JP4568670B2

JP4568670B2 - 三次元画像表示装置

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Publication number: JP4568670B2
Application number: JP2005293025A
Authority: JP
Inventors: 康正坂本
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: JP2007101970A

Description

本発明は、発光素子を用いて三次元オブジェクトの表面を表示するための技術に関する。

特許文献１では、本発明者により、発光素子を用いて三次元オブジェクトのサーフェイスモデルを表示する技術が開示されている。この開示された技術（「開示技術」とも表記する）において、サーフェイスモデルは、三次元オブジェクトの画像データを用いて発光素子を点灯することにより表示される。この開示技術に係る三次元画像表示装置では、発光素子を有する発光素子アレイは奥行きを持って配置されるため、三次元オブジェクトの表面は実際に三次元的な画像として表現される。この点において、この開示技術は非常に画期的であるといってよい。
特開２００４−４０６６７号公報

上述の技術について、本発明者は、三次元オブジェクトの表面をより自然に表現するために改善の余地があることを認識した。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元オブジェクトの表面をより自然に表示することにある。

本発明の一態様は三次元画像表示装置に関する。この三次元画像表示装置は、複数の発光素子を有する発光表示部と、発光表示部が立設配置される回転自在な支持部と、支持部を回転させる駆動部と、支持部の回転に応じて所定の位置で発光素子を点灯させて三次元オブジェクトの表面を三次元的に表示するための画像データを発光表示部に供給する画像データ供給部とを備え、画像データ供給部は、光源を仮想的に設け、画像データを再構成する処理を施す再構成部を有する。再構成部は、仮想的に設けられた光源から三次元オブジェクトを照らして陰影を付けるシェーディング処理を画像データに施してもよい。

画像処理技術において、シェーディング処理は、一般に、二次元のディスプレイについてなされる。つまり、ディスプレイが二次元であるからこそ、オブジェクトを三次元的に表現するため陰影を付けるシェーディング処理を施す必要がある。一方、本発明者が発明した上述の三次元画像表示装置においては、発光素子アレイが奥行きを持って配置されており、ディスプレイ自体が三次元のものである。この装置は、発光素子自体を発光させることにより、すなわち自発光により、オブジェクトを表示する。通常、オブジェクトは、それ自体は発光せず、光源から照射された光を反射する。その反射された光が人間の目に入ることにより、人間は、そのオブジェクトの色や形を視覚により認識する。本発明者は、その装置により表示されるオブジェクトと通常のオブジェクトとの見え方の違いに注目し、本発明に係る三次元画像表示装置を発明した。この三次元画像表示装置は、シェーディング処理されて陰影が付けられた画像データを用いて、自発光によりオブジェクトの表面を表示するため、従来と比較してより自然にオブジェクトの表面を表示できる。

再構成部は、三次元オブジェクトにおける黒色の部分の色を、黒色以外の所定の色に変換する処理を画像データに施してもよい。発光素子を黒色に発光させることはできないため、黒色の部分を有するオブジェクトの表面を表示するとき、その黒色の部分を自発光によって表現することはできない。黒色を表示する方法として、発光素子を点灯させないことが考えられる。しかし、この方法では、黒色の部分が、他の色の部分と比較して、ユーザの視点から奥の方に表示されることになり、全体としてオブジェクトの表示が不自然なものとなる。本発明に係る三次元画像表示装置によれば、黒色を、黒色以外の色であって黒色に近い所定の色で発光させて、黒色の部分を有するオブジェクトの表面を表示できる。「所定の色」とは、例えば、明度の暗い色であってもよい。

再構成部は、シェーディング処理の結果、黒色となった部分における色を、シェーディング処理前のその部分における色の明度を暗くした色に変換する処理を画像データに施してもよい。これによって、シェーディング処理の結果、陰影が付けられた部分の色が、シェーディング処理前の色が反映された色に変換される。この結果、本来三次元オブジェクトの有する色により近い色で、その三次元オブジェクトの表面を表示できる。

再構成部は、シェーディング処理の結果、黒色となった部分におけるシェーディング処理前の色が黒色であるとき、その部分の色を黒色以外の所定の色に変換する処理を画像データに施してもよい。シェーディング処理前の色が黒色であるとき、シェーディング処理されて陰影が付けられた部分の色を、上述のように自発光によっては表現できない黒色に変換することはできない。この三次元画像表示装置は、その部分を黒色以外の色であって黒色に近い所定の色で発光素子を発光させる。この結果、黒色の部分を有するオブジェクトに陰影が付けられたときでも、そのオブジェクトの表面を表示できる。「所定の色」とは、例えば、明度の暗い色であってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システム、コンピュータプログラム、記録媒体などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明の三次元画像表示装置によれば、三次元オブジェクトの表面をより自然に表示できる。

