JP2018013832A - 可視率算出装置 - Google Patents
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Description
可視率は、ある視点から見た評価対象が、どの程度見えているかを表す指標である。例えば、視点と評価対象との間に視線を遮る障害物(以降、単に「障害物」と称す)が全くなく、評価対象が全て見えている場合には、可視率が「100%」になる。また、評価対象が障害物に完全に隠れて全く見えていない場合には、可視率が「0%」になる。
可視率算出装置は、前記評価対象物および障害物の3次元形状モデルを記憶する記憶部と、可視率計算部とを備える。可視率計算部は、前記評価対象物を仮想スクリーンに投影した場合における当該評価対象物の第1領域と、前記評価対象物および前記障害物を前記仮想スクリーンに投影した場合における当該評価対象物の第2領域とから前記評価対象物の可視率を計算する。
そして、可視率計算部は、投影処理部と、分割処理部とを備える。投影処理部は、前記半球の球面を介して半球底面に前記面要素を投影する。分割処理部は、前記半球底面に投影された前記面要素の見かけ上の大きさに基づいて、投影後の前記面要素を分割する。
例えば、前記分割処理部は、前記半球底面に投影された前記面要素の頂点間の見かけの距離に基づいて、投影前の前記面要素を分割する分割点の半球底面における位置を特定し、特定した位置を新たな面要素の頂点とする。
この場合、不要な面要素を除外できるので、可視率の計算を高速化することが可能である。例えば、視野角の範囲を「120°」に限定した場合、視野範囲を限定しない場合に比べて、計算対象とする立体角範囲を半減できる。
この場合、不要な面要素を除外できるので、可視率の計算を高速化することが可能である。
各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
図1を参照して、実施形態に係る可視率算出装置1の構成について説明する。図1は、実施形態に係る可視率算出装置1のブロック図である。可視率算出装置1は、評価対象物の「可視率」を算出するものである。
「可視率」は、ある視点(以降、「計算点」と呼ぶ場合がある)から見た評価対象物が、どの程度見えているかを表す指標である。例えば、計算点と評価対象物との間に視線を遮る障害物が全くなく、評価対象物が全て見えている場合には、可視率が「100%」になる。また、評価対象物が障害物に完全に隠れて全く見えていない場合には、可視率が「0%」になる。
例えば、景観上大きな影響のある施設の建設地を選定する際に、施設を建設した後の可視率を事前に推定する場合を想定する。この場合の評価対象物は、建設を行う施設(例えば、発電所や工場)であり、計算点は、近隣住民の生活空間における目の位置である。また、劇場やスタジアムの施設計画を作成する場合を想定する。この場合、評価対象物は、舞台やフィールドであり、計算点は、観客席に座る観客の目の位置である。なお、障害物は、評価対象物以外のものであって、例えば、前者では、地形、建造物、樹木などであり、後者では、手すりや柱などである。
ここでは、図2(a)に示すように、評価対象物Eとして建築物を例示しており、計算点Kとして評価対象物Eから所定の距離に直立する人間の目の位置を想定している。そして、評価対象物Eと計算点Kとの間に二つの障害物D1,D2が存在する。この場合、「障害物Dがないと仮定した場合に評価対象物Eの見える大きさ(A)」(図2(b)の斜線で示す面積)に対して、「実際に障害物Dがある場合に評価対象物Eが見える大きさ(B)」(図2(c)の斜線で示す面積)は小さくなる。可視率は、障害物Dの有無による評価対象物Eの見える大きさの比率であり、「可視率=(B)/(A)×100[%]」として定義される。
・土井 章男、「ラジオシティ法における半球底面を用いたフォームファクタ計算方式およびその並列化手法」、画像電子学会誌、1995年6月、第24巻、第3号、p.189-p.195
・山田 昇、外2名、「ヘミスフィア法による形態係数の高速算出性能」、日本機械学会論文集(B編)、2009年、第75巻、第749号
