JP6016765B2 - ３次元地図表示システムおよび合成テクスチャ生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、地物を３次元的に表現した３次元地図を表示する３次元地図表示システム、および３次元地図表示に用いる合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成装置に関する。

ナビゲーション装置やコンピュータの画面等に、建造物や道路などの地物を３次元的に表した３次元地図では、地物の３次元的形状を表す３次元モデルを、透視投影などの方法で投影することによって表示される。この投影には、高い計算負荷がかかるため、３次元地図表示では、計算負荷の軽減が課題の一つとされている。
一方、３次元地図は、リアリティが高く直感的に地理が把握しやすい点が長所である。このリアリティ向上のため、３次元地図では、３次元モデルの表面に、地物の外観を表すテクスチャを貼り付けている。テクスチャを貼付した場合、投影処理の計算負荷が更に高まるため、この負荷軽減がさらに課題となる。
こうした課題を解決するための方法として、特許文献１は、外観を表す精度が高いテクスチャと、低いテクスチャとを設け、投影処理を行う際のＣＰＵの負荷に応じて、両者を使い分けることによって、計算負荷を軽減する技術を開示している。

特開２００６−２６８５５０号公報

広域の３次元地図を表示する場合、３次元モデルの数は多くなり、さらに計算負荷が高くなる。近年では、スマートフォンなど処理能力が比較的低い携帯端末等において、３次元地図を表示する要請も高まっており、地図表示時の計算負荷のさらなる低減が望まれている。計算負荷を軽減するために、３次元モデルやテクスチャを簡略化する方法も考えられるが、かかる方法では、３次元地図のリアリティが低減するという別の課題を招くことになる。
本発明は、かかる課題に鑑み、３次元地図のリアリティの低減を抑制しながら表示時の計算負荷を軽減することを目的とする。

本発明は、
地物を３次元的に表現した３次元地図を表示する３次元地図表示システムであって、
前記地物の３次元形状を表す３次元モデルを記憶する３次元モデルデータベースと、
前記３次元モデルの各表面に予め用意された３次元モデル用テクスチャを貼付した上で、該３次元モデルを投影することによって合成された合成テクスチャを格納する合成テクスチャデータベースと、
前記３次元地図の表示範囲に対応する前記３次元モデルを仮想３次元空間に配置し、該３次元モデルに対応する前記合成テクスチャを、前記３次元モデル上に、前記合成時の投影方向と逆方向に射影する合成テクスチャ射影部と、
該合成テクスチャが射影された３次元モデルを投影して前記３次元地図を表示する表示制御部とを備える３次元地図表示システムとして構成することができる。
射影とは、プロジェクションとも呼ばれる技術である。２次元画像としての合成テクスチャ上の各ピクセルを、射影方向の直線に沿って３次元モデル上に射影することによって、平面のテクスチャ画像を凹凸のある３次元モデル上に貼付することができる。

本発明では、３次元モデル用テクスチャではなく、これを合成した合成テクスチャを３次元モデルに射影して３次元地図を表示する。一般に３次元地図の表示では、テクスチャの処理に要する負荷が無視できないほど高くなり、その負荷は、テクスチャの解像度や数に応じて変化する。これに対し、本発明では、合成テクスチャを利用するため、テクスチャの数を減らすことができる。また、この合成テクスチャは、３次元モデルに３次元モデル用テクスチャを貼付した上で投影して生成されるものであるから、３次元モデルテクスチャが高解像度のものであったとしても、投影によって、その解像度を低減させることができる。これらの効果により、本発明によれば、３次元地図表示においてテクスチャを処理する負荷を軽減することができる。
このような合成テクスチャを用いる場合、合成テクスチャは、投影によって生成されるため、投影方向から視認できない隠面が生じる。しかし、本発明では、合成時の投影方向と逆方向に射影するため、合成テクスチャを使用する際における隠面の影響を抑制することができる利点もある。

本発明における地図表示は、コンピュータ、スマートフォンその他の携帯端末、ナビゲーション装置など多様なディスプレイに対して行うことができる。
３次元地図表示システムは、単に静止画としての３次元地図を表示するシステムとして構成してもよいし、経路案内の過程で動的に３次元地図を表示するシステムとして構成してもよい。
本発明において、合成テクスチャを生成する際の投影は、透視投影、平行投影のいずれを用いても良い。
また、本発明の合成テクスチャは、地物単位で生成してもよい。例えば、建物の場合、側面、上面など面ごとに３次元モデル用テクスチャが貼付されることになるが、これを投影すれば、全体が結合した一つのテクスチャに合成されるため、その枚数を減らすことができる。

本発明において、３次元地図を表示する際の投影方向（以下、「表示時投影方向」と呼ぶこともある）は、合成テクスチャを生成する際の投影方向（以下、「生成時投影方向」と呼ぶこともある）と一致している必要はない。ただし、合成テクスチャを生成する際の投影方向と異なる方向で３次元地図を表示すると、上述した隠面の影響が表れ、３次元地図上に、テクスチャが貼付されない部分（以下、「モデル露出部」と呼ぶこともある）が表示され得る。かかる影響を抑制するために、表示時投影方向と、生成時投影方向は、モデル露出部が顕著に表れない程度に近づけることが好ましい。３次元的な投影方向は、水平面内での方向、即ち投影方位と、水平面との角度、即ちピッチ角とで表すことができるが、モデル露出部が顕著に表れないようにするためには、ピッチ角よりも投影方位を、表示時と生成時とで近づけることが好ましい。
モデル露出部の影響を抑制する別の方法として、合成テクスチャの隠面となる部分には、３次元モデル用テクスチャを貼付して、隠面の影響を回避した上で３次元地図表示を行うようにしてもよい。

本発明の３次元地図表示システムにおいては、
前記表示制御部は、前記合成時の投影方位（即ち、生成時投影方位）と略同方位に投影して前記３次元地図を表示するものとしてもよい。
こうすることにより、上述の通り、隠面の影響を抑制することができる。略同方位とは、テクスチャが貼付されないモデル露出部が３次元地図表示上に顕著に表示されない程度の範囲である。合成テクスチャの生成、および３次元地図を表示する際の表示スケールにもよるが、例えば、同方位とはプラスマイナス２２．５度程度の範囲内とすることができる。

