JPH06111001A - 三次元グラフィック画像システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 仮想三次元空間の任意の位置に、視点の回転
移動の中心となる回転軸を指定可能な三次元グラフィッ
ク画像システムを提供する。 【構成】 コンピュータ上に定義された仮想三次元空間
内に位置する仮想物体の位置及び形状に関する物体デー
タを格納する物体データ部１と、前記空間内の一点に位
置して一方向を向いた視点からみた場合の、グラフィッ
ク画像データを生成するように構成された表示制御部２
とによって、画像データ生成手段を形成する。前記画像
データを画像表示装置３に表示する。視界判定部２４及
び視点移動指示装置６によって、前記空間内に位置する
所定の回転軸を中心に前記視点を回転移動させるように
構成された視点移動手段を形成する。ポインタ位置入力
装置４によって、前記空間内における前記回転軸の位置
又は方向を入力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ上に定義
された仮想三次元空間内に位置する仮想物体のグラフィ
ック画像を表示する三次元グラフィック画像システムの
改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、コンピュータ上に定義された
仮想三次元空間内に位置する仮想物体のグラフィック画
像を表示するシステムとして、三次元グラフィック画像
システムが知られている。このシステムは、各種シミュ
レーションに用いられているもので、コンピュータ上に
定義された仮想三次元空間内に位置する仮想物体を、前
記空間内の一点に位置して一方向を向いた視点からみた
場合の、グラフィック画像データを生成するように構成
された画像データ生成手段と、前記画像データを表示す
る画像表示手段と、前記空間内に位置する所定の回転軸
を中心に前記視点を回転移動させるように構成された視
点移動手段とを有している。

【０００３】上記のような構成を有する三次元グラフィ
ック画像システムでは、画像データ生成手段が、仮想物
体を前記視点からみた画像データを生成し、画像表示手
段がこの画像データを表示するので、現実には存在しな
い仮想物体について、その三次元的画像の観察が可能と
なる。

【０００４】また、この三次元グラフィック画像システ
ムでは、三次元的な仮想物体の観察を二次元的な画面上
で行うので、仮想物体のうち一方向からでは見ることが
できない部分の確認や、あるいは複数の仮想物体間の空
間的な位置関係を確認するためには、視点を別の位置や
方向に移動する機能が不可欠である。三次元グラフィッ
ク画像システムが、前記のように、視点移動手段をも有
しているのはこのためで、視点移動手段による視点移動
は、一般に、仮想空間内に位置する所定の回転軸を中心
とした回転移動によって行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、三次元
グラフィック画像システムでは、本来三次元的な画像を
二次元的に表示しているため、画面奥行き方向の位置を
自由に指定することは困難である。このため、従来のシ
ステムでは、視点移動の中心となる回転軸の位置は、特
定の基準位置に固定されていたり、移動前に画面上で確
認できる仮想物体の位置に限定されており、操作者が仮
想空間内で任意の回転軸を定めることが不可能という問
題点があった。このため、移動後の視点の位置や方向
が、操作者の所望の通りにならず、操作者が本来確認し
たかった場所が、正しく画面に表示されない場合があっ
た。

【０００６】ここで、図４は、従来の三次元グラフィッ
ク画像システムの一例であり、仮想空間内における物体
Ａと、この物体Ａを視界に含む視点ＶＰの三次元的位置
関係を示す斜視図である。この例では、視点移動の回転
軸が、この仮想空間の基準座標であるｘ軸、ｙ軸又はｚ
軸に限定されていて、操作者が、これら３軸のうち所望
の回転軸を選択するようになっている。この状態で、画
面上に表示されている物体Ａを図４手前側から観察する
ため、視点ＶＰを、ｚ軸回りに図４上方からみて反時計
方向に９０°の回転移動させるものとする。

