JP3224856B2 - 立体映像装置 - Google Patents

立体映像装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、計算機上に表現された
3次元仮想物体の立体像を表示すると共に、表示された
立体像の位置、方向および形状などを操作可能とした立
体映像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】3次元仮想物体の立体像を表示すると共
に、その表示された立体像の位置、方向および形状など
の操作、すなわち立体像を移動させたり、回転させた
り、あるいは変形させるなどの操作が直接的にできるよ
うな立体映像装置の実現が望まれている。このために
は、視覚的に表現された3次元仮想物体の立体像を直接
的に操作できるデータ入力装置が必要である。
【0003】データ入力装置は実3次元空間に置かれる
ため、視覚上の空間(仮想空間)の感覚と、手や腕の動
きによる空間(実空間)の感覚(ハプティクス)を一致
させることができれば、よりよい空間認識、空間操作が
可能となる。例えば、実空間での手の位置に仮想物体が
見え、かつ手の動きによって仮想物体を操作することが
できれば、より直接的な空間操作インタフェースを作り
出すことができる。
【0004】3次元物体を立体像として可視化する方法
には、ホログラムによる方法、立体像を構成する多数の
断面像を表示した表示パネルを厚み方向に高速で変位さ
せる方法、および左右両眼に視差分だけずれた像をそれ
ぞれ見せる方法などがある。これらの方法は、いずれも
一長一短がある。
【0005】ホログラムによる方法や、表示パネルを変
位させる方法は、実空間と仮想空間とを対応させること
ができない。例えばホログラムによる方法では、ホログ
ラム面より奥に見える空間に直接手を入れることはでき
ない。表示パネルを変位させる方法では、立体像の作ら
れる空間に直接手を入れることはできない。
【0006】視差分だけずれた像を見せる方法による
と、手や体にセンサを付けておき、そのセンサの出力情
報を処理することで、実空間中での手や体の動きと、仮
想空間中に立体像として表現されている手や体の動きを
一致させることができる。しかし、この方法では実空間
と仮想空間の一致の度合いがセンサの精度により制限さ
れるため、センサの出力情報の処理に時間がかかり、手
や体のスピードの速い動きに応答できないといった問題
がある。また、この方法は目の輻輳角と水晶体の焦点調
節にアンバランスを生じるため、自然な立体像を作るこ
とが難しく、目が疲れやすいという欠点も持っている。
【0007】一方、凹面鏡やレンズを使って像を所定の
空間に結像させる方法は、従来から知られているが、い
ずれも実体のあるものか平面像を移動させるだけであ
り、立体像を扱ったものはない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の技術では計算機上の3次元仮想物体を立体像として表
示しつつ、その立体像を直接的に操作することが難しい
という問題があった。
【0009】本発明は、このような従来の問題点を解消
するためになされたもので、立体像を表示しつつ、その
表示された立体像を直接的に操作することができる立体
映像装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る立体映像装置は、発光素子をマトリク
ス状に配列して構成された表示パネルを有し、この表示
パネルを厚み方向に変位させつつ該表示パネルに立体像
を構成する複数の断面像を順次表示することにより3次
元仮想物体を立体像として表示する表示手段と、この表
示手段によって表示された立体像を所定の結像空間に結
像する結像手段と、前記結像空間に挿入される手の位置
および動きに応じて前記表示手段により表示される立体
像を操作する操作手段とを備えたことを特徴とする。
【0011】また、本発明に係る立体映像装置は、光を
照射するための光源手段と、この光源手段からの光が照
射された部分に対応する部分が可視光を発する発光パネ
ルを有し、この発光パネルを前記光の光軸とほぼ平行方
向に変位させつつ該発光パネルに立体像を構成する複数
の断面像を順次表示することにより立体像を表示する表
示手段と、この表示手段によって表示された立体像を所
定の結像空間に結像する結像手段と、前記結像空間に挿
入される手の情報に応じて前記表示手段により表示され
る立体像を操作する操作手段とを備えたことを特徴とす
る。
【0012】
【作用】このように本発明では、3次元仮想物体が立体
像として表示されると共に、この表示された立体像と同
一の実像を別の結像空間に結像させる。そして、この結
像空間の実像に対するオペレータの操作によって、表示
された立体像の位置、方向および形状などが直接的に操
作可能となる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1は、本発明の一実施例に係る立体映像装置の
概略構成図である。この立体映像装置は、3次元仮想物
体を立体像として表示する立体像表示部1と、この立体
像表示部1で表示された立体像を立体像表示部1と異な
