JP4397372B2 - ３次元形状データの作成方法、３次元形状データの作成装置、及び、３次元形状データの作成プログラム - Google Patents

Description

本発明は、デザイナ等が作成した３次元物体のスケッチから当該３次元物体の３次元形状データを作成する３次元形状データの作成方法、３次元形状データの作成装置、及び、３次元形状データの作成プログラムに関する。

従来から、デザイナ等が手書きで作成したスケッチから３次元形状データを作成する手法が各種提案されている。例えば、ある平面で切断された際の断面線が描かれている３次元物体の透視図（スケッチ）を用いて、当該透視図に対する前記平面に対応する消失点等から、直交座標系の３次元空間内に於ける平面を表現する平面方程式を求め、当該平面方程式で表わされた平面に断面線を投影することにより、３次元物体の３次元形状データを作成する手法が開示されている（例えば、特許文献１）。

また、手書きの複数枚のスケッチからなる透視図を読込み、データ処理により３次元データを作成する手法が開示されている（例えば、特許文献２）。

これら従来技術では、デザイナ等の描くスケッチが数学的に不正確なパースになっているにもかかわらず、そのパースを正しいものとして３消失点を求め視点位置及び３次元空間を定義する。そして、従来技術には、この定義された３次元空間を用いて、（１）複数の異なる視線方向（ビュー）スケッチから三角測量法的に立体を合成する方法、（２）パースに類似する３次元形状を検索し、ニューラルネット等で類似する３次元形状を変形してパースにあわせて立体を創成する方法、（３）ＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ
ｄｅｓｉｇｎ）的に一面図を人間が作成し、パースの線と合成する方法などがある。

特開平６−１４９９４３号公報 特開２００４−２０６２６２号公報 特開平６−３０１７５１号公報 特開平１０−２６９３８０号公報

デザイナ等が作成するスケッチは、正確な直交座標系に従って描かれているわけではない。そのため、このスケッチは、座標系がデザイナ等のイメージにより大局的に歪められていることが多い。従って、上述の従来技術のように、直交座標系の３次元空間において３次元形状データを生成した場合、３次元形状データにデザイナ等の意図するイメージが反映されない場合がある。

即ち、上述の従来技術では、デザイナが作成するスケッチが数学的に不正確なパースとなっている。しかし、上述の従来技術では、スケッチが正確なパースで表現されていると仮定して、３次元直交空間でスケッチを見た場合の最適なパースを探し出すことにより、３次元形状データが生成される。しかし、実際にはスケッチは正確なパースでは表現されていない。このため、上述の従来技術では、スケッチに表現されたデザイナのコンセプトやイメージが反映されていない３次元形状データが生成されてしまうという問題点があった。

また、上述の従来技術では、座標系の定義に関して３消失点法を採用しているが、スケ
ッチには消失線がないことから、３消失点法を用いると、スケッチと３次元形状データとの間に大きな誤差が生じる。そのため、一枚のスケッチから３次元形状データを取得することができないという問題点を有している。

また、スケッチの線により表現されている構造には立体構成の概念はない。そのため、スケッチ通りに見える立体が３次元空間内で造形できない場合があるという問題点を有している。また、スケッチから３次元形状データを作成する手法はデザイン作業とかけ離れたワークフローであるため、スケッチされたデザインの良さを残しつつ、３次元形状データにおいて修正・変形ができないという問題点を有している。

そこで、本発明は、デザイナの意図やイメージが反映された３次元形状データを作成することができる、３次元形状データの作成方法、３次元形状データの作成装置、及び、３次元形状データの作成プログラムを提供することを目的とする。

本発明の３次元形状データの作成方法は、スケッチの画像のスペックを入力する入力工程と、前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取工程と、前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化工程と、前記スケッチの画像に設定された所定の値と、コンピュータ上で定義された３次元空間の所定の値とを対応させて、前記入力されたスペックを満たすように前記スケッチの画像の前記３次元空間における配置位置及び前記画像に対する視点位置を決定する決定工程と、前記配置位置及び視点位置に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成工程と、前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成工程と、前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正工程と、前記創成された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成工程とを備える。

また、本発明の３次元形状データの作成方法では、前記決定工程は、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された座標軸を対応させるアングル法と、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された３点を対応させる３点法とのいずれかを用いて行われる。

また、本発明の３次元形状データの作成方法では、前記空間曲線創成工程は、前記断面線を移動させることにより仮想面を創成する仮想面創成工程と、前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影工程とを備える。

