JP4228373B2 - 空間表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば乗り物に乗って移動する人の目から景色を見たときの画像表示技術に関し、特に、カーレースゲーム，カーシミュレータ等において、定速時や加速・減速時における視覚的な速度感、加速感を惹起させる空間表示装置に関する。

ディスプレイに表示される従来の３Ｄ動画では、たとえば車両等の移動体の搭乗者から見える景色は、移動体に固定したカメラ視点から見える画像として表示されている。

たとえば、カーレースゲーム，カーシミュレータ等では、操作者（運手者に相当する実際にディスプレイを見ている者）に、車両の急発進や急減速の臨場感を与えるために、表示画面にブレを与えたり歪ませたりすることが行われているが、これらによっては効果的な臨場感が得ることはできない。

また、乗り物のシミュレータ（ドライビングシミュレータやフライトシミュレータ等）の中には、操作者のシートを移動・回転させることで臨場感を出せるものもあるが、これらは直接体を動かすものであるため設備コストがかかるうえに、必ずしも迫真の臨場感を得ることができない。

このようなことから、従来、カーレースゲーム，カーシミュレータ等において、エンジン音、ブレーキ音を強調して加速・減速の感触を操作者に与えようとする場合が多く、緊迫した臨場感には程遠いのが現状である。
本発明の目的は、たとえば乗り物に乗って移動する人の目から景色を見たときに、定速時、加速・減速時における視覚的な速度感、加速感を惹起させる空間表示装置を提供することにある。

本発明者らは、移動する人から景色を見たときに、画像をとらえる視点（擬似移動視点）を人の眼球の位置（基準移動視点）から分離することで、前記移動速度変化の臨場感を効果的に惹き起こすことができるとの知見を得て本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の空間表示装置は、（１）〜（９）を要旨とする。

（１） 第１の視点である空間上の基準移動視点から見える景色を、当該基準移動視点を中心とする球面に投影した球面画像を生成し、第２の視点である前記空間上の擬似移動視点から前記球面画像を見たときの画像を表示画像として生成する空間表示装置であって、
前記球面画像を生成する球面画像生成部と、
前記基準移動視点の速度または／および加速度に応じて前記擬似移動視点を特定する擬似移動視点位置特定部と、
前記表示画像を生成する表示画像生成部と、
備えることを特徴とする空間表示装置。

（２） 前記球面が楕円球面であることを特徴とする（１）に記載の空間表示装置。
なお、球の半径（楕円球の長軸・短軸）は適宜定めることができる。また、擬似移動視点位置特定部は、速度や加速度の大きさに応じて定められる前記基準移動視点に対する前記擬似移動視点の位置（距離Ｌ）や角度を適宜関数Ｆ（〈ｖ〉），Ｌ＝Ｆ（〈ａ〉）またはＬ＝Ｆ（〈ｖ〉，〈ａ〉）（〈ｖ〉，〈ａ〉は速度および加速度のベクトル）により適宜定めることができる。

（３） 前記擬似移動視点位置特定部は、
前記基準移動視点の速度がゼロのときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点と同じ位置に配置し、
前記基準移動視点の速度がゼロ以外の値であるときは、前記擬似移動視点を、前記基準移動視点から当該速度の大きさに応じた距離だけ前記速度の方向にシフトした位置に配置する、
ことを特徴とする（１）または（２）に記載の空間表示装置。

（４）前記擬似移動視点位置特定部は、
前記基準移動視点の速度が一定であるときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点と同じ位置または前記基準移動視点から速度方向に所定距離離れた定速位置に配置し、
前記基準移動視点に加速度が生じたときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点に対し前記加速度の大きさおよび向きに応じて変動させ、当該加速度がゼロとなったときに、減速後または加速後の速度に対応する定速位置に復帰させる、
ことを特徴とする（１）または（２）に記載の空間表示装置。

（５） 前記球が楕円球であり、前記基準移動視点の速度の方向を前記楕円球の長軸とし、当該長軸の長さが前記速度の大きさに応じて変化する（速度が増大すると、長軸長さが長くなり、または短くなる）ことを特徴とする（２）から（４）の何れかに記載の空間表示装置。

（６） 前記球が楕円球であり、前記基準移動視点の速度の方向を前記楕円球の長軸とし、当該長軸の長さが前記加速度の大きさに応じて変化する（加速度が増大すると、長軸長さが長くなり、または短くなる）ことを特徴とする（２）から（４）の何れかに記載の空間表示装置。

