JPH07271998A - 立体表示方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 臨場感を損なうことなく、十分な応答速度を
得ることがることができる立体表示方法および装置を提
供する。 【構成】 一つの立体に対して精密な３次元モデルであ
る密モデルと、精度の粗い３次元モデルである粗モデル
とを作成するとともに、粗モデルおよび密モデルそれぞ
れを表す密３次元モデルデータおよび粗３次元モデルデ
ータを互いに関連付けるモデル作成過程（ステップＳ
１）と、視点の位置と配置位置との距離が小である場合
には密３次元モデルデータを、当該距離が大である場合
には粗３次元モデルデータを選択し、選択された３次元
モデルデータに表される３次元モデルを仮想空間内に配
置する選択過程（ステップＳ５）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元コンピュータグ
ラフィックスにおける立体表示方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、立体（３次元物体）の形状に
基づいたモデルを作成し、このモデルを用いて、２次元
の表示面を有する表示手段に上記立体を表示する３次元
コンピュータグラフィックス（以下、３ＤＣＧと略記す
る）技術が広く利用されている。この技術は、コンピュ
ータ上の仮想空間内に配置された３次元モデル（３次元
座標および３次元ベクトルで表される）に陰影計算等の
各種計算処理を施した後に、３次元モデルを投影面に投
影し、当該投影面上に得られた２次元の画像を、表示手
段を用いて表示するというものである。なお、上述した
各種計算処理および投影処理は、一般に、レンダリング
処理と呼ばれる。

【０００３】上述した３ＤＣＧ技術を用いて立体を表現
する処理として、ウォークスルー（walk through，以
後、ＷＴと略記する）処理がある。ＷＴ処理は、立体が
配置されたコンピュータ上の仮想空間内において、投影
の基準となる視点の位置または向きを連続的に変更する
ことによって、表示手段の表示面に表示される画像を観
る鑑賞者に対して、あたかも鑑賞者自身が仮想空間内を
移動しているような臨場感を与える処理である。

【０００４】このＷＴ処理を、建築物等の膨大な数の立
体からなる構造物に対して用いた場合、鑑賞者は、構造
物全体の雰囲気や、局部の詳細な構造、様々な地点から
の外観等の各種情報を容易に得ることができる。また、
上述したように、鑑賞者に臨場感を与えることができる
ため、上述した各種情報をわかり易く提供することがで
きる。

【０００５】通常、上述したＷＴ処理は、視点の移動経
路を予め設定しておき、この移動経路に沿って所定距離
間隔で視点の位置を変更するとともに、視点の位置およ
び向きに応じたレンダリング処理を行って得られる画像
を、順次、ビデオカメラ等の録画装置で録画し、録画さ
れた一連の画像を連続して再生するという方法により実
現される。ここで、ビデオカメラ等の録画装置を用いる
のは、膨大な量の計算を行って為されるレンダリング処
理にかかる時間が長く、リアルタイムで視点を変更する
場合、十分な応答速度を得ることができなかった為であ
る。

【０００６】ところが、近年、ワークステーションやパ
ーソナルコンピュータ等のハードウェアの処理能力が著
しく向上したため、ある程度の精度で作成された３次元
モデルであれば、瞬時にレンダリング処理を行うことが
可能となってきている。このため、ＷＴ処理において
も、３次元モデルの精度によっては、視点の移動経路を
予め設定することなく、操作者の指示に応じて即座に視
点の位置および向きを変更することが可能となってきて
いる。