本発明の３次元地図表示システムにおいては、
前記合成テクスチャは、前記３次元モデル用テクスチャを貼付した複数の前記３次元モデルを地理的な位置関係に従って配置し、該配置された複数の３次元モデルを投影して生成されており、
前記合成テクスチャ射影部は、前記複数の３次元モデルに対して、前記合成テクスチャを射影するものとしてもよい。
この態様は、複数の３次元モデルを配置した「街」を投影することによって、これらをまとめて一つの合成テクスチャとするものである。こうすることにより、３次元モデルを個別に合成テクスチャとする以上に、テクスチャの枚数を減らすことができ、３次元モデル単体を投影する場合よりも解像度も低減することができるため、さらにテクスチャの処理に伴う計算負荷を軽減することが可能となる。

本発明の３次元地図表示システムにおいては、
前記合成テクスチャは、平行投影によって生成されているものとしてもよい。
透視投影は、視点位置および視線方向を特定して行う投影方法であるため、これによって生成された合成テクスチャも、３次元地図を投影する際の視点が、合成テクスチャを生成する際の視点と異なる場合には、隠面の影響が現れるおそれがある。これに対して、平行投影は、投影方向を規定すれば、「視点位置」を定めることなく投影することができるため、３次元地図を表示する際の視点も任意に選択することが可能となる利点がある。
また、透視投影では、視点から遠方にある３次元モデルが、投影時に非常に小さくつぶれてしまい、合成テクスチャ上も情報が失われてしまうことになるが、平行投影では、こうした影響を回避できる利点もある。
この結果、平行投影を用いる場合には、日本全体に至るまで、広範囲の合成テクスチャを生成しておき、３次元地図を表示する際に、その中の任意の部分を切り出して利用することができることになり、合成テクスチャのデータ容量や管理負荷を抑制することが可能となる。
合成テクスチャを平行投影で生成した場合には、それを３次元モデル上に精度良くマッピングするために、合成テクスチャの射影も平行投影によって行うことになる。一方、３次元モデルの表示は、合成テクスチャの生成時の投影方法とは無関係に選択することができ、平行投影、透視投影のいずれで行ってもよい。

本発明の３次元地図表示システムにおいては、
前記合成テクスチャデータベースは、一つの領域に対して複数の方位からの投影方向で生成された複数種類の合成テクスチャを格納しており、
前記合成テクスチャ射影部は、前記表示制御部が行う投影方位に近い投影方位で生成された合成テクスチャを用いて、前記射影を行うものとしもよい。
このように、表示時投影方位に近い生成時投影方位で生成された合成テクスチャを選択することによって、合成テクスチャの生成時に生じる隠面の影響を抑制することができる。
合成テクスチャを用意すべき方位は、上述の隠面の影響を考慮して任意に設定することができ、例えば、８方位程度とすることができる。

本発明は、３次元地図表示システムとしての態様に限らず、次の態様で構成することもできる。
即ち、地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するために用いる合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成装置であって、
前記地物の３次元形状を表す３次元モデル、および該３次元モデルの複数の面に貼付される複数の３次元モデル用テクスチャのデータを格納する地図データベースと、
前記地図データベースに基づき、前記合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成部と、
該生成された合成テクスチャを格納するための合成テクスチャデータベースと、
前記生成された合成テクスチャを、生成対象とされた前記３次元モデルと対応づけて前記合成テクスチャデータベースに格納するデータベース管理部とを備え、
前記合成テクスチャ生成部は、
前記３次元モデル上の各面上に前記３次元モデル用テクスチャを貼付し、
前記３次元モデルを投影することによって、前記合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成装置との態様である。

上記態様によれば、３次元モデルおよび３次元モデル用テクスチャを利用して、合成テクスチャを生成することができる。
合成テクスチャを生成する際の投影は、平行投影、透視投影などを利用できる。合成テクスチャは、３次元モデル単体ごとに生成してもよいし、複数の３次元モデルを配置した街に対して生成してもよい。その他、３次元地図表示システムで説明した種々の特徴点を、合成テクスチャ生成装置にも反映することができる。
３次元地図表示を表示する際の表示時投影方位が既知の場合には、合成テクスチャを生成する際にも、その方位を用いればよい。表示時投影方位が確定していない場合には、生成時投影方位は、任意に設定すればよく、複数の方向で複数種類の合成テクスチャを生成することが好ましい。
合成テクスチャと３次元モデルとの対応づけは、種々の方法をとることができる。例えば、合成テクスチャが３次元モデル単体に対して生成されている場合には、両者を１対１に対応づければよい。複数の３次元モデルに対して合成テクスチャが生成されている場合には、生成対象となっている複数の３次元モデルと合成テクスチャとを関連づける情報を用意してもよいし、地図の整備単位として用いられるメッシュと呼ばれる矩形領域など、３次元モデルが配置された地域・領域と合成テクスチャとを対応づけるようにしてもよい。

本発明は、上述した各特徴を全て備えている必要はなく、適宜、一部を省略したり、組み合わせたりして構成することも可能である。
また、本発明は、３次元地図表示システムとしての構成の他、コンピュータによって３次元地図を表示する３次元地図表示方法、合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成方法として構成することもできる。さらに、これらの方法をコンピュータに実現させるためのコンピュータプログラムや、かかるコンピュータプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記録媒体（光磁気ディスク、フラッシュメモリ、ハードディスクなどコンピュータが読取り可能な種々の媒体を含む）として構成してもよい。

実施例における３次元地図の表示方法を示す説明図である。 経路案内システムの構成を示す説明図である。 合成テクスチャの生成方法を示す説明図である。 合成テクスチャの生成例を示す説明図である。 合成テクスチャを用いた３次元地図の表示例を示す説明図である。 合成テクスチャデータベースの構造を示す説明図である。 合成テクスチャ生成処理のフローチャートである。 経路案内処理のフローチャートである。 合成テクスチャ選択処理のフローチャートである。