（７） 擬似移動視点位置特定部は、速度や加速度の大きさに応じて定められる前記基準移動視点と前記擬似移動視点との距離Ｌを関数Ｆ（ｖ），Ｆ（ａ）またはＦ（ｖ，ａ）（ｖ，ａは速度および加速度のスカラー）により適宜定めることを特徴とする（１）から（６）の何れかに記載の空間表示装置。

（８） 擬似移動視点位置特定部は、速度や加速度の大きさに応じて定められる前記基準移動視点に対する前記擬似移動視点の位置（距離Ｌおよび角度θ）を関数Ｆ（〈ｖ〉），Ｌ＝Ｆ（〈ａ〉）またはＬ＝Ｆ（〈ｖ〉，〈ａ〉）（〈ｖ〉，〈ａ〉は速度および加速度のベクトル）により定めることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の空間表示装置。

（９） 前記基準移動視点が乗り物（車両、航空機、または船舶）に固定された搭乗者眼球位置であり、前記擬似移動視点が搭乗者の仮想の眼球位置であることを特徴とする（１）から（８）の何れかに記載の空間表示装置。

本発明は、たとえば乗り物に乗って移動する人の移動速度が変化したときは、基準移動視点（人の眼の位置）から仮想的に視点（擬似移動視点）を切り離す。これにより、たとえば、基準移動視点に速度や加速度が生じたときは、速度の大きさおよび向きを変数とする速度関数、あるいは加速度の大きさおよび向きを変数とする加速度関数等に基づき、擬似移動視点を基準移動視点に対して移動させることで、高速・低速の感覚、加速・減速の感覚を視覚的に惹き起させることができる。

以下、本発明の空間表示装置の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の空間画像表示装置の基本態様を示す説明図である。
図１において空間画像表示装置は、球面画像生成部１１と、表示画像生成部１２と、画像表示部１３と、制御部１４とを備えている。

球面画像生成部１１は、球面画像生成手段１１１と三次元画像記憶手段１１２とを備えている。球面画像生成手段１１１は、制御部１４から基準視点Ｑの位置情報を受け取り、図２に示すように、空間上の基準視点Ｑから見える景色ＳｉＧを基準視点Ｑを中心とする球面Ｓに投影した球面画像ＳｐＧを生成し、たとえば擬似移動視点Ｐから球面画像ＳｐＧを見たときの画像を表示画像ＤＧ（図２参照）として生成することができる。

球面Ｓは、地上に立っている人の視点が擬似移動視点Ｐであるときは、球面Ｓは半球（球の上半分）表面である。球面画像ＳｐＧは上記半球表面全体について作製してバッファに格納しておき、そのうちの一部のみを表示画像ＤＧとしてディスプレイに表示することができる。
制御部１４は、基準視点Ｑが見る方向が変化したときに、球面画像生成部１１に画像生成処理を指示し、球面画像生成部１１は当該指示に応じて表示画像生成部１２からの画像を加工する。

本実施形態では、あらかじめオブジェクトが定義される三次元空間において、基準視点Ｑから見える画像を、球面画像ＳｐＧとして保持しているので、たとえば基準視点Ｑの目線が大きく変化したような場合（さらには動いた場合）でも、表示画像生成部１２は、球面画像生成部１１の画像バッファ等に展開されている球面画像ＳｐＧを処理するのみで変化後の画像（フレーム）を作成することができる。

次に、基準視点Ｑや擬似移動視点Ｐが移動する場合の実施形態を説明する。
空間画像表示装置１は、図３に示すように、球面画像生成部１１と、表示画像生成部１２と、画像表示部１３と、制御部１４とを備えている。
球面画像生成部１１は、球面画像生成手段１１１と三次元画像記憶手段１１２とを備えている。球面画像生成手段１１１は、制御部１４から基準移動視点Ｑの位置情報を受け取り、図４（Ａ）に示すように、空間上の基準移動視点Ｑ（通常は、乗り物の搭乗者の眼球位置）から見える景色ＳｉＧを基準移動視点Ｑを中心とする球面Ｓに投影した球面画像ＳｐＧを生成し、擬似移動視点Ｐから球面画像ＳｐＧを見たときの画像を表示画像ＤＧ（図３参照）として生成することができる。

球面Ｓは、乗り物が自動車である場合には半球（球の上半分）表面である。空間画像表示装置１がカーゲームやカーシミュレータに搭載されている場合には、球面画像ＳｐＧは上記半球表面全体について作製してバッファに格納しておき、そのうちの一部のみを表示画像ＤＧとしてディスプレイに表示することができる。