【０００７】しかしながら、処理能力が向上したハード
ウェアによっても、レンダリング処理にかかる時間が仮
想空間内に配置された３次元モデルの精度に依存するこ
とに変わりはない。したがって、ＷＴ処理においてリア
ルタイムで視点変更を行う場合には、一般的に、３次元
モデルを粗い精度で作成して仮想空間内に配置しておく
という工夫が為されている。こうすることにより、レン
ダリング処理にかかる時間を短縮し、視点変更に対する
応答を向上させることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従
来、ＷＴ処理をリアルタイムで実現するためには、仮想
空間内に配置される各３次元モデルの精度を粗くする必
要があった。しかしながら、表示手段から得られる画像
において、３次元モデルの細部は、視点に対して当該モ
デルが遠方にある場合には認識困難であるが、当該モデ
ルが視点に近接する場合には極めて明瞭となる。ここ
で、視点と３次元モデルとの距離が大および小である場
合に、表示手段により得られる画像を、図６（ａ）およ
び図６（ｂ）に示す。図６（ａ）および図６（ｂ）から
明かなように、視点位置から遠方にある場合には、細部
を認識することが困難であった３次元モデルも、視点位
置に近接した場合には、その精度の粗さが目立ってしま
い、臨場感を損なう原因となっていた。本発明は、上述
した事情に鑑みて為されたものであり、臨場感を損なう
ことなく、十分な応答速度を得ることがることができる
立体表示方法および装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の立体表
示方法は、立体の形状に基づいて３次元モデルを作成
し、コンピュータ上の仮想空間内に配置された３次元モ
デルに対して投影処理等のレンダリング処理を施すこと
により投影面上に作成される画像を、２次元の表示面を
備えた表示手段により表示する立体表示方法において、
立体の形状に基づいて精度の異なる複数の３次元モデル
を作成するとともに、これら複数の３次元モデルを関連
付けるモデル作成過程と、前記モデル作成過程で関連付
けられた複数の３次元モデルから、前記視点の位置と配
置位置との距離に応じた精度の３次元モデルを選択して
前記仮想空間内に配置する選択過程とを有することを特
徴としている。請求項２に記載の立体表示装置は、操作
者の操作内容に応じた入力データを出力する入力手段
と、立体の形状に基づいた３次元モデルを表す３次元モ
デルデータを記憶した記憶手段と、コンピュータを備
え、前記記憶手段から読み出した３次元モデルデータで
表される３次元モデルを仮想空間内に配置し、この３次
元モデルに対して投影処理等のレンダリング処理を施す
処理手段と、２次元の表示面を備え、前記レンダリング
処理により投影面上に作成される画像を表示する表示手
段とからなる立体表示装置において、前記処理手段は、
一つの立体の形状に基づいて精度の異なる３次元モデル
を表す複数の３次元モデルデータを作成し、これらを関
連付けて前記記憶手段に記憶させるモデル作成手段と、
前記記憶手段に記憶された複数の３次元モデルデータか
ら、前記視点の位置と配置位置との距離に応じた精度の
３次元モデルを表す３次元モデルデータを選択し、選択
された３次元モデルデータで表される３次元モデルを前
記仮想空間内に配置する選択手段とを有することを特徴
としている。

【００１０】

【作用】請求項１に記載の方法によれば、モデル作成過
程では、立体の形状に基づいて精度の異なる複数の３次
元モデルが作成されるとともに、これら複数の３次元モ
デルが関連付けられる。次に、選択過程では、関連付け
られた複数の３次元モデルから、視点の位置と配置位置
との距離に応じた精度の３次元モデルが選択されて仮想
空間内に配置される。このため、レンダリング処理にか
かる時間が所定時間以下となるとともに、投影面に作成
される画像中の立体にも粗さが目立たない。すなわち、
臨場感を損なうことなく、十分な応答速度が得られる。
請求項２に記載の装置によれば、モデル作成手段は、一
つの立体の形状に基づいて精度の異なる３次元モデルを
表す複数の３次元モデルデータを作成し、これらを関連
付けて記憶手段に記憶させる。また、選択手段は、前記
記憶手段に記憶された複数の３次元モデルデータから、
視点の位置と配置位置との距離に応じた精度の３次元モ
デルを表す３次元モデルデータを選択し、選択された３
次元モデルデータで表される３次元モデルを仮想空間内
に配置する。このため、レンダリング処理にかかる時間
が所定時間以下となるとともに、投影面に作成される画
像中の立体にも粗さが目立たない。すなわち、臨場感を
損なうことなく、十分な応答速度が得られる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の一実施例に
ついて説明する。図１は本発明の一実施例による立体表
示方法を説明するための処理図であり、この図に示す各
処理は、図２に示す装置により実現される。図２は、本
実施例による立体表示方法を実現する立体表示装置の一
例を示すブロック図であり、ここでは、まず、立体表示
装置の構成について説明する。

【００１２】図２において、１は操作者に操作され、操
作内容に応じた入力データを出力する入力手段であり、
キーボードやマウス等から構成される。２は処理手段で
あり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，フレームバッファ、各
種Ｉ／Ｏインタフェース等を有するコンピュータから構
成され、入力手段１から供給される入力データに応じて
作動する。３はハードディスク，メモリ等の記憶手段で
あり、処理手段２により各種データを読み書きされる。
４は処理手段２から供給される画像データに表される画
像を表示する表示手段であり、ＣＲＴ（cathode ray tu
be）等の２次元の表示面を有する装置からなる。

【００１３】処理手段２は、入力データに応じてＲＯＭ
またはＲＡＭに記憶されたプログラムを実行して前述し
たＷＴ（walk through）処理を行うものであり、後述す
るモデル作成手段５、表面属性設定手段６、光源設定手
段７、視点設定手段８、選択手段９、レンダリング手段
１０、画像蓄積手段１１からなる。以下、各手段５〜１
１について説明する。

