JPH11296302A - ３次元座標値入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速な描画を可能にするとするとともに、任
意の空間位置の座標値を入力することができる３次元座
標値入力装置を提供する。 【解決手段】 ３次元仮想空間内の座標値を入力する３
次元座標値入力装置であって、表示画面２３上の２次元
位置を入力するための入力手段１と、該入力手段１によ
り入力された２次元位置に描画されているポリゴンの視
点奥行き方向の値を取得するＺ値取得手段２と、前記入
力手段１により入力された２次元位置と、前記Ｚ値取得
手段２により取得された視点奥行き方向の値と、視点の
座標値と、視錘台２１の情報とに基づいて、３次元仮想
空間内の座標値を算出する座標変換手段２とを設けたも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータ支援
教育システムやシミュレーション、アミューズメントな
どのシステムに適用して好適な３次元座標値入力装置に
関し、特に、仮想現実感（バーチャルリアリティー）生
成装置、及び３次元ＣＧ（コンピュータグラフィック）
を用いたコンピュータソフトウェアにおける仮想空間内
での仮想物体の指示、選択、配置を容易に行うことが可
能な３次元座標値入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、３Ｄグラフィックプロセッ
サ、又は３Ｄレンダリングソフトウェアによって、リア
ルタイムに生成された３次元仮想空間コンピュータグラ
フィック映像を、表示装置のウインドウ内に表示するも
のが知られている。これによって、使用者は２次元の表
示画面を通して３次元仮想空間を認識し、インタラクシ
ョンを行うことが可能となり、コンピュータの表示画面
上にあたかも別の空間が広がっているかのような感覚を
得ることができる。

【０００３】このようなシステムにおいては、マウスや
３次元入力デバイスなどを用いて、３次元仮想空間内の
表示物体をピックし、移動、変形などの動作をリアルタ
イムに操作することが、現実的な感覚を得るための重要
な要素となっている。

【０００４】例えば、特開平９−７３３６６号公報に
は、ディスプレイ上の仮想３次元空間における各座標値
と対応して設けられたｘ軸用ボール、ｙ軸用ボール、ｚ
軸用ボールを備え、この３つのボールのうちの１つを選
択して、その選択されたボールと対応する一の座標軸に
沿ったポインタの位置を固定した後、この３つのボール
のうちのいずれかを回転させることで、一の座標軸以外
の他の座標軸に沿ったポインタの位置指定を行うものが
提案されている。

【０００５】しかしながら、このような特殊な３次元入
力専用デバイスを用いた場合、操作性の悪さやコストの
増大を招来するなどの問題があるため、マウスなどの２
次元のポインティングデバイスを用いて、３次元空間内
の仮想物体に対する選択・移動を容易に行える方式が必
要となる。

【０００６】そこで、マウスなどの２次元的なポインテ
ィングデバイスを用いて、仮想空間内で選択された仮想
物体を別の場所に移動・配置するには、通常２次元的な
ＸＹ方向の移動量を仮想空間でのＸＹ座標と対応させる
が、奥行き方向に物体を移動しようとした場合、マウス
のボタンとの組み合わせで移動のモードを切り替える手
法が用いられる。

【０００７】例えば、ボタンが押されていない状態では
仮想空間内のＸＹ平面での移動を行い、ボタンが押され
た状態ではＸＺ平面での移動を行うことにより、３次元
仮想空間内の座標値の入力が行われる。このような操作
方法においては、移動させようとする座標軸を使用者が
意識していなければならなくなるため、非常に操作性が
悪いという問題があった。

【０００８】以上のような問題を解決するものとして、
例えば、特開平９−４４７０３号公報には、マウスなど
の入力装置を用いて、３次元空間を透視変換された２次
元スクリーン座標（ｘ，ｙ）上での指示位置から奥行き
方向Ｚ座標の値を得ることにより、使用者の意図する操
作対象物体を特定する３次元画像処理装置が提案されて
いる。

【０００９】これは、３次元空間を描画する際に、２次
元のｘｙスクリーン座標に透視変換を施し、加えて視線
奥行き方向の視点位置からの距離に応じた大小の値をＺ
バッファ値として計算して、ＸＹ座標値及びＺ値の組を
テーブル形式で保存しておき、選択動作が起こった際
に、マウスで指定されたｘｙの座標値から選択しようと
している仮想物体を特定するため、このＸＹの座標値で
テーブル内を検索することにより、視点に最も近いＺ座
標値を有するポリゴン（仮想物体）を特定するものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開平９−４４７０３号公報に記載の３次元画像処理
装置においては、予め描画の度にスクリーンｘｙ座標の
各ピクセル毎にＺ値と、描画されるオブジェクトの識別
子とを対にしたテーブルを作成しておく必要があるの
で、このテーブル作成に要する処理時間が余計にかかっ
てしまうという問題があった。

