JP2005141433A - ３次元仮想現実感シミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元構造体の寸法を安全に短時間に計測すると同時にインターアクティブ性が高い３次元仮想現実感シミュレータがリアルな映像を生成するために必要な演算の演算量を減少する。
【解決手段】 本発明による３次元仮想現実感シミュレータは，３次元構造体（３）の表面の座標を取得する３次元座標取得装置（２）と，ユーザと同体に保持される位置センサ（図示されず）と，ユーザに装着される立体メガネ（９）と，立体映像表示室（８）の内側の複数の面に映像を表示する表示装置（７）と，前記位置センサの位置に応答して，３次元構造体（３）の表面の座標をデータ処理し，立体メガネ（９）を通して３次元構造体（３）が立体的に観察されるように前記映像を生成する演算装置（１）とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は，３次元仮想現実感シミュレータに関する。

立体的構造を有する３次元構造体をコンピュータグラフィックスによって再現する３次元仮想現実感シミュレータが知られている。３次元仮想現実感シミュレータは，プラント，建築物，機械設備，車両，航空機，及び船舶のような大型の３次元構造体の設計や，人の体の検査に広く使用されている。３次元仮想現実感シミュレータは，例えば，特許文献１乃至特許文献５に開示されている。
特開平０６−１９２５６号公報 特開平０９−１４８２号公報 特開２０００−１４０４１５号公報 特開平０９−５４５４０号公報 特開平０８−３８７４３号公報

３次元仮想現実感シミュレータの有用性の一つは，ユーザとのインターアクティブ性が高いことである。ユーザは，３次元仮想現実感シミュレータに指示を与えることにより，３次元構造体を観察する視点を自在に変更したり，映像に対して任意の画像処理を行ったりすることが可能である。

インターアクティブ性が高い３次元仮想現実感シミュレータが，特許文献６に知られている。当該３次元仮想現実感シミュレータでは，映像表示室の天井，壁，及び床の３面に，映像が映し出される。ユーザが，３Ｄ表示メガネを通して該映像をみると，ユーザには，該映像が立体的に見える。３Ｄ表示メガネには，位置センサが組み込まれており，ユーザの位置が位置センサによって検知される。ユーザが移動すると，ユーザの位置に応じて映像が変化する。これにより，インターアクティブ性が高い３次元仮想現実感シミュレータが実現されている。
米国特許第６，１５４，７２３号公報

このような３次元仮想現実感シミュレータは，没入感に溢れたリアルな映像を生成可能である一方，該映像を生成するために必要な演算の演算量が膨大になる。映像を生成するために必要な演算の演算量は，減少されることが望まれる。

本発明の目的は，インターアクティブ性が高い３次元仮想現実感シミュレータがリアルな映像を生成するために必要な演算の演算量を減少する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、３次元構造体が大型であったり高温であったりして計測に危険が伴う場合に、安全に短時間に寸法計測することにある。

以下に，［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて，課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は，［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による３次元仮想現実感シミュレータは，３次元構造体（３）の表面の座標を取得する３次元座標取得装置（２）と，ユーザと同体に保持される位置センサ（図示されず）と，ユーザに装着される立体メガネ（９）と，立体映像表示室（８）の内側の複数の面に映像を表示する表示装置（７）と，前記位置センサの位置に応答して，３次元構造体（３）の表面の座標をデータ処理し，立体メガネ（９）を通して３次元構造体（３）が立体的に観察されるように前記映像を生成する演算装置（１）とを備えている。３次元構造体（３）の表面の座標を用いて表示装置（７）が表示する映像を生成することは，該映像の生成に必要な演算量を効果的に減少させる。

演算装置（１）は，３次元構造体（３）の表面の座標から３次元モデルを生成し，前記３次元モデルから表示装置（７）が表示する映像を生成することが好適である。

位置センサは，立体メガネ（９）に内蔵される場合があり，立体メガネ（９）と別体に設けられることがある。

３次元座標取得装置（２）としては，好適には，レーザ光を前記３次元構造体（３）に照射し，３次元構造体（３）から前記レーザ光が反射されて生じる反射光から３次元構造体（３）の表面の座標を測定するレーザスキャナーが使用される。

