JP2000122520A - 仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バーチャルシミュレータの提供と、その４次元
化。 【解決手段】計算機１、表示装置７、シミュレータ３と
からなる。計算機１は、仮想機器（オブジェクト）が配
置された仮想環境Ｍ，Ｌ，ＧＸｊ（ｔ）又はＭ，Ｌ，Ｇ
Ｘｊと仮想現実ＭＸｊを提供し、表示装置７は仮想環境
上に設定される仮想動視点Ｘｊ（Ｔ）からみる仮想現実
ＭＸｊを表示し、シミュレータ３は仮想現実の一部をシ
ミュレーションの結果に基づいて変更する。仮想動視点
Ｘｊ（Ｔ）の空間座標は、仮想現実ＭＸｊのリアルタイ
ムの計算機内時間座標ｔに同期化されて仮想動視点に固
定された時間軸上の視点時間座標Ｔを変数とする動視点
の座標として視点座標関数Ｘｊ（Ｔ）で表現される。こ
のように、当該シミュレータはダイナミックに４次元化
され、タイムスリップを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、仮想現実シミュレ
ータ及びそのシミュレーション方法に関し、特に、化学
プラント、火力発電所のような大規模で複雑な立体構築
物の内側で起こる事故のような緊急事態に対応するため
に繰り返して仮想的に模擬訓練を日常的に行うことがで
きる仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーション方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】生活資材、エネルギーのような消費物質
の消費量の絶対値を削減することは、今日では、不可能
である。生活資材、エネルギーは、化学プラント、火力
発電所のような大規模で複雑に入り組んだ３Ｄ（３次
元）構築物の中で時間的に連続的に生産されている。こ
のような構築物での爆発、火災は、絶対的に回避されな
ければならない。そのような事故の発生の兆候が現れた
時には、素早くその発生を未然に防ぐための訓練を日常
的に行うことが要請されている。

【０００３】このような現場では、あいにく、実地訓練
を行うことができない。コンピュータの３Ｄグラフィッ
クス技術は、このような訓練を仮想的に行うことができ
ることを示唆しており、既に、そのような訓練を行うた
めに、バーチャルリアリティーと呼ばれ、月面活動、航
空機のパイロットの操縦を支援する訓練システムの中
に、広大な又は複雑な仮想空間が提供されている。

【０００４】化学プラント、火力発電所のような大規模
構築物が持つ仮想空間の情報量は、それ自体が大規模で
あると同時に、インタラクティブに表示する関連情報が
等比級数的に増大する。訓練者のリアルタイムの移動
と、大規模空間に散在するバルブ群の各要素の操作とを
連動させると、コンピュータの演算速度をどのように速
めても、リアルタイムの表示が不可能になってくる。

【０００５】表示量の指数であるポリゴン数を削減し
て、不要な情報を表示しないようにした技術として、Ｌ
ＯＤ（本明細書において、詳細階層と訳出）が知られて
いる。ＬＯＤとは、lebel of Detail の略記であり、視
点からの位置が遠いオブジェクト（周囲環境物）に関し
ては、そのポリゴン数の少ないモデルを使用し、視点か
らの位置が近いオブジェクトに関しては、そのポリゴン
数が多いモデルを使用することにより、表示量を全体と
しては削減する技術である。

【０００６】ポリゴン数を削減しすぎると、バーチャル
リアリティーの現実感が喪失する。現実感そのものを定
義しなおす必要がある。現実感を保持したままでポリゴ
ン数を削減するためのＬＯＤノードを仮想空間中に構築
することが望まれ、ＬＯＤノードの切替により、仮想時
空中に適正なＬＯＤノードを構築することが特に望まれ
る。更には、時間対応によりリアルタイムの現実感を保
持したまま、ＬＯＤの制御を行うことが望ましい。適正
なポリゴン数Ｐは、４次元変数Ｔ、Ｘ、Ｙ、Ｚを用いて
Ｐ（Ｘj，Ｔ）で表現されることが好ましい。

【０００７】言い換えれば、大規模３次元モデル表示の
高速化のために、処理データのリアルタイム削減と、オ
ブジェクト指向的データ構造に基づくモデルデータ及び
モデルに依存する手続き（メソッド）のインスタンス化
によるデータ処理の軽減が望まれる。更には、コンポー
ネントウエア技術による構成要素の部品化による工数の
低減が望まれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、バー
チャルリアリティーの中でそのリアルタイムで模擬訓練
を行うことができる仮想現実シミュレータ及びそのシミ
ュレーション方法を提供することにある。本発明の他の
課題は、バーチャルリアリティーの中でそのリアルタイ
ムで模擬訓練を行い、且つ、タイムスリップさせて模擬
訓練を行うことができる仮想現実シミュレータ及びその
シミュレーション方法を提供することにある。本発明の
更に他の課題は、４次元バーチャルリアリティーを実現
することができる仮想現実シミュレータ及びそのシミュ
レーション方法を提供することにある。本発明の更に他
の課題は、バーチャルリアリティーの中でそのリアルタ
イムで模擬訓練を行い、且つ、タイムスリップさせて模
擬訓練を行うことができ、更に且つ、その現実感を喪失
させない仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーショ
ン方法を提供することにある。本発明の更に他の課題
は、現実感を喪失させないで適正に表示量を削減して表
示の高速化を行うように、ＬＯＤノードを含む表示処理
を行うことができる仮想現実シミュレータ及びそのシミ
ュレーション方法を提供することにある。本発明の更に
他の課題は、バーチャルリアリティーの現実感を喪失さ
せないで適正に表示量を削減して表示の高速化を行うよ
うに、ＬＯＤノードを含む表示処理を行うことができる
仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーション方法を
提供することにある。本発明の更に他の課題は、ポリゴ
ン数を４次元変数により表現することができるＬＯＤノ
ードによる表示処理を行って表示の高速化を行うことが
できる仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーション
方法を提供することにある。本発明の更に他の課題は、
現実感の再定義を行って現実感を保持したまま表示量の
削減を行って、表示処理を高速化することができる仮想
現実シミュレータ及びそのシミュレーション方法を提供
することにある。本発明の更に他の課題は、現実感の再
定義を行って拡張されたＬＯＤ（Extended LOD） によ
りオブジェクトのメソッドにインスタンス化を行って、
現実感を保持したまま、表示処理を高速化することがで
きる仮想現実シミュレータ及びそのシミュレーション方
法を提供することにある。本発明のより詳細な課題は、
下記する実施の形態を通じて明らかにされる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が請求項に対応して表現される次の記載中に現れ
る（）つきの数字又は文字は、請求項の記載事項が詳し
く後述される実施の複数の形態のうちの少なくとも１つ
の形態の部材、工程、動作に対応することを示すが、本
発明の解決手段がそれらの数字が示す実施の形態の部
材、工程、動作に限定して解釈されるためのものではな
く、その対応関係を明白にするためのものである。

【００１０】本発明による仮想現実シミュレータは、計
算機（１）と、表示装置（７）と、シミュレータ（３）
とからなり、計算機（１）は、仮想機器（オブジェク
ト）が配置された仮想環境（Ｍ，Ｌ，ＧＸｊ（ｔ）又は
Ｍ，Ｌ，ＧＸｊ）と仮想現実（ＭＸｊ）を提供し、表示
装置（７）は仮想環境上に設定される仮想動視点（Ｘｊ
（Ｔ））からみる仮想現実（ＭＸｊ）を表示し、シミュ
レータ（３）は仮想現実の一部をシミュレーションの結
果に基づいて変更する。このように、当該シミュレータ
はダイナミックに４次元化されている。

【００１１】本発明による仮想現実シミュレータは、よ
り詳しく表現を変えて述べれば、公知の仮想現実をシミ
ュレータに変えて、且つ、４次元化したことに特徴が見
出され、両時間の同期化により模擬訓練をダイナミック
にリアルタイムで行うことができるようにしたダイナミ
ックな仮想現実を実現している。そのためには、仮想動
視点（Ｘｊ（Ｔ））の空間座標は、仮想現実（ＭＸｊ）
のリアルタイムの計算機内時間座標ｔに同期化されて仮
想動視点に固定された時間軸上の視点時間座標Ｔを変数
とする動視点の座標として視点座標関数Ｘｊ（Ｔ）で表
現される。動視点座標関数Ｘｊ（Ｔ）の添字ｊは多次元
空間座標を示す。

【００１２】仮想機器（ＬＸｊ（ｔ））は可動であり、
その仮想機器の空間位置座標は計算機（１）内時間座標
ｔを変数とする関数としてＭＸｊ（ｔ）で表現され、計
算機（１）内時間座標ｔと視点時間座標Ｔは完全に一致
していることが望ましい。完全に一致していなくても、
座標変換により容易に一致させて同期化することができ
る。なお、リアルタイムは、計算機の計算速度、通信媒
体の遅延を無視した時間であり、計算機の中で全オブジ
ェクトが全体に並進して遅延する時は、仮想４次元時空
中では、完全なリアルタイムであるとみなしてよい。

