JP4546953B2 - アニメーションシステムのためのホイール動作制御入力装置 - Google Patents

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関連出願

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき、２００３年３月１３日に出願された、米国仮特許出願番号６０／４５４，９８９号、発明の名称「ホイールカメラシステム（Wheel Camera System）」に対する優先権を主張する。

本発明は、３次元グラフィクス及びアニメーションに関し、特に、コンピュータグラフィクスアニメーションシステムにおいて、実際のカメラの操作を模倣した手法により、仮想カメラを操作する入力装置に関する。

映画及びテレビゲームの制作現場では、シーン内の登場人物（キャラクタ）のデジタル表現を作成するために、コンピュータグラフィクス（computer graphics：以下、ＣＧという。）アニメーションが多く用いられている。一般的なＣＧアニメーションシステムでは、コンピュータソフトウェアツールを用いて、仮想オブジェクトを作成し、レンダリングしている。オブジェクトを変更し、一連の個々のフレームを作成し、これらを映画又はビデオファイルの形式で連続的に表示することによって、オブジェクトが動いているように見せることができる。ＣＧアニメーション用のソースデータを生成するために用いられる技術は、モーションキャプチャ（motion capture）として知られており、ここでは、現実のオブジェクトの動きをコンピュータによって生成されたオブジェクトにマッピングする。モーションキャプチャシステムにおいては、演技者は、様々な部位に取り付けられたマーカ（例えば、胴体及び手足に取り付けられた小さい反射マーカ）を有するスーツを着用し、デジタルカメラは、マーカを照射しながら、異なる角度から演技者の動きを記録する。そして、システムは、画像を分析し、各フレームにおける演技者のスーツ上のマーカの位置（例えば、空間座標）及び向きを判定する。システムは、マーカの位置を追跡することによって、時間の経過に応じたマーカの空間表現を作成し、演技をしている演技者のデジタル表現を構築する。そして、動きをデジタル的に表現し、テクスチャリング及びレンダリングすることによって、演技者及び／又は演技の完全なＣＧ表現を作成することができる。特殊効果担当者は、この技術を用いて、多くの有名な映画において、驚異的に現実感があるアニメーションを作成している。

ＣＧアニメーションでモーションキャプチャシステムを用いる利点は、ソースデータにより、捕捉された動きを３次元的に表現できるという点である。換言すれば、捕捉された動きデータは、殆ど全ての角度から見ることができる。従来のＣＧアニメーションソフトウェアツールにより、アニメーション制作者は、例えば、斜め、上、正面等、所望の角度からソースデータを撮影するように仮想カメラを設定することができる。更に、ソフトウェアツールを用いて、仮想のシーン内での演技に追従するように、仮想カメラを移動させることもできる。仮想カメラを移動させるために用いられる一手法として、カメラの動きの変化の遷移点を定義するキーフレームを設定する手法がある。例えば、動作に追従するために、１つのキーフレームにより、仮想カメラがパン（すなわち、左右への動き）を開始する第１のポイントを定義し、第２のキーフレームにより、仮想カメラがパンを停止する第２の点を定義してもよい。そして、ソフトウェアツールは、２つのキーフレームに挟まれた期間、仮想カメラを自動的に動かし、所望のカメラの動きを反映するソースデータの表現を生成する。このキーフレーミング技術は、ＣＧアニメーションを生成するために必要な時間を大幅に短縮できるという利点がある。

キーフレーミング技術の短所は、多くの場合、仮想カメラの動きが非常に機械的に見え、従来の実写による映画制作におけるカメラの物理的な移動を特徴付ける人間味に欠けるという点である。実写による映画制作では、カメラは、場面に応じた様々な速度で、演技に追従するように動く。例えば、カメラは、動きに追従してパンし、僅かに停止して、場面内の対象物を強調し、再び動きを続ける。更に、カメラの動きは、パン動作、チルト動作、ロール動作及びフォーカス動作の複雑な組み合わせを含んでいる。これらの種類の動作は、従来のソフトウェアツールを用いて、多数のキーフレームを設定することによって制御できるが、この手法では、実際の物理的なカメラの動きによって達成される自然で芸術的な映像が得られない。