【０００７】このとき、物体Ａが、図４に示すように、
回転移動の中心となるｚ軸から一定距離以上離れて位置
している場合は、物体Ａの回転後の位置は、視点ＶＰの
回転後の位置から相対的にみて、視野の範囲外となる。
ここで、図５は、この回転移動後の物体Ａと視点ＶＰと
の位置関係を示す斜視図であり、回転移動後の各軸ｘ，
ｙ，ｚと物体Ａについて、視点ＶＰを固定してみた場合
の相対的位置関係を示したものである。この状態では、
物体Ａは、視点ＶＰの視野の範囲外に位置しているの
で、操作者は、目的の物体Ａを観察することができな
い。

【０００８】上記のような問題点を改善するため、回転
軸の選択の幅を広げた三次元グラフィック画像システム
も提案されている。すなわち、このような改善されたシ
ステムでは、操作者が、回転前の画面上で観察できる仮
想物体のなかから、回転軸の基準となるべきものを選択
し、選択された仮想物体の中心点を通過する回転軸を中
心として、視点の回転移動が行われる。

【０００９】しかし、このような改善されたシステムに
おいても、上記と同様の問題が生じる可能性がある。こ
こで、図６は、このような改善されたシステムの一例に
おいて、仮想空間内における壁Ｂと、この壁Ｂを向いた
視点ＶＰと、この壁Ｂと視点ＶＰとの間に位置するパイ
プＣとの三次元的位置関係を示す斜視図である。この例
では、回転軸は、仮想物体である壁Ｂ又はパイプＣの中
心点をそれぞれ通る垂直方向の軸Ｂ´又は軸Ｃ´に限定
されていて、操作者が、これら２軸Ｂ´又はＣ´のうち
いずれかを選択するようになっている。

【００１０】ここで、操作者が、壁ＢとパイプＣの間隔
Ｄを確認するため、間隔Ｄを壁Ｂに近い側方から観察し
ようとするものとする。この場合、軸Ｂ´を中心に視点
ＶＰを回転させれば、視点ＶＰは、パイプＣとはまった
く異なる方向を向いてしまい、また、軸Ｃ´を中心に回
転しても、視点ＶＰはパイプＣ中心部の側方に位置し、
壁Ｂが視界から外れることになる。このため、軸Ｂ´又
は軸Ｃ´どちらの軸を中心に視点ＶＰを回転しても、間
隔Ｄ部分を側方から確認できる視点位置を得ることはで
きない。

【００１１】仮に、この例において、回転軸を両物体Ｂ
及びＣの各中心点の中点を通過する軸上に設けることが
できるとしても、両中心点の中点の位置は、目的の観察
対象であるパイプＣの壁Ｂ側先端と壁Ｂの中点の位置と
は異なるので、所望の視点を得ることはできない。した
がって、単に各仮想物体Ｂ，Ｃの中心点同士の中点に回
転軸を設けることによっては、この例のような場合に対
応することができない。

【００１２】以上例示したように、従来は、視点移動の
回転軸が、仮想空間の座標系の基準点や、仮想物体の位
置・形状・サイズなどの要素に依存していたため、所望
の視点及び視界が得られず、作業の効率化が困難という
問題が存在していた。このため、これら座標系や仮想物
体に依存せずに、視点移動に用いる回転軸の位置を、操
作者が仮想空間内の任意の位置に指定できる環境が望ま
れていた。

【００１３】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決するために提案されたもので、その目的は、仮想
三次元空間の任意の位置に、視点の回転移動の中心とな
る回転軸を指定可能な三次元グラフィック画像システム
を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、本発明の三次元グラフィック画像システムは、コン
ピュータ上に定義された仮想三次元空間内に位置する仮
想物体を、前記空間内の一点に位置して一方向を向いた
視点からみた場合の、グラフィック画像データを生成す
るように構成された画像データ生成手段と、前記画像デ
ータを表示する画像表示手段と、前記空間内に位置する
所定の回転軸を中心に前記視点を回転移動させるように
構成された視点移動手段と、を有する三次元グラフィッ
ク画像システムにおいて、前記空間内における前記回転
軸の位置又は方向を入力するための回転軸位置入力手段
を備えたことを特徴とする。

