JPH06131442A - ３次元虚像造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 設計者の感覚にあった設計を行うことおよび
設計作業の能率を高めることができる３次元虚像造形装
置を提供する。 【構成】 立体視可能な仮想空間内に仮想立体モデルＩ
ｖを生成する。この仮想空間と同じ位置に設定された操
作空間（実空間）内において設計者にスタイラスペン２
０を操作させる。この手動操作により、スタイランペン
２０の指示点２０ｐが仮想立体モデルＩｖ上の所定の点
と略一致したとき、このモデル上の点の座標を入力す
る。この座標入力の後に設計者がスタイラスペン２０を
移動させたとき、この移動によってスタイラスペン２０
の指示点２０ｐの座標が上記モデル上の所定の点の座標
からずれた量に応じて仮想立体モデルＩｖを変形させ
る。これにより、立体モデルとして生成された製品に対
し、３次元的なペン移動操作によって直接的に形状変更
を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立体視可能な仮想空間
を利用して工業製品の設計を行う３次元虚像造形装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の車体や自動車部品等の工業製品
の設計には、従来よりＣＡＤが広く用いられているが、
近年、設計者の設計意図をより的確に製品に反映するこ
とができるようにするため、３次元ＣＡＤと呼ばれてい
るＣＡＤシステムの開発が進められている。

【０００３】この３次元ＣＡＤを用いた設計は、一般に
次のようにして行われている。すなわち、入力操作方法
は、平面出力画面での側面図、正面図、上面図などを用
いた３面図からの２次元的なものとなっており、その入
力装置は２次元入力装置であるマウスやタブレットなど
を用いている。そして、出力画面上に、設計を行った製
品の評価・確認用に３次元的なイメージを捉えやすい鳥
瞰図を用いて、イメージ描画を行っている。しかしなが
ら、３次元的な形状が理解しやすい鳥瞰図を用いた形状
生成や形状変更などの操作は行われていないのが現状で
ある。これは鳥瞰図を用いた３次元的な入力、特に奥行
方向の入力が非常に困難なためである。

【０００４】このような問題を解決するために、従来の
２次元入力操作方法に代えて、３次元的な入力操作方法
を用いた設計装置が提案されている。例えば、特開昭63
-191277 号公報には、３次元座標入力をマウス操作によ
る２回の２次元座標入力から行い、さらにこれを座標変
換処理することにより、３次元カーソルを用いた奥行方
向の入力操作を可能にするようにした装置が開示されて
おり、また、特開平2-150968号公報には、カーソルの移
動に伴い、カーソル位置の近傍の図形要素を強調して表
示（位置情報を表示）することにより、カーソル位置が
平面だけでなく奥行方向も識別することを可能にして、
３次元的な入出力を行うようにした装置が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
装置においては、２回の２次元座標入力および座標変換
処理によって３次元的な入力を行うものであるため、操
作に冗長性があり、また直感的な操作が行えず操作性に
問題がある。また、後者の装置も入力操作および出力画
面に２次元平面画面を用い、入力デバイスもマウス等の
間接的な装置を用いるため、奥行感がつかみにくく、入
力変形操作が行いくいために思い通りの設計ができない
といった問題がある。これらの問題のため、従来のＣＡ
Ｄを用いた設計作業は入力操作に必要以上の試行錯誤を
要し、結果として設計作業の能率低下を招いていた。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、設計者の感覚にあった設計を行うこと
ができるとともに設計作業の能率を高めることができる
３次元虚像造形装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る３次元虚像
造形装置は、立体視可能な仮想空間を生成するとともに
該仮想空間内の任意の点の座標を３次元的なペン移動操
作によって直接入力表示し得るように構成することによ
り（請求項１）、製品形状を立体モデルとして直接的に
生成することができるようにし、あるいは、立体視可能
な仮想空間内に仮想立体モデルを生成するとともに、こ
の仮想立体モデルに対して３次元的なペン移動操作によ
って変形操作を行い得るように構成することにより（請
求項２）、立体モデルとして生成された製品形状を直接
的に変更することができるようにし、もって上記目的達
成を図るようにしたものである。

【０００８】すなわち、請求項１記載の発明は、立体視
可能な仮想空間を生成する仮想空間生成手段と、手動操
作に応じて前記仮想空間内を３次元的に移動する３次元
移動ペンと、この３次元移動ペンの指示点の座標を入力
し得る指示点座標入力手段と、この指示点座標入力手段
により入力された座標を前記仮想空間内に表示する座標
表示手段と、を備えてなることを特徴とするものであ
り、また、請求項２記載の発明は、立体視可能な仮想空
間を生成する仮想空間生成手段と、前記仮想空間内に仮
想立体モデルを生成する仮想立体モデル生成手段と、手
動操作に応じて前記仮想空間内を３次元的に移動する３
次元移動ペンと、この３次元移動ペンの指示点が前記仮
想立体モデル上の所定の点と略一致したとき、このモデ
ル上の点の座標を入力するモデル点座標入力手段と、こ
のモデル点座標入力手段による座標入力の後に前記３次
元移動ペンを移動させたとき、この移動によって該３次
元移動ペンの指示点の座標が前記モデル上の所定の点の
座標からずれた量に応じて前記仮想立体モデルを変形さ
せる仮想立体モデル変形手段と、を備えてなることを特
徴とするものである。