【００１３】ＬＸｊ、ＬＸｊ（ｔ）、ＧＸｊ、ＧＸｊ
（ｔ）の上位関数として表現されるＭＸｊ、ＭＸｊ
（ｔ）により、仮想機器のプロセス値が表現されうる。
この表現により、仮想現実がダイナミックに創造されう
る。プロセス値は、仮想機器の流体の流量、エレベータ
の昇降のような運動である。表示装置（７）に表示され
る仮想現実の表示情報量（Ｐ）は、Ｔを変数とする情報
関数としてＰ（Ｔ）で表される。このような表現は、人
の情報量の認識量の制御に対応する。表示装置（７）に
表示される仮想現実の情報量がＸｊ（Ｔ）を変数とする
情報関数としてＰ（Ｘｊ（Ｔ））で表される場合に、高
速列車の車窓からみる景色のように流動性をもって表示
されうる。

【００１４】表示装置（７）に表示される仮想現実の表
示情報量Ｐが動視点の速度の速度関数Ｖｊを変数とする
情報関数としてＰ（Ｖｊ（Ｘｊ（Ｔ））で表現されるこ
とは特に好ましい。動視点に回転せずに固定される仮想
投影面（ＳＡ、ＳＢ）が設定され、その速度関数は、動
視点と仮想現実の特定のオブジェクトの座標点とを結ぶ
直線が交わる投影点の仮想投影面（ＳＡ，ＳＢ）上にお
ける投影速度として表現される。この投影速度に基づく
環境表現は、既述の車窓外景色の表現に見事に対応す
る。投影速度の増大に従って表示情報量は表示情報量の
最大値から減殺されることは、現実感によく合う。

【００１５】表示情報量は、慣用手段のポリゴン数処理
によってその多少が計算され、最大値から減殺される減
殺量は、ポリゴン数を減少させる減少数である。ポリゴ
ン数は、任意の図形を分解する三角形のような多角形の
数であるが、その名称のいわれに関係せず、計算機によ
り最小負荷で（最短に）処理できる図形処理回数として
一般的に定義することができる。表示情報量が、その表
示対象である仮想現実のオブジェクトと動視点との間の
距離に従って、表示情報量の最大値から減殺され、その
距離が大きければ大きいほどその最大値から減殺される
減殺量が多いことも、現実感に対応する。

【００１６】表示情報の表示周期が、その表示対象であ
る仮想現実のオブジェクト（ＳＸｊ）と動視点との間の
距離に従って、表示周期の最小値よりも長く設定され、
その距離が大きければ大きいほどその最小値よりも長く
設定されることも、現実感に対応する。

【００１７】計算機（１）内に、仮想現実のオブジェク
トのデータ階層、及び、オブジェクトのデータとそのデ
ータを処理するためのメソッドを制御するＬＯＤノード
（ＬＮ１〜３）の階層が形成され、そのＬＯＤノード
（ＬＮ１〜３）は動視点とオブジェクトとの間のオブジ
ェクト距離に対応して情報表示量の多少を制御する計算
機能である。階層構造の下層への進行は、ＬＯＤノード
階層を経由して実行され、ＬＯＤノード（ＬＮ１〜３）
はオブジェクト距離に対応して選択される。言い換えれ
ば、仮想現実は、ＬＯＤノード階層構造を備え、仮想機
器までの階層構造の下層への進行は動視点とオブジェク
トとの間のオブジェクト距離に対応して制御されること
になる。

【００１８】オブジェクトのデータ階層は、オブジェク
ト距離がより長い遠距離オブジェクト（５１）と、オブ
ジェクト距離がより短い近距離オブジェクト（５２）と
から形成され、遠距離オブジェクト（５１）のポリゴン
数は近距離オブジェクト（５２）のポリゴン数よりも少
ない。これにより、計算機（１）の計算及び表示のため
の負荷が小さくなる。

【００１９】ＬＯＤノードの上層のノードとして、動視
点が存在する単一の存在仮想空間ノード（１１１〜１１
３、１１１−１〜３）と動視点が存在しない複数の不存
在仮想空間ノード（１１１−２〜３）とが形成され、不
存在仮想空間ノード（１１１−２〜３）は表示手段
（７）への表示対象としては削除される。これにより、
計算機（１）の計算及び表示のための負荷が更に小さく
なる。

【００２０】更に、仮想機器のうちの可動機器を駆動す
るためのグローブのような駆動用器具（６）がインター
フェース機能として設けられている。表示装置（７）上
の可動機器ＬＸｊ（ｔ）の座標と、表示装置（７）上の
駆動用器具（６）の座標とが駆動初期には一致している
が駆動終期に一致しない場合に、計算機（１）が両座標
を駆動終期に一致させることが好ましい。現実と表示の
乖離が回避される。その一致は滑らかに行われることが
特に好ましい。

【００２１】動視点の移動経路の末端部の単位長さのベ
クトルが、訓練者によっては変更されえない動視点の移
動経路の始端部の単位長さのベクトルに一致しない時
に、計算機（１）は、両ベクトルを一致させることが更
に好ましい。両ベクトルは滑らかに一致させられること
が更に好ましい。動視点の移動経路の末端部の単位長さ
のベクトルが、仮想現実のオブジェクトＳ（Ｘｊ）の基
準面に対する一定の設定角度を持つように計算機（１）
が修正することは、更に好ましい。

【００２２】本発明による仮想現実シミュレータのシミ
ュレーション方法は、計算機（１）中に仮想現実（ＭＸ
ｊ、ＭＸｊ（ｔ））を形成するためのステップと、シミ
ュレータ（３）により仮想現実を計算機（１）中で修正
するためのステップと、訓練者の操作によりインターフ
ェース（４）を介して仮想現実の上に動視点（Ｘｊ
（Ｔ））を計算機（１）中に重ね合わせて移動させるた
めのステップと、仮想現実をその内部時間であるリアル
タイムｔの関数としてＳｊ（ｔ）で計算機（１）中に記
述するためのステップと、動視点の位置座標を動視点の
時間Ｔを変数とする関数としてＨｊ（Ｔ）で計算機
（１）中に記述するステップと、時間ｔと時間Ｔを計算
機（１）中で同期化するためのステップとからなる。

【００２３】既述の通り、シミュレーション方法を４次
元化することができ、ダイナミックな訓練方法が実現し
ている。更に、前記時間ｔを時間Ｔに対してタイムスリ
ップさせるためのステップがあることは、きわめて好ま
しい。後述するように、訓練に多様な効果をもたらすこ
とができる。現実の時空では起きないタイムスリップ
は、仮想現実の中では、きわめて容易に実行させること
ができ、模擬訓練を豊かに、且つ、効率良く行うことが
できる。タイムスリップ効果は、本発明の付加効果の中
で、最も重要であり、その本質を直接に示している。

【００２４】更に、タイムスリップにより仮想現実のプ
レイバックを実行するためのステップがあることは、当
然に好ましい。更に、タイムスリップの後に仮想現実を
シミュレータにより修正するためのステップは特によい
ステップであることは、もはや説明するまでもなく明ら
かである。更に、タイムスリップにより仮想現実のプロ
セス値と訓練者の操作を同期化させて、プロセス値と操
作を表示するためのステップがあれば、訓練の精度を高
める点ですぐれている。

【００２５】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
仮想現実シミュレータの実施の形態は、人の仮想動視点
Ｘｊ（Ｔ）と仮想構築物である計算機１とからなる。仮
想構築物である計算機１は、空間座標Ｘｊと時間座標ｔ
とで記述される数学的４次元実体である。この数学的４
次元実体は、固定物体と、動的物体とから形成されてい
る。

【００２６】計算機１は、仮想機器が配置された仮想環
境と仮想現実８を提供し、仮想現実は、仮想環境上に設
定される仮想動視点からみるダイナミックな現実であ
る。計算機１は、空間内固定物体Ｓ（Ｘｊ）と、空間内
局所的動的物体ＬＸｊ（ｔ）と、空間内大域的動的物体
ＧＸｊ（ｔ）とから形成される静的・動的実体２を内部
に仮想的に生成する。ここで、”ｊ”は、”１，２，
３”であり、３次元空間座標を指示する数である。時間
ｔは、計算機１が自己内にもつ時計により規定される仮
想現実時間（仮想リアルタイム）である。

【００２７】計算機１は、具体的には、化学プラント、
発電プラント、高層ビルディングのような現実の巨大建
設物が数値データ化された仮想構築物である。空間内固
定物体Ｓ（Ｘｊ）は、外壁、部屋のような内壁、廊下・
通路、机、バルブ本体、メータ筐体のような物体であ
り、これらは閉じた空間座標（域）Ｘｊで表現され、平
面体、立体であり、計算機１内の固定オブジェクトＳ
（Ｘｊ）である。この明細書で、オブジェクトと仮想物
体とは、同義で用いる。

【００２８】空間内局所的動的物体ＬＸｊ（ｔ）は、バ
ルブのハンドル、メータ針、防護扉、電気ブレーカのよ
うな規定された空間内の局所的領域で動的である動的物
体（動的オブジェクト）である。その閉じた位置座標
（領域）は、そのオブジェクト内では相対的に固定され
た座標値を持ち、その任意の点Ｘｊはリアルタイムｔを
変数とする関数Ｘｊ（ｔ）で表現される。