また，３次元座標取得装置（２）としては，音波を前記３次元構造体（３）に照射し，前記３次元構造体（３）から前記音波が反射されて生じる反射音波から３次元構造体（３）の表面の座標を測定するソナーが使用され得る。このような構成は，水中の３次元構造体（３）の構造の把握により適している。

３次元座標取得装置（２）は，移動可能であることが好ましく，当該３次元仮想現実感シミュレータのユーザインターフェースに対してユーザが行った操作に応答して，３次元座標取得装置（２）が移動することは，より好適である。あるいは、事前にデータを取得しておくことも好適である。

当該３次元仮想現実感シミュレータが，更に，画像を撮像する撮像装置（５）を備え，演算装置（１）は，前記画像と前記座標をデータ処理して前記映像を生成することは，表示装置（７）が表示する映像に背景及び３次元構造体表面の色彩を挿入可能にする点で好適である。

本発明により，インターアクティブ性が高い３次元仮想現実感シミュレータがリアルな映像を生成するために必要な演算の演算量を減少する技術が提供される。
また、３次元構造体が大型であったり高温であったりして計測に危険が伴う場合に、安全に短時間に寸法計測することができる。

以下，添付図面を参照しながら，本発明による３次元仮想現実感シミュレータの実施の一形態を説明する。

本発明による３次元仮想現実感シミュレータの実施の第１形態では，図１に示されているように，演算装置１がレーザスキャナ２とともに設けられている。レーザスキャナ２は，レーザ光を使用して，観察対象である３次元構造体３の表面の座標を測定する。３次元構造体３としては，プラントや建物の内部，建物の外部，機械設備，車両，船舶，及び航空機が例示される。レーザスキャナ２は，３次元構造体３にレーザ光を照射し，３次元構造体３から該レーザ光が反射されて生じる反射光から，３次元構造体３の表面の座標を測定する。測定される座標は，３次元である。レーザスキャナ２は，３次元構造体３の表面の座標を示す３次元座標データ４を，演算装置１に送る。

３次元構造体３の表面の座標を，様々な位置から観測可能にするために，レーザスキャナ２は，移動機構（図示されない）を有している。レーザスキャナー２は，演算装置１からの指示に応答して，移動し，又はその向きを回転する。レーザスキャナー２が移動可能であり，回転可能であることにより，３次元構造体３の構造をより正確に観測可能になる。

演算装置１は，カメラ５に接続されている。カメラ５は，３次元構造体３およびその周辺を撮影し，撮像画像６を生成する。カメラ５は，撮像画像６を演算装置１に送る。

演算装置１は，立体映像表示室８に設けられた立体プロジェクタ７に接続されている。立体プロジェクタ７は，立体映像表示室８の天井面８ａ，床面８ｂ，壁面８ｃ，８ｄ，及び８ｅに映像を投影する。

立体プロジェクタ７が投影する映像は，演算装置１によって生成される。演算装置１は，レーザスキャナ２から送られる３次元座標データ４と，カメラ５から送られる撮像画像６とから，立体プロジェクタ７が投影する映像を生成する。ユーザは，立体映像表示室８の中で，立体メガネ９を通して投影された映像を観察する。立体メガネ９を通して立体プロジェクタ７が投影する映像を見ると，ユーザには，３次元構造体３が立体的に見える。複数の内面に映像が投影された立体映像表示室８の中で映像を観察するため，ユーザは，没入感にあふれたリアルな映像を観察することができる。