本実施の形態では、三次元画像表示装置によって、陰影が付けられた三次元オブジェクトの表面を表示する例を説明する。具体的には、表示する対象となる三次元オブジェクトの画像データに、シェーディング処理を施し、陰影を付ける。シェーディング処理後の画像データにおける黒色の部分のシェーディング処理前の色、すなわちオリジナルの色が黒色以外の色であるとき、その部分の色を、シェーディング処理前の色の明度を暗くした色に変換する。一方、黒色の部分のシェーディング処理前の色が黒色であるとき、その部分の色を明度の暗い黒色に近い所定の色に変換する。これらのシェーディング処理および色変換処理によって、画像データを再構成し、この画像データを用いて三次元オブジェクトの表面を三次元的に表示する。

図１は、本実施形態における三次元画像表示装置１００の斜視図である。三次元画像表示装置１００は、ベース２、回転テーブル４および発光素子６を複数備える複数の発光素子アレイ８を含む。同図に示すように、三次元画像表示装置１００は、１２本の発光素子アレイ８からなる２組の発光素子アレイ群９を含む。図１には、各発光素子アレイ８が備える発光素子６は８個しか示されていないが、実際、各発光素子アレイ８は、６０個の発光素子６を備えるものとする。発光素子６は、例えば、発光ダイオードである。発光素子アレイ群９の組数、発光素子アレイ８の本数、各発光素子アレイ８あたりの発光素子６の個数は、例示であって、これに限られない。ベース２は、第１光源位置設定スイッチ１０および第２光源位置設定スイッチ１２を備える。また、ベース２の内部には、軸２０、ロータリコネクタ２２、ギヤ２４、モータ２６、画像データ供給部２８およびロータリエンコーダ４２が含まれる。また、各発光素子６に対応する位置、例えば発光素子アレイ８において各発光素子６のそれぞれ裏側に相当する位置に不図示の発光素子ドライバが設けられる。

回転テーブル４は、その中心において、軸２０によってベース２に回動可能に軸支されており、モータ２６の回転により、ギヤ２４および軸２０を介して例えば５４０ｒｐｍの速度で回転する。発光素子６の点灯等に必要な電力はロータリコネクタ２２や、軸２０の内部に敷設された経路を介して最終的に各発光素子６へと供給される。回転テーブル４には、発光素子アレイ８が立設されており、回転テーブル４の高速回転中に、画像データ供給部２８が所定のタイミングで各発光素子６を点灯することで、三次元オブジェクトの表面が三次元画像表示装置１００において表現可能となる。

ユーザは、第１光源位置設定スイッチ１０および第２光源位置設定スイッチ１２を操作して、後述するシェーディング処理に用いられる仮想的に設けられた光源の位置を調整する。これによって、ユーザは、どの位置から照らされた三次元オブジェクトの画像を表示するかを設定できる。これらのスイッチは、つまみ状であり、ユーザはこれらのスイッチを回して操作する。第１光源位置設定スイッチ１０は、水平方向における光源の位置を調整するためのものである。ユーザによる第１光源位置設定スイッチ１０の操作に応じて、光源はオブジェクトの周囲を水平方向に回って移動する。第２光源位置設定スイッチ１２は、光源の高さを調整するためのものである。ユーザによる第２光源位置設定スイッチ１２の操作に応じて、光源は上下方向に移動する。

ロータリエンコーダ４２は、上部にピニオンを有し、これとギヤ２４を介して回転テーブル４の回転情報を取得する。回転情報とは、例えば回転テーブル４に設定した不図示の基準点がどの位置にあるか等、回転の状態に関する情報をいい、回転中の回転テーブル４上の発光素子アレイ８の位置に関するものである。取得した回転情報は不図示の経路で画像データ供給部２８に入力され、後述するデータ読出信号の生成に用いられる。各発光素子ドライバは、画像データ供給部２８からの不図示の経路を介した入力に基づいて各発光素子６の点灯および消灯を行う。

図２は、三次元画像表示装置１００の平面図である。同図では、図１と同一の部分については同一符号を付する。１組の発光素子アレイ群９に含まれる各発光素子アレイ８は、回転テーブル４の中心Ｏに対して等角度間隔で、回転テーブル４の外周から中心Ｏに向かって徐々に近づいていく円弧に沿って配置される。本実施の形態では、各アレイは、図２に示すように、回転テーブル４の中心Ｏに対して８度間隔、外周から中心Ｏに向かって７ｍｍ間隔で配置される。これらの発光素子アレイ８と、回転テーブル４の中心Ｏに対して点対称の位置にそれぞれ発光素子アレイ８を配置したものが、もう１組の発光素子アレイ群９である。また、各発光素子アレイ８は、回転テーブル４の中心Ｏから放射方向に指向する。従って、ユーザが回転テーブル４の周辺のどの位置から観察しても、明瞭な三次元画像を認識することができる。このように、本実施の形態では、発光素子アレイ８は所定の規則性をもって配置されるが、配置はこれに限られるものではない。

