JP4379264B2 - 立体画像作成装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体画像作成装置に関し、より具体的には、立体的に認識可能な平面的な画像を作成する装置に関する。

立体的に認識可能な平面的な画像として、代表的には、立体地形図がある。立体地形図は、平面に図示されながらも、地形の起伏を立体的に見えるようにした地形図である。このような立体地形図を作成する方法として、標高毎に異なる彩色、濃淡又は諧調を施す方法（例えば、特許文献１）と、想定した方向からの太陽光の照射による陰影を算出して、諧調、輝度又は彩色に変化を付ける方法（例えば、特許文献２，３，４）がある。

特許文献１に記載の方法では、同じ標高帯に属する谷と尾根が同一色又は同一諧調で表現されるので、両者を区別できない。即ち、尾根を谷と誤解したり、谷を尾根と誤解しやすい。

また、特許文献２，３，４に記載の方法では、例えば、山の地形図では、太陽光が入射する側では谷と尾根は何とか判別できるものの、その反対側は全体的に黒くつぶれることになり、谷や尾根自体も判別しにくくなる。光線に平行な斜面に対して陰影を表わすことができない。光源の角度よりも下方に急勾配の斜面に対しては光線が当たらず、影になる。こられの理由により、この方法では、形状情報が著しく減少する。

特許文献２，３に記載の方法の上述の欠点を解消する方法として、仮想的な太陽光の反射強度により濃淡を付けた地形図、即ち、特許文献２，３に記載の方法で作成される濃淡図に更に、上空への開き具合で濃淡（又は白黒の諧調）が異なる地形図（開度図又は尾根谷度図）とを合成する方法が提案されている。
特開２００２−０２３６１９号公報 特開２００１−１４３１０２号公報 特開平７−２４９１１４号公報 特開平５−１８７８７６号公報

濃淡図と開口度図とを合成する方法でも、例えば、窪地をその全周にわたり明確に図示することは難しく、仮想的な太陽光の影になる部分では、暗くつぶれて形状を判別しにくい部分ができてしまう。

本発明は、このような問題点を解決し、窪地の全周を明確に図示できる立体画像作成装置を提示することを目的とする。

本発明に係る立体画像作成装置は、立体構造物の表面形状を規定する原形状データの凹部及び凸部を検出する凹凸検出手段と、当該凹凸検出手段の検出結果に従い、当該原形状データを凹部、凸部及び平坦部に分離する分離手段と、当該分離手段で分離された当該凹部及び凸部を寒暖色及び輝度の何れかで調整する調整手段と、当該調整手段の出力データ及び当該分離手段で分離された当該平坦部の当該原形状データを空間位置に従ってまとめる合成手段と、ベース画像を出力するベース画像出力手段と、当該合成手段による合成後のデータが示す陰影元画像に、当該ベース画像を混合する混合器とを具備し、当該凹凸検出手段が、当該原形状データから所定空間周波数成分を抽出する空間周波数成分抽出手段と、当該原形状データから当該所定空間周波数成分を減算する減算器とを具備することを特徴とする。
本発明に係る立体画像作成装置は、立体構造物の表面形状を規定する原形状データの凹部及び凸部を検出する凹凸検出手段と、当該凹凸検出手段の検出結果に従い、当該原形状データを凹部、凸部及び平坦部に分離する分離手段と、当該分離手段で分離された当該凹部及び凸部を寒暖色及び輝度の何れかで調整する調整手段と、当該調整手段の出力データ及び当該分離手段で分離された当該平坦部の当該原形状データを空間位置に従ってまとめる合成手段と、当該合成手段による合成後のデータに当該原形状データを加算し、この加算結果を画像化する手段とを具備し、当該凹凸検出手段が、当該原形状データから所定空間周波数成分を抽出する空間周波数成分抽出手段と、当該原形状データから当該所定空間周波数成分を減算する減算器とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、窪地等、従来の方法では不明確又はつぶれてしまうような部分も明確に立体画像化することができる。即ち、全域にわたり細部の凹凸を明確に識別可能な立体画像を作成できる。１つの数値モデルからも作成可能であるので、単一ソースから一連の計算処理で自動的に立体画像を形成できる。特に、地形判読の分野では、稜線（水域）や活動中の崩壊危険箇所などの判別にも利用でき、防災・環境調査などでも有効である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。原地形データ１０は、地形の３次元座標値で表現するデータであり、例えば、一定間隔のグリッドに標高値を割り当てたデータ形式、又は地形の形状をベクトルで表現するベクトル形式等からなる。原地形データ１０は、例えば、コンピュータの補助記憶装置であるハードディスク等に格納されている。