【０００９】上記「３次元移動ペン」は、仮想空間の点
を指示する上記「指示点」を有するものであれば、必ず
しも一般的なペンの形態を有するものでなくてもよい。
また、「３次元移動ペン」の態様としては、例えば、請
求項３に記載したように、仮想空間と同じ位置に設定さ
れた操作空間内において手動操作されるスタイラスペ
ン、あるいは、請求項４に記載したように、仮想空間と
は異なる位置に設定された操作空間内において手動操作
されるスタイラスペンの移動と連動して仮想空間内にお
いて移動する仮想ペン等が採用可能である。

【００１０】上記「仮想立体モデル上の所定の点」と
は、仮想立体モデル上の点のうち座標入力をしようとす
る特定の点を意味するものである。例えば、予め所定の
操作により仮想立体モデル上のある点を座標入力予定点
として特定しておいた場合には、この点が当初から「仮
想立体モデル上の所定の点」となるが、座標入力予定点
を予め特定せずに３次元移動ペンの指示点が仮想立体モ
デル上のある点と略一致した後に所定の操作によりこの
点の座標入力を行うようにした場合には、この座標入力
操作により初めてこの点が「仮想立体モデル上の所定の
点」となる。

【００１１】上記「略一致」とは、３次元移動ペンの指
示点が仮想立体モデル上の所定の点と完全に一致する場
合はもちろんのこと、この所定の点以外の仮想立体モデ
ル上の点を該所定の点と混同して座標入力するおそれの
ない程度に該所定の点に指示点が近付いている場合をも
含むことを意味するものである。

【００１２】

【発明の作用および効果】上記構成に示すように、請求
項１記載の発明においては、立体視可能な仮想空間を生
成するとともに該仮想空間内の任意の点の座標を３次元
的なペン移動操作によって直接入力表示し得るように構
成されているので、製品形状をなすべき複数の点の座標
を入力表示するようにすれば、製品の形状を立体モデル
として直接的に生成することができる。したがって、設
計過程における製品形状の観察、評価、確認を立体的に
リアルタイムで行うことができ、直観的な設計を行うこ
とができる。このように、請求項１記載の発明によれ
ば、設計者の感覚にあった設計を行うことができるとと
もに設計作業の能率を高めることができる。

【００１３】また、請求項２記載の発明においては、立
体視可能な仮想空間内に仮想立体モデルを生成するとと
もに、この仮想立体モデルに対して３次元的なペン移動
操作によって変形操作を行い得るように構成されている
ので、立体モデルとして生成された製品の形状を直接的
に変更することができる。したがって、設計過程におけ
る製品形状変更の観察、評価、確認を立体的にリアルタ
イムで行うことができ、直観的な設計を行うことができ
る。このように、請求項２記載の発明によれば、設計者
の感覚にあった設計を行うことができるとともに設計作
業の能率を高めることができる。

【００１４】上記請求項２記載の発明における「３次元
移動ペン」が、請求項３に記載したように、仮想空間と
同じ位置に設定された操作空間内において手動操作され
るスタイラスペンである場合は、仮想空間の座標と操作
空間の座標とを一致させる必要があるが、両座標は必ず
しも一致していないので、請求項５に記載したように、
仮想空間の座標と操作空間の座標とが不一致のとき両座
標を一致させる座標補正手段を備えた構成とすることが
好ましい。

【００１５】さらに、請求項６に記載したように、仮想
立体モデルに対する視点を変更する視点変更手段を備え
た構成としてもよく、このようにすることにより、仮想
立体モデルの観察、評価、確認を多面的に行うことがで
きる。

【００１６】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例について説明する。

【００１７】図１は、本発明に係る３次元虚像造形装置
の第１実施例を示す概要構成図であって、図２は、その
使用状態を示す側面図である。

【００１８】図１に示すように、本実施例に係る３次元
虚像造形装置は、ディスプレイ１２と、液晶シャッタメ
ガネ１４と、立体視制御装置１６と、仮想空間情報制御
装置（グラフィックワークステーションＩＲＩＳ−４Ｄ
２２０ＧＴＸ）１８と、スタイラスペン２０と、コマン
ド入力装置２２と、３次元ディジタイザ２４と、視点制
御装置２６とを備えてなっている。

【００１９】上記ディスプレイ１２は、６０インチの大
型高精細プロジェクタ（解像度：１２８０×１０２４）
である。

【００２０】上記液晶シャッタメガネ１４は、右眼左眼
の各部分が液晶シャッタにより開閉可能とされており、
図２に示すように、設計者の頭部を固定するための頭部
固定具２８に、ディスプレイ１２のスクリーン１２ａに
正対するようにして固設されている。