図３は、画像データ供給部２８の機能ブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、プロセッサ、ＲＡＭなどの各種素子や、センサなどの各種デバイスで実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。従って、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

画像データ供給部２８は、元画像データ保持部３０、光源位置保持部３２、シェーディング処理部３６、画像データ再構成部３８、画像データ変換部４０、データ読出信号発生部４４および表示データ保持部４６を含む。元画像データ保持部３０は、外部から三次元オブジェクトの表面についての画像データの入力を受け、この画像データを保持する。別の例として、元画像データ保持部３０は、三次元オブジェクトのボリュームについての画像データの入力を受け付け、表面についての画像データを抽出してもよい。光源位置保持部３２は、ユーザが第１光源位置設定スイッチ１０および第２光源位置設定スイッチ１２を操作して設定した光源の位置の情報を保持する。

シェーディング処理部３６は、元画像データにシェーディング処理を施す。ここで、「元画像データ」とは、シェーディング処理される前の三次元オブジェクトの表面についての画像データをいう。また、「シェーディング処理」とは、仮想的に設けた光源から照らして陰影を付けた三次元オブジェクトの画像データを生成する処理をいう。シェーディング処理において、三次元オブジェクトは、光源位置保持部３２が保持する光源の位置から照らされる。画像データ再構成部３８は、シェーディング処理された画像データについて、その色を変換する処理を施す。色を変換する処理については、図８および図９を用いて後述する。

画像データ変換部４０は、色が変換された画像データを用いて、表示データを生成する。回転テーブル４上の空間を、オブジェクトの表面を表示する複数の画素からなる空間であるとする。この空間は、回転テーブル４の半径方向、円周方向および高さ方向からなる座標系と考えることができ、各画素の位置は、この座標系における点の座標として表すことができる。表示データは、各画素の座標と各画素において表示される色の情報（以下「点灯情報」とも表記する）とがそれぞれ対応付けられて生成される。このとき、オブジェクトの表面を表示する位置にない画素については、その画素の座標には、その位置の座標では発光素子を消灯するとする情報（以下「消灯情報」とも表記する）が対応付けられる。つまり、表示データは、各発光素子アレイ８について、回転テーブル４の回転中にいずれの位置でいずれの発光素子６を点灯および消灯するか、また、点灯するときはいずれの色で点灯するかを内容とする。なお、画像データ変換部４０は不図示の手段で、オブジェクトを上述の座標系においてどのように表示するか、すなわちオブジェクトの表示位置や大きさ、表示の角度等に関する指示を上記座標系に基づいてユーザから受け付けており、これに従って表示データを生成する。表示データ保持部４６は、生成された表示データを保持する。

データ読出信号発生部４４は、入力された回転情報に基づいて各発光素子アレイ８の位置を判別し、そのタイミングに基づいて表示データ保持部４６に保持される表示データを出力するタイミングを指定する信号（以下「データ読出信号」とも表記する）を発生する。表示データ保持部４６は、データ読出信号に応じて表示データを各発光素子ドライバへ出力する。各発光素子ドライバはその表示データに基づいて各発光素子６を点灯および消灯させる。

図４は本実施例の三次元画像表示装置１００で三次元的に表示しようとするオブジェクトの一例を示す斜視図である。ここでは、表示するモデル３００として立方体を取り上げる。モデル３００は図示するごとく頂点ａ乃至ｇを有する。頂点ａｂｃｄで規定される面を面Ａ、頂点ｃｄｇｈで規定される面を面Ｂ、頂点ａｄｈｅで規定される面を面Ｃ、頂点ａｂｆｅで規定される面を面Ｄ、頂点ｅｆｇｈで規定される面を面Ｅ、頂点ｂｃｇｆで規定される面を面Ｆとする。

