JPH10222700A - 仮想現実物体を製作し表示する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 仮想現実（ＶＲ）体験による教育ソフトその
他ＶＲソフト作成に関して、画像用のＣＧ作成作業の非
効率性に注目した。従来特に表面のテキスチャ（凹凸を
含む表面一般性状、表面が与える感性）を手作業で作成
してため膨大な時間と費用がかかっていた。これを改善
する。 【解決手段】 スタイラス式その他の表面粗さ計やＡＦ
Ｍ（原子間力顕微鏡）、ＳＴＭ（走査型トンネル電流顕
微鏡）などの表面観察計測装置による表面凹凸データを
現実物体の表面データに足し合わせることで仮想物体と
なす。そのために表面凹凸定量化装置とＶＲ画像構築コ
ンピュータ装置を接続した仮想現実物体の作成・表示装
置を提案した。これで製作された仮想物体のテキスチャ
はミクロンオーダの自然表面の微細構造が反映されたも
のであるので、不自然でなく大きな視覚効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】インターネットのマルチメデ
ィア、コンピュータゲーム、あるいは教育（エデュケー
ション）と楽しみ（エンタティメント）の融合であるエ
デュテイメントのソフトウェアなどに用いられる画像技
術、特に仮想現実感（バーチャルリアリティ：ＶＲ）技
術を用いた視覚効果をうるためのＣＧ（コンピュータグ
ラフィックス）画像構築技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ表示技術であるＣＧ（Ｃｏ
ｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）画像の作成上の問題
について記す。ＣＧ画像はユニバーサル映画ジュラシッ
クパークの恐竜やディズニー映画トイストーリーにでて
くる人物をみれば明らかなように、極めて美的で大きな
視覚的インパクトが得られるものである。ただし問題は
それが膨大なコストで高度に洗練せねばならないことで
ある。

【０００３】映画ビジネスように巨額の投資が可能なケ
ースなら、すばらしいＣＧ画像が作成できる。しかし、
たとえば教育用のＣＡＩ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅ
ｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）のために良質のＣＧ画像が
作れるかというと、非常に難しい。

【０００４】ジュラシックパークの恐竜の表皮テキスチ
ャ（感触）を作成するだけでも数十人のデザイナーとＶ
Ｒエンジニアが何週間も時間を費し、ディズニー映画ト
イストーリーでも高熟練度の人材による長時間のソフト
開発、データ処理作業を要した。それら同等のコストを
その他のＣＧ用途のため出費できるであろうか。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題を
解決すべくなされたもので、ＶＲ視覚効果をうるための
ＣＧ画像の作成コストを削減するのに有効な画像構築技
術を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかわる仮想現
実物体を製作し表示する装置は、物体表面の凹凸を検知
する凹凸検知手段と、その凹凸データをデジタルデータ
に変換するデジタル化手段と、そのデジタル凹凸データ
の出力手段とをもつデジタル表面凹凸定量化装置と、前
記デジタル凹凸データの入力手段と、デジタル凹凸デー
タにもとづいて仮想現実物体の表面の凹凸を構築する表
面凹凸構築機能をもつ仮想現実物体の構成手段と、仮想
現実物体の表示手段とをもつコンピュータ装置とからな
ることを特徴とする。

【０００７】現実に存在する物体は３次元物体（３Ｄ物
体）であり、これをＣＧで表現するなら、３Ｄ曲面から
なる形状とその表面に貼り付ける２次元（２Ｄ）画像が
あればよい。すなわち３Ｄの「土台」に２Ｄの「塗装」
をするわけである。コンピュータ内部では、この「土
台」作成処理と「塗装」処理が独立に行われる。これを
模式的に図２に示す。

【０００８】図３ａ、図３ｂ、図３ｃはその例である。
すなわち、水玉模様をつけたボール、ブランドの服を着
た人物、写真をボディプリントした自動車の例である。
たとえば、図３ａではコンピュータ内部にボール（球）
の３Ｄデータが構築されると共に水玉模様の２Ｄデータ
が構築され、後者を前者に貼り付けて（ペーストして）
仮想現実物体「水玉模様をつけたボール」が完成する。

【０００９】これらの「土台」「塗装」はそれぞれのデ
ジタル３Ｄ、２Ｄデータがあれば自由に組み合わされ
る。したがって現実に存在しない「土台」や「塗装」を
もった物体が構築可能なのである。この仮想現実物体
は、たとえば、ブランドの服を着た人物（図３ｂ）の例
では洋服メーカの仮想試着、写真をボディプリントした
自動車（図３ｃ）の例では自動車メーカの宣伝用の仮想
車、とか自動車購入時のボディ塗装の選択のように利用
される。すなわちＶＲ技術の商業的利用である。