【００２９】空間内大域的動的物体ＧＸｊ（ｔ）は、配
管中の流体の流れ、エレベータ・システムの昇降物体の
運動、コンベヤの流れのような速度を持ち、大域的に移
動する物体である。配管中の流れのような連続流は、局
所的に速度で記述することができる。

【００３０】空間内固定物体Ｓ（Ｘｊ）、空間内局所的
動的物体ＬＸｊ（ｔ）、空間内大域的動的物体ＧＸｊ
（ｔ）との構築物３情報は、計算機１の外の外部記憶装
置２（記憶された既述の静的・動的実体２に一致）に固
定的に記憶されており、当該構築物の最終設計値で記述
され、時間的に変動する動的設計物体を含む固定物体で
あり、訓練時には、計算機１に取り込まれる。このよう
な構築物３情報は、計算機１の一部とみなすことができ
る。外部記憶装置２は、それのプラントの動的設計仕様
図面に相当する。

【００３１】シミュレータ３が、計算機１に接続されて
いる。シミュレータ３は、計算機１に取り込まれた空間
内局所的動的物体ＬＸｊ（ｔ）、空間内大域的動的物体
ＧＸｊ（ｔ）に含まれる各種のパラメータを変更するこ
とができる。その変更は、インストラクタ（模擬訓練時
の人である教官又はプログラム化された仮想教官）１４
により、リアルタイムで行われうる。シミュレータ３と
インストラクタ１４とは、ＬＡＮ１５を介して計算機１
と通信することができる。

【００３２】シミュレータ３として、１７５小容量ドラ
ム型シミュレータが用いられている。インストラクタと
して、ＩＷＳＩ（ＤＳ９０ ７５００Ｖ２０Ｌ１０）が
用いられている。計算機１内のあらゆる制御プログラム
を含む計算実行系として、ＭＤＬ（DEC AlphaStation 5
00/400）が用いられ、実行系としてＵＮＩＸ実行系が用
いられている。

【００３３】計算機１上に、計算機１内でスーパーポジ
ションとして設定されスーパインポーズされて任意に移
動する仮想動視点（訓練者に相当する）Ｘｊ（Ｔ）が設
けられる。仮想動視点は、以下、単に動視点と表記され
る。ここで、大文字表示のＴは、計算機１の小文字表示
の内部時間ｔと区別されて用いられる。単純な場合は、
Ｔ＝ｔ−Ｔoで表され、Ｔo は、仮想動視点Ｘ（Ｔ）の
時間原点の計算機１における時間座標である。

【００３４】計算機１と訓練者とを計算上で接続するイ
ンタフェース４は、動視点を原点として含む４次元座標
移動系に属する物体とみなすことができる。４次元座標
移動系４には、操縦用機器として、４次元用ハンドル、
訓練者の手指が属し、更に、計算機１を景色として見る
ためのウインドウが属する。４次元ハンドルは運動可能
ないわゆる３次元マウス５であり、スペースボールとも
称されている。

【００３５】３次元マウスを３次元的に回転させ、その
回転速度を変えることにより、速度を制御しながら任意
のデジタル化された位置に動視点Ｘｊ（Ｔ）を計算機１
内で移動させることができる。３次元マウス５は、３Ｄ
加速機能を有している慣用の技術である。その手指は、
いわゆる３次元データグローブ６である。データグロー
ブ６は、訓練者の手指の３次元位置を追跡して、その並
進位置、回転位置をデジタル数値化することができる。

【００３６】ウインドウは、いわゆるＨＭＤ（head mou
nt display）である。現実の訓練者の頭に装着され慣用
技術であるＨＭＤには、両眼の前方に位置する３次元表
示用画面又はその３Ｄ眼鏡が組み込まれ、両眼視差によ
って立体視化することができる。図１には、ＨＭＤとし
て立体画像表示スクリーン７が示されている。ＨＭＤ
は、動視点が向く視線の方向をデジタル数値化する視線
方向化機能も当然に有している。

【００３７】３次元マウス５の運動、データグローブ６
の運動は、デジタル数値化されて、インターフェース４
から計算機１に入力される。計算機１は、部分仮想現実
の集合を内部に有している。動視点Ｘｊ（Ｔ）から計算
機１の中の階層的部分仮想現実８を見たときの射軸投影
画像に対応する画像電気信号９をスクリーン７に投影す
るためにリアルタイムで生成する。

【００３８】３次元マウス５、データグローブ６、スク
リーン７は、計算機１の外側に現実に存在する実体であ
るが、動視点は計算機１の内側に存在する。３次元マウ
ス５、データグローブ６、スクリーン７は、計算機１の
中に仮想的実体としても存在する。言い換えれば、動視
点Ｘｊ（Ｔ）は、計算機１の中にスーパーインポーズさ
れ、重ねられている（スーパーポーズされている。）。

【００３９】インターフェース４は、現場インターフェ
ースと中央操作室インターフェースとから構成されてい
る。現場インターフェースは、バルブ室、ポンプ室、会
議室、通路、薬品反応炉のようなオブジェクト群に関係
し、中央操作室インターフェースは、中央操作室、その
操作室の制御盤、その制御盤の操作機器群に関係する。
現場インターフェースに中央操作室インターフェースを
組み入れることは可能である。

【００４０】図２は、本発明による仮想現実シミュレー
タのシミュレーション方法の実施の形態を示している。
計算機１はその中に、図２に示されるように、オブジェ
クト・ツリー１１を形成している。オブジェクト・ツリ
ー１１は、既成のツールにより形成され公知慣用のツリ
ー構造を有している。オブジェクト・ツリー１１は、プ
ラント全体、バルブ制御室、バルブ室、バルブ、バルブ
本体又はバルブハンドルのように、階層化オブジェクト
を統合するノードを有し、全ノードはルートノード２０
に統合されている。ルートノード２１に、現場シーンＳ
１、Ｓ２・・・Ｓｎが統合されている。

【００４１】現場シーンＳ１は、これが結節点となっ
て、現場パーツ群Ｇ１，バルブパーツ群Ｇ２、メータパ
ーツ群Ｇ３に分岐している。現場パーツ群Ｇ１は、第１
現場パーツ２１、第２現場パーツ２２に更に分岐するグ
ループノードである。現場パーツ群Ｇ１であるグループ
ノードは、通常ノードの第１現場パーツに分岐し、又
は、ＬＯＤノードＬＮ１に分岐することができる。

【００４２】通常ノードとＬＯＤノードとは、後述する
仮想空間上の動視点Ｘｊ（Ｔ）の位置座標により切替ら
れる。動視点がある空間領域にあれば通常ノードが選択
され、動視点が他の空間領域にあればＬＯＤノードが選
択される。通常ノードとＬＯＤノードの切替は、計算機
１のノード切替手段により自動的に行われる。ＬＯＤノ
ードである結節点の下位層ノードである子ノードが、下
記するように形成される。このようなＬＯＤノードの下
位層ノードの形成により、プログラムによる処理が簡素
化され、表示の高速化が行われうる。

【００４３】ＬＯＤノードＬＮ１の階層下にあるオブジ
ェクトの現場パーツ２２は、更に、そのＬＯＤノードの
子ノードとして、遠距離用パーツ５１と近距離用パーツ
５２とに分節される。近距離用パーツ５２はより詳細に
表示されることになる。即ち、近距離用パーツ５２の表
示は、ポリゴン数がより多いモデルとして形成される。
遠距離離用パーツ５１はより簡素に形成される。即ち、
遠距離用パーツ５１の表示は、ポリゴン数がより少ない
オブジェクトとして形成される。

【００４４】ＬＯＤノードのバルブパーツ３２は、更
に、そのＬＯＤノードの子ノードとして、遠距離用バル
ブパーツ６１と近距離用パーツ６２とに分節される。近
距離用バルブパーツ６２はより詳細に表示される。即
ち、近距離用バルブパーツ６２は、ポリゴン数がより多
いオブジェクト・モデルとして形成されている。遠距離
用バルブパーツ６１はより簡素に表示される。即ち、遠
距離用バルブパーツ６１は、ポリゴン数がより少ないオ
ブジェクト・モデルとして表示される。

【００４５】ＬＯＤノードのメータパーツ４２は、更
に、そのＬＯＤノードの子ノードとして、遠距離用メー
タパーツ７１と近距離用メータパーツ７２とに分節され
る。近距離用メータパーツ７２はより詳細に表示され
る。即ち、近距離用メータパーツ７２の表示は、ポリゴ
ン数がより多いオブジェクト・モデルとして形成されて
いる。遠距離離用メータパーツ７１はより簡素に表示さ
れる。即ち、遠距離用メータパーツ７１は、ポリゴン数
がより少ないオブジェクト・モデルとして形成されてい
る。

【００４６】ＬＯＤノードの子ノードである近距離用バ
ルブパーツ６２は、更に、その子ノードとして、バルブ
本体８１とバルブハンドル８２とに分節される。バルブ
本体８１とバルブハンドル８２は、これらにもっとも近
い領域に視点がある時に、最も詳細に表示される。バル
ブ本体８１は、固定的空間座標ＳＸｊで記述されるが、
バルブハンドルは模擬訓練者の操作に従って運動し、時
間を変数とする空間座標ＬＸｊ（ｔ）で記述される。