図５（ａ）は、三次元画像表示装置１００において、図４のモデル３００を表示する様子を示す斜視図である。図では、ベース２と回転テーブル４とモデル３００のみが示されている。以下の説明の便宜のため、回転テーブル４の中心Ｏである軸２０から図中左に基準線０を引く。モデル３００は、前述した三次元画像表示装置１００の表示空間内に面Ｆを底面として、底面が回転テーブル４と水平になるように表示されるとする。その他の表示位置、角度の詳細を以下に述べる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のようにモデル３００を表示する場合に、三次元画像表示装置１００を垂直に見下ろした場合の平面図である。各点線は、回転テーブル４が回転する際の各発光素子アレイ８の軌跡を示す。既述のごとく、２つの発光素子アレイ群９は、回転テーブル４の中心Ｏに対して点対称の位置にそれぞれ対応しあう１２本の発光素子アレイ８からなる。従って、２つの発光素子アレイ群９において位置的に対応しあうことになる二本の発光素子アレイ８が一つの軌跡上を移動する。軌跡の数は全部で１２となり、それぞれ回転テーブル４の外周から中心Ｏに向かって、ｒ１、ｒ２、・・・ｒ１１、ｒ１２と呼ぶ。

同図では、モデル３００を真上からみるため面Ｃと各頂点ａｄｈｅが示されている。モデル３００は、頂点ｄが軌跡ｒ３上に、頂点ｅが軌跡ｒ８上にくるよう表示されるとする。正確に言えば、辺ｄｃが軌跡ｒ３上に辺ｅｆが軌跡ｒ８上に表示される。また、頂点ｄと頂点ｅを結んだ面Ｃの対角線は基準線０の延長線（図中一点鎖線）上にあるとする。

図５（ｃ）は、モデル３００と軌跡の関係を示す、図５（ｂ）の部分拡大図である。頂点ｄは、軌跡ｒ３の円周上において、基準線０からｓ３の距離に位置するとする。また、軌跡ｒ４と辺ａｄの交点は基準線０からｓ４の位置にあり、辺ｄｈとの交点はｓ’４の位置にあるとする。軌跡ｒ５は、辺ａｄと基準線０からｓ５の位置で交わり、辺ｄｈとはｓ’５の位置で交わるとする。軌跡ｒ６と辺ａｅの交点はｓ６に位置し、辺ｈｅとの交点は軌跡ｒ６上で基準位置０からｓ’６の距離にある。軌跡ｒ７は、基準位置０からｓ７の距離で辺ａｅと交わり、ｓ’７の位置で辺ｈｅと交わる。頂点ｅは、軌跡ｒ８上において、基準線０からｓ８の距離に位置する。

図５（ｄ）は、図５（ａ）のようにモデル３００を表示する場合に、これを水平方向からみた平面図である。基準線０に対して垂直の方向から三次元画像表示装置１００を観察しているとする。図示するようにモデル３００は、底面に当たる面Ｆが回転テーブル４からｈ_１の高さに、上面に当たる面Ｃが回転テーブル４からｈ_２の高さに表示されるとする。

図６（ａ）乃至（ｆ）は図５（ａ）乃至（ｄ）で示した位置にモデル３００を表示する場合の表示データを示す概念図である。本実施例の三次元画像表示装置１００は、高速移動する発光素子アレイ８の各発光素子６が、表示対象オブジェクトの断面を、残像現象を利用して平面画像として表現し、これを積層させて、表示対象のまたは近似のオブジェクトを表示する装置である。図６（ａ）乃至（ｆ）は、軌跡ｒ３乃至ｒ８上の回転テーブル４に対して垂直な平面で、モデル３００をスライスした画像に相当する。ここに示された点灯情報および消灯情報に従って、各発光素子アレイ８の所定の発光素子６を点灯および消灯すれば、モデル３００を表現できる。図中実線が点灯情報であり、その他の部分が消灯情報である。

なお、本実施例の三次元画像表示装置１００では、オブジェクトの断面画像の積層により三次元オブジェクトを表現するため、ある程度表現が離散的となる。但し、これは三次元的であると二次元的であるとを問わず、離散的な画素によって画像を表示するタイプのあらゆる画像表示装置においてみられる現象である。例えば、本実施例のモデル３００では辺ａｂや辺ｈｇを通過する発光素子アレイ８がないため、それら自体を表現することはできないが、少なくともユーザはモデル３００を略立方体と認識可能に表示されているとする。以上の事情および現実には表示可能画素数を増やす、すなわち三次元画像表示装置１００の解像度を上げることでより表示しようとするオブジェクトと実際の表示の乖離を低減できることは当業者であれば容易に理解可能である。本明細書では、モデル３００は必ずしも立方体としてではなく擬似的な立方体として表示されるが、その場合でもモデル３００を「表示する」と表記している。

図６（ａ）は、軌跡ｒ３上を移動する発光素子アレイ８の発光素子６をどのように点灯および消灯するかを示す。軌跡ｒ３の発光素子アレイ８が０からｔの方向に移動するとき、いずれの高さの発光素子６がいずれのタイミングで点灯されているかを示している。既述のごとく、モデル３００の辺ｄｃは軌跡ｒ３上に位置する。すなわち、軌跡ｒ３でモデル３００をスライスした平面により、辺ｄｃが表現される。従って、同図のごとく点灯情報は、発光素子アレイ８がｓ３の位置に来たときに、高さｈ_１から高さｈ_２までの発光素子６を点灯することを示す直線となる。