【００１５】

【作用】上記のように、本発明の三次元グラフィック画
像システムは、前記空間内における前記回転軸の位置又
は方向を入力するための回転軸位置入力手段を備えてい
る。このため、本発明によれば、視点の回転移動の中心
となる回転軸の位置や方向を、この回転軸位置入力手段
から直接入力し、仮想三次元空間の任意の位置に回転軸
を指定することができる。したがって、所望の視点と視
界を得ることが容易になり、三次元グラフィック画像シ
ステムによる作業効率の改善を図ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の三次元グラフィック画像シス
テムをコンピュータ上に実現した一実施例を、図１及び
図２にしたがって、具体的に説明する。

【００１７】（１）実施例の構成…図１、図２ ［全体構成］図１は、本実施例の三次元グラフィック画
像システムの概略構成図である。まず、同システムは、
この図１に示すように、コンピュータ上に定義された仮
想空間内に位置する仮想物体の形状及び位置に関する物
体データを格納する物体データ部１と、前記仮想物体
を、前記空間内の一点に位置しかつ一方向を向いた視点
からみた場合の、グラフィック画像データを生成する表
示制御部２を有する。

【００１８】これら物体データ部１及び表示制御部２
は、本発明の画像データ生成手段を構成している。な
お、この表示制御部２は、視点の移動指示が入力された
ときに、前記空間内に位置する所定の回転軸を中心に前
記視点を回転移動させるように構成されていて、本発明
の視点移動手段としての役割をも併有している。

【００１９】また、本システムは、前記画像データを表
示する画像表示装置３と（本発明の画像表示手段）、仮
想空間の一点を指示するポインタ又は回転軸の位置又は
方向を入力するためのポインタ位置入力装置４と、前記
回転移動１回あたりの回転角度を入力するための回転角
度入力装置５と、前記移動指示を入力するための視点移
動指示装置６とを有する。

【００２０】本実施例は、物体データ部１が前記物体デ
ータを、ポインタ位置入力装置４が入力されたポインタ
位置を、回転角度入力装置５が入力された回転角度を、
視点移動指示装置６が入力された視点移動指示を、それ
ぞれ、表示制御部２に対して出力し、表示制御部２が生
成した画像データを画像表示装置３に対して出力するよ
うに構成されている。

【００２１】［物体データ部１］物体データ部１に格納
される物体データは、仮想空間の座標系に基づいたもの
で、各仮想物体のサイズ及び向きをも規定する。

【００２２】［表示制御部２］表示制御部２は、前記ポ
インタ位置入力装置４からの入力に基づいてポインタの
位置及びポイント方向を制御するポインタ制御部２１
と、仮想物体及びポインタに関する表示対象データを格
納する表示対象データ部２２と、前記表示対象（仮想物
体及びポインタ）を所定の視点からみた場合のグラフィ
ック画像データを生成する画像生成部２３と、画像生成
の対象範囲である視界を判定する視界判定部２４を有す
る。

【００２３】このうちポインタ制御部２１は、ポインタ
位置入力装置４からの入力に基づいて、回転軸の位置及
び方向をも更新するように構成されていて、ポインタ位
置入力装置４と共に、本発明の回転軸位置入力手段を構
成している。また、表示対象データ部２２は、仮想物体
の形状及び位置並びにポインタの位置及びポイント方向
に関する表示対象データに加え、回転軸の位置と方向を
も格納するように構成されている。

【００２４】視界判定部２４は、視点移動指示装置６か
ら視点の移動指示が入力されたときに前記視点を回転移
動させるように構成されていて、視点移動指示装置６と
共に、本発明の視点移動手段としての役割を果たしてい
る。この回転移動１回あたりの回転角度は、回転角度入
力装置５から入力され、表示制御部２内に設けられた角
度保持部２５において保持される。