【００４７】ＬＯＤノードの子ノードである近距離用メ
ータパーツ７２は、更に、その子ノードとして、メータ
本体９１とメータ針９２とに分節される。バルブ本体９
１とメータ針９２は、これらにもっとも近い領域に視点
がある時に、最も詳細に表示される。メータ本体９１
は、固定的空間座標Ｓ（Ｘｊ）で記述されるが、メータ
針９２は、模擬訓練者の操作に従って運動し、時間を変
数とする空間座標ＬＸｊ（ｔ）で記述される。

【００４８】図３は、本発明による仮想現実シミュレー
タのシミュレーション方法の実施の他の形態を示してい
る。図１のＬＯＤが拡張されたＬＯＤ即ちこの明細書で
いうＥＬＯＤを示している。ＥＬＯＤは、extended leb
el of detail の略である。ノードが切り替えられてＬ
ＯＤノード処理モードに入ると、遠距離用パーツ５２か
ら、近距離用パーツ用処理のメソッド１０１が削減され
る。メソッド１０１は、図形生成用プログラムを含む。

【００４９】このような削減は、バルブパーツ群Ｇ２の
ＬＯＤノードＬＮ２、メータパーツ群Ｇ３のＬＯＤノー
ドＬＮ３の下層にあるオブジェクトについても実行され
る。遠距離では、バルブの運動、メータ針の運動を生起
させるプログラムも削減される。このようなＥＬＯＤに
より、ポリゴン数もメソッド１０１〜１０３も省略・削
減され、計算機１にかかる計算負荷が大幅に削減され
る。

【００５０】ポリゴン数の削減の具体的方法：図４は、
本発明による仮想現実シミュレータのシミュレーション
方法の実施の更に他の形態であるポリゴン数の削減方法
を示している。人の視点を、仮想現実空間上で３次元の
動視点として原点化する。原点は、人の移動とともに移
動する。その原点の仮想時間・空間は、既述の通りＸｊ
（Ｔ）で表現されている。その原点は、図４上にＭで示
されている。

【００５１】動視点を原点Ｍとする射軸３次元座標系
が、動視点・人に固定されている。計算の便宜のため、
射軸３次元座標系は、水平面に投影されて射軸２次元座
標化されている。２次元射軸座標系の座標は、固定軸上
の任意の１点とこの点に直交する線上の任意の１点との
間の距離と、原点を通り固定軸と動径軸との間の角度θ
とで構成されている。

【００５２】初期位置点Ｍの動視点からオブジェクト２
（例えば、バルブ）に向かう線Ｌ（固定軸）が、射軸座
標で角度が零である動径座標軸に一致して設定されてい
る。その固定軸上で原点Ｍから距離がＬである点Ｒを通
り固定軸Ｌに対して角度がπ／２である線を含む鉛直面
（一般的には、視点から視線が向かう方向に直交する面
であるが、その視線方向が水平である場合に限って２次
元的に表現すれば、その直交面は鉛直面である。）に合
致するように、仮想スクリーンＳＡが設定されている。
仮想スクリーンＳＡは、図１に示すＨＭＤのスクリーン
７に一致して対応する。図中に黒く塗りつぶした領域
は、オブジェクト２に向かう視線の人の目にとって実質
上の死角領域（不可視領域）である。

【００５３】角度θ１の動径線の上に、オブジェクト１
（例えば、時計）が位置している。オブジェクト１は、
既述のＳＸｊで表現される。ある微分時間Δｔ（適正な
時間幅、微少時間）が経過した時に、動視点Ｍは、線Ｌ
上で点Ｍ’まで移動したとする。動視点Ｍ（Ｘｊ
（Ｔ））に固定されている動平面ＳＡ（スクリーンＳＡ
に一致）は、オブジェクト２に向かう方向に移動する
が、回転せずに、動視点Ｍとともに移動する共動平面で
ある。オブジェクト２と異なる位置にあるオブジェクト
１と動視点Ｍとを結ぶ直線と平面ＳＡとの交点である射
軸投影が点Ｐで示されている。

【００５４】移動経路Ｌ上で、動視点Ｍが点Ｍ’まで移
動する時の距離はＤで示されている。この時間内に、動
平面ＳＡも移動経路Ｌに対する直交関係を保持したま
ま、即ち、平行性を維持したまま、距離Ｄだけ移動す
る。移動後の動視点Ｍ’とオブジェクト１とを結ぶ直線
と移動後の動平面ＳＢとの交点である射軸投影点が、Ｑ
で示されている。

【００５５】直線Ｌと動平面ＳＡ、動平面ＳＢとのそれ
ぞれの直交投影点がそれぞれに、Ｒ，Ｓで示されてい
る。点Ｍとオブジェクト１の位置点である点Ｕ（Ｓ（Ｘ
ｊ）の中心点）とを結ぶ直線が動平面ＳＡと交わる点
が、Ｐで示されている。点Ｐから動平面ＳＢに直交投影
した投影点をＴで示す。角ＲＭＴ＝θ２、角ＲＭ’Ｑ＝
θ１、ＭＲ＝Ｌ。

【００５６】 ＱＴ＝ＳＱ−ＳＴ＝Ｍ’Ｑｓｉｎ（θ２）−ＭＰｓｉｎ（θ１） ＝｛Ｌ／ｃｏｓ（θ２）｝ｓｉｎ（θ２） −｛Ｌ／ｃｏｓ（θ１）｝ｓｉｎ（θ１） ＝Ｌ｛ｓｉｎ（θ２）ｃｏｓ（θ１）−ｓｉｎ（θ１）ｃｏｓ（θ２）｝ ／ｃｏｓ（θ２）ｃｏｓ（θ１）．・・・（１） 点Ｍとオブジェクトの位置点Ｕとの間の距離（定数）を
Ｘで表す。点Ｍ’から線ＭＵに下した垂線の足をＶとす
る。ＭＶ＝ａ。 ａ・ｔａｎ（θ１）＝（Ｘ−ａ）ｔａｎ（θ２−θ１）．・・・（２） ＭＭ’＝ａ／ｃｏｓ（θ１）．

【００５７】式（２）を変形して、 ａ｛ｔａｎ（θ１）＋ｔａｎ（θ２−θ１）｝＝Ｘ・ｔａｎ（θ２−θ１）． 更に変形して、 ａ＝Ｘ・ｔａｎ（θ２−θ１）／｛ｔａｎ（θ１）＋ｔａｎ（θ２−θ１）｝． ・・・（３） ＭＭ’＝ａ／ｃｏｓ（θ１） ＝Ｘ・ｔａｎ（θ２−θ１）／［ｃｏｓ（θ１）｛ｔａｎ（θ１）＋ｔａｎ（θ ２−θ１）｝］．・・・（４）

【００５８】式（１）と式（４）とから、 ＱＴ／ＭＭ’ ＝（Ｌ／Ｘ）｛ｓｉｎ（θ２）ｃｏｓ（θ１）−ｓｉｎ（θ１）ｃｏｓ（θ２） ｝［ｃｏｓ（θ１）｛ｔａｎ（θ１）＋ｔａｎ（θ２−θ１）｝］／［ｃｏｓ（ θ２）ｃｏｓ（θ１）・ｔａｎ（θ２−θ１） （θ１がθ２に近い値であれば、） ＝（Ｌ／Ｘ）ｓｉｎ（θ２−θ１）ｃｏｓ（θ１）ｔａｎ（θ１）／［ｃｏｓ（ θ２）ｃｏｓ（θ１）・ｔａｎ（θ２−θ１） ＝（Ｌ／Ｘ）ｃｏｓ（θ２−θ１）ｃｏｓ（θ１）ｔａｎ（θ１）／［ｃｏｓ（ θ２）ｃｏｓ（θ１） ＝（Ｌ／Ｘ）ｃｏｓ（θ１−θ２）ｔａｎ（θ１）／ｃｏｓ（θ２） （θ１がθ２に近い値であるので） ＝（Ｌ／Ｘ）ｔａｎ（θ１）／ｃｏｓ（θ２） ＝（Ｌ／Ｘ）ｓｉｎ（θ１）／ｃｏｓ（θ１）ｃｏｓ（θ２）．・・・（５）

【００５９】ＭＭ’間の投影速度をＶviewで表せば、動
視点がＭＭ’間を微少時間Δｔで通過する間に、動平面
上で投影点Ｐはその同じ微少時間内に投影点Ｑまで進む
から、その投影点の速度をＶobj で表せば、 Ｖobj ＝ Ｖview・ＱＴ／ＭＭ’ ＝（Ｌ／Ｘ）｛ｓｉｎ（θ１）／ｃｏｓ（θ１）ｃｏｓ（θ２）｝Ｖview．・・ ・（６）

【００６０】射影速度の上限をある一定値以下に抑えた
後述するポリゴン数削減制御を行う場合は、下記式を適
用することができる。 Ｖobj ＝Ｖview｛ｃｏｓ（θ１）−ｃｏｓ（θ２）｝・・・（７）

