JP2007079756A - 情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 シミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生する特徴的な現象を見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示する。
【解決手段】 温度や圧力などの指標の３次元シミュレーション結果をあらかじめ指定しておいた特徴抽出規則に従って自律的に解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を３次元シミュレーション結果から抽出する。断面の時系列的な変化を示すアニメーションを自動生成する際、抽出された特徴的な現象を解析者が容易に理解できるように、現象の表示スケールや再生速度、表示アングルを自動調整する。さらにその結果をマルチウィンドウで系全体として同時に表示する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、計算機上での演算結果を可視化してユーザに提示する情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、シミュレーション計算などにより得られる多次元データを可視化してユーザに提示する情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、シミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生する特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示する情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、対象系の現象時間と特徴的な現象の発生時間に大きな違いがある場合であっても特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示する情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

物理的、生態的、あるいは社会的などのシステムの挙動を数式化若しくはモデル化し、ほぼ同じ法則に支配されるシステムの挙動をコンピュータ上で模擬すること、すなわちシミュレーションが広く利用されている。シミュレーション技術を利用することにより、さまざまな局面におけるシステムの挙動を現実に体験する前に予測することができ、得られたパラメータに基づいてシステムを制御し、システムのエラーを予測し、これを防止する制御を行なうことでエラーを回避することができる。現在、多くの商品開発過程でシミュレーション技術が採用されている。

例えば、電子写真技術において、画像構成剤としてのトナー及びトナーを搬送するための磁性体からなるキャリアという２成分（若しくはトナーのみの１成分）からなる現像剤を粉体挙動解析の対象として取り扱い、粉体挙動解析シミュレーションを適用することができる。この場合、現実に画像形成実験を行なうことなく電子写真画像の数値的な再現すなわち出力画像を予測することができ、この予測画像を基に、画像形成装置全体の評価を行なったり、画質調整を高精度に行なったりすることができる。

また、シミュレーション結果は、表示画面すなわち視覚情報によってユーザに提示することが一般的である。例えば、計算値をテーブル上に配列するなどの文字情報を表示する、あるいは算出された物理量を画素の濃淡や色情報に置き換えて２次元平面又は３次元空間上にマッピングする。シミュレーションで得られる解析結果は、通常、熱、応力、密度、電磁界などさまざまな物理量が多次元的に組み合わされており、それぞれの解析結果を３次元立体モデル化して提示することが多い。

ここで、図６に示すように、密閉空間内で断面形状が略星型の回転体が間欠動作するときの密閉空間内の空気の流れをシミュレーション計算した場合について考察する。但し、回転体は、図中の奥行き方向すなわち回転軸方向に２分割され、手前側と奥側の回転体は９０度の回転位相差を以って図７に示すように間欠動作している。回転体が回転軸の中央部分で分割され、その前後で９０度位相差のある断面形状を持つことと、回転が非定常回転であるため、発生する現象が複雑化している。

このような場合のシミュレーションでは、例えば図８に示すように密閉空間内を６面体の要素群に分割し、個々の要素について初期状態の空気物性（例えば、圧力、温度、比熱など）を与えて計算が行なわれる。そして、各６面体要素の空気物性の時間変化データが導き出される（図９を参照のこと）。

図８に示したような３次元解析の場合、解析対象の最外部の要素についてのシミュレーション結果のみが可視化され（図１０を参照のこと）、それ以外の要素の内部の結果を把握することができないという問題がある。このため、３次元データの切断面を表示して内部構造を可視化することが行なわれてきた。

例えば、ソリッド・モデルに対して、視点側から見て切断面の後に位置して且つ他の図形要素よりも前に位置する図形要素を特定して表示していくことで、ソリッド・モデルの断面表示を実行する表示処理方法について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

