JP3559335B2 - 三次元画像処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置に関し、特に、仮想世界内の物体の位置関係を簡単かつ正確に変更できるようにする三次元画像処理装置に関する。
【０００２】
コンピュータグラフィックス（ＣＧ）が一般のデザイナに浸透し、様々なモデリングが行われるようになってきた。これから、より使い易いユーザインタフェースの構築が叫ばれている。
【０００３】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックスで使用される様々な物体の三次元形状データが市場に提供されており、コンピュータグラフィックスでは、通常、この市場に提供されている三次元形状データや、前に作成した三次元形状データを利用してＣＧアニメーションを作成していくことになる。
【０００４】
これから、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置では、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさを変更していく機能を持つ必要がある。
【０００５】
この変更機能は、ユーザと対話することで、その変更処理を実行していくことになるが、現在、最も使用されている方法として、ユーザに対してマウスで移動量等を指示させていくものがある。
【０００６】
この方法では、修正対象の物体を移動させるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、移動モードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ａ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体を移動させ、また、修正対象の物体を回転させるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、回転モードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ｂ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体を回転させ、また、修正対象の物体の大きさを変えるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、スケールモードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ｃ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体の大きさを変更することで、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさを変更していく構成を採っている。
【０００７】
そして、この構成を採るときにあって、マウスの移動量がスクリーン上の２次元であることから、マウスの移動量を三次元空間の移動量に対応させるために、例えば、左ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＸ軸に対しての移動量と判断し、また、中ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＹ軸に対しての移動量と判断し、また、右ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＺ軸に対しての移動量と判断する構成を採っている。但し、実際には、三次元空間のＸ／Ｙ／Ｚ軸は表示されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の三次元画像処理装置では、マウス等の移動を使って、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさの変更量を会話的に指定させる構成を採っているが、ユーザは、マウス等の移動量が形状変化にどのように対応するのかを感覚的に判断できないことから、他の形状と比較しながら試行錯誤的に修正していかなくてはならないことになる。特に、２つの物体を結合させるときに大変となり、図１４（ａ）に示すように、接触面がちょうど垂直の方向にない場合には、両者を合わせることが極めて大変となる。
【０００９】
このような不都合に対処するために、三面図を表示する機能を持つ三次元画像処理装置では、例えば、正面図上にマウスが存在するときに、画面の上方向をＹ軸、画面の横方向をＸ軸とすることで、マウスの移動量を三次元空間の移動量に対応させユーザの便宜を図る構成を採っている。
【００１０】
この機能があると、選択した物体を別の物体に結合するように移動して向きを合わせていく場合に、ユーザは、図１４（ｂ）に示すように、接触する面同士の重なり具合を見ながら位置関係を変更していけるようになる。
【００１１】
しかしながら、このような場合でも、結合したのか否かを視覚的に判断していかなくてはならないことから、正確さに欠けるという問題がある。これから、結局、正確な結合を実現するためには、図１４（ｃ）に示すように、直接、座標の数値を入力していく方法を採るしかなくなるが、この数値計算は回転を考慮すると極めて大変である。
【００１２】
このように、従来技術では、ユーザは、マウス等の移動量を使って仮想世界内の物体の位置関係を修正し、三次元画像処理装置が三面図を表示する機能を持つ場合には、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することで、２つの物体を結合していく構成を採っているが、これでは、簡単に物体の位置関係を変更できないとともに、正確に変更できないという問題点があった。そして、三次元画像処理装置が三面図を表示する機能を持たない場合には、この問題点は更に大きなものになる。
【００１３】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する構成を採るときにあって、仮想世界内の物体の位置関係を簡単かつ正確に変更できるようにする新たな三次元画像処理装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明の原理構成を図示する。
図中、１は本発明を具備する三次元画像処理装置であって、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出するもの、２は三次元画像処理装置１の備える端末であって、三次元画像処理装置１の現出する仮想世界を表示するとともに、ユーザとの対話手段となるものである。