図６（ｂ）は、軌跡ｒ４上を移動する発光素子アレイ８の発光素子６の点灯および消灯の状態を示す。軌跡ｒ４の平面によって、モデル３００をスライスした場合、その断面は長方形になる。従って、軌跡ｒ４上の発光素子アレイ８は、当該長方形の画像を表示する。その点灯情報は図中実線で示すように、図中水平方向の辺が基準線０からの距離ｓ４とｓ’４との差に等しく、垂直方向の辺が高さｈ_２とｈ_１の差に等しい長方形であり、これに対応する位置にある発光素子６を点灯することを示すデータとなる。

図６（ｃ）は、軌跡ｒ５上を移動する発光素子アレイ８の発光素子６の点灯および消灯の状態を示す。軌跡ｒ５の平面によってモデル３００をスライスした場合、その断面は長方形になる。従って、軌跡ｒ５上の発光素子アレイ８は、当該長方形の画像を表示する。その点灯情報は図中実線で示すように、図中水平方向の辺が基準線０からの距離ｓ５とｓ’５との差に等しく、垂直方向の辺が高さｈ_２とｈ_１の差に等しい長方形であり、これに対応する位置にある発光素子６を点灯することを示すデータとなる。

以下、図６（ｄ）乃至（ｆ）もそれぞれ軌跡ｒ６乃至軌跡ｒ８上を移動する発光素子アレイ８の発光素子６の点灯および消灯の様子を示している。図６（ｄ）では、点灯情報は図中水平方向の辺が基準線０からの距離ｓ６とｓ’６との差に等しく、垂直方向の辺が高さｈ_２とｈ_１の差に等しい長方形として実線で示されている。図６（ｅ）では、点灯情報は図中水平方向の辺が基準線０からの距離ｓ７とｓ’７との差に等しく、垂直方向の辺が高さｈ_２とｈ_１の差に等しい長方形として実線で示されている。図６（ｆ）では、点灯情報はｓ８におけるｈ_１からｈ_２までの直線となっている。既述の通り軌跡ｒ８は、モデル３００の辺ｅｆを通過するためであり、点灯情報はその辺ｅｆを表示するためのデータとなっている。

図７（ａ）および（ｂ）は、発光素子アレイ８における発光素子６の実際の点灯および消灯を示す図である。図７（ａ）は、軌跡ｒ３上を発光素子アレイ８が基準線０からｔ方向に移動していく際、図６（ａ）の点灯情報により各発光素子６がどのように点灯および消灯されるかを示している。図中黒く塗りつぶした発光素子６は点灯状態にあることを示し、着色のない発光素子６は消灯されていることを示す。同図に示すように発光素子アレイ８がｓ３の位置に来たときに高さｈ_１から高さｈ_２までの発光素子６を点灯することで、モデル３００の辺ｃｄが表現できる。

図７（ｂ）は、図６（ｂ）の点灯情報により、軌跡ｒ４上を移動する発光素子アレイ８の各発光素子６の点灯および消灯する様子を示す。図示するように、発光素子アレイ８がｓ４の位置に来たときに高さｈ_１からｈ_２までの発光素子６が点灯される。その後は、高さｈ_１の発光素子６と高さｈ_２の発光素子６のみが点灯され、発光素子アレイ８がｓ’４の位置で、再び高さｈ_１からｈ_２までの発光素子６が点灯される。このようにして、残像現象を利用し軌跡ｒ４の平面でモデル３００をスライスした断面が表現できる。その他、軌跡ｒ５以降についても、同様の原理でモデル３００の各断面画像が表示されるが説明を省略する。

図８は、画像データ再構成部３８の機能ブロック図である。画像データ再構成部３８は、黒色検出部５０、第１変換色保持部５２、第１色変換部５４、第２変換色保持部５６および第２色変換部５８を含む。黒色検出部５０は、シェーディング処理部３６によりシェーディング処理された画像データについて、黒色の部分を検出する。このとき、黒色検出部５０は、画像データの画素の階調が所定の閾値以下であるか否かを判定して、黒色の部分を検出する。例えば、画像データにおける色は赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の３色を用いて生成され、これら３色は、それぞれ０〜２５５の整数値による２５６階調により表現されるとする。それら３色の階調について（Ｒ、Ｇ、Ｂ）なる表記を用いて色を記述するとき、（０、０、０）は最も暗い黒色、（２５５、２５５、２５５）は最も明るい白色である。ここで、閾値を（１５、１５、１５）と設定すると、すべての階調の値が１５以下である色は、黒色であると判定される。例えば、黒色検出部５０は、（５、６、３）は黒色であり、（２０、１０、５）は黒色でないと判定する。