記憶部10は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ等の記憶媒体から構成される。制御部20は、CPU(Central Processing Unit)によるプログラム実行処理や、専用回路等により実現される。制御部20がプログラム実行処理により実現する場合、記憶部10には、制御部20の機能を実現するためのプログラムが格納される。
具体的には、人が見得る表面形状の範囲を複数のポリゴン(例えば、多角形ポリゴン)で示した3次元形状モデルである。なお、これらのデータは、ポリゴンを用いた3次元形状モデルとして表現できるものであればよく、形式は特に限定されない。例えば、3次元形状モデルを表現できる形式として、VRML(Virtual Reality Modeling Language)、OBJ(Wavefront OBJ)、FBX(Filebox)、3DS(3ds Max,3D Studio Max)、STL(Stereo Lithography)などがある。以降では、3次元形状モデルとして、三角形の面要素で形成されるサーフェスモデルを想定して説明を行う。なお、評価対象物モデルGの面要素と障害物モデルFの面要素とを区別するために、評価対象物モデルGの面要素を特に「対象面」と呼ぶ場合がある。評価対象物モデルGおよび障害物モデルFは、ユーザによって予め登録される。
解析モデル生成部30は、記憶部10に記憶される3次元形状モデル(評価対象物モデルGや障害物モデルF)から、可視率を計算するための解析モデルを生成する。可視率計算部40は、生成された解析モデルを用いて、計算点K毎に可視率の計算を行う。計算結果出力部50は、計算された可視率を様々な態様に加工して、外部(例えば、表示部やユーザが操作する端末)に出力する。
以下では、図3を参照して、制御部20の処理を具体的に説明する。図3は、実施形態に係る可視率算出装置1の処理を示すフローチャートの例示である。
可視率算出装置1の処理は、主に、解析モデル生成処理(ステップS10)と、可視率計算処理(ステップS20)と、計算結果の出力処理(ステップS30)とからなる。
図3を参照して、解析モデル生成処理について説明する。最初に、解析モデル生成部30は、記憶部10から3次元形状モデル(評価対象物モデルGや障害物モデルF)、および計算点Kの3次元データの読み込みを行う(ステップS11)。なお、計算点Kの3次元データは、3次元形状モデルから算出されてもよい。これにより、仮想の3次元空間(例えば、全体座標系(x,y,z))に評価対象物モデルG、障害物モデルF、計算点Kが存在する解析モデルが生成される。
バウンダリーボックスは、x軸、y軸、z軸の三つの座標軸に沿った直方体領域である。3次元凸包は、評価対象物モデルGを囲む最小の凸領域である。2次元凸包領域に高さを持たせた領域としての凸包含領域Gaは、例えば、2次元凸包領域Gb(図4(a)参照)を底面とし、評価対象物モデルGの鉛直方向の最高高さを高さとする多角柱領域である(図4(b)参照)。2次元凸包領域Gbは、評価対象物モデルGの全頂点(図4(a)における×印)を水平面に対して含む領域である。
図3を参照して、可視率計算処理について説明する。可視率計算部40は、全ての計算点Kにおける可視率の計算が終わるまでステップS21〜ステップS27の処理を繰り返し行う(ステップS20a)。つまり、ステップS21〜ステップS27の1回のループ処理で一つの計算点Kの可視率の計算が完了し、ステップS21〜ステップS27の処理を計算点Kの数分だけ繰り返し行うことにより全ての可視率の計算が完了する。
評価対象物モデルGの投影処理は、図5に示す半球Rを用いて行われる。半球Rは、計算点Kを原点として設定された局所座標系に、天頂をZ軸が通過するようにしてXY平面上に設定される。半球Rの半径rは「1」としている。また、この半球Rを用いた投影処理は、評価対象物モデルGを構成する面要素(対象面)P(j)毎に、球面RAを介して半球底面RB(仮想スクリーン)に投影することにより行われる。ここで、符号jは、面番号である。