【００６１】オブジェクト１がラインＬ上にあれば、θ
１＝θ２＝０であるから、投影速度Ｖobj は零であり、
ラインＬ上にある動視点Ｍがオブジェクト１の真横にあ
れば、即ち、線Ｍ’Ｕとラインが直交すれば、瞬間速度
は、式（６）によれば、微分（θ２−θ１）が限りなく
零に近い値であるから、θ１＝θ２＝π／２であり、投
影速度Ｖobj は無限大に発散する。式（７）によれば、
θがある程度に大きくなれば、射影速度がある最大速度
を越えるものとして扱う。

【００６２】投影速度が遅いということは、動視点がオ
ブジェクト１から遠く離れていることと、動視点の速度
が遅いこととの複合効果である。このような場合は、オ
ブジェクト１は、それが持つ元の（オリジナルの）ポリ
ゴン数Ｐoriginal をそのまま維持して、即ち、動視点
から見るオブジェクト１の元のポリゴン数をオブジェク
ト１に与える。投影速度が速いということは、動視点が
オブジェクト１に近いことと、動視点の速度が遅いこと
との複合効果である。

【００６３】このような場合は、動視点から見るオブジ
ェクト１のポリゴン数を削減する。即ち、オブジェクト
１の動視点から見る全情報の一部が割愛されて表示され
ることになる。極端にいえば、真横にあるオブジェクト
は、これがないものとして無視して差し支えない（人の
目は、真横の物体を見ることはほとんどできないし、仮
に見えても、ピンボケである。）。

【００６４】式（６）は、瞬間の速度を示し、現実に
は、θ２とθ１との差として、適正なある大きさの時間
幅が与えられる。式（６）、式（７）の速度は、点Ｍと
点Ｍ’との間の平均速度であると考えることができる。
そこで、次のようなルールが、実施の形態として適正で
ある。

【００６５】rule1: Vobj≦ Vlow → Poriginal（ポリ
ゴン数はオリジナルのままに保持する） rule2: Vlow ≦Vobj ＜ V1 → P1（そのポリゴン数が削
減される） rule3: Vl ≦Vobj ＜V2 → P2 （そのポリゴン数が更に
削減される） rulen: Vn-2 ≦Vobj＜Vn-1 → Pn-1（そのポリゴン数が
更に削減される） 但し、Poriginal ＜P1＜P2・・・＜Pn-1。

【００６６】ルールの数を更に増やすことにより、より
きめ細かな増減制御を行うことができる。トレードオフ
である処理の負荷の量は、実際に模擬訓練を行いながら
試行錯誤的に定めることが好ましい。

【００６７】通信周期（通信頻度）の制御：図５は、本
発明による仮想現実シミュレータのシミュレーション方
法の更に他の実施の形態を示している。オブジェクト１
までの距離と通信頻度の関係の適正化を解析するため
に、図４と同じ状況下の作業室を示している。図４の解
析では、点Ｍと点Ｍ’との間の時間幅は、動視点Ｍが点
Ｍにある時にその時のオブジェクト１の２Ｄ投影表示が
スクリーンＳＡ上で行われ、Δｔ時間の後に、即ち、動
視点Ｍが点Ｍ’にある時にその時のオブジェクト１の２
Ｄ投影表示がスクリーンＳＢ上で行われることになる。
このようなΔｔは、図１では平均速度を計算する時の時
間幅であるが、図２では通信（キャスト）周期である。

【００６８】動視点Ｍを中心とする円領域が設定され
る。その円領域の半径が、Ｌで示されている。動視点Ｍ
とオブジェクト１との間の距離をＤ（Ｘｊ）で表す。Ｌ
＜Ｄ（Ｘｊ）であれば、ユニキャスト通信が行われ、Ｄ
（Ｘｊ）＜Ｌであれば、マルチキャスト通信が行われ
る。

【００６９】ユニキャスト通信：通信周期Δｔを距離を
変数とする連続関数とする。 Δｔ＝Δｔ（Ｄ（Ｘｊ））． 具体的には、適当な正の係数ａを選択して、 Δｔ＝ａＤ．

【００７０】オブジェクト１と動視点Ｘｊ（Ｔ）との間
の距離Ｄに比例して、通信周期Δｔを長くする。オブジ
ェクトが遠方にあれば、通信頻度即ち画面表示更新頻度
を少なくする。即ち、オブジェクト１が遠方にあれば、
遠方単位時間当たりの画面更新回数が少ない。

【００７１】通信周期Δｔを距離Ｄを変数とする不連続
関数とし、距離Ｄに応じて段階的に通信周期Δｔを変更
する。Ｌ≦Ｄ（Ｘｊ）＜Ｄ１であれば、Δｔ＝ｔ１。 Ｄ１≦Ｄ（Ｘｊ）＜Ｄ２であれば、Δｔ＝ｔ２。但し、
ｔ１＜ｔ２． Ｄｎ−１≦Ｄ（Ｘｊ）＜Ｄｎであれば、Δｔ＝ｔｎ。但
し、ｔｎ＜ｔｎ−１． Ｄｎ≦Ｄ（Ｘｊ）であれば、通信処理を停止する。

【００７２】図６は、マルチキャスト通信が行われてい
る間のＶＲインターフェースと計算機１又は計算機１内
のオブジェクトとの間の通信関係を示している。そのオ
ブジェクトがネットワーク経由で他のプロセスと通信す
る際には、図７に示されるように、オブジェクトの時間
軸の１点からの１回の送信リクエストに応じて、ＶＲイ
ンターフェースの複数の機器に一斉に同じ情報を定めら
れた送信周期Δｔｍで送信終了リクエストがあるまで、
計算機１の時間軸の多点から一方的に送信し続ける。

【００７３】計算機１は、複数のインターフェース機器
１，３，４の全てに接続されている。多くの機器と計算
機１との間の通信用手続が全て省略され、生成されたポ
リゴン数が多く詳細なデータを無差別に一方的に送信す
る。このようなマルチ送信は、メータパーツ群Ｇ３のメ
ータ数が多い場合に特に有効である。

【００７４】図８は、ユニキャスト通信が行われている
間のＶＲインターフェースと計算機１又は計算機１内の
オブジェクトとの間の通信関係を示している。図９に示
されるように、単一のオブジェクトの時間軸２の１点か
らの１回の送信リクエストに応じて、計算機１の時間軸
１の１点からそのオブジェクトに１回の送信が行われ
る。遠くから見るオブジェクトの情報は、他のオブジェ
クトに送信する必要はほとんどない。図１０は、オブジ
ェクト１への接近度が高くなって、１回の送信周期がよ
り短くなっていることを示している。

【００７５】現場シーンの削減方法：図１１は、本発明
による仮想現実シミュレータのシミュレーション方法の
更に他の実施の形態を示している。図１１に示されるシ
ーングラフは、オブジェクトを階層的に分化し、且つ、
組み立てる分解・組立階層である。シーングラフとは、
このような階層構造を与えるために、互いに親和性が高
く、特に、空間を構成するオブジェクトの種類に注目し
て、ツリー構造・ノードの種類を規定したものをいう。

【００７６】図１１に示すシーングラフは、ルートノー
ド１１０の下層ノード又は下層オブジェクトとして、複
数の環境シーン１１１，１１２，１１３に分節化してい
る。例示すれば、環境シーン１１１は、給水ポンプに関
している。環境シーン１１１は、子ノード又は子オブジ
ェクトとして、給水ポンプ部屋１１４、給水ポンプのブ
ースターポンプ・配管１１５、メータ・バルブ１１６に
分節している。

【００７７】このように、ルートオブジェクト１１０
は、複数のシーン・オブジェクトに分解され、複数のシ
ーン・オブジェクトはルートオブジェクトに組み立てら
れ、各シーンオブジェクトは、更に詳細な部品化オブジ
ェクトに分解され（オブジェクト化され）、部品化オブ
ジェクトはシーンオブジェクトに組み立てられる（イン
スタンス化される）。

【００７８】このような階層化により、環境シーンＳ
（Ｘｊ）は、次の３つに大別されている。 （１）その現場（環境）を表現する環境のデータ（部屋
のような現場） （２）その現場に存在する各種のオブジェクト （３）インタラクティブな表示・操作が必要であるオブ
ジェクト（メータ、バルブ）

【００７９】各現場のサブツリーは、（１）と（２）と
（３）の３次元モデルを表すジオメトリー・ノードをグ
ループノード１１１で結合されて構成されたツリーであ
る。（１）は空間的に（２）に含まれ、（２）は空間的
に（３）に含まれる。（１）が削除されれば（２）が削
除され、（２）が削除されれば（３）が削除される。環
境シーン１１１が削除されれば、（１）も（２）も
（３）も削除される。

【００８０】図１１のシーングラフは、これによる仮想
現実８の仮想空間の処理を高速化するために、図１２に
示されるように、更に、複雑にノード化されている。ル
ートノード１１０の下にスイッチノード１２１が付加さ
れ、スイッチノード１２１の下層のオブジェクトである
環境シーンは、グループノード１２２に再構成されてい
る。グループノード１２２は、その下層ノードとして、
光源ノード１２３と現場ジオメトリ・ノード１２４に分
節している。

【００８１】グループノード１２２は、更に、光源ノー
ド、現場ジオメトリー・ノードとは別個に、現場（パー
ツ）１２５、バルブ１２６、メータ１２７に分節してい
る。このようなシーングラフの処理には、高速化のため
にＬＯＤ、ＥＬＯＤが用いられ、オブジェクト・メソッ
ドのインスタンス化のためにグルーピング・ノードであ
るスイッチングノード・ＬＯＤノードが用いられてい
る。