第１変換色保持部５２は、第１色変換部５４が画像データの色を変換するための複数の色を保持する。これらの色は、黒色以外の色の明度を所定の度合いで暗くした、黒色に近い色である。第１色変換部５４は、黒色検出部５０により検出された黒色の部分であって、シェーディング処理前の色が黒色でない部分の色を、第１変換色保持部５２が保持する、そのシェーディング処理前の色の明度を所定の度合いで暗くした色に変換する。例えば、三次元オブジェクトにおける一部の色が赤色で、シェーディング処理されてその部分が黒色となったとき、その部分の色を、所定の度合いで明度を暗くした赤色に変換する。

第２変換色保持部５６は、第２色変換部５８が画像データの色を変換するための明度の暗い所定の青色（「暗い青色」とも表記する）を保持する。第２色変換部５８は、黒色検出部５０により検出された黒色の部分であって、シェーディング処理前の色が黒色である部分の色を、第２変換色保持部５６が保持する暗い青色に変換する。本実施の形態では、黒色の部分の色を暗い青色に変換するが、変換する色はこれに限られない。変換する色は、例えば明度の暗い茶色等、黒色以外の色であって、かつ黒色に近い、明度の暗い色であってもよい。第１色変換部５４および第２色変換部５８により、色が変換された画像データは、画像データ変換部４０へ出力される。

本実施の形態では、シェーディング処理後の画像データにおける黒色の部分を、所定の１色に変換するが、黒色の部分の階調に応じて複数の色に変換してもよい。例えば、黒色の部分について、（Ｒ、Ｇ、Ｂ）＝（７、７、７）を閾値として、階調が閾値以下である場合は、閾値以上である場合より明度の暗い青色に変換してもよい。これによって、元画像データを反映した、より自然な画像を表示できる。

また、シェーディング処理後における黒色の部分の色を、三次元オブジェクトの種類に基づいて一般的に自然であるとされる色に変換してもよい。例えば、第１変換色保持部５２および第２変換色保持部５６は、複数種類の三次元オブジェクトについて、一般的に自然であるとされる色を各三次元オブジェクトと対応させて保持する。第１色変換部５４および第２色変換部５８は、表示される三次元オブジェクトの種類に基づいて、第１変換色保持部５２および第２変換色保持部５６がそれぞれ保持する色からその三次元オブジェクトと対応する色を選択して、黒色の部分の色を、その選択した色に変換する。例えば、三次元オブジェクトが人間の頭部であり、髪の部分が黒色であるとき、その髪の部分については、明度の暗い青色で表示するよりも、明度の暗い茶色で表示した方が人間の頭部を自然に表現できる。第２変換色保持部５６は、三次元オブジェクトである人間の頭部と対応させて、髪の部分の色として明度の暗い茶色を保持する。第２色変換部５８は、第２変換色保持部５６に保持される色から人間の頭部と対応する明度の暗い茶色を選択して、髪の部分の色をその選択した明度の暗い茶色に変換する。これによって、三次元オブジェクトをより自然に表示できる。

シェーディング処理された画像データにおける色の変換について説明する。上述のオブジェクトの表示についての説明では立方体を例として説明したが、ここでは、より面が多い自動車の模型を例として説明する。図９（ａ）および図９（ｂ）に、三次元オブジェクトの例として自動車の模型６２を示す。図９（ａ）は、シェーディング処理がされる前の模型６２を示す図であり、図９（ｂ）は、シェーディング処理がされた後の模型６２を示す図である。ここで、車体の屋根の部分の面を面Ｇ、フロントガラス部分の面を面Ｈ、ボンネット部分の面を面Ｉ、車体の先端面を面Ｊ、車体の左側面を面Ｋ、車体の左側に位置する２つのタイヤの表面を面Ｌと呼ぶ。図９（ａ）に示すように、面Ｇ、面Ｈ、面Ｊおよび面Ｋのオリジナルの色は赤色、面Ｉおよび面Ｌのオリジナルの色は黒色である。シェーディング処理は、図９（ｂ）に示すように模型６２の左上に位置する仮想的に設けられた光源αが、模型６２を照射することによりなされる。その結果、シェーディング処理された模型６２において、同図（ｂ）に示すように面Ｈ、面Ｊ、面Ｋおよび面Ｌにおける色の明度が暗くなり、面Ｇと面Ｉにおける色の明度は変化しないとする。ここでは、光の反射などを考えないものとする。色の明度が暗くなった面において、明度は、面Ｋと面Ｌが同等の暗さで最も暗く、それらに次いで面Ｊ、面Ｈの順で暗いとする。シェーディング処理後の各面の色は、（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の表現を用いると、面Ｇが（１７０、１２０、１３０）、面Ｈが（１５０、８０、８０）、面Ｉが（４、４、４）、面Ｊが（１２０、４０、４０）、面Ｋが（２、２、２）、面Ｌが（２、２、２）であるとする。