また、本発明の３次元形状データの作成装置は、スケッチの画像のスペックを入力する入力手段と、前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取手段と、前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化手段と、前記スケッチの画像に設定された所定の値と、コンピュータ上で定義された３次元空間の所定の値とを対応させて、前記入力されたスペックを満たすように前記スケッチの画像の前記３次元空間における配置位置及び前記画像に対する視点位置を決定する決定手段と、前記配置位置及び視点位置に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成手段と、前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成手段と、前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正手段と、前記創成された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成手段とを備える。

また、本発明の３次元形状データの作成装置では、前記決定手段は、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された座標軸を対応させるアングル法と、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された３点を対応させる３点法とのいずれかを用いて決定処理を行う。

また、本発明の３次元形状データの作成装置では、前記空間曲線創成手段は、前記断面線を移動させることにより仮想面を創成する仮想面創成手段と、前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影手段とを備える。

また、本発明の３次元形状データの作成プログラムは、コンピュータを、スケッチの画像のスペックを入力する入力手段、前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取手段、前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化手段、前記スケッチの画像に設定された所定の値と、コンピュータ上で定義された３次元空間の所定の値とを対応させて、前記入力されたスペックを満たすように前記スケッチの画像の前記３次元空間における配置位置及び前記画像に対する視点位置を決定する決定手段、前記配置位置及び視点位置に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成手段、前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成手段、前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正手段、及び、前記創成された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成手段として機能させる。

また、本発明の３次元形状データの作成プログラムでは、前記決定手段は、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された座標軸を対応させるアングル法と、前記スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ設定された３点を対応させる３点法とのいずれかを用いて決定処理を行う。

また、本発明の３次元形状データの作成プログラムでは、前記空間曲線創成手段は、前記断面線を移動させることにより仮想面を創成する仮想面創成手段と、前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影手段とを備える。

本発明では、スケッチ１枚をデータ化して３次元形状データを得るため、複数枚のスケッチを用いずに、スケッチ１枚のみを用いて３次元形状データを創生できる。

また、本発明では、スケッチの断面線を用いて３次元形状データを得ているため、スケッチのイメージが３次元形状データに反映され、スケッチにおいてデザイナ等が意図又はイメージした通りの３次元形状データを創成することができる。

また、本発明では、例えば作成する車などのスペックが定義され、このスペックに合致するようにスケッチの画像が３次元化されることから、スペックと作成される３次元形状との対応が正確なものとなり、魅力ある意匠が実現できるスペックがどのようなものであるのかを提案できる。

また、本発明では、スケッチの画像が３次元形状として創成されるため、写真による背景画像に対しても、３次元化されたスケッチの画像を自然に合成することができる。また、本発明によれば、２次元画像を３次元化することができるため、アニメーションキャラ
クタを容易に３次元化することができる。

このように、本発明は、従来のＣＡＤより高速・高精度にデザインされたスケッチを３次元化することができる。また、本発明は、コンピュータ内部に定義された３次元空間内でのパースの視点位置探索の高精度化が可能になったので、ＣＧにより作成されたパースの視点位置と、実車の画像の視点位置とを正確に決定することができ、これらの画像の合成を容易に行うことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図１を基礎に、図２以下の各図を参照して説明する。なお、以下の説明は、車両を描いたスケッチに関するものであるが、本発明による３次元形状データの作成方法は、電化製品、鉄道、飛行機等のような車両以外の種々の３次元物体のスケッチに対して適用可能である。また、以下の説明において、２次元形状のことを２Ｄと記し、３次元形状のことを３Ｄとも記す。

まず、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態の動作の概略について説明する。なお、以下に説明する本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態の説明は、本発明の３次元形状データの作成装置及び本発明の３次元形状データの作成プログラムの一実施形態の説明を兼ねる。

本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態は、１）スケッチの画像データをスキャナにより読み取り、コンピュータにスケッチの画像データを読み取らせ、スケッチの画像をデータ化する処理と、２）スケッチの２軸２点、３軸１点１距離、３点、又は、３点２軸を、コンピュータ内に定義された３次元空間の２軸２点、３軸１点１距離、３点、又は、３点２軸のそれぞれと対応させて、スケッチの３次元空間内での配置と観察位置を定義する処理と、３）スケッチに描かれている線（画像線ともいう）のうち、断面線（センター、ドア等）を３次元空間に写像する処理と、４）スケッチに描かれている線のうち断面線以外の線を３次元空間で立体化する処理と、５）３次元空間において、３面図で観察した場合に歪みがないように投象及びパースを固定しながら創成形状を変形する処理と、６）得られた３次元空間での線を利用して面を創成する処理とからなる。