【００１５】
この三次元画像処理装置１は、管理手段１０と、生成手段１１と、物体選択手段１２と、方向選択手段１３と、特定手段１４と、結合手段１５と、修正手段１６とを備える。
【００１６】
管理手段１０は、仮想世界を構成する物体のＣＧデータを管理する。生成手段１１は、管理手段１０の管理するＣＧデータを使って仮想世界を作成して端末２のディスプレイ画面に表示する。物体選択手段１２は、ユーザと対話することで、仮想世界内の物体の中から、位置関係を変更する物体を１つ選択する。方向選択手段１３は、ユーザと対話することで、選択対象となる複数の方向の中から、物体選択手段１２の選択した物体の移動方向となる方向を１つ選択する。
【００１７】
特定手段１４は、物体選択手段１２の選択した物体と、方向選択手段１３の選択した方向とから、物体選択手段１２の選択した物体の結合先となる仮想世界内の別の物体の持つ多面体を特定する。結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体の中から結合対象となる多面体を決定して、その多面体と特定手段１４の特定した多面体とを結合する。修正手段１６は、ユーザと対話することで、結合手段１５により結合された２つの物体が離れないようにしつつ、その位置関係を修正する。
【００１８】
【作用】
本発明では、端末２のディスプレイ画面に仮想世界が表示されているときに、物体選択手段１２は、ユーザと対話することで、仮想世界内の物体の中から、位置関係を変更する物体を１つ選択し、方向選択手段１３は、ユーザと対話することで、選択対象となる複数の方向の中から、物体選択手段１２の選択した物体の移動方向となる方向を１つ選択する。
【００１９】
この方向選択処理は、方向選択手段１３が、視線方向や重力方向や仮想世界の世界座標系等を基準にして、右側、左側、上方、下方、前方というように選択対象となる複数の方向を定義する構成を採って、ユーザに対して、それらの内のどの方向かを選択させることで実行する。
【００２０】
物体選択手段１２が物体を選択し、方向選択手段１３が方向を選択すると、特定手段１４は、例えば、物体選択手段１２の選択した物体から方向選択手段１３にある最も近い物体を特定して、それが持つ多面体の内、物体選択手段１２の選択した物体に最も近いものを特定することで、物体選択手段１２の選択した物体の結合先となる別の物体の持つ多面体を特定する。
【００２１】
この特定手段１４の特定処理を受けて、結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体の内、特定手段１４の特定した多面体に最も近く更にその中で特定手段１４の特定した多面体に最も平行なものを結合対象として設定して、その設定した多面体と特定手段１４の特定した多面体とを結合する。
具体的には、結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体である変更多面体のローカル座標を決定するとともに、特定手段１４の特定した多面体である目標多面体のローカル座標を決定して、目標多面体のローカル座標の全軸に変更多面体のローカル座標の軸が一致するようにと変更多面体を回転させ、さらに、目標多面体のローカル座標の原点に変更多面体のローカル座標の原点が一致するようにと変更多面体を移動させることによって、変更多面体と目標多面体とを結合するように処理する。
【００２２】
そして、修正手段１６は、必要に応じて、ユーザと対話することで、結合手段１５により結合された２つの物体が離れないようにしつつ、その位置関係を修正する。
【００２３】
このように、本発明によれば、ユーザは、マウス等の移動量を使わず、しかも、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することもなく、ただ単に、「何をどの方向へ」というように指定するだけで、仮想世界内の２つの物体を結合できるようになることから、この２つの物体を簡単かつ正確に結合できるようになる。しかも、この結合処理を、三面図等を用いず透視図を使って実行できることから、表示画面の選択等のような位置決定に関係のないアクションを省くことができることになって、効率的に実行できるようになる。
【００２４】
そして、結合後の２つの物体の位置関係を修正する場合には、修正手段１６が、結合された２つの物体が離れないようにという拘束条件を課しつつ、ユーザと対話することでその位置関係を修正するので、ユーザは、マウス等の操作によりどのように位置関係が修正されるのかを把握しつつ、その位置関係を修正できるようになる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例に従って本発明を詳細に説明する。
図２ないし図４に、本発明を具備する三次元画像処理装置１の実行する処理フローの一実施例を図示する。次に、これらの処理フローに従って、本発明を詳細に説明する。
【００２６】
三次元画像処理装置１は、ユーザから仮想世界内の物体の位置の修正要求があると、図２の処理フローに示すように、先ず最初に、ステップ１で、ユーザと対話することで、位置を修正する物体（以下、変更形状と記述する）を選択する。この選択処理は、例えば、ユーザに対して、ディスプレイ画面に表示している仮想世界内の物体の１つをマウスでクリッピングさせることで実行するものであって、図５に示すように、例えば、仮想世界内の「テーブル」が選択されるときには、その「テーブル」が変更形状として選択された旨を顕示する表示構成を採る。
【００２７】
続いて、ステップ２で、ユーザと対話することで、変更形状の移動方向を選択する。本発明では、図１で説明したように、この移動方向の指定の仕方として、右側、左側、上方、下方、前方というような人間の感覚に合った方法を採ることを特徴とするものであり、この方向の基準として、視線方向や重力方向や仮想世界の世界座標系等を用いる。
【００２８】
例えば、視線方向、すなわち、ディスプレイ画面に直交する方向を基準とする場合には、例えば、図６に示すように、視線の右側（ディスプレイ画面の右側）を右側、視線の左側（ディスプレイ画面の左側）を左側、視線の上方（ディスプレイ画面の上方）を上方、視線の下方（ディスプレイ画面の下方）を下方、視線の方向（ディスプレイ画面の奥行き方向）を前方、視線の反対方向（ディスプレイ画面の手前方向）を後方というように方向を定義する。
【００２９】