凹凸検出装置１２は、原地形データ１０により示される地形の凹部、凸部及び平坦部を検出する。ここでの平坦部は凹部及び凸部を除いた部分であり、後述のように一定傾斜の平坦地を含む。分離装置１４は、凹凸検出装置１２の検出結果に従い、原地形データ１０を、凹部、凸部及び平坦部に分離する。人間は相対的に、寒色で表現される物を遠くに感じ、暖色で表現される物を近く感じる。本実施例では、これを利用し、色変換装置１６が、分離装置１４で分離された凹部の原地形データに寒色系の色を付与し、色変換装置１８が、分離装置１４で分離された凸部の原地形データに暖色系の色を付与する。このように色を付与又は変換する代わりに、凸部か凹部かに応じて色味を微調整してもよい。

色変換装置１６からの凹部の地形データ、色変換装置１８からの凸部の地形データ、及び、分離装置１４からの平坦部の地形データは、メモリ２０又はハードディスクに１つの地形データ（陰影地形データ）として格納される。即ち、平坦部の地形データと、色を付与又は変換された凸部及び凹部の地形データとが、これらデータが示す地形上の位置に従ってメモリ２０上で１つにまとめられる。即ち、メモリ２０は、個別の地形データを１つにまとめる合成装置として機能する。

メモリ２０に格納される陰影地形データは、いわば、原地形データ１０の地形を垂直上方から太陽光で照射した場合の陰影を強調して示すものになっている。この陰影地形データに種々の地形図を重ねることで、多様な立体地形表現を実現できる。例えば、本実施例では、画像化装置２２が、メモリ２０に格納される陰影地形データを、後述する表示装置２８による表示及び印刷装置３０による印刷に適した解像度で画像化する。画像化装置２２の出力画像を表示又は印刷すると、尾根と谷が強調されたものになる。

画像化装置２２から出力される陰影元画像の陰影を効果的に平準化するために、本実施例では、画像化装置２２の出力画像に、同じ地形を表現する別の画像（ここでは、ベース画像と呼ぶ）を、適当な混合比で混合する。画像化装置２４は、原地形データ１０から、別の方法による陰影画像、カラー段彩色画像、等高線図を示す画像、傾斜勾配を示す画像、又は、傾斜方位区分図を示す画像等を生成し、ベース画像として出力する。なお、別の地形ソースからの画像、例えば、オルソ画像、ＤＥＭ（Digital Elevation Model：数値標高モデル）、ＤＴＭ（Digital Terrain Model：数値地形モデル）、ＤＳＭ（Digital Surface Model：数値表層モデル）等の種々のＤＭモデルから得られる画像、又は、別の地形図からの画像をベース画像としてもよい。

混合装置２６は、同じ地形位置同士で、画像化装置２２，２４の出力画像データを指定の混合比で加算混合する。混合装置２６の出力画像は、目的の地形を立体地形図として表示する画像データである。メモリ２０に記憶される陰影地形データが原地形データ１０と同じ地形上の位置に対してデータ化されている場合には、メモリ２０に記憶される陰影地形データと原地形データを同じ位置同士で適当な混合比で加算した後に、画像化してもよい。

表示装置２８は、混合装置２６の出力データ、即ち立体地形画像を、画面上に表示する。これにより、凹凸を寒暖色で表現する立体地形図が、表示装置２８の画面上に表示される。また、印刷装置３０は、混合装置２６の出力画像データを画像として印刷出力する。

本実施例の方法は、いわば、垂直上方向から太陽光を照射する計算モデルに相当する。従って、影になってつぶれやすい部分は、屋根状に張り出た部分だけであり、火山の火口のような窪み部分でも、つぶれること無しに明確に表現できる。従来の太陽光斜め入射モデルで発生するような、山に隠れた部分のつぶれ等は発生しない。

カラー表示の例を説明したが、モノクロ表現の場合には、色変換装置１６，１８を、凹部の輝度を下げ、凸部の輝度を上げる輝度調整装置に変更しても良い。

凹凸検出装置１２の構成と動作を説明する。空間移動平均算出装置３２は、原地形データ１０により示される地形の空間移動平均を計算する。減算器３４は、原地形データ１０から、空間移動平均算出装置３２により計算された移動平均値を同じ位置同士で減算する。図２（Ａ）は、原地形データ１０で示される原地形と、空間移動平均算出装置３２で算出される移動平均との関係を示す模式図を示し、同（Ｂ）は、減算器３４の出力例を示す。図２（Ａ）で、原地形を実線で示し、移動平均を破線で示す。移動平均はいわば、空間的な地形変化の低周波数成分又は平滑化された地形を示す。原地形データと移動平均との差を算出することで、対象部分が移動平均の周波数成分よりも急激な変化を示している部分を検出できる。本実施例では、移動平均よりも高い地形部分を凸部とし、移動平均よりも低い地形部分を凹部とし、これら以外を平坦部とする。本実施例では、一定傾斜角度の傾斜地が水平な平坦面と同視されるので、一定傾斜角度の傾斜地には陰影は付されない。

