JP3853477B2 - 多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法 - Google Patents
多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータグラフィックスの分野における三次元モデルの表示装置とその表示方法に係り、特に多数の物を表面に配置した三次元地形モデルを写実的に、かつ、少ないデータ量によって表示する簡易表示装置及びその簡易表示方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近は、コンピュータグラフィックスの技術の発達に伴い、表面に同一または類似の物を多数配置した三次元地形モデルをコンピュータの画像として表示したり、それを使って種々の処理を行うことが要求されるようになった。このような表面に同一または類似の物を多数配置した三次元地形モデルとしては、多数の樹木が生えている山野、数多くの建物が散開して建てられている土地（場所）、多数の観客が入ったスタジアム等がある。
【０００３】
なお、以下本明細書でいう「三次元地形モデル」は、「地形」はもちろん、たとえばスタジアムのような「場所」を含む三次元モデルをいうものとする。また、この三次元地形モデル上に配置される「物」は、草木、建物、人間を含む「物体」の意味で使用する。
【０００４】
上記表面に多数の物を配置した三次元地形モデルは、写実的かつ立体的な画像にしようとすると、処理すべき情報量の多さから一般に技術的に困難なものになる。写実的な画像を表示する一つの方法としては、三次元地形モデルの表面上に、配置される物の写真を貼付する方法である。この写真を貼り付ける方法は、テクスチャーマッピングと呼ばれ、その物の写実的な画像を表示することができる。
【０００５】
三次元地形モデルで使用されていた従来のテクスチャマッピングの方法は、三次元地形モデルの表面に多数の三角形のパッチからなるメッシュを設定し、それらのパッチにその対応する部分の写真を貼り付ける方法であった。
【０００６】
しかし、この方法は、三次元地形モデルの表面に平らな写真を貼り付けるので、三次元地形そのものはコンピュータ上の三次元座標系に立体的に構築されているが、その表面の物の画像は平面的な写真に過ぎない。このため、この方法によって作られた三次元地形モデルは、見る角度の変化に応じて表面の物を立体的に見せることができなかった。なおここで、本明細書で「立体的に見せる」というのは、単に立体的に表現されていることではなく、見る角度によって物体の異なる側面が見えたり、その物体の後方にある別の物体が重なって見えたりすることをいう。
【０００７】
したがって、上記テクスチャマッピングの方法による三次元地形モデルは、自由に見る者の視点の位置を変えることができず、遠景など見る角度があまり変化しないものにのみ利用されていた。
【０００８】
このテクスチャーマッピングの方法に対して、山など表面に樹木が生えている三次元地形モデルについては、その表面の樹木の立体像を生成する方法が従来から種々提案されている。
【０００９】
その第一の方法は、推計モデルによる方法である。推計モデルによる方法は、フラクタルや乱数を用いて、枝の太さ、長さ、分岐の角度などを制御して樹木を発生させるものである。この方法では、樹木の一部分の形状を一定の倍率で拡大すると樹木全体の形状が出現する性質を利用し、相似的に枝を成長、分岐させて仮想的に樹木を生成する方法である。さらに最近では、生成した樹木の幹にバンプマッピングしたり、照度計算したり、陰影を付けたりして極めてリアルな樹木の画像を生成する方法が提案されている。
【００１０】
樹木の立体像を生成する第二の方法は、ルールモデルによる方法である。ルールモデルは、植物が生育する場所、気象条件、植物の種類等の植物の形態規則に基づいて理論的にかつ仮想的に植物を成長させる方法である。
【００１１】
樹木の立体像を生成する第三の方法は、印象派モデルと呼ばれているものである。この方法は、樹木の形状を２次曲面で近似し、その曲面上に数学的に生成した樹木のテクスチャパターンをマッピングする方法である。
【００１２】
これらの方法によれば、三次元地形モデルのみならず、その表面に生えている樹木を立体的なものとして設定することができる。このため、見る者の視点が移動するのに応じて、その角度から見た樹木の画像を表示することができる。また、複数の樹木が空間的に散開して生えている場合には、見る角度によって複数の樹木が重畳的に見える画像も表示することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の立体的な樹木を有する三次元モデルの表示方法では、処理すべき情報量が膨大であることと、必ずしも写実的な画像が得られないことの問題があった。
【００１４】
推計モデルとルールモデルによる方法は、上述の通り、コンピュータ上で樹木を仮想的に生成するものである。この場合に樹木の生成の理論と使用するデータが正しければ、現実に近い樹木の画像を生成することが可能である。また、幹の表面にテクスチャマッピングをしたり（推計モデル）、照度の計算や影付けを行ったりすることにより、リアルな画像を表示することができる。
【００１５】
しかし、推計モデルとルールモデルの方法によれば、上記樹木の生成理論のための膨大な樹木データベースが不可欠となる。また、リアルな画像を生成するためのデータも膨大なものとなる。従って、これらの方法を実行する情報処理装置は、必然的に大きな記憶容量と処理能力を必要としていた。
【００１６】
また、推計モデルとルールモデルによる方法では、樹木の一本一本についてその成長過程の各段階で樹木を生成させるためのアルゴリズムによる処理を繰り返さなければならなかった。このデータ処理には多大な時間と負荷がかかっていた。また、上記処理の結果生成された樹木は、ポリゴン（多角形）の形で表現されるおり、生成した樹木の画像のデータ量も膨大なものになっていた。
【００１７】
さらに、現実の樹木に近い画像を得るためには、推計モデルによる方法では希望する樹木の種類、形状を得るために試行錯誤を繰返さなければならなかった。一方、ルールモデルによる方法では、樹木の詳細な形態調査から始めなければならなかった。
【００１８】
また、印象派モデルは、数学的に生成した樹木のパターンをテクスチャとして使用するため、樹木の種類などの写実的な表現ができず、リアルな画像を得ることが困難であった。
【００１９】
樹木を生やした三次元地形モデルについての従来技術の課題は概略以上のようであるが、三次元建物が空間的に散開して建てられている三次元地形モデルや、スタジアムなどのように多数人がいる場所などについては、写実的かつ立体的な画像をコンピュータ上で簡単に表示する方法はなかった。
【００２０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、多数の物を表面に配置した三次元地形モデルを写実的に、立体的に、かつ、少ないデータ量と情報処理の負荷によって表示することができる簡易表示装置及びその簡易表示方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置は、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置は、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする。
【００２３】
本願発明は、前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する光効果設定手段をさらに有することができる。
【００２４】
前記光効果設定手段は、草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させることができるようにすることができる。
【００２５】
前記光効果設定手段は、光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定することができるようにすることができる。
【００３０】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法は、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする。
【００３１】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法は、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする。
【００３２】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法において、
光効果設定手段を用いて前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定するようにすることができる。
【００３３】
前記光効果設定手段を用いて草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させるようにすることができる。
【００３４】