また、マウスを用いて任意の断面の指示や３次元図形の移動回転の指示を行ない、この断面指示を基に３次元図形の断面形状の図形データを算出し、断面を含む３次元図形において非表示にする部分を判定して、図形データを表示出力する３次元モデル断面指示装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。同装置によれば、複数のユニットからなる３次元構造物の内部に位置する図形の断面表示に必要な断面指示を容易に行なうことができる。

しかしながら、図６に示したような回転体が非定常的に回転する密閉空間をシミュレーション計算して得た内部構造を可視化するには、図１１に示すように回転軸方向に複数の断面位置で断面１〜Ｍを切り出すとともに、図１２に示すように各断面１〜Ｍについて時系列的な変化を提示する必要がある。すなわち解析者は多数の断面を比較・検討する必要が生じ、解析時間に多大な時間を要してしまう。勿論、２次元解析の場合でも問題がない訳ではない。

特徴的な現象がシミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生した場合、あらかじめその箇所で特徴的な変化が発生すると予想されていない限り、解析者がその結果を見出すのには長時間の解析時間を必要とする。また、対象系の現象時間と特徴的な現象の発生時間に大きな違いがある場合にも同様な問題に直面する。

特開平３−１８５５７８号公報 特開平７−２６２４１２号公報

本発明の目的は、シミュレーション計算などにより得られる多次元データを可視化してユーザに好適に提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、シミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生する特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、対象系の現象時間と特徴的な現象の発生時間に大きな違いがある場合であっても特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、３次元空間における少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データを可視化する情報提示装置であって、所定の断面方向に沿って３次元データを解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を抽出する特徴的断面抽出手段と、前記特徴的断面抽出手段により抽出された断面位置における断面の時系列的な変化を示すアニメーションを生成する特徴表示手段とを具備することを特徴とする情報提示装置である。

現在、多くの商品開発過程でシミュレーション技術が採用されている。シミュレーション計算により得られる３次元若しくは多次元データを可視化してユーザに提示する方法として、３次元データの適当な切断面を表示して、シミュレーション結果の内部構造を表示するのが一般的である。ところが、３次元データの複数の断面位置から複数の断面を切り出すとともに、各断面について時系列的な変化を提示すると、解析者は多数の断面を比較・検討する必要が生じ、解析時間に多大な時間を要してしまう、という問題がある。

そこで、本発明に係る情報提示装置は、少なくとも１つの指標（例えば温度や圧力など）の３次元シミュレーション結果をあらかじめ指定しておいた特徴抽出規則に従って自律的に解析するという処理工程と、特徴抽出規則に従って抽出された断面位置における３次元シミュレーション結果の断面について、時系列的な変化を示すアニメーションを自動生成するという処理工程を実施することにより、シミュレーション結果を解析するための時間短縮、労力削減など、商品開発全体の工数削減を図ることにしている。ここで言う抽出規則は、例えば、ある指標についての最大量の上位１０件、微分量の下位３０件といったものである。

シミュレーション結果の自律的解析により、特徴的な現象が発生する断面位置を３次元シミュレーション結果から抽出することができる。

また、断面のアニメーションを自動生成する際、現象の表示スケールや再生速度、表示アングルを自動調整して、抽出された特徴的な現象を解析者が容易に理解できるようにする。さらに、ポップアップなどのマルチウィンドウなどの表示様式を利用して、その結果を系全体として同時に表示することで、シミュレーション対象全体を俯瞰したイメージを併せて提供するようにしている。

また、本発明の第２の側面は、３次元空間における少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データを可視化するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、所定の断面方向に沿って３次元データを解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を抽出する特徴的断面抽出手順と、前記特徴的断面抽出手順により抽出された断面位置における断面の時系列的な変化を示すアニメーションを生成する特徴表示手順とを実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第１の側面に係る情報提示装置と同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、シミュレーション計算などにより得られる多次元データを可視化してユーザに好適に提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、シミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生する特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、対象系の現象時間と特徴的な現象の発生時間に大きな違いがある場合であっても特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示することができる、優れた情報提示装置及び情報提示方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