【００８２】訓練を実施する現場が増加すれば、その増
加量に比例して、現場環境の３次元モデルの情報も多く
なる。図１３は、現場シーン１１１−１〜３である現場
環境モデルと動視点Ｘｊ（Ｔ）との関係を示している。
計算機１のモデルデータの処理系は、シーングラフを深
さ探索で辿りながら、そのモデルデータに基づく画像の
計算、レンダリング、付随するメソッドの処理とを行
う。このため、現場シーンが増えれば増えるほどに、処
理の負荷が増大することになる。

【００８３】画面の表示処理に直接に関係するのは、動
視点がある１つの現場シーン１１１−１だけであり、そ
の他のシーン即ち画面上の表示が必要ではない現場シー
ン１１１−２，３の枝については、探索・処理する必要
がない。現場シーン１１１−２，３は、動視点Ｘｊ
（Ｔ）がある現場シーン１１１−１からは部屋の壁で遮
られており、動視点Ｘｊ（Ｔ）からは隣の部屋の中は全
く見えない。

【００８４】図１２に示されるように、スイッチノード
は、動視点Ｘｊ（Ｔ）が隔絶されている現場シーン１１
１−２，３は、枝刈りが行われている。このような枝刈
りを行うために、サブツリーである全ての現場シーン
は、グルーピング・ノードであるスイッチノード１２１
の子ノードとして、ツリー構造化されている。

【００８５】スイッチノード１２１は、任意の条件によ
り子ノードのいずれか１つのみを処理するように枝刈り
するためのノードである。言い換えれば、オブジェクト
の再オブジェクト化ノードであり、オブジェクトを消滅
させる演算子、オブジェクトのデータ・メソッドを変更
制御する演算子としてのノードである。任意の条件の１
つは、図１４に示されるように、動視点Ｘｊ（Ｔ）がそ
のオブジェクトに属するか属さないかの２値情報であ
り、この２値情報により、グループノード１２２−２，
３を当該ツリー構造から切り離す条件である。

【００８６】図１５は、本発明による仮想現実シミュレ
ータのシミュレーション方法の実施の更に他の形態を示
す。これまでに述べた実施の形態は情報削減に関する
が、この実施の形態は情報の円滑化に関している。図１
５〜図１７で、同各図（ａ）は、訓練者の現実の動作を
示している。同各図（ｂ）は、仮想現実８には含まれな
い動的物体ＬＸｊ（Ｔ）としてインターフェース４の３
次元データグローブ６が局所的動的物体ＬＸｊ（ｔ）上
にスーパーポーズされて（重ね合わされて）スクリーン
７上に表示されている画像を示している。

【００８７】動的物体ＬＸｊ（Ｔ）は手指であり、オブ
ジェクトの局所的動的物体ＬＸｊ（ｔ）はバルブハンド
ルである。動視点Ｘｊ（Ｔ）と訓練者の手指ＬＸｊ
（Ｔ）は、仮想現実８には含まれていないものと考え、
それらの時間座標として、Ｔが用いられている。

【００８８】バルブハンドル像２０１は、近距離用オブ
ジェクトであり、ＬＯＤは高く、ＨＭＤの３Ｄ画面に詳
細に表示されている。現実の手指をバルブハンドル像２
０１の環状体部分に接近させると、データグローブ６
は、その位置センサーが検出する４次元座標値に従って
スクリーン７上に、バルブハンドル像２０１に重ねられ
て表示される。

【００８９】虚像であり物理的実体ではないバルブハン
ドル像２０１は、これを現実の手指で掴むことはできな
い。そこで、図１５（ａ）に示されるように、データグ
ローブ６の指が掴む動作をした時にはその屈伸量に基づ
いて、”指はバルブハンドルを掴んだ”と判断するよう
に、計算機１はプログラム化されている。

【００９０】この判断がなされると、図１５（ｂ）に示
されるように、仮想の手指像ＬＸｊ（Ｔ）２０２の位置
は、バルブハンドル像ＬＸｊ（ｔ）２０１に固定される
（同じ座標位置が与えられる）。掴むという動作が継続
されている限りは、手指像２０２とバルブハンドル像２
０１とのスクリーン７上での相対的位置関係は不変であ
る。

【００９１】この不変関係が維持されたままで、訓練者
は、バルブハンドルの１円周上に沿ってその手指を回転
させる。人は、計算機１上で設定されている通りのその
１円周上で、立体的にその手指を移動させることはほと
んど不可能である。従って、回転操作後には、仮想４次
元空間の中では現実には、ＬＸｊ（ｔ）≠ＬＸｊ
（ｔ）。

【００９２】しかし、掴むという動作が継続されている
限りは、擬装されて、ＬＸｊ（ｔ）＝ＬＸｊ（ｔ）。図
１６（ａ）に示されるように、掴むという動作が解除さ
れた時は、スクリーン７上には、図１６（ｂ）に示され
るように、バルブハンドル像と手指像は、一致した場所
になく乖離してしまっている。

【００９３】このような乖離現象は、訓練者にとって、
不自然である。この不自然さを解消するために、掴むと
いう動作が解消された瞬間に、図１７（ａ），（ｂ）に
示されるように、点Ａから点Ｂへ、バルブハンドル像２
０１に固定されていた手指像２０２を仮想空間中の現実
の位置に跳躍させる。この跳躍によって、ある程度には
その不自然さが解消される。

【００９４】一瞬のこのような跳躍を行わずに、僅かで
あるが、時間上のずれΔｔ、ΔＴを設けて、このΔｔの
時間中に、バルブハンドル像に固定されていた手指像を
仮想空間中の現実のリアルタイムの位置に滑らかに移動
させる。このような、ステップにより、仮想空間中の物
体（バルブハンドル）とその空間中にスーパーポーズさ
れている仮想物体（手指）との間の空間的乖離の不自然
さが解消される。

【００９５】図１８は、本発明による更に他の実施の形
態を示している。この実施の形態も、他の不自然さを解
消するためのアイディアを含んでいる。３Ｄ仮想空間
は、その情報量削減のために、その中で全場所が自由で
あるようには設定されていない。３Ｄ仮想空間は、自由
空間３０１と制約空間３０２とで形成されている。バル
ブ室のような作業室は、人が３次元的に自由に動き回る
ことができる作業用空間であるが、廊下、階段を含む空
間は、人が自由に動き回る必要がない制約空間であり、
１次元移動のみが許されておればよく、自由度が低い空
間である。

【００９６】図１９は、自由空間と制約空間の接続関係
を示している。制約空間３０２では、動視点Ｘｊ（Ｔ）
は、１次元空間である直線ｂｄ上に制約される。制約空
間３０２と自由空間３０１との境界線ＢＬが設定されて
いる。境界線ＢＬ上に、点ｂ以外に、２点ａ，ｃが存在
する。動視点（Ａで示される訓練者の目の位置）は、点
Ａから点ａ，ｃにそれぞれに無数の経路Ａａ，Ａｃ上を
移動することができる。

【００９７】経路Ａｂの終端部が境界線ＢＬに直交して
おれば、線ａｂは、点ｂで線ｂｄに滑らかに接続する。
動視点が点ａ，ｃに到達した時は、その直前までは、線
Ａａの終端部のベクトルに従って、外部環境オブジェク
トＧＸｊ（ｔ）がスクリーン７上に表示されていたが、
動視点が点ａに完全に到達して制約空間３０２に進入し
た瞬間には、強制的に点ｂへ瞬間移動させられる動視点
から見る外部環境オブジェクトの表示は、一瞬にその写
像・投影角度が変更される。このような一瞬の投影角度
の変更は、人に目眩を起こさせる。

【００９８】動視点が点ａに到達したときは、視線ベク
トルａｄを緩やかに（段階的に）ベクトルｂｄに変換さ
せ、且つ、点ａを点ｂまで緩やかに移動させる。あるい
は、点ａを通りベクトルａｄを持つ移動経路ａｄを生成
させる。線分ａｂの長さに比べて線分ａｄの長さが十分
に長い場合は、生成された移動経路ａｄ上に動視点をお
くだけで、相当に滑らかな接続が可能である。点ｄで直
線ｂｄに滑らかに接続させることはより好ましい。この
場合、このような滑らかな接続処理は、その視線方向も
滑らかに変更することが好ましいが、処理情報量の削減
の程度との兼ね合いで行う。

【００９９】図２０は、オブジェクトと動視点との間の
視線方向に関係する正体機能を付加するための更に他の
実施の形態を示している。この実施の形態も、スクリー
ン上での表示画像間の接続に関係している。図２０は、
仮想現実空間８として計器盤４０１が配置されている作
業室を示している。訓練者の視線方向は、一般に、動視
点Ｘｊ（Ｔ）の移動方向に一致させられている。計器盤
４０１の前面に正体判定用ボックス４０２が、仮想現実
空間８中に更に仮想的に設けられている。