なお、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態の各処理は、コンピュータのＣＰＵとメモリに格納されたプログラムとが協働することにより実現する。よって、本実施形態の３次元形状データの作成方法は、コンピュータを用いて実施する場合を例に以下、説明する。なお、本発明の３次元形状データの作成プログラムは、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷなど、その他の任意の媒体に格納されるとしても良い。

図１は、スケッチから３次元形状データを作成する本発明による３次元形状データ作成方法の一実施形態を示すフローチャートである。なお、本明細書において、「スケッチ」とは、デザイナの意図やイメージを表現した絵、即ち、正確なパース表現ではなく、比率や角度が異なり、立体構成も不正確でありうるものを指す。

図２は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態をコンピュータにより実施する場合のコンピュータの機能ブロック図である。図２に示されるように、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態をコンピュータにより実施する場合、このコンピュータには、スケッチされた物体の長さなどのスペックを入力するための、キーボードなどにより構成される基本スペック入力部２０１と、スキャナなどを用いてスケッチの画像データを読み取るスケッチ読取部２０２と、スキャナにより読み取られたスケッチの画像などを表示するディスプレイなどの画面表示部２０３とを備える。

さらに、このコンピュータには、画面表示部２０３に表示されている画像に２次元座標を定義する２次元座標定義部２０４と、スキャナにより読み込まれた画像の線をデータ化する画像線データ化部２０５と、スキャナにより読み込まれた画像の３次元空間での配置位置と、スキャナにより読み込まれた画像の視点位置を決定する配置位置及び視点決定部２０６と、３次元空間中にドア断面（ＳＬ断面）とセンター断面（ＳＷ断面）とを創成するＳＬ断面・ＳＷ断面創成部２０７と、創生されている断面線から空間曲線を創成する空間曲線創成部２０８と、側面、前面及び上面の三面のそれぞれの方向からの歪みを修正する歪み修整部２０９と、創生された曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成部２１０とを備える。

また、空間曲線創成部２０８は、ドア断面線（ＳＬ断面）とセンター断面（ＳＷ断面）との少なくともいずれかを回転・平行移動・拡大縮小させて仮想曲面を創成する仮想面創成部２１１と、創成された仮想面に、視点からスケッチの線を投影して空間曲線を創生する投影部２１２とを備える。これら図２に示される各部の機能は、メモリに格納されたプログラムにより実現されるとして良い。

まず、コンピュータに入力される入力データには、３次元物体の所与のデータ（本実施形態では、車両の全長、全幅、高さ、タイヤの配置位置などを含むタイヤの配置情報）が含まれる（Ｓ１００）。これらのデータにより、車両サイズが決定される。また、本実施形態では、３次元形状データを作成する基になるスケッチは、車両を斜め前方向から表現したスケッチ（以下、「クォータービュースケッチ」という）である（図３参照）。図３は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態において使用されるスケッチの一例の概略図である。

クォータービュースケッチの画像データは、スキャナ等で読み込まれ、ディスプレイに画像として表示される（Ｓ１１０）。なお、ディスプレイ上のスケッチに対応する画像は、ユーザがマウス等を操作することで回転、移動、拡大及び縮小が可能である。

次に、ユーザは、スキャナ入力されたスケッチの画像データの中に、２次元座標を定義する（Ｓ１２０）。すなわち。図４に示されるように、スキャナにより画像が読み取られ、データとして入力されたスケッチに対して、ユーザが入力した所定のパラメータに基づいて、コンピュータが２次元直交座標を定義する。図４は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態において、スケッチの画像の中に２次元座標を定義する際の概略図である。

次に、スキャンされたスケッチの画像の線（画像線）が、データ化される（Ｓ１３０）。すなわち、スケッチの画像線は、それぞれの２次元直交座標系における座標値の集合として表現される。画像線には、断面線や輪郭などのキャラクタ線が含まれる。そして、この座標値の集合により、スケッチの画像線をデータにより定義する。なお、スケッチの画像線のデータ化は、既存のＣＡＤが通常的に備える曲線創成機能を用いて実行可能である。

次に、スキャナにより読み込まれたスケッチの画像の３次元空間上での配置位置とその画像の観察方向となる視点を決定する処理が行われる（Ｓ１４０）。この決定処理は、スケッチの中に描かれている点やベクトルを、３次元空間中の点やベクトルに対応させる処理である。