経路案内システムとして構成した場合を例にとって、本発明の３次元地図表示システムおよび合成テクスチャ生成装置の実施例について説明する。
Ａ．３次元地図の表示方法：
図１は、実施例における３次元地図の表示方法を示す説明図である。３次元地図表示は、図中の上段から下段に向かう手順に従って行われる。
上段には、前処理として行う合成テクスチャを生成する過程について示した。本実施例では、地物の３次元形状を表す３次元モデルＭ１が用意されている。また、３次元モデルＭ１には、その外観を示す３次元モデル用テクスチャ（以下、単に「テクスチャ」と呼ぶこともある）Ｔ１、Ｔ２等の画像データが用意されている。図中では、テクスチャＴ１、Ｔ２のみが示されているが、この図で隠れている部分にもテクスチャ画像は用意されているからである。
合成テクスチャの生成時には、３次元モデルＭ１の表面にテクスチャＴ１、Ｔ２等を貼り付け、平行投影によって投影図Ｔ３を作成する。平行投影の投影方向、即ち生成時投影方向ＰＲＪ１は、任意に設定可能である。投影前の状態では、３次元モデルＭ１には、テクスチャＴ１、Ｔ２を含む複数枚のテクスチャが貼付されるが、投影画像Ｔ３は、１枚の２次元画像となる。こうして生成された投影画像Ｔ３のことを、本実施例では合成テクスチャＴ３と呼ぶ。本実施例では、３次元地図を表示する前処理として、この合成テクスチャＴ３を生成し、予めデータベースとして格納しておく。

中段以降には、３次元地図を表示する際の処理を示した。まず、仮想的な３次元空間に、表示対象となる３次元モデルＭ１を配置する。そして、先に生成された合成テクスチャＴ３を、３次元モデルＭ１上に射影する。射影方向ＰＲＪ２は、合成テクスチャＴ３の生成時投影方向ＰＲＪ１の１８０度逆方向である。射影とは、合成テクスチャＴ３の各ピクセルを射影方向ＰＲＪ２に沿って、３次元モデルＭ１の表面上にマッピングする技術である。合成テクスチャＴ３の射影によって、３次元モデルＭ１の表面は、テクスチャＴ１、Ｔ２を貼付したのと同様の外観となる。この状態を、３次元モデルＭ２と呼ぶものとする。
射影で用いているのは、１枚の合成テクスチャであるから、テクスチャＴ１、Ｔ２を貼付したのと同様の外観が、１枚の合成テクスチャＴ３で実現されることになる。また、合成テクスチャＴ３は、３次元モデルＭ１を平行投影して生成されているから、その際の投影スケールによっては、合成テクスチャＴ３は、テクスチャＴ１、Ｔ２よりも解像度が低いものとなる。図中の例に沿って説明すれば、３次元モデルＭ１が、本来用意されているモデルよりも縮小した状態で配置されている場合を考えればよい。かかる場合であっても、テクスチャＴ１、Ｔ２は高解像度のままで用いられることになるが、これを投影して生成された合成テクスチャＴ３は、低解像度となるのである。
このように中段に示す射影処理によって、３次元モデルＭ２は、単一かつ３次元モデルのサイズに合わせて解像度を落としたテクスチャが貼付されたモデルとなる。ただし、合成テクスチャＴ３は、上段に示した生成時の投影処理で視認できる面しか含んでおらず、隠面の外観は含まれていないから、これを射影した３次元モデルＭ２は、隠面についてはテクスチャが何も貼付されていない状態、即ち３次元モデルのポリゴンがそのまま露出した露出面となっている。

下段には、３次元モデルＭ２を用いて３次元地図を表示する処理を示した。３次元モデルＭ２を、所定の視点および視線方向に従って、矢印ＰＲＪ３に示すように投影面ＰＶに透視投影することによって投影画像ＰＭを表示することができる。表示の際の視線方向、即ち表示時投影方向は、生成時投影方向ＰＲＪ１と略同方向とすることが好ましい。こうすることにより、３次元モデルＭ２で合成テクスチャＴ３が貼付されていない露出面が投影画像ＰＭに描かれるおそれを抑制できる。
本実施例では、以上で説明したように、前処理として合成テクスチャを生成し、それを貼付することによって３次元地図を表示するという方法をとる。

上述の例では、合成テクスチャの生成および射影は、平行投影を用いているが、これを透視投影で行ってもよい。また、３次元地図の表示は、透視投影の他、平行投影で行うこともできる。
上述の例では、単体の３次元モデルを例にとって説明したが、合成テクスチャの生成は、複数の３次元モデルを配置した領域に対して行うことができる。３次元地図は、メッシュと呼ばれる所定サイズの矩形領域を管理単位として整備されているため、本実施例でも、このメッシュ単位で合成テクスチャを生成している。

Ｂ．システム構成：
Ｂ１．全体構成：
図２は、経路案内システムの構成を示す説明図である。サーバ２００からネットワークＮＥ２等を介して提供される地図データに基づいて、スマートフォン３００に地図を表示し、経路案内を行う構成例を示した。地図を表示する端末としては、パーソナルコンピュータ、ナビゲーション装置などを用いてもよい。また、経路案内システムは、スマートフォン３００のような端末とサーバ２００とからなるシステムの他、スタンドアロンで稼働するシステムとして構成してもよい。
図中には、合成テクスチャデータを生成する合成テクスチャ生成装置１００も併せて示した。

スマートフォン３００には、主制御部３０４の下で稼働する種々の機能ブロックが構成されている。本実施例では、主制御部３０４および各機能ブロックは、それぞれの機能を実現するソフトウェアをインストールすることによって構成したが、その一部または全部をハードウェア的に構成してもよい。
送受信部３０１は、サーバ２００とのネットワークＮＥ２を介した通信を行う。本実施例では、３次元地図を表示するための地図データおよびコマンドの送受信が主として行われる。
コマンド入力部３０２は、スマートフォン３００に対する操作等を通じて、ユーザからの指示を入力する。本実施例における指示としては、３次元地図の表示範囲、拡大・縮小の指定、経路案内を行う際の出発地、目的地の設定などが揚げられる。
ＧＰＳ入力部３０３は、ＧＰＳ（Global Positioning System）の信号に基づいて緯度経度の座標値を得る。また、経路案内では、緯度経度の変化に基づいて進行方向を算出する。
地図情報記憶部３０５は、サーバ２００から提供された地図データを一時的に記憶しておくバッファである。経路案内時のように表示すべき地図が時々刻々と移動していく場合、地図情報記憶部３０５では不足する範囲の地図データをサーバ２００から受信して地図を表示する。
合成テクスチャ射影部３０６は、地図をする際に、３次元モデルへの合成テクスチャの射影（図１の中断参照）を行う。
表示制御部３０７は、地図情報記憶部３０５および合成テクスチャ射影部３０６から提供されるデータに基づいて、スマートフォン３００のディスプレイ３００ｄに３次元地図を表示する。
スマートフォン３００に備えられている機能の一部は、サーバ２００で実現するようにしてもよい。

