JP4311659B2

JP4311659B2 - ３次元景観表示装置

Info

Publication number: JP4311659B2
Application number: JP2004133665A
Authority: JP
Inventors: 哲生上川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005316702A

Description

この発明は、車両用ナビゲーションシステム、地理情報システム(GIS)等に利用される、都市景観を立体表示するための３次元景観表示装置に関する。

車両用ナビゲーションシステムに代表される従来の３次元景観表示装置においては、３次元地図表示時に、地図データの建物の底面形状（以下、底面ポリゴン形状あるいは底面ポリゴンの多角形形状ということもある。）と、建物の高さ（階数で表現されることもある。）とから、建物の高さ分だけ建物の底面形状である多角形を垂直に立てる方式で建物を３次元描画していた（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の３次元景観表示装置で使用している２Ｄ（２次元）グラフィクスチップは、平面上への文字描画や多角形描画は得意とするものの、建物の３次元表示のような陰面消去を行う機能を備えていなかった。そこで、従来の３次元景観表示装置は、まず、建物を視点からの距離に応じてソーティングし、画面奥の建物から順に描画を行っていた。各建物の描画では、視点から見て奥の壁面から順に描画し、最後に天井面を多角形描画することにより陰面消去を行っていた。

特開平２００２−２９８１６２号公報（第２５段落、第２図）

今後、車両用ナビゲーションシステムに代表される３次元景観表示装置は、ますます表示の高速化、リアル化が求められており、従来のグラフィクスチップでは陰面消去機能を備えていないため、先に述べたようにＣＰＵ（中央演算処理装置）で陰面消去を行う必要があり、このような高速化の要求に答えることができなかった。そこで、３次元景観表示装置でもパソコンなどで用いられている本格的な３Ｄ（３次元）グラフィクスチップを使用することが今後予想される。

３Ｄグラフィクスチップは、通常Ｚバッファと呼ばれる奥行き値を記憶するバッファに各描画ピクセルの奥行き値を書き込むことにより、陰面消去をチップで行うことができる。３Ｄグラフィクスチップでの描画には、通常パソコンでは、例えば、Direct3D (Direct3D：３次元描画ライブラリ：参考文献＝DirectX5オフィシャルマニュアル、米Microsoft Co.、アスキー出版局、１９９８)のような３Ｄ描画ライブラリを用いて描画する。また、３次元景観表示装置のような組込みシステムでは、チップメーカー提供の独自の３Ｄ描画ライブラリを用いることが多い。これらの３Ｄ描画ライブラリは、３Ｄグラフィクスチップの原理から、いずれも三角形での描画を基本としている。

そこで、３次元景観表示での建物描画において、建物壁面は、通常は４角形であるので、三角形２つとして３Ｄグラフィクスチップにより容易に陰面消去描画できる。地図平面部分（建物の底面部分）は、例えば５角形などの複雑な多角形形状を有している場合にも、従来の２Ｄグラフィクスチップの機能を用いて多角形描画を行えばよい。しかし、建物天井部分が例えば５角形などの複雑な多角形形状を有している場合は、３Ｄグラフィクスチップにより陰面消去描画できないという問題点があった。

本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、三角形しか描画できないが陰面消去の実施が可能な３Ｄグラフィクスチップを用いて、例えば５角形などの複雑な多角形形状を有する建物天井を表示することができる３次元景観表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る３次元景観表示装置は、建物天井の色、パターンおよびテクスチャの内の少なくとも１つである描画情報と建物の高さ情報とを含む属性を有する建物の底面形状データを格納する地図データ格納手段と、前記建物の底面形状を前記建物の高さ情報の値だけ垂直に立てた壁面の３次元空間での座標を示す３Ｄモデルを生成して建物天井を含まない建物モデルを生成する建物モデル生成手段と、前記生成された建物モデルに対し、所望の視点から見た建物の壁面の表面を描画し、同様に壁面の裏面を裏面の継ぎ目を見えないように前記建物天井の前記描画情報で描画し、これらを壁面消去して合成して建物の３次元形状を描画する３次元グラフィクスチップを用いた３Ｄ描画手段と、前記３Ｄ描画手段で描画された建物の３次元形状を表示する表示手段とを備えたものである。