また、重力方向を基準とする場合には、例えば、重力方向を下方、重力の反対方向を上方、重力方向の右側を右側、重力方向の左側を左側、重力に直交するディスプレイ画面の奥に向かう方向を前方、重力に直交するディスプレイ画面の手前に向かう方向を後方というように方向を定義する。
【００３０】
また、仮想世界の世界座標系を基準とする場合には、例えば、世界座標系のＸ軸の正方向を右側、負方向を左側、世界座標系のＹ軸の正方向を上方、負方向を下方、世界座標系のＺ軸の正方向を前方、負方向を後方というように方向を定義する。
【００３１】
この方向定義に従い、ステップ２では、例えば、ディスプレイ画面に方向名の一覧を表示する構成を採って、ユーザに対して、その中の１つをマウスでクリッピングさせることで、変更形状の移動方向を選択する構成を採るものであり、例えば、図５で変更形状として選択した「テーブル」を左側に移動させるときには、図７に示すように、ユーザに対して、左側という方向を選択させることになる。
【００３２】
ステップ１で変更形状を選択し、ステップ２で変更方向を選択すると、続いて、ステップ３で、変更形状の結合先となる多面体（以下、目標多面体と記述する）を決定する。
【００３３】
この決定処理は、変更形状から変更方向に向かう直線上の物体の内の最も近いものを特定し、その物体（以下、目標形状と記述する）の持つ全ての多面体と交差計算を行うことで、目標形状の持つ多面体の内で変更形状に最も近いものを特定することで行う。
【００３４】
例えば、図８（ａ）に示すように、ステップ１で「テーブル」を変更形状として選択し、ステップ２で「左側」を変更方向として選択するときには、その「テーブル」から左側に位置して、その「テーブル」に最も近い物体（目標形状）として「壁」が存在するので、図８（ｂ）に示すように、その「壁」の持つ多面体の内、「テーブル」に最も近いものとなる右側面を目標多面体として決定するのである。
【００３５】
続いて、ステップ４で、目標多面体の結合先となる変更形状の持つ多面体（以下、変更多面体と記述する）を決定する。
この決定処理は、変更形状の持つ多面体の内、目標多面体に最も近いものを特定することで行うことになるが、最も近い多面体が複数存在するときには、その内の目標多面体に最も平行なものを特定することで行う。すなわち、変更形状が目標多面体に最も近い複数の多面体を持つ場合には、それらの多面体群と目標多面体とのなす角度を計算し、その角度の最も小さい多面体を変更多面体として決定するのである。
【００３６】
例えば、図９（ａ）に示すように、ステップ１で「テーブル」を変更形状として選択し、ステップ３で「壁の右側面」を目標多面体として決定するときには、図９（ｂ）に示すように、その「テーブル」の持つ多面体の内、その「壁の右側面」に最も近いものとなる「テーブル」の台の左側面を変更多面体として決定するのである。
【００３７】
ステップ３で目標多面体を決定し、ステップ４で変更多面体を決定すると、続いて、ステップ５で、この２つの多面体を結合する。
図３に示す処理フローが、このステップ５の処理の詳細な処理フローである。この図３の処理フローに示すように、ステップ５に入ると、先ず最初に、目標多面体のローカル座標系を決定し、続いて、変更多面体のローカル座標系を決定する。これらの決定処理は、多面体の第１頂点を原点として設定して、第１頂点から第２頂点の方向をｘ軸と決定し、原点と多面体法線からｙ軸を決定し、ｘ軸とｙ軸の外積よりｚ軸を決定することで行う。
【００３８】
続いて、目標多面体のローカル座標系の全軸に変更多面体のローカル座標系の軸が一致するようにと、変更多面体を回転させる。続いて、目標多面体のローカル座標系の原点に変更多面体のローカル座標系の原点が一致するようにと、変更多面体を移動させる。ここで、この２つの処理の順序を逆にすることも可能である。そして、最後に、この回転・移動の変換行列を変更形状全体に施すことで、目標多面体と変更多面体との結合、すなわち、目標形状と変更形状との結合を実現する。
【００３９】
すなわち、このステップ５では、先ず最初に、図１０（ａ）に示すように、目標多面体及び変更多面体のローカル座標系を決定し、続いて、図１０（ｂ）に示すように、目標多面体のローカル座標系の全軸に変更多面体のローカル座標系の軸が一致するようにと変更多面体を回転させ、続いて、図１０（ｃ）に示すように、目標多面体のローカル座標系の原点に変更多面体のローカル座標系の原点が一致するようにと変更多面体を移動させることで、目標多面体と変更多面体とを結合するのである。
【００４０】
この回転や移動は、具体的には変換行列を作成することで行う。すなわち、Ｘ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４１】
【数１】
【００４２】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｘ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換される。
【００４３】
また、Ｙ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４４】
【数２】
【００４５】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｙ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換される。
【００４６】
また、Ｚ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４７】
【数３】
【００４８】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｚ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換されるので、これらの変換行列を合成することで、目標多面体と変更多面体のローカル座標系の軸が一致することになる変更多面体の回転処理を実現するのである。
【００４９】
そして、Ｘ軸方向への移動量がＴｘ で、Ｙ軸方向への移動量がＴｙ で、Ｚ軸方向の移動量がＴｚ である移動の変換行列は、
【００５０】
【数４】
【００５１】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｔ 〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換されるので、この変換行列を使って、目標多面体と変更多面体のローカル座標系の原点が一致することになる変更多面体の移動処理を実現するのである。
【００５２】