【００１１】また、この装置の場合、指定できる３次元
座標値は描かれる仮想物体の表面上のポイントに限定さ
れてしまうため、３次元空間中に仮想物体が存在しない
任意の位置に対する座標入力を行うことができないとい
う問題があった。

【００１２】本発明は、上述したような点に鑑みてなさ
れたものであり、毎回の描画時にＺバッファと物体識別
ＩＤとの対応テーブルをアプリケーションプログラムで
作成する処理を不要とし、高速な描画を可能にするとす
るとともに、３次元空間内の物体の有無に拘わらない、
任意の空間位置の座標値を入力することができる３次元
座標値入力装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願請求項１に記載の発
明に係る３次元座標値入力装置は、表示画面上の２次元
位置を入力するための入力手段と、該入力手段により入
力された２次元位置に描画されているポリゴンの視点奥
行き方向の値を取得するＺ値取得手段と、前記入力手段
により入力された２次元位置と、前記Ｚ値取得手段によ
り取得された視点奥行き方向の値と、視点の座標値と、
視錘台の情報とに基づいて、３次元仮想空間内の座標値
を算出する座標変換手段とを設けたものである。

【００１４】これによって、入力手段により入力された
表示画面上の２次元位置に描画されているポリゴンの視
点奥行き方向の値（Ｚバッファ値）を取得することによ
り、視野座標における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標値を得るこ
とができ、さらに、座標変換手段により３次元空間グロ
ーバル座標での座標値を算出して、所望の３次元座標値
を得ることができると同時に、所望の仮想物体の選択を
行うことが可能となる。

【００１５】すなわち、通常この種のリアルタイムＣＧ
描画装置においては、Ｚバッファ方式を用いて視点から
見た物体の重なりを正しく描画する隠面処理が行われる
ため、Ｚバッファのデータは描画アプリケーション側で
独自に作成する必要はなく、描画用のＡＰＩ側が自動的
に保持する構成をとっている。

【００１６】従って、指示入力が発生した場合にのみ、
指定ピクセルに対応するＺバッファ値のみを獲得するこ
とにより、３次元空間内の物体を選択するために、毎回
の描画時にＺバッファと物体の識別ＩＤとの管理テーブ
ルを作成する処理が不要となるので、選択処理を含めた
トータルな描画処理性能を向上させることが可能とな
る。

【００１７】本願請求項２に記載の発明に係る３次元座
標値入力装置は、３次元座標値入力用の補助仮想図形を
描画するための描画手段と、表示画面上の２次元位置を
入力するための入力手段と、該入力手段により入力され
た２次元位置に描画されている前記補助仮想図形の視点
奥行き方向の値を取得するＺ値取得手段と、前記入力手
段により入力された２次元位置と、前記Ｚ値取得手段に
より取得された視点奥行き方向の値と、視点の座標値
と、視錘台の情報とに基づいて、３次元仮想空間内の座
標値を算出する座標変換手段とを設けたものである。

【００１８】これによって、３次元座標値入力用の補助
仮想図形を任意の位置に描画して、入力手段により入力
された表示画面上の２次元位置に描画されている補助仮
想図形の視点奥行き方向の値（Ｚバッファ値）を取得す
ることにより、視野座標における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標
値を得ることができ、さらに、座標変換手段により３次
元空間グローバル座標での座標値を算出して、所望の３
次元座標値を得ることができる。

【００１９】従って、３次元空間内の物体が存在しない
任意の位置においても、補助仮想図形を用いて３次元座
標値を入力することが可能となり、操作性を良好に保っ
たまま、細かな空間位置の指定を行うことができる。

【００２０】本願請求項３に記載の発明に係る３次元座
標値入力装置は、前記請求項２に記載の３次元座標値入
力装置において、前記入力手段に、前記補助仮想図形を
視点奥行き方向に移動させるための操作部を設けたもの
である。