サーバ２００には、図示する機能ブロックが構成されている。本実施例では、これらの機能ブロックは、それぞれの機能を実現するソフトウェアをインストールすることによって構成したが、その一部または全部をハードウェア的に構成してもよい。
地図データベース２１０は、３次元地図を表示するためのデータベースである。本実施例では、３Ｄ地図データベース２１１、合成テクスチャデータベース２１２、ネットワークデータ２１３を含む地図データを格納する。３Ｄ地図データベース２１１は、道路、建物などの地物を３次元的に表示するためのデータであり、地物の３次元モデルを平行投影することで得られた２次元のポリゴンデータである。合成テクスチャデータベース２１２は、地図に表示すべき文字、例えば、地物の名称や地名などのデータである。ネットワークデータ２１３は、道路をノード、リンクの集まりで表現したデータである。ノードとは、道路同士の交点や道路の端点に相当するデータである。リンクはノードとノードとを結ぶ線分であり、道路に相当するデータである。本実施例では、ネットワークデータ２１３を構成するノード、リンクの位置は、緯度経度および高さの３次元データで定められている。
送受信部２０１は、ネットワークＮＥ２を介してスマートフォン３００とのデータの送受信を行う。本実施例では、３次元地図を表示するための地図データおよびコマンドの送受信が主として行われる。また、送受信部２０１は、ネットワークＮＥ１を介して合成テクスチャ生成装置１００との通信も行う。本実施例では、生成された合成テクスチャの授受が主として行われる。
データベース管理部２０２は、地図データベース２１０からのデータの読み出しを制御する。また、合成テクスチャ生成装置１００から受信した合成テクスチャを、メッシュ単位で合成テクスチャデータベース２１２に格納する機能も奏する。
経路探索部２０３は、地図データベース２１０内のネットワークデータ２１３を用いて、経路探索を行う。経路探索には、ダイクストラ法などを用いることができる。

合成テクスチャ生成装置１００には、図示する機能ブロックが構成されている。本実施例では、これらの機能ブロックは、パーソナルコンピュータに、それぞれの機能を実現するソフトウェアをインストールすることによって構成したが、その一部または全部をハードウェア的に構成してもよい。
送受信部１０５は、ネットワークＮＥ１を介してサーバ２００とデータの授受を行う。
コマンド入力部１０１は、キーボード等を介してオペレータの指示を入力する。本実施例では、合成テクスチャを生成すべき領域の指定、合成テクスチャを生成する際の平行投影パラメータの指定等が含まれる。
３Ｄ地図データベース１０４は、合成テクスチャを生成するために用いられる３次元モデルおよび３次元モデル用テクスチャ（以下、単に「テクスチャ」という）を格納するデータベースである。道路、建物などの地物については、３次元形状およびその外観を表す電子データが格納されている。３Ｄ地図データベース１０４は、透視投影によって３次元地図を表示するためのデータを利用することができる。
合成テクスチャ生成部１０２は、３Ｄ地図データベース１０４に基づいて平行投影による表示を行って合成テクスチャを生成する。生成された合成テクスチャは、合成テクスチャ保持部１０３に格納された後、送受信部１０５を介してサーバ２００の地図データベース２１０内の合成テクスチャデータベース２１２に格納される。

Ｂ２．合成テクスチャ：
次に、本実施例で用いる合成テクスチャの内容および合成テクスチャデータベースの構造について説明する。
図３は、合成テクスチャの生成方法を示す説明図である。本実施例では、３次元モデルＭ３の表面にテクスチャを貼付した上で平行投影することによって合成テクスチャを生成する。このとき、平行投影は、鉛直方向から斜めに傾けた投影方向に対して行う。
斜めに投影する意味は、次の通りである。図の下段には、３次元地図データＤ３から平行投影によって２次元の投影画像Ｄ１、Ｄ２が得られる様子を示している。３次元データＤ３は、平面Ｐ３上に、建物を表す３次元モデルＭ３の形状をｘ、ｙ、ｚの３次元座標で表したデータである。
この３次元モデルＭ３を鉛直方向（図中の矢印Ａ１方向）の平面Ｐ１上に平行投影すると、３次元モデルＭ３が長方形Ｍ１のように２次元的に表現された投影画像Ｄ１となる。これは、従来の２次元地図データに相当する。
これに対し、本実施例では、鉛直方向に対して所定の投影角度だけ傾けた斜め方向（図中の矢印Ａ２方向）の平面Ｐ２上に平行投影する。この結果、投影画像Ｄ２上には、建物Ｍ２のように３次元的に建物が表示される。建物Ｍ２は３次元的に表現されてはいるものの、投影画像Ｄ２は、あくまでも投影された２次元の表示データである。本実施例の合成テクスチャは、このように斜め方向の平行投影によって生成することによって、側面も含む３次元的な外観を表したテクスチャとなっている。
斜めに平行投影する場合の投影方向は、ｘｙ平面内での角度である投影方位と、ｘｙ平面とのなす角度であるピッチ角の組み合わせで表すことができる。この投影方位とピッチ角を、本明細書では、投影パラメータと呼ぶこともある。
合成テクスチャは、一つ一つの建物について個別に生成することもできるが、本実施例では、３次元地図データベース１０４を整備するメッシュ単位で生成するものとした。図３の上段には、こうして生成された合成テクスチャＴＥＸの例を示している。図示するように、３次元地図データベース１０４に格納されている複数の建物ＢＬＤ１、ＢＬＤ２、ＢＤＬ３等の３次元モデルを配置し、その表面に各３次元モデルに対して用意されたテクスチャを貼付した上で、これを平行投影することによって、合成テクスチャＴＥＸは生成される。合成テクスチャＴＥＸは、複数の建物ＢＬＤ１、ＢＬＤ２、ＢＤＬ３等を含んだ１枚の２次元画像となっている。このように平行投影した投影画像を利用することによって、投影前は、各３次元モデルに対して貼付されていた複数のテクスチャを、１枚の合成テクスチャＴＥＸで表すことが可能となる。また、３次元モデルに貼付するためのテクスチャは、３次元モデルを拡大したときにも精度良く外観を表現できるよう、高解像度で生成されていることが多いが、このように複数の地物を含む領域を投影することによって、合成テクスチャＴＥＸは、かかる領域を表示するのに適した程度に、解像度を低減することができる。