このようにしてステップ５で、目標多面体と変更多面体とを結合すると、続いて、ステップ６（図２の処理フロー）で、ユーザから目標形状と変更形状の位置関係の会話修正要求があるのか否かを判断して、会話修正要求がないことを判断するときには、そのまま処理を終了し、会話修正要求があることを判断するときには、ステップ７に進んで、マウスを使って指示されるユーザからの位置関係指示操作に応答して、目標多面体と変更多面体との結合関係を拘束条件としつつ、目標形状と変更形状の位置関係を修正する。
【００５３】
図４に示す処理フローが、このステップ７の処理の詳細な処理フローである。この図４の処理フローに示すように、ステップ７に入ると、会話修正要求が移動モードに係るものであるのか、回転モードに係るものであるのか判断して、移動モードに係るものであることを判断するときには、ユーザの操作するマウス移動量を結合面の座標軸成分に分離する。例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、ユーザの操作するマウス移動量をＸ軸成分とＺ軸成分とに分離する。一方、会話修正要求が回転モードに係るものであることを判断するときには、ユーザの操作するマウス移動量を結合面に直交する座標軸成分に分離する。例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、ユーザの操作するマウス移動量をＹ軸成分に分離する。
【００５４】
続いて、分離した座標軸成分に従って、目標多面体と変更多面体との結合関係を拘束条件としつつ、目標形状と変更形状の位置関係を修正する。会話修正要求が移動モードに係るものであるときに、例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、図１１（ａ）に示すように、分離したＸ軸成分とＺ軸成分とに従って変更多面体を結合面上で移動し、また、会話修正要求が回転モードに係るものであるときに、例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、図１１（ｂ）に示すように、分離したＹ軸成分に従って変更多面体をＹ軸を回転軸にして回転する。
【００５５】
そして、最後に、ステップ５で合成した変換行列と、この会話修正要求を実現するために求めた変換行列とをマトリクス演算することで新たな変換行列を求めて、それを変更形状全体に施すことで、目標形状と変更形状の位置関係を修正するのである。
【００５６】
この図４の処理フローでは、変更多面体が目標多面体との結合面上を移動・回転するという拘束条件を示したが、この拘束条件を目標形状と変更形状とが離れないというものに広げることも可能である。例えば、会話修正要求に応答して、図１２（ａ）に示すように、結合面を構成するＺ軸上で変更形状を移動させたり、図１２（ｂ）に示すように、結合面を構成するＺ軸を回転軸として変更形状を回転させたりする構成を採ることも可能なのである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ユーザは、マウス等の移動量を使わず、しかも、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することもなく、ただ単に、「何をどの方向へ」というように指定するだけで、仮想世界内の２つの物体を結合できるようになることから、この２つの物体を簡単かつ正確に結合できるようになる。しかも、この結合処理を、三面図等を用いず透視図を使って実行できることから、表示画面の選択等のような位置決定に関係のないアクションを省くことができることになって、効率的に実行できるようになる。
【００５８】
そして、結合後の２つの物体の位置関係を修正する場合には、結合された２つの物体が離れないようにという拘束条件を課しつつ、ユーザと対話することでその位置関係を修正するので、ユーザは、マウス等の操作によりどのように位置関係が修正されるのかを把握しつつ、その位置関係を修正できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成図である。
【図２】本発明を具備する三次元画像処理装置の実行する処理フローの一実施例である。
【図３】ステップ５の処理の詳細な処理フローである。
【図４】ステップ７の処理の詳細な処理フローである。
【図５】変更形状の選択処理の説明図である。
【図６】方向定義の一例である。
【図７】変更方向の選択処理の説明図である。
【図８】目標多面体の決定処理の説明図である。
【図９】変更多面体の決定処理の説明図である。
【図１０】多面体結合処理の説明図である。
【図１１】物体位置の修正処理の説明図である。
【図１２】物体位置の修正処理の説明図である。
【図１３】従来技術の説明図である。
【図１４】従来技術の問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ 三次元画像処理装置
２ 端末
１０ 管理手段
１１ 生成手段
１２ 物体選択手段
１３ 方向選択手段
１４ 特定手段
１５ 結合手段
１６ 修正手段
【産業上の利用分野】
本発明は、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置に関し、特に、仮想世界内の物体の位置関係を簡単かつ正確に変更できるようにする三次元画像処理装置に関する。
【０００２】
コンピュータグラフィックス（ＣＧ）が一般のデザイナに浸透し、様々なモデリングが行われるようになってきた。これから、より使い易いユーザインタフェースの構築が叫ばれている。
【０００３】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックスで使用される様々な物体の三次元形状データが市場に提供されており、コンピュータグラフィックスでは、通常、この市場に提供されている三次元形状データや、前に作成した三次元形状データを利用してＣＧアニメーションを作成していくことになる。
【０００４】
これから、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置では、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさを変更していく機能を持つ必要がある。
【０００５】
この変更機能は、ユーザと対話することで、その変更処理を実行していくことになるが、現在、最も使用されている方法として、ユーザに対してマウスで移動量等を指示させていくものがある。
【０００６】