黒色であるか否かを判定するための階調の閾値が、（Ｒ、Ｇ、Ｂ）＝（１５、１５、１５）であるとすると、模型６２において、黒色の面は、面Ｉ、面Ｋおよび面Ｌである。このうち、面Ｋは、もともと赤色であり、シェーディング処理された結果、黒色となっている。第１色変換部５４は、面Ｋの色を、例えば、明度を所定の度合いで暗くした、黒色に近い所定の赤色（「暗い赤色」とも表記する）に変換する。面Ｉは、ボンネット部分であり、もともと黒色である。つまり、いま、光の反射などを考えないとすれば、面Ｉは、シェーディング処理されても色の明度が変化していない。面Ｌは、タイヤ部分であり、もともと黒色である。また、面Ｌは、シェーディング処理によって、色の明度が暗くなった面である。第２色変換部５８は、面Ｉおよび面Ｌの色を、暗い青色に変換する。なお、黒色の面ではない面Ｇ、面Ｈおよび面Ｊの色は変換されない。

この結果、面Ｇを表示する発光素子６は赤色、面Ｈを表示する発光素子６はシェーディング処理後の面Ｈの色、面Ｉを表示する発光素子６は第２色変換部５８により変換された暗い青色、面Ｊを表示する発光素子６はシェーディング処理後の面Ｊの色、面Ｋを表示する発光素子６は第１色変換部５４により変換された暗い赤色、面Ｌを表示する発光素子６は第２色変換部５８により変換された暗い青色で発光する。

以上の構成による動作を以下で説明する。図１０は、シェーディング処理および色変換処理された画像データを用いて三次元オブジェクトを表示する過程を示すフローチャートである。元画像データ保持部３０は、外部から元画像データを取得し、それを保持する（Ｓ１０）。ユーザが、第１光源位置設定スイッチ１０および第２光源位置設定スイッチ１２を操作して光源位置を設定する（Ｓ１２）。シェーディング処理部３６は、元画像データにシェーディング処理を施す（Ｓ１４）。画像データ再構成部３８が、シェーディング処理された画像データの黒色の部分の色を変換する（Ｓ１６）。色の変換の過程については、図１１を用いて後述する。画像データ変換部４０は、色が変換された画像データを表示データに変換する（Ｓ１８）。表示データ保持部４６は、表示データを保持する（Ｓ２０）。データ読出信号発生部４４は、ロータリエンコーダ４２からの回転情報に基づいて発光素子アレイ８の位置を判別し（Ｓ２２）、そのタイミングに基づいて表示データ保持部４６に保持される表示データを出力するタイミングを指定する信号、すなわちデータ読出信号を発生する（Ｓ２４）。表示データ保持部４６は、指定されたタイミングにおいて表示データを発光素子ドライバに出力する（Ｓ２６）。発光素子ドライバは、入力された表示データに基づいて各発光素子６を点灯および消灯させ（Ｓ２８）、これによって三次元画像表示装置１００は、三次元オブジェクトの表面を表示する（Ｓ２９）。

図１１は、画像データ再構成部３８における色の変換の過程を示すフローチャートである。黒色検出部５０は、シェーディング処理された画像データについて黒色の部分を検出する（Ｓ３０）。その画像データに黒色の部分がないとき（Ｓ３０のＮ）、色は変換されない。黒色の部分があり（Ｓ３０のＹ）、その部分のシェーディング処理前の色が黒色以外の色であるとき（Ｓ３２のＮ）、第１色変換部５４は、その黒色の部分の色をシェーディング処理前の色の明度を所定の度合いで暗くした色に変換する（Ｓ３４）。一方、黒色の部分があり（Ｓ３０のＹ）、その部分のシェーディング処理前の色が黒色であるとき（Ｓ３２のＹ）、第２色変換部５８は、その黒色の部分の色を暗い青色に変換する（Ｓ３６）。

本実施の形態では、シェーディング処理により陰影を付けた三次元オブジェクトの画像データを用いて発光素子６を発光させるため、陰影を付けない場合と比較して、より自然に三次元オブジェクトを表現できる。また、本実施の形態では、黒色の部分について、その部分の色を黒色以外の明度の暗い所定の色に変換して、その色で発光素子６を発光させる。これにより、黒色の部分を有する三次元オブジェクトの表面を自然に表現することができる。さらに、黒色の部分のシェーディング処理前の色が黒色以外の色であるときは、その色の明度を所定の度合いで暗くした色に変換する。これにより、三次元オブジェクトが本来有する色を反映した黒色が表現されるので、より自然な表現が可能となる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、以下のような変形例が考えられる。