この決定処理は、アングル法と３点法とのいずれかにより行われる（Ｓ１５０）。アングル法とは、スケッチ及び３次元空間において、それぞれ座標軸を定義し、これらの座標
軸の対応に基づいて、スケッチの画像の３次元空間上での配置位置とその画像の観察方向となる視点を決定する処理である。また、３点法とは、スケッチ及び３次元空間においてそれぞれ３点を定義し、これらの３点の対応に基づいて、スケッチの画像の３次元空間上での配置位置とその画像の観察方向となる視点を決定する処理である。

アングル法には、２軸法（図５参照）と、３軸法（図６参照）とがある。また、３点法には、固定３点法（図７参照）と、変動３点法（図８参照）とがある。以下、これらの決定処理について順次説明する。図５は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、２軸法の動作の概略図であり、図６は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法の動作の概略図であり、図７は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、固定３点法の動作の概略図であり、図８は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法の動作の概略図である。

（２軸法）
アングル法の２軸法とは、スケッチ中の２つの座標軸と、スケッチ中の２点とを、３次元空間中の２つの座標軸と、２点とに対応付ける処理である。この決定方法により、２軸で直交空間が決定され、１点で原点が決定され、２点間で距離が決定される。

この２軸法のアルゴリズムについて、図９、図１０及び図１１を参照しつつ、以下に説明する。図９は、２軸法のアルゴリズムの各値の定義図であり、図１０は、２軸法のアルゴリズムに使用する変数名の表であり、図１１は、２軸法のアルゴリズムに使用する拘束条件の表である。

まず、図１１に示される拘束条件（イ）より、Ｗｔａｎの方向ベクトルは以下のように表せる。

但し、ベクトルの長さ

であるので、

また、ベクトルの向きが有意であるならば、以下の条件を付加できる。

図１１に示される拘束条件（ロ）より、ＬｔａｎについてもＷｔａｎと同様に、以下の３式が表せる。

図１１に示される拘束条件（ハ）より、以下の式が成り立つ。

図１１に示される拘束条件（ニ）より、以下の式が成り立つ。

既知の条件、

と

のなす角が

であることより、以下の式が成り立つ。

数式１，４より、

既知の条件、Ｐ₀とＰ₂の距離がｄであることにより、以下の式が成り立つ。

数式７，８により、

但し、

また、３ＤのＰ０、Ｐ２よりもＱＶスクリーンのｐ０、ｐ２の方が手前にあると考えれば、次の拘束条件も付加できる。

既知の条件、Ｌｔａｎと

のなす角が

であることより、以下の式が成り立つ。

数式４、７、８より、

既知の条件、Ｗｔａｎと

のなす角が

であることより、以下の式が成り立つ。

数式１、７、８より

以上より、ｓ，ｔ，ｋ₁，ｋ₂，ｋ₃，ｋ₄の６つの未知数に対して、数式２，５，９，１０，１３，１４の６つの式が成り立つ。よって、６つの未知数は解ける。これより、視点とＰ０、Ｐ２の相対位置を特定できる。さらに、３ＤからＱＶ（クォータービュースケッチ）への変換に用いる変換Ａマトリクスが計算できる。

（３軸法）
次に、アングル法の３軸法について説明する。アングル法の３軸法（図６）とは、スケッチ中の３つの座標軸と、スケッチ中の１点と、スケッチ中の１つの軸の距離とを、３次元空間中の３つの座標軸と、１点と、１つの軸の距離とに対応付ける処理である。この決定方法により、３軸で直交空間が決定され、１点で原点が決定され、１平面（１軸距離）で距離が決定される。

ここで、３軸法について、図１２、図１３及び図１４を参照しつつ説明する。図１２は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法におけるスケッチに定義された３軸と１点と１平面（１軸距離）を示す概略図であり、図１３は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法における入力項目と出力項目とを示す表であり、図１４は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法の概念図である。

図１３に示される例では、スクリーン点Ｐ０、スクリーン直交３軸、スクリーン線１、３Ｄ点Ｐ０、３Ｄ直交３軸、３Ｄ点Ｐ１、視野角が入力項目となっていて、３Ｄ−ＱＶ変換マトリクスが出力項目となっている。なお、図１３において、スクリーン点Ｐ０、スクリーン直交３軸、スクリーン線１とは、スキャナにより読み込まれたスケッチの画像の点や、軸や、線のことをいい、３Ｄ点Ｐ０、３Ｄ直交３軸、３Ｄ点Ｐ１、とは、コンピュータ上で定義された３次元空間の点や、軸や、線のことをいう。