この方法では、修正対象の物体を移動させるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、移動モードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ａ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体を移動させ、また、修正対象の物体を回転させるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、回転モードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ｂ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体を回転させ、また、修正対象の物体の大きさを変えるときには、ユーザに対して、修正対象の物体を選択させるとともに、スケールモードを選択させる構成を採って、ユーザがマウスを移動すると、図１３（ｃ）に示すように、その移動量に応じて修正対象の物体の大きさを変更することで、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさを変更していく構成を採っている。
【０００７】
そして、この構成を採るときにあって、マウスの移動量がスクリーン上の２次元であることから、マウスの移動量を三次元空間の移動量に対応させるために、例えば、左ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＸ軸に対しての移動量と判断し、また、中ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＹ軸に対しての移動量と判断し、また、右ボタンが押されながら移動されるときには、三次元空間におけるＺ軸に対しての移動量と判断する構成を採っている。但し、実際には、三次元空間のＸ／Ｙ／Ｚ軸は表示されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の三次元画像処理装置では、マウス等の移動を使って、仮想世界を構成する物体の位置や姿勢や大きさの変更量を会話的に指定させる構成を採っているが、ユーザは、マウス等の移動量が形状変化にどのように対応するのかを感覚的に判断できないことから、他の形状と比較しながら試行錯誤的に修正していかなくてはならないことになる。特に、２つの物体を結合させるときに大変となり、図１４（ａ）に示すように、接触面がちょうど垂直の方向にない場合には、両者を合わせることが極めて大変となる。
【０００９】
このような不都合に対処するために、三面図を表示する機能を持つ三次元画像処理装置では、例えば、正面図上にマウスが存在するときに、画面の上方向をＹ軸、画面の横方向をＸ軸とすることで、マウスの移動量を三次元空間の移動量に対応させユーザの便宜を図る構成を採っている。
【００１０】
この機能があると、選択した物体を別の物体に結合するように移動して向きを合わせていく場合に、ユーザは、図１４（ｂ）に示すように、接触する面同士の重なり具合を見ながら位置関係を変更していけるようになる。
【００１１】
しかしながら、このような場合でも、結合したのか否かを視覚的に判断していかなくてはならないことから、正確さに欠けるという問題がある。これから、結局、正確な結合を実現するためには、図１４（ｃ）に示すように、直接、座標の数値を入力していく方法を採るしかなくなるが、この数値計算は回転を考慮すると極めて大変である。
【００１２】
このように、従来技術では、ユーザは、マウス等の移動量を使って仮想世界内の物体の位置関係を修正し、三次元画像処理装置が三面図を表示する機能を持つ場合には、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することで、２つの物体を結合していく構成を採っているが、これでは、簡単に物体の位置関係を変更できないとともに、正確に変更できないという問題点があった。そして、三次元画像処理装置が三面図を表示する機能を持たない場合には、この問題点は更に大きなものになる。
【００１３】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する構成を採るときにあって、仮想世界内の物体の位置関係を簡単かつ正確に変更できるようにする新たな三次元画像処理装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明の原理構成を図示する。
図中、１は本発明を具備する三次元画像処理装置であって、コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出するもの、２は三次元画像処理装置１の備える端末であって、三次元画像処理装置１の現出する仮想世界を表示するとともに、ユーザとの対話手段となるものである。
【００１５】
この三次元画像処理装置１は、管理手段１０と、生成手段１１と、物体選択手段１２と、方向選択手段１３と、特定手段１４と、結合手段１５と、修正手段１６とを備える。
【００１６】
管理手段１０は、仮想世界を構成する物体のＣＧデータを管理する。生成手段１１は、管理手段１０の管理するＣＧデータを使って仮想世界を作成して端末２のディスプレイ画面に表示する。物体選択手段１２は、ユーザと対話することで、仮想世界内の物体の中から、位置関係を変更する物体を１つ選択する。方向選択手段１３は、ユーザと対話することで、選択対象となる複数の方向の中から、物体選択手段１２の選択した物体の移動方向となる方向を１つ選択する。
【００１７】
特定手段１４は、物体選択手段１２の選択した物体と、方向選択手段１３の選択した方向とから、物体選択手段１２の選択した物体の結合先となる仮想世界内の別の物体の持つ多面体を特定する。結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体の中から結合対象となる多面体を決定して、その多面体と特定手段１４の特定した多面体とを結合する。修正手段１６は、ユーザと対話することで、結合手段１５により結合された２つの物体が離れないようにしつつ、その位置関係を修正する。
【００１８】
【作用】
本発明では、端末２のディスプレイ画面に仮想世界が表示されているときに、物体選択手段１２は、ユーザと対話することで、仮想世界内の物体の中から、位置関係を変更する物体を１つ選択し、方向選択手段１３は、ユーザと対話することで、選択対象となる複数の方向の中から、物体選択手段１２の選択した物体の移動方向となる方向を１つ選択する。
【００１９】