【００２１】これによって、表示画面上の２次元位置を
入力するための入力手段を用いて、補助仮想図形の視点
奥行き方向の描画位置を可変することが可能となり、片
手で容易に任意の空間位置の座標値を入力することがで
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の３次元座標値入力
装置の一実施形態を、図１乃至図７とともに説明する
が、上記従来例と同一部分には同一符号を付し、その説
明は省略する。ここで、図１は本実施形態の３次元座標
値入力装置の概略構成を示す機能ブロック図、図２は本
実施形態の３次元座標値入力装置における位置入力処理
部を示す概略説明図である。

【００２３】図３は本実施形態の３次元座標値入力装置
における仮想物体選択時の処理動作を示すフローチャー
ト、図４は本実施形態の３次元座標値入力装置における
仮想物体選択時の処理動作を示す概略説明図、図５は本
実施形態の３次元座標値入力装置における仮想物体選択
時の処理動作を示す概略説明図、図６は本実施形態の３
次元座標値入力装置における仮想物体移動（３次元位置
指定）時の処理動作を示すフローチャート、図７は本実
施形態の３次元座標値入力装置における３次元位置指定
時の処理動作を示す概略説明図である。

【００２４】図１において、１は位置決定ボタンの押下
及び２次元スクリーン座標値（ｘ，ｙ）を検知する位置
入力処理部（入力手段）、２は位置入力処理部１で検知
された２次元スクリーン座標値に対応した描画時のＺバ
ッファ値を取得し、このＺバッファ値から後述の計算式
を用いて視野座標における座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出
するとともに、３次元空間グローバル座標における座標
値を算出する３次元座標値計算部（座標変換手段）、３
は描画用の３次元物体データが収められている３次元物
体データ格納部である。

【００２５】４は３次元座標値計算部２で獲得した３次
元座標値に基づいて、３次元物体データ格納部３に収め
られている３次元物体データから最も近い位置のポリゴ
ンがどれであるかを探索するポリゴン／オブジェクト判
定処理部、５は所望のオブジェクトを３次元座標値計算
部２で獲得した３次元座標値の位置へ移動させるオブジ
ェクト移動処理部、６は３次元物体データ格納部３に収
められている３次元物体データを任意の視点位置から見
た仮想空間内に再配置描画する描画処理部（描画手段）
である。

【００２６】尚、上記構成において、位置入力処理部１
は、図２（ａ）に示すように、補助仮想図形の奥行き方
向への移動操作を行うための回転ダイアル１１を付加し
たマウス装置や、図２（ｂ）に示すように、補助仮想図
形の奥行き方向への移動操作を行うためのカーソルキー
１２を有するキーボードなどにより構成することが可能
である。

【００２７】次に、本実施形態の３次元座標値入力装置
による動作について、仮想物体の選択時の処理と選択し
た仮想物体の移動時の処理とに分けて以下説明する。

【００２８】まず、仮想物体選択時は、図３のフローチ
ャート及び図４，図５の概略説明図に示すように、仮想
空間領域（ビューイングフラスタム）２１内に仮想物体
２２を描画した（ステップ１）後、位置入力処理部１に
おいて位置決定ボタンの押下がなされたかどうか検知し
（ステップ２）、位置決定ボタンの押下がなされた場
合、その時のモニタ表示面２３上でマウスポインタ２４
が指す２次元スクリーン座標値（ｘ，ｙ）を検知する
（ステップ３）。

【００２９】そして、３次元座標値計算部２において、
モニタ表示面２３上の２次元スクリーン座標値（ｘ，
ｙ）に対応したポリゴン描画時のＺバッファ値を取得
し、このＺバッファ値、２次元スクリーン座標値（ｘ，
ｙ）、ビューイングフラスタムの値から、３次元空間グ
ローバル座標での座標値を算出する（ステップ４）。

【００３０】ここで、現在の視野座標におけるＺ座標値
は、 Ｚ＝2.0＊far_clip＊near_clip／（far_clip＋near_cli
p−（far_clip−near_clip）＊（2.0＊zbuffer_val−l.
0）） （但し、zbuffer_valはＺバッファ値、near_clipはビュ
ーイングフラスタムの最近傍面２５、far_clipはビュー
イングフラスタムの最遠景面２６）により、求められ
る。