建物天井が、例えば５角形などの複雑な多角形から構成される場合にも、建物壁面の裏面を天井色または天井パターンまたは天井テクスチャで描画することにより、建物天井を多角形描画することなく、あたかも天井を描画しているかのように表示することができる。

実施の形態１．
以下、本発明を車両用ナビゲーションシステムに適用した場合について説明する。
図１は本発明の実施の形態１による３次元景観表示装置を適用した車両用ナビゲーションシステムのハードウェア構成を示す概略構成図である。車両用ナビゲーションシステムは、図１に示すように、ＧＰＳ（Global Positioning System)衛星から発信されるＧＰＳデータを受信するＧＰＳ受信機１１と、ＧＰＳ受信機１１により受信されたＧＰＳデータに基づいて地図表示や経路案内や経路探索等の通常のナビゲーション処理を実施するマイクロプロセッサ１５と、マイクロプロセッサ１５の指示の下、動作プログラムにしたがってフレームバッファ１９に地図表示などの描画内容を書き込むグラフィックスチップ１８と、フレームバッファ１９の描画内容を表示するディスプレイモニタ２０とを備えている。

さらに、マイクロプロセッサ１５の動作プログラム等を格納するＲＯＭ１２と、マイクロプロセッサ１５が処理を実行する際に各種のデータを一時的に格納するＲＡＭ１３と、動作プログラムが使用するバックアップデータを保存する電池バックアップ付のＳＲＡＭやＤＲＡＭ、または書き込み可能フラッシュＲＯＭなどの永続記憶部１４と、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭやハードディスクなどの外部記憶装置１６と、外部記憶装置１６を制御する外部記憶インターフェイス部１７とを備えている。
なお、ＲＯＭ１２のプログラムは起動時にＲＡＭ１３に展開されることもある。
グラフィクスチップ１８として、従来は陰面消去機能を持たないグラフィクスチップが用いられていたが、本実施の形態ではパソコンなどで用いられているグラフィクスチップで、三角形しか描画できないが陰面消去の実施が可能な３Ｄグラフィクスチップを使用する。

図２は、本発明の実施の形態１による車両用ナビゲーションシステムの機能構成を示す構成図である。これらの機能の処理は、図１のＲＯＭ１２に記憶された動作プログラムが実行する。ユーザインターフェイス部２２は、操作メニューや目的地設定メニューの表示などを行う。自車位置検知部２３は、図１のＧＰＳ受信機１１と、外部記憶装置１６に記憶された地図データから、車両の現在位置を推測する。経路探索部２４は、車両の現在位置から目的地までの案内経路を算出する。経路案内部２５は、探索された案内経路に従って音声と交差点案内図でドライバーに道案内を行う。地図表示を行う地図表示部（３次元景観表示部）２６により、車両の自車位置は地図上に表示される。地図表示部２６は、地図の３次元表示時に建物を３次元表示する建物３次元表示部２７を含む。共通処理部２８は、経路などの共通データの管理や、描画ライブラリなどの各種共通ライブラリの管理など、各部に共通の処理を行う。

図３は、建物３次元表示部の構成を示す構成図である。地図データ格納手段３１は、建物の底面形状（底面ポリゴン形状）とその属性（少なくとも建物の高さ情報を含む。）を記憶する。建物３Ｄモデル生成手段３２は、あとで詳細に説明するように、地図データ格納手段３１に格納された建物の底面ポリゴンの多角形形状と建物属性から、建物の高さ分だけ建物の底面形状である多角形を垂直に立てる方式で、建物の３次元空間での座標を示す３Ｄモデル（３次元形状）を生成する。
３Ｄ描画手段３５は、この建物３Ｄモデルを構成する建物壁面の表面を、３Ｄグラフィクスチップを用いて描画する。この時、壁面には、建物の窓などを示すテクスチャを貼り付けたり、もしくは、窓等を上書き描画することにより壁面にテクスチャを描画する。さらに、３Ｄ描画手段３５は、建物３Ｄモデルを構成する建物壁面の裏面を、３Ｄグラフィクスチップを用いて描画する。この時、建物壁面の裏面は、建物天井の色や、建物天井のパターンや、天井のテクスチャで描画する。