この３軸法の入力条件は、スクリーン（スケッチ画像中）で指示したＰ０点、軸Ｘ、軸Ｙ、軸Ｚにそれぞれ、３Ｄ（３次元空間内）のそれらが重なり、スクリーンで指示した線Ｌｓ１（図１３）に３Ｄ点Ｐ１が重なるというものである。この入力条件とは、ユーザが、スクリーン上の点や、軸を入力した場合に、満たさなければならない条件のことである。

次に、図１４を参照しつつ、３軸法のアルゴリズムについて以下説明する。まず、視点Ｅからスクリーン上点Ｐ０を通るベクトルを

とする。

また、視点Ｅとスクリーン軸Ｘで規定される無限平面をＳｘとする。また、スクリーン軸Ｘの方向ベクトルを

とする。このとき、無限平面Ｓｘの法線Ｎｘの方向ベクトル

は、下式で求められる。

また、無限平面Ｓｘ上にあって、ベクトル

に垂直な方向ベクトル

は、下式で求められる。

但し、視点Ｅから見てスクリーン軸Ｘと同じ方向を向くように適宜反転する。このとき、３Ｄ軸Ｘの方向ベクトル

は、以下のように表せる。

但し、直線の方向が有意とすれば、

無限平面Ｓ_Xと同様に、視点Ｅとスクリーン軸Ｙで規定される無限平面Ｓ_Yの法線Ｎ_Yの
方向ベクトル

視点Ｅとスクリーン軸Ｚで規定される無限平面Ｓ_Zの法線Ｎ_Zの方向ベクトル

が求められる。この時、３Ｄ軸Ｘ、Ｙ、Ｚが直交する条件より、３Ｄ軸Ｙの方向ベクトル

は、

同様に、３Ｄ軸Ｚの方向ベクトル

は、

さらに、

これより、下式が成り立つ。

但し、

３Ｄ軸Ｘは、ベクトル

と重ならないという条件より、

であるので、両辺を

で割れば、

これを解き、

軸Ｙ、軸Ｚの方向の正負より、

を求める。ところで、ある回転マトリクスＲ（３，３）があるとき、平行でない２ベクトルの回転前後の方向ベクトルがわかれば、その回転マトリクスは一意に決まる。回転後の方向ベクトル

回転前の方向ベクトル

とすると、回転マトリクスＲは、

これを用いて回転マトリクスＲを求める。次に、無限平面Ｓ₁は視点Ｅとスクリーン上
直線Ｌｓ１で規定される無限平面である。無限平面Ｓ₁の法線Ｎ₁の方向ベクトルを

とする。３Ｄ上点Ｐ０が

の位置にあるとすれば、

より

より視点Ｐ０点間距離ｋが求まり、スケール（座標系間の相対距離）が決まる。

（固定３点法）
次に、３点法の固定３点法について説明する。３点法の固定３点法（図７）とは、スケッチ中の３つの点と３次元空間中の３つの点とを対応付ける処理である。このスケッチ中の３つの点は、車両座標原点Ｐ０と、車両前端点（Ｐ１点）と、全幅端点（Ｐ２）とに固定されている。この処理により、スキャナにより読み込まれた画像の３次元空間中の視点位置と座標とが決定される。

以下に、固定３点法のアルゴリズムについて説明する。一般に、２次元座標上の点と、３次元座標上の点との対応は、下記の射影行列で表現される。

２次元座標を（ｕ，ｖ）、３次元座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、２次元、３次元の対応は、ｓを定数として、下記関係で表現される。

上式を変形すると、

となり、未知数は１１個となる。すなわち、２次元座標上の点と、３次元座標上の点との対応が最低６点であれば、射影行列が求まり、２次元座標上の点と、３次元座標上の点との対応付けが可能になる。また、式（ａ）は、下記のように変形できる。

但し、ｆは焦点距離、Ｒは方位角仰角を含む回転行列、ｔｘ、ｔｙ、ｔｚは平行移動行列である。焦点距離を決定すれば、回転行列、平行移動行列の５つの未知数となり、２次元座標上の点と、３次元座標上の点との対応が最低３点あれば、射影行列が求まり、２次元座標上の点と、３次元座標上の点との対応付けが可能になる。もっとも、センター断面を重視したパースの設定手法は、上記の例に挙げた３点だけでなく、その他にも種々の手法がある。