現在、多くの商品開発過程でシミュレーション技術が採用されている。本発明は、シミュレーション計算により得られる３次元若しくは多次元データを可視化してユーザに提示する情報提示装置に関するものであり、３次元データの適当な切断面を表示して、シミュレーション結果の内部構造を表示するようになっている。

図１には、３次元シミュレーション結果を表示する情報提示装置の構成例を示している。情報提供装置が扱う３次元シミュレーション結果は、３次元空間における、温度や圧力といった少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データからなる。情報提示装置は、例えばパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）のような一般的な計算機システムで構成することができる。以下、各部について説明する。

図示の情報提示装置は、プロセッサ１０を中心に構成されている。プロセッサ１０は、オペレーティング・システム（ＯＳ）が提供するプログラム実行環境下で、メモリに記憶されたプログラムに基づいて各種の処理を実行する。また、プロセッサ１０は、外部バス・インターフェース１４及びバス３０を介して接続されている各種の周辺機器を制御している。バス３０に接続された周辺機器は次のようなものである。

メモリ２０は、例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ ＲＡＭ）などの半導体メモリで構成され、プロセッサ１０において実行されるプログラム・コードをロードしたり、実行プログラムの作業データを一時格納したりするために使用される。メモリ２０は、プロセッサ１０のメモリ空間を構成する。

ディスプレイ・コントローラ２１は、プロセッサ１０から送られてくる描画命令に従って表示画像を生成し、表示装置２２に送る。ディスプレイ・コントローラに接続された表示装置２２は、ディスプレイ・コントローラ２１から送られた表示画像情報に従い、その画像を画面に表示出力する。本実施形態では、２次元シミュレーション・データの切断面表示に利用される。

入出力インターフェース２３は、キーボード２４やマウス２５が接続されており、キーボード２４やマウス２５からの入力信号をプロセッサ１０へ転送する。

ネットワーク・インターフェース２６は、ＬＡＮやインターネットなどの外部ネットワークに接続されており、インターネットを介したデータ通信を制御する。すなわち、プロセッサ１０から送られたデータをインターネット上の他の装置へ転送するとともに、インターネットを介して送られてきたデータを受け取ってプロセッサ１０に渡す。例えば、プログラムやデータなどをネットワーク経由で外部から受信することができる。本実施形態では、シミュレーション装置からのシミュレーション結果の受信や、シミュレーション結果の自動解析により抽出された断面の転送などに利用することができる。

ハード・ディスク装置（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）コントローラ２７には、ＨＤＤなどの大容量外部記憶装置２８が接続されており、ＨＤＤコントローラ２７が接続されたＨＤＤ２８へのデータの入出力を制御する。ＨＤＤ２８には、プロセッサが実行すべきオペレーティング・システム（ＯＳ）のプログラム、アプリケーション・プログラム、ドライバ・プログラム、さらにはプログラムによって参照又は再生処理が行なわれるデータやコンテンツなどが格納されている。本実施形態では、各プログラムは、ＨＤＤ２８上に実行可能形式でインストールされる。

なお、情報提示装置を構成するためには、図１に示した以外にも多くの電気回路などが必要である。但し、これらは当業者には周知であり、また、本発明の要旨を構成するものではないので、本明細書中では省略している。また、図面の錯綜を回避するため、図中の各ハードウェア・ブロック間の接続も一部しか図示していない点を了承されたい。

３次元解析の場合、３次元データの切断面を表示して内部構造を可視化することが一般に行なわれている。しかしながら、３次元データの複数の断面位置から複数の断面を切り出すとともに、各断面について時系列的な変化を提示すると、解析者は多数の断面を比較・検討する必要が生じ、解析時間に多大な時間を要してしまう。

そこで、本発明では、商品開発過程で行なわれる３次元シミュレーション結果に対して以下の工程を実施することで、シミュレーション結果を解析するための時間短縮、労力削減など、商品開発全体の工数削減を図ることにしている。