【０１００】正体判定用ボックス４０２の前面側境界面
４０３に動視点が到達し更にその中に進入すると、計算
機１中に設けられている正体判定用ボックスが動作を開
始する。前面側境界面４０３は、計器盤４０１の前面に
平行であり、通常は、鉛直面である。前面側境界面４０
３に到達した動視点の視線方向は、通常は、前面側境界
面４０３に直交しておらず、計器盤４０１の前面は、動
視点との関係でいわゆる正体面になっていない（正投象
図法にいう正面図又は鳥瞰正面図になっていない。）。

【０１０１】図２１で詳しく解析されているように、前
面側境界面４０３上の水平線分ａｂと接触する動視点の
位置Ｘｊ（Ｔ）で、それまでの視線ベクトルＶａを線ａ
ｂを含む鉛直面に対して直交する向きの視線ベクトルＶ
ｂに変換する。この変換は、ベクトルの変換でよく、位
置座標Ｘｊ（Ｔ）を固定して行う必要はない。通常、そ
の位置座標Ｘｊ（Ｔ）は、前面側境界面４０３の概ねの
中心位置を通り前面側境界面４０３に直交する線上に位
置づけられることが好ましい。

【０１０２】スペースマウス５による特殊なクリックに
より、その位置を左右に変更することはできるが、この
変更は余り重要ではない。そのベクトルの変換は、緩や
かに行うことが好ましい。或いは、一旦消灯して残像消
去後に、急に変更されたベクトルに基づいてその画像で
ある計器盤４０１を表示することも考えられる。

【０１０３】図２２は、本発明による仮想現実シミュレ
ータのシミュレーション方法の最後の実施の形態を示
し、本発明が最もよく表現されている実施の形態であ
る。この実施の形態は、プロセス値に関する。プロセス
値として、燃料流量が例示されている。流体中の１分子
の運動は、グローバルに移動し、本明細書では、ＧＸｊ
（ｔ）で表現されている。

【０１０４】流体の物理量は、一般に、単位時間当たり
の流量で記述され、表現ＧＸｊ（ｔ）はあまり用いられ
ないが、計算機上では、１分子又は単位体積の流体を１
つの粒子として表すことが好ましい。この点では、動視
点の運動と同形の表現Ｘｊ（ｔ）が好ましい。

【０１０５】図２３は、流量変化を起こさせる訓練者の
操作１，２の４次元操作点を示している。動視点Ｘｊ
（Ｔ）が固定されている訓練者は、ある４次元座標点
（Ｘｊ、Ｔ）で操作１を行い、他の４次元座標点（Ｘ
ｊ、Ｔ）で操作２を行った。これらの操作１，２による
過去の事象の数値データが、図２３に示されている。

【０１０６】図２２に示されるように、操作１により単
位時間当たりの流量又は絶対流量が操作１に対応する時
刻ｔ１（仮想現実にけるリアルタイムであり、過去かど
うかは問われない）で増大し、操作２によりその流量が
操作２に対応する時刻ｔ２で減少している。

【０１０７】仮想現実中のリアルタイムで、操作１，
２、流量値の変化時刻に対応して、動視点Ｘｊ（Ｔ）の
３次元空間座標の変動が示されている。空間座標は、時
間軸に直交する縦軸として示されている。この３次元空
間座標は、図２３に示す動視点の移動経路５０１に完全
に一致対応している。プロセス値は、ＧＸｊ（ｔ）の時
間微分で表現される。

【０１０８】動視点の空間座標は、Ｘｊ（Ｔ）で表現さ
れる。操作１，２は、Δ関数を用いて２値関数Δ（ｔ−
ｔ１）、Δ（ｔ−ｔ２）で表現される。記述の通り、ｔ
とＴは並進変換により一致させられるので、Ｘｊ（Ｔ）
は実質的にＸｊ（ｔ）に一致している。同じ時刻ｔで、
操作、流量変化、人の位置の３つの事象が同時的事象と
して記述されている。

【０１０９】このような３つの事象は、時間ｔを変数と
する関数で計算機１の記憶部に記憶されている。言い換
えれば、時間座標ｔを減少させる方向に変動させると、
操作２から操作１に向かう表示が可能である。即ち、時
間の関数として表現することにより、プレーバック機能
が備わったことになる。

【０１１０】このようなプレーバック機能は、公知のＶ
Ｒ技術にシミュレータ３を付加することにより、特段に
すぐれた効果を奏する。シミュレータ３内の教官（イン
ストラクタ）とのインタラクティブな訓練、定められた
シミュレータのプログラム通りの訓練中の訓練者の動作
のやり直しが可能である。同じ動作を繰り返す繰返動作
訓練と、予定外の事象の発生に対応する臨機応変の急変
動作訓練との両方の訓練によって、現実に有効に対応す
る訓練が可能になる。

【０１１１】このような効果を奏させるためには、シミ
ュレータのリアルタイムによる事象の変更即ちＬＸｊ
（ｔ）、ＧＸｊ（ｔ）のインストラクタによる人為的変
更の機能の付加が好ましい。この機能により、仮想現実
は現実により近づくことになる。このように時間をパラ
メータとする仮想現実の表現は、繰返効果、急変効果に
更に表現量の削減効果、連続接続効果をもたらし、より
現実的に有効な訓練効果を奏することができる。

【０１１２】急変事象としては、ある特定領域における
ガス・煙の発生、流体温度の急上昇、地震の発生、搬送
設備、メータ、バルブの故障、急病人の発生が想定さ
れ、仮想現実４次元空間としては、各種プラント、高層
ビルディング、空港・駅のようなターミナル、病院、地
震発生時の大都会、旅客船が想定されている。

【０１１３】（その他の実施例及び注意事項）本発明に
よるシミュレータは、その模擬訓練がいわゆる”ゲー
ム”の意義を含ませることができる。この場合、シミュ
レータ、計算機はそれぞれに１つ、２つと勘定すること
ができる。シミュレータを１つとし、インタフェースを
複数に勘定することもできる。この場合、動視点は複数
化される。”インタフェース”、”オブジェクト”、”
ノード”のような用語は、コンピュータ構築用語として
確立されているが、仮想現実シミュレータにおいては一
般的にはそれぞれに、計算機と計算機外との通信手段、
物理的実体の数学表現、制御階層の意義を有する。”オ
ブジェクト”といわれる場合、物理的実体又はその仮想
現実態の幾何学的情報とその情報に関して計算制御する
プログラムを含むメソッドを意味する。ノードは、その
オブジェクトを制御するための上位のプログラムを含む
ものとして当該明細書は解釈する。計算機は、仮想現実
態そのものを意味し、又は、制御系を除いた仮想現実の
みを意味する。４次元とは、コンピュータにおいては、
空間３次元と時間１次元とを含む空間次元である。当該
発明者は、動視点の時間と計算機の時間とは、同一次元
の時間であるとして解釈する。

【０１１４】

【発明の効果】本発明による仮想現実シミュレータ及び
そのシミュレーション方法は、４次元仮想現実空間にお
けるリアルタイムの模擬訓練を行うことができる。付加
的に、視覚効果を失うことなく、繰返（タイムスリッ
プ）効果、急変効果、表現量削減効果、連続接続（視
覚、力覚）効果を奏す。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による仮想現実シミュレータの
実施の形態を示すシステム回路図である。

【図２】図２は、仮想現実のツリー構造を示すノード階
層図である。

【図３】図３は、仮想現実の他のツリー構造を示すノー
ド階層図である。

【図４】図４は、速度依存ポリゴン数の削減のための基
礎的定義を示す幾何学図である。

【図５】図５は、通信周期の変更による表示量の削減の
ための基礎的定義を示す幾何学図である。

【図６】図６は、マルチキャスト通信の計算機・インタ
フェース配置を示す機器配置図である。

【図７】図７は、マルチキャスト通信の通信周期を示す
シーケンス図である。

【図８】図８は、ユニキャスト通信の計算機・インタフ
ェース配置を示す機器配置図である。

【図９】図９は、ユニキャスト通信の通信周期を示すシ
ーケンス図である。

【図１０】図１０は、ユニキャスト通信の他の通信周期
を示すシーケンス図である。

【図１１】図１１は、仮想現実の更に他のツリー構造を
示すノード階層図である。

【図１２】図１２は、仮想現実の更に他のツリー構造を
示すノード階層図である。

【図１３】図１３は、仮想現実の現場の不連続性を示す
射軸投影図である。

【図１４】図１４は、仮想現実の更に他のツリー構造を
示すノード階層図である。

【図１５】図１５（ａ），（ｂ）は、ある時点のハンド
ル操作をそれぞれに示す射軸投影図である。

【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、他の時点のハンド
ル操作をそれぞれに示す射軸投影図である。