【００１０】コンピュータ内部に構築される３Ｄ物体を
前記の「土台」：３Ｄ曲面（形状）と「塗装」：表面の
２Ｄ画像の種別で表にすると、図３のように整理され
る。図３ａ、図３ｂ、図３ｃの例は図３の中に示した
ａ、ｂ、ｃに相当する。

【００１１】図３の表は一般的なものではないが、以下
の説明を簡単化するために例示した。すなわち便宜的に
３Ｄ曲面（形状）については「実物ないしは実体」「単
純な形」「オリジナル（人工的な）創作物」に分け、表
面の２Ｄ画像については、「実画像（写真）」「単純な
模様（パターン）」「オリジナル（人工的な）創作模様
（パターン）」に分けた。

【００１２】図３最下欄の「拡大顕微鏡イメージ」につ
いては同一発明者による特願平９−５８９「仮想現実空
間を製作し表示する装置および仮想現実感による教育ソ
フトウェア」記載の概念である。

【００１３】上記「仮想現実空間を製作し表示する装置
および仮想現実感による教育ソフトウェア」では任意の
３Ｄ物体の表面に拡大顕微鏡画像を貼り付けるという方
法が記載されている。これも図３内に模式的に示した。
本発明はこの方法と競合するものではない独立した概念
である。これを以下に説明する。

【００１４】本発明の概念は、図２の従来の３Ｄ物体構
築方法に対して図４のようである。本発明では自然物の
表面凹凸を測定したデータを仮想３Ｄ物体表面に利用す
る、というもので、これによって表面のテキスチャ（凹
凸を含む表面一般性状、表面が与える感性）を手作業で
作成、調整していた手間が軽減する。

【００１５】図５に示すように本発明は従来の仮想３Ｄ
物体のいずれについても適用可能である。すなわち図６
のように任意の３Ｄ物体にて、その３Ｄデータの一部の
３Ｄ曲面データを切り出す。その切り出し曲面に表面凹
凸データを重ねることで新たな部分曲面を構築する。こ
の表面凹凸データを重ねる操作は公知の画像処理操作を
使えばよい。たとえば、任意の３Ｄ曲面上の点にて局部
放線ベクトルを演算し、その放線方向に表面凹凸データ
を足し算して新たな３Ｄ曲面座標とする、などである。

【００１６】表面凹凸データをたとえば、スタイラス式
の表面粗度計から得るとすれば、ミクロンオーダの表面
微細凹凸である。したがって日常的に見られる物体の表
面とかけ離れたバーチャルな画像となる。これできわめ
て強い視覚効果が得られ、かつ自然物の凹凸構造が反映
されるので不自然でなく美的である。

【００１７】観点を変えると、本発明は微細な表面凹
凸、すなわち微細テキスチャを仮想現実空間に拡大転送
して利用するアイデアである。これに対して同一発明者
による特願平９−５８９「仮想現実空間を製作し表示す
る装置および仮想現実感による教育ソフトウェア」は、
微細イメージを仮想現実空間に拡大転送して利用するア
イデアである。本発明は構築対象の仮想現実物体の「土
台」に関与し、特願平９−５８９は「塗装」に関与す
る。

【００１８】共に微細世界を拡大することで視覚効果を
得ているのだが、なぜこのような拡大変換で強い視覚効
果が得られるのかは「感性」の領域であり未解明であ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１が本発明の仮想現実物体を製
作し表示する装置の例である。本発明装置をなす第１の
要素は、任意の物体表面の凹凸を検出しデジタルデータ
として出力するデジタル表面凹凸定量化装置１である。
これは具体的には、既存のスタイラス式の三次元表面粗
さ計（粗度計）あるいはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）、Ｓ
ＴＭ（走査型トンネル電流顕微鏡）などの表面観察計測
装置でよい。

【００２０】デジタル表面凹凸定量化装置１は、凹凸検
出器のセンサヘッド２ａをもつ凹凸検出器２、凹凸アナ
ログ値入力インターフェイス３、デジタライザ（デジタ
ル化手段）４、３次元マッパー（２次元凹凸データのデ
ータの３次元化手段）５とからなる。

【００２１】３次元マッパー５で構築された３次元デジ
タル凹凸データは通信のためのモデム（変調復調器）６
に出力される。もちろん、フロッピディスク、ハードデ
ィスク、フラッシュメモリーカードなどのような記憶媒
体に出力してもよい。

【００２２】本発明装置の第２の要素は、デジタル凹凸
データの入力インターフェイス９をもつコンピュータ装
置１２である。このコンピュータ装置は、モニター（デ
ィスプレィ）１１と仮想現実物体の構成手段１０をも
つ。１０には仮想３Ｄ物体表示の操作ブロック１０ａ、
凹凸データ重畳の操作ブロック１０ｂ、仮想３Ｄデータ
貼りつけの操作ブロック１０ｃとからなる。