【００３１】また、２次元表示ウインドウのスクリーン
座標（ｘ，ｙ）におけるマウスポジションと視野角との
関係から、視野座標におけるＸ座標値、Ｙ座標値は、そ
れぞれ Ｘ＝Ｚ＊（ｘ−win_width）＊tan(fov＊0.5)／win_widt
h Ｙ＝Ｚ＊（win_height−ｙ）＊tan(fov＊0.375)／win_h
eight （但し、win_widthはモニタ表示面２３の幅、win_heigh
tはモニタ表示面２３の高さ、fovはビューイングフラス
タムの視野角）により、導き出すことができる。

【００３２】以上のように、視野座標における（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）の座標値を得ることができ、最後にグローバル
座標に変換を施すことにより、所望の３次元座標値を求
めることが可能である。次に、この３次元座標値から最
も近い位置のポリゴンがどれであるかを探索し（ステッ
プ５）、探索されたポリゴンを含むオブジェクトが存在
するか否かを判定して（ステップ６）、判定されたオブ
ジェクトを選択する。

【００３３】尚、選択されたオブジェクトを所望の３次
元空間位置に移動させる場合、例えば家の中の仮想空間
を描画しているのであれば、該空間内には床或いは壁等
のオブジェクトが存在するはずであるから、上述した３
次元座標値入力処理により、移動先の空間位置を特定す
ることができる。

【００３４】ところが、仮想空間内に何もオブジェクト
が存在しないような位置へ移動したいという要求がある
場合は、上述した３次元座標値入力処理では、指定した
ポイントのＺバッファ値を得ることができないので、選
択されたオブジェクトの移動先を指示することができな
い。この問題に対処するため、本実施形態では以下の処
理を講じている、すなわち、仮想物体移動（空間位置指
定）時は、図６のフローチャート及び図７の概略説明図
に示すように、仮想空間領域（ビューイングフラスタ
ム）２１内に仮想物体２２とともに３次元ポインティン
グ用の板形状からなる補助仮想図形３１を描画した（ス
テップ１）後、位置入力処理部１において位置決定ボタ
ンの押下がなされたかどうか検知し（ステップ２）、位
置決定ボタンの押下がなされた場合、その時のモニタ表
示面２３上でマウスポインタ２４が指す２次元スクリー
ン座標値（ｘ，ｙ）を検知する（ステップ３）。

【００３５】ここで、補助仮想図形３１は、位置入力処
理部１として設けられたマウス装置における回転ダイア
ル１１や、キーボードにおけるカーソルキー１２の操作
により、仮想空間領域２１内における視野座標Ｚ軸方向
（図７中、矢印Ａ方向）に任意に移動させることができ
るものである。また、この補助仮想図形３１によって視
界が遮られてしまうという問題にも対処できるように、
位置入力処理部１からの要求に応じて、補助仮想図形３
１の表示・非表示の切り換えを行うことができる。

【００３６】そして、３次元座標値計算部２において、
モニタ表示面２３上の２次元スクリーン座標値（ｘ，
ｙ）に対応した補助仮想図形３１描画時のＺバッファ値
を取得し、上記の処理と同様、Ｚバッファ値、２次元ス
クリーン座標値（ｘ，ｙ）、ビューイングフラスタムの
値から、３次元空間グローバル座標での座標値を算出す
る（ステップ４）。次に、予め選択されたオブジェクト
の基準座標を、補助仮想図形３１を用いて指定された３
次元座標位置へ移動（ステップ５）する。

【００３７】このように、仮想空間領域２１内の任意の
位置に描画した補助仮想図形３１のＺバッファ値に基づ
いて、任意の３次元座標値を入力することができるの
で、ユーザは何も表示されていない仮想空間内の所望の
一点を指定して、選択したオブジェクトを好きな位置に
再配置することができる。

【００３８】以上のように、本実施形態によれば、モニ
タ表示面（２次元画面）２３に投影された投影ビューに
おいてマウスポインタ２４で指示した仮想物体２２のピ
クセルの奥行き値（Ｚバッファ値）を取得し、ビューイ
ングフラスタム２１における指示ポイントの３次元空間
内の指定線を計算することで、３次元座標をダイレクト
に入力することが可能となり、非常に良好なユーザイン
ターフェースを実現することができる。

【００３９】従って、本実施形態を適用することによ
り、これまでアミューズメント機器に偏りがちであった
アプリケーションに加えて、より実務的な３次元ＣＧア
プリケーションへの用途展開が期待できるようになる。

