JPH0991109A

JPH0991109A - 仮想３次元空間表示装置

Info

Publication number: JPH0991109A
Application number: JP7250280A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Murata; 伸一村田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】仮想３次元空間内における視点位置や視線方
向の変更操作を容易にすること。【解決手段】本発明は、ＣＲＴ８に表示された仮想３
次元空間内の画像に対する視点位置や視線方向を所定の
操作手段の操作によって変化させる装置であり、仮想３
次元空間内における所定の基準位置と視点位置との仮想
３次元空間内での距離を距離演算手段Ｐによって算出
し、これに基づき操作手段の操作量と視点位置や視線方
向の変化量との対応関係を変化量制御手段Ｑによって制
御するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、ディスプレイ等の表示手段に表
示された仮想３次元空間内の画像に対する視点位置や視
線方向をマウス等の操作手段の操作によって変化させる
仮想３次元空間表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータグラフィックスにお
いては、ディスプレイ等の表示手段に仮想３次元空間に
よる立体的な画像を生成表示し、オペレータの指令によ
ってその視点位置（仮想３次元空間内での座標）や視点
方向（仮想３次元空間内での画像表示方向）を変化させ
て、擬似的に３次元空間を飛び回っているような体験
（以下、「フライスルー」という。）を行うことができ
るようになっている。

【０００３】このような仮想３次元空間の表示では、３
次元的に表示された地形の上空をフライスルーして土地
の起伏を視覚的に観察したり、３次元的にモデリングさ
れた街並みの上空をフライスルーして市街地案内や観光
案内を行うような３次元的な視覚情報システム等に適用
される。

【０００４】例えば、山岳地帯や市街地の上空をフライ
スルーしながらインタラクティブにコンピュータグラフ
ィックスの３次元画像を変化させる場合には、オペレー
タがマウスやジョイスティック、３次元マウス等の操作
手段を操作して、視点位置の前進や後退、上昇や下降、
視線方向の左右への回転、見上げ、見下ろしなどの指示
を行う。コンピュータは、このオペレータからの指示を
解釈してディスプレイ等に表示される仮想３次元空間内
の視点位置や視線方向を変化させ、これに対応した画像
生成に基づく表示を行っている。

【０００５】オペレータが３次元マウスのような空間の
３軸方向に沿った各座標と、各々の軸に対応する回転角
度を計測できる６自由度の操作手段を用いる場合には、
３次元マウスの前方向への移動により視点位置が前進
し、後ろ方向への移動により視点位置が後退し、上方向
への移動により視点位置が上昇し、下方向への移動によ
り視点位置が下降する。さらに、垂直軸を中心として左
右にねじると視線方向が左右に回転し、横軸を中心とし
て上下にねじると視線方向が見上げや見下ろし方向に移
動する。

【０００６】また、３次元マウスの各々の方向への移動
量により、視点位置や視線方向の変化量が変わるように
なっている。例えば、オペレータが３次元マウスを少し
前に動かせばこの移動量に応じて少しだけ視点位置が前
進する。一方、３次元マウスを大きく前に動かせばこの
移動量に応じて大きく視点位置が前進する。

【０００７】操作手段としてマウス（２次元的なもの）
やジョイスティックを使用する場合には、これらの操作
手段を前に動かすことで視点位置の前進、後ろに動かす
ことで視点位置の後退、左右に動かすことで視線方向の
左右への回転を行うように設定しておく。また、マウス
やジョイスティックの操作とボタン操作とを併用して視
点位置の左右への移動、視線方向の見上げや見下ろし、
視点位置の上昇、下降を設定できるようにする。

【０００８】このような操作手段をオペレータが操作す
ることにより、ディスプレイ等の仮想３次元空間内の視
点位置や視線方向を任意に変化させ、立体的な画像の表
示方向を変えてフライスルーを実現している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな仮想３次元空間表示では、マウス等の操作手段の移
動量に対する視点位置や視線方向の変化量が一定の比例
定数をもとに決められている。このため、例えば、視点
位置が地表近くにある場合において、少し視点位置や視
線方向を変えただけでも表示される画像が大きく変化し
て景色が急激に変わってしまう状態となる。オペレータ
は、このような変化をさせないために微妙な操作手段の
操作を強いられることになる。

【００１０】また、例えば、視点位置が地表から上空に
大きく離れいてる場合には、少しの視点位置や視線方向
の変化だけでは表示される画像の変化が少なく景色はほ
とんど変わらない状態となる。この場合にオペレータは
視点位置や視線方向を大きく変化させるように操作手段
を操作することになる。