本実施例では、一つの領域に対して複数の投影方位によって合成テクスチャを生成している。その意義について説明する。
図４は、合成テクスチャの生成例を示す説明図である。合成テクスチャは、図３で説明した通り、平行投影によって生成された１枚の２次元画像となっている。
図５は、合成テクスチャを用いた３次元地図の表示例を示す説明図である。図４に示した合成テクスチャを３次元モデルの表面に貼付した上で透視投影した場合の表示例を上段および下段にそれぞれ示した。いずれも、図の中段に示すように、共通の領域Ａを表す３次元地図であるが、上段は矢印Ｖ１の方位、下段は矢印Ｖ２の方位というように、透視投影の投影方位が異なっている。
上段に示す矢印Ｖ１の方位は、図４に示した合成テクスチャを生成する際の平行投影と同じ投影方位である。従って、合成テクスチャを３次元モデルの表面に貼付した後、透視投影すれば、特に違和感のない３次元地図を表示することができる。図４、図５で表示された建物の様子が異なるのは、合成テクスチャの生成時と、３次元地図の表示時とで、ピッチ角が異なるからである。このように、合成テクスチャ生成時と、３次元地図の表示時とで、投影方位がほぼ同じであれば、ピッチ角および投影方法が異なっていても、違和感のない３次元地図を表示することができる。
これに対し、矢印Ｖ２の方位から投影すると、下段に示すように、３次元地図の種々の場所に、テクスチャが貼付されていないモデル露出部、即ち図中の黒い部分が現れる。例えば、建物Ｂを見ると、上段の図では、外観に何ら黒い部分が描かれていないのに対し、下段の図では、モデル露出部Ｓが現れる。モデル露出部Ｓが現れる理由は、次の通りである。合成テクスチャは、３次元モデルを投影方向に平行投影して生成されているため、投影方向から視認できない隠面は、合成テクスチャには描かれない。従って、この合成テクスチャを３次元モデルに射影したとしても、隠面には、何ら合成テクスチャが貼付されない状態となる。このような状態の３次元モデルを３次元地図の表示に利用する場合、表示時の投影方位が、合成テクスチャの生成時の投影方位とほぼ同方位であれば３次元地図に隠面は現れないが（図５の上段）、異なる場合には、合成テクスチャが貼付されていない面が描かれモデル露出部を生じさせるのである（図５の下段）。
本実施例では、モデル露出部を生じさせずに多様な投影方向で３次元地図を表示可能とするため、合成テクスチャも、単一の領域に対して複数の投影方位で生成しているのである。

図６は、合成テクスチャデータベースの構造を示す説明図である。図の上段には、合成テクスチャを生成する投影方位を示した。図示する通り、本実施例では、一つのメッシュＡＲに対して、方位を４５度ずつずらして方位１〜方位８の８方位について、それぞれ平行投影を行い、合成テクスチャを生成した。例えば、方位１では北側から見た状態で平行投影した合成テクスチャが得られ、方位５では南側から見た状態で平行投影した合成テクスチャが得られる。方位１で死角になっていた建物も、逆方向の方位５では死角にならない。各方位の合成テクスチャは、ＴＥＸ１〜ＴＥＸ８の識別情報が付され、個別の画像ファイルとして格納されている。
本実施例では、８方位の合成テクスチャを用意したが、４方位としてもよいし、１６方位またはそれ以上としてもよい。本発明者が検討した結果によれば、１６方位で合成テクスチャを用意しておけば、任意の方位に対して、モデル露出部が顕著に現れず、違和感のない地図を表示することができることが分かっている。かかる観点からは、合成テクスチャは１６方位に対して用意することが好ましいとも言える。
合成テクスチャは、各方向に対して、複数のピッチ角で生成するようにしてもよい。

下段には、合成テクスチャデータベースのデータ構造を示した。
メッシュＩＤは、３Ｄ地図データベース１０４が整備されているメッシュを特定する識別情報である。図の例では、上段に示した領域を表す「ＡＲ」が格納される。
上段に示すように、各メッシュに対して、８方位で合成テクスチャが用意されているため、合成テクスチャデータベースにおいても、方位１、方位２のように、方位ごとにデータが格納される。方位１に対応するデータには、図示するように、その方位において合成テクスチャを生成した際に用いられたピッチ角、および合成テクスチャの画像ＩＤが格納される。画像ＩＤは、合成テクスチャの識別情報であり、これを用いることによって、合成テクスチャの画像データとの紐付けをすることができる。方位２以降のデータも、同様の構造で格納されている。
本実施例では、方位ごとに、個別にピッチ角を格納するようにしたが、前方位に共通の情報としてピッチ角を格納するようにしてもよい。

Ｃ．合成テクスチャ生成処理：
図７は、合成テクスチャ生成処理のフローチャートである。合成テクスチャ生成装置１００の合成テクスチャ生成部１０２（図２参照）が行う処理であり、ハードウェア的には、合成テクスチャ生成装置１００を構成するパーソナルコンピュータのＣＰＵが実行する処理である。
本実施例では、合成テクスチャはメッシュ単位で整備するから、処理を開始すると、合成テクスチャ生成装置は、処理対象となるメッシュの指定を入力する（ステップＳ１００）。指定方法は、メッシュ固有のインデックス、メッシュの座標などを用いることができる。地図上でオペレータが指定した点の座標値を含むメッシュを合成テクスチャ生成装置１００が解析し、これを処理対象のメッシュとして設定する方法をとってもよい。