更に、キーフレーミング法の関連する短所として、ソフトウェアツールは、仮想カメラの複雑な動きを実現するために、かなり高いレベルの技能及び知識を必要とするという点がある。このため、キーフレーム処理は、多くの場合、経験豊富なＣＧアニメーションのソフトウェアオペレータが行うが、このようなソフトウェアオペレータは、プロのカメラマン又は映写技師としての十分な経験及び芸術的な技能を有していないことが多い。一方、カメラの操作に関して非常に経験豊富なプロのカメラマンは、多くの場合、ＣＧアニメーションソフトウェアツールの使用については訓練されていない。プロフェッショナル用の撮影機の動きは、通常、例えば、演技を観察しながら操作される回転式のハンドアクチュエータ又はホイール等の機械的インタフェースを用いて制御される。プロのカメラマンは、カメラの動きを操作する芸術的な技能を有しており、この技能を、キーストローク及びマウスクリックコマンドを用いたソフトウェアツールの制御で代用することは容易ではない。ソフトウェアオペレータとカメラマンが協力し、それぞれの技能を活かして目的を達成することもできるが、これは非常に手間が掛かる作業であり、最終的に、制作費が高くなる。

したがって、本発明の目的は、これらの及びこの他の問題を解決する、コンピュータグラフィクスアニメーションシステムのインタフェースを提供することである。詳しくは、本発明の目的は、コンピュータグラフィクスアニメーションシステムにおいて、実際のカメラの操作を模倣した手法により、仮想カメラを操作するための入力装置を提供することである。

本発明に基づくコンピュータグラフィクスシステムの入力装置は、仮想カメラの動きを制御する複数のホイールを備える。プロのカメラマンは、ＣＧアニメーションソフトウェアツールに関する知識又は訓練なしでこの入力装置を容易に使用することができる。

具体的には、入力装置は、筐体の少なくとも１つの外側表面に作用的に取り付けられた少なくとも１つのホイールを有する筐体を備える。少なくとも１つのホイールは、このホイールを操作することによって回転するシャフトが軸的に連結されている。筐体内に収納され、シャフトに作用的に連結された回路は、少なくとも１つのホイールの回転動作に対応する制御信号を生成する。制御信号は、仮想カメラを制御するためにアニメーションプロセッサに供給される。本発明の好適な実施形態では、少なくとも１つのホイールは、それぞれが仮想カメラの異なる範囲の動きに対応する複数のホイールを含み、例えば、第１のホイールは、仮想カメラのパン動作に対応し、第２のホイールは、仮想カメラのチルト動作に対応し、第３のホイールは、仮想カメラの回転動作に対応する。この回路は、更に、シャフトに作用的に連結された角度エンコーダと、制御信号を、アニメーションシステムが読取可能なフォーマットを有するデータストリームに変換する制御回路とを備えていてもよい。入力装置は、更に、少なくとも１つのホイールの有効な分解能を変化させる少なくとも１つの速度操作子と、なくとも１つのホイールの有効な方向を変化させる少なくとも１つの方向操作子とを備えていてもよい。

本発明の他の実施形態であるコンピュータグラフィクスアニメーションシステムは、３次元グラフィクス画像の生成を可能にし、３次元グラフィクス画像の撮像の向きを決定するよう制御可能な仮想カメラを含むソフトウェアプログラムを実行するアニメーションプロセッサと、仮想カメラの動作範囲を制御するためにアニメーションプロセッサに作用的に接続された入力装置とを備える。入力装置は、筐体と、筐体の少なくとも１つの外側表面に作用的に取り付けられた少なくとも１つのホイールとを備える。各ホイールは、このホイールを操作することによって回転するシャフトが軸的に連結されている。筐体内に収納され、シャフトに作用的に連結された回路は、少なくとも１つのホイールの回転動作に対応する制御信号を生成する。制御信号は、アニメーションプロセッサに供給され、仮想カメラを制御する。