前記光効果設定手段を用いて光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定するようにすることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による「多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」の実施の形態について説明する。
【００４０】
本発明による「多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」は、最上位概念的に言えば、三次元地形モデル上の物を配置すべき位置に透明な仮想面を設定し、その透明な仮想面上にその位置に配置される物の対応する面の写真画像を貼り付けるものである。
【００４１】
この方法によれば、立体物そのものを仮想的に生成する代わりに単純な形状の仮想面を設定し、これにテクスチャマッピングという比較的簡単な処理によって写真による画像を貼り付けるので、処理が簡単になり、取扱うデータ量も大幅に減少する。また、このようにしてコンピュータ上で作成された画像は、三次元地形モデルの表面に配置された物の写真による画像を表示するので、極めて写実的な画像を表示することができる。
【００４２】
本発明の方法を草木が生えた地形、建物がある街、多数の人間がいる場所に応用したのが以下に説明する「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」、「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」、「多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」である。
【００４３】
なお、本明細書で発明の名称等で「多数」としたのは、本発明がデータ量の低減等の面で最も効果を発揮するのが三次元地形モデル上に「多数」の物が配置されている場合だからである。しかし、後述する説明から明らかなように、本発明の装置と方法は、単数や少数の物が配置された三次元地形モデルの画像表示にそのまま使用することができるので、本発明の装置と方法によって単数や少数の物が配置された三次元地形モデルを画像表示する場合も含む。
【００４４】
最初に、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について説明する。図１は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置の構成とその構成要素間の処理の流れを示している。
【００４５】
図１に示すように、本実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１は、入力手段２と、仮想面設定手段３と、テクスチャマッピング手段４と、光効果設定手段５と、表示手段６とからなる。
【００４６】
入力手段２は、三次元地形をコンピュータの三次元空間内の三次元地形モデルとして取り入れる手段をいう。本実施形態の入力手段２は、三次元地形の等高線の輪郭と各等高線の高さのデータを入力し、これら等高線が表わす三次元地形をコンピュータの三次元座標系上の三次元地形モデルとして入力する。すなわち、スキャナー、キーボードなど単に入力するための手段の他、入力したデータを三次元モデルに処理するための処理手段も含む。無論実施の態様により、入力手段２は、既に三次元座標系の空間の点に変換された三次元地形モデルのデータ群を入力する手段であってもよい。また、後述するように、複数の角度から撮った航空写真を入力してそれらの撮影角度から三次元地形モデルとして入力する手段であってもよい。
【００４７】
仮想面設定手段３は、三次元地形モデル上の物が配置されるべき位置に透明な仮想面を設定する手段である。この透明な仮想面は、画像をテクスチャマッピングするためのものであって、透明にすることにより地の部分はコンピュータの画面表示上見えないようにすることができる。本実施形態の仮想面設定手段３は、三次元地形モデルの等高線に沿って一定の高さの垂直な仮想面と、等高線に沿って前記垂直な仮想面と直交する水平な仮想面とを設定する。垂直仮想面は一つの態様として等高線に沿った曲面とすることができる。このほかの態様として、垂直仮想面は全体としては等高線に沿いつつ、樹木ごとに円筒面の一部をなすようにすることができる。さらに、仮想面は垂直、水平に限られず、後述する建物の上面の仮想面のように、一定の傾斜を有するように設定することができる。
【００４８】
テクスチャマッピング手段４は、上記仮想面設定手段３によって設定された仮想面に画像を貼り付ける処理（この処理をテクスチャマッピングという）を行う手段である。本発明では、テクスチャマッピング手段４により、写真による画像をマッピングするようにするのが好ましい。
【００４９】
光効果設定手段５は、仮想面にマッピングした画像の透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する手段である。この光効果設定手段５は、画像に透明度、反射率、拡散率、輝度を設定することにより、三次元地形モデル上に近接して配置された物どうしの光の反射、光の透過、光源の位置による輝度の変化等、よりリアルな画像を表示するためのものである。
【００５０】
表示手段６は、コンピュータ上の三次元のモデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示するための手段である。この表示手段６は、上記画像を表示するものである限り、コンピュータの表示装置であることも可能であり、画像を紙に出力する出力装置であることも可能であり、ある視点位置から見た画像をデータとして出力する装置であることも可能である。
【００５１】
以上が多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１を構成する個々の手段についての説明であるが、次にこの装置による処理を図面を用いて以下に説明する。
【００５２】
図２は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１による処理を段階的に図２（ａ）〜図２（ｂ）に示したものである。本実施形態の簡易表示装置１は、図２（ａ）に示すような等高線の２次元的な形状と各等高線の高さデータ（図１における三次元地形データ１０）を入力し、コンピュータ上の三次元座標系に図２（ｂ）に示すような三次元地形モデルを形成する。この処理は入力手段２によって行われる。
【００５３】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、仮想面設定手段３によって上記等高線に沿って透明な垂直仮想面と水平仮想面を設定する。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の最下層の等高線に沿って垂直仮想面と水平仮想面を設定したところを示している。なお、図２（ｃ）では、垂直仮想面は樹木単位に分割した平面状の垂直仮想面を連ねたようなものからなるが、平面状のものの代わりに各樹木の外周に対応する円筒状の垂直仮想面を連ねてもよい。水平仮想面は、等高線の高さ、あるいは等高線から所定の高さの位置に等高線に沿って、所定の幅を有するように設定する。
【００５４】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、テクスチャマッピング手段４により、上記垂直仮想面に樹木の側面から撮った写真による画像（樹木の側面の写真画像）を、上記水平仮想面に樹木の上方から撮った写真による画像（樹木の平面の写真画像）をそれぞれマッピングする。図２（ｄ）に樹木の写真画像をマッピングした垂直及び水平仮想面を示す。なお、図２（ｄ）には平面状の垂直仮想面と円筒状の垂直仮想面にテクスチャマッピングした双方の場合を示す。テクスチャマッピングする写真画像は、カメラ、スキャナ等の入力装置を介して入力してもよいが、好ましくは樹木の写真画像のデータベースを用意しておき、適当な樹木の写真画像を順不同に仮想面上にテクスチャマッピングするようにする。
【００５５】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、光効果設定手段５により、テクスチャマッピングした樹木の写真画像に透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する。
【００５６】
図２（ｅ）は、テクスチャマッピングした樹木の写真画像に輝度を設定したところを示している。なお、図２（ｅ）は、光源の位置を考慮し、特定の樹木の輝度分布を設定したところを示している。たとえば、表面にある枝の葉は明るく、樹木の中心部分の枝の葉は暗くするなどである。これに対して、光源の位置と樹木の位置により、各樹木に全体としての輝度の差を設定することもできる。たとえば、ある山の斜面に生えている樹木なら、日の当たる稜線部分は全体として明るく、日の当たらない谷の部分は全体として暗くするなどである。
【００５７】
光効果設定手段５によって透明度を設定することにより、樹木の影の濃淡を調節することができる。また、視線と仮想面のなす角度によって透明度を変化させることによって樹木の側面と上面の画像を自然に移り変わるようにすることができる。