【００２３】凹凸データ重畳操作とは、既述の公知の画
像処理操作のことである。すなわちたとえば、土台とな
る３Ｄ曲面上の点にて局部放線ベクトルを演算し、その
放線方向に表面凹凸データを足し算して新たな３Ｄ曲面
座標を得る、などである。また、仮想３Ｄデータ貼りつ
けの操作とはかかる新たな３Ｄ曲面座標を元の土台に貼
りつけて全体の仮想３Ｄ曲面データを再構築する操作で
ある。（図６参照）

【００２４】デジタル表面凹凸定量化装置１とコンピュ
ータ装置１２とはモデム（変調復調器）６を介してデー
タ転送のための通信手段７で接続されている。この通信
手段はＲＳ２３２Ｃ、ＳＣＳＩなどの公知の電気信号通
信、ｉｒＤＡなどの赤外線通信等の公知の通信技術規格
に準拠したものを用いればよい。

【００２５】本装置は上記の構成で仮想現実物体の表面
に仮想「表面凹凸」を構築できる。その土台となる３Ｄ
形状と２Ｄ表面画像を記憶するデジタル形状・画像ファ
イラ（大容量記憶装置）８をもてば好適である。８は１
と同様に通信のためのモデム（変調復調器）６とデータ
通信手段７でコンピュータ装置１２と接続されていれば
さらに好適である。

【００２６】もちろんコンピュータ装置１２の内部にハ
ードディスクやフラッシュメモリーを有し、その中にに
３Ｄ形状と２Ｄ画像を記憶して利用してもよい。このよ
うな記憶媒体の中に記憶されるデータが図３の従来の３
Ｄ物体構築データである。

【００２７】また、いうまでもなく遠隔地域にある表面
凹凸定量化装置で測定されたデータの取り込みも、デジ
タル表面凹凸定量化装置１とコンピュータ装置１２がと
もに個別にインターネットに接続されていれば可能であ
る。同様に画像の遠隔取り込みもコンピュータ装置１２
ないしはデジタル３Ｄ形状・２Ｄ画像ファイラ８がイン
ターネットに接続されていれば可能である。

【００２８】

【実施例】図６を再度引用し説明する。本発明は膨大な
凹凸データを取り扱うことになるのでコンピュータ装置
１２の仮想現実物体の構成手段１０の処理時間が問題と
なる。ここである程度その時間を短縮する方法を示す。
図１の構成図では省略したが、図６中の点線で示された
曲面部分切り出し処理は公知のソフトウェア処理であ
る。

【００２９】曲面部分切り出し処理で、デジタル３Ｄ形
状ファイラ８から得られる３Ｄ物体データの一部の曲面
を切り出す。一方、凹凸データ重畳の操作ブロック１０
ｂがデジタル表面凹凸定量化装置１から得られる表面凹
凸データと前記曲面データとから、かかる曲面データに
表面凹凸データを足し算して新たな部分曲面データを構
築する。次に仮想３Ｄデータ貼りつけの操作ブロック１
０ｃが切り出し処理前の元の３Ｄ物体の部分に貼り付け
る。

【００３０】このような処理をその他の部分で繰り返し
て仮想３Ｄ物体全体データを構築すればよい。切り出し
部分曲面同士の接合線における３Ｄ曲面データの不連続
については公知の「データ平均化処理」ないしは「モー
フィング処理」を使って連続化すればよい。

【００３１】図７に凹凸データの拡大倍率に関する２つ
の実施例を示す。符号１３はもっとも簡単な適応例で、
拡大倍率がきわめて大きい凹凸データの利用例である。
すなわち、３Ｄ形状が概ね平面（曲面の一部）であり、
そこに拡大倍率がきわめて大きい凹凸データを重ねてい
る。この模式図ではよく見かける３次元の粗度計のデー
タそのものであるが、これに２Ｄ画像ファイラ８から転
送される大地の画像や未知惑星の表面想像図を貼り付け
ることで仮想現実空間の地形や背景などのＣＧとして使
用できる。

【００３２】さらに図７の１４は凹凸データを同心円状
に貼り付けたディスク状の３Ｄ仮想物体である。これは
たとえば一次元の表面粗度データを少しずつ拡大倍率を
変化させ、これを同心円状に配置させたものである。用
途としては拡大倍率による表面テクスチャの変化を視覚
的に把握する仮想画像である。すなわち、このディスク
をディスプレーに表示し、回転させながら観察すること
でどの倍率でどういった視覚効果が得られるかをチェッ
クする。その結果をＣＧ画像作成に反映する。この仮想
ディスクによって各々の倍率でＣＧ画像作成をおこなう
手間が省かれ便利である。