（１）少なくとも１つの指標（例えば温度や圧力など）の３次元シミュレーション結果をあらかじめ指定しておいた特徴抽出規則に従って自律的に解析する。シミュレーション結果の解析により、特徴的な現象が発生する断面位置を３次元シミュレーション結果から抽出する。ここで言う抽出規則は、例えば、ある指標についての最大量の上位１０件、微分量の下位３０件といったものである。
（２）特徴抽出規則に従って抽出された断面位置における３次元シミュレーション結果の断面について、時系列的な変化を示すアニメーションを自動生成する。その際、抽出された特徴的な現象を解析者が容易に理解できるように、現象の表示スケールや再生速度、表示アングルを自動調整する。さらに、マルチウィンドウなどの表示様式を利用して、その結果を系全体として同時に表示する。

図２には、密閉空間内で断面形状が略星型の回転体が間欠動作するときの密閉空間内の空気の流れに関する３次元シミュレーション結果の表示画面（図６を参照のこと）において、時刻ｔ２に断面上で発生する特徴的な現象の大きさに応じて、断面の表示スケールを調整している様子を示している。図示の例では、最大変化部を含む断面位置が切り出され、その最大変化部の大きさに応じて断面のアニメーション表示ウィンドウの表示スケールが決定されている。そして、このアニメーションウィンドウは、ポップアップ・ウィンドウの形式で、密閉空間全体のシミュレーション結果と同時に表示されている。

また、図３には、同３次元シミュレーション結果の表示画面において、時刻ｔ２に断面上で発生する特徴的な現象の表示ウィンドウをポップアップ・ウィンドウの形式で表示する際に、表示アングルを調整している様子を示している。特徴的な現象が発生する断面上における最大変化部の表示スケールが決定されるが、拡大表示につき、最大変化部が判り易く表示されるように、時刻毎の系全体の表示アングルが調整されている。

図４には、所定の特徴抽出条件に従って３次元シミュレーション結果を自動解析して、抽出された断面位置における時系列的な変化を示すアニメーションを自動生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。

まず、各要素、各要因、各時間の計算結果を入力する（ステップＳ１）。

次いで、計算結果から、各要素、各要因の時間変化量を算出する（ステップＳ２）。

次いで、全要素及び全時間に渡って要因の順位付けを行なう（ステップＳ３）。

そして、抽出条件を読み込んで（ステップＳ４）、抽出条件を満足する要素及び時間抽出する（ステップＳ５）。

このようにして最大変化部を含む断面を抽出することができる。そして、断面の時系列データを順次生成し、この抽出部を拡大又はスロー再生するアニメーションを生成する（ステップＳ６）。

３次元シミュレーション結果からは、特徴抽出規則に従って、ある指標について特徴的な現象が発生する断面位置が抽出される。抽出規則は、例えば、ある指標についての最大量の上位１０件、微分量の下位３０件といったものである。図５には、抽出条件の構成例を示している。