【００１４】モデル作成手段５は、入力データに指定さ
れる立体の形状に基づいた３次元モデルを作成する手段
であり、具体的には、３次元座標および３次元ベクトル
からなる３次元モデルデータを作成し、ファイルとして
記憶手段３に記憶させる。また、モデル作成手段５は、
入力データにより指定される立体が、多くの曲面または
曲線で構成される場合には、図３（ａ）に一例を示す精
密な３次元モデル１２ａ（以後、密モデル１２ａと称
す）と、図３（ｂ）に一例を示す精度の粗い３次元モデ
ル１２ｂ（以後、粗モデル１２ｂと称す）とを作成し、
それぞれを表す３次元モデルデータを互いに関連付け
て、記憶手段３に記憶させる。

【００１５】具体的には、例えば、密モデル１２ａを表
す３次元モデルデータを「ｃｏｌｕｍｎ＿ｄ」、粗モデ
ル１２ｂを表す３次元モデルデータを「ｃｏｌｕｍｎ＿
ｒ」というファイル名で保存する。こうすれば、両ファ
イルは、「ｃｏｌｕｍｎ」という名前の３次元モデルに
関連していることが分かる。次に、表面属性設定手段６
は、記憶手段３に記憶された３次元モデルデータに対し
て、表面色、反射率、透過率、テクスチャ等の表面属性
を付与するものである。

【００１６】光源設定手段７は、入力データに応じて作
動する手段であって、まず、記憶手段３に記憶された３
次元モデルデータに表される３次元モデルを仮想空間内
に配置する。この配置処理は、具体的には、３次元モデ
ルの名前と、仮想空間内の配置位置とを対応付けること
により行われる。次に、光源設定手段７は、同空間内に
配置する光源の種類（点光源、線光源、面光源等）や
色、位置を設定し、設定された条件に対応するデータを
記憶手段３に記憶させる。

【００１７】視点設定手段８は、入力データに応じて作
動する手段であって、仮想空間内に配置される視点の位
置や方向等を設定し、設定された条件に対応するデータ
を、ＲＡＭの所定領域に記憶させる。また、選択手段９
は、仮想空間内に配置された３次元モデルのうち、密モ
デル１２ａまたは粗モデル１２ｂからなる３次元モデル
については、当該３次元モデルが配置される位置（以
後、配置位置と称す）と視点との距離に応じて、実際に
配置する３次元モデルを自動的に選択する。

【００１８】レンダリング手段１０は、上述した各手段
５〜９で設定された仮想空間における各３次元モデルの
配置や、３次元モデルの表面属性、光源、視点等の諸条
件に基づいた陰影計算等を行って、２次元の投影面上に
これを投影し、最終的な２次元の画像を作成する。ま
た、画像蓄積手段１１は、レンダリング手段１０で作成
された画像を、表示手段４に使用されていないフレーム
バッファに蓄積するとともに、一画面分の画像が蓄積さ
れた場合には、表示手段４により表示されるフレームバ
ッファを切り替えるものである。なお、上述した各手段
５〜１１を有する処理手段２は、一般に市販または提案
されているソフトウェアやハードウェアにより構築可能
であり、上述した構成に限定されるものではない。

【００１９】上述した構成の立体表示装置が作動して為
される本実施例による立体表示方法について、図１を参
照して説明する。この図に示す一連の処理は、ＷＴ処理
を行うためのものであり、処理装置１は、図示せぬ電源
が投入されると、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行
する。これにより、処理はステップＳ１へ進む。

【００２０】ステップＳ１は３次元モデル作成過程であ
り、入力データに応じて作動するモデル作成手段５によ
り、表示すべき立体の形状に基づいた３次元モデルが作
成される。モデル作成手段５は、作成された３次元モデ
ルから、当該モデルが曲線または曲面を多用するモデル
であるか否かを判断し、この判断結果に応じて３次元モ
デルを作成する。例えば、３次元モデルが曲線または曲
面を多用するモデルである場合には、面数を多く割いて
精密に作成した密モデル１２ａと、面数をできるだけ省
いて粗く作成した粗モデル１２ｂとを作成する。そし
て、記憶手段３には、作成された３次元モデルを表す各
種３次元モデルデータが分類されて記憶される。