なお、３Ｄ描画手段３５は、３Ｄグラフィクスチップを使用して描画を行うため、多角形を描画することはできず、三角形のみ描画することができるが、建物の壁面は、四角形から構成されるため、容易に三角形２つとして描画できる。以下の説明では、建物３Ｄモデル生成手段３２が建物の壁面の四角形を三画形に分割して記憶する場合について説明するが、これに限るものではない。
建物の天井部分は、例えば５角形などの複雑な多角形形状を有する場合は、３Ｄグラフィクスチップでは描画することはできなかったが、本実施の形態では、建物壁面裏面を、建物天井の色や、建物天井のパターンや、天井のテクスチャで描画することにより、図４に例示するように、建物の天井部分を別途描画することなく、あたかも、天井を描画しているのと同じような画面表示効果を得ることができる。すなわち、建物天井を表示することができる。

壁面描画では、３Ｄグラフィクスのカリングという機能を用いると良い。カリング機能とは、図５に示すように、３Ｄグラフィクスへの設定により、画面座標に座標変換した後に、反時計周りの頂点順序となる面を非表示にしたり、時計回りの頂点順序となる面を非表示にしたりする機能のことである。例えば、代表的な３Ｄグラフィクスライブラリである、前出のDirect3Dでは、IDirect3DDevice8:: SetRenderState関数で、第一引き数を、D3DRS_CULLMODEに設定することによりカリングの設定を行う。第二引き数で、時計周りを非表示とするか(D3DCULL_CW)、反時計回りを非表示とするか(D3DCULL_CCW)、どちら周りでも表示とするか(D3DCULL_NONE)を設定する。このカリング機能を用いて、建物壁面を時計回りの頂点記述で記述し、表面描画時には、反時計回りを非表示とするカリング設定で描画し、裏面描画時には、時計回りを非表示とするカリング設定で描画すると、表面と裏面を描画できる。また、別の方法としては、建物壁面の表面を時計回りの頂点記述で記述し、建物壁面の裏面を反時計回りの頂点記述で記述し、反時計周りを非表示とするカリング設定で描画してもよい。

ここで、建物３Ｄモデル生成手段３２の動作を説明する。例えば図６に示すような建物の底面ポリゴン形状は、建物の高さ情報と共に地図データ格納手段３１に格納されている。この建物の底面ポリゴン形状から、建物３Ｄモデルを生成するには、図７、図８に示すように、まず、底辺ＡＢを建物の高さ分だけ垂直に立てた壁面の３次元空間での座標を示す３Ｄモデルを生成し、底辺ＢＣ、底辺ＣＤ、底辺ＤＥ、底辺ＥＦと順に壁面を生成して建物３Ｄモデルを生成する。この時、三角形プリミティブは、時計回りに記述する。３次元座標には、図９（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すような右手座標系または左手座標系を用いる。この時、壁面のy座標が建物の高さを示す。また三角形プリミティブは、図１０に示すように、テクスチャのｕｖ座標を持つ。３Ｄグラフィクスではテクスチャ座標を１より大きな値にすると、テクスチャを繰り返すことができる。例えば、３回テクスチャを繰り返したい時には、(u, v) = (3.0, 3.0)にすればよい。

次に、３Ｄ描画手段３５の動作を説明する。まず、建物壁面の表面の描画について説明する。建物壁面の表面は、図８の建物３Ｄモデルの記述（三角形プリミティブ）を図１０に示すテクスチャで、半時計回りカリングで３Ｄ描画する。この動作のプログラム記述は図１１に示すようになり、半時計周りカリングにより図１２のような見栄えになる。３Ｄ描画では、３Ｄモデルをある視点から見た描画が可能であり、この視点から見た建物壁面の表面のみが表示される結果となる。もし、３Ｄモデルの頂点記述を半時計周りにした場合は、時計周りカリングで３Ｄ描画することにより同様の表示が得られる。

次に、建物壁面の裏面の描画について説明する。建物壁面の裏面は、図８の底辺の３Ｄモデルの記述（三角形プリミティブ）を図１３に示す天井テクスチャもしくは単色で、時計回りカリングで３Ｄ描画する。この動作のプログラム記述は図１４のようになり、時計周りカリングにより図１５のような見栄えになる。図１２（建物壁面の表面）と同じ視点から見た建物壁面の裏面のみが表示される結果となる。この時、建物壁面の裏面の継ぎ目が見えないように、テクスチャを単色にしたり、ライティングをオフにする。もし、３Ｄモデルの頂点記述を半時計周りにした場合は、半時計回りカリングで３Ｄ描画することにより同様の表示が得られる。

