JP3559913B2 - 三次元形状モデル変形方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、表示装置に二次元的に表示された三次元の形状モデルに変形を施し、変形後の形状モデルを逐次表示する三次元形状モデル変形装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、計算機の高速化に伴い、三次元の形状モデルを変形して瞬時に表示することが可能となり、三次元の形状モデルをオペレータが対話的に操作して変形後の形状モデルを再表示するような機能が要求されている。従って、オペレータの思考を妨げることなく、三次元の形状モデルを変形するための操作方法が必要である。
【０００３】
従来、精密な変形を行うためのシステムとしては、形状モデルを記述している数式のパラメータを変更したり、ある特徴点（点ではその点自身，直線ではその端点，面ではその頂点）をどの方向にどの程度だけ移動する等を実現するためにコマンドを入力するものがある。
【０００４】
また、コマンド入力以外の手法としては、画面上の操作にて変形を行うシステムも知られている。このシステムには、三次元の形状モデルを三面図にて表現して画面上で変形操作を行うシステムと、二次元の画面上に三次元の形状モデルを斜視図のように疑似表示して画面上で変形操作を行うシステムとが存在する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
コマンド入力による変形操作手法では、かなりの数のコマンドを覚えなければならない、また変形操作後の結果を予測することが困難であるという問題がある。また、三面図にて表現した上での変形操作でも、三面図に慣れていないと変形操作後の結果を予測することは困難である。更に、疑似三次元表示上での変形操作では、変形の方向（特に奥行き方向）を特定する場合に特別な操作及び熟練性を必要とするという問題がある。
【０００６】
従来の何れの手法においても、細かい特殊な変形をも含んだ変形操作では、コマンドの種類及びモードの切り換えが増えるので、その操作は煩雑でありしかも分かりにくいものとなっている。この結果として、このような手法に熟練するためには相当の時間を要し、一般ユーザにはほとんど使えないのが現状である。
【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、細かい特殊な変形機能は削除して簡単な変形操作のみに限定することにより、極めて容易に変形操作を行うことができ、一般ユーザでも熟練を必要とせずに簡易に三次元の形状モデルの変形を行うことができる三次元形状モデル変形方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１における三次元形状モデル変形方法は、角柱、角錐及び球の組み合わせにて表現された形状モデルの幾何学的性質を失わせない変形のみを行う変形パターンを示す変形規則を予め格納しておき、この変形規則を参照して、入力指示される変形が可能か否かを判断し、変形可能である場合にはその変形パターンを解析することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項２における三次元形状モデル変形方法は、請求項１において、複数種の三次元の形状モデルのデータを蓄えておき、蓄えられた形状モデルのデータから所定の変形可能基準に従って変形規則を生成することを特徴とする。
【００１０】
図１は本発明の請求項３における原理図である。請求項３記載の三次元形状モデル変形装置は、三次元の形状モデルを表示する表示手段１と、形状モデルの変形部分と変形方向及び変形量とを指示入力する入力手段２と、入力手段２からの入力に応じて形状モデルを変形する変形手段３と、形状モデルのデータと形状モデルの変形時における変更規則とを記憶する記憶手段４と、記憶手段４の記憶内容を参照して、入力手段２から指示された変形が可能か否かを判断し、変形可能である場合にはその変形パターンを解析する変形解析手段５とを備えている。
【００１１】
図２は本発明の請求項４における原理図である。請求項４記載の三次元形状モデル変形装置は、請求項３の三次元形状モデル変形装置と同様の表示手段１，入力手段２，変形手段３，記憶手段４及び変形解析手段５と、複数種の三次元の形状モデルのデータを蓄えておく形状モデル記憶手段６と、形状モデル記憶手段６に蓄えられた形状モデルのデータから変形規則を生成する変形規則生成手段７とを備えている。
【００１２】
本発明の請求項５における三次元形状モデル変形装置は、図２の変形規則生成手段７が、三次元の形状モデルが角錐であるか角柱であるか球であるかを判断し、かつ、どの面が底面であるかを判別し、それぞれの点，線及び面に対して変形可能なパターンを決定するように構成されている。
【００１３】
【作用】