【００２１】図４は、記憶手段３に記憶された３次元モ
デルデータ１３の分類構造を表す図であり、この図に示
すように、３次元モデルデータ１３は、曲線および曲面
を多用しない通常の３次元モデルを表す３次元モデルデ
ータ１４と、曲面または曲線を多用する３次元モデルを
表す粗密３次元モデルデータ１５とに分類される。さら
に、粗密３次元モデルデータ１５は、密モデル１２ａを
表す密３次元モデルデータ１６ａと、粗モデル１２ｂを
表す粗３次元モデルデータ１６ｂとに分類される。な
お、互いに関連する３次元モデルデータは、末尾を除い
て同一のファイル名を付けて記憶されている。

【００２２】次に、ステップＳ２では、表面属性設定手
段６により、記憶手段３に記憶された３次元モデルデー
タ１５に表される３次元モデルに対して、表面属性（表
面色、反射、透過、テクスチャ等）が付与される。次
に、ステップＳ３では、光源設定手段７により、各３次
元モデルの配置位置および光源の設定が行われる。次
に、ステップＳ４では、視点設定手段８により、視点の
位置および方向の設定が行われ、処理はステップＳ５へ
進む。

【００２３】ステップＳ５は選択手段９により為される
選択過程であり、当該過程において為される処理につい
て、図５を参照して説明する。図５において、１７は仮
想空間内に配置された視点であり、当該視点１７の向き
は図中矢印で示すＡ方向に一致しているものとする。こ
の場合、１８は視点１７のビューボリューム、２０は視
点１７から遠方にあるクリッピング面（以後、ヨン・ク
リッピング面２０と称す）、１９は３次元モデルが投影
される投影面（以後、ヒザー・クリッピング面１９と称
す）であり、ヨン・クリッピング面２０とヒザー・クリ
ッピング面１９との間に配置された３次元モデルがヒザ
ー・クリッピング面１９に投影される。

【００２４】また、図５において、２１は選択基準面で
あり、ヒザー・クリッピング面１９と並行であり、かつ
当該面１９から所定距離（Ｄ）だけ離間して設定され
る。なお、この距離（Ｄ）は、ヒザー・クリッピング面
１９とヨン・クリッピング面２０との間で任意に設定可
能である。ステップＳ５では、選択手段９により、ビュ
ーボリューム１８において、ヒザー・クリッピング面１
９と選択基準面２１との間の領域Ｂと、選択基準面２１
とヨン・クリッピング面２０との間の領域Ｃとに配置さ
れる３次元モデルの名前が各々抽出される。ここで、各
領域Ｂ，Ｃに対応して名前が抽出された３次元モデルに
対して以下に説明する処理が施される。

【００２５】 領域Ｂに粗モデル１２ｂが存在してい
る場合、まず、当該モデルの名前の末尾に「＿ｄ」を付
加した名前が作成される。そして、この名前で特定され
るファイルが記憶手段３から読み出され、このファイル
内に書き込まれた密３次元モデルデータ１６ａで表され
る密モデル１２ａが、粗モデル１２ｂに代えて配置され
る。

【００２６】 逆に、領域Ｃに密モデル１２ａが存在
している場合、当該モデルに対応する名前の末尾に「＿
ｒ」を付加した名前が作成される。そして、この名前で
特定されるファイルが記憶手段３から読み出され、この
ファイル内に書き込まれた粗３次元モデルデータ１６ｂ
で表される粗モデル１２ｂが、密モデル１２ａに代えて
配置される。なお、上記いずれの場合にも該当しない３
次元モデルは変更されない。このようにして選択過程が
終了すると、処理は、図１のステップＳ６へ進む。

【００２７】ステップＳ６では、上記ステップＳ１〜Ｓ
５で設定された諸条件に基づいて、レンダリング手段１
０によるレンダリング処理が行われる。仮想空間におい
て、レンダリング処理に時間のかかる密モデル１２ａ
は、領域Ｂにしか用いられていないため、レンダリング
処理にかかる時間は、さほど長くならない。次に、ステ
ップＳ７では、ステップＳ６のレンダリング処理により
ヒザー・クリッピング面１９に作成された画像が、表示
手段４に使用されていないフレームバッファに書き込ま
れる。このフレームバッファに一画面分の画像が蓄積さ
れると、処理はステップＳ８へ進む。

【００２８】ステップＳ８では、現在表示中のフレーム
バッファと、ステップＳ７で画像が蓄積されたフレーム
バッファとが切り替えられる。これにより、表示手段４
の表示面には、ヒザー・クリッピング面１９に作成され
た画像が瞬時に表示される。ここで表示される画像にお
いて、視点１７から遠方にある立体は粗く、視点１７に
近接する立体は精密に描かれているため、各立体の粗さ
は目立たない。