【図１７】図１７（ａ），（ｂ）は、更に他の時点のハ
ンドル操作をそれぞれに示す射軸投影図である。

【図１８】図１８は、空間の属性を示す平面断面図であ
る。

【図１９】図１９は、図１８の一部での接続を示す平面
図である。

【図２０】図２０は、空間中の視線方向の矯正を示す平
面図である。

【図２１】図２１は、図２０の一部での視線接続を示す
平面図である。

【図２２】図２２は、プロセス値のプレイバック機能を
示す同期関数のグラフである。

【図２３】図２３は、操作とその時刻の時間表現を示す
射軸投影図である。

【符号の説明】

１…計算機 ３…シミュレータ ４…インターフェース ６…駆動用器具（データグローブ） ７…表示手段（仮想スクリーン） ５１…遠距離オブジェクト ５２…近距離オブジェクト ５３…次元マウス（ペースボール） １１１〜１１３、１１１−１〜３…動視点存在仮想空間
ノード １１１−２〜３…動視点不存在仮想空間ノード ＬＮ１〜３…ＬＯＤノード ＬＸｊ（ｔ）…可動機器 Ｍ，Ｌ，ＧＸｊ（ｔ）、Ｍ，Ｌ，ＧＸｊ…仮想環境 ＭＸｊ…仮想現実 Ｐ，Ｐ（Ｘｊ（Ｔ）），Ｐ（Ｖｊ（Ｘｊ（Ｔ））…表示
情報量（情報関数） ＳＡ，ＳＢ…仮想投影面 ＳＸｊ…オブジェクト Ｘｊ（Ｔ）…視点座標関数

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計算機と、 表示装置と、 シミュレータとからなり、 前記計算機は、 仮想機器が配置された仮想環境と仮想現実を提供し、 前記表示装置は前記仮想環境上に設定される仮想動視点
   からみる前記仮想現実を表示し、 前記シミュレータは前記仮想現実の一部をシミュレーシ
   ョンの結果に基づいて変更する仮想現実シミュレータ。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記仮想視点の空間座標は、前記仮想現実のリアルタイ
   ムの計算機内時間座標ｔに同期化されて前記仮想視点に
   固定された時間軸上の視点時間座標Ｔを変数とする動視
   点の座標として視点座標関数Ｘｊ（Ｔ）で表現され、前
   記視点座標関数Ｘｊ（Ｔ）の添字ｊは多次元空間座標を
   示すことを特徴とする仮想現実シミュレータ。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記仮想機器は可動であり、 前記仮想機器の空間位置座標は前記計算機内時間座標ｔ
   を変数とする関数としてＭＸｊ（ｔ）で表現され、前記
   計算機内時間座標ｔと前記視点時間座標Ｔは一致してい
   ることを特徴とする仮想現実シミュレータ。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記ＭＸｊ（ｔ）により前記仮想機器のプロセス値が表
   現されることを特徴とする仮想現実シミュレータ。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記プロセス値は前記仮想機器の流体の流量であること
   を特徴とする仮想現実シミュレータ。
6. 【請求項６】請求項２において、 前記表示装置に表示される前記仮想現実の表示情報量が
   前記Ｔを変数とする情報関数としてＰ（Ｔ）で表される
   ことを特徴とする仮想現実シミュレータ。
7. 【請求項７】請求項６において、 前記表示装置に表示される前記仮想現実の情報量が前記
   Ｘｊ（Ｔ）を変数とする情報関数としてＰ（Ｘｊ
   （Ｔ））で表されることを特徴とする仮想現実シミュレ
   ータ。
8. 【請求項８】請求項７において、 前記表示装置に表示される前記仮想現実の表示情報量が
   前記動視点の速度の速度関数Ｖｊを変数とする情報関数
   としてＰ（Ｖｊ（Ｘｊ（Ｔ））で表現されることを特徴
   とする仮想現実シミュレータ。
9. 【請求項９】請求項８において、 前記動視点に回転せずに固定される仮想投影面が設定さ
   れ、 前記速度関数は、前記動視点と前記仮想現実の特定のオ
   ブジェクト点とを結ぶ直線が交わる投影点の前記仮想投
   影面上における投影速度として表現されることを特徴と
   する仮想現実シミュレータ。
10. 【請求項１０】請求項９において、 前記投影速度の増大に従って前記表示情報量は前記表示
    情報量の最大値から減殺されることを特徴とする仮想現
    実シミュレータ。
11. 【請求項１１】請求項１０において、 前記表示情報量は、ポリゴン数によってその多少が計算
    され、前記最大値から減殺される減殺量は、前記ポリゴ
    ン数を減少させる減少数であることを特徴とする仮想現
    実シミュレータ。
12. 【請求項１２】請求項６において、 前記表示情報量が、その表示対象である前記仮想現実の
    オブジェクトと前記動視点との間の距離に従って、前記
    表示情報量の最大値から減殺され、前記距離が大きけれ
    ば大きいほど前記最大値から減殺される減殺量が多いこ
    とを特徴とする仮想現実シミュレータ。
13. 【請求項１３】請求項６において、 前記表示情報の表示周期が、その表示対象である前記仮
    想現実のオブジェクトと前記動視点との間の距離に従っ
    て、前記表示周期周期の最小値よりも長く設定され、前
    記距離が大きければ大きいほど前記最小値よりも長く設
    定されることを特徴とする仮想現実シミュレータ。
14. 【請求項１４】請求項６において、 前記仮想現実は、ＬＯＤノード階層構造を備え、 前記仮想機器までの前記階層構造の下層への進行は前記
    動視点とオブジェクトとの間のオブジェクト距離に対応
    して制御されることを特徴とする仮想現実シミュレー
    タ。
15. 【請求項１５】請求項１４において、 前記階層構造の階層は前記オブジェクト距離がより長い
    遠距離オブジェクトと、 前記オブジェクト距離がより短い近距離オブジェクトと
    から形成され、 前記遠距離オブジェクトのポリゴン数は前記近距離オブ
    ジェクトのポリゴン数よりも少ないことを特徴とする仮
    想現実シミュレータ。
16. 【請求項１６】請求項１４において、 前記ＬＯＤノードの上層のノードとして、前記動視点が
    存在する単一の存在仮想空間ノードと前記動視点が存在
    しない複数の不存在仮想空間ノードとが形成され、 前記不存在仮想空間ノードは前記表示装置への表示対象
    としては削除されることを特徴とする仮想現実シミュレ
    ータ。
17. 【請求項１７】請求項１において、 更に、前記仮想機器のうちの可動機器を駆動するための
    駆動用器具とからなり、前記表示装置上の前記可動機器
    の座標と、前記表示手段上の前記駆動用器具の座標とが
    駆動初期には一致しているが駆動終期に一致しない場合
    に、前記計算機が両前記座標を前記駆動終期に一致させ
    ることを特徴とする仮想現実シミュレータ。
18. 【請求項１８】請求項１７において、 更に、前記仮想機器のうちの可動機器を駆動するための
    駆動用器具とからなり、 前記表示装置上の前記可動機器の座標と、前記表示手段
    上の前記駆動用器具の座標とが駆動初期には一致してい
    るが駆動終期に一致しない場合に、前記計算機が両前記
    座標を前記駆動終期に滑らかに一致させることを特徴と
    する仮想現実シミュレータ。
19. 【請求項１９】請求項１において、 前記動視点の移動経路の末端部の単位長さのベクトル
    が、訓練者によっては変更されえない前記動視点の移動
    経路の始端部の単位長さのベクトルに一致しない時に、
    前記計算機は、両前記ベクトルを一致させることを特徴
    とする仮想現実シミュレータ。
20. 【請求項２０】請求項１９において、 両前記ベクトルは滑らかに一致させられることを特徴と
    する仮想現実シミュレータ。
21. 【請求項２１】請求項１において、 前記動視点の移動経路の末端部の単位長さのベクトル
    が、前記仮想現実のオブジェクトＳ（Ｘｊ）の基準面に
    対する一定の設定角度を持つように前記計算機が修正す
    ることを特徴とする仮想現実シミュレータ。
22. 【請求項２２】計算機中に仮想現実を形成するためのス
    テップと、 シミュレータにより前記仮想現実を計算機中で修正する
    ためのステップと、 訓練者の操作によりインターフェースを介して前記仮想
    現実の上に動視点を前記計算機中に重ね合わせて移動さ
    せるためのステップと、 前記仮想現実をその内部時間であるリアルタイムの関数
    としてＳｊ（ｔ）で前記計算機中に記述するためのステ
    ップと、 前記動視点の位置座標を前記動視点の時間Ｔを変数とす
    る関数としてＨｊ（Ｔ）で前記計算機中に記述するステ
    ップと、 前記時間ｔと前記時間Ｔを前記計算機中で同期化するた
    めのステップとからなる仮想現実シミュレータのシミュ
    レーション方法。
23. 【請求項２３】請求項２２において、 更に、前記時間ｔを前記時間Ｔに対してタイムスリップ
    させるためのステップとからなることを特徴とする仮想
    現実シミュレータのシミュレーション方法。
24. 【請求項２４】請求項２３において、 更に、前記タイムスリップにより前記仮想現実のプレイ
    バックを実行するためのステップとからなることを特徴
    とする仮想現実シミュレータのシミュレーション方法。
25. 【請求項２５】請求項２３において、 更に、前記タイムスリップの後に前記仮想現実を前記シ
    ミュレータにより修正するためのステップとからなるこ
    とを特徴とする仮想現実シミュレータのシミュレーショ
    ン方法。
26. 【請求項２６】請求項２３において、 更に、前記タイムスリップにより前記仮想現実のプロセ
    ス値と訓練者の操作を同期化させて、前記プロセス値と
    前記操作を表示するためのステップとからなることを特
    徴とする仮想現実シミュレータのシミュレーション方
    法。