【００２１】上記立体視制御装置１６は、ディスプレイ
１２のスクリーン１２ａ上に右眼用左眼用の画像を左右
切換え周波数６０Ｈｚで交互に供給するようになってい
る。このスクリーン１２ａ上に供給される右眼用左眼用
の画像は、自動車の車体の基本形状モデルの画像であっ
て、本実施例においては、予め上記仮想空間情報制御装
置１８にデータとして入力され記憶されたものを用いて
いる。上記立体視制御装置１６は、さらに、スクリーン
１２ａ上に右眼用の画像を供給しているときには液晶シ
ャッタメガネ１４の右眼用シャッタを開き、左眼用の画
像を供給しているときには液晶シャッタメガネ１４の左
眼用シャッタを開くようになっている。これにより、設
計者がこの液晶シャッタメガネ１４を装着すると、図２
に示すように、スクリーン１２ａと液晶シャッタメガネ
１４との間の空間に立体視可能な仮想空間ＶＳが生成さ
れるとともに、該仮想空間ＶＳ内にスクリーン１２ａ上
に供給された右眼用左眼用の画像に対応する立体虚像Ｉ
ｖが生成されることとなる。この立体虚像Ｉｖは、スク
リーン１２ａ上に供給される右眼用左眼用の画像が車体
の基本形状モデルの画像であることから、車体の仮想立
体モデルということになる。

【００２２】図３により、仮想空間ＶＳ内に仮想立体モ
デルＩｖが生成される原理を説明すると、液晶シャッタ
メガネ１４をかけた設計者の両眼の間隔をＥ、スクリー
ンから設計者の視点位置までの距離（視距離）をＳｅと
すれば、スクリーン１２ａ上に右眼用左眼用の画像
Ｉ_R 、Ｉ_L を互いに水平方向にＤだけずらして供給する
ことにより、スクリーン１２ａから手前側Ｓｍの距離
〔Ｓｍ＝Ｓｅ×Ｄ／（Ｅ＋Ｄ）〕に仮想立体モデルＩｖ
を生成することができる。

【００２３】図２に示すように、スタイラスペン２０
は、仮想空間ＶＳと同じ位置に設定された操作空間（実
空間）ＭＳ内において設計者により直接操作されること
により、仮想空間ＶＳ内を３次元的に移動するようにな
っている。

【００２４】上記３次元ディジタイザ２４は、操作空間
ＭＳ内に磁場を形成してスタイラスペン２０の指示点
（ペン先）２０ｐの位置検出およびスタイラスペン２０
の向き検出を行う磁気式ディジタイザ（ＰＯＬＨＥＭＵ
Ｓ社製、位置精度：０、８ｍｍ）であって、スタイラス
ペン２０の指示点２０ｐが仮想立体モデルＩｖ上におい
て座標入力しようとする点と略一致した状態（例えば、
指示点２０ｐが座標入力予定点に対して該予定点を中心
とする半径２ｍｍの球の内側に入った状態）において、
設計者がコマンド入力装置２２のスイッチ操作をしたと
き、このモデル上の点の座標を入力するようになってい
る。このモデル上点座標入力を短時間で行うためには、
座標入力予定点以外の仮想立体モデル上の点を該座標入
力予定点と混同して座標入力するおそれのない範囲内
で、上記略一致の基準となる球の半径をもっと大きく設
定すればよい。あるいは、指示点２０ｐが座標入力予定
点に近付くにつれて高さが変化する音を発生させる等、
他の方法を用いるようにしてもよい。

【００２５】上記スタイラスペン２０の指示点２０ｐの
操作空間Ｂ内における座標は、３次元ディジタイザ２４
により磁気的に検出されるので一律に定まるが、仮想空
間ＶＳ内における座標は、設計者の両眼の間隔Ｅの値に
個人差があるため一律には定まらない。このため、操作
空間ＭＳ内における指示点２０ｐの座標とこの指示点２
０ｐに対応する仮想空間ＶＳ内における座標とは一般に
一致しないが、両空間の座標が一致していないと、仮想
立体モデルＩｖ上の点の座標を正しく入力することがで
きない。このため、本実施例においては、図４に示すよ
うに、操作空間ＭＳと仮想空間ＶＳとのキャリブレーシ
ョンを行うようになっている。このキャリブレーション
は、例えば、スタイラスペン２０の指示点２０ｐを仮想
空間ＶＳ内での座標が予め分かっている点（例えば仮想
立体モデルＩｖ上の点）と一致させたときの仮想空間Ｖ
Ｓ内での座標と同じ座標を、操作空間ＭＳ内における座
標として入力することによって行われる。

【００２６】上記３次元ディジタイザ２４により入力さ
れたモデル上の点の座標（以下「入力モデル点座標」と
いう）は、仮想空間情報制御装置１８の記憶部に記憶さ
れるようになっている。そして、この仮想空間情報制御
装置１８は、この３次元ディジタイザ２４による座標入
力がなされた後にスタイラスペン２０の指示点２０ｐが
入力モデル点座標から移動したときには、この移動によ
って該スタイラスペン２０の指示点２０ｐの座標が入力
モデル点座標からずれた量に応じて仮想立体モデルＩｖ
を変形させるようになっている。