この方向選択処理は、方向選択手段１３が、視線方向や重力方向や仮想世界の世界座標系等を基準にして、右側、左側、上方、下方、前方というように選択対象となる複数の方向を定義する構成を採って、ユーザに対して、それらの内のどの方向かを選択させることで実行する。
【００２０】
物体選択手段１２が物体を選択し、方向選択手段１３が方向を選択すると、特定手段１４は、例えば、物体選択手段１２の選択した物体から方向選択手段１３にある最も近い物体を特定して、それが持つ多面体の内、物体選択手段１２の選択した物体に最も近いものを特定することで、物体選択手段１２の選択した物体の結合先となる別の物体の持つ多面体を特定する。
【００２１】
この特定手段１４の特定処理を受けて、結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体の内、特定手段１４の特定した多面体に最も近く更にその中で特定手段１４の特定した多面体に最も平行なものを結合対象として設定して、その設定した多面体と特定手段１４の特定した多面体とを結合する。
具体的には、結合手段１５は、物体選択手段１２の選択した物体の持つ多面体である変更多面体のローカル座標を決定するとともに、特定手段１４の特定した多面体である目標多面体のローカル座標を決定して、目標多面体のローカル座標の全軸に変更多面体のローカル座標の軸が一致するようにと変更多面体を回転させ、さらに、目標多面体のローカル座標の原点に変更多面体のローカル座標の原点が一致するようにと変更多面体を移動させることによって、変更多面体と目標多面体とを結合するように処理する。
【００２２】
そして、修正手段１６は、必要に応じて、ユーザと対話することで、結合手段１５により結合された２つの物体が離れないようにしつつ、その位置関係を修正する。
【００２３】
このように、本発明によれば、ユーザは、マウス等の移動量を使わず、しかも、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することもなく、ただ単に、「何をどの方向へ」というように指定するだけで、仮想世界内の２つの物体を結合できるようになることから、この２つの物体を簡単かつ正確に結合できるようになる。しかも、この結合処理を、三面図等を用いず透視図を使って実行できることから、表示画面の選択等のような位置決定に関係のないアクションを省くことができることになって、効率的に実行できるようになる。
【００２４】
そして、結合後の２つの物体の位置関係を修正する場合には、修正手段１６が、結合された２つの物体が離れないようにという拘束条件を課しつつ、ユーザと対話することでその位置関係を修正するので、ユーザは、マウス等の操作によりどのように位置関係が修正されるのかを把握しつつ、その位置関係を修正できるようになる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例に従って本発明を詳細に説明する。
図２ないし図４に、本発明を具備する三次元画像処理装置１の実行する処理フローの一実施例を図示する。次に、これらの処理フローに従って、本発明を詳細に説明する。
【００２６】
三次元画像処理装置１は、ユーザから仮想世界内の物体の位置の修正要求があると、図２の処理フローに示すように、先ず最初に、ステップ１で、ユーザと対話することで、位置を修正する物体（以下、変更形状と記述する）を選択する。この選択処理は、例えば、ユーザに対して、ディスプレイ画面に表示している仮想世界内の物体の１つをマウスでクリッピングさせることで実行するものであって、図５に示すように、例えば、仮想世界内の「テーブル」が選択されるときには、その「テーブル」が変更形状として選択された旨を顕示する表示構成を採る。
【００２７】
続いて、ステップ２で、ユーザと対話することで、変更形状の移動方向を選択する。本発明では、図１で説明したように、この移動方向の指定の仕方として、右側、左側、上方、下方、前方というような人間の感覚に合った方法を採ることを特徴とするものであり、この方向の基準として、視線方向や重力方向や仮想世界の世界座標系等を用いる。
【００２８】
例えば、視線方向、すなわち、ディスプレイ画面に直交する方向を基準とする場合には、例えば、図６に示すように、視線の右側（ディスプレイ画面の右側）を右側、視線の左側（ディスプレイ画面の左側）を左側、視線の上方（ディスプレイ画面の上方）を上方、視線の下方（ディスプレイ画面の下方）を下方、視線の方向（ディスプレイ画面の奥行き方向）を前方、視線の反対方向（ディスプレイ画面の手前方向）を後方というように方向を定義する。
【００２９】
また、重力方向を基準とする場合には、例えば、重力方向を下方、重力の反対方向を上方、重力方向の右側を右側、重力方向の左側を左側、重力に直交するディスプレイ画面の奥に向かう方向を前方、重力に直交するディスプレイ画面の手前に向かう方向を後方というように方向を定義する。
【００３０】
また、仮想世界の世界座標系を基準とする場合には、例えば、世界座標系のＸ軸の正方向を右側、負方向を左側、世界座標系のＹ軸の正方向を上方、負方向を下方、世界座標系のＺ軸の正方向を前方、負方向を後方というように方向を定義する。
【００３１】
この方向定義に従い、ステップ２では、例えば、ディスプレイ画面に方向名の一覧を表示する構成を採って、ユーザに対して、その中の１つをマウスでクリッピングさせることで、変更形状の移動方向を選択する構成を採るものであり、例えば、図５で変更形状として選択した「テーブル」を左側に移動させるときには、図７に示すように、ユーザに対して、左側という方向を選択させることになる。
【００３２】
ステップ１で変更形状を選択し、ステップ２で変更方向を選択すると、続いて、ステップ３で、変更形状の結合先となる多面体（以下、目標多面体と記述する）を決定する。
【００３３】
この決定処理は、変更形状から変更方向に向かう直線上の物体の内の最も近いものを特定し、その物体（以下、目標形状と記述する）の持つ全ての多面体と交差計算を行うことで、目標形状の持つ多面体の内で変更形状に最も近いものを特定することで行う。
【００３４】
例えば、図８（ａ）に示すように、ステップ１で「テーブル」を変更形状として選択し、ステップ２で「左側」を変更方向として選択するときには、その「テーブル」から左側に位置して、その「テーブル」に最も近い物体（目標形状）として「壁」が存在するので、図８（ｂ）に示すように、その「壁」の持つ多面体の内、「テーブル」に最も近いものとなる右側面を目標多面体として決定するのである。
【００３５】