以下の好適な実施形態の詳細な説明により、コンピュータグラフィクスアニメーションシステム用の入力装置についての更なる詳細、更なる利点及びその目的が当業者にとって明らかとなる。

以下に詳細に説明するように、本発明は、コンピュータグラフィクスアニメーションシステムにおいて、実際のカメラの操作を模倣した手法により、仮想カメラを操作するための入力装置を提供する。以下の説明では、１つ以上の図面において、同様の要素には、同じ参照符号を付している。

図１は、本発明の実施形態に基づく例示的なアニメーションシステムのブロック図である。アニメーションシステムは、グラフィクス技師がコンピュータグラフィクスアニメーションを作成するためのアニメーションプロセッサ１２を備える。更に、アニメーションプロセッサ１２は、エンターテインメント作品の３Ｄ図形及びアニメーションを作成することができる、例えば、Ｋａｙｄａｒａ社から市販されているＦｉＬＭＢＯＸ（商標）ソフトウェアプロダクトラインライン、Ａｌｉａｓ｜Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ（商標）社から市販されているＭａｙａ（商標）ソフトウェアプロダクトラインライン等の商用ソフトウェアパッケージを実行するプログラミング可能なコンピュータを備える。アニメーションプロセッサ１２は、当分野において知られているように、持続的な又は不揮発性メモリに格納されている複数のデータファイル１４にアクセスする。データファイル１４は、モーションキャプチャシステムを用いて動きを捕捉され、又は当分野で知られている他のコンピュータグラフィック技術を用いて生成された３次元（３Ｄ）の画像を表現するソースデータを含んでいてもよい。アニメーションプロセッサ１２は、仮想カメラの視野から捕捉されたデータを表示する能力を有し、ソースデータを編集及び処理することができる既存のツールを備えている。

アニメーションプロセッサ１２のユーザが見る立体的なアニメーションの登場人物のイラストを図４に示す。このイラストは、アニメーションの登場人物に向けられた視野（破線によって示す）を有する仮想カメラ７０を含んでいる。仮想カメラ７０は、パン（すなわち、ｙ軸）、チルト（すなわち、ｘ軸）、ロール（すなわち、ｚ軸に関する）の３次元方向に動くことができる。

当分野で知られているように、モーションキャプチャシステムは、複数のカメラと通信し、モーションキャプチャ空間に関して、モーションキャプチャ空間内で演技する１人以上の演技者の動きを捕捉するよう構成されたモーションキャプチャプロセッサ（図示せず）を備える。各演技者の体には、モーションキャプチャ空間内における演技の間にカメラによって検出される演技者のマーカによって、マークが付される。マーカは、反射性を有するマーカ又は発光するマーカであってもよい。モーションキャプチャプロセッサは、カメラから受信した２次元画像を処理し、捕捉された動きの３次元的なデジタル表現を生成する。具体的には、モーションキャプチャプロセッサは、各カメラからの２次元データを受信し、画像取得プロセスの一部として、これらのデータを複数のデータファイルの形式で保存する。そして、モーションキャプチャプロセッサは、画像処理プロセスの一部として、２次元データファイルを、個々のマーカの動きを表す軌道ファイル（trajectory file）の形式で、３次元座標の単一の組に統合する。画像処理プロセスでは、１つ以上のカメラからの画像を用いて各マーカの位置を判定する。そして、軌道ファイルに対して運動学的演算（kinetic calculation）を行い、演技者の演技に対応する動きを反映したデジタル表現を生成する。この演算では、時間軸に沿った空間的情報を用いて、空間内を移動する各マーカの位置の変化を判定する。モーションキャプチャプロセッサは、例えば、Ｖｉｃｏｎ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ社又はＭｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｏｒｐ社から市販されている、上述の及びこの他のデータ処理機能を備える商用ソフトウェアパッケージを使用してもよい。