【００２７】図５は、スタイラスペン２０の移動操作に
よる仮想立体モデルＩｖの変形の様子を示す斜視図であ
る。図示のように、スタイラスペン２０の指示点２０ｐ
が入力モデル点座標から移動すると、この移動に伴って
仮想立体モデルＩｖは座標入力されたモデル点の周辺部
が変形するが、この移動に対する仮想立体モデルＩｖの
変形の仕方（変形範囲、変形曲率等）は、設計者が所定
の入力操作を行うことにより設定および設定変更するこ
とができるようになっている。

【００２８】図１において、視点制御装置２６は、仮想
立体モデルＩｖに対する設計者の視点を設計者の入力操
作に応じて変更することができるようになっている。す
なわち、この視点制御装置２６は、設計者のジョイステ
ィック操作等に応じて、仮想空間ＶＳ内に生成されてい
る仮想立体モデルＩｖの向きを変えたり拡大あるいは縮
小したりするようになっており、これにより、仮想立体
モデルＩｖを、任意の方向からあるいは任意の大きさ
で、観察、評価、確認しながら設計することができるよ
うになっている。

【００２９】図３において、右眼用左眼用の画像ずれ量
Ｄがあまり小さいと、輻輳角（右眼と右眼用画像中心と
を結ぶ直線と、左眼と左眼用画像中心とを結ぶ直線との
なす角度）が小さくなるので仮想空間ＶＳ内における奥
行位置が特定しにくくなり、また、Ｓｍの値が小さくな
って仮想立体モデルＩｖが設計者から遠い所に生成され
るので、スタイラスペン２０の指示点２０ｐが仮想立体
モデルＩｖ上の点まで届かなかったり、届いても操作を
行いにくくなったりすることとなる。反対にＤが大きす
ぎると、右眼と左眼とで網膜に写った像を１つに結像で
きなくなるので、これにより奥行認知に限界が生じる。

【００３０】そこで、人間の奥行認知に関して次のよう
な奥行認知実験を行い、この実験を通して奥行認知特性
を明確にし、奥行認知限界と仮想立体モデルＩｖの有効
表示領域を導出した。

【００３１】＜奥行認知実験の説明＞ （１）実験装置構成 図６に示すように、実験装置としては上記実施例のもの
を用い、外環境の影響を少なくするために、被験者のス
タイラスペン操作を暗室３０内で行えるようにした。

【００３２】（２）実験方法 図７に示すように、スクリーン上に、直径５ｍｍの円図
形を左眼と右眼用の画像として水平方向にずらして表示
する。

【００３３】被験者には、台上に固定された液晶シャッ
タメガネを装着させ、スクリーンから飛び出して確認で
きる小球状の仮想立体を、スタイラスペンのペン先で特
性空間（実空間）内で指し示してもらう。位置が特定し
たところでコマンド入力装置のボタンを押させ、このと
きの位置を計測する。

【００３４】被験者の視点は、スクリーン中央となるよ
うにセットし、図形はスクリーン中央から等間隔にずら
して表示する。

【００３５】計測は、図形の水平方向ズレ量（Ｄ）を８
ｍｍ間隔で連続的に変化させ、奥行方向の認知が行えな
くなるまで実施した。

【００３６】ａ．視距離の影響 仮想立体をスクリーン中央の視線正面部に表示し、表１
に示す値で視距離のみを変化させて実験を行った。

【００３７】

【表１】

【００３８】ただし、視距離が１２００ｍｍ以上のと
き、被験者からかなり離れた所に位置する図形にもペン
先がとどくようにスタイラスペンの保持部の延長等の改
造を施した。

【００３９】ｂ．図形の表示位置の影響 表示位置による奥行認知に対する影響を調べるために、
視距離を８００ｍｍに固定して、図８のように視線中央
に対し上方向および左方向に図形の表示位置をシフトさ
せて実験を行った。

【００４０】シフト量は、スクリーンの大きさから最大
４００ｍｍとした。

【００４１】（３）実験結果と考察（奥行認知特性） ａ．視距離による影響 スクリーンから被験者の視点までの距離を変えたとき
の、図形のズレ量Ｄと奥行認知位置（計測値）との関係
を図９に示す。縦軸は視距離で正規化しており（Ｓｍ／
Ｓｅ）、値１．０は視点位置を、値０．０はスクリーン
位置を示す。図中、両眼間隔Ｅと図形のずれ量Ｄとから
求められる理論値〔Ｓｍ／Ｓｅ＝Ｄ／（Ｅ＋Ｄ）〕を実
線で示す。なお、この理論値は、Ｅ＝６０ｍｍとして算
出した。図１０には、上記理論値からの計測値の誤差の
絶対値を示す。

【００４２】図９から判るように、奥行認知位置は理論
値に対して比較的精度よく行えるといえる。図形のズレ
に対する奥行認知の限界（右眼、左眼の網膜に結像した
像のズレの修正限界）はスクリーンからの距離が視距離
の０．８５倍、ズレ量にして約３５０ｍｍの所にあるこ
とが判る。

