JP3859361B2 - 情報表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機等で作られる仮想物体と実世界の物体(実物体)とを重畳させながらデザイン形状のモデリングやレビューを行う情報表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、設計の上流から製造に至る工程を計算機を用いて支援し、製品開発の効率化を図る努力が様々な分野においてなされている。このうち、設計段階においては、3次元世界を扱うことができるコンピュータ支援設計(CAD)システムが用いられている。
【0003】
ところで、現状においては、上述したシステムでデザイン形状を作成するには、形状の寸法値を複雑なコマンドを用いて入力しなければならない。マウス等の2次元ポインティングデバイスを用いて、部分的に曲線や曲面を定義する方法がサポートされているものもあるが、このような機能を用いたとしても3次元的に自由に形状を定義することはできない。
【0004】
したがって、特に形状の寸法が細部まで定まらないようなデザイン設計の初期段階では、デザイナーの感性を直接的に形状生成に生かせるような仕組みが必要である。例えば、クレイやペーパーを使った造形作業と同様な作業を計算機内で行えるようなシステムが理想的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
これまで、マウスの代わりに3次元ポインティングデバイスを用いたり、手に加わる触覚や力覚をフィードバックすることにより、より直感的な造形的感覚を生成するシステムが提案されてきた。
【0006】
しかしながら、これらのシステムではあまりにも自由に形状変形ができてしまうために、かえって思い通りの形状を作るのが難しいという問題があった。すなわち、手と同等の感覚で造形作業を行うためには、ただ3次元的に自由に形状変形するようなシステムではなく、手で作業するのと同じ感覚を作り出す必要がある。
【0007】
ここで、空間内での手の位置は感覚的にかなり正確に把握されているため、手と同じ位置で実際の手の動きによる造形の様子が見えれば、実際に近い造形感覚を作り出すことができる。
【0008】
すなわち、直感的、直接的に形状作成が可能なCADシステムを構築するには、作業者の手とコンピュータによって作られる3次元の作業空間とを重ね合わせて見るような情報表示装置が必要である。
【0009】
そこで、本発明は、実物体に触りながら行うのと同等の感覚で造形作業を行うことができる情報表示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】
本発明による情報表示装置は、観察者の動きに応じて出力信号を発信する入力手段と、前記入力手段からの出力信号に基づいて所与の画像情報を変化させ、新たな画像情報を作成する演算手段と、前記演算手段を用いて作成した新たな画像情報に基づいて画像を観察者に提示するハーフミラーと、前記ハーフミラーを挟んで観察者と反対側に存在する観察対象物への光量を調節可能な光源と、前記ハーフミラーで提示される画像の輝度を検出する輝度検出手段と、前記ハーフミラーに映る画像情報と、前記ハーフミラーを透過して得られる観察対象物の像とが重畳した状態を視認可能とし、前記輝度検出手段の出力信号に基づいて前記ハーフミラーの部分的透過率または前記画像の部分的輝度を変化させる輝度調整手段とを具備していることを特徴とする。
【0011】
また、前記入力手段は、観察者の手の空間位置を検知する機能又は3次元空間内の自身の位置、姿勢、及び形状変化を検出する機能を具備していてもよい。
【0013】
また、前記輝度検出手段の出力信号に基づいて、前記光源の明るさを変化させる光源調節手段をさらに有していてもよい。
【0014】
また、画像情報に含まれる仮想物体の位置及び仮想物体と重ね合わせるべき観察対象物の位置に応じて、前記ハーフミラーの部分的透過率を変化させる手段をさらに有していてもよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による情報表示装置について、図1乃至図5を参照して説明する。
【0016】