図１に示すように、アニメーションシステムは、更に、アニメーションプロセッサ１２と通信する入力装置２０を備える。後に詳細に説明するように、入力装置２０は、物理的な動きを信号に変換する。この信号は、ソースデータを撮像するために、仮想カメラの視野を制御するアニメーションプロセッサ１２に供給される。アニメーションプロセッサ１２は、入力装置２０をアニメーションプロセッサのオペレーティングシステムにリンクするプログラムルーチンであるデバイスドライバ１６を備える。デバイスドライバ１６は、入力装置２０から供給された信号を、アニメーションプロセッサ１２が解釈できるコマンドに変換する適切なマシン語を含んでいる。

具体的には、入力装置２０は、対応するシャフトを中心に物理的に回転操作することによって、複数の方向に仮想カメラを移動させることができる複数のホイール３４、４４、５４を備える。すなわち、各軸を中心として、各ホイール３４、４４、５４を回転させることにより、所定の動作範囲で、仮想カメラを移動させることができる。本発明の好適な実施形態では、第１のホイール３４は、仮想カメラをパンするように構成され、第２のホイール４４は、仮想カメラをチルトするように構成され、第３のホイール５４は、仮想カメラを回転させるように構成される。また、ホイール３４、４４、５４の１つ以上は、仮想カメラを他の方向に移動させるように構成してもよく、例えば、仮想カメラのフォーカスを変更し（すなわち、ズームイン又はズームアウト）、又はカメラを所定の軸に沿って水平方向又は垂直方向に移動させるように構成してもよい。なお、これより多くのホイールを用いてもよく、これより少ないホイールを用いてもよいことは明らかである。後に更に詳細に説明するように、ホイール３４、４４、５４は、プロのカメラマンが扱いやすいように、実際のカメラを操作するための物理的な操作子に類似する形状及び操作の手応えを有する。

各ホイール３４、４４、４５は、それぞれのシャフトに接続された、対応するエンコーダ３２、４２、５２を備える。シャフトの回転角を（増分表現又は絶対表現で）電気信号に変換する適切な角度エンコーダは、当分野で既に知られている。電気信号により、例えば、回転の速度／方向及び動きの大きさ等、ホイールの動きに関する情報を表現することができる。なお、ホイールの比較的小さい動きを検出できるようにするために、十分高い分解能を有するエンコーダを用いることが望ましい。エンコーダ３２、４２、５２には、入力制御回路２４が電気的に接続されている。入力制御回路２４は、電気信号を、適切なインタフェース２２を介して、アニメーションプロセッサ１２に供給するのに適する位置座標及び／又はベクトル情報に変換する。本発明の一実施形態では、入力制御回路２４及び／又はインタフェース２２は、電気信号を、実際の映画用カメラを制御し、撮影するために用いられている、既知のクーパー動き制御システム（Kuper motion control system）で使用されているフォーマットを有するデータストリームに変換する。なお、従来のアニメーションソフトウェアパッケージとの通信に適する他のデータフォーマットを用いてもよいことは明らかである。更に、入力制御回路２４及びインタフェース２２は、単一の回路に統合してもよいことも明らかである。

本発明の一実施形態では、入力装置２０は、ホイール３４、４４、５４の動作を制御する更なる操作子を備える。例えば、各ホイール３４、４４、５４には、それぞれ速度操作子３６、４６、５６が接続されている。速度操作子３６、４６、５６は、ユーザが選択的した操作を可測電気信号（measurable electrical signal）に変換するよう構成された、回転可能又は摺動可能なポテンショメータ、マルチポジションスイッチ、角度エンコーダ又はこれに類する機構を備えている。速度操作子３６、４６、５６は、関連するホイール３４、４４、５４に接続された各エンコーダ３２、４２、５２の分解能を制御する。例えば、速度操作子３６を低速に設定すると、ホイール３４の一回転が仮想カメラの小さな動きに対応付けられ、速度操作子３６を高速に設定すると、ホイール３４の一回転が仮想カメラの大きな動きに対応付けられる。例えば、オペレータは、シーンの登場人物が走っている場合等、高速に移動している場合、速度操作子３６を高速に設定し、登場人物がゆっくり移動している場合、速度操作子３６を低速に設定する。なお、速度操作子３６、４６、５６の設定値は、可変であってもよく、所定の増分を選択可能であってもよい。入力制御回路２４は、速度操作子３６、４６、５６から受信した信号に基づいて、エンコーダ３２、４２、５２から受信した電気信号を換算した後、換算した信号を、インタフェース２２を介して、アニメーションプロセッサ１２に供給する。