【００１１】このように、常に一定の比例定数をもとに
して操作手段の操作量と視点位置や視線方向の変化量と
の関係を決めていると、地表に近い場合には微妙な操作
が要求され、地表から遠く離れている場合には大きな動
作による操作が要求されることになり、操作性の低下を
招くことになる。

【００１２】さらに、視点位置が地表から離れていても
高層ビルディングのように地表から極端に上空へ突出し
ているような物体がある場合には、その高層ビルディン
グの近くでは視点位置や視線方向の変化に対して表示さ
れる画像が大きく変化する。オペレータはこのような場
合にも微妙な操作を強いられることになる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成された仮想３次元空間表示装置で
ある。すなわち、本発明は、表示手段に表示された仮想
３次元空間内の画像に対する視点位置や視線方向を所定
の操作手段の操作によって変化させる装置であり、仮想
３次元空間内における所定の基準位置と視点位置との仮
想３次元空間内での距離を算出する距離演算手段と、距
離演算手段によって算出した距離に基づき操作手段の操
作量と視点位置や視線方向の変化量との対応関係を制御
する変化量制御手段とを備えている仮想３次元空間表示
装置である。

【００１４】この距離演算手段によって地表や地表から
突出する物体などの基準位置から視点位置までの距離を
算出し、この距離に応じて、操作手段の操作量と視点位
置、視線方向の変化量との対応関係を変化量制御手段に
よって制御しているため、視点位置が基準位置に近づく
に従い操作量に対する変化量を少なくし、遠くなるに従
い操作量に対する変化量を多くするよう設定できること
になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の仮想３次元空間
表示装置における実施形態を図に基づいて説明する。図
１は本発明の実施形態を説明する図、図２はハードウェ
ア構成を説明するブロック図である。本実施形態では、
オペレータが操作手段を操作して表示手段に表示された
仮想３次元空間内の画像に対する視点位置や視線方向を
変化させるものである。

【００１６】これを実現するためのハードウェア構成と
しては、図２に示すように、ＣＰＵ１、メモリー２等か
ら構成されるコンピュータ本体１０（例えば、ワークス
テーションやパーソナルコンピュータ）と、操作手段で
あるマウス３、ジョイスティック４、３次元マウス５、
キーボード６（これらのうちいずれか１つでも複数でも
よい）と、出力手段であるスピーカ７、ＣＲＴ８と、所
定のデータを記憶する外部記憶装置９とから構成され
る。

【００１７】オペレータは、マウス３やジョイスティッ
ク４、３次元マウス５等の操作手段を操作して、ＣＲＴ
８に表示される仮想３次元空間内の画像に対する視点位
置や視線方向を変化させる。例えば、ジョイスティック
４を用いる場合には、これを操作して仮想３次元空間で
の視点位置の前進や後退、上昇や下降を行い、また視線
方向の左右への回転、見上げや見下ろしなどの指示を行
って仮想３次元空間内での画像の表示を変化させる。こ
れによって、ＣＰＵ１に表示される仮想３次元空間での
例えば山岳地や市街地の上空をフライスルーできるよう
になる。

【００１８】また、ジョイスティック４として力フィー
ドバックを備えたものを使用する場合には、スティック
部分の回転量を計測するエンコーダ部（図示せず）にト
ルクモータ（図示せず）を取り付け、制御回路（図示せ
ず）にて回転に対するトルクの発生量を制御し、スティ
ック部分の動きを重くして操作の抵抗感を発生させるよ
うにする。さらに、バイブレーション機能を備えた３次
元マウス５を用いる場合には、このバイブレーションの
間隔を制御することにより、大きな抵抗感を与えたい場
合には短い間隔のバイブレーションを与え、小さい抵抗
感を与えたい場合には長い間隔のバイブレーションを与
えるようにしている。

【００１９】このようなハードウェア構成により本実施
形態の仮想３次元空間表示装置を実現するには、図１に
示す装置内での各処理を図２に示すＣＰＵ１でのソフト
ウェアにて構成したり、機能処理ボード上や演算用半導
体装置として構成する。

【００２０】次に、距離演算手段Ｐ、変化量制御手段Ｑ
および操作感発生手段Ｒ内の各処理を含めた本実施形態
における仮想３次元空間表示装置をソフトウェアにて構
成した場合を例としてその機能を説明する。この際、図
１は仮想３次元空間表示装置における動作手順を示すフ
ローチャートとみなす。