（変動３点法）
次に、３点法の変動３点法について説明する。３点法の変動３点法（図８）とは、スケッチ中の３つの点と３次元空間中の３つの点とを対応付ける処理である。このスケッチ中の３つの点は、車両座標原点Ｐ０と、バンパー線上の点（Ｐ１点）と、ロッカー線（水平線）上の点（Ｐ２点）である。この処理により、スキャナにより読み取られたスケッチに対する、３次元空間での、視点位置と座標とが決定される。

ここで、変動３点法について、図１５、図１６及び図１７を参照しつつ説明する。図１５は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法におけるスケッチに定義された３点を示す概略図であり、図１６は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法における入力項目と出力項目とを示す表であり、図１７は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法
の概念図である。

以下、変動３点法のアルゴリズムについて説明する。無限平面Ｓ１は視点Ｅとスクリーン上直線Ｌｓ１で規定される無限平面である。無限平面Ｓ２も同様である。スクリーン上直線Ｌｓ１の方向ベクトル

とする。この時、無限平面Ｓ１上にあって、

に直交する方向ベクトルを

とする。また、無限平面Ｓ１上の法線Ｎ１の方向ベクトルを

とする。この時、３Ｄ上直線Ｌｗ１の方向ベクトル

は、以下のように表せる。

ここで、３Ｄ上直線Ｌｗ１の方向ベクトル

をスクリーンに投影した時の方向は、方向ベクトル

の始終点がどこにあるかによって変わるため、角度の制限はできない。よって、

一方、無限平面Ｓ２は、始点Ｅとスクリーン上直線Ｌｓ２で規定され、この無限平面の法線Ｎ２も同時に規定される。Ｎ２の方向ベクトルを

とする。この時、３Ｄ上直線Ｌｗ２の方向ベクトル

は、無限平面Ｓ２上にあるので、下式が成り立つ。

ここで、３Ｄ上直線Ｌｗ２の方向ベクトル

をスクリーンに投影した時の方向は、方向ベクトル

の始終点がどこにあるかによって変わるため、角度の制限はできない。よって、以下の方法で回転マトリクスを求め、Ｐ０からＰ１へ向かうベクトルと、Ｐ０からＰ２へ向かうベクトルが、Ｐ０から無限平面Ｓ１、無限平面Ｓ２と交差するかで判定する。

ところで、ある回転マトリクスＲ（３，３）がある時、平行でない２ベクトルの回転前後の方向ベクトルがわかれば、その回転マトリクスは一意に決まる。回転後の方向ベクトル

回転前の方向ベクトル

とすると、回転マトリクスＲは、

但し、これには変数

が含まれているため、３Ｄ上点Ｐ０からＰ１の距離とＰ０からＰ２への距離の比を用いて、変数

及び回転マトリクスＲを一意に決める。３Ｄ上点Ｐ０からＰ１に向かう方向ベクトル

Ｐ０からＰ２に向かう方向ベクトル

始点Ｅからスクリーン上点Ｐ０を通る方向ベクトル

とすれば、

但し、

となるよう

は方向反転しておくこと。また、

は不可。

３Ｄ上、点Ｐ０が

の位置にあるとすれば、

より

より、始点Ｐ０間距離が求まり、スケール（座標系間の相対距離）が決まる。以上が、各アルゴリズムの説明である。

次に、図１８に示されるように、ＳＬ断面線（センター断面線）と、ＳＷ断面線（ドア断面線）とを３次元空間内に創成する（Ｓ１６０）。図１８は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、ＳＬ断面線、ＳＷ断面線の創成動作の概略図である。
すなわち、コンピュータ内部の３次元空間に、スケッチの直交座標と対応する直交座標系が生成されたので、センター断面平面と、ドア断面平面とが、３次元空間内に決定される。そして、スケッチのセンター断面（ＳＷ断面）と、ドア断面（ＳＬ断面）とを、３次元空間内のそれぞれの断面平面に視点方向から投影して、３次元空間内に断面線を生成する。ここで、センター断面とは、３次元形状データ作成の対象となる３次元物体の中心軸を含む面であり、本実施形態では、前後方向の車軸を含む鉛直面である。ドア断面とは、車両前後方向から見た車両の外形線、即ち、車両前後方向に垂直な面のことである。

次に、図１９に示されるように、空間曲線が生成される（Ｓ１７０）。図１９は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、空間曲線の創成動作の概略図である。すなわち、３次元空間に生成されている断面線を、ＳＷ断面はＳＬ断面の方向に回転・平行移動・拡大縮小させ、ＳＬ断面はＳＷ断面に回転・平行移動・拡大縮小させることによりスウィープ面（仮想面）を作り、このスウィープ面に視点方向から、スケッチの車両の形状を示すキャラクタ線を投影して、空間曲線を生成する。