図1は、本実施形態による情報表示装置の全体構成を示した概略構成図である。図1において符号1は画像を表示するディスプレイを示し、このディスプレイ1は例えばCRTや液晶モニターである。また、ディスプレイ1は、表示する3次元空間内の複数視点からの映像を観察者6の目に分離表示することにより立体視表示を行うことも可能である。
【0017】
ディスプレイ1に表示する画像は、例えば、ハードディスク、DVD、メモリのような記憶装置2a又は記録媒体に格納された情報、或いはCCDカメラのような撮像装置2bから伝送された情報に基づいて、演算装置(演算手段)3によって作成された画像である。
【0018】
演算装置3には、観察者6の手8の動きに応じて出力信号を発信する入力装置(入力手段)4が接続されている。この入力装置4は、例えばポヒマス社のFASTRAK(商標名)センサーのような3次元空間内の自身の位置及び姿勢を検出する状態検出装置41、及び例えばニッタ(株)のISCAN(商標名)のような圧力変化を検出する圧力検出装置42を備えている。
【0019】
そして、演算装置3は、記憶装置2aに格納された情報又は撮像装置2bから伝送された情報を、入力装置4の出力信号に基づいて変化させて新たな画像情報を作成する機能を備えている。
【0020】
例えば圧力検出装置42は、3次元空間内で任意の方向から加えられる力を検知することができ、この圧力検出装置42の出力信号に基づいて演算装置3にてディスプレイ1に投影する像を変化させることができる。したがって、観察者6は手8で直接形状変形する感覚を得ることができる。
【0021】
ディスプレイ1の画像を反射して観察者6に提示するハーフミラー5が、ディスプレイ1に対して所定の位置関係になるように配置されている。さらに、ハーフミラー5を挟んで観察者6と反対側に存在する観察対象物に照射される光量を調節可能な光源7が、ここではハーフミラー5を挟んで観察者6と反対側に配置されている。
【0022】
光源7には、例えばスポットライト光源等を用いることができ、また、複数の光源7を設置することもできる。
【0023】
ここで、「観察対象物」とは、ハーフミラー5を通して観察者6に認識されるべき実世界の物体(実物体)のことであり、具体的には、例えば観察者6の手8や、画像内の仮想物体と同一空間で観察すべき実物体9aである。
【0024】
上記構成よりなる本実施形態の情報表示装置においては、観察者6は、ディスプレイ1に映る画像がハーフミラー5によって左右反転した画像情報と、光源7で照らされ、ハーフミラー5を透過して得られる観察者6の手8或いは実物体9aとを重ねて同一空間内に見ることができる。なお、この場合の観察対象物は、実物体9a及び観察者6の手8である。
【0025】
図2に示したように、観察者6から見た入力装置4や、背景物など観察者6に視認させたくない実物体9bについては、それらの輝度が十分に暗くなるように設定されており、加えて、入力装置4及び視認させたくない実物体9bとハーフミラー5上で同一の場所に位置する像については、明るい像をディスプレイ1から提示する。
【0026】
すると、図3に示したように、観察者6には、明るい像の方がより強く視認され、観察対象物ではない入力装置4や実物体9bが視認されにくくなる。
【0027】
逆に、観察者6の手8や仮想物体と同一空間で観察するべき実物体9aが十分明るくかつディスプレイ1からの像の方が暗いと、図4に示したように観察者6には観察対象物である手8や実物体9aが強く視認されると共に、ディスプレイ1からの像が視認されにくくなり、仮想物体が覆い隠された状態になる。
【0028】
すなわち、ディスプレイ1に表示する画像内の仮想物体と入力装置4、作業空間内の実物体9a、9b及び観察者6の手8の輝度差により、観察者6は実世界の所望の実物体と仮想物体とを同一空間に視認するようになる。
【0029】
したがって、仮想物体と同一空間で観察すべき実物体9aに関しては、さらにそれが仮想物体と同程度かそれ以上の明るさで見えるように、例えば表面を明るい色(特に白系統の色)で着色し、逆に観察者6に視認させたくない実物体9bに関しては、その表面を暗い色(特に黒系統の色)で着色すれば、観察者6は所望の実物体9aと画像とをより安定した形で重ね合わせて観察することができる。
【0030】
また、ハーフミラー5を挟んで観察者6と反対側の空間を、例えば黒い艶消し材を塗布した壁で覆えば背景はほとんど意識されなくなる。