【００５８】
また、光効果設定手段５によって反射率、拡散率を設定することにより、光の反射によって樹木前方の物に投射される光の明るさを調整することができる。
【００５９】
さらに、光効果設定手段５は、透明度、反射率、拡散率、輝度を変化させることにより、同一の樹木の写真画像を繰返しマッピングしたものに、あたかも異なる樹木の写真画像を順不同にマッピングしたように見せることもできる。
【００６０】
以上のように、仮想面を設定し、仮想面上に樹木の写真画像をマッピングした三次元地形モデルは、表示手段６により、所定の視点位置から見た画像を表示される。この表示手段６は、視点位置を移動させた場合の異なる角度から見た画像を表示することができる。図２（ｆ）は、水平方向から見た樹木を有する三次元地形モデルの画像を示している。図２（ｆ）に示すように、水平方向から見た場合、異なる高さに生えている樹木が重畳的に表示され、水平方向を維持しつつ視点を移動すると、樹木の間から異なる樹木の画像が現れて極めて立体的な画像を得ることができる。
【００６１】
図３は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１による表示される三次元地形モデルの視覚的作用効果を説明した図である。
【００６２】
図３（ａ）に示すように、異なる高さと位置で垂直仮想面と水平仮想面が設定されており、これらにそれぞれ樹木の側面写真画像と平面写真画像がテクスチャマッピングされているとする。この図３（ａ）の矢印Ａ−Ａ方向に見たものを図３（ｂ）に示す。
【００６３】
図３（ｂ）に示すように、本実施形態の光効果設定手段５によってテクスチャマッピングした画像の透明度を低く設定することにより、前方に位置する画像の陰影が後方の画像上に投射される。この陰影は、光源の位置に対応して変化するので、画像を極めて立体的に見せる効果を有する。また、光効果設定手段５によってテクスチャマッピングした画像の反射率または拡散率を高く設定することにより、後方に位置する画像にあたった光が前方の画像に投射され、自然界と近似の反射光の相互作用を再現することができる。
【００６４】
また、光効果設定手段５によって視線と仮想面のなす角度に応じて画像の透明度を変化するように設定すると、樹木の側面と上面の画像を自然に移り変わるようにすることができる。たとえば、視線と仮想面のなす角度が小さくなるほど透明度が高くなるように設定したとする。図３（ｂ）に示すように視点の位置を低い位置から高い位置に移動させる場合を考えると、最初の低い位置では視線と垂直仮想面のなす角度が大きいので、垂直仮想面の画像が不透明になって樹木の側面の写真画像が見える。しかし、視点の位置が高くなるにつれて、垂直仮想面の画像が透明になり、これを透過して透明度が低くなった樹木の平面の写真画像が見えるようになる。視点が樹木の真上になった場合は、樹木の平面の写真画像だけが見えるようになる。このように、透明度が視線の角度に応じて変化するように設定することにより、水平方向に見ていた視点を垂直に見下ろす位置に移動させる場合において、樹木の側面の画像から平面の画像に自然に移り変わるように見せることができる。
【００６５】
本実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１によれば、仮想面に比較的簡単なテクスチャーマッピングの手法によって写真による写実的な画像を表示することができる。したがって、比較的少ないデータと処理負荷によって、写実的な草木を有する三次元地形モデルを表示することができる。本装置は景観評価等の幅広い目的に使用することができる。
【００６６】
以上で多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１についての説明を終了する。次に、本発明の第二の応用例である多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について以下に説明する。
【００６７】
図４に、本実施形態による多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１の構成とその構成手段間の処理の流れを示す。
【００６８】
上記多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１は、第一の実施形態による多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１と同一の構成手段を有する。ただし、本実施形態の構成手段は、建物を有する三次元地形モデルに適用するための特別の処理を行うので、第一実施形態とは異なる符号を付して以下に説明する。図４に示すように、本実施形態の多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１は、入力手段２２と、仮想面設定手段２３と、テクスチャマッピング手段２４と、光効果設定手段２５と、表示手段２６とからなる。
【００６９】
入力手段２２は、建物の形状を含む三次元地形をコンピュータの三次元空間内の三次元地形モデルとして取り入れる手段をいう。本実施形態の入力手段２２は好ましくは、建物を配置した地形の真上と少なくとも２つの斜め上の方向から撮った航空写真と、それら航空写真の撮影角度のデータを入力することができる手段とする。
【００７０】
仮想面設定手段２３は、三次元地形モデル上の建物の壁、屋根の面に沿って仮想面を設定する手段である。本実施形態の仮想面設定手段２３は好ましくは、上記航空写真から建物の形状を特定し、それらの建物の壁と建物の上面に沿って透明な仮想面を設定することができる手段とする。航空写真から建物の形状を特定する方法を図５に示して説明する。
【００７１】
図５（ａ）に示すように、地面の上に建物Ｂ１とＢ２が配置されているとする。上記航空写真は、建物Ｂ１とＢ２の真上からの方向（撮影方向Ｚ）と、２以上の斜め上からの方向（撮影方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）から撮影する。撮影方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、水平に対する角度とともに、緯度・経度線に対する角度が既知であるとする。
【００７２】
上記撮影方向Ｚから撮影した航空写真の建物の輪郭から建物の壁の位置が特定される。建物Ｂ２のように建物の輪郭の内側にも壁が存在する建物の場合は、建物の上面の輝度の変化や、斜め上から撮影した航空写真から建物の壁の位置を特定することができる。このようにして位置を特定した建物の壁に沿って透明な垂直仮想面を設定する。図５（ｂ）に建物Ｂ２の垂直仮想面を示す。
【００７３】
次に、図５（ｂ）の垂直仮想面に建物の側面の航空写真による画像をマッピングする。航空写真を処理することにより、建物の高さ、建物の側面の大部分の写真による画像を得ることができる。たとえば、図５（ａ）に示すように撮影方向Ｄ１から建物Ｂ２を撮影した航空写真から、輝度の変化等によって建物Ｂ２の上端Ｐを特定する。次にこの建物の上端Ｐが地面に投影された位置を撮影方向Ｚから撮影した航空写真にプロットすることにより、図５（ａ）の距離Ｌ１を得ることができる。この距離Ｌ１と撮影の角度θ１とから建物Ｂ２の高さＨ１を得ることができる。一方、撮影方向Ｄ１から撮影した建物Ｂ２の側面は、その撮影された壁の高さがＬ２とすると、Ｌ２／ｃｏｓθ１の倍率で引き伸ばすことによって斜め方向から撮影したことによる距離の変化を補正することができる。この場合、建物の側面の下部（Ｈ１−Ｈ２の部分）は、好ましくは壁と同一色の画像を補充する。このように処理ことにより、建物の側面（壁）の写真画像を得ることができる。建物の側面（壁）の写真画像は、少なくとも表示する可能性がある建物の側面について用意する。これらの建物の側面（壁）の写真画像が用意できれば、これらを図５（ｂ）に示したような建物の壁の垂直仮想面にマッピングする。図５（ｃ）に建物Ｂ２の側面（壁）の一部をマッピングした様子を示す。
【００７４】
上記のように建物の側面が形成されれば、必要に応じて建物の上面の仮想面を設定し、撮影方向Ｚから撮影した建物の上面の写真画像をマッピングすることができる。なお、建物の上面の仮想面は、建物の側面の上端に沿って設定すればよい。
【００７５】
なお、本実施形態の簡易表示装置２１のテクスチャマッピング手段２４、光効果設定手段２５、表示手段２６は、第一実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１と同様であるので、ここでの重複する説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１によれば、建物を有する所定の地域の航空写真により、建物の形状を特定し、その建物の外形に沿って仮想面を設定し、それらの仮想面に建物の写真による建物の写真画像をマッピングすることができる。この簡易表示装置２１においても、仮想面に比較的簡単なテクスチャーマッピングの手法によって写真による写実的な画像を表示することができる。したがって、比較的少ないデータと処理負荷によって、建物を有する三次元地形の写実的な画像を立体表示することができる。本装置によれば、ゲーム機、シミュレーション装置において、現実の街、空港等の画像を表示することができる。また、カーナビゲーション装置、景観評価等の幅広い目的に使用することもできる。