図7を参照して、ステップS231の処理を説明する。可視率計算部40は、視線方向(Z軸方向)を中心にした対角視野角αを設定し、頂角がαの円錐(第1視野領域)に含まれる面要素P(j)(例えば、面要素P(1))を計算対象に含める。一方、可視率計算部40は、頂角がαの円錐に含まれない面要素P(j)(例えば、面要素P(2))を計算対象から除外する。対角視野角αは、予め定められた値であってよく、例えば、人間の視野角(例えば、120°)に基づいて決定される。なお、前記円錐の内外にまたがる面要素P(j)(例えば、面要素P(3))については、前記円錐の表面で面要素P(j)を分割し、視野内のみで構成される新たな面要素(例えば、面要素P(31))を作成する。そして、可視率計算部40は、面要素P(31)を計算対象に含め、残りの面要素P(32)を計算対象から除外する。これにより、例えば、対角視野角の範囲を「120°」に限定した場合、視野範囲を限定しない場合に比べて、計算対象とする立体角範囲を半減できる。
(1)計算点Kと対象面(面要素)P(j)の各頂点P(j)kとの距離Lkを求める。ここで、符号kは、面要素P(j)の頂点番号である。
(2)対象面P(j)の頂点P(j)kを球面RA上に投影して点PA(j)kとする。点PA(j)kは、計算点Kと頂点P(j)kとを結ぶ線分と球面RAとの交点である。
(3)球面RA上の点PA(j)kを半球底面RBに投影して点PB(j)kとする。点PB(j)kは、点PA(j)kから半球底面RBに垂線を下ろしたときの半球底面RB上の交点である。
これにより、半球底面RBには各面要素PB(j)が投影される。なお、距離Lkの算出は、ここでの頂点P(j)kの投影処理に直接関係しないが、後記する他の処理で距離Lkが使用される。その為、可視率計算部40は、点PB(j)kと距離Lkとを対応付けて記憶しておく。
図9を参照して、ステップS233の処理を説明する。可視率計算部40は、半球底面RBに投影された対象面PB(j)の見かけ上の辺「PB(j)1−PB(j)2」の長さが大きい場合に、辺「PB(j)1−PB(j)2」を分割する。そして、辺「PB(j)1−PB(j)2」の分割に基づいて、投影前の面要素P(j)の辺「P(j)1−P(j)2」を分割し、分割後に再投影を行う。
(1)半球底面RB上で均等になるように辺「PB(j)1−PB(j)2」を分割し、分割点PB(j)12を求める。
(2)分割点PB(j)12を通る半球底面RBの法線と線分「PA(j)1−PA(j)2」との交点であるPD(j)12を求める。交点PD(j)12は、球面RA上の点ではなく、PA(j)1とPA(j)2とを直線で結んだ半球R内部に位置する点である。
(3)計算点Kと点PD(j)12とを通る直線と、辺「P(j)1−P(j)2」との交点を分割点P(j)3として求める。
(4)分割点P(j)3を新たな頂点とする対象面P(j1),P(j2)を半球底面RBに再投影する。再投影により、辺「P(j)1−P(j)2」を半球底面RBへ投影した曲線を1本の線分(線分「PB(j)1−PB(j)2」)ではなく、2段階の折れ線(線分「PB(j)1−PB(j)3」および線分「PB(j)2−PB(j)3」)で近似する。その為、再投影後では、本当の曲線により近づくことができる。また、再投影後における計算点Kと対象面P(j1),P(j2)の各頂点P(j)kとの距離Lkを求める。
(5)半球底面RB上の辺の長さが所定値以下になるまで、(1)〜(5)の再分割・再投影を繰り返す。これによって、半球底面RBに投影される面要素PB(j)は、辺が直線近似できるまで小さく分割される。なお、半球底面RB上の面要素PB(j)が許容される辺長は、計算精度、計算時間、半球底面セルの分割数などを考慮して決定されればよく、例えば、所定値として「0.1〜0.3」を設定する。
なお、ここでは、分割点PB(j)12、交点PD(j)12から分割点P(j)3を算出し、分割点P(j)3を再投影することにより球面RA上の点PA(j)3、半球底面RB上の点PB(j)3を算出していた。しかしながら、これらの点を算出する順番や方法はこれに限定されるものではない。例えば、分割点PB(j)12から交点PD(j)12を算出し、計算点Kと交点PD(j)12との延長線により球面RA上の点PA(j)3および分割点P(j)3をそれぞれ求める。そして、球面RA上の点PA(j)3から半球底面RBに垂線を下ろすことで半球底面RB上の点PB(j)3を算出し、また、分割点P(j)3までの距離Lkを求めてもよい。