【００４３】また、図１０を見ると、ズレ量が小さいと
き、すなわち仮想立体のスクリーンからの突出量が小さ
いとき、位置誤差が大きくなっている。この要因として
は、ズレ量が小さい場合には輻輳角が小さくなり奥行位
置が特定しにくくなったためと考えられる。また、計測
用のペンを腕を伸ばした状態で指示しなければならず、
この影響も多少含んでいると考えられる。

【００４４】ｂ．図形の表示位置による影響 スクリーン上での図形表示位置を上方向および左方向に
シフトさせたときに奥行認知結果を、それぞれ図１１、
１２および図１３、１４に示す。上方向、左方向どちら
にシフトさせても、奥行認知は精度よく行えており、シ
フト量による誤差のバラツキも大きくなく、表示位置に
よる影響は本実験範囲内で小さいといえる。

【００４５】また、図１１および図１３から、シフト量
が大きくなると、奥行認知の限界が小さくなることが判
る。

【００４６】ｃ．奥行認知特性 本実験から得られた結果をまとめると、両眼の輻輳角に
よる奥行認知はある程度の精度をもっており、仮想立体
の有効表示領域を奥行認知誤差値２５ｍｍを基準に導出
すると次のようになる。

【００４７】 視距離 ：６００〜８００ｍｍ 図形ズレ量 ： ５０〜３５０ｍｍ（視点中央） ５０〜２００ｍｍ（視点中央から４００ｍｍシフト） この範囲内に立体図形を表示すれば、意匠設計等の造形
作業は本実験範囲内で十分実施できると言える。

【００４８】以上詳述したように、本実施例において
は、立体視可能な仮想空間ＶＳ内に仮想立体モデルＩｖ
を生成するとともに、この仮想立体モデルＩｖに対して
３次元的なペン移動操作によって変形操作を行い得るよ
うに構成されているので、立体モデルとして生成された
製品の形状を直接的に変更することができる。したがっ
て、設計過程における製品形状変更の観察、評価、確認
を立体的にリアルタイムで行うことができ、直観的な設
計を行うことができる。

【００４９】このように、本実施例によれば、設計者の
感覚にあった設計を行うことができるとともに設計作業
の能率を高めることができる。

【００５０】本実施例においては、予め上記仮想空間情
報制御装置１８に記憶されているデータをディスプレイ
１２のスクリーン１２ａ上に右眼用左眼用の画像として
供給することにより、仮想空間ＶＳ内に仮想立体モデル
Ｉｖを生成するようになっているが、設計者が操作空間
ＭＳ内においてスタイラスペン２０を操作することによ
り、仮想空間ＶＳ内に仮想立体モデルＩｖを直接生成す
るようにしてもよい。

【００５１】この仮想立体モデルＩｖの直接生成は、例
えば次のようにして行うことができる。すなわち、仮想
空間ＶＳ内におけるスタイラスペン２０の指示点２０ｐ
の座標を設計者の入力操作に従って３次元ディジタイザ
２４により仮想空間情報制御装置１８に入力し、そして
仮想空間情報制御装置１８により、この入力された座標
に対応する右眼用左眼用の点画像のスクリーン１２ａ上
における平面座標を算出し、この平面座標を有する右眼
用左眼用の点画像をスクリーン１２ａ上に供給し表示す
るようにすれば、仮想空間ＶＳ内のスタイラスペン２０
の指示点２０ｐと同じ位置に仮想点を表示することがで
きる。したがって、設計者がその造形イメージに従って
スタイラスペン２０を移動させて複数の座標を順次入力
するようにすれば、仮想立体モデルＩｖを直接生成する
ことができる。

【００５２】このような仮想立体モデルＩｖの直接生成
を行うようにすれば、設計過程における製品形状の観
察、評価、確認を立体的にリアルタイムで行うことがで
きるので、直観的な設計を行うことができる。

【００５３】次に本実施例の第２実施例について説明す
る。

【００５４】図１５は、本発明に係る３次元虚像造形装
置を示す概要構成図であって、図１６は、その使用状態
を示す側面図である。

【００５５】これらの図に示すように、本実施例に係る
３次元虚像造形装置は、その基本的構成については第１
実施例と同様であるが、スタイラスペン２０を仮想空間
ＶＳとは異なる位置（設計者の手元）に設定された操作
空間ＭＳ内において手動操作したとき、このスタイラス
ペン２０の移動と連動して仮想空間ＶＳ内において仮想
ペン３２を移動させるように構成されている点で第１実
施例と異なる。

【００５６】上記仮想ペン３２は、仮想立体モデルＩｖ
と同様、ディスプレイ１２のスクリーン１２ａ上に右眼
用左眼用の画像を交互に供給することにより仮想空間Ｖ
Ｓ内に立体虚像として形成されるが、設計者のスタイラ
スペン２０の操作に対する仮想ペン３２の挙動に違和感
が生じないようにするため、操作空間ＭＳ内におけるス
タイラスペン２０の指示点２０ｐの位置のみならずスタ
イラスペン２０の向きも３次元ディジタイザ２４によっ
て仮想空間情報制御装置１８に入力され、仮想空間情報
制御装置１８が、この入力に基づいて仮想空間ＶＳ内に
おける仮想ペン３２の指示点３２ｐの位置および仮想ペ
ン３２の向きを操作空間ＭＳ内におけるスタイラスペン
２０のそれらに対応させるよう、ディスプレイ１２への
供給画像を調製するようになっている。