本実施の形態では、図１に示すように、画像データ供給部２８は、図示しない元画像データを生成する外部のコンピュータから独立して、三次元画像表示装置１００に含まれる。変形例では、画像データ供給部２８は、元画像データを生成するコンピュータに含まれてもよい。この場合、そのコンピュータと画像データ供給部２８を有しない三次元画像表示装置１００とを含めて三次元画像表示装置と考えることができる。

本実施の形態に係る三次元画像表示装置１００を実際に使用する場合について説明する。まず、ユーザは、表示したい三次元オブジェクトの表面についての画像データを、例えば、ＣＧ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ）ツールによって制作して準備する。そして、例えば、図示しないキーボード等の操作により、その画像データを画像データ供給部２８へ入力する。入力された画像データはオリジナルデータであり、例えば、図９（ａ）に示した自動車の模型６２の面Ｇ、面Ｈ、面Ｊおよび面Ｋが赤色、面Ｉおよび面Ｌが黒色である状態のデータである。ユーザは、第１光源位置設定スイッチ１０および第２光源位置設定スイッチ１２を操作して、シェーディング処理のための光源位置を決定する。次いで、画像データ供給部２８内で、図１０および図１１のフローチャートに示したシェーディング処理および色変換処理がなされる。この結果、オリジナルの画像データについて、例えば、図９（ｂ）に示したようなシェーディング処理された画像データが得られる。回転テーブル４が回転することにより、発光素子アレイ８により構成される仮想的な円筒状の空間に、陰影が付けられた三次元オブジェクトの表面が三次元的に表示される。

実施の形態における三次元画像表示装置の斜視図である。実施の形態における三次元画像表示装置の平面図である。実施の形態における画像データ供給部の機能ブロック図である。実施の形態における三次元画像表示装置で表示するオブジェクトの一例を示す斜視図である。図４のモデルの表示位置を示す斜視図である。図４のモデルの表示データを示す概念図である。図６の表示データに基づいて発光素子を点灯および消灯する様子を示す図である。実施の形態における画像データ再構成部の機能ブロック図である。（ａ）は、シェーディング処理される前の模型を示す図であり、（ｂ）は、シェーディング処理された後の模型を示す図である。三次元オブジェクトを表示する過程を示すフローチャートである。画像データ再構成部における色の変換の過程を示すフローチャートである。

符号の説明

２ベース、４回転テーブル、６発光素子、８発光素子アレイ、９発光素子アレイ群、１０第１光源位置設定スイッチ、１２第２光源位置設定スイッチ、２０軸、２２ロータリコネクタ、２４ギヤ、２６モータ、２８画像データ供給部、３０元画像データ保持部、３２光源位置保持部、３６シェーディング処理部、３８画像データ再構成部、４０画像データ変換部、４２ロータリエンコーダ、４４データ読出信号発生部、４６表示データ保持部、５０黒色検出部、５２第１変換色保持部、５４第１色変換部、５６第２変換色保持部、５８第２色変換部、６２模型、１００三次元画像表示装置、３００モデル。

Claims

複数の発光素子を有する発光表示部と、
前記発光表示部が立設配置される回転自在な支持部と、
前記支持部を回転させる駆動部と、
前記支持部の回転に応じて所定の位置で前記発光素子を点灯させて三次元オブジェクトの表面を三次元的に表示するための画像データを前記発光表示部に供給する画像データ供給部と、
を備え、
前記画像データ供給部は、光源を仮想的に設け、前記画像データを再構成する処理を施す再構成部を有することを特徴とする三次元画像表示装置。
前記再構成部は、仮想的に設けられた光源から前記三次元オブジェクトを照らして陰影を付けるシェーディング処理を前記画像データに施すことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
前記再構成部は、前記三次元オブジェクトにおける黒色の部分の色を、黒色以外の所定の色に変換する処理を前記画像データに施すことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元画像表示装置。
前記再構成部は、前記シェーディング処理の結果、黒色となった部分における色を、前記シェーディング処理前のその部分における色の明度を暗くした色に変換する処理を前記画像データに施すことを特徴とする請求項２または３に記載の三次元画像表示装置。
前記再構成部は、前記シェーディング処理の結果、黒色となった部分における前記シェーディング処理前の色が黒色であるとき、その部分の色を黒色以外の所定の色に変換する処理を前記画像データに施すことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の三次元画像表示装置。