ、毛並反力に基く制御力を与えることを特徴と
   する物体の毛並接触感シミュレーション装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のシミュレーシ
   ョン装置において、 演算制御手段が、毛並の方向と移動方向とのなす角度θ
   を０≦θ≦πの範囲で定義し、θが大きくなればなるほ
   ど大きな毛並反力が得られるような演算を行い、前記移
   動方向に抗する方向に前記毛並反力が作用するように、
   力制御ベクトルを求めることを特徴とする物体の毛並接
   触感シミュレーション装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のシミュ
   レーション装置において、 物体情報設定手段内に、仮想物体の形状を示す形状デー
   タと、平面上にそれぞれ所定方向を向いた多数の毛並ベ
   クトルを定義してなる毛並テクスチャとを用意し、 演算制御手段が、前記仮想物体の表面に前記毛並テクス
   チャをマッピングする処理を行い、作用点近傍にマッピ
   ングされた毛並ベクトルを用いて毛並反力を求める演算
   を行うことを特徴とする物体の毛並接触感シミュレーシ
   ョン装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のシミュレーション装置
   において、 仮想物体を定義するための情報として、仮想物体の表面
   を二次元多角形の集合体として表現する形状データを設
   定し、 作用点Ｐを最も近い二次元多角形α上に投影して投影点
   Ｐｓを求め、作用点Ｐの三次元空間上での移動方向を示
   す移動ベクトルＭを前記二次元多角形α上に投影して平
   面移動ベクトルＭｓを求め、前記投影点Ｐｓの近傍に定
   義されている毛並ベクトルＨと前記平面移動ベクトルＭ
   ｓとのなす角度θに基いて毛並反力の大きさを決定し、
   前記移動ベクトルＭｓに対して逆方向を前記毛並反力の
   作用する向きとすることを特徴とする物体の毛並接触感
   シミュレーション装置。
6. 【請求項６】 請求項４または５に記載のシミュレーシ
   ョン装置において、 仮想物体の表面近傍に、複数の毛並テクスチャを層構造
   をなすように重ねてマッピングし、作用点に最も近い層
   にマッピングされた毛並テクスチャを用いて毛並反力を
   求める演算を行うことを特徴とする物体の毛並接触感シ
   ミュレーション装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載のシミュ
   レーション装置において、 作用点の移動速度が大きくなればなるほど、毛並反力の
   大きさを大きく設定する演算を行うことを特徴とする物
   体の毛並接触感シミュレーション装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載のシミュ
   レーション装置において、 演算制御手段が、仮想物体の表面と作用点との距離ｄに
   基づいて定まる面反力Ｆｓを演算する機能を有し、この
   面反力Ｆｓと毛並反力Ｆｈとの合成力に基いて作用点に
   加えるべき制御力を示す力制御ベクトルを求めることを
   特徴とする物体の毛並接触感シミュレーション装置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のシミュレーション装置
   において、 仮想物体を定義するための情報として、仮想物体の硬さ
   を示すパラメータＫを設定できるようにし、面反力Ｆｓ
   の大きさを、パラメータＫと距離ｄとの積（Ｋ・ｄ）に
   基いて決定するようにし、面反力Ｆｓの向きを、作用点
   近傍の仮想物体表面に立てた法線の向きとすることを特
   徴とする物体の毛並接触感シミュレーション装置。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載のシミ
    ュレーション装置において、 仮想物体を表示するためのディスプレイと、 物体情報設定手段内に設定された情報および位置検出部
    が検出した作用点の位置の情報に基いて、前記ディスプ
    レイの画面上の所定の表示位置に仮想物体の形状および
    作用点を描画する物体形状描画手段と、 を更に設け、オペレータに仮想物体の形状および位置な
    らびに作用点の位置を提示できるようにしたことを特徴
    とする物体の毛並接触感シミュレーション装置。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれかに記載のシ
    ミュレーション装置において、 二次元平面上に配置された多数の毛根点と、これら各毛
    根点上に標準方向を向いて定義された毛並ベクトルとに
    よって構成される標準テクスチャをオペレータに提示す
    る機能と、 オペレータの指示に基いて前記各毛並ベクトルの向きを
    修正する機能と、 修正後に各毛根点に定義されている毛並ベクトルからな
    る毛並テクスチャを、毛並の方向を定義するための情報
    として物体情報設定手段に格納する機能と、 を有する毛並テクスチャ作成手段を更に設けたことを特
    徴とする物体の毛並接触感シミュレーション装置。
12. 【請求項１２】 請求項１〜９のいずれかに記載のシミ
    ュレーション装置における演算制御手段としてコンピュ
    ータを機能させるためのプログラムを記録したコンピュ
    ータ読み取り可能な記録媒体。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１１のいずれかに記載のシ
    ミュレーション装置において、 力トランスデューサの作用部を、オペレータの指先に嵌
    めて固定できる指サックにより構成し、オペレータの指
    の動きに基いて作用点が移動できるようにするととも
    に、力制御ベクトルに基く制御力が前記指サックを介し
    てオペレータの指に伝達されるように構成したことを特
    徴とする物体の毛並接触感シミュレーション装置。