同様に、ホイール３４、４４、５４には、方向操作子３８、４８、５８が接続されている。方向操作子３８、４８、５８は、ユーザが選択的した操作を可測電気信号に変換するよう構成された、スイッチ又は他の機構を備えていてもよい。方向操作子３８、４８、５８は、関連するホイール３４、４４、５４に接続されている各エンコーダ３２、４２、５２の回転方向を制御する。例えば、方向操作子３８の第１の設定では、ホイール３４の時計回りの回転が、仮想カメラの左のパン動作に対応付けられ、方向操作子３８の第２の設定では、ホイール３４の時計回りは回転が、仮想カメラの右方向のパン動作に対応付けられる。入力制御回路２４は、方向操作子３８、４８、５８から受信した信号に基づいて、エンコーダ３２、４２、５２から受信した電気信号を逆転させ、逆転した信号を、インタフェース２２を介して、アニメーションプロセッサ１２に供給する。

なお、速度操作子３６、４６、５６及び／又は方向操作子３８、４８、５８は、入力装置２０上の対応する操作子に代えて又はこれに加えて、アニメーションプロセッサ１２を制御するための対応するキー入力操作子を備えていてもよい。このように、ソフトウェアオペレータは、他のオペレータがホイール３４、４４、５４を操作している間に、ホイール３４、４４、５４の制御の変更を指示することもできる。

図２及び図３は、本発明の実施形態に基づいて構築された例示的な入力装置を示している。入力装置は、複数の外側表面を有する略々直方体の筐体６０を有している。ホイール３４、４４、５４は、それぞれ、筐体６０の左側面、正面、右側面に取り付けられている。各ホイール３４、４４、５４は、構成される丸いグリップ面と、グリップ面から垂直に突き出すピン（又はパンハンドル部）と、スポークを介してグリップ面に連結された中心シャフトとを備える。図１を用いて先に説明したインタフェース２２及び入力制御回路２４は、筐体６０内に配設されている。

なお、オペレータは、両手又は片手でグリップ面を握り、各ホイールを回してもよく、或いは、ピンを動かすことによってホールを回してもよい。また、ホイール３４、４４、５４は、この他の構成を有していてもよい。筐体６０の上面には、ホイール３４、４４、５４用の速度操作子及び／又は方向操作子を含むノブ６２、６４のアレーが設けられている。本発明の動作を実現するために、筐体６０の表面におけるホイール３４、４４、５４及びノブ６２、６４の構成は、ここに示したものに限定されず、異なる数のホイール及びノブを含む異なる様々な構成を用いてもよいことは明らかである。好適な実施形態においては、当分野で周知のように、入力装置は、ケーブルを介して、アニメーションプロセッサと通信を行うが、ここで無線接続（例えば、赤外線又は無線周波（ＲＦ））を用いてもよいことも明らかである。

以上、アニメーションシステム用のホイール動き制御入力装置の好適な実施形態について説明したが、これにより本発明の利点が当業者にとって明らかとなった。また、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく、上述の実施形態を様々に修正し、適応化し及び変形できることも明らかである。本発明は、添付の請求の範囲により定義される。

本発明の実施形態に基づく入力装置を備えるコンピュータグラフィクスアニメーションシステムのブロック図である。 例示的な入力装置の平面図である。 図２に示す入力装置の側面図である。 仮想カメラの視野にある３次元的なソースデータの例示的なイラストを示す図である。

Claims (18)