請求項１記載の三次元形状モデル変形方法では、表示した三次元の形状モデルに対する変形パターンを示す変形データが入力された際に、予め格納しておいた変形規則を参照して、この変形データ入力による変形が可能か否かを判断し、変形可能である場合にはその変形パターンを解析する。よって、変形操作の数が減少して、一般ユーザが容易に三次元の形状モデルの変形を行える。また、変形処理によって幾何学的性質は失わないように変換規則を規定する。複雑な変形処理は行えないように変形規則を限定するので、熟練を必要とせずに誰でも容易に変形処理を行える。
【００１４】
請求項２記載の三次元形状モデル変形方法では、独自に変形規則を作成するので、種々の形状モデルに対応できる。
【００１５】
請求項３記載の三次元形状モデル変形装置では、図１において、表示手段１に表示された三次元の形状モデルに対して、その変形部分と変形方向及び変形量とを入力手段２にて変形手段３に指示入力する。変形手段３は入力されたこれらの変形データを変形解析手段５へ出力する。変形解析手段５は、記憶手段４に記憶された変形規則を参照して、変形手段３に入力された指示内容の変形が可能か否かを判断し、その判断結果と、可能な場合にはその変形規則とを変形手段３へ出力する。変形手段３は、記憶手段４に記憶された現在の形状モデルのデータを参照して、入力手段２からの指示と変形解析手段５からの変形規則とに基づいて変形を行い、変形処理後の形状モデルのデータを表示手段１へ出力する。表示手段１はこの変形された形状モデルを表示する。
【００１６】
請求項４記載の三次元形状モデル変形装置の原理図である図２において、図１と同番号を付した部分は同一の作用をなす。請求項４記載の三次元形状モデル変形装置では、記憶手段４に記憶する変形規則を自動的に作成する。形状モデル記憶手段６は、複数種の三次元の形状モデルの点・線・面データのみを蓄えており、変形規則生成手段７は、形状モデル記憶手段６に蓄えられた点・線・面データを解析してこれらに対する変形可能な変形規則を作成し、その作成した変形規則を記憶手段４へ出力する。この三次元形状モデル変形装置では、独自に変形規則を作成するので、種々の形状モデルに対応できる。
【００１７】
請求項５記載の三次元形状モデル変形装置では、請求項４において変形規則を生成する際に、まず、三次元の形状モデルが角錐であるか角柱であるか球であるかを判断した後、どの面が底面であるかを判別し、決定された形状の性質に応じて変形規則を生成する。よって、形状モデルに合った変形規則を迅速に生成できる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００１９】
（実施例１）
図３は、本発明の実施例１による三次元形状モデル変形装置の構成を示す模式図である。図において１１は三次元の形状モデルを二次元の画面上にカラー表示するディスプレイ装置である。また、１３は三次元の形状モデルの図形データを解析し、二次元表示の図形データに直してディスプレイ装置１１に出力する表示部である。ディスプレイ装置１１上で形状モデルの変形部分を指示したり、その変形方向， 変形量等を指定するマウス１２がディスプレイ装置１１に接続されており、マウス１２の指示データは入力解析部１４に出力される。入力解析部１４は、マウス１２の位置が形状モデルのどの部分を指しているかを判断し、その判断結果を変形部１５へ出力する。
【００２０】
また、１６は変形規則付き形状モデル記憶部であり、三次元の形状モデルの点・線・面データと、それらの点・線・面に対してどのような変形を許すかという変形規則とを格納している。１７は変形規則解析部であり、変形規則付き形状モデル記憶部１６の記憶内容に基づいて、変形部１５への変形指示入力により指示された点・線・面が変更可能であるか否かを判断する。そして、変形規則解析部１７は、変形不可能である場合にはその旨を変形部１５へ出力し、変形可能である場合にはどの方向にどのような変形が可能であるかを解析してその解析結果を変形部１５へ出力する。
【００２１】
変形部１５は、変形可能である場合には、入力解析部１４からの指示入力と変形規則解析部１７からの認識結果とに基づいて実際に変形処理を施し、変形規則付き形状モデル記憶部１６における三次元の形状モデルの点・線・面データを更新する。また、その更新した結果を表示部１３へ出力する。表示部１３は、この更新結果に応じて変形後の形状モデルをディスプレイ装置１１に表示させる。
【００２２】
次に、動作について説明する。三次元の形状モデルが表示されたディスプレイ装置１１上のマウスカーソルをマウス１２にて移動させると、入力解析部１４は、マウスカーソルが三次元の形状モデルのどの構成部分（具体的には点，線，面の何れか）を指し示しているかを判断し、指示されている構成部分が変形部１５に入力される。指示されている構成部分が変形可能であるか否かを調べるために、その構成部分が変形部１５から変形規則解析部１７に入力される。変形規則解析部１７では、、変形規則付き形状モデル記憶部１６の記憶内容を参照して、指示された構成部分が変形可能であるか否かを判断し、その判断結果を変形部１５へ出力する。変形部１５は、その判断結果と構成部分とを表示部１３へ出力する。表示部１３は、判断結果が変形可能である場合に、その構成部分を他の部分とは色分けしてディスプレイ装置１１に表示する。