【００２９】次に、処理はステップＳ９へ進み、ここ
で、ＷＴ処理を終了するか否かが判断される。この判断
結果が「Ｎｏ」であれば、処理はステップＳ４に戻り、
当該ステップＳ４において変更された視点１７に基づい
て、上述した各ステップＳ５〜Ｓ８の処理が行われる。
このように、各ステップＳ４〜Ｓ９は、ステップＳ９で
の判断結果が「Ｙｅｓ」となるまで繰り返し行われ、Ｗ
Ｔ処理が実現される。逆に、ステップＳ９での判断結果
が「Ｙｅｓ」であれば、ＷＴ処理が終了する。

【００３０】以上説明したように、一つの立体に基づい
て、密３次元モデルデータ１６ａと粗３次元モデルデー
タ１６ｂとを作成し、視点１７と配置位置との距離に応
じて使用する３次元モデルデータを変更するようにした
ため、臨場感を損なうことなく、十分な応答速度を得る
ことができる。また、仮想空間内の全ての３次元モデル
ではなく、ビューボリューム１８内の３次元モデルに対
してのみ、視点１７と配置位置との距離に応じて使用す
る３次元モデルデータを変更するようにしたため、３次
元モデルデータの変更にかかる時間を短くすることがで
きる。

【００３１】なお、上述した一実施例においては、一つ
の立体に対して２種類の３次元モデルを作成する例を示
したが、これに限らず、精度の異なる３次元モデルを複
数作成するようにしてもよい。また、本実施例において
は、ＷＴ処理を実現する例を示したが、３ＤＣＧを用い
た一般的なアニメーション処理等にも適用可能であるこ
とは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
立体の形状に基づいて精度の異なる複数の３次元モデル
を作成し、これら複数の３次元モデルを関連付ける。そ
して、関連付けられた複数の３次元モデルから、視点の
位置と配置位置との距離に応じた精度の３次元モデルを
選択して仮想空間内に配置する。このため、レンダリン
グ処理にかかる時間が所定時間以下となるとともに、投
影面に作成される画像中の立体にも粗さが目立たない。
すなわち、臨場感を損なうことなく、十分な応答速度を
得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による立体表示方法を説明す
るための処理図である。

【図２】本発明の一実施例による立体表示方法を実現す
る画像生成装置の構成を示すブロック図である。

【図３】密モデル１２ａと粗モデル１２ｂとを示す図で
ある。

【図４】記憶手段３に記憶されるモデルデータの分類構
造を表す概念図である。

【図５】選択過程を説明するための図である。

【図６】従来のＷＴ処理における問題点を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ 入力手段 ２ 処理手段 ３ 記憶手段 ４ 表示手段 ５ モデル作成手段 ６ 選択手段 Ｓ１ モデル作成過程 Ｓ５ 選択過程

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｔ 17/00 9071−5Ｌ Ｇ０６Ｆ 15/62 ３５０ Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立体の形状に基づいた３次元モデルをコ
   ンピュータ上の仮想空間内に配置し、前記３次元モデル
   に対して投影処理等のレンダリング処理を施すことによ
   り投影面上に作成される画像を、２次元の表示面を備え
   た表示手段により表示する立体表示方法において、 立体の形状に基づいて精度の異なる複数の３次元モデル
   を作成するとともに、これら複数の３次元モデルを関連
   付けるモデル作成過程と、 前記モデル作成過程で関連付けられた複数の３次元モデ
   ルから、前記視点の位置と配置位置との距離に応じた精
   度の３次元モデルを選択して前記仮想空間内に配置する
   選択過程とを有することを特徴とする立体表示方法。
2. 【請求項２】 操作者の操作内容に応じた入力データを
   出力する入力手段と、立体の形状に基づいた３次元モデ
   ルを表す３次元モデルデータを記憶した記憶手段と、コ
   ンピュータを備え、前記記憶手段から読み出した３次元
   モデルデータで表される３次元モデルを仮想空間内に配
   置し、この３次元モデルに対して投影処理等のレンダリ
   ング処理を施す処理手段と、２次元の表示面を備え、前
   記レンダリング処理により投影面上に作成される画像を
   表示する表示手段とからなる立体表示装置において、 前記処理手段は、 一つの立体の形状に基づいて精度の異なる３次元モデル
   を表す複数の３次元モデルデータを作成し、これらを関
   連付けて前記記憶手段に記憶させるモデル作成手段と、 前記記憶手段に記憶された複数の３次元モデルデータか
   ら、前記視点の位置と配置位置との距離に応じた精度の
   ３次元モデルを表す３次元モデルデータを選択し、選択
   された３次元モデルデータで表される３次元モデルを前
   記仮想空間内に配置する選択手段とを有することを特徴
   とする立体表示装置。