図10を参照して、ステップS234の処理について説明する。可視率計算部40は、半球底面RBに投影された評価対象物モデルGBを包含する整形領域RCを検出する。整形領域RCの形状は特に限定されないが、処理を容易にするために矩形状であるのがよい。整形領域RCの寸法は、計算点Kから評価対象物モデルGまでの距離や評価対象物モデルGのサイズなどによって決定される。例えば、計算点Kから評価対象物モデルGまでの距離が近くなればそれだけ半球底面RBに投影されるサイズは大きくなるので、整形領域RCの寸法は大きくなる。一方、評価対象物モデルG自体のサイズが大きければ、それに対応して整形領域RCの寸法は大きくなる。以降の処理において、この整形領域RCに投影される障害物モデルFのみを処理の対象とすることで計算負荷を軽減することができる。
図11を参照して、ステップS235の処理について説明する。図11の符号W1は、人間の垂直方向における視野角度に対応した楕円領域であり、図11の符号W2は、人間の水平方向における視野角度に対応した楕円領域である。可視率計算部40は、楕円領域W1と楕円領域W2との重複領域W(第2視野領域)に半球底面RBの範囲を限定する。これにより、人間の視野(人間による見え方)に近い形で評価対象物の可視率を算出することができる。
また、この処理により、ステップS231で除外した面要素P(j)からさらに対象とする面要素P(j)を絞り込むことが可能である。図11に示す破線は、ステップS231により除外される面要素P(j)と除外されない面要素P(j)との境界を示すものである。
図12を参照して、ステップS236の処理について説明する。可視率計算部40は、ステップS236で以下の処理を各面要素PB(j)について行う。
(1)ステップS234で求めた整形領域RCを分割し、半球底面セルM(s,t)を設定する。ここでの符号sは、横方向の並び位置(最大値がn)を示し、符号tは、縦方向の並び位置(最大値がm)を示す。整形領域RCを分割する方法は、特に限定されない。以下では、整形領域RCを分割する方法の一例を示す。
例えば、視力VAを「1.0」の場合を想定する。視力VA「1.0」の人間が見分けられる最小角度β(図13参照)は、「最小角度β=1/VA[分]=1/60VA[度]=1/60[度]」となる。その為、視力VA「1.0」の人間が見分けられる最小の分割幅ML(図13参照)は、「分割幅ML={r×sin(β/2)}×2」={1×sin(1/120)}×2≒0.00029」となる。
(1-2)続いて、各計算点Kについて、ユーザは指定分割数(横方向「1000」×縦方向「500」等)で整形領域RCを分割する。指定分割数は、例えば、計算負荷の観点から求められる上限値である。
指定分割数により求められた半球底面セルM(s,t)のサイズが、(1-1)の視力の観点から認識できる半球底面セルM(s,t)のサイズ(視力「1.0」なら約「0.00029」)よりも小さくなった場合、(1-1)の視力の観点によって決まるサイズを優先する。視力的に認識できるサイズ(目視できる最小限のサイズ)よりも半球底面セルM(s,t)のサイズを細かくしても意味がないためである。これにより、半球底面セルM(s,t)の分割数は、指定分割数による分割方法よりも分割数が少なくなり、計算負荷を減らせることも可能である。
一方、指定分割数により求められた半球底面セルM(s,t)のサイズが、(1-1)の視力の観点から認識できる半球底面セルM(s,t)のサイズよりも大きくなった場合、指定分割数によって決まる半球底面セルM(s,t)のサイズを優先する。
一方、評価対象物が視野全体に広がるように評価対象物と視点とが接近している場合、(1-2)の指定分割数によって決まる半球底面セルM(s,t)のサイズが優先されやすくなる。これにより、計算負荷が多くなり過ぎるのを防ぐことができる。
なお、半球底面セルM(s,t)の分割数は、視線に対して垂直方向、水平方向で異なる数値とすることも可能である。図12では、垂直方向の分割数をm個とし、水平方向の分割数をn個としている。