【００２３】
そして、ディスプレイ装置１１において色分け表示されている構成部分上で、マウス１２をドラッグ（ボタンを押しながら移動する）すると、入力解析部１４は、マウスカーソルが指し示している色分け表示された構成部分がどれであるかを判断し、その構成部分とドラッグの始点・終点の座標とを変形部１５へ出力する。変形部１５は入力された構成部分を変形規則解析部１７へ出力する。変形規則解析部１７では、変形規則付き形状モデル記憶部１６の記憶内容を参照して、指定された構成部分がどの方向にどのように変形できるかを解析し、その解析結果を変形部１５へ出力する。変形部１５は、変形規則付き形状モデル記憶部１６に記憶された現在の形状モデルのデータを参照し、変形規則解析部１７から入力された変形規則と入力解析部１４からのドラッグの始点・終点の座標との情報に基づいて、変形を行い、その変形結果を変形規則付き形状モデル記憶部１６に出力して形状モデルの記憶データを更新すると共に、その変形結果を表示部１３へも出力する。表示部１３は、変形された形状モデルをディスプレイ装置１１に表示する。ここで、ドラッグの始点・終点のサンプリングは極めて短時間の周期にて繰り返すので、マウス１２の移動に連動して変形されていく形状モデルが、ほとんどリアルタイムでディスプレイ装置１１に表示される。
【００２４】
次に、変形規則付き形状モデル記憶部１６に記憶されている変形規則の詳細について説明する。本発明の三次元形状モデル変形装置では、変形規則付き形状モデル記憶部１６に記憶される変換規則を以下のように規定する。すべての三次元の形状モデルは角柱，角錐及び球の組み合わせにて表現する。また、それぞれの図形は、変換処理によって幾何学的性質は失わないようにする。例えば、四角柱は変形操作によって、四角柱という幾何学的性質は失われず、五角柱または四角錐等にはならないようにする。幾何学的性質を維持するために、角柱，角錐については、底面の変形及び高さの変更のみが可能であり、球については、一直径方向への圧縮のみを可能とする。
【００２５】
図４は、変形規則付き形状モデルの一実施例を示している。以下、図４及び変形例を示す図５〜図１６を参照して、変形可能及び変形不可能な具体例について説明する。
【００２６】
図中Ａ１は三次元の形状モデルの点を表現するデータ形式であり、点の数だけの要素を持ったリストからなり、各点を示す要素は座標Ａ２と基準要素Ａ３とへのポインタを有する。Ａ２は各点の位置を示す三次元座標であり、ｘ，ｙ，ｚの三要素で構成されている。また、Ａ３は各点の変形基準要素を示している。
【００２７】
球の極点の場合には、これに対応するフィールドＡ３には他方の極点が記述されており、極点同士を結んだ線分を伸縮するような変形が可能である（図５参照）。極点以外の球の構成点は変形不可であり、これに対応するフィールドＡ３には何も記述されていない。
【００２８】
角錐の頂点の場合には、これに対応するフィールドＡ３には底面の面番号が記述される。頂点は底面の法線ベクトル方向への変形のみが可能であり、角錐の高さが変更される（図６参照）。角錐または角柱の底面を構成する点の場合には、これに対応するフィールドＡ３には底面においてこの点を通る二辺の線が記述される。そして、角錐の場合、この二つの線の何れかの方向に沿った変形が行われる（図７参照）。角柱の場合も同様に、この二つの線の何れかの方向に沿った変形が行われるが、この際他方の底面における対応点も同じ変形が行われる（図８参照）。
【００２９】
図４のＢ１は三次元の形状モデルの線を表現するデータ形式であり、線の数だけの要素を持ったリストからなり、各線を示す要素は端点Ｂ２と基準要素Ｂ３とへのポインタを有する。Ｂ２は各線の端点を示し両端の点の点番号で構成されている。また、Ｂ３は各線の変形基準要素を示している。
【００３０】
球の場合には、これを構成するすべての線が変形不可であり、対応するフィールドＢ３には何も記述されていない。また、角錐の頂点と底面の一点とを結ぶ線も変形不可であって何も記述されていない。
【００３１】
角柱の底面同士を結ぶ線の場合には、その線の何れかの端点を通る底面を構成する二辺の線が対応するフィールドＢ３に記述され、その端点の変形と同じ変形が可能である（図９参照）。角錐または角柱の底面を構成する線の場合には、底面においてその線と交わる二辺の線が対応するフィールドＢ３に記述される。角錐の場合、線は底面と同一平面上を移動して水平方向に変形され、前記二辺の線を伸ばした（または縮めた）ときの二交点間の長さにその線は変更される（図１０参照）。角柱の場合も同様に、底面と同一平面上で変形が行われるが、この際他方の底面においても同じ変形が行われる（図１１参照）。
【００３２】
図４のＣ１は三次元の形状モデルの面を表現するデータ形式であり、面の数だけの要素を持ったリストからなり、各点を示す要素は構成点Ｃ２と基準要素Ｃ３とへのポインタを有する。Ｃ２は各面の構成点を示し各面を構成する点の点番号の列で構成されている。また、Ｃ３は各面の変形基準要素を示している。