【００２５】なお、表示制御部２は、システム起動時
に、ポインタ、回転軸並びに回転角度の初期値を格納
し、これら初期値を視界判定部２４に対して出力する初
期値格納部２６をも有している。

【００２６】［ポインタ位置入力装置４］ポインタ位置
入力装置４は、前記ポインタの三次元的位置及び方向を
入力するためのポインタ位置入力部４１と、１／６０秒
周期のパルス信号を発生する周期信号発生部４２と、回
転軸位置の入力に用いる回転軸トリガ信号を発生する回
転軸トリガ入力部４３を有する。このうちポインタ位置
入力部４１は、図示はしないが、いわゆるデータグロー
ブなどの三次元的位置及び方向の入力手段を備えてい
る。また、回転軸トリガ入力部４３は、図示はしない
が、ＯＮ−ＯＦＦスイッチなどのスイッチを有し、操作
者がこのスイッチをオンにしている間、回転軸トリガ信
号を発生するように構成されている。

【００２７】［その他］なお、図示はしないが、回転角
度入力装置５は、ダイヤルなどの数値入力手段を備え、
視点移動指示装置は、押しボタンなどの指示入力手段を
備えている。また、ポインタ位置入力装置４、回転角度
入力装置５、視点移動指示装置６などの各入出力装置に
は、Ｉ／Ｏ制御手段が設けられていて、このＩ／Ｏ制御
手段は、入出力信号の各種変換・同期など、必要な入出
力制御を行うように構成されている。

【００２８】（２）実施例の作用及び効果 上記のように構成された本実施例の三次元グラフィック
画像システムは、次のように動作する。なお、図２は、
本実施例におけるシステムの動作を示すフローチャート
であり、本実施例の表示制御部２は、このフローチャー
トに示す下記のような手順を、繰り返し実行するように
構成されている。

【００２９】［システムの起動］システム起動時には、
まず、初期値格納部２６から視点の位置及び方向、回転
軸の位置及び方向、回転角度の初期値が視界判定部２４
に出力され、視界判定部２４はこれらの初期値を、変更
されるまでの間保持する（ステップ（Ｓ）１０１）。な
お、視界判定部２４は、保持している視点の位置及び方
向を、表示対象データ部２２に格納されている仮想物体
のうち画像生成の対象となる範囲を決定するのに用い
る。また、視界判定部２４で保持される回転軸の位置及
び方向並びに回転角度は、視点の回転移動時に用いられ
る。

【００３０】［ポインタの移動］本システムでは、ポイ
ンタを移動し、空間内の一点や特定の仮想物体を指示す
るポインティング操作を行うことができる。このポイン
ティング操作は、次のように行われる。すなわち、ポイ
ンタ位置入力部４１は、ポインタの位置を特定する座標
（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ）及びポイント方向を特定するベク
トル成分（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）を表示制御部２のポイン
タ制御部２１に対して逐次出力する。これらの数値は、
操作者が行うポインタ移動操作に応じて変化する。

【００３１】これに対応したポインタ制御部２１におけ
る処理は、ステップ１０１に続いて行われる。すなわ
ち、ポインタ制御部２１は、周期信号発生部４２から入
力するパルス信号を起動信号として受け取り、パルス信
号が出力されるたびに、ポインタ位置入力部４１から、
ポインタの位置とポイント方向ベクトルに関するポイン
タ位置データ（ｐｘ，ｐｙ，ｐｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）
を受理する（ステップ１０２）。

【００３２】次に、ポインタ制御部２１は、このデータ
から、仮想空間内におけるポインタの位置座標と方向ベ
クトル成分を算出する（ステップ１０３）。このとき、
方向ベクトル成分（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）には、ベクトル
長が常に１となるよう、正規化処理が施される（ステッ
プ１０４）。続いて、算出されたポインタの位置座標と
方向ベクトルは、表示対象データ部２２に出力され、表
示対象データ部２２では、それまで格納されていた位置
座標と方向ベクトルをこの新しいデータで更新する（ス
テップ１０５）。