【００５７】図１７は、仮想ペン３２の移動操作による
仮想立体モデルＩｖの変形の様子を示す斜視図である。
図示のように、仮想ペン３２の移動操作に対する仮想立
体モデルＩｖの変形の仕方は、第１実施例におけるスタ
イラスペン２０の移動操作の場合と同様である。

【００５８】本実施例においては、仮想空間ＶＳ内に立
体虚像として形成された仮想ペン３２を用いているの
で、操作空間ＭＳと仮想空間ＶＳとのキャリブレーショ
ンは不要であり、また、設計者の頭部を固定する必要も
ないので、頭部固定具は設けられていない。

【００５９】本実施例においても、第１実施例と同様、
立体視可能な仮想空間ＶＳ内に仮想立体モデルＩｖを生
成するとともに、この仮想立体モデルＩｖに対して３次
元的なペン移動操作によって変形操作を行い得るように
構成されているので、立体モデルとして生成された製品
の形状を直接的に変更することができる。したがって、
設計過程における製品形状変更の観察、評価、確認を立
体的にリアルタイムで行うことができ、直観的な設計を
行うことができる。

【００６０】このように、本実施例によれば、設計者の
感覚にあった設計を行うことができるとともに設計作業
の能率を高めることができる。

【００６１】次に本発明の第３実施例について説明す
る。

【００６２】図１８は、本実施例に係る３次元虚像造形
装置を示す概要構成図であって、図１９は、その使用状
態を示す側面図である。

【００６３】これらの図に示すように、本実施例に係る
３次元虚像造形装置は、第２実施例と同様、仮想空間Ｖ
Ｓとは異なる位置に設定された操作空間ＭＳ内において
手動操作されるスタイラスペン２０の移動と連動して仮
想空間ＶＳ内において仮想ペン３２を移動させるように
構成されているが、仮想空間ＶＳが、第２実施例のよう
にディスプレイ１２および液晶シャッタメガネ１４間で
はなくゴーグルタイプ頭部搭載型立体視ディスプレイ
（ＶＰＬ社製アイフォン）３４内部に形成されるように
なっている点で異なっている。これに伴い、第２実施例
における立体視制御装置１６および視点制御装置２６に
代えてスキャンコンバータ３６、ディスプレイ制御装置
３８および頭部位置・方向センサ４０が設けられてい
る。

【００６４】本実施例においても、第１、第２実施例と
同様、立体視可能な仮想空間ＶＳ内に仮想立体モデルＩ
ｖを生成するとともに、この仮想立体モデルＩｖに対し
て３次元的なペン移動操作によって変形操作を行い得る
ように構成されているので、立体モデルとして生成され
た製品の形状を直接的に変更することができる。したが
って、設計過程における製品形状変更の観察、評価、確
認を立体的にリアルタイムで行うことができ、直観的な
設計を行うことができる。

【００６５】このように、本実施例によれば、設計者の
感覚にあった設計を行うことができるとともに設計作業
の能率を高めることができる。

【００６６】以上のように、立体視可能な仮想空間ＶＳ
内に生成された仮想立体モデルＩｖに対して変形操作を
行うことが、設計者の設計感覚に適合し、設計作業能率
も高まる、という効果を確認するため、上記３つの実施
例の中から第１、第２実施例の装置を取り上げ、これら
と従来の２次元視による変形操作を行う装置とを用いて
次のような立体モデル操作実験を行うことにより、立体
モデルに対する操作性の比較を行った。

【００６７】＜立体モデル操作実験の説明＞ （１）実験方法 図２０に示すように、スクリーンからの視距離を８００
ｍｍとし、モデルＡ（一辺１０ｃｍの正四面体）をスク
リーンから５３０ｍｍの位置に表示し、モデルＢ（モデ
ルＡと同一形状）を３００ｍｍの位置に表示する。モデ
ルＡとモデルＢは、仮想空間で水平方向に４５ｍｍ、上
下方向に８０ｍｍずらして表示しておく。なお２次元視
を行うときは、両眼視差のない画像をスクリーン上に表
示する。

【００６８】表２に示すように、実験環境は、立体視手
法を用いた２種類の操作環境（スタイラスペン方式、仮
想ペン方式）に加え、立体視の有効性を評価するための
比較実験として立体視を行わない方式（２次元視方式）
の３種類の操作環境で行う。

【００６９】

【表２】

【００７０】被験者は本操作環境において、（イ）平行
移動操作、（ロ）平行移動および回転操作を加えて、モ
デルＡをモデルＢに重ね合わせる操作（図２０
（ａ））、さらに（ハ）モデルＢの頂点をポインティン
グする操作を行う（図２０（ｂ））。