【００３３】
球の場合には、これを構成するすべての面が変形不可であり、対応するフィールドＣ３には何も記述されていない。また、角錐の側面も変形不可であって何も記述されていない。
【００３４】
角錐または角柱の底面の場合には、その底面自体が対応するフィールドＣ３に記述される。底面はその法線ベクトル方向への変形が可能であり、角錐または角柱の高さが変更される（図１２，図１３参照）。また、角柱の側面の場合には、その側面と底面との交線の底面において交わる二辺の線が対応するフィールドＣ３に記述され、その交線と同じ変形が可能である（図１４参照）。
【００３５】
図４のＤ１は角錐と角柱とにのみ存在し、それぞれ頂点から底面，一方の底面から他方の底面に垂直に下ろした線を表現するデータ形式であり、このデータは端点Ｄ２と基準面Ｄ３とへのポインタを有する。Ｄ２は軸の端点であり、角錐の場合は頂点が、角柱の場合は一方の底面が記述されている。また、Ｄ３は軸の基準面であり、角錐の場合は底面が、角柱の場合はフィールドＤ２に記述されていない他方の底面が記述されている。
【００３６】
軸は、移動しない基準面に平行に移動した変形が可能であり、軸の移動に連動して端点も同じ変形が行われる（図１５，図１６参照）。
【００３７】
（実施例２）
図１７は、本発明の実施例２による三次元形状モデル変形装置の構成を示す模式図である。図１７において図３と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図１７に示す実施例２の構成は、図３に示す構成部材に加えて、三次元の形状モデルの点・線・面データのみを格納する形状モデル記憶部１８と、形状モデル記憶部１８内の点・線・面データを解析して変形規則を生成し、それを変形規則付き形状モデル記憶部１６に格納する変形規則生成部１９とを更に備えている。
【００３８】
次に、動作について説明する。表示部１３がディスプレイ装置１１に三次元の形状モデルを表示する際に、初めて形状モデル記憶部１８の三次元の形状モデルのデータにアクセスすると、変形規則生成部１９にて、形状モデル記憶部１８のアクセスされたデータに基づいて、変形規則が生成され、形状モデルのデータと生成した変形規則とが変形規則付き形状モデル記憶部１６に出力されてその内部に格納される。なお、その後の変形処理における動作は、上述した実施例１と同じであるので、説明は省略する。
【００３９】
次に、この実施例２の変形規則生成部１９における変形規則の生成方法について、その手順を示す図１８のフローチャートを参照して説明する。まず、対象の三次元の形状モデルのデータの中から平行でしかも長さが等しい線が３本以上存在するか否かを判断する（ステップＳ１）。３本以上存在する場合には、角柱であると決定し（ステップＳ３）、これらの平行かつ等長の３本以上の線を含まない面を底面として（ステップＳ４）、ステップＳ９に進む。３本以上存在しない場合には、３本だけの線の端点となっている点が存在するか否かを判断する（ステップＳ２）。そのような点が存在する場合には、角錐であると決定し（ステップＳ５）、面上のすべての点が３本だけの線の端点である面を底面として（ステップＳ６）、ステップＳ９に進む。ステップＳ２で所望の点が存在しない場合には、球であると決定し（ステップＳ７）、５本以上の線の端点となる点を極点として（ステップＳ８）、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、以上のようにして決定された形状データ（点・線・面の種類も含む）に応じて、上述した図４に示すような変形規則を生成する。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、三次元の形状モデルに対する変形処理において変形可能か変形不可能かを示す変形規則を内蔵し、変形可能な処理を限定したので、変形操作の数を減らして簡易なインターフェースを実現できる。そして、複雑は変形操作は不要であるので、操作に熟練を必要とせず、一般のユーザも極めて容易に三次元の形状モデルの変形処理を行うことができる。また、変形処理後の三次元の形状モデルを即時に表示するので、ユーザに直観的にわかりやすく変形処理後の形状モデルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項３記載の三次元形状モデル変形装置の原理説明図である。
【図２】本発明の請求項４記載の三次元形状モデル変形装置の原理説明図である。
【図３】本発明の実施例１の三次元形状モデル変形装置の構成図である。
【図４】本発明の三次元形状モデル変形装置における変形規則付き形状モデルのデータ構成図である。
【図５】本発明の三次元形状モデル変形装置における変形例（球の変形）を示す斜視図である。
【図６】本発明の三次元形状モデル変形装置における他の変形例（頂点による角錐の変形）を示す斜視図である。
