JPS62254271A - 複数視野の画像・図形生成支援方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 コンピュータによる３次元物体のスケッチに適用が可能
である電子顕微鏡や医療の分野のみならず、あらゆる分
野のＯＡで物体のイメージを入れた絵入りの文書を生成
する場合、特に有効である。

〔従来の技術〕

本発明に関連したコンピュータ・グラフィックス手法に
ついての解説書は数多くでている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

複数視野の画像・図形生成支援方法及び支援装置に関し
ては未だ発表がない。

本発明の目的は、３次元物体、２次元画像・図形イメー
ジを従来よりも、はるかに容易に得ることのできるダイ
レクト・ビジュアル・インターフェース基本技術を開発
するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記、目的を達成するために、物体の立体粗画像とトラ
ックボール等の入力装置を用いる。

〔作用〕

上記装置を用い、子供でも分る簡単な操作で自由に複数
枚の部分画像が見れるように支援する。

〔実施例〕

以下１本発明の全体構成を第１図により説明する。まず
入力として３次元物体の画像／図形データが与えられて
いるとする。この物体をある方向から見た絵を表示する
ものが表示装置（ディスプレイ）である、さらに物体の
ある点を指定して。

その点の周囲の長方形領域を拡大して表示したり、さら
に別の指定点に関する長方形領域も同時に表示したりす
るのが操作装置である。操作装置はトラックボールと１
ｏ数個のキーボードが一体となったもの６式から成るも
のであり詳細は後述する。

ハードウェアについて２項目ソフトウェアについて２項
目、合計４項目を順に構成／動作と云う具合に説明する
。

１、人間が物体を鑑賞し絵を描くプロセスをモデル化し
、これに従い複数視野の画像／図形生成を統一的に扱え
る操作装置。

まず、モデルを表わす４つの語をあげると、（ａ）世界
座標、（ｂ）画面座標、（Ｃ）窓、（ｄ）視領域である
０世界座標とは画像・図形が定義される空間であり、通
常計算機の記憶装置に１画素あたり１パイトル２バイト
単位で記憶される０画面座標とは表示画面（ディスプレ
イ）の座標であり画面上の物理的なドツト位置を示す。

窓とは、世界座標上で表示したい部分を定義するもので
あり普通は窓枠内の画像又は図形が表示対象になる。視
領域とは窓で定義した画像／図形を画面のどの位置に（
画面座標系）どれくらいの大きさで表示するかを定義す
るものである。視領域をかえることにより拡大率を変え
ることになるし、さらに縦横比を変えると画像／図形の
形が変化したりする。以上を図示すると第２図になり一
般には複数の窓と視領域になる。以下ここては、トラッ
クボールとキーボードを使った操作装置の実施例を示す
がマウスやジョイスティック、タッチバネル、アイコン
をつかっても同様に実施が可能である。

座　　　盤と　　　　　　　盤 第１図、第２図（Ａ）、（Ｂ）がこの項の説明に関係す
る０世界座標操作盤は世界座標上のパターンのうちのあ
る一部分を窓で切り出して第２図のように粗画像として
表示する。さらに窓の大きさをいろいろかえると、それ
に応じて粗画像表示用画面にはいろいろな間引き率か補
間率で世界座標の一部が表示される。さらに窓の位置を
世界座標操作盤内の２次元操作部にある移動ボタン押下
後、トラックボールをつかって移動させると粗画像表示
用画面には次々に列車の窓の景色が次々に変わるように
世界座標上のいろいろな景色が次々に見える。この際１
画面には第６図に示すように矢印で移動方向の表示が出
て、さらに移動速度の表示が出る。この場合、移動速度
とは、以下で述べる「平面位置の認識」により得られた
距離を１００％としたときに１秒間または５ＩＮＧＬＥ
　５ＴＥＰ当りに何％移動しているかを示す、窓はさら
に回転させることも可能であり移動ボタンのかわりに回
転ボタンを押しトラックボールをまねずど第６図（２）
のように円周上の矢印で回転の方向が分り、さらに矢印
の長さで１秒間又は５ＩＮＧＬＥ　５ＴＥＰ当り何度回
転しているかが分る。