【００４０】

【発明の効果】本願請求項１に記載の発明に係る３次元
座標値入力装置は、上述したような構成としているの
で、入力手段により入力された表示画面上の２次元位置
に描画されているポリゴンの視点奥行き方向の値（Ｚバ
ッファ値）を取得することにより、視野座標における
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標値を得ることができ、さらに、座
標変換手段により３次元空間グローバル座標での座標値
を算出して、所望の３次元座標値を得ることができると
同時に、所望の仮想物体の選択を行うことが可能とな
る。

【００４１】また、指示入力が発生した場合にのみ、指
定ピクセルに対応するＺバッファ値のみを獲得すること
により、３次元空間内の物体を選択するために、毎回の
描画時にＺバッファと物体の識別ＩＤとの管理テーブル
を作成する処理が不要となるので、選択処理を含めたト
ータルな描画処理性能を向上させることが可能となる。

【００４２】本願請求項２に記載の発明に係る３次元座
標値入力装置は、３次元座標値入力用の補助仮想図形を
任意の位置に描画して、入力手段により入力された表示
画面上の２次元位置に描画されている補助仮想図形の視
点奥行き方向の値（Ｚバッファ値）を取得することによ
り、視野座標における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の座標値を得るこ
とができ、さらに、座標変換手段により３次元空間グロ
ーバル座標での座標値を算出して、任意の空間位置にお
ける所望の３次元座標値を得ることができる。

【００４３】本願請求項３に記載の発明に係る３次元座
標値入力装置は、表示画面上の２次元位置を入力するた
めの入力手段を用いて、補助仮想図形の視点奥行き方向
の描画位置を可変することが可能となり、片手で容易に
任意の空間位置の座標値を入力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態の
概略構成を示す機能ブロック図である。

【図２】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態に
おける位置入力処理部を示す概略説明図である。

【図３】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態に
おける仮想物体選択時の処理動作を示すフローチャート
である。

【図４】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態に
おける仮想物体選択時の処理動作を示す概略説明図であ
る。

【図５】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態に
おける仮想物体選択時の処理動作を示す概略説明図であ
る。

【図６】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態の
３次元座標値入力装置における仮想物体移動（３次元位
置指定）時の処理動作を示すフローチャート、

【図７】本発明の３次元座標値入力装置の一実施形態の
３次元座標値入力装置における３次元位置指定時の処理
動作を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１ 位置入力処理部 ２ ３次元座標値計算部 ３ ３次元物体データ格納部 ４ ポリゴン／オブジェクト判定処理部 ５ オブジェクト移動処理部 ６ 描画処理部 １１ 回転ダイヤル １２ カーソルキー ２１ ビューイングフラスタム（仮想空間領域） ２２ 仮想物体 ２３ モニタ表示面 ２４ マウスポインタ ２５ ビューイングフラスタムの最近傍面 ２６ ビューイングフラスタムの最遠景面 ３１ 補助仮想図形

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元仮想空間内の座標値を入力する３
   次元座標値入力装置であって、 表示画面上の２次元位置を入力するための入力手段と、 該入力手段により入力された２次元位置に描画されてい
   るポリゴンの視点奥行き方向の値を取得するＺ値取得手
   段と、 前記入力手段により入力された２次元位置と、前記Ｚ値
   取得手段により取得された視点奥行き方向の値と、視点
   の座標値と、視錘台の情報とに基づいて、３次元仮想空
   間内の座標値を算出する座標変換手段とを設けたことを
   特徴とする３次元座標値入力装置。
2. 【請求項２】 ３次元仮想空間内の座標値を入力する３
   次元座標値入力装置であって、 ３次元座標値入力用の補助仮想図形を描画するための描
   画手段と、 表示画面上の２次元位置を入力するための入力手段と、 該入力手段により入力された２次元位置に描画されてい
   る前記補助仮想図形の視点奥行き方向の値を取得するＺ
   値取得手段と、 前記入力手段により入力された２次元位置と、前記Ｚ値
   取得手段により取得された視点奥行き方向の値と、視点
   の座標値と、視錘台の情報とに基づいて、３次元仮想空
   間内の座標値を算出する座標変換手段とを設けたを設け
   たことを特徴とする３次元座標値入力装置。
3. 【請求項３】 前記請求項２に記載の３次元座標値入力
   装置において、 前記入力手段に、前記補助仮想図形を視点奥行き方向に
   移動させるための操作部を設けたことを特徴とする３次
   元座標値入力装置。