【００７１】操作性評価のために、操作時間（把持時
間、移動時間））、スタイラスペンあるいは仮想ペンの
操作軌跡そして操作誤差距離を計測する。各々の計測項
目の内容を次に示す。

【００７２】・把持時間…操作を開始してから、ターゲ
ットとなる対象モデルの頂点をポインティングしてモデ
ルを把持するまでの時間 ・移動時間…モデルＡを把持してからモデルＢに一致さ
せるまでの操作時間 ・操作軌跡…仮想空間におけるスタイラスペンあるいは
仮想ペンの奥行方向の移動軌跡 ・操作誤差距離…操作終了時の重ね合わせ誤差の操作空
間（実空間）上での距離の絶対値 ａ．平行移動／回転操作実験 実験は次の手順で行った。

【００７３】１） 操作開始の合図音をもとに、被験者
はモデルＡを把持するためにターゲットとなる頂点にス
タイラスペンあるいは仮想ペンを移動させる。

【００７４】２） ターゲットがポインティングされる
とモデルＡの表示色が変わり、合図音が発せられる。こ
のとき被験者の手元のスイッチを押下し、モデルＡを把
持する。

【００７５】３） 把持したモデルＡをモデルＢに重ね
合わせるために平行移動／回転操作を行う。

【００７６】４） モデルＡとモデルＢとが一致したと
ころで再び手元のスイッチを押下し、操作を終了する。

【００７７】ｂ．頂点ポインティング操作実験 １） 開始の合図音をもとに、被験者はスタイラスペン
あるいは仮想ペンの先端をターゲットとなるモデルＢの
各頂点に近づけ、合致したところで手元スイッチを押下
する。

【００７８】２） すべての頂点をポインティングした
ところで手元のスイッチを押下し、操作を終了する。

【００７９】これらの操作を各操作環境で１０回ずつ行
った。

【００８０】（２）実験結果と考察（３次元操作特性） ａ．操作環境と操作時間 平行移動／回転操作の各操作環境における操作時間を図
２１に示す。

【００８１】時間を比較すると、２次元視方式に比べ３
次元立体視方式が操作性に優れていることが判る。

【００８２】３次元立体視を用いた２つの方式を比べる
と、操作時間に大きな差はないが、把持操作にスタイラ
スペン方式の方がやや時間がかかっている。被験者によ
る操作時間のバラツキもスタイラスペン方式の方が大き
くなっている。これは、仮想ペン方式が手元での安定し
た状態での操作が可能であるのに比べ、スタイランペン
方式は腕を宙に浮かせた不安定な状態での操作であり、
ペンの先端を静止させる困難さが原因と考えられる。

【００８３】また、平行移動のみの操作より回転操作が
加わった実験では、移動時間は長くなるが、仮想ペン方
式では２倍以上とその差が顕著にでてくる。スタイラス
ペン方式では、実際の手やペンが直接見え、より直感的
な判断ができ、より複雑な操作にはスタイラスペン方式
が適しているといえる。

【００８４】ｂ．操作環境と操作誤差 操作終了時のモデルの重ね合わせの誤差距離を比較する
と（図２２）、仮想ペン方式が最も誤差か小さく、スタ
イラスペン方式がそれよりやや大きくなるという結果と
なった。これも、腕を支持なしで宙に浮かすために、手
が震えてしまうといったスタイラスペン方式特有の結果
と考える。

【００８５】しかし、仮想ペン方式では個人差が顕著に
現れており、仮想的なペンを手元で操作することの難し
さがよく現れている。操作にある程度慣れてくれば、操
作時間や操作誤差は小さくなると考えられるが、本実験
で行った１０回程度の繰り返し操作では学習効果は全く
現れなかった。

【００８６】ｃ．操作環境と操作軌跡 把持操作におけるスタイラスペンあるいは仮想ペンの奥
行方向の操作軌跡例を図２３に示す。これは、ターゲッ
トより奥方向の位置から操作を開始し、ターゲットを把
持するまでのスタイラスペンあるいは仮想ペンの奥行方
向の軌跡を操作環境別に表している。図中、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄとあるのは、４名の異なる被験者のデータを示
す。

【００８７】図２３より、スタイラスペン方式は、ほと
んどオーバーシュートすることなくターゲットを捕らえ
ているのが判る。しかし、完全に把持するまでには時間
がかかっており、前述のようになかなか静止できない様
子がよく判る。

【００８８】仮想ペン方式は、多少オーバーシュートし
ているものの、少ない試行錯誤で確実にターゲットを捕
らえており、３方式の中では一番速く操作を行えてい
る。

【００８９】２次元視方式は、立体視を行わないため
に、奥行感が捉えにくいため、かなり大きくオーバーシ
ュートしており、時間をかけてなんとかターゲットを捕
らえている。このような状態では、長時間作業はほとん
ど不可能であり、ＣＡＤの３次元直接操作には、立体視
は不可欠な要素と言える。