また、球面Ｓは、乗り物が飛行機である場合には全球表面である。空間画像表示装置１がフライトゲームやフライトシミュレータに搭載されている場合には、球面画像ＳｐＧを上記全球表面全体について作製してバッファに格納しておき、そのうちの一部のみを表示画像ＤＧとしてディスプレイに表示することができる。
なお、ゲームやシミュレータに限らず、本発明は観賞用の風景画像について適用することができる。たとえば、カメラ目線が人の目線であるシーンにおいても、本発明の表示技術を適用できる。

図４（Ａ）では、便宜上、基準移動視点Ｑが静止している場合（ｖ＝０）を示す。この場合には、擬似移動視点Ｐの位置は、基準移動視点Ｑの位置と同じである。本実施形態では、基準移動視点Ｑが乗り物（車両、航空機、または船舶）の搭乗者の眼球位置であるように構成されている。

図３に示す表示画像生成部１２は、定速処理ＣＶＰ、加速処理ＡＶＰを実行できる機能を備えている。定速処理ＣＶＰおよび加速処理ＡＶＰは制御部１４から、速度＜ｖ＞の情報および加速度＜ａ＞の情報を受け取り（「＜＞」はベクトルを意味する）、その内容に応じた処理を行う。

定速処理ＣＶＰは、基準移動視点Ｑの速度＜ｖ＞の大きさ｜ｖ｜が一定の値であるとき（ｖ＝ｃｏｎｓｔ．）は、図４（Ｂ）に示すように、擬似移動視点Ｐを基準移動視点Ｑの位置と同じ位置に配置することができる。この場合に擬似移動視点Ｐから見える画像ＤＧは、図４（Ａ）に示した基準移動視点Ｑが静止しているときに擬似移動視点Ｐから見える画像ＤＧと同じである。

また、速度があるときは、図５（Ａ）に示すように、基準移動視点Ｑの速度に応じて、擬似移動視点Ｐを基準移動視点Ｑから離れた位置（通常、速度＜ｖ＞の方向）に配置することができる。この場合、図５（Ｂ）に示すように擬似移動視点Ｐと基準移動視点Ｑとの距離だけ、球の半径Ｒを大きくし（Ｒ≡とし）、表示画像ＤＧの大きさが変化しないようにできる。さらに、速度の大きさに応じて、球を潰す（扁平な楕円球とする）ことができる。

加速処理ＡＶＰでは、図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）（減速図）、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）（加速図）に示すように、基準移動視点Ｑに加速度＜ａ＞が生じたときは、擬似移動視点Ｐを、加速度＜ａ＞の大きさ｜ａ｜および向き（図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）では負の向き、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）では正の向き）を変数とする加速度関数Ｆに基づき、現在の位置（定速位置）から変位させ、加速度＜ａ＞がゼロとなったときに所定の定速位置（減速後または加速後の速度に対応する定速位置）に復帰するように変動させることができる。

また、加速度関数Ｆ（＜ａ＞）は、擬似移動視点Ｐを基準移動視点Ｑの速度＜ｖ＞の方向に対して、上下方向に所定角度変動させる関数とすることもできる。図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に減速時における動作を、図９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に加速時における動作を示す。

球面Ｓは、図１０（Ｂ）（加速時）、図１０（C）（減速時）に示すように（図１０（Ｃ）は静止時）、基準移動視点Ｑの速度＜ｖ＞の方向を長軸とし、長軸の長さＬｓが速度＜ｖ＞の大きさ｜ｖ｜に応じて変化するようにできる。
以上の実施形態では、基準移動視点Ｑが直線上を移動する場合を説明した。基準移動視点Ｑがカーブするとき、すなわち速度と垂直の向きに加速度が加えられたときは、図１１に示すように基準移動視点Ｑと擬似移動視点Ｐとの線分の方向が変化し、表示画像ＤＧが変化する。