図２（Ａ），（Ｂ）から分かるように、凸部では、減算器３４の出力は正値になり、凹部では、減算器３４の出力は、負値になる。凸部から凹部、及び凹部から凸部に変化する途中で、減算器３４の出力はゼロになる。一定傾斜地を含む平坦部では、減算器３４の出力値は、ゼロ又はゼロに極く近い値となる。通常、減算器３４の出力値が、ゼロでなくても、ゼロに極く近い場合には、減算器３４の出力値が実質的にゼロであるとみなす。このような処理は、コンピュータ処理では一般的である。減算器３４の出力は、凹凸検出装置１２の検出結果として分離装置１４の制御端子に印加される。

分離装置１４は、減算器３４の出力符号、即ち、正、負又はゼロに応じて、原地形データ１０の各部を分離する。即ち、分離装置１４は、減算器３４の出力値が負値になる原地形データ１０を、凹部として色変換装置１６に供給し、減算器３４の出力値が正値になる原地形データ１０を、凸部として色変換装置１８に供給し、これら以外を、平坦部としてメモリ２０の該当する記憶位置に書き込む。

凹凸検出の一方法として、マトリックスの移動平均を例に説明したが、その他に、マトリックスの加重平均、並びに、２次元及び３次元の空間高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のスペクトル解析等が利用可能である。移動平均は、いわば、簡易フーリエ変換である。

例えば、原地形データ１０が、水平面内のｘ方向及びｙ方向に一定間隔で区切られたグリッド上で標高（ｚ）座標値が与えられているグリッドデータ形式で表現されているとする。その場合、マトリックス移動平均法では、次のようにして簡単に移動平均を求めることができる。図３は、注目グリッドを含む３×３のグリッド内で移動平均を求めるマトリックス３の模式図を示す。ｘ方向のｉ番目及びｙ方向のｊ番目のグリッド（ｉ，ｊ）の標高がＨ（ｉ，ｊ）で表現されるとする。このとき、グリッド（ｉ，ｊ）の移動平均値Ｈａｖｅ（ｉ，ｊ）は、グリッド（ｉ，ｊ）を中心とする９グリッドの高さの加算平均値、即ち、
Ｈａｖｅ（ｉ，ｊ）
＝（Ｈ（ｉ−１，ｊ−１）＋Ｈ（ｉ，ｊ−１）＋Ｈ（ｉ＋１，ｊ−１）
＋Ｈ（ｉ−１，ｊ）＋Ｈ（ｉ，ｊ）＋Ｈ（ｉ＋１，ｊ）
＋Ｈ（ｉ−１，ｊ＋１）＋Ｈ（ｉ，ｊ＋１）＋Ｈ（ｉ＋１，ｊ＋１））／９
で与えられる。

なお、注目グリッドを中心に５×５のグリッドの標高を加算平均する方法を使用とすると、マトリックス３よりも低周波の地形変動成分が抽出される。移動平均のサイズ、即ちグリッド数は、対象地形の変化の程度と、表現したい細密さ等に従って、適宜に決定される。原地形データ１０上で有効な標高値を得られない端部分では、例えば、端の標高値が無限に外側に続いていると近似すれば良い。

注目グリッドをｘ方向及びｙ方向に走査することで、一定水平面内での移動平均を算出できる。

本実施例は、実際上、コンピュータ上のプログラムソフトウエアで実現され得る。図４は、そのプログラムのフローチャートを示す。目的の地域の原地形データＨｏｒｇ（ｉ，ｊ）を読み込む（Ｓ１）。原地形データＨｏｒｇ（ｉ，ｊ）から上述の方法で移動平均Ｈａｂｅ（ｉ，ｊ）を計算する（Ｓ２）。地形上の同じ位置で差分Ｈｏｒｇ（ｉ，ｊ）−Ｈａｂｅ（ｉ，ｊ）を計算し、その結果に基づき、凸部、凹部及び平坦部を識別し、メモリ２０に記憶される陰影地形データに相当するデータＨｓ（ｉ，ｊ）を生成する（Ｓ３）。データＨｓ（ｉ，ｊ）から陰影元画像を生成する（Ｓ４）。

原地形データＨｏｒｇ（ｉ，ｊ）からベース画像を生成するか（Ｓ５）、又は、別のソースからベース画像を用意する（Ｓ６）。

陰影元画像とベース画像の輝度と画像混合比を設定し（Ｓ７）、陰影元画像とベース画像を混合する（Ｓ８）。混合結果を確認し（Ｓ９）、不満であれば、輝度と混合比を再調整して（Ｓ７）、混合をやり直す（Ｓ８）。混合結果に満足であれば（Ｓ９）、混合結果を保存し、出力（表示及び／又は印刷）する（Ｓ１０）。例えば、混合後の合成画像の濃度を調節することで、強調したい部位を変更できる。例えば，混合比（％）を１０：９０〜９０：１０で設定可能とし、強調時には、混合比を９０：１０〜６０：４０とし、同等時には、混合比を６０：４０〜４０：６０とし、弱める時には混合比を４０：６０〜１０：９０とする。