【図７】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面を構成する点による角錐の変形）を示す斜視図である。
【図８】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面を構成する点による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図９】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面と底面とを結ぶ線による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図１０】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面を構成する線による角錐の変形）を示す斜視図である。
【図１１】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面を構成する線による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図１２】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面による角錐の変形）を示す斜視図である。
【図１３】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（底面による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図１４】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（側面による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図１５】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（軸による角錐の変形）を示す斜視図である。
【図１６】本発明の三次元形状モデル変形装置における更に他の変形例（軸による角柱の変形）を示す斜視図である。
【図１７】本発明の実施例２の三次元形状モデル変形装置の構成図である。
【図１８】本発明の実施例２の三次元形状モデル変形装置における変形規則作成の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 表示手段
２ 入力手段
３ 変形手段
４ 記憶手段
５ 変形解析手段
６ 形状モデル記憶手段
７ 変形規則生成手段
１１ ディスプレイ装置
１２ マウス
１３ 表示部
１４ 入力解析部
１５ 変形部
１６ 変形規則付き形状モデル記憶部
１７ 変形規則解析部
１８ 形状モデル記憶部
１９ 変形規則生成部

Claims (5)

1. 三次元の形状モデルを表示し、表示された形状モデルに対する変形パターンを示す変形データを入力し、入力した変形データに基づいて形状モデルを変形する三次元形状モデル変形方法において、角柱、角錐及び球の組み合わせにて表現された形状モデルの幾何学的性質を失わせない変形のみを行う変形パターンを示す変形規則を予め格納しておき、該変形規則を参照して、入力された変形データによる変形が可能か否かを判断し、変形可能である場合にはその変形パターンを解析することを特徴とする三次元形状モデル変形方法。
2. 複数種の三次元の形状モデルのデータを蓄えておき、蓄えられた形状モデルのデータから所定の変形可能基準に従って変形規則を生成することを特徴とする請求項１記載の三次元形状モデル変形方法。
3. 三次元の形状モデルを表示する表示手段と、表示された形状モデルに対する変形パターンを示す変形データを入力する入力手段と、入力された変形データに基づいて形状モデルを変形する変形手段とを備えた三次元形状モデル変形装置において、形状モデルのデータと、角柱、角錐及び球の組み合わせにて表現された形状モデルの幾何学的性質を失わせない変形のみを行う変形パターンを示す変形規則とを記憶する記憶手段と、該記憶手段の記憶内容を参照して、前記入力手段にて入力された変形データによる変形が可能か否かを判断し、変形可能である場合にはその変形パターンを解析する変形解析手段とを備えることを特徴とする三次元形状モデル変形装置。
4. 複数種の三次元の形状モデルのデータを蓄えておく形状モデル記憶手段と、該形状モデル記憶手段に蓄えられた形状モデルのデータから所定の変形可能基準に従って変形規則を生成する生成手段とを更に備えることを特徴とする請求項３記載の三次元形状モデル変形装置。
5. 前記生成手段は、三次元の形状モデルが角錐であるか角柱であるか球であるかを判断する手段と、どの面が底面であるかを判別する手段と、それぞれの点，線及び面に対する可能な変形パターンを変形規則として決定する手段とを有することを特徴とする請求項４記載の三次元形状モデル変形装置。

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