３Ｄ描画手段３５は、３Ｄグラフィクスチップによる陰面消去を実施するため、図１２と図１５の描画が陰面消去され、結果として図１６のように擬似的に天井を描画したような建物の３Ｄ描画が得られる。

図３に戻って、建物３Ｄモデル格納手段３６は、建物の壁面の実際のテクスチャや、実際の３次元形状などの建物のよりリアルな３Ｄモデルを格納している。格納建物３Ｄモデル使用判定手段３７は、描画対象となる建物が、特定の地点、もしくは、特定の路線、もしくは、特定の領域、もしくは、特定のポリゴン属性に該当する時は、建物３Ｄモデル生成手段３２の生成する建物３Ｄモデルではなく、建物３Ｄモデル格納手段３６に格納された、よりリアルな建物３Ｄモデルを描画に使用する。
このことにより、図１７に示すように、建物の底面ポリゴン形状のみから建物３Ｄモデルを生成して描画した３次元地図表示に比べ、より実際の景観に近い、リアルな建物３次元表示が可能となる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態では、建物３Ｄモデル格納手段３６に格納する建物３Ｄモデルは、建物天井を含まない３次元形状データとした場合について説明したが、図１８に示すように、多角形から構成される建物天井をあらかじめ三角形に分割して、天井面を含んだ建物３Ｄモデルとして格納してもよい。
このように、建物天井をあらかじめ三角形（あるいは擬似三角形）に分割しておくと、建物天井面にライティングを施したり、テクスチャをはりつけたりすることができ、単色もしくは単一パターンもしくは単一テクスチャでしか表現できない建物壁面裏面描画手段３４での擬似天井描画に比べて、より多彩でリアルな表現が可能となる。

次に、３Ｄ描画手段３５の動作を説明する。建物３Ｄモデル格納手段３６に格納される建物３Ｄモデル（三角形プリミティブ）は、天井があらかじめ三角形分割されているため、直接、３Ｄ描画手段３５により３Ｄ描画される。すなわち、３Ｄ描画手段３５は、３Ｄグラフィクスチップを用いて、建物壁面の表面および天井の描画、並びに陰面消去を行い、建物の３次元形状を描画する。
多角形の三角形分割は、計算幾何学の代表的な三角形分割アルゴリズム用いると良い（例えばAtul Narkhede, Dinesh Manocha :"Fast Polygon Triangulation based on Seidel's Algorithm",インターネット＜ＵＲＬ http://www.cs.unc.edu/~dm/CODE/GEM/chapter.html＞）。

実施の形態３．
図１９は、本発明の実施の形態３における、建物３次元表示部の機能構成図である。他の構成は実施の形態１と同様であるので、以下では主に、実施の形態１との相違点について説明する。
地図データ格納手段３１は、建物の底面形状（底面ポリゴン形状）とその属性（少なくとも建物の高さ情報を含む。）を記憶する。建物３Ｄモデル生成手段３２は、地図データ格納手段３１に格納された建物の底面ポリゴンの多角形形状と建物属性から、建物の高さ分だけ建物の底面形状である多角形を垂直に立てる方式で、建物の３次元空間での座標を示す３Ｄモデル（３次元形状）を生成する。ここまでは実施の形態１の場合と同様である。
次に、本実施の形態では、建物天井三角形分割手段３８が、図２０に示すように、建物の天井の多角形をオンラインで三角形に分割する。多角形の三角形分割には、計算幾何学の分野の三角形分割アルゴリズムを用いる。
次に、３Ｄ描画手段３５は、３Ｄグラフィクスチップを用いて、建物３Ｄモデルを構成する建物壁面の表面および天井（建物天井三角形分割手段３８により三角形に分割されている。）の描画並びに陰面消去を行い、建物の３次元形状を描画する。すなわち、三角形プリミティブを描画する。

このように、建物の天井部分を三角形分割することにより、建物の天井にライティングを施したり、また、建物の天井に任意のテクスチャを貼ったりすることができ、よりリアルな描画が可能となる。