また、合成テクスチャ生成装置１００は、平行投影パラメータ、即ち投影方位とピッチ角を入力する（ステップＳ１０１）。平行投影パラメータは、合成テクスチャを生成する度にオペレータが指定するものとしてもよいし、予めデフォルトの平行投影パラメータを合成テクスチャ生成装置１００内に設定しておく方法をとってもよい。

次に、ＣＰＵは、対象メッシュおよびその周辺の所定範囲のメッシュについて、３Ｄ地図データベースを読み込み、それに含まれる各３次元モデルの各面にテクスチャを貼付する（ステップＳ１０２）。本実施例では、対象メッシュから２区画以内のメッシュに属する３Ｄ地図データを読み込むものとした。この範囲は任意に設定可能である。読み込んだ３Ｄ地図データは、合成テクスチャ生成装置１００のメモリ内に一時的に記憶される。

読み込んだ３Ｄ地図データに対し、合成テクスチャ生成装置１００はステップＳ１０１で指定された平行投影パラメータに基づいて、平行投影を施す（ステップＳ１０３）。この処理によって、各地物を平行投影で３次元的に表現した投影図が生成され、合成テクスチャ生成装置１００のメモリ内に一時的に格納される。投影図は、ポリゴンデータとして格納してもよい。

平行投影が完了すると、合成テクスチャ生成装置１００は生成された投影図から、対象メッシュに相当する領域を切出し（ステップＳ１０４）、合成テクスチャとして、合成テクスチャ保持部１０３に格納する（ステップＳ１０５）。こうして格納された合成テクスチャは、サーバ２００に送信され、メッシュの識別情報と関連づけて、合成テクスチャデータベース２１２に格納される。以上の処理を全メッシュについて実行することによって、合成テクスチャ生成装置１００は、本実施例の合成テクスチャデータベース２１２を整備する。

Ｄ．経路案内処理：
Ｄ１．全体処理：
次に、生成された合成テクスチャを用いて３次元地図を表示しながら、経路案内を行うための処理を説明する。
図８は、経路案内処理のフローチャートである。左側にスマートフォン３００の処理を示し、右側にサーバ２００の処理を示した。これらは、図２に示した種々の機能ブロックが協働して実行する処理であり、ハードウェア的には、スマートフォン３００およびサーバ２００のＣＰＵが実行する処理である。

まず、スマートフォン３００のユーザが、経路探索の出発地、目的地を指定する（ステップＳ２１０）。出発地は、ＧＰＳで取得される現在位置を用いてもよい。目的地は、地物名称、住所、緯度経度の座標値など種々の方法で設定可能である。スマートフォン３００は、これらの指定結果をサーバ２００に送信する。
サーバ２００は、出発地、目的地の指定を入力すると（ステップＳ２００）、ネットワークデータ２１３（図２参照）を用いて経路探索を行う（ステップＳ２０１）。経路探索は、例えば、ダイクストラ法等を用いることができる。サーバ２００は探索結果、即ち経路となるべきネットワークデータをスマートフォン３００に出力する(ステップＳ２０２)。

スマートフォン３００は、探索結果を受信すると（ステップＳ２１１）、以下の手順で経路案内を行う。
まず、スマートフォン３００は、ユーザの現在位置、進行方向を入力する（ステップＳ２１３）。現在位置は、ＧＰＳによって特定できる。進行方向は、従前の位置から現在位置までの変化に基づいて求めることができる。
次に、スマートフォン３００は合成テクスチャ選択処理を行う（ステップＳ２２０）。この処理は、現在位置、進行方向に基づいて地図の表示範囲を決定し、地図表示に用いるべき合成テクスチャを合成テクスチャデータベース２１２から選択する処理である。その具体的な内容については後で説明する。

合成テクスチャが選択されると、スマートフォン３００は、３Ｄ地図データベース１０４に格納された３次元モデルを仮想３次元空間上に配置した上で、合成テクスチャの射影を行う（ステップＳ２３０）。この処理は、図１の中段に示した処理であり、合成テクスチャを、３次元モデル上にマッピングする処理である。射影に用いる射影方向は、合成テクスチャを生成する際の投影方向と逆方向とし、３次元モデルとの位置合わせも行う。即ち、３次元モデルから平行投影した投影図にぴったりと重なる位置に合成テクスチャを配置し、平行投影と逆方向に射影するのである。こうすることによって、３次元モデル上に合成テクスチャをずれずに射影することができる。本実施例では、合成テクスチャは「視点位置」と無関係の平行投影によって生成されているため、メッシュ内のどの範囲の３次元地図を表示する場合でも、共通して利用可能であるという利点がある。
スマートフォン３００は、合成テクスチャが貼付された３次元モデルを透視投影することによって地図表示を行う（ステップＳ３００）。以上の処理によって、図５の上段に示したような３次元地図を表示することができる。
地図中には、併せて、経路を表す線や現在位置を表すマークなどを表示してもよい。合成テクスチャを用いる他、地図表示は通常の透視投影で行っているから、例えば、経路や現在位置を表すポリゴンを、３次元モデルとともに仮想３次元空間に配置した上で透視投影を施す方法でこれらを表示することができる。また、一旦、透視投影によって３次元地図を生成した後、その画像上に、経路や現在位置を表すポリゴンを２次元的に描くようにしてもよい。
スマートフォン３００は、ユーザが目的地に到着するまで（ステップＳ３０２）、ステップＳ２１３以降の処理を繰り返し実行し、経路案内を行う。地図表示システムとして、経路案内を伴わず静的に地図を表示する場合には、ステップＳ２２０〜Ｓ３００の処理を実行すれば良い。