【００３３】［回転角度の入力］本システムでは、視点
の回転移動が可能であり、この回転移動１回あたりの回
転角度は、操作者が自由に変更することができる。この
回転角度の入力は、操作者が、回転角度入力装置５か
ら、「度」や「degree」など日常的な単位系に基づいた
数値入力の形式で行う。回転角度が入力されると、回転
角度入力装置５は、入力値と共に角度トリガ信号を、回
転角度保持部２５に対して出力する。

【００３４】これに対応した表示制御部２における処理
は、上記ステップ１０５に続いて行われる。すなわち、
回転角度保持部２５が回転角度入力装置５から回転角度
が入力されたか否かを、角度トリガ信号の入力の有無に
よって判断する（ステップ１０６）。角度トリガ信号が
検出されたときは、回転角度保持部２５は、回転角度入
力装置５から出力された回転角度を仮想空間の座標系に
対応した数値に変換したうえ、この新たな数値を視界判
定部２４に対して出力する。視界判定部２４は、この数
値によって回転角度を更新し（ステップ１０７）、次回
の回転角度入力が行われるまでこの数値を保持する。

【００３５】［回転軸の入力］視点移動の中心となる回
転軸の位置及び方向の入力・更新は、ポインタ位置入力
装置４のポインタ位置入力部４１及び回転軸トリガ入力
部４３を用いて行うことができる。すなわち、操作者
が、回転軸トリガ入力部４３のスイッチをオンにする
と、回転軸トリガ入力部４３は回転軸トリガ信号を発生
し、ポインタ制御部に出力する。

【００３６】これに対応した表示制御部２における処理
は、ステップ１０６又はステップ１０７に続いて行われ
る。すなわち、ポインタ制御部２１は、回転軸トリガ信
号の入力の有無を判断し（ステップ１０８）、回転軸ト
リガ信号が入力されているときは、その時点のポインタ
の位置及び方向に基づいて回転軸の位置及び方向を算出
し、この算出値を表示対象データ部２２に出力する。表
示対象データ部２２は、この算出値によって回転軸の位
置及び方向を更新する。

【００３７】したがって、回転軸トリガ入力部４３のス
イッチがオンになっていて、回転軸トリガ信号が入力し
ている間は、回転軸の位置と方向はポインタの位置と方
向に従属して移動する。その後、回転軸トリガ入力部４
３のスイッチがオフになり、回転軸トリガ信号の入力が
終了したときに、回転軸の位置と方向は確定する。この
ように、操作者は、ポインタを移動することによって、
回転軸の位置と方向を空間内において任意に指定するこ
とができる。

【００３８】なお、回転軸の方向は、必ずしもポインタ
のポイント方向と一致させる必要はない。すなわち、図
３に示すように、ポインタＰのポイント方向に直交する
方向に回転軸Ｒを定義したとしても、ポインタで回転軸
の位置と方向を直接制御できる限り、本発明の実施には
差支えがない。

【００３９】［視点移動］視点移動は、操作者が視点移
動指示装置６を操作することによって、行うことができ
る。すなわち、操作者が視点移動指示装置６を操作する
と、視点移動指示装置６は、視界判定部２４に対して視
点移動トリガ信号を出力する。

【００４０】これに対応した表示制御部２における処理
は、ステップ１０８又は１０９に続いて行われる。すな
わち、視界判定部２４は、視点移動トリガ信号の入力の
有無を判断し（ステップ１１０）、入力されたときは、
視点を回転移動させる。この回転移動は、回転軸を中心
として、回転角度分だけ行われる。なお、方向ベクトル
（ｎ１，ｎ２，ｎ３）、回転角度φの場合の回転座標変
換マトリクスは、次の式で与えられる。