1. アニメーションシステムの入力装置において、
   筐体と、
   上記筐体の少なくとも１つの外側表面に作用的に取り付けられ、操作によって回転するシャフトが軸的に連結された少なくとも１つのホイールと、
   上記筐体内に収納され、上記シャフトに作用的に連結され、上記少なくとも１つのホイールの回転動作に対応し、上記アニメーションシステムに供給され、該アニメーションシステム内で使用される仮想カメラの動作範囲を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを備え、
   コンピュータによって生成された３次元アニメーションのシーケンスの生成を制御することを特徴とする入力装置。
2. 上記少なくとも１つのホイールは、複数のホイールを含み、各ホイールは、上記仮想カメラの異なる範囲の動きに対応することを特徴とする請求項１記載の入力装置。
3. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラのパン動作に対応する第１のホイールを含むことを特徴とする請求項２記載の入力装置。
4. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラのチルト動作に対応する第２のホイールを含むことを特徴とする請求項２記載の入力装置。
5. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラの回転動作に対応する第３のホイールを含むことを特徴とする請求項２記載の入力装置。
6. 上記制御信号生成手段は、上記シャフトに作用的に連結された角度エンコーダを備えることを特徴とする請求項１記載の入力装置。
7. 上記制御信号生成手段は、上記制御信号を、上記アニメーションシステムが読取可能なフォーマットを有するデータストリームに変換する制御回路を備えることを特徴とする請求項１記載の入力装置。
8. 上記少なくとも１つのホイールに関連付けられ、該少なくとも１つのホイールの有効な分解能を変化させる少なくとも１つの速度操作子を更に備える請求項１記載の入力装置。
9. 上記少なくとも１つのホイールに関連付けられ、該少なくとも１つのホイールの有効な方向を変化させる少なくとも１つの方向操作子を更に備える請求項１記載の入力装置。
10. ３次元グラフィクス画像の生成を可能にし、該３次元グラフィクス画像の撮像の向きを決定するよう制御可能な仮想カメラを含むソフトウェアプログラムを実行するアニメーションプロセッサと、
    上記仮想カメラの動作範囲を制御するために上記アニメーションプロセッサに作用的に接続され、
    筐体と、
    上記筐体の少なくとも１つの外側表面に作用的に取り付けられ、操作によって回転するシャフトが軸的に連結された少なくとも１つのホイールと、
    上記筐体内に収納され、上記シャフトに作用的に連結され、上記少なくとも１つのホイールの回転動作に対応し、上記アニメーションプロセッサに供給され、上記仮想カメラの動作範囲を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と有する入力装置とを備え、
    前記入力装置は、コンピュータによって生成された３次元アニメーションのシーケンスの生成を制御することを特徴とするコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
11. 上記少なくとも１つのホイールは、複数のホイールを含み、各ホイールは、上記仮想カメラの異なる範囲の動きに対応することを特徴とする請求項１０記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
12. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラのパン動作に対応する第１のホイールを含むことを特徴とする請求項１１記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
13. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラのチルト動作に対応する第２のホイールを含むことを特徴とする請求項１１記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
14. 上記複数のホイールは、上記仮想カメラの回転動作に対応する第３のホイールを含むことを特徴とする請求項１１記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
15. 上記制御信号生成手段は、上記シャフトに作用的に連結された角度エンコーダを備えることを特徴とする請求項１０記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
16. 上記制御信号生成手段は、上記制御信号を、上記アニメーションプロセッサが読取可能なフォーマットを有するデータストリームに変換する制御回路を備えることを特徴とする請求項１０記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
17. 上記少なくとも１つのホイールに関連付けられ、該少なくとも１つのホイールの有効な分解能を変化させる少なくとも１つの速度操作子を更に備える請求項１０記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。
18. 上記少なくとも１つのホイールに関連付けられ、該少なくとも１つのホイールの有効な方向を変化させる少なくとも１つの方向操作子を更に備える請求項１０記載のコンピュータグラフィクスアニメーションシステム。

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