【００７７】
なお、本装置は、航空写真によって仮想面を設定するものに限られず、ユーザーによって仮想面を設定する場合も含まれる。
【００７８】
以上で多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１についての説明を終了する。次に、本発明の第三の応用例である多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について以下に説明する。
【００７９】
図６に、本実施形態による多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１の構成とその構成手段間の処理の流れを示す。
【００８０】
上記多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１は、第一の実施形態による多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１とほとんど同一の構成手段を有する。ただし、本実施形態の構成手段は、多数の人間がいる場所の三次元モデルに適用するための処理を行うので、第一実施形態とは異なる符号を付して示す。図６に示すように、本実施形態の多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１は、入力手段３２と、仮想面設定手段３３と、テクスチャマッピング手段３４と、表示手段３５とからなる。以下、本実施形態による多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１の特徴的な部分である仮想面設定手段３３とテクスチャマッピング手段３４とについて説明する。
【００８１】
本実施形態の仮想面設定手段３３では、人間がいる場所に透明な垂直仮想面を設定する。スタジアムの観客席など、多数の人間が整然と位置している場合は、観客席に沿って高さの異なる平行な垂直仮想面の列を設定するのが好ましい。その他の場合は、人間の配置の状態により、適宜垂直仮想面を設定する。また、垂直仮想面は、必要に応じて湾曲した２次曲面とすることができる。
【００８２】
テクスチャマッピング手段３４は、上記設定された垂直仮想面に、複数の人間の写真による画像をランダムに、あるいは所定の順番に従ってテクスチャマッピングする。
【００８３】
本装置によれば、ゲーム機、シミュレーション装置、景観評価装置において、写実的な人間の画像を表示することにより、従来の簡略化されたアニメーション表示に比べてリアルな画像を表示することができる。
【００８４】
なお、上記説明では、植物と建物と人間を有する三次元地形モデルを別々に説明したが、無論これらの表示方法を組み合わせて植物と建物と人間とを有する三次元地形モデルを表示することもできる。
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法は、三次元地形モデル上の物を配置すべき位置に透明な仮想面を設定し、その透明な仮想面上にその位置に配置される物の対応する面の写真画像を貼り付けるものである。
【００８６】
この装置と方法によれば、単純な形状の仮想面を設定し、これにテクスチャマッピングという比較的簡単な処理によって写真による画像を貼り付けるので、立体物そのものを仮想的に生成する場合に比べて処理が簡単になり、取扱うデータ量も大幅に減少する。また、このようにして作成した画像は、実物の写真による画像であるので、極めて写実的な画像を表示することができる。
【００８７】
本発明の装置と方法によれば、的確な景観評価を行うことができ、ゲーム機、シミュレーション装置、カーナビゲーション装置の分野において、現実の場所を立体表示することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【図２】多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法の処理の流れを説明した図。
【図３】「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置」による立体表示を説明した図。
【図４】本発明による「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【図５】「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置」による仮想面設定とテクスチャマッピングの方法を説明した図。
【図６】本発明による「多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【符号の説明】
１ 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置
２ 入力手段
３ 仮想面設定手段
４ テクスチャマッピング手段
５ 光効果設定手段
６ 表示手段
２１ 多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置
２２ 入力手段
２３ 仮想面設定手段
２４ テクスチャマッピング手段
２５ 光効果設定手段
２６ 表示手段
３１ 多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置
３２ 入力手段
３３ 仮想面設定手段
３４ テクスチャマッピング手段
３５ 表示手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータグラフィックスの分野における三次元モデルの表示装置とその表示方法に係り、特に多数の物を表面に配置した三次元地形モデルを写実的に、かつ、少ないデータ量によって表示する簡易表示装置及びその簡易表示方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近は、コンピュータグラフィックスの技術の発達に伴い、表面に同一または類似の物を多数配置した三次元地形モデルをコンピュータの画像として表示したり、それを使って種々の処理を行うことが要求されるようになった。このような表面に同一または類似の物を多数配置した三次元地形モデルとしては、多数の樹木が生えている山野、数多くの建物が散開して建てられている土地（場所）、多数の観客が入ったスタジアム等がある。
【０００３】
なお、以下本明細書でいう「三次元地形モデル」は、「地形」はもちろん、たとえばスタジアムのような「場所」を含む三次元モデルをいうものとする。また、この三次元地形モデル上に配置される「物」は、草木、建物、人間を含む「物体」の意味で使用する。
【０００４】
上記表面に多数の物を配置した三次元地形モデルは、写実的かつ立体的な画像にしようとすると、処理すべき情報量の多さから一般に技術的に困難なものになる。写実的な画像を表示する一つの方法としては、三次元地形モデルの表面上に、配置される物の写真を貼付する方法である。この写真を貼り付ける方法は、テクスチャーマッピングと呼ばれ、その物の写実的な画像を表示することができる。
【０００５】
三次元地形モデルで使用されていた従来のテクスチャマッピングの方法は、三次元地形モデルの表面に多数の三角形のパッチからなるメッシュを設定し、それらのパッチにその対応する部分の写真を貼り付ける方法であった。
【０００６】
しかし、この方法は、三次元地形モデルの表面に平らな写真を貼り付けるので、三次元地形そのものはコンピュータ上の三次元座標系に立体的に構築されているが、その表面の物の画像は平面的な写真に過ぎない。このため、この方法によって作られた三次元地形モデルは、見る角度の変化に応じて表面の物を立体的に見せることができなかった。なおここで、本明細書で「立体的に見せる」というのは、単に立体的に表現されていることではなく、見る角度によって物体の異なる側面が見えたり、その物体の後方にある別の物体が重なって見えたりすることをいう。
【０００７】
したがって、上記テクスチャマッピングの方法による三次元地形モデルは、自由に見る者の視点の位置を変えることができず、遠景など見る角度があまり変化しないものにのみ利用されていた。
【０００８】
このテクスチャーマッピングの方法に対して、山など表面に樹木が生えている三次元地形モデルについては、その表面の樹木の立体像を生成する方法が従来から種々提案されている。
【０００９】
その第一の方法は、推計モデルによる方法である。推計モデルによる方法は、フラクタルや乱数を用いて、枝の太さ、長さ、分岐の角度などを制御して樹木を発生させるものである。この方法では、樹木の一部分の形状を一定の倍率で拡大すると樹木全体の形状が出現する性質を利用し、相似的に枝を成長、分岐させて仮想的に樹木を生成する方法である。さらに最近では、生成した樹木の幹にバンプマッピングしたり、照度計算したり、陰影を付けたりして極めてリアルな樹木の画像を生成する方法が提案されている。
【００１０】
樹木の立体像を生成する第二の方法は、ルールモデルによる方法である。ルールモデルは、植物が生育する場所、気象条件、植物の種類等の植物の形態規則に基づいて理論的にかつ仮想的に植物を成長させる方法である。
【００１１】