具体的には、半球底面RBに投影された面要素PB(j)の頂点間を半球底面上の直線式で表現し、頂点を結ぶ線分が投影された半球底面セルM(s,t)および線分で囲まれた領域の内部に位置する半球底面セルM(s,t)であるか否かを判定する。そして、半球底面セルリストHのこれらの投影された半球底面セルM(s,t)等については、投影面の投影結果の欄に投影ありを識別する情報「1」を登録する。一方、投影されていない半球底面セルM(s,t)等については、投影面の投影結果の欄に投影なしを識別する情報「0」を登録する。この際に、可視率計算部40は、対象面PB(j)を識別する情報および計算点Kとの距離Lについても半球底面セルリストHに登録する。距離Lは、例えば、対象面PB(j)を構成する三つの頂点PB(j)kとの距離Lkの線形補完値などでよい。
また、頂点を結ぶ線分が半球底面セルM(s,t)に投影された場合に、前記線分の位置に基づいて当該半球底面セルM(s,t)の投影あり/なしを判定するようにしてもよい。例えば、線分で囲まれた領域の内部に半球底面セルM(s,t)の中心点の位置がある場合に、当該半球底面セルM(s,t)を投影ありと判定してもよい。また、線分で分割された半球底面セルM(s,t)の面積比により、投影あり/投影なしを判定してもよい。
以上で、評価対象物モデルGの投影処理・半球底面セルへの面要素の登録処理(ステップS23)が終了する。
視力VAは、視認限界となったときの分単位で表した視角(以下、「限界視角」と称する)の逆数なので、「限界視角=1/60VA[度]」が成立する。
(1)ステップS236で評価対象物モデルGBが投影されていると判定された半球底面セルM (s,t)を細線化(スケルトン化)する。細線化(スケルトン化)とは、画像処理の分野で用いられる処理であり、二値画像を幅1ピクセルの線画像に変換する処理のことである。
投影されている半球底面セルM(s,t)の細線化処理について図15に示す。図15(a)は細線化される前の状態を示し、図15(b)は細線化された後の状態を示す。ここでは、評価対象物モデルGBが投影されない半球底面セルM(s,t)を「OFFセル(模様なしで表示)」と呼び、評価対象物モデルGBが投影された半球底面セルM(s,t)を「ONセル(斜線模様で表示)」と呼ぶことにする。また、スケルトン化されたONセルを特に「スケルトンセル(格子模様で表示)」と呼ぶことにする。
細線化処理の方法は、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。これによって、ONセルを幅が1つの半球底面セルM(s,t)の線画像に変換される。
(3)図16に示すように、スケルトンセル上に2点ペアの中心を置き、両端の位置にあたる半球底面セルM(s,t)の状態(ON/OFF)を判定する。例えば、2点ペアの両端の位置にあたる半球底面セルM(s,t)に評価対象物モデルGBが投影されていない場合(OFFセルである場合)、または整形領域RC外である場合にOFF状態と判定する。4方向の2点ペアの少なくとも何れか一つの両端の状態がOFF状態の場合、その部分は視認限界よりも細いとする(視認不可である)。図16の例では、右下の半球底面セルM(s,t)に設定された2点ペアは、全てがON状態なので(両端がOFF状態のものがない)、この半球底面セルM(s,t)は可視であると判定する。一方、中央の半球底面セルM(s,t)に設定された2点ペアは、上下方向の2点ペアの両端がOFF状態なので、この半球底面セルM(s,t)は不可視であると判定する。
また、一部のスケルトンセルが視認限界よりも細い(視認不可である)と判定された場合に、半球底面セルリストの当該スケルトンセルおよびその周辺の半球底面セルM(s,t)の投影結果を「0」にする。これは、距離と視力との関係によって見えないという考えに基づくものであり、実際に人が評価対象物を見た見え方に忠実な可視率評価となる。
障害物モデルFに対する処理(ステップS25)は、評価対象物モデルGの処理(ステップS23)と概ね同様の処理である。つまり、図5に示す半球Rを用いて障害物モデルFの投影処理・半球底面セルM(s,t)への面要素Q(j)の登録処理を行う。なお、ステップS25の処理の対象となる障害物モデルFは、図6に示すステップ234で設定した整形領域RCに投影されるものに限定される。これにより、ステップS25の処理を含めた以降の処理を高速化することが可能である。
ステップS251〜S253の処理は、ステップS231〜S233の処理と同様である。つまり、半球底面RB(図5参照)に投影する対象を評価対象物モデルGから障害物モデルFに変更している。