本発明の空間画像表示装置の基本構成を示す説明図である。 図１の空間画像表示装置の動作説明図である。 本発明の空間画像表示装置の実施形態を示す説明図である。 空間上の基準移動視点から見える景色を基準移動視点を中心とする球面に投影した球面画像の説明図であり、（Ａ）は基準移動視点が静止している場合の説明図、（Ｂ）は基準移動視点が移動しているときの説明図である。 （Ａ）は基準移動視点の速度に応じて擬似移動視点を基準移動視点から離れた位置に配置した例を示す図、（Ｂ）は擬似移動視点と基準移動視点との距離だけ、球の半径Ｒを大きくした例を示す図、（Ｃ）は球を扁平にした例を示す図であるである。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、基準移動視点に負の加速度が生じたときに、擬似移動視点を加速度の大きさおよび向きを変数とする加速度関数に基づき、現在の位置（定速位置）から変位させ、加速度がゼロとなったときに所定の定速位置に復帰する例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、基準移動視点に正の加速度が生じたときに、擬似移動視点を加速度の大きさおよび向きを変数とする加速度関数Ｆに基づき、現在の位置（定速位置）から変位させ、加速度がゼロとなったときに所定の定速位置に復帰する例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は基準移動視点の速度の正負の変化に対して、擬似移動視点を上下方向に所定角度変動させる場合の、減速時における動作を示す説明図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は基準移動視点の速度の正負の変化に対して、擬似移動視点を上下方向に所定角度変動させる場合の、加速時における動作を示す説明図である。 （Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、加速時に基準移動視点Ｑの速度の方向を長軸とし、長軸の長さが速度の大きさに応じて変化させる例を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は基準移動視点Ｑがカーブするときの基準移動視点と擬似移動視点と位置変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 空間画像表示装置
１１ 球面画像生成部
１２ 表示画像生成部
１３ 画像表示部
１４ 制御部
１１１ 球面画像生成手段
１１２ 三次元画像記憶手段
１２１ 景色画像生成手段
ＡＶＰ 加速処理手段
ＧＶＰ 定速処理手段
ＤＧ 表示画像
Ｐ 擬似移動視点
Ｑ 基本移動視点
ＳｐＧ 球面画像
ＳｉＧ 景色

Claims (9)

1. 第１の視点である空間上の基準移動視点から見える景色を、当該基準移動視点を中心とする球面に投影した球面画像を生成し、第２の視点である前記空間上の擬似移動視点から前記球面画像を見たときの画像を表示画像として生成する空間表示装置であって、
   前記球面画像を生成する球面画像生成部と、
   前記基準移動視点の速度または／および加速度に応じて前記擬似移動視点を特定する擬似移動視点位置特定部と、
   前記表示画像を生成する表示画像生成部と、
   備えることを特徴とする空間表示装置。
2. 前記球面が楕円球面であることを特徴とする請求項１に記載の空間表示装置。
3. 前記擬似移動視点位置特定部は、
   前記基準移動視点の速度がゼロのときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点と同じ位置に配置し、
   前記基準移動視点の速度がゼロ以外の値であるときは、前記擬似移動視点を、前記基準移動視点から当該速度の大きさに応じた距離だけ前記速度の方向にシフトした位置に配置する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の空間表示装置。
4. 前記擬似移動視点位置特定部は、
   前記基準移動視点の速度が一定であるときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点と同じ位置または前記基準移動視点から速度方向に所定距離離れた定速位置に配置し、
   前記基準移動視点に加速度が生じたときは、前記擬似移動視点を前記基準移動視点に対し前記加速度の大きさおよび向きに応じて変動させ、当該加速度がゼロとなったときに、減速後または加速後の速度に対応する定速位置に復帰させる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の空間表示装置。
5. 前記球が楕円球であり、前記基準移動視点の速度の方向を前記楕円球の長軸とし、当該長軸の長さが前記速度の大きさに応じて変化することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の空間表示装置。
6. 前記球が楕円球であり、前記基準移動視点の速度の方向を前記楕円球の長軸とし、当該長軸の長さが前記加速度の大きさに応じて変化することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載の空間表示装置。
7. 擬似移動視点位置特定部は、速度や加速度の大きさに応じて定められる前記基準移動視点と前記擬似移動視点との距離Ｌを関数Ｆ（ｖ），Ｆ（ａ）またはＦ（ｖ，ａ）（ｖ，ａは速度および加速度のスカラー）により適宜定めることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の空間表示装置。
8. 擬似移動視点位置特定部は、速度や加速度の大きさに応じて定められる前記基準移動視点に対する前記擬似移動視点の位置（距離Ｌおよび角度θ）を関数Ｆ（〈ｖ〉），Ｌ＝Ｆ（〈ａ〉）またはＬ＝Ｆ（〈ｖ〉，〈ａ〉）（〈ｖ〉，〈ａ〉は速度および加速度のベクトル）により定めることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の空間表示装置。
9. 前記基準移動視点が乗り物（車両、航空機、または船舶）に固定された搭乗者眼球位置であり、前記擬似移動視点が搭乗者の仮想の眼球位置であることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の空間表示装置。

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