実施の形態４．
なお、上記実施の形態３では、建物３Ｄモデル格納手段３６に格納する建物３Ｄモデルは、建物天井を多角形として記述した３次元形状データとした場合について説明したが、実施の形態２の図１８に示したように、多角形から構成される建物天井をあらかじめ三角形に分割して、天井面を含んだ建物３Ｄモデルとして格納してもよい。
このように、建物天井をあらかじめ三角形に分割しておくと、建物天井三角形分割手段３８でオンラインで多角形を三角形分割する手間が省けて、少ない処理負荷で描画が可能となる。
図２１は、この時の建物３次元表示部の機能構成図であり、建物３Ｄモデル格納手段３６に格納された建物モデルは、建物天井三角形分割手段３８を経由せずに、直接、３Ｄ描画手段３５により描画される。

実施の形態１による車両用ナビゲーションシステムのハードウェア構成を示す概略構成図である。実施の形態１による車両用ナビゲーションシステムの機能構成を示す構成図である。実施の形態１に係り、図２の建物３次元表示部の機能構成を示す構成図である。実施の形態１に係り、建物３次元表示部での描画の様子を説明する説明図である。実施の形態１に係り、カリング機能を説明する説明図である。実施の形態１に係り、地図データ格納手段に格納されている建物の底面ポリゴン形状を示す図である。実施の形態１に係り、建物の底面ポリゴン形状からの建物３Ｄモデル生成について説明する図である。実施の形態１に係り、建物３Ｄモデルの記述の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、右手座標系（ａ）と左手座標系（ｂ）による３次元座標を示す図である。実施の形態１に係り、建物壁面表面のテクスチャのｕｖ座標系の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物壁面表面の３Ｄ描画動作のプログラム記述の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物壁面表面の３Ｄモデル描画結果の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物壁面裏面のテクスチャのｕｖ座標系の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物壁面裏面の３Ｄ描画動作のプログラム記述の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物壁面裏面の３Ｄモデル描画結果の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物の３Ｄモデル描画結果の一例を示す説明図である。実施の形態１に係り、建物３Ｄモデル格納手段に格納されている３Ｄモデルとそれを用いた建物表示結果の一例を示す説明図である。実施の形態２に係り、建物３Ｄモデル格納手段に格納されている３Ｄモデルの一例を示す説明図である。実施の形態３に係り、建物３次元表示部の機能構成を示す構成図である。実施の形態３に係り、建物底面ポリゴンの三角形分割について説明する図である。実施の形態４に係り、建物３次元表示部の機能構成を示す構成図である。

符号の説明

１１ＧＰＳ受信機、１２ＲＯＭ、１３はＲＡＭ、１４永続記憶部、１５マイクロプロセッサ、１６外部記憶装置、１７外部記憶インタフェース部、１８グラフィックスチップ、１９フレームバッファ、２０ディスプレイモニタ、２２ユーザインターフェイス部、２３自車位置検知部、２４経路探索部、２５経路案内部、２６地図表示部、２７建物３次元表示部、２８共通処理部、３１地図データ格納手段、３２建物３Ｄモデル生成手段、３５３Ｄ描画手段、３６建物３Ｄモデル格納手段、３７格納建物３Ｄモデル使用判定手段、３８建物天井三角形分割手段。

Claims

建物天井の色、パターンおよびテクスチャの内の少なくとも１つである描画情報と建物の高さ情報とを含む属性を有する建物の底面形状データを格納する地図データ格納手段と、
前記建物の底面形状を前記建物の高さ情報の値だけ垂直に立てた壁面の３次元空間での座標を示す３Ｄモデルを生成して建物天井を含まない建物モデルを生成する建物モデル生成手段と、
前記生成された建物モデルに対し、所望の視点から見た建物の壁面の表面を描画し、同様に壁面の裏面を裏面の継ぎ目を見えないように前記建物天井の前記描画情報で描画し、これらを壁面消去して合成して建物の３次元形状を描画する３次元グラフィクスチップを用いた３Ｄ描画手段と、
前記３Ｄ描画手段で描画された建物の３次元形状を表示する表示手段と
を備えた３次元景観表示装置。
３Ｄ描画手段の建物壁面の裏面への描画は、単色で行うことを特徴とする請求項１に記載の３次元景観表示装置。
３Ｄ描画手段の建物壁面の裏面への描画は、ライティングをオフにすることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元景観表示装置。