以上の操作により見るべき窓の大きさ９位置。

形状がきまると画面座標操作盤の出番である。

画面座標操作盤の各操作部も第１図に示したものと同じ
設定ボタンからなる０世界座標操作盤の場合は粗画像表
示画面が次々にかわったのであるが、画面座標を操作す
る時には粗画像表示画面には一貫して同じ図形／画像が
表示され続ける。さらに第２図のように粗画像表示用の
画面上で任意の部分をトラックボールとカーソルによっ
て指定することにより右手のカンバス用画面に切り出し
た部分を表示する。ここでカーソルの形は長方形であり
一定値以下になると士印等になる。さらに長方形の縦横
比が自由に変えられる。

第１項で述べたような処理を高速に行なうには従来のや
り方では不可能である１本発明では並列。

パイプライン接続が可能な１６個の乗算器と３２個の加
算器、１４４個の画像データバッファを持ち、さらに三
角関数計算は演算器のかわりに数表テーブルを使って行
なうハードウェアを考案している。以下、本発明が関係
する種々の変換処理のうちで最も乗算が多く且つ多用さ
れる任意軸まわりの回転処理に関してハードウェアの動
きと必要な演算器の個数について説明する。任意軸まわ
りの回転の式は次のようになる。

Ｘ＝（ｘ−ｘａ）（ｐ　ｎｔ”＋ｃｏｓθ）＋（ｙ−ｙ
ａ）（ｐ　ｎ１ｎ２　ｎａｓｉｎθ）＋（ｚ−ｚａ）（
ｐ　ｎ１ｎ８−ｎｚｓｉｎθ）＋ｘａＹ＝（ｘ−ｘａ）
（ｐ　ｎｔｎｚ＋ｎ３ｓｉｎθ）＋（ｙ　　ｙａ）（ｐ
　ｎｚ２＋ｃｏｓθ）＋（ｚ−ｚａ）（ｐｎｚｎａ−ｎ
ｔｓｉｎθ）＋ｙａＺ＝（ｘ−ｘａ）（ｐ　ｎｚｎｇ−
ｎｚｓｉｎθ）＋（ｙ−ｙａ）（ｐ　ｎｚｎ３＋ｎｔｓ
ｉｎθ）＋（ｚ−ｚａ）（ｐ　ｎａ”＋ｃｏｓθ）＋ｚ
ａ但し、ｐ　＝　１−ｃｏｓθ ｎｌ”Ｃｏｇ（Ｅ、ｎｚ＝ｃｏｓβ、ｎａ＝ｃｏｓγ第
３図は高速変換ハードウェアのブロック図であり、第４
図は任意軸回転の処理のうちでＸをもとめる部分だけの
演算器とデータバッファのつながりを示したものである
。これによるとパイプラインの第２段目で乗算器が５セ
ツト必要になる。

さらに加算器は６セツト必要で、ｘ、ｙ、ｚ合わせると
乗算器は１５個、加算器は１８個が必要である。そこで
若干の余裕を持たせて乗算器は１６個、加算器は３２個
の構成とする。

さて、これらの演算器が極端の例として全て並列動作し
た場合４８個の演算パイプラインにピッチ毎にオペラン
ドを供給し、それぞれから演算結果を得ることになる。

１つの演算には２つのオペランドが必要なので４８×２
のデータバッファが必要となり、さらに４８個のデータ
バッファが演算結果を格納するために必要である。この
ため合わせて１４４個のデータバッファとする。

さて上記、任意軸まわりの回転に出てくる三角関数を、
そのまま計算すると、パイプライン段数で乗算６段程度
がさらに必要となり処理速度は３分の１に落ちてしまう
。本発明では、必要な精度で、三角関数の値をあらかじ
めテーブルで与えておき演算器パイプラインに読み出す
構成とする。

３、人間が物体を鑑賞する概念モデルをベースとする操
作ソフトウェア 人間が物体を鑑賞する際に背景となる認識を下記の通り
規定し操作装置の仕様を第２図（Ａ）。

（Ｂ）のように決めることにより従来よりはるかに容易
に画像／図形が鑑賞できる。

（１）平面位置の認識 世界座標上で現在指示している点から操作装置（たとえ
ばトラックボール）で示す方向に直線をひき世界座標の
極限に相当する仮想長方形の１辺に交わる点との間の距
離によって位置を認識する６ （２）立体位置の認識 対象立体上で指示する点を操作盤Ｗｔ（たとえばトラッ
クボール）で示す方向に押して立体を回転させたときの
回転角の最大値を３６０°とする。