Ｄ２．合成テクスチャ選択処理：
図９は、合成テクスチャ選択処理のフローチャートである。経路案内処理（図８）のステップＳ２２０に相当する処理である。
経路案内用の３次元地図は、進行方向を視線方向とする透視投影によって表示される。先に図５で説明した通り、モデル露出部が現れるのを回避するため、合成テクスチャは、透視投影の視線方向に近い投影方位で生成されたものを選択することが好ましい。
そこで、スマートフォン３００は、まず進行方向に基づいて、地図表示に用いるべき合成テクスチャの方位を決定する（ステップＳ２２１）。図中に合成テクスチャの方位の決定方法を示した。中央の四角の領域は、表示対象となる領域を表し、その周囲に、図６に対応する８方位を示した。各方位には、破線で示すように、それぞれ４５度の角度領域が割り当てられる。スマートフォン３００は、これらの８つの角度領域から進行方向が含まれるものを選択する。例えば、矢印ＨＤで示す方向に進行している場合には、方位５が選択されることになる。
角度領域は合成テクスチャが用意されている方位数に応じて決めることができる。１６方位の地物データが用意されている場合には２２．５度とすればよいし、４方位の場合には９０度とすればよい。

図中の方位１、方位８に例示するように、各方位に割り当てる角度範囲を４５度よりも大きく設定し、方位間に重複する領域を持たせてもよい。図中の一点鎖線で示す範囲は、４５度よりも広い角度領域を表している。方位１、方位８に対して、このように広い角度領域を割り当てると、両者の間には、ハッチングを付した領域ＨＡのように重複領域が生じる。
このように設定しておけば、方位を決定する際には、この領域をヒステリシス領域として用いることができる。例えば、進行方向が方位８から方位１に変化している場合には、進行方向が重複領域ＨＡに入っても方位８を使用し、逆に方位１から方位８に変化している場合には、進行方向が重複領域ＨＡに入っても方位１を使用するのである。このようにヒステリシスを設けることにより、方位１と方位８との境界付近で進行方向が細かく変化する場合に、表示に用いる合成テクスチャが頻繁に切り替わることを回避できる利点がある。
図中では方位１と方位８との間に重複領域ＨＡを設ける例を示したが、他の方位間にも同様に重複領域を設けることが可能である。

こうして表示方位が決定されると、スマートフォン３００は、現在位置、方位に基づき表示範囲を決定する（ステップＳ２２２）。
図の右側に、表示範囲の決定例を示した。破線で示す経路ＰＳに沿って位置ＰＯＳ１、ＰＯＳ２、ＰＯＳ３と移動する場合を考える。位置ＰＯＳ１では、ここを含む幅ＸＡｒ、縦ＹＡｒの範囲が３次元地図表示に用いるべき３次元モデルの利用範囲Ａｒ１となる。そして、進行方向ＤＲ１は図中の真上、即ち方位５（ステップＳ２２１中の図を参照）に相当するから、スマートフォン３００は、方位５の合成テクスチャを用いる。利用範囲Ａｒ１が一つのメッシュ内に属する場合には、そのメッシュに対応する一つの合成テクスチャが用いられることになるし、利用範囲Ａｒ１が複数のメッシュに対応する場合には、複数の合成テクスチャが用いられることになる。

次に、位置ＰＯＳ２に移動すると、進行方向ＤＲ２はやや右側に変化する。しかし、この進行方向ＤＲ２は、まだ方位５の角度領域内に属するため、スマートフォン３００は、位置ＰＯＳ２においても合成テクスチャの選択方位としては、方位５を選択し、利用範囲ＡＲ２を決定する。３次元地図自体は、進行方向ＤＲ２を視線方向とすることで、利用範囲ＡＲ２よりもやや斜め方向に投影されるが、合成テクスチャはメッシュ単位で生成されているため、合成テクスチャを貼り付ける利用領域ＡＲ２は、方位５に合わせた状態で設定してある。

次に、位置ＰＯＳ３に移動すると、進行方向ＤＲ３はさらに右側に変化する。この進行方向ＤＲ３は、方位５の角度領域を外れ、方位６の角度領域に属する。従って、スマートフォン３００は、位置ＰＯＳ３においては、方位６を選択し、利用範囲ＡＲ３を図示するように斜め方向に決定し、方位６で生成された合成テクスチャを貼付する。経路案内時には、位置ＰＯＳ２から位置ＰＯＳ３に至る途中で、方位５から方位６に合成テクスチャが切り替わることになる。
かかる処理によって進行方向に近い方位の合成テクスチャを選択しながら３次元地図表示を行うことにより、透視投影の方位が、合成テクスチャの生成時の投影方位と大きくずれることを回避でき、図５に示したモデル露出部が顕著に現れることを回避できる。

Ｅ．効果および変形例：
以上で説明した実施例の経路案内システムによれば、合成テクスチャを用いることにより、地図表示に用いるテクスチャの枚数および解像度を低減させることができる。従って、透視投影による地図表示を行いつつも、その地図表示に要する処理負荷を軽減することができる。
本実施例で説明した種々の特徴は、必ずしも全てを備えている必要はなく、一部のみを実現するようにしてもよい。また、上述した内容に追加の機能を設けてもよい。
本発明は上述の実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、実施例においてハードウェア的に構成されている部分は、ソフトウェア的に構成することもでき、その逆も可能である。また、次に示す種々の変形例を構成することも可能である。
（１）実施例では、合成テクスチャは平行投影で生成する例を示したが、これを透視投影で生成しても構わない。この場合には、射影も、透視投影と同じ視点位置、視線方向を利用して行えばよい。
（２）実施例では、透視投影によって３次元地図を表示する例を示したが、平行投影によって３次元地図を表示してもよい。
（３）実施例は、経路案内システムとしての構成を示したが、経路案内を行わず、静的に３次元地図を表示する３次元地図表示システムとして構成することも可能である。
（４）実施例では、仮想３次元空間に３次元モデルを配置した後、合成テクスチャが射影されない隠面には、何もテクスチャを貼付せずに３次元地図の表示を行う例を示したが、隠面に、３次元モデル用のテクスチャを貼付するようにしてもよい。

本発明は、地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するために利用可能である。

１００…合成テクスチャ生成装置
１０１…コマンド入力部
１０２…合成テクスチャ生成部
１０３…合成テクスチャ保持部
１０４…３Ｄ地図データベース
１０５…送受信部
２００…サーバ
２０１…送受信部
２０２…データベース管理部
２０３…経路探索部
２１０…地図データベース
２１１…３Ｄ地図データベース
２１２…合成テクスチャデータベース
２１３…ネットワークデータ
３００…スマートフォン
３００ｄ…ディスプレイ
３０１…送受信部
３０２…コマンド入力部
３０３…ＧＰＳ入力部
３０４…主制御部
３０５…地図情報記憶部
３０６…合成テクスチャ射影部
３０７…表示制御部