【0031】
上記と同様の効果は、光源7として紫外線ランプを用い、観察対象物である実物体9aや観察者6の手8の表面に蛍光塗料を塗布することによっても得ることができる。
【0032】
一方、入力装置4には、上述した3次元空間内の位置及び姿勢を検出する状態検出装置41及び圧力変化を検出する圧力検出装置42に代えて、観察者6の手8の空間位置を検出する装置を用いることができ、例えば、バーチャルテクノロジー社のサイバーグローブ(商標名)を用いることができる。この場合には、手8の空間位置を検出する入力装置4は観察対象物となるので、入力装置4の輝度を画像と同じ又はそれ以上とすることで、入力装置4と仮想物体とが同一空間で見えるようにすれば良い。
【0033】
また、上述した情報表示装置において、さらに、画像における入力装置4に対応する仮想物体と、観察者6の手8及び仮想物体と同一空間で観察すべき実物体9aとの位置関係から、光源7の明るさや、ハーフミラー5の透過率、画像の明るさなどを部分的かつ動的に変化させ、観察者6の手8、実物体9a、仮想物体の互いの輝度差などを自動的に調節するようにすれば、さらに効果的に仮想物体と観察者6の手8、実物体9aとを重畳させることができる。
【0034】
図5は、このような効果を達成するための機能が追加された情報表示装置を示している。図5において符号31は仮想物体に対応する像の明るさを検出する輝度検出装置であり、この輝度検出装置31には例えば輝度計を用いることができる。
【0035】
また、図5において符号32は、ハーフミラー5の部分的透過率や画像の部分的輝度を変化させるための輝度調節装置32を示しており、この輝度調節装置32は、ハーフミラー5の裏側及びディスプレイ1の前側にそれぞれ配置された透過型の液晶パネル32a、32bを備えている。
【0036】
輝度調節装置32は演算装置33で制御される。ここで、この演算装置33は、図1に示した演算装置3に輝度調節機能を付加して構成することもできる。
【0037】
図5に示した情報表示装置においては、まず、輝度検出装置31で像の明るさを検出し、次に演算装置33で実物体9a及び観察者6の手8と仮想物体との位置関係から、それらが互いにどのように重なり合うかを演算で求め、その結果に基づいて液晶パネル32a、32bによってハーフミラー5の部分的透過率又は画像の部分的輝度を変化させる。
【0038】
すなわち、画像内の仮想物体の後ろ側に位置すべき実物体9a及び観察者6の手8に対しては、対応する位置のハーフミラー5の部分的透過率を下げて、実物体9a及び観察者6の手8が仮想物体の後ろ側にあるように見せる。逆に、実物体9a及び観察者6の手8によって覆い隠されるべき画像部分に関してはその部分の輝度を落とし、実物体9a及び観察者6の手8によって隠れているように見せる。
【0039】
なお、輝度調節装置32としては、ここでは2つの液晶パネル32a、32bからなるものを説明したが、いずれか一方の液晶パネルだけでも同様の機能を実現することができる。
【0040】
また、輝度検出装置31からの出力信号に基づいて光源7の明るさを自動的に変化させる光源調節装置(図示せず)を設けることもできる。この場合、演算装置33によって光源7の明るさの調節量を演算し、この演算結果に基づいて光源調節装置を制御して光源7の明るさを調節する。
【0041】
また、仮想物体に対応する像の位置は本来、観察者6の視点によって変わるものである。したがって、観察者6の視点位置を検出する装置を用いることによって、観察者6の視点に合わせて表示像の位置を変え、これによって安定した入力装置4、画像の重畳を図ることは可能である。
【0042】
ハーフミラーを使って画像情報と実物体との重畳を図る試みは従来から行われているが、本実施形態による情報表示装置によれば、光源7の明るさ(或いは画面や物体の輝度)を変化させることによって、従来装置よりも効果的な演出が可能となる。
【0043】
以上述べたように本実施形態による情報表示装置によれば、観察者6の手8の空間位置を検知する機能又は3次元空間内の位置、姿勢、及び形状変化を検出する機能を具備する入力装置4を備えており、記憶装置2a又は記録媒体に格納された情報又は撮像装置2bから伝送された情報を、入力装置4の出力信号に基づいて演算装置3によって変化させて新たな画像情報を作成することができるので、同一空間に安定して重畳表示された観察者6の手8と仮想物体とを見ながら、手と同等の感覚で造形作業を行うことができる。