要因が時間変化量で計算結果で出力されていない場合は、あらかじめ結果を処理しておく。

要因例は、単位時間当たりの流体速度変化量である「流体速度変量」である。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、３次元シミュレーション結果を３次元表示する場合を例にとって説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。シミュレーション計算の結果以外の３次元データであっても、少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化がある場合には、本発明を適用することによって、シミュレーション対象全体を俯瞰したスケールよりも微小領域で発生する特徴的な現象を解析者が見出し易くなるようにシミュレーション結果を提示することができる。また、シミュレーション計算の結果が４次元以上の場合には、例えば、ｎ次元のうち２つの次元を縦横軸にとり、他の（ｎ−２）次元の変数を固定した３次元立体モデルを用いるようにすればよい。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、３次元シミュレーション結果を表示する情報提示装置の構成例を示した図である。 図２は、３次元シミュレーション結果の表示画面において、時刻ｔ２に断面上で発生する特徴的な現象の大きさに応じて、断面の表示スケールを調整している様子を示した図である。 図３は、３次元シミュレーション結果の表示画面において、時刻ｔ２に断面上で発生する特徴的な現象の表示ウィンドウをポップアップ・ウィンドウの形式で表示する際に、表示アングルを調整している様子を示した図である。 図４は、所定の特徴抽出条件に従って３次元シミュレーション結果を自動解析して、抽出された断面位置における時系列的な変化を示すアニメーションを自動生成するための処理手順を示したフローチャートである。 図５は、抽出条件の構成例を示した図である。 図６は、密閉空間内に配置された断面形状が略星型の回転体を示した図である。 図７は、回転体が間欠動作する様子を示したチャートである。 図８は、密閉空間内を６面体の要素群に分割し、個々の要素について初期状態の空気物性を与えて計算が行なわれる様子を示した図である。 図９は、図８に示した各６面体要素の空気物性の時間変化データが導き出された結果を示した図である。 図１０は、解析対象の最外部の要素についてのシミュレーション結果のみが可視化される様子を示した図である。 図１１は、図６に示した回転軸方向に複数の断面位置で断面１〜Ｍを切り出す様子を示した図である。 図１２は、各断面１〜Ｍについて時系列的な変化を提示する様子を示した図である。

符号の説明

１０…プロセッサ
２０…メモリ
２１…ディスプレイ・コントローラ
２２…表示装置
２３…入出力インターフェース
２４…キーボード
２５…マウス
２６…ネットワーク・インターフェース
２７…ＨＤＤコントローラ
２８…ＨＤＤ
３０…バス

Claims (9)

1. ３次元空間における少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データを可視化する情報提示装置であって、
   所定の断面方向に沿って３次元データを解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を抽出する特徴的断面抽出手段と、
   前記特徴的断面抽出手段により抽出された断面位置における断面の時系列的な変化を示すアニメーションを生成する特徴表示手段と、
   を具備することを特徴とする情報提示装置。
2. 前記特徴的断面抽出手段は、あらかじめ指定しておいた特徴抽出規則に従って３次元データを自律的に解析する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の情報提示装置。
3. 前記特徴表示手段は、前記特徴的断面抽出手段により抽出された断面上で発生する特徴的な現象の見易さに応じて、該断面のアニメーションの表示スケール、再生速度、又は表示アングルを調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の情報提示装置。
4. 前記特徴表示手段は、断面のアニメーションを３次元データの系全体と同時に表示する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の情報提示装置。
5. ３次元空間における少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データを可視化する情報提示方法であって、
   所定の断面方向に沿って３次元データを解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を抽出する特徴的断面抽出ステップと、
   前記特徴的断面抽出ステップにおいて抽出された断面位置における断面の時系列的な変化を示すアニメーションを生成する特徴表示ステップと、
   を具備することを特徴とする情報提示方法。
6. 前記特徴的断面抽出ステップでは、あらかじめ指定しておいた特徴抽出規則に従って３次元データを自律的に解析する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の情報提示方法。
7. 前記特徴表示ステップでは、前記特徴的断面抽出ステップにおいて抽出された断面上で発生する特徴的な現象の見易さに応じて、該断面のアニメーションの表示スケール、再生速度、又は表示アングルを調整する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の情報提示方法。
8. 前記特徴表示ステップでは、断面のアニメーションを３次元データの系全体と同時に表示する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の情報提示方法。
9. ３次元空間における少なくとも１つの指標についての空間的又は時間的な変化を記述した３次元データを可視化するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、
   所定の断面方向に沿って３次元データを解析して、特徴的な現象が発生する断面位置を抽出する特徴的断面抽出手順と、
   前記特徴的断面抽出手順により抽出された断面位置における断面の時系列的な変化を示すアニメーションを生成する特徴表示手順と、
   を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
   

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