【００２１】すなわち、本実施形態における仮想３次元
空間表示装置では、操作量入力処理（Ｓ１０１）、視点
地表高度算出処理（Ｓ１０２）、突出物体距離算出処理
（Ｓ１０３）、変化量算出処理（Ｓ１０４）、視点視線
変更処理（Ｓ１０５）、描画処理（Ｓ１０６）、操作感
発生処理（Ｓ１０７）から成る一連の処理を繰り返して
実行して、仮想３次元空間内でのフライスルーを実現す
る。

【００２２】これにより、仮想３次元空間内における所
定の基準位置と視点位置との仮想３次元空間内での距離
に基づき、マウス３（図２参照）等の操作手段による操
作量と視点位置や視線方向の変化量との対応関係を制御
して、オペレータの操作負担を軽減する点に特徴があ
る。

【００２３】各処理を行うにあたり、予め図２に示す外
部記憶装置９には固定データが記憶されている。この固
定データは、例えば地形を構成する三角形ポリゴン群
と、市街地のビルディング等を構成する三角形ポリゴン
群とがある。各三角形ポリゴンはコンピュータグラフィ
ックスの描画処理に用いられる３つの頂点座標や、面の
法線ベクトル、色情報、面の光の反射係数等のデータか
ら成る。また、市街地のビルディングを構成する三角形
ポリゴンは、ビルディング毎にまとめて管理されてお
り、ビルディング全体を囲む最小直方体（以下、「バウ
ンディングボックス」という。）の情報も持っているも
のとする。

【００２４】次に、図１に示す各処理を順に説明する。
先ず、操作量入力処理（Ｓ１０１）では、図２に示すマ
ウス３やジョイスティック４、３次元マウス５等の操作
手段の状態を読み込み、どのような操作（操作の種類）
が行われ、その操作量がどのくらいであるかを取り出す
処理を行う。マウス３やジョイスティック４、３次元マ
ウス５等の操作手段には、予め各操作に対する意味が決
められている。例えば、ジョイスティック４の場合に
は、スティック部分を前に押せば視点位置の前進、後ろ
に引けば後退、左右に倒せば視線方向を左右に回転させ
る等の意味が決められている。

【００２５】操作量入力処理（Ｓ１０１）では、各操作
手段に対して決められた意味に基づいて操作手段での操
作の種類およびその操作量を読み取る。例えば、ジョイ
スティック４において、スティック部分が前に押されて
いて、その押されている量が０．５（単位は任意）であ
るということを取り出す。

【００２６】次の視点地表高度算出処理（Ｓ１０２）で
は、現在の仮想３次元空間内での視点位置の真下に位置
する地形の三角形ポリゴンで、その三角形ポリゴンの頂
点の標高の内で最も標高の高いものを地表の標高（基準
位置）とし、視点位置の高度とその地表の高度（基準位
置）との標高の差を、視点地表高度として求める処理を
行う。なお、地表の標高としては、このような方法のみ
ならず、視点位置の真下に位置する地形の三角形ポリゴ
ンとその近隣の三角形ポリゴンを含めて、これらの頂点
の標高から決めるようにしてもよい。

【００２７】次いで、突出物体距離算出処理（Ｓ１０
３）では、市街地を構成するビルディングで現在表示さ
れている視野の範囲に入っているものについて、現在の
視点位置からの距離を計算し、その距離のうちで最も近
い値を突出物体距離として求める。このビルディングと
視点位置との距離の計算では、先に説明したビルディン
グのバウンディングボックスと視点位置とから求めるよ
うにする。

【００２８】次の変化量算出処理（Ｓ１０４）では、先
に算出した視点地表高度および突出物体距離のうち小さ
い方の値（Ｌとする）と、操作量入力処理（Ｓ１０１）
によって得られた操作手段の操作量（Ｘとする）とか
ら、仮想３次元空間内での画像の変化量（ｄｅｌｔａ
（Ｌ，Ｘ）とする）を求める。この求め方を図３および
図４に基づいて説明する。

【００２９】図３は単位操作量における高度と変化量と
の関係を示す図である。図３中Ｄ’に示す関係は従来の
方法であり、高度（視点地表高度）または距離（突出物
体距離）に関係なく一定の変化量となっている。これに
対し、図３中Ｄ₁、Ｄ₂に示す関係は本実施形態で利用
されるものであり、高度（視点地表高度）または距離
（突出物体距離）に応じて変化量が変わるようになって
いる。