【００４１】

【数１】 また、視点の位置ベクトルと方向ベクトルを次の式のよ
うに定義すると、

【数２】 視点変更後の位置ベクトルと方向ベクトルは、次の式で
得られる。

【００４２】

【数３】 ［画像生成］ステップ１１０又は１１１に続いて、画像
生成部２３は、表示対象データ部２２及び視界判定部２
４に格納されている各データに基づき、仮想物体及びポ
インタのグラフィック画像データを生成し、画像表示装
置３に対して出力する。画像表示装置３は、画像データ
に基づいて、コンピュータ上に構成されている三次元空
間をグラフィック表示する。

【００４３】以上のように、本実施例の三次元グラフィ
ック画像システムによれば、視点の回転移動の中心とな
る回転軸の位置や方向を、ポインタによって直接入力
し、仮想三次元空間の任意の位置に指定することができ
る。したがって、本実施例における回転軸の位置や方向
は、仮想空間の座標系の基準点や、仮想物体の位置・形
状・サイズなどの要素に依存しないので、操作者は、所
望の視点及び所望の視界を得て、作業効率の改善を図る
ことができる。

【００４４】特に、本実施例では、回転角度入力装置５
により、視点移動１回あたりの回転角度を調節すること
ができるので、目的に適した角度の視点移動を自在に行
うことができる。

【００４５】（３）他の実施例 なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、次のような他の実施例を包含する。例えば、回転軸
位置入力手段は、ポインタ位置入力装置とは別個に設け
ることもできる。また、回転角度入力装置を設けず、回
転角度を一定の値に定めて実施することもできる。ま
た、物体データ部や表示制御部などの各要素は、カスタ
ムチップなど専用の装置によって構成することもできる
し、汎用コンピュータなどの汎用的装置を所定の手順で
動作させることによって構成することもできる。

【００４６】さらに、ポインタ制御部や画像生成部など
の各部は、それぞれ別個独立の装置によって構成するこ
ともできるし、同一の装置部分に異なった手順を順次実
行させ、この異なった手順ごとに、本発明の各構成部分
としての役割を果たさせるように構成することもでき
る。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、仮想三
次元空間の任意の位置に、視点の回転移動の中心となる
回転軸を直接指定可能な三次元グラフィック画像システ
ムを提供することができるので、視点変更の自由度が大
きく向上し、視点を変更して目的にあった画面表示を容
易に得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である三次元グラフィック画像
システムの構成図。

【図２】同システムにおける動作手順のフローチャー
ト。

【図３】同システムにおけるポイントと回転軸との位置
関係の一例を示す図。

【図４】従来の三次元グラフィック画像システムの一例
における作業を示す斜視図。

【図５】同（視点回転移動後）。

【図６】従来の三次元グラフィック画像システムの他の
一例における作業を示す斜視図。

【符号の説明】

１：物体データ部 ２：表示制御部 ３：画像表示装置 ４：ポインタ位置入力装置 ５：回転角度入力装置 ６：視点移動指示装置 ２１：ポインタ制御部 ２２：表示対象データ部 ２３：画像生成部 ２４：視界判定部 ２５：回転角度保持部 ２６：初期値格納部 ４１：ポインタ位置入力部 ４２：周期信号発生装置 ４３：回転軸トリガ入力部 Ａ，Ｂ，Ｃ：仮想物体 Ｐ：ポインタ Ｂ´，Ｃ´：軸 Ｒ：回転軸 ｘ，ｙ，ｚ：座標軸 ＶＰ：視点 Ｓ：手順の各ステップ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンピュータ上に定義された仮想三次元
   空間内に位置する仮想物体を、前記空間内の一点に位置
   して一方向を向いた視点からみた場合の、グラフィック
   画像データを生成するように構成された画像データ生成
   手段と、前記画像データを表示する画像表示手段と、前
   記空間内に位置する所定の回転軸を中心に前記視点を回
   転移動させるように構成された視点移動手段と、を有す
   る三次元グラフィック画像システムにおいて、 前記空間内における前記回転軸の位置又は方向を入力す
   るための回転軸位置入力手段を備えたことを特徴とする
   三次元グラフィック画像システム。