次に、図２０に示されるように、立体歪みの修正が実行される（Ｓ１８０）。図２０は、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、立体歪みの修正動作の概略図である。この立体歪みの修正は、パースではきれいに見えるが、三面で歪んだり不自然に見える形状を修正する処理である。この立体歪みの修正は、（１）パース固定修正と、（２）全体形状変更とに分かれる。

（１）パース固定修正とは、パースの方向を決定する成分（座標値、接線値、曲率成分）の修正を行う処理である。すなわち、線の端点としてＬ１線の線上、接線の先端としてＬ２線の線上を動かしていればパース形状は固定されるたまま、形状を修正できる。

（２）全体形状変更とは、各投象での立体の傾きを他の投象での見方を変えずに矯正する処理である。すなわち、画像２００１に示されるように、車両上方向からみて歪んでいる線を、車両横方向からの見方を変えずに、画像２００２に示されるように立体歪みを除去したり、車両上方向からみて歪んでいる線を、車両前方向からの見方を変えずに、画像２００３に示されるように目標線に達していない回転線を、画像２００４に示されるように、目標線にまで移動させる処理である。

次のＳ１９０では、上記ステップまでに得られた直交３次元座標系表現の各曲線データから、既存のＣＡＤ機能を用いて３次元物体の各曲面が創成される。この結果、デザイナが作成した各スケッチから、最終的な３次元物体の３次元形状データが得られる。

このように、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態によれば、１枚のスケッチから３次元空間内での視点を決定し、ＳＬ断面、ＳＷ断面をスウィープさせて空間曲線を創成して曲面を生成しているため、用いるスケッチは１枚のみで良い。

また、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態によれば、デザイナ等が作成したスケッチの意図やイメージ通りの３次元立体を創成することができる。さらに、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態によれば、車両の全長、全幅、全幅などのスペックにより３次元空間が定義されるため、スペック通りの３次元立体を創成することができ、このスペック通りの３次元立体を検討することによって魅力ある意匠が実現できるスペックを提案することができる。

また、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態では、例えばＣＧにより作成された人工の２次元物であっても、この２次元物のイメージを維持しつつ３次元化することができるため、例えば写真背景に人工の２次元物を自然に合成することができる。また、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態では、アニメーションのキャラクタを容易に３次元化することができる。

なお、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態では、デザイナの描くスケッチに適用した場合を例に挙げたが、その他、アニメ画（２Ｄ）→３Ｄ化→任意方向挙動→２Ｄ化という処理により、アニメーションキャラクタの３Ｄ化が可能であるともに、３Ｄ化したアニメーションキャラクタを挙動させ、この動いた後の３Ｄ化したアニメーションキャラクタの２Ｄ化を行うことにより、２Ｄのアニメーションキャラクタの作成が容易となる。なお、このアニメーションキャラクタを車その他の乗り物、生命体、機械などその他任意のものとすることもできる。さらに、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態は、視点の位置決めが容易になっているため、ＣＧと実撮影の画像の合成が容易になる。

また、本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態は、例えば、自動車メーカ、家電メーカ、そのほかスケッチを書いて立体化するメーカの立体化作業、ＣＦ、ＴＶ、映画プロダクション業界におけるスケッチの立体化作業、アニメーション製作業界におけるスケッチの立体化作業などに適用することができる。

本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態の動作のフローチャートである。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態を実施するコンピュータの機能ブロック図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態において使用されるスケッチの一例の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態において、スケッチの画像の中に２次元座標を定義する際の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、２軸法の動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法の動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、固定３点法の動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法の動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、２軸法のアルゴリズムの各値の定義図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、２軸法のアルゴリズムに使用する変数名の表である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、拘束条件の表である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法におけるスケッチに定義された３軸と１点とを示す概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法における入力項目と出力項目とを示す表である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、３軸法の概念図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法におけるスケッチに定義された３点を示す概念図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法における入力項目と出力項目とを示す表である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、変動３点法の概念図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、ＳＬ断面線、ＳＷ断面線の創成動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、空間曲線の創成動作の概略図である。 本発明の３次元形状データの作成方法の一実施形態における、立体歪みの修正動作の概略図である。

符号の説明

２０１ 基本スペック入力部（入力手段）
２０２ スケッチ読取部（読取手段）
２０３ 画面表示部
２０４ ２次元座標定義部
２０５ 画像線データ化部（データ化手段）
２０６ 配置位置及び視点決定部（決定手段）
２０７ ＳＬ断面・ＳＷ断面創成部（断面創成手段）
２０８ 空間曲線創成部（空間曲線創成手段）
２０９ 歪み修正部（修正手段）
２１０ 曲面創成部（曲面創成手段）
２１１ 仮想面創成部（仮想面創成手段）
２１１ 投影部（投影手段）