【００３３】図７では複数の一次元の表面粗度データに
て倍率を変化させたいる様子を模式的に示した。１５の
部分が凹凸データの相対倍率を大きくした部分である。

【００３４】

【発明の効果】本発明の仮想３Ｄ物体の製作・表示装置
は表面定量化装置のデータを利用することで従来より迅
速かつ簡便にＣＧ画像を作成できる。この装置を利用す
れば従来コストの問題で困難であったＶＲイメージをも
ちいた教育用ソフトその他ソフトが安価で製作可能にな
る。

【００３５】また、本発明はオーランドのディズニーワ
ールドや万国博覧会などに見られる教育を考慮したテー
マパークアトラクションでの利用も考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による仮想現実物体を製作し表示する装
置の構成図

【図２】３次元の形状土台に２次元画像を貼り付けた３
次元物体の説明図

【図３】形状土台と貼り付け画像とを組み合わせた３次
元物体の組み合わせ図

【図３ａ】ボール土台に水玉模様画像を貼り付けた例図

【図３ｂ】人体土台にオリジナルデザイン模様を貼り付
けた例図

【図３ｃ】自動車土台に写真を貼り付けた（フォト・プ
リント）例図

【図４】図２に本発明による表面凹凸データを加えた３
次元仮想物体の構築説明図

【図５】図３に本発明による表面凹凸データを加えた３
次元仮想物体の構築組み合わせ図

【図６】本発明による３次元仮想物体の構築説明図

【図７】表面凹凸データの縮小・拡大倍率を変化させる
表面凹凸構築機能の例

【符号の説明】

１ デジタル表面凹凸定量化装置 ２ 凹凸検出器 ２ａ 凹凸検出器のセンサヘッド ３ 凹凸アナログ値入力インターフェイス ４ デジタライザイザ（デジタル化手段） ５ ３次元マッパー（１次元データのデータ３次元化
手段） ６ 通信のためのモデム（変調復調器） ７ データ通信手段 ８ デジタル３Ｄ形状・２Ｄ画像ファイラ（大容量記
憶装置） ９ 画像および凹凸データ入力インターフェイス １０ 仮想現実物体の構成手段 １０ａ 仮想３Ｄ物体表示の操作ブロック １０ｂ 凹凸データ重畳の操作ブロック １０ｃ 仮想３Ｄデータ貼りつけの操作ブロック １１ モニター（ディスプレィ） １２ コンピュータ装置 １３ 凹凸データの部分拡大 １４ 凹凸データを同心円状に貼り付けたディスク １５ 同心円状に貼り付けの際に凹凸データの相対倍率
を大きくした部分

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体表面の凹凸を検知する凹凸検知手段
   と、その凹凸データをデジタルデータに変換するデジタ
   ル化手段と、そのデジタル凹凸データの出力手段とをも
   つデジタル表面凹凸定量化装置と、 前記デジタル凹凸データの入力手段と、デジタル凹凸デ
   ータにもとづいて仮想現実物体の表面の凹凸を構築する
   表面凹凸構築機能をもつ仮想現実物体の構成手段と、仮
   想現実物体の表示手段とをもつコンピュータ装置とから
   なることを特徴とする仮想現実物体を製作し表示する装
   置。
2. 【請求項２】 デジタル凹凸データの入力手段が、任意
   のデジタル画像データを入力できるものであり、仮想現
   実物体の構成手段が、仮想現実物体の表面に前記デジタ
   ル画像データを張り付ける画像貼り付け機能をもつこと
   を特徴とする請求項１の仮想現実物体を製作し表示する
   装置。
3. 【請求項３】 デジタル表面凹凸定量化装置とコンピュ
   ータ装置とがデータ転送のための通信手段で接続されて
   いることを特徴とする請求項１の仮想現実物体を製作し
   表示する装置。
4. 【請求項４】 表面凹凸構築機能が、任意の凸曲面ない
   しは凹曲面、あるいはこれらの任意の組み合わせ曲面の
   上に前記デジタル凹凸データを重ねることで仮想現実物
   体の表面凹凸を構築するものであることを特徴とする請
   求項１の仮想現実物体を製作し表示する装置。
5. 【請求項５】 表面凹凸構築機能が、デジタル凹凸デー
   タを縮小ないしは拡大したデータをもって仮想現実物体
   の表面凹凸を構築するものであることを特徴とする請求
   項４の仮想現実物体を製作し表示する装置。
6. 【請求項６】 表面凹凸構築機能が、デジタル凹凸デー
   タの縮小ないしは拡大倍率を連続的に変化して構築する
   ものであることを特徴とする請求項５の仮想現実物体を
   製作し表示する装置。
7. 【請求項７】 デジタル表面凹凸定量化装置がスタイラ
   ス式の三次元表面粗さ計あるいはＡＦＭ（原子間力顕微
   鏡）、ＳＴＭ（走査型トンネル電流顕微鏡）などの表面
   観察計測装置であることを特徴とする請求項１の仮想現
   実物体を製作し表示する装置。