樹木の立体像を生成する第三の方法は、印象派モデルと呼ばれているものである。この方法は、樹木の形状を２次曲面で近似し、その曲面上に数学的に生成した樹木のテクスチャパターンをマッピングする方法である。
【００１２】
これらの方法によれば、三次元地形モデルのみならず、その表面に生えている樹木を立体的なものとして設定することができる。このため、見る者の視点が移動するのに応じて、その角度から見た樹木の画像を表示することができる。また、複数の樹木が空間的に散開して生えている場合には、見る角度によって複数の樹木が重畳的に見える画像も表示することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の立体的な樹木を有する三次元モデルの表示方法では、処理すべき情報量が膨大であることと、必ずしも写実的な画像が得られないことの問題があった。
【００１４】
推計モデルとルールモデルによる方法は、上述の通り、コンピュータ上で樹木を仮想的に生成するものである。この場合に樹木の生成の理論と使用するデータが正しければ、現実に近い樹木の画像を生成することが可能である。また、幹の表面にテクスチャマッピングをしたり（推計モデル）、照度の計算や影付けを行ったりすることにより、リアルな画像を表示することができる。
【００１５】
しかし、推計モデルとルールモデルの方法によれば、上記樹木の生成理論のための膨大な樹木データベースが不可欠となる。また、リアルな画像を生成するためのデータも膨大なものとなる。従って、これらの方法を実行する情報処理装置は、必然的に大きな記憶容量と処理能力を必要としていた。
【００１６】
また、推計モデルとルールモデルによる方法では、樹木の一本一本についてその成長過程の各段階で樹木を生成させるためのアルゴリズムによる処理を繰り返さなければならなかった。このデータ処理には多大な時間と負荷がかかっていた。また、上記処理の結果生成された樹木は、ポリゴン（多角形）の形で表現されるおり、生成した樹木の画像のデータ量も膨大なものになっていた。
【００１７】
さらに、現実の樹木に近い画像を得るためには、推計モデルによる方法では希望する樹木の種類、形状を得るために試行錯誤を繰返さなければならなかった。一方、ルールモデルによる方法では、樹木の詳細な形態調査から始めなければならなかった。
【００１８】
また、印象派モデルは、数学的に生成した樹木のパターンをテクスチャとして使用するため、樹木の種類などの写実的な表現ができず、リアルな画像を得ることが困難であった。
【００１９】
樹木を生やした三次元地形モデルについての従来技術の課題は概略以上のようであるが、三次元建物が空間的に散開して建てられている三次元地形モデルや、スタジアムなどのように多数人がいる場所などについては、写実的かつ立体的な画像をコンピュータ上で簡単に表示する方法はなかった。
【００２０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、多数の物を表面に配置した三次元地形モデルを写実的に、立体的に、かつ、少ないデータ量と情報処理の負荷によって表示することができる簡易表示装置及びその簡易表示方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置は、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置は、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする。
【００２３】
本願発明は、前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する光効果設定手段をさらに有することができる。
【００２４】
前記光効果設定手段は、草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させることができるようにすることができる。
【００２５】
前記光効果設定手段は、光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定することができるようにすることができる。
【００３０】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法は、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする。
【００３１】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法は、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする。
【００３２】
本願発明に係る多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法において、
光効果設定手段を用いて前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定するようにすることができる。
【００３３】
前記光効果設定手段を用いて草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させるようにすることができる。
【００３４】
前記光効果設定手段を用いて光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定するようにすることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による「多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」の実施の形態について説明する。
【００４０】
本発明による「多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」は、最上位概念的に言えば、三次元地形モデル上の物を配置すべき位置に透明な仮想面を設定し、その透明な仮想面上にその位置に配置される物の対応する面の写真画像を貼り付けるものである。
【００４１】
この方法によれば、立体物そのものを仮想的に生成する代わりに単純な形状の仮想面を設定し、これにテクスチャマッピングという比較的簡単な処理によって写真による画像を貼り付けるので、処理が簡単になり、取扱うデータ量も大幅に減少する。また、このようにしてコンピュータ上で作成された画像は、三次元地形モデルの表面に配置された物の写真による画像を表示するので、極めて写実的な画像を表示することができる。
【００４２】
本発明の方法を草木が生えた地形、建物がある街、多数の人間がいる場所に応用したのが以下に説明する「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」、「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」、「多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法」である。
【００４３】
なお、本明細書で発明の名称等で「多数」としたのは、本発明がデータ量の低減等の面で最も効果を発揮するのが三次元地形モデル上に「多数」の物が配置されている場合だからである。しかし、後述する説明から明らかなように、本発明の装置と方法は、単数や少数の物が配置された三次元地形モデルの画像表示にそのまま使用することができるので、本発明の装置と方法によって単数や少数の物が配置された三次元地形モデルを画像表示する場合も含む。
【００４４】
最初に、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について説明する。図１は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置の構成とその構成要素間の処理の流れを示している。
【００４５】
図１に示すように、本実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１は、入力手段２と、仮想面設定手段３と、テクスチャマッピング手段４と、光効果設定手段５と、表示手段６とからなる。
【００４６】
入力手段２は、三次元地形をコンピュータの三次元空間内の三次元地形モデルとして取り入れる手段をいう。本実施形態の入力手段２は、三次元地形の等高線の輪郭と各等高線の高さのデータを入力し、これら等高線が表わす三次元地形をコンピュータの三次元座標系上の三次元地形モデルとして入力する。すなわち、スキャナー、キーボードなど単に入力するための手段の他、入力したデータを三次元モデルに処理するための処理手段も含む。無論実施の態様により、入力手段２は、既に三次元座標系の空間の点に変換された三次元地形モデルのデータ群を入力する手段であってもよい。また、後述するように、複数の角度から撮った航空写真を入力してそれらの撮影角度から三次元地形モデルとして入力する手段であってもよい。
【００４７】