【0044】
また、光源7により観察者6の手8及び画像と重ね合わせるべき実物体の輝度を上げることで、自然でより見やすい手、実物体、仮想物体の重ね合わせが可能であり、観察者6の手8と演算手段3によって作られる仮想物体とを安定して同一空間に重畳提示することができる。
【0045】
また、観察者6の手8や画像と重ね合わせる実物体9aには可視光を反射する部材をその表面に付与し、それ以外の入力装置4や画像との重ね合わせを行わない実物体には可視光を吸収する部材をその表面に付与して両者の間に輝度差を設けるようにすれば、観察対象物である手8や所望の実物体9aだけを安定して仮想物体に重ね合わせることが可能となる。
【0046】
さらに、液晶パネル32a、32bを用いて、画像内での仮想物体の位置及び画像と重ね合わせるべき実物体或いは観察者6の手8の位置に応じてハーフミラー5の部分的透過率及び画像の部分的輝度を変化させ、実物体9a、9b及び観察者6の手8に輝度差を与えることによって、それらが複雑に重なり合った状態を表現することができる。
【0047】
なお、上記実施形態においてはCADシステムとしての情報表示装置について説明したが、本発明による情報表示装置の適用範囲はCADシステムに限られるものではなく、例えば手術シミュレータやエンタテインメント分野にも適用することができる。
【0048】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による情報表示装置によれば、実物体に触りながら行うのと同等の感覚で造形作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による情報表示装置の全体構成を示した概略構成図。
【図2】図1に示した情報表示装置の作用を説明するための説明図。
【図3】図1に示した情報表示装置における実物体と仮想物体との重ね合わせの一例を示した図。
【図4】図1に示した情報表示装置における実物体と仮想物体との重ね合わせの他の例を示した図。
【図5】図1に示した情報表示装置にハーフミラーの透過率や画像の明るさを部分的に変化させる機能を追加した構成を示した概略構成図。
【符号の説明】
1 ディスプレイ
2a 記憶装置
2b 撮像装置
3、33 演算装置
4 入力装置
5 ハーフミラー
6 観察者
7 光源
8 観察者の手
9a、9b 実物体
31 輝度検出装置(輝度計)
32 輝度調節装置
32a、32b 液晶パネル
41 状態検出装置
42 圧力検出装置
Claims (4)
- 観察者の動きに応じて出力信号を発信する入力手段と、
前記入力手段からの出力信号に基づいて所与の画像情報を変化させ、新たな画像情報を作成する演算手段と、
前記演算手段を用いて作成した新たな画像情報に基づいて画像を観察者に提示するハーフミラーと、
前記ハーフミラーを挟んで観察者と反対側に存在する観察対象物への光量を調節可能な光源と、
前記ハーフミラーで提示される画像の輝度を検出する輝度検出手段と、
前記ハーフミラーに映る画像情報と、前記ハーフミラーを透過して得られる観察対象物の像とが重畳した状態を視認可能とし、前記輝度検出手段の出力信号に基づいて前記ハーフミラーの部分的透過率または前記画像の部分的輝度を変化させる輝度調整手段とを具備していることを特徴とする情報表示装置。 - 前記入力手段は、観察者の手の空間位置を検知する機能又は3次元空間内の自身の位置、姿勢、及び形状変化を検出する機能を具備していることを特徴とする請求項1記載の情報表示装置。
- 前記輝度検出手段の出力信号に基づいて、前記光源の明るさを変化させる光源調節手段をさらに有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の情報表示装置。
- 画像情報に含まれる仮想物体の位置及び仮想物体と重ね合わせるべき観察対象物の位置に応じて、前記ハーフミラーの部分的透過率を変化させる手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の情報表示装置。
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