る所定の3次元空間(以下、結像空間という)4に結像
するための結像光学系2と、結像空間4に挿入されるオ
ペレータの手5の位置や動き、すなわちオペレータの操
作を検知する操作検知部3からなる。これらの各部は、
次のように構成されている。
【0014】立体像表示部1は表示パネル11、駆動機
構12、電子計算機13および位置検出器14により構
成される。表示パネル11は、LEDその他の発光素子
をマトリクス状に配列して構成され、電子計算機13か
らの映像データ15を受けて立体像の各断面像を表示す
る。駆動機構12は、例えばクランク機構を用いて構成
され、表示パネル11を矢印16で示すように高速で移
動させるか、または揺動させることによって、3次元空
間内を厚み方向に変位させる。
【0015】電子計算機13は、立体像として表示すべ
き3次元仮想物体の種々の角度や位置から見た映像デー
タ、さらには3次元物体を変形させた時の映像データを
内部のメモリに格納している。このような映像データ
は、例えば既存の3次元CADや、解析結果のプログラ
ム、コンピュータ・トモグラフィ装置によっても作成で
きる。
【0016】位置検出器14は、例えばポテンショメー
タなどを用いて構成され、表示パネル11の厚み方向の
位置を検出して、位置検出データ17を電子計算機13
に送る。電子計算機13は、位置検出データ17に対応
した断面の映像データ15をメモリから読み出して表示
パネル11に供給する。
【0017】従って、表示パネル11を十分速い速度、
例えばテレビジョン走査と同様に、30分の1秒程度の
周期で3次元空間内を変位させるようにすれば、人間の
目の残像効果により、表示パネル11が変位する範囲の
3次元空間内に立体像18を形成することができる。こ
のようにして、立体像表示部1で立体像18が表示され
る。
【0018】結像光学系2は、図1では一つの凹面鏡に
よって模式的に示されているが、例えば図2(a)
(b)に示すようなリレー光学系を用いると、歪のない
等倍率の像を結像させることができる。
【0019】図2(a)は、立体像表示部1で表示され
た立体像18を凸レンズ21,23および平面ミラー2
2によって移動し、実像19を結像空間4に形成する構
成となっている。結像空間4は、平面ミラー22の光軸
に対する角度を変えることにより、その場所を変えられ
る。歪のない等倍率の像を得るには、凸レンズ21およ
び凸レンズ23の焦点距離を各々f1 ,f2 として、 f1 =f2 =f …… (1) f1 +f2 =d1 +d2 …… (2) となるようにレンズを配置すればよい。
【0020】このとき、立体像18の実像19は立体像
18より d1 +d2 =4f だけ離れたところに形成される。但し、このとき実像1
9は矢印33の方向から見ているものとする。
【0021】図2(b)は、立体像18を2つの凹面鏡
24,25によって移動させ、実像19を結像空間4に
形成する構成となっている。この場合、歪のない等倍率
の象を得るには、凹面鏡24および25の焦点距離を各
々f1 ,f2 として、 f1 =f2 =f …… (3) f1 +f2 =d …… (4) となるように凹面鏡を配置すればよい。
【0022】また、図2(a)(b)で式(1) ,(3) が
満たされない場合、実像19と立体像18との大きさの
関係は、 (光軸に沿う方向の倍率)=f2 /f1 …… (5) (光軸に垂直な方向の倍率)=(f2 /f1 2 …… (6) となっているので、例えば表示パネル11の移動方向を
光軸と平行にし、かつ移動距離を減らして、その方向の
分解能を上げてやれば、拡大された像を形成することが
できる。図3に、その一例を示す。このとき、立体像1
8の光軸に沿った長さ(S)が光軸と垂直な方向の幅ま
たは高さ(2S)の半分であり、凸レンズ21,23の
焦点距離f1 ,f2 および2つの凸レンズ間の距離d1
+d2 が f2 =2f1 …… (7) f1 +f2 =d1 +d2 …… (8) であるとすると、実像19の大きさは光軸に沿う方向、
光軸と垂直な方向共に、4Sとすることができる。これ
を利用することにより、表示パネル11の移動距離を短
縮できる。
【0023】一方、立体像表示部1の表示領域が凸レン
ズまたは凹面鏡の焦点距離に比べかなり小さい場合は、
レンズ1個あるいは凹面鏡1個でも、図4(a)(b)
のように等倍率の像あるいは拡大像を作ることができ
る。
【0024】さらに、図5のような凹面鏡構成にしてお
けば、対象物のまわりから浮き上がった3次元像を見る
ことができる。このときも2つの凹面鏡28,29の焦
点距離をf1 ,f2 とすると、 f1 =f2 …… (9) f1 +f2 =d …… (10) となるように凹面鏡28,29を配置すれば、立体像1
8と等倍率の実像19を得ることができる。但し、この
場合は図2(b)と異なり、実像19の歪を少なくする
ためには、立体像18の大きさに比べ凹面鏡28,29
の焦点距離f1 ,f2 が十分大きい値でなければならな
い。なお、図5において凹面鏡28,29は底部に穴2
8a,29aを開けたものであり、穴29aに立体像表
示部1の表示空間が配置され、穴28aに実像19が形
成される構成となっている。