仮想面設定手段３は、三次元地形モデル上の物が配置されるべき位置に透明な仮想面を設定する手段である。この透明な仮想面は、画像をテクスチャマッピングするためのものであって、透明にすることにより地の部分はコンピュータの画面表示上見えないようにすることができる。本実施形態の仮想面設定手段３は、三次元地形モデルの等高線に沿って一定の高さの垂直な仮想面と、等高線に沿って前記垂直な仮想面と直交する水平な仮想面とを設定する。垂直仮想面は一つの態様として等高線に沿った曲面とすることができる。このほかの態様として、垂直仮想面は全体としては等高線に沿いつつ、樹木ごとに円筒面の一部をなすようにすることができる。さらに、仮想面は垂直、水平に限られず、後述する建物の上面の仮想面のように、一定の傾斜を有するように設定することができる。
【００４８】
テクスチャマッピング手段４は、上記仮想面設定手段３によって設定された仮想面に画像を貼り付ける処理（この処理をテクスチャマッピングという）を行う手段である。本発明では、テクスチャマッピング手段４により、写真による画像をマッピングするようにするのが好ましい。
【００４９】
光効果設定手段５は、仮想面にマッピングした画像の透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する手段である。この光効果設定手段５は、画像に透明度、反射率、拡散率、輝度を設定することにより、三次元地形モデル上に近接して配置された物どうしの光の反射、光の透過、光源の位置による輝度の変化等、よりリアルな画像を表示するためのものである。
【００５０】
表示手段６は、コンピュータ上の三次元のモデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示するための手段である。この表示手段６は、上記画像を表示するものである限り、コンピュータの表示装置であることも可能であり、画像を紙に出力する出力装置であることも可能であり、ある視点位置から見た画像をデータとして出力する装置であることも可能である。
【００５１】
以上が多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１を構成する個々の手段についての説明であるが、次にこの装置による処理を図面を用いて以下に説明する。
【００５２】
図２は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１による処理を段階的に図２（ａ）〜図２（ｂ）に示したものである。本実施形態の簡易表示装置１は、図２（ａ）に示すような等高線の２次元的な形状と各等高線の高さデータ（図１における三次元地形データ１０）を入力し、コンピュータ上の三次元座標系に図２（ｂ）に示すような三次元地形モデルを形成する。この処理は入力手段２によって行われる。
【００５３】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、仮想面設定手段３によって上記等高線に沿って透明な垂直仮想面と水平仮想面を設定する。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の最下層の等高線に沿って垂直仮想面と水平仮想面を設定したところを示している。なお、図２（ｃ）では、垂直仮想面は樹木単位に分割した平面状の垂直仮想面を連ねたようなものからなるが、平面状のものの代わりに各樹木の外周に対応する円筒状の垂直仮想面を連ねてもよい。水平仮想面は、等高線の高さ、あるいは等高線から所定の高さの位置に等高線に沿って、所定の幅を有するように設定する。
【００５４】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、テクスチャマッピング手段４により、上記垂直仮想面に樹木の側面から撮った写真による画像（樹木の側面の写真画像）を、上記水平仮想面に樹木の上方から撮った写真による画像（樹木の平面の写真画像）をそれぞれマッピングする。図２（ｄ）に樹木の写真画像をマッピングした垂直及び水平仮想面を示す。なお、図２（ｄ）には平面状の垂直仮想面と円筒状の垂直仮想面にテクスチャマッピングした双方の場合を示す。テクスチャマッピングする写真画像は、カメラ、スキャナ等の入力装置を介して入力してもよいが、好ましくは樹木の写真画像のデータベースを用意しておき、適当な樹木の写真画像を順不同に仮想面上にテクスチャマッピングするようにする。
【００５５】
次に、本実施形態の簡易表示装置１は、光効果設定手段５により、テクスチャマッピングした樹木の写真画像に透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する。
【００５６】
図２（ｅ）は、テクスチャマッピングした樹木の写真画像に輝度を設定したところを示している。なお、図２（ｅ）は、光源の位置を考慮し、特定の樹木の輝度分布を設定したところを示している。たとえば、表面にある枝の葉は明るく、樹木の中心部分の枝の葉は暗くするなどである。これに対して、光源の位置と樹木の位置により、各樹木に全体としての輝度の差を設定することもできる。たとえば、ある山の斜面に生えている樹木なら、日の当たる稜線部分は全体として明るく、日の当たらない谷の部分は全体として暗くするなどである。
【００５７】
光効果設定手段５によって透明度を設定することにより、樹木の影の濃淡を調節することができる。また、視線と仮想面のなす角度によって透明度を変化させることによって樹木の側面と上面の画像を自然に移り変わるようにすることができる。
【００５８】
また、光効果設定手段５によって反射率、拡散率を設定することにより、光の反射によって樹木前方の物に投射される光の明るさを調整することができる。
【００５９】
さらに、光効果設定手段５は、透明度、反射率、拡散率、輝度を変化させることにより、同一の樹木の写真画像を繰返しマッピングしたものに、あたかも異なる樹木の写真画像を順不同にマッピングしたように見せることもできる。
【００６０】
以上のように、仮想面を設定し、仮想面上に樹木の写真画像をマッピングした三次元地形モデルは、表示手段６により、所定の視点位置から見た画像を表示される。この表示手段６は、視点位置を移動させた場合の異なる角度から見た画像を表示することができる。図２（ｆ）は、水平方向から見た樹木を有する三次元地形モデルの画像を示している。図２（ｆ）に示すように、水平方向から見た場合、異なる高さに生えている樹木が重畳的に表示され、水平方向を維持しつつ視点を移動すると、樹木の間から異なる樹木の画像が現れて極めて立体的な画像を得ることができる。
【００６１】
図３は、多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１による表示される三次元地形モデルの視覚的作用効果を説明した図である。
【００６２】
図３（ａ）に示すように、異なる高さと位置で垂直仮想面と水平仮想面が設定されており、これらにそれぞれ樹木の側面写真画像と平面写真画像がテクスチャマッピングされているとする。この図３（ａ）の矢印Ａ−Ａ方向に見たものを図３（ｂ）に示す。
【００６３】
図３（ｂ）に示すように、本実施形態の光効果設定手段５によってテクスチャマッピングした画像の透明度を低く設定することにより、前方に位置する画像の陰影が後方の画像上に投射される。この陰影は、光源の位置に対応して変化するので、画像を極めて立体的に見せる効果を有する。また、光効果設定手段５によってテクスチャマッピングした画像の反射率または拡散率を高く設定することにより、後方に位置する画像にあたった光が前方の画像に投射され、自然界と近似の反射光の相互作用を再現することができる。
【００６４】
また、光効果設定手段５によって視線と仮想面のなす角度に応じて画像の透明度を変化するように設定すると、樹木の側面と上面の画像を自然に移り変わるようにすることができる。たとえば、視線と仮想面のなす角度が小さくなるほど透明度が高くなるように設定したとする。図３（ｂ）に示すように視点の位置を低い位置から高い位置に移動させる場合を考えると、最初の低い位置では視線と垂直仮想面のなす角度が大きいので、垂直仮想面の画像が不透明になって樹木の側面の写真画像が見える。しかし、視点の位置が高くなるにつれて、垂直仮想面の画像が透明になり、これを透過して透明度が低くなった樹木の平面の写真画像が見えるようになる。視点が樹木の真上になった場合は、樹木の平面の写真画像だけが見えるようになる。このように、透明度が視線の角度に応じて変化するように設定することにより、水平方向に見ていた視点を垂直に見下ろす位置に移動させる場合において、樹木の側面の画像から平面の画像に自然に移り変わるように見せることができる。
【００６５】
本実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１によれば、仮想面に比較的簡単なテクスチャーマッピングの手法によって写真による写実的な画像を表示することができる。したがって、比較的少ないデータと処理負荷によって、写実的な草木を有する三次元地形モデルを表示することができる。本装置は景観評価等の幅広い目的に使用することができる。
【００６６】
以上で多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１についての説明を終了する。次に、本発明の第二の応用例である多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について以下に説明する。
【００６７】