Claims (6)

1. スケッチの画像中に描かれた３次元物体について、３次元空間における前記３次元物体上の所定の座標軸及び所定の点を定義するためのスペックボックスを作成するために必要な、前記３次元物体の各部の寸法及び前記３次元物体を構成する部品の配置位置を含むスペックを入力する入力工程と、
   前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取工程と、
   前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化工程と、
   アングル法を用いて、前記スケッチの画像に設定される前記所定の座標軸及び所定の点と、前記入力されたスペックから作成されるスペックボックス上の前記所定の座標軸及び所定の点とを対応させることにより、前記スケッチの画像中に描かれた３次元物体と、前記スケッチの画像の視点と、前記スペックボックスとの間の、３次元空間上での相対的な位置関係を決定する決定工程と、
   前記決定された位置関係に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成工程と、
   前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成工程と、
   前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正工程と、
   前記歪みを修正された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成工程とを備える３次元形状データの作成方法。
2. 前記空間曲線創成工程は、
   前記断面線を含む平面に垂直な方向に前記断面線を移動させることにより仮想面を創成する仮想面創成工程と、
   前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影工程とを備える請求項１記載の３次元形状データの作成方法。
3. ユーザによるスケッチの画像中に描かれた３次元物体について、３次元空間における前記３次元物体上の所定の座標軸及び所定の点を定義するためのスペックボックスを作成するために必要な、前記３次元物体の各部の寸法及び前記３次元物体を構成する部品の配置位置を含むスペックの入力を受け付ける入力受付手段と、
   前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取手段と、
   前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化手段と、
   アングル法を用いて、前記スケッチの画像に設定される前記所定の座標軸及び所定の点と、前記入力されたスペックから作成されるスペックボックス上の前記所定の座標軸及び所定の点とを対応させることにより、前記スケッチの画像中に描かれた３次元物体と、前記スケッチの画像の視点と、前記スペックボックスとの間の、３次元空間上での相対的な位置関係を決定する決定手段と、
   前記決定された位置関係に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成手段と、
   前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成手段と、
   前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正手段と、
   前記歪みを修正された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成手段とを備える３次元形状データの作成装置。
4. 前記空間曲線創成手段は、
   前記断面線を含む平面に垂直な方向に前記断面線を移動させることにより仮想面を創成する仮想面創成手段と、
   前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影手段とを備える請求項３記載の３次元形状データの作成装置。
5. コンピュータを、
   ユーザによるスケッチの画像中に描かれた３次元物体について、３次元空間における前記３次元物体上の所定の座標軸及び所定の点を定義するためのスペックボックスを作成するために必要な、前記３次元物体の各部の寸法及び前記３次元物体を構成する部品の配置位置を含むスペックの入力を受け付ける入力受付手段、
   前記スケッチの画像を画像データとして読み取る読取手段、
   前記読み取られた画像に含まれている線を２次元座標の座標値によりデータ化するデータ化手段、
   アングル法を用いて、前記スケッチの画像に設定される前記所定の座標軸及び所定の点と、前記入力されたスペックから作成されるスペックボックス上の前記所定の座標軸及び所定の点とを対応させることにより、前記スケッチの画像中に描かれた３次元物体と、前記スケッチの画像の視点と、前記スペックボックスとの間の、３次元空間上での相対的な位置関係を決定する決定手段、
   前記決定された位置関係に基づいて、前記スケッチの画像の断面線を前記３次元空間に写像して前記３次元空間における断面線を創成する断面創成手段、
   前記データ化されたスケッチの画像に含まれている線を、前記３次元空間における断面線を用いて前記３次元空間における空間曲線として創成する空間曲線創成手段、
   前記創成された空間曲線の歪みを修正する歪み修正手段、及び、
   前記歪みを修正された空間曲線に基づいて曲面を創成する曲面創成手段として機能させる３次元形状データの作成プログラム。
6. 前記空間曲線創成手段は、
   前記断面線を含む平面に垂直な方向に前記断面線を移動させることにより仮想面を創成
   する仮想面創成手段と、
   前記スケッチの画像に含まれている線を視点方向から前記仮想面に投影して前記空間曲線を創成する投影手段とを備える請求項５記載の３次元形状データの作成プログラム。

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