Claims (10)

1. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示する３次元地図表示システムであって、
   前記地物の３次元形状を表す３次元モデルを記憶する３次元モデルデータベースと、
   前記３次元モデルの各表面に予め用意された３次元モデル用テクスチャを貼付した上で、該３次元モデルを投影することによって合成された合成テクスチャを格納する合成テクスチャデータベースと、
   前記３次元地図の表示範囲に対応する前記３次元モデルを仮想３次元空間に配置し、該３次元モデルに対応する前記合成テクスチャを、前記３次元モデル上に、前記合成時の投影方向と逆方向に射影する合成テクスチャ射影部と、
   該合成テクスチャが射影された３次元モデルを投影して前記３次元地図を表示する表示制御部とを備える３次元地図表示システム。
2. 請求項１記載の３次元地図表示システムであって、
   前記表示制御部は、前記合成時の投影方位と略同方位で投影して前記３次元地図を表示する３次元地図表示システム。
3. 請求項１または２記載の３次元地図表示システムであって、
   前記合成テクスチャは、前記３次元モデル用テクスチャを貼付した複数の前記３次元モデルを地理的な位置関係に従って配置し、該配置された複数の３次元モデルを投影して生成されており、
   前記合成テクスチャ射影部は、前記複数の３次元モデルに対して、前記合成テクスチャを射影する３次元地図表示システム。
4. 請求項１〜３いずれか記載の３次元地図表示システムであって、
   前記合成テクスチャは、平行投影によって生成されている３次元地図表示システム。
5. 請求項１〜４いずれか記載の３次元地図表示システムであって、
   前記合成テクスチャデータベースは、一つの領域に対して複数の方位からの投影方向で生成された複数種類の合成テクスチャを格納しており、
   前記合成テクスチャ射影部は、前記表示制御部が行う投影方位に近い投影方位で生成された合成テクスチャを用いて、前記射影を行う３次元地図表示システム。
6. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するために用いる合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成装置であって、
   前記地物の３次元形状を表す３次元モデル、および該３次元モデルの複数の面に貼付される複数の３次元モデル用テクスチャのデータを格納する地図データベースと、
   前記地図データベースに基づき、前記合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成部と、
   該生成された合成テクスチャを格納するための合成テクスチャデータベースと、
   前記生成された合成テクスチャを、生成対象とされた前記３次元モデルと対応づけて前記合成テクスチャデータベースに格納するデータベース管理部とを備え、
   前記合成テクスチャ生成部は、
   前記３次元モデル上の各面上に前記３次元モデル用テクスチャを貼付し、
   前記３次元モデルを投影することによって、前記合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成装置。
7. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示する３次元地図表示方法であって、
   コンピュータが実行するステップとして、
   前記地物の３次元形状を表す３次元モデルを記憶する３次元モデルデータベースにアクセスするステップと、
   前記３次元モデルの各表面に予め用意された３次元モデル用テクスチャを貼付した上で、該３次元モデルを投影することによって合成された合成テクスチャを格納する合成テクスチャデータベースにアクセスするステップと、
   前記３次元地図の表示範囲に対応する前記３次元モデルを仮想３次元空間に配置し、該３次元モデルに対応する前記合成テクスチャを、前記３次元モデル上に、前記合成時の投影方向と逆方向に射影するステップと、
   該合成テクスチャが射影された３次元モデルを投影して前記３次元地図を表示するステップとを備える３次元地図表示方法。
8. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するために用いる合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成方法であって、
   コンピュータが実行するステップとして、
   前記地物の３次元形状を表す３次元モデル、および該３次元モデルの複数の面に貼付される複数の３次元モデル用テクスチャのデータを格納する地図データベースにアクセスするステップと、
   前記地図データベースに基づき、前記合成テクスチャを生成するステップと、
   該生成された合成テクスチャを格納するための合成テクスチャデータベースに、前記生成された合成テクスチャを、生成対象とされた前記３次元モデルと対応づけて格納するステップとを備え、
   前記合成テクスチャを生成するステップは、
   前記３次元モデル上の各面上に前記３次元モデル用テクスチャを貼付し、
   前記３次元モデルを投影することによって、前記合成テクスチャを生成する合成テクスチャ生成方法。
9. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するためのコンピュータプログラムであって、
   前記地物の３次元形状を表す３次元モデルを記憶する３次元モデルデータベースにアクセスする機能と、
   前記３次元モデルの各表面に予め用意された３次元モデル用テクスチャを貼付した上で、該３次元モデルを投影することによって合成された合成テクスチャを格納する合成テクスチャデータベースにアクセスする機能と、
   前記３次元地図の表示範囲に対応する前記３次元モデルを仮想３次元空間に配置し、該３次元モデルに対応する前記合成テクスチャを、前記３次元モデル上に、前記合成時の投影方向と逆方向に射影する機能と、
   該合成テクスチャが射影された３次元モデルを投影して前記３次元地図を表示する機能とを、コンピュータによって実現するためのコンピュータプログラム。
10. 地物を３次元的に表現した３次元地図を表示するために用いる合成テクスチャを生成するためのコンピュータプログラムであって、
    前記地物の３次元形状を表す３次元モデル、および該３次元モデルの複数の面に貼付される複数の３次元モデル用テクスチャのデータを格納する地図データベースにアクセスする機能と、
    前記地図データベースに基づき、前記合成テクスチャを生成する機能と、
    該生成された合成テクスチャを格納するための合成テクスチャデータベースに、前記生成された合成テクスチャを、生成対象とされた前記３次元モデルと対応づけて格納する機能とをコンピュータに実現させ、
    前記合成テクスチャを生成する機能として、
    前記３次元モデル上の各面上に前記３次元モデル用テクスチャを貼付し、
    前記３次元モデルを投影することによって、前記合成テクスチャを生成する機能をコンピュータに実現させるコンピュータプログラム。