以上で、障害物モデルFの投影処理・半球底面セルへの面要素Q(j)の登録処理(ステップS25)が終了する。
ここでは、障害物モデルFによって評価対象物モデルGが隠されることにより、見え幅が限界視角以下となる部分を処理の対象とする。例えば、評価対象物モデルGのみを投影した状態では矩形状を呈することで観測者からは可視(見える)であったものが、障害物モデルFを投影することにより線状になることで観測者からは不可視(見えない)となる場合である。
・可視率V(i)[%]=N2(i)/N1(i)×100
そして、当該計算点Kiでの処理を終了し、新たな計算点K(i+1)での処理を開始する。全ての計算点Kにおける可視率の計算が終わったら、処理をステップS31に進める。
図18は、サッカースタジアムの施設計画を作成する場合を想定し、観客席から見たグラウンドの可視率を計算したものである。(a)はサッカースタジアムの全体を示しており、(b)は手すり付近の観客の様子を示している。ここでの評価対象物はピッチであり、計算点は各観客席に座る観客の目の位置である。ここでは可視率を観客の色の濃淡で表しており、可視率の高い観客を濃い色で表示し、可視率の低い観客を薄い色で表示している。図18(b)を参照すると、手すりにより最前列の観客の可視率が低下しているのが分かる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を変えない範囲で実施することができる。実施形態の変形例を以下に示す。
また、可視率算出装置1の処理の構成は、これに限定されるものではない。一部の処理を行わなくてもよいし、他の処理をさらに行うようにしてもよい。例えば、図3に示すステップS24の処理およびステップS26の処理の何れか一方の処理のみを行ってもよい。
10 記憶部
20 制御部
30 解析モデル生成部
40 可視率計算部
50 計算結果出力部
G 評価対象物モデル(3次元形状モデル)
F 障害物モデル(3次元形状モデル)
H 半球底面セルリスト
K 計算点(視点)
P(j) 面要素
Q(j) 面要素
R 半球
RA 球面
RB 半球底面(仮想スクリーン)
M(s,t) 半球底面セル
Claims (4)
- 仮想的な3次元空間を用いて、視点から見た評価対象物の可視率を算出する可視率算出装置であって、
前記評価対象物および障害物の3次元形状モデルを記憶する記憶部と、
前記評価対象物を仮想スクリーンに投影した場合における当該評価対象物の第1領域と、前記評価対象物および前記障害物を前記仮想スクリーンに投影した場合における当該評価対象物の第2領域とから前記評価対象物の可視率を計算する可視率計算部と、を備え、
前記3次元形状モデルは、複数の面要素により構成されており、
前記仮想スクリーンは、前記視点を中心とする半球の半球底面であり、
前記可視率計算部は、
前記半球の球面を介して半球底面に前記面要素を投影する投影処理部と、
前記半球底面に投影された前記面要素の見かけの大きさに基づいて、投影後の前記面要素を分割する分割処理部と、
を備えることを特徴とする可視率算出装置。 - 前記分割処理部は、前記半球底面に投影された前記面要素の頂点間の見かけの距離に基づいて、投影前の前記面要素を分割する分割点の半球底面における位置を特定し、特定した位置を新たな面要素の頂点とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の可視率算出装置。 - 前記可視率計算部は、
前記3次元空間に人間の視野角に基づく第1視野領域を設定し、当該第1視野領域に含まれない前記面要素を投影処理の対象から除外する面要素除外部を備える、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の可視率算出装置。 - 前記可視率計算部は、
前記半球底面に人間の視野角度に基づく第2視野領域を設定し、当該第2視野領域に含まれない投影後の前記面要素を可視率の計算処理の対象から除外する半球底面範囲限定部を備える、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れか一項に記載の可視率算出装置。
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