当該３次元仮想現実感シミュレータをインターラクティブに操作する第１のユーザインターフェースとして，立体メガネ９には，ユーザの位置を検出する位置センサ（図示されない）が設けられている。該位置センサは，演算装置１に接続され，自己の位置を示す位置情報１０を演算装置１に送る。ユーザの移動に伴って位置センサの位置が移動すると，演算装置１は，３次元構造体３を観察する観察位置を位置センサの位置に応じて変化させながら立体プロジェクタ７が投影する映像を生成する。これにより，当該３次元仮想現実感シミュレータとユーザとの間のインターラクティブ性が向上されている。

当該３次元仮想現実感シミュレータをインターラクティブに操作する第２のユーザインターフェースとして，立体映像表示室８の床面８ｂには，操作画面を表示するための表示領域８ｆが定められている。表示された操作画面に対してユーザが行った操作を検出するために，光センサアレイ１１が操作領域８ｆに埋め込まれている。光センサアレイ１１は，演算装置１に接続されている。演算装置１は，光センサアレイ１１が検出した光の強度及び強度の分布によって，操作画面になされた操作を識別する。演算装置１は，操作領域８ｆに対してなされた操作に応じて，立体プロジェクタ７が投影する映像に所定の処理を行う。更に演算装置１は，操作領域８ｆに対してなされた操作に応じて，レーザスキャナ２に移動し又は回転するように指示する指示信号を送信する。レーザスキャナ２は，該指示信号に応答して，移動し又は回転する。これにより，ユーザが望む位置から３次元構造体３を観察した映像を生成することが可能になる。但し、このレーザスキャナ２の移動又は回転は、リアルタイムに行われるだけでなく、自動又は手動によって事前に映像を生成し録画することも可能である。

立体プロジェクタ７が投影する映像は，下記の方法によって生成される。立体プロジェクタ７が投影する映像のうち，３次元構造体３が映し出されている部分は，３次元座標データ４から生成される。より詳細には，演算装置１は，３次元座標データ４から３次元構造体３の３次元モデル（例えば，サーフェスモデルやポリゴン）を生成し，更に，生成した３次元モデルから，立体プロジェクタ７が投影する映像の３次元構造体３に相当する部分を生成する。３次元座標データ４から３次元構造体３の３次元モデルを生成することには，多くの演算量は必要でなく，３次元モデルから立体プロジェクタ７が投影する映像の３次元構造体３に相当する部分を生成することには，多くの演算量は必要でない。従って，３次元構造体３が映し出されている部分をレーザスキャン２によって取得される３次元座標データ４から生成することにより，立体プロジェクタ７が投影する映像の生成に必要な演算量を抑制できる。

立体プロジェクタ７が投影する映像のうち，３次元構造体３の表面色及び背景に相当する部分は，カメラ５によって撮像された撮像画像６から生成される。撮像画像６と，３次元座標データ４から生成された３次元構造体３の画像とが重ね合わされて，立体プロジェクタ７が投影する映像が生成される。このようにして立体プロジェクタ７が投影する映像を生成することにより，レーザスキャナー２の短所がカバーされている。第１に、レーザスキャナー２は，３次元座標を取得可能である一方，焦点を無限遠に設定することが出来ない。これは，３次元構造体３の背景の映像を生成することを困難にする。３次元構造体３の背景に相当する部分を，カメラ５によって撮像された撮像画像６から生成することにより，立体プロジェクタ７が投影する映像に，背景を入れることが可能になる。第２に、レーザスキャナー２は，３次元構造体３の色彩を取得することは困難である。カメラ５によって撮像された撮像画像６からは３次元構造体３の色彩を取得することが可能であり、撮像画像６から３次元構造体３の表面色を生成することにより、立体プロジェクタ７が投影する映像において３次元構造体３に色彩を付けることが可能になる。

以上に説明されているように，本実施の形態では，３次元座標データ４から３次元構造体３の映像を生成することにより，立体プロジェクタ７が投影する映像の生成に必要な演算量が抑制されている。更に，撮像画像６から３次元構造体３の背景の映像を生成することにより，立体プロジェクタ７が投影する映像への，背景の挿入が実現されている。更に、撮像画像６から３次元構造体３の表面色を生成することにより，立体プロジェクタ７が投影する映像において３次元構造体３に色彩を付けることが実現されている。