【0025】操作検知部3は、例えば図6に示すように
結像空間4を臨んで互いに直交する2軸に沿って設置さ
れた2台のTVカメラ31,32からなり、結像空間4
に挿入されたオペレータの手5のイメージから手5の位
置や動き、つまりオペレータの操作を検知して、その検
知情報を電子計算機13へ入力する。但し、このときオ
ペレータは実像19を矢印33の方向から見ているとす
る。結像空間4は座標系(x,y,z)で定義され、T
Vカメラ31,32は例えばy軸およびz軸上にそれぞ
れ設置される。
【0026】電子計算機13では、こうして入力された
検知情報に従ってメモリの映像データを変更することに
より、立体像表示部1で表示される立体像18を操作す
る。すなわち、オペレータが結像空間4に結像された実
像19の位置に3次元物体があたかも存在している感覚
で移動、回転などの操作を行うと、電子計算機13は操
作検知部3から出力される検知情報の変化から、オペレ
ータが行った操作を認識することができる。TVカメラ
31,32にはオペレータの手5のみが検知されるの
で、その位置や動きを簡単に電子計算機13に認識させ
ることができる。この認識に基いて、電子計算機13は
メモリの映像データを変更する。
【0027】具体的には、例えばオペレータが実像19
をy軸回りに90°回転操作した場合には、電子計算機
13は回転操作する前の映像データを算出して、表示パ
ネル11に表示させる。この結果、立体像表示部1では
オペレータの操作前に表示されていた立体像19に対し
てy軸回りに90°回転した立体像が表示される。ま
た、例えばオペレータが実像19を押圧変形させるよう
な操作を行った場合は、電子計算機13は変形後の映像
データを算出し、表示パネル11により変形したて立体
像を表示する。
【0028】なお、操作検知部3としては空間位置入力
デバイスを用いることもできる。また、表示板11とし
て光が照射された部分に対応する部分が可視光を発する
発光パネル、例えば螢光パネルを用い、この螢光パネル
上をレーザ光線あるいは電子ビーム等で高速に走査し、
発光している螢光パネルを光軸とほぼ平行な方向に変位
させ、この螢光パネルによって表示された立体像を所定
の結像空間に結像させるように構成してもよい。この場
合、光源としては、レーザ光、電子ビーム以外に、通常
の白色光を光学系で絞り込んで発光パネル上に照射した
り、あるいはX線等の特殊な光を用いて構成してもよ
い。その場合、発光パネルとしては、光源からの光の種
類に応じて感応して発光するものや、あるいは光をセン
サで検出して、対応の発光素子を発光させる発光システ
ムとして構成してもよい。その他、本発明は種々変形し
て実施することが可能である。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば計
算機上に表現された3次元仮想物体を立体像として表示
すると共に、その立体像の位置、方向および形状などを
直接的に操作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る立体映像装置の概略構
成図
【図2】図1における結像光学系の具体的な構成例を示
す図
【図3】図1における結像光学系の具体的な構成例を示
す図
【図4】図1における結像光学系の具体的な構成例を示
す図
【図5】図1における結像光学系の具体的な構成例を示
す図
【図6】図1における操作検知部の具体的な構成例を示
す図
【符号の説明】
1…立体像表示部 2…結像光学系 3…操作検知部 4…結像空間 5…オペレータの手 11…表示パネル 12…駆動機構 13…電子計算
機 14…位置検出器 21,23,2
6…凸レンズ 22…平面ミラー 24,25…凹
面鏡 27〜29…凹面鏡 31,32…T
Vカメラ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発光素子をマトリクス状に配列して構成さ
    れた表示パネルを有し、この表示パネルを厚み方向に変
    位させつつ該表示パネルに立体像を構成する複数の断面
    像を順次表示することにより3次元仮想物体を立体像と
    して表示する表示手段と、 この表示手段によって表示された立体像を所定の結像空
    間に結像する結像手段と、 前記結像空間に挿入される手の情報に応じて前記表示手
    段により表示される立体像を操作する操作手段とを備え
    たことを特徴とする立体映像装置。
  2. 【請求項2】光を照射するための光源手段と、 この光源手段からの光が照射された部分に対応する部分
    が可視光を発する発光パネルを有し、この発光パネルを
    前記光の光軸とほぼ平行方向に変位させつつ該発光パネ
    ルに立体像を構成する複数の断面像を順次表示すること
    により立体像を表示する表示手段と、 この表示手段によって表示された立体像を所定の結像空
    間に結像する結像手段と、 前記結像空間に挿入される手の情報に応じて前記表示手
    段により表示される立体像を操作する操作手段とを備え
    たことを特徴とする立体映像装置。
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