【００９０】ｄ．操作環境とポインティング操作誤差 ポインティング操作のみでは、図２４から判るように、
仮想ペン方式が平均誤差距離が最も小さく、バラツキも
少なかった。

【００９１】頂点ポインティングの実験では、ポインテ
ィング位置に来たときにモデル色を変化させたり、合図
音を出すなどしなかったため、モデルとペン先の微妙な
位置関係が捕らえにくいスタイラスペン方式に、誤差が
大きくでたものと考えられる。

【００９２】ｅ．まとめ 以上の実験結果を総合すると、仮想ペンを用いた３次元
操作手法が、操作性、精度の面から最も有効であること
が確認できた。

【００９３】しかし、実験中あるいは実験後の被験者か
ら、スタイラスペン方式による３次元直接操作手法も感
覚的に操作し易いという感想が多く得られ、腕の疲労排
除等の工夫を施せば、非常に有効な設計手法になると考
えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元虚像造形装置の第１実施例
を示す概要構成図

【図２】第１実施例の使用状態を示す側面図

【図３】第１実施例において仮想空間内に仮想立体モデ
ルが生成される原理を説明する図

【図４】第１実施例における操作空間と仮想空間とのキ
ャリブレーションの様子を示す図

【図５】第１実施例におけるスタイラスペンの移動操作
による仮想立体モデルの変形の様子を示す斜視図

【図６】奥行認知実験に使用した実験装置構成を示す図

【図７】奥行認知実験の実験方法を示す図

【図８】奥行認知実験の実験方法を示す図

【図９】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１０】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１１】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１２】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１３】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１４】奥行認知実験の実験結果を示すグラフ

【図１５】本発明に係る３次元虚像造形装置の第２実施
例を示す概要構成図

【図１６】第２実施例の使用状態を示す側面図

【図１７】第２実施例における仮想ペンの移動操作によ
る仮想立体モデルの変形の様子を示す斜視図

【図１８】本発明に係る３次元虚像造形装置の第３実施
例を示す概要構成図

【図１９】第３実施例の使用状態を示す側面図

【図２０】立体モデル操作実験の実験方法を示す図

【図２１】立体モデル操作実験の実験結果を示すグラフ

【図２２】立体モデル操作実験の実験結果を示すグラフ

【図２３】立体モデル操作実験の実験結果を示すグラフ

【図２４】立体モデル操作実験の実験結果を示すグラフ

【符号の説明】

１２ ディスプレイ １２ａ スクリーン １４ 液晶シャッタメガネ １６ 立体視制御装置 １８ 仮想空間情報制御装置 ２０ スタイラスペン ２０ｐ 指示点 ２２ コマンド入力装置 ２４ ３次元ディジタイザ ２６ 視点制御装置 ３２ 仮想ペン ３４ ゴーグルタイプ頭部搭載型立体視ディスプレイ Ｉｖ 仮想立体モデル ＭＳ 操作空間 ＶＳ 仮想空間

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体視可能な仮想空間を生成する仮想空
   間生成手段と、 手動操作に応じて前記仮想空間内を３次元的に移動する
   ３次元移動ペンと、 この３次元移動ペンの指示点の座標を入力し得る指示点
   座標入力手段と、 この指示点座標入力手段により入力された座標を前記仮
   想空間内に表示する座標表示手段と、を備えてなること
   を特徴とする３次元虚像造形装置。
2. 【請求項２】 立体視可能な仮想空間を生成する仮想空
   間生成手段と、 前記仮想空間内に仮想立体モデルを生成する仮想立体モ
   デル生成手段と、 手動操作に応じて前記仮想空間内を３次元的に移動する
   ３次元移動ペンと、 この３次元移動ペンの指示点が前記仮想立体モデル上の
   所定の点と略一致したとき、このモデル上の点の座標を
   入力するモデル点座標入力手段と、 このモデル点座標入力手段による座標入力の後に前記３
   次元移動ペンを移動させたとき、この移動によって該３
   次元移動ペンの指示点の座標が前記モデル上の所定の点
   の座標からずれた量に応じて前記仮想立体モデルを変形
   させる仮想立体モデル変形手段と、を備えてなることを
   特徴とする３次元虚像造形装置。
3. 【請求項３】 前記３次元移動ペンが、前記仮想空間と
   同じ位置に設定された操作空間内において手動操作され
   るスタイラスペンである、ことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の３次元虚像造形装置。
4. 【請求項４】 前記３次元移動ペンが、前記仮想空間と
   は異なる位置に設定された操作空間内において手動操作
   されるスタイラスペンの移動と連動して前記仮想空間内
   において移動する仮想ペンである、ことを特徴とする請
   求項１または２記載の３次元虚像造形装置。
5. 【請求項５】 前記仮想空間の座標と前記操作空間の座
   標とが不一致のとき両座標を一致させる座標補正手段を
   備えている、ことを特徴とする請求項３記載の３次元虚
   像造形装置。
6. 【請求項６】 前記仮想立体モデルに対する視点を変更
   する視点変更手段を備えている、ことを特徴とする請求
   項１から５いずれかに記載の３次元虚像造形装置。