続いて、ステップ４で、目標多面体の結合先となる変更形状の持つ多面体（以下、変更多面体と記述する）を決定する。
この決定処理は、変更形状の持つ多面体の内、目標多面体に最も近いものを特定することで行うことになるが、最も近い多面体が複数存在するときには、その内の目標多面体に最も平行なものを特定することで行う。すなわち、変更形状が目標多面体に最も近い複数の多面体を持つ場合には、それらの多面体群と目標多面体とのなす角度を計算し、その角度の最も小さい多面体を変更多面体として決定するのである。
【００３６】
例えば、図９（ａ）に示すように、ステップ１で「テーブル」を変更形状として選択し、ステップ３で「壁の右側面」を目標多面体として決定するときには、図９（ｂ）に示すように、その「テーブル」の持つ多面体の内、その「壁の右側面」に最も近いものとなる「テーブル」の台の左側面を変更多面体として決定するのである。
【００３７】
ステップ３で目標多面体を決定し、ステップ４で変更多面体を決定すると、続いて、ステップ５で、この２つの多面体を結合する。
図３に示す処理フローが、このステップ５の処理の詳細な処理フローである。この図３の処理フローに示すように、ステップ５に入ると、先ず最初に、目標多面体のローカル座標系を決定し、続いて、変更多面体のローカル座標系を決定する。これらの決定処理は、多面体の第１頂点を原点として設定して、第１頂点から第２頂点の方向をｘ軸と決定し、原点と多面体法線からｙ軸を決定し、ｘ軸とｙ軸の外積よりｚ軸を決定することで行う。
【００３８】
続いて、目標多面体のローカル座標系の全軸に変更多面体のローカル座標系の軸が一致するようにと、変更多面体を回転させる。続いて、目標多面体のローカル座標系の原点に変更多面体のローカル座標系の原点が一致するようにと、変更多面体を移動させる。ここで、この２つの処理の順序を逆にすることも可能である。そして、最後に、この回転・移動の変換行列を変更形状全体に施すことで、目標多面体と変更多面体との結合、すなわち、目標形状と変更形状との結合を実現する。
【００３９】
すなわち、このステップ５では、先ず最初に、図１０（ａ）に示すように、目標多面体及び変更多面体のローカル座標系を決定し、続いて、図１０（ｂ）に示すように、目標多面体のローカル座標系の全軸に変更多面体のローカル座標系の軸が一致するようにと変更多面体を回転させ、続いて、図１０（ｃ）に示すように、目標多面体のローカル座標系の原点に変更多面体のローカル座標系の原点が一致するようにと変更多面体を移動させることで、目標多面体と変更多面体とを結合するのである。
【００４０】
この回転や移動は、具体的には変換行列を作成することで行う。すなわち、Ｘ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４１】
【数１】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｘ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換される。
【００４３】
また、Ｙ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４４】
【数２】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｙ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換される。
【００４６】
また、Ｚ軸を回転軸とするθ回転の変換行列は、
【００４７】
【数３】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｒｚ〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換されるので、これらの変換行列を合成することで、目標多面体と変更多面体のローカル座標系の軸が一致することになる変更多面体の回転処理を実現するのである。
【００４９】
そして、Ｘ軸方向への移動量がＴｘ で、Ｙ軸方向への移動量がＴｙ で、Ｚ軸方向の移動量がＴｚ である移動の変換行列は、
【００５０】
【数４】
と表され、この変換行列を使って、変換前の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、
〔ｘ’，ｙ’，ｚ’，１〕＝〔ｘ，ｙ，ｚ，１〕〔Ｔｔ 〕
の変換式に従って変換後の座標（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換されるので、この変換行列を使って、目標多面体と変更多面体のローカル座標系の原点が一致することになる変更多面体の移動処理を実現するのである。
【００５２】
このようにしてステップ５で、目標多面体と変更多面体とを結合すると、続いて、ステップ６（図２の処理フロー）で、ユーザから目標形状と変更形状の位置関係の会話修正要求があるのか否かを判断して、会話修正要求がないことを判断するときには、そのまま処理を終了し、会話修正要求があることを判断するときには、ステップ７に進んで、マウスを使って指示されるユーザからの位置関係指示操作に応答して、目標多面体と変更多面体との結合関係を拘束条件としつつ、目標形状と変更形状の位置関係を修正する。
【００５３】
図４に示す処理フローが、このステップ７の処理の詳細な処理フローである。この図４の処理フローに示すように、ステップ７に入ると、会話修正要求が移動モードに係るものであるのか、回転モードに係るものであるのか判断して、移動モードに係るものであることを判断するときには、ユーザの操作するマウス移動量を結合面の座標軸成分に分離する。例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、ユーザの操作するマウス移動量をＸ軸成分とＺ軸成分とに分離する。一方、会話修正要求が回転モードに係るものであることを判断するときには、ユーザの操作するマウス移動量を結合面に直交する座標軸成分に分離する。例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、ユーザの操作するマウス移動量をＹ軸成分に分離する。
【００５４】
続いて、分離した座標軸成分に従って、目標多面体と変更多面体との結合関係を拘束条件としつつ、目標形状と変更形状の位置関係を修正する。会話修正要求が移動モードに係るものであるときに、例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、図１１（ａ）に示すように、分離したＸ軸成分とＺ軸成分とに従って変更多面体を結合面上で移動し、また、会話修正要求が回転モードに係るものであるときに、例えば、目標多面体と変更多面体とがＸーＺ面で結合しているときには、図１１（ｂ）に示すように、分離したＹ軸成分に従って変更多面体をＹ軸を回転軸にして回転する。