図４に、本実施形態による多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１の構成とその構成手段間の処理の流れを示す。
【００６８】
上記多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１は、第一の実施形態による多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１と同一の構成手段を有する。ただし、本実施形態の構成手段は、建物を有する三次元地形モデルに適用するための特別の処理を行うので、第一実施形態とは異なる符号を付して以下に説明する。図４に示すように、本実施形態の多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１は、入力手段２２と、仮想面設定手段２３と、テクスチャマッピング手段２４と、光効果設定手段２５と、表示手段２６とからなる。
【００６９】
入力手段２２は、建物の形状を含む三次元地形をコンピュータの三次元空間内の三次元地形モデルとして取り入れる手段をいう。本実施形態の入力手段２２は好ましくは、建物を配置した地形の真上と少なくとも２つの斜め上の方向から撮った航空写真と、それら航空写真の撮影角度のデータを入力することができる手段とする。
【００７０】
仮想面設定手段２３は、三次元地形モデル上の建物の壁、屋根の面に沿って仮想面を設定する手段である。本実施形態の仮想面設定手段２３は好ましくは、上記航空写真から建物の形状を特定し、それらの建物の壁と建物の上面に沿って透明な仮想面を設定することができる手段とする。航空写真から建物の形状を特定する方法を図５に示して説明する。
【００７１】
図５（ａ）に示すように、地面の上に建物Ｂ１とＢ２が配置されているとする。上記航空写真は、建物Ｂ１とＢ２の真上からの方向（撮影方向Ｚ）と、２以上の斜め上からの方向（撮影方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）から撮影する。撮影方向Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、水平に対する角度とともに、緯度・経度線に対する角度が既知であるとする。
【００７２】
上記撮影方向Ｚから撮影した航空写真の建物の輪郭から建物の壁の位置が特定される。建物Ｂ２のように建物の輪郭の内側にも壁が存在する建物の場合は、建物の上面の輝度の変化や、斜め上から撮影した航空写真から建物の壁の位置を特定することができる。このようにして位置を特定した建物の壁に沿って透明な垂直仮想面を設定する。図５（ｂ）に建物Ｂ２の垂直仮想面を示す。
【００７３】
次に、図５（ｂ）の垂直仮想面に建物の側面の航空写真による画像をマッピングする。航空写真を処理することにより、建物の高さ、建物の側面の大部分の写真による画像を得ることができる。たとえば、図５（ａ）に示すように撮影方向Ｄ１から建物Ｂ２を撮影した航空写真から、輝度の変化等によって建物Ｂ２の上端Ｐを特定する。次にこの建物の上端Ｐが地面に投影された位置を撮影方向Ｚから撮影した航空写真にプロットすることにより、図５（ａ）の距離Ｌ１を得ることができる。この距離Ｌ１と撮影の角度θ１とから建物Ｂ２の高さＨ１を得ることができる。一方、撮影方向Ｄ１から撮影した建物Ｂ２の側面は、その撮影された壁の高さがＬ２とすると、Ｌ２／ｃｏｓθ１の倍率で引き伸ばすことによって斜め方向から撮影したことによる距離の変化を補正することができる。この場合、建物の側面の下部（Ｈ１−Ｈ２の部分）は、好ましくは壁と同一色の画像を補充する。このように処理ことにより、建物の側面（壁）の写真画像を得ることができる。建物の側面（壁）の写真画像は、少なくとも表示する可能性がある建物の側面について用意する。これらの建物の側面（壁）の写真画像が用意できれば、これらを図５（ｂ）に示したような建物の壁の垂直仮想面にマッピングする。図５（ｃ）に建物Ｂ２の側面（壁）の一部をマッピングした様子を示す。
【００７４】
上記のように建物の側面が形成されれば、必要に応じて建物の上面の仮想面を設定し、撮影方向Ｚから撮影した建物の上面の写真画像をマッピングすることができる。なお、建物の上面の仮想面は、建物の側面の上端に沿って設定すればよい。
【００７５】
なお、本実施形態の簡易表示装置２１のテクスチャマッピング手段２４、光効果設定手段２５、表示手段２６は、第一実施形態の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１と同様であるので、ここでの重複する説明を省略する。
【００７６】
本実施形態の多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１によれば、建物を有する所定の地域の航空写真により、建物の形状を特定し、その建物の外形に沿って仮想面を設定し、それらの仮想面に建物の写真による建物の写真画像をマッピングすることができる。この簡易表示装置２１においても、仮想面に比較的簡単なテクスチャーマッピングの手法によって写真による写実的な画像を表示することができる。したがって、比較的少ないデータと処理負荷によって、建物を有する三次元地形の写実的な画像を立体表示することができる。本装置によれば、ゲーム機、シミュレーション装置において、現実の街、空港等の画像を表示することができる。また、カーナビゲーション装置、景観評価等の幅広い目的に使用することもできる。
【００７７】
なお、本装置は、航空写真によって仮想面を設定するものに限られず、ユーザーによって仮想面を設定する場合も含まれる。
【００７８】
以上で多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置２１についての説明を終了する。次に、本発明の第三の応用例である多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法について以下に説明する。
【００７９】
図６に、本実施形態による多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１の構成とその構成手段間の処理の流れを示す。
【００８０】
上記多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１は、第一の実施形態による多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置１とほとんど同一の構成手段を有する。ただし、本実施形態の構成手段は、多数の人間がいる場所の三次元モデルに適用するための処理を行うので、第一実施形態とは異なる符号を付して示す。図６に示すように、本実施形態の多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１は、入力手段３２と、仮想面設定手段３３と、テクスチャマッピング手段３４と、表示手段３５とからなる。以下、本実施形態による多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置３１の特徴的な部分である仮想面設定手段３３とテクスチャマッピング手段３４とについて説明する。
【００８１】
本実施形態の仮想面設定手段３３では、人間がいる場所に透明な垂直仮想面を設定する。スタジアムの観客席など、多数の人間が整然と位置している場合は、観客席に沿って高さの異なる平行な垂直仮想面の列を設定するのが好ましい。その他の場合は、人間の配置の状態により、適宜垂直仮想面を設定する。また、垂直仮想面は、必要に応じて湾曲した２次曲面とすることができる。
【００８２】
テクスチャマッピング手段３４は、上記設定された垂直仮想面に、複数の人間の写真による画像をランダムに、あるいは所定の順番に従ってテクスチャマッピングする。
【００８３】
本装置によれば、ゲーム機、シミュレーション装置、景観評価装置において、写実的な人間の画像を表示することにより、従来の簡略化されたアニメーション表示に比べてリアルな画像を表示することができる。
【００８４】
なお、上記説明では、植物と建物と人間を有する三次元地形モデルを別々に説明したが、無論これらの表示方法を組み合わせて植物と建物と人間とを有する三次元地形モデルを表示することもできる。
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の多数の物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置及びその簡易表示方法は、三次元地形モデル上の物を配置すべき位置に透明な仮想面を設定し、その透明な仮想面上にその位置に配置される物の対応する面の写真画像を貼り付けるものである。
【００８６】
この装置と方法によれば、単純な形状の仮想面を設定し、これにテクスチャマッピングという比較的簡単な処理によって写真による画像を貼り付けるので、立体物そのものを仮想的に生成する場合に比べて処理が簡単になり、取扱うデータ量も大幅に減少する。また、このようにして作成した画像は、実物の写真による画像であるので、極めて写実的な画像を表示することができる。
【００８７】