凹凸検出装置１２の空間移動平均算出装置３２で抽出する空間周波数を変更することにより、強調した形状を変更できる。これを利用することで、強調した形状が異なる複数の陰影元画像を生成できる。例えば、細い谷（波長：数ｍ〜）を強調した陰影元画像と，緩やかな窪み（波長：数１００ｍ〜）を強調した陰影元画像を生成できる。この両者を適当な合成比率で合成することで、細い谷と緩やかな窪みの両方を強調した陰影元画像を生成できる。この陰影元画像にベース画像を合成すると、細い谷と緩やかな窪みの両方を明瞭に図示した立体画像を生成できる。

立体地形図を例に本発明を説明したが、本発明は、より一般的には、立体構造物の表面形状を規定する３次元データからその表面の凹凸を視覚的に認識可能な表面画像を作成する場合にも適用できる。例えば、漆喰画などの人工構造物及び壁面などを立体として認識可能な画像として表現するのに利用可能である。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例の概略構成ブロック図である。 本実施例の凹凸検出の原理を説明する模式図である。 移動平均算出の説明図である。 本実施例を実装したコンピュータプログラムのフローチャートである。

符号の説明

１０：原地形データ
１２：凹凸検出装置
１４：分離装置
１６，１８：色変換装置
２０：メモリ
２２，２４：画像化装置
２６：混合装置
２８：表示装置
３０：印刷装置
３２：空間移動平均算出装置
３４：減算器

Claims (8)

1. 立体構造物の表面形状を規定する原形状データの凹部及び凸部を検出する凹凸検出手段と、
   当該凹凸検出手段の検出結果に従い、当該原形状データを凹部、凸部及び平坦部に分離する分離手段と、
   当該分離手段で分離された当該凹部及び凸部を寒暖色及び輝度の何れかで調整する調整手段と、
   当該調整手段の出力データ及び当該分離手段で分離された当該平坦部の当該原形状データを空間位置に従ってまとめる合成手段と、
   ベース画像を出力するベース画像出力手段と、
   当該合成手段による合成後のデータが示す陰影元画像に、当該ベース画像を混合する混合器
   とを具備し、
   当該凹凸検出手段が、
   当該原形状データから所定空間周波数成分を抽出する空間周波数成分抽出手段と、
   当該原形状データから当該所定空間周波数成分を減算する減算器
   とを具備することを特徴とする立体画像作成装置。
2. 当該混合器は、当該合成手段による合成後のデータを画像化して、陰影元画像を出力する画像化手段と、当該画像化手段による当該陰影元画像に当該ベース画像を混合する加算器とを具備することを特徴とする請求項１に記載の立体画像作成装置。
3. 当該ベース画像出力手段が、当該原形状データを画像化する手段である請求項１又は２に記載の立体画像作成装置。
4. 立体構造物の表面形状を規定する原形状データの凹部及び凸部を検出する凹凸検出手段と、
   当該凹凸検出手段の検出結果に従い、当該原形状データを凹部、凸部及び平坦部に分離する分離手段と、
   当該分離手段で分離された当該凹部及び凸部を寒暖色及び輝度の何れかで調整する調整手段と、
   当該調整手段の出力データ及び当該分離手段で分離された当該平坦部の当該原形状データを空間位置に従ってまとめる合成手段と、
   当該合成手段による合成後のデータに当該原形状データを加算し、この加算結果を画像化する手段
   とを具備し、
   当該凹凸検出手段が、
   当該原形状データから所定空間周波数成分を抽出する空間周波数成分抽出手段と、
   当該原形状データから当該所定空間周波数成分を減算する減算器
   とを具備することを特徴とする立体画像作成装置。
5. 当該調整手段は、当該分離手段で分離された当該凹部を寒色で色調整する第１色調整手段と、当該分離手段で分離された凸部を暖色で色調整する第２色調整手段とからなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の立体画像作成装置。
6. 当該調整手段は、当該分離手段で分離された当該凹部の輝度を，当該分離手段で分離された凸部の輝度より低くなるように、当該分離手段で分離された当該凹部及び当該分離手段で分離された凸部の輝度を調整することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の立体画像作成装置。
7. 当該空間周波数成分抽出手段は、当該原形状データの移動平均、加重平均及びＦＦＴの何れかにより当該所定空間周波数成分を抽出することを特徴とする請求項１又は４に記載の立体画像作成装置。
8. 当該原形状データは、地形データであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の立体画像作成装置。

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