【００３０】例えば、図３中Ｄ₁に示す関係は、（１）
式のようになっている。

【００３１】

【数１】ｄｅｌｔａ（Ｌ，Ｘ）＝Ｃ₀×（Ｃ₁×Ｌ＋Ｃ₂）×Ｘ …（１）

【００３２】また、図３中Ｄ₂に示す関係は、（２）式
のようになっている。

【００３３】

【数２】ｄｅｌｔａ（Ｌ，Ｘ）＝Ｃ₀×（Ｃ₃×Ｌ²＋Ｃ₂）×Ｘ …（２）

【００３４】ここで、（１）式、（２）式において示さ
れるＣ₀、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃は予め決められた定数であ
る。本実施形態では、これらのいずれかの関係を用いる
ことで、高度（視点地表高度）または距離（突出物体距
離）に応じて視点位置や視線方向の単位操作量あたりの
変化量を変えることができるようになっている。なお、
本発明は上記の（１）式、（２）式に限定されるもので
はない。

【００３５】また、図４は操作量と変化量との関係を高
度（視点地表高度）をパラメータとして示した図であ
る。すなわち、ある高度（視点地表高度）が決まると、
この図の直線グラフが一つ決まり、この直線グラフによ
って操作手段の操作量と視点位置や視線方向の変化量と
の関係が決定する。図４より、高度（視点地表高度）が
低い場合には操作量を大きくしてもあまり変化量が増え
ず、反対に高度（視点地表高度）が高い場合には少しの
操作量でも大きな変化量となる。

【００３６】なお、図４においては、高度（視点地表高
度）をパラメータとした操作量と変化量との関係を示し
ているが、距離（突出物体距離）をパラメータとした操
作量と変化量との関係であっても同様である。

【００３７】次に、図１に示す視点視線変更処理（Ｓ１
０５）では、先に説明した変化量算出処理（Ｓ１０４）
で得られた変化量に基づき、操作量入力処理（Ｓ１０
１）で得ている操作の種類によって視点位置や視線方向
を変更する。例えば、ジョイスティック４（図２参照）
において操作の種類が「前に押す」の操作であれば、予
め決められている「前進」を意味するので、視点位置を
視線方向に沿って変化量だけ移動させる。また、ジョイ
スティック４を「右に倒す」操作を行えば、予め決めら
れている「右への回転」を意味するので、視線方向を右
に変化量だけ回転させる。

【００３８】この際、操作手段の操作量に対する視点位
置や視線方向の変化量は、図３および図４に示す高度
（視点地表高度）や距離（突出物体距離）の大きさに基
づいて変化するため、同じ操作量であっても視点位置が
地表や突出物体（ビルディング等）に近い場合には視点
位置や視線方向の変化量が少なく、反対に視点位置が地
表や突出物体（ビルディング等）から離れている場合に
は視点位置や視線方向の変化量が多くなる。

【００３９】次いで、図１に示す描画処理（Ｓ１０６）
では、視点視線変更処理（Ｓ１０５）による新しい視点
位置と視線方向を用い、地形を構成する三角形ポリゴン
群とビルディング等を構成する三角形ポリゴン群とを、
一般的な隠面処理やシェーディング処理等を施して図２
に示すＣＲＴ８に表示させる。

【００４０】これらＳ１０１〜Ｓ１０６の処理を順に実
行することにより、オペレータの操作に基づき仮想３次
元空間内の視点位置や視線方向が変更され、その視点位
置と視線方向とによって見える景色が３次元画像として
視覚提示される。この一連の処理が繰り返し実行される
ことで、高度（視点地表高度）や距離（突出物体距離）
の大きさに応じた操作量と変化量との関係が設定され、
無駄のない操作によって自由に仮想３次元空間内を飛び
回り、所望の景色を観察することができるようになる。

【００４１】次に、図１に示す操作感発生処理（Ｓ１０
７）について説明する。操作感発生処理（Ｓ１０７）で
は、変化量算出処理（Ｓ１０４）によって得られた変化
量に基づきオペレータに対する操作感を与えている。具
体的には、操作感発生処理（Ｓ１０７）によって変化量
に基づいた力フィードバックやサウンド出力を行ってい
る。

【００４２】図５は操作感発生処理を説明する図で、
（ａ）は変化量に応じた操作感の区分を示し、（ｂ）は
区分に対する操作感の程度を示している。すなわち、図
５（ａ）に示す例では、変化量の大きさに応じてＡ〜Ｄ
の４つの領域に区分を行っており、図５（ｂ）に示すよ
うに、この４つの領域に応じて力フィードバックやサウ
ンドの種類を変化させるようにしている。