本発明の装置と方法によれば、的確な景観評価を行うことができ、ゲーム機、シミュレーション装置、カーナビゲーション装置の分野において、現実の場所を立体表示することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【図２】多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法の処理の流れを説明した図。
【図３】「多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置」による立体表示を説明した図。
【図４】本発明による「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【図５】「多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置」による仮想面設定とテクスチャマッピングの方法を説明した図。
【図６】本発明による「多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置」の構成とその処理の流れを示したブロック図。
【符号の説明】
１ 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置
２ 入力手段
３ 仮想面設定手段
４ テクスチャマッピング手段
５ 光効果設定手段
６ 表示手段
２１ 多数の建物を表面に配置した三次元地形モデルの簡易表示装置
２２ 入力手段
２３ 仮想面設定手段
２４ テクスチャマッピング手段
２５ 光効果設定手段
２６ 表示手段
３１ 多数の人間がいる場所の三次元モデルの簡易表示装置
３２ 入力手段
３３ 仮想面設定手段
３４ テクスチャマッピング手段
３５ 表示手段
Claims (15)
- 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置において、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置。 - 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置において、
立体的な地形を三次元地形モデルとして入力する入力手段と、
前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定する仮想面設定手段と、
前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングし、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングするテクスチャマッピング手段と、
前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する表示手段と、を有することを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置。 - 前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定する光効果設定手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置。
- 前記光効果設定手段は、草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させることを特徴とする請求項３に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置。
- 前記光効果設定手段は、光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定することを特徴とする請求項３に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示装置。
- 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法において、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法。 - 多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法において、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力し、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定し、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングするとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングし、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示する、ことを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法。 - 光効果設定手段を用いて前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定することを特徴とする請求項６または７に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法。
- 前記光効果設定手段を用いて草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させることを特徴とする請求項８に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法。
- 前記光効果設定手段を用いて光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定することを特徴とする請求項８に記載の多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示方法。
- コンピュータによって多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力させる処理と、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で平面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定させる処理と、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングさせるとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングさせる処理と、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示させる処理とを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータによって多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
入力手段を用いて立体的な地形を三次元地形モデルとして入力させる処理と、
仮想面設定手段を用いて前記三次元地形モデルの等高線に沿って樹木単位に分割した透明で円筒面の一部をなす曲面の垂直仮想面を連ねて立設し、前記等高線に沿って該等高線の高さまたは該等高線から所定の高さに透明で平面の水平仮想面を設定させる処理と、
テクスチャマッピング手段を用いて前記透明な垂直仮想面に、草木の側面の写真による画像をマッピングさせるとともに、前記透明な水平仮想面に草木の上方から撮った写真による画像をマッピングさせる処理と、
表示手段を用いて前記透明な垂直及び水平の仮想面上にテクスチャマッピングをした三次元地形モデルを移動可能な視点の位置から見た画像を表示させる処理とを特徴とする多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - 光効果設定手段を用いて前記垂直及び水平の仮想面にマッピングした草木の写真による画像に、透明度、反射率、拡散率、輝度のうちの少なくとも一つを設定させる処理を特徴とする請求項１１または１２に記載のコンピュータに多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 前記光効果設定手段を用いて草木を見る者の視線の角度に応じて、草木の写真による画像の透明度を変化させる処理を特徴とする請求項１３に記載のコンピュータに多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 前記光効果設定手段を用いて光源の位置と草木の位置に応じて、位置の相違による草木の輝度の差と、各草木の写真による画像内の輝度の分布とを設定させる処理を特徴とする請求項１３に記載のコンピュータに多数の草木を表面に生やした三次元地形モデルの簡易表示のための処理を実行させるための制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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