【００５５】
そして、最後に、ステップ５で合成した変換行列と、この会話修正要求を実現するために求めた変換行列とをマトリクス演算することで新たな変換行列を求めて、それを変更形状全体に施すことで、目標形状と変更形状の位置関係を修正するのである。
【００５６】
この図４の処理フローでは、変更多面体が目標多面体との結合面上を移動・回転するという拘束条件を示したが、この拘束条件を目標形状と変更形状とが離れないというものに広げることも可能である。例えば、会話修正要求に応答して、図１２（ａ）に示すように、結合面を構成するＺ軸上で変更形状を移動させたり、図１２（ｂ）に示すように、結合面を構成するＺ軸を回転軸として変更形状を回転させたりする構成を採ることも可能なのである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ユーザは、マウス等の移動量を使わず、しかも、物体同士の重なり具合を視覚的に観察することもなく、ただ単に、「何をどの方向へ」というように指定するだけで、仮想世界内の２つの物体を結合できるようになることから、この２つの物体を簡単かつ正確に結合できるようになる。しかも、この結合処理を、三面図等を用いず透視図を使って実行できることから、表示画面の選択等のような位置決定に関係のないアクションを省くことができることになって、効率的に実行できるようになる。
【００５８】
そして、結合後の２つの物体の位置関係を修正する場合には、結合された２つの物体が離れないようにという拘束条件を課しつつ、ユーザと対話することでその位置関係を修正するので、ユーザは、マウス等の操作によりどのように位置関係が修正されるのかを把握しつつ、その位置関係を修正できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成図である。
【図２】本発明を具備する三次元画像処理装置の実行する処理フローの一実施例である。
【図３】ステップ５の処理の詳細な処理フローである。
【図４】ステップ７の処理の詳細な処理フローである。
【図５】変更形状の選択処理の説明図である。
【図６】方向定義の一例である。
【図７】変更方向の選択処理の説明図である。
【図８】目標多面体の決定処理の説明図である。
【図９】変更多面体の決定処理の説明図である。
【図１０】多面体結合処理の説明図である。
【図１１】物体位置の修正処理の説明図である。
【図１２】物体位置の修正処理の説明図である。
【図１３】従来技術の説明図である。
【図１４】従来技術の問題点の説明図である。
【符号の説明】
１ 三次元画像処理装置
２ 端末
１０ 管理手段
１１ 生成手段
１２ 物体選択手段
１３ 方向選択手段
１４ 特定手段
１５ 結合手段
１６ 修正手段
Claims (7)
- コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置において、
対話処理に従って、仮想世界内の物体の１つを選択する物体選択手段と、
対話処理に従って、選択対象となる複数の方向の内の１つを選択する方向選択手段と、
上記物体選択手段の選択した物体と、上記方向選択手段の選択した方向とから、仮想世界内の別の物体を特定して、それが持つ多面体の内の１つを特定する特定手段と、
上記物体選択手段の選択した物体の持つ多面体である変更多面体のローカル座標を決定するとともに、上記特定手段の特定した多面体である目標多面体のローカル座標を決定して、該目標多面体のローカル座標の全軸に該変更多面体のローカル座標の軸が一致するようにと該変更多面体を回転させ、さらに、該目標多面体のローカル座標の原点に該変更多面体のローカル座標の原点が一致するようにと該変更多面体を移動させることによって、該変更多面体と該目標多面体とを結合する結合手段とを備えることを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - コンピュータグラフィックスにより仮想世界を現出する三次元画像処理装置において、
対話処理に従って、仮想世界内の物体の１つを選択する物体選択手段と、
対話処理に従って、選択対象となる複数の方向の内の１つを選択する方向選択手段と、
上記物体選択手段の選択した物体と、上記方向選択手段の選択した方向とから、仮想世界内の別の物体を特定して、それが持つ多面体の内の１つを特定する特定手段と、
上記物体選択手段の選択した物体の持つ多面体の内、上記特定手段の特定した多面体に最も近く更にその中で上記特定手段の特定した多面体に最も平行なものを結合対象として設定して、その設定した多面体と、上記特定手段の特定した多面体とを結合する結合手段とを備えることを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - 請求項１又は２記載の三次元画像処理装置において、
対話処理に従って、上記結合手段により結合される２つの物体が離れないようにしつつ、その位置関係を修正する修正手段を備えることを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - 請求項１、２又は３記載の三次元画像処理装置において、
上記方向選択手段は、視線方向から規定される方向を選択対象として用いるよう処理することを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - 請求項１、２又は３記載の三次元画像処理装置において、
上記方向選択手段は、重力方向から規定される方向を選択対象として用いるよう処理することを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - 請求項１、２又は３記載の三次元画像処理装置において、
上記方向選択手段は、仮想世界の世界座標系から規定される方向を選択対象として用いるよう処理することを、
特徴とする三次元画像処理装置。 - 請求項１、２、３、４、５又は６記載の三次元画像処理装置において、
上記特定手段は、上記物体選択手段の選択した物体から上記方向選択手段の選択した方向にある最も近い物体を特定して、それが持つ多面体の内、上記物体選択手段の選択した物体に最も近いものを特定していくよう処理することを、
特徴とする三次元画像処理装置。
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