本実施の形態の３次元仮想現実感シミュレータは、３次元構造体の各部の寸法を安全に、且つ、短時間で計測するために特に有効である。当該３次元仮想現実感シミュレータは、３次元構造体が大型であっても、高温であっても、非接触的に安全に寸法が計測可能である。更に、上記の３次元仮想現実感シミュレータは、映像の生成に必要な演算量が抑制されるから、所望の測定箇所を指定したときに、その測定箇所の寸法を短時間で算出可能である。

本実施の形態において，位置センサは，立体メガネ８とは別体に設けられることが可能である。例えば，ユーザによって使用される指し棒に位置センサが内蔵されることが可能である。

図２は、本発明による３次元仮想現実感シミュレータの実施の第２形態を示す。実施の第２形態では、レーザスキャナ２の代わりにソナー２’が使用される。ソナー２’は、音波を３次元構造体３に照射し、３次元構造体３から該音波が反射されて生じる反射音から３次元構造体３の表面の３次元座標を測定する。ソナー２’は、３次元構造体３の表面の３次元座標を示す３次元座標データ４を生成して演算装置１に送信する。実施の第２形態の３次元仮想現実感シミュレータの他の構成は、実施の第１形態と同一である。実施の第２形態のように、ソナーによって３次元座標データ４を生成することは，水中に存在する物体の立体的構造の把握に特に適している。

図１は，本発明による３次元仮想現実感シミュレータの実施の第１形態を示す。 図２は、本発明による３次元仮想現実感シミュレータの実施の第２形態を示す。

符号の説明

１：演算装置
２：レーザースキャナ
２’：ソナー
３：３次元構造体
４：３次元座標データ
５：カメラ
６：撮像画像
７：立体プロジェクタ
８：立体映像表示室
９：立体メガネ
１０：位置情報
１１：光センサアレイ

Claims (10)

1. ３次元構造体の表面の座標を取得する３次元座標取得装置と，
   ユーザと同体に保持される位置センサと，
   ユーザに装着される立体メガネと，
   立体映像表示室の内側の複数の面に映像を表示する表示装置と，
   前記位置センサの位置に応答して，前記座標をデータ処理し，前記立体メガネを通して前記３次元構造体が立体的に観察されるように前記映像を生成する演算装置
   とを備えた
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
2. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記演算装置は，前記座標から３次元モデルを生成し，前記３次元モデルから前記映像を生成する
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
3. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記位置センサは，前記立体メガネに内蔵された
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
4. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記３次元座標取得装置は，レーザ光を前記３次元構造体に照射し，前記３次元構造体から前記レーザ光が反射されて生じる反射光から前記座標を測定するレーザスキャナーである
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
5. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記３次元座標取得装置は，音波を前記３次元構造体に照射し，前記３次元構造体から前記音波が反射されて生じる反射音波から前記座標を測定するソナーである
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
6. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記３次元座標取得装置は，移動可能である
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
7. 請求項６に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   更に，
   ユーザインターフェース
   を備え，
   前記３次元座標取得装置は，前記ユーザインターフェースに対してユーザが行う操作に応答して，移動する
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
8. 請求項１に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   更に，
   画像を撮像する撮像装置
   を備え，
   前記演算装置は，前記画像と前記座標をデータ処理して前記映像を生成する
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
9. 請求項８に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
   前記演算装置は，前記映像のうちの前記３次元構造体が写される背景として前記画像を使用する
   ３次元仮想現実感シミュレータ。
10. 請求項８に記載の３次元仮想現実感シミュレータにおいて，
    前記演算装置は，前記映像における前記３次元構造体の表面色を前記画像から生成する
    ３次元仮想現実感シミュレータ。

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