【００４３】例えば、力フィードバックでは、変化量の
大きい領域Ａにおいて抵抗感が大となるような力フィー
ドバックを与える。つまり、力フィードバック機能を備
えたジョイスティック４（図２参照）のスティック部分
に対して操作方向と反対の方向に大きなトルクを発生さ
せる。また、変化量の小さい領域Ｃにおいては抵抗感が
小となるような力フィードバックを与える。さらに変化
量の小さな領域Ｄでは力フィードバックによる抵抗感を
与えないようにする。

【００４４】同様に、バイブレーション機能を備えた３
次元マウス５（図２参照）を用いる場合では、この領域
に応じて間隔の異なるバイブレーションを与え抵抗感を
変化させる。例えば、大きな抵抗感を発生させるために
間隔の短いバイブレーションを発生させ、小さな抵抗感
を発生させるために間隔の長いバイブレーションを発生
させる。

【００４５】また、サウンド出力では、変化量の大きい
領域Ａにおいては速いリズムの音（または周波数の高い
音）を出力して現在の操作が大きな視点視線変化になっ
ていることを感じさせ、反対に変化量の小さい領域Ｃに
おいては遅いリズムの音（または周波数の低い音）をサ
ウンド出力装置（図１参照）にて発生させ、スピーカ７
から出力して現在の操作が小さな視点視線変化になって
いることを感じさせる。

【００４６】力フィードバックまたはサウンド出力のい
ずれであっても、オペレータは現在の操作における変化
量の大小をＣＲＴ８（図２参照）による視覚的な認識と
ともに感覚的にも把握できるようになる。

【００４７】なお、上記の操作感発生処理（Ｓ１０７）
では、視点位置や視線方向の変化量を４つの領域に区分
して各々に応じた操作感を与える例を示したが、本発明
は４つの領域に区分することに限定されない。また、変
化量を複数の領域に区分して操作感を変化させる方法以
外にも、変化量の大きさに基づき連続的に操作感を変化
させるようにしてもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の仮想３次
元空間表示装置によれば次のような効果がある。すなわ
ち、本発明では、仮想３次元空間内において所定の基準
位置と視点位置との距離によって、操作手段の操作量と
視点位置や視線方向の変化量との対応関係が制御される
ため、例えば、視点位置が地表に近い場合や地表から突
出したビルディングに近い場合には、視点位置や視線方
向の微妙な変化を大きな操作量で行うことができるよう
になる。また、視点位置が地表から遠い場合や突出した
ビルディングから遠い場合には、視点位置や視線方向の
大きな変化を小さな操作量で行うことができるようにな
る。これらにより、オペレータの操作負担を大幅に軽減
できるようになる。

【００４９】また、変化量に応じて操作感を発生させる
ことにより、オペレータが操作している段階での画像の
変化量を感覚的に把握することができ、オペレータによ
る操作手段の操縦が一段と容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を説明する図である。

【図２】ハードウェア構成を説明するブロック図であ
る。

【図３】単位操作量における高度と変化量との関係を示
す図である。

【図４】操作量と変化量との関係を示す図である。

【図５】操作感発生処理を（ａ）、（ｂ）において説明
する図である。

【符号の説明】

１ＣＰＵ２メモリー３マウス４ジョイスティック５３次元マウス６キーボード７スピーカ８ＣＲＴ９外部記憶装置１０コンピュータ本体Ｐ距離演算手段Ｑ変化量制御手段Ｒ操作感発生手段

───────────────────────────────────────────────────── 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 1/00 Ｇ０６Ｆ 15/62 ３８０

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表示手段に表示された仮想３次元空間内
の画像に対する視点位置や視線方向を所定の操作手段の
操作によって変化させる仮想３次元空間表示装置であっ
て、前記仮想３次元空間内における所定の基準位置と前記視
点位置との該仮想３次元空間内での距離を算出する距離
演算手段と、前記距離演算手段によって算出した距離に基づき、前記
操作手段の操作量と前記視点位置や視線方向の変化量と
の対応関係を制御する変化量制御手段とを備えているこ
とを特徴とする仮想３次元空間表示装置。
【請求項２】前記操作手段を操作する場合において、
前記視点位置や視線方向の変化量に応じて該操作手段の
操作抵抗を変化させる操作感発生手段を備えていること
を特徴とする請求項１記載の仮想３次元空間表示装置。
【請求項３】前記操作手段を操作する場合において、
前記指定位置や視線方向の変化量に応じて所定の出力音
を変化させる操作感発生手段を備えていることを特徴と
する請求項１記載の仮想３次元空間表示装置。