（３）拡大、縮小倍率の認識 画面座標上又は、世界座標の粗画像上で１画素のものを
画面サイズ一杯まで拡大したときの倍率を最大の拡大倍
率とす番、逆に画面座標又は、世界座標の粗画像上で最
も大きなものを１画素にまで縮小する場合を最小の縮小
比率とする。

以下、２次元の場合、３次元の場合について操作法を説
明する。説明は処理の流れを中心とし、最後に補足説明
を行なう。

３．１２次元の場合 対象物が２次元である場合あるいは３次元対象物をある
方向のみから見る場合、さらには対象物の複数視野に対
応する部分画像群から成る画像やテキストと図形／画像
が入り混じった文書画像が２次元の場合に相当する。今
、これらの１例として第５図のように家の形をした図形
が粗画像表示用画面に表示されている場合を考える。こ
の図では扉の右半分を含む窓領域を指定すると最初は好
みでない位置に視領域がセットされたので、これを左下
方に、移動したのである。従来例では窓領域を囲んだり
視領域の大きさや移動の方向を１ステツプずつ複雑なコ
マンドで指示せねばならぬのであるが本発明においては
下記のように子供でもできる操作で所望の図形／画像が
生成できる。

いま初期画面としては画面の左端に家の粗図形（世界座
標上のものを間引くなどして生成したもの）が表示され
ている。まず表示されている図形のどの部分を切り出し
たいかを第１図面面座標操作盤の２次元粗画像操作部で
行なう、この場合は２次元でカーソルを移動させるので
第１図で「移動」の選択ボタンを押す。これで窓操作の
トラックボールによりカーソルが自由に動かせるように
なるので所望の位置までカーソルをうごかす、何も指示
しないときカーソルは「＋」印であるので。

もしも第５図のように長方形の領域を囲みたい場合には
拡大ボタンを押し続けると「＋」印から「口」印に変化
する。今度は、長方形状のカーソルを移動させることに
より所望の領域を指示することができる。この領域の形
状はたて、横用の仲。

縮ボタンを押し続けることにより自由に変化させられる
。さらに対象物（この場合は家の図形）が小さすぎたり
大きすぎたりする場合は世界座標操作盤の２次元操作部
から先述の操作の場合と同様にして対象物体あるいは、
その必要箇所を特定化すると第２図の粗画像表示領域が
拡大、縮小の基準となって（本節の拡大、縮小倍率の認
識を参照のこと）対象物が拡大され粗図形として表示さ
れる。

次に画面座標操作盤内のカンバス操作部の盤面選択スイ
ッチを押すと先に指定した窓領域と相似な視領域（一般
には窓領域内の図形が拡大された図形が入っている）が
粗図形の右側に表示される。

今、図のように視領域の画面座標上での位置を変えたい
場合の操作法を説明する。まずカンバス操作部の「移動
」の選択ボタンを押しトラックボールをうごかすと、そ
れについて視領域が移動する。

第５図（２）は異なる窓、異なる視領域の例であり先に
説明した例よりはさらに一般的な例である。

３．２３次元の場合 ３次元の場合、物体に関する図形／画像データは３次元
世界座標系に蓄積されている（第２図（Ｂ）参照）、実
際には３次元データを粗画像表示用画面にいろいろな方
向に投影／透視し所望の粗画像を得る。まず世界座標操
作盤の３次元操作部の盤面選択を押すと３次元世界座標
をある方向からみた粗画像がディスプレイに表示される
。この際、もつと別の方向から見た粗画像をディスプレ
イしたい場合には３次元操作部の回転ボタンをセットす
ると移動ボタンは自動的にリセットとなり、さらにトラ
ックボールを回転させると粗画像の重心を中心として図
形／画像が回転する。どんな回転のし方をするかは第７
図のように■印だと手前から向う側に円の中心と■印を
結んだ線を回転半径とする回転を行なう、この際１回転
の角速度は度／秒（または５ＩＮＧＬＥ　５ＴＥＰ）　
　で数値表示される。さて、今度は粗画像上のどれか１
つの物体について操作を行なう場合を考えてみる。この
時は、２次元のときと同じようにまず画面座標操作盤の
３次元粗画像操作部のトラックボールを粗画像上でうご
かす、以下、操作法を箇条書きにする。

（１）カーソルが所望の位置まで移動を完了した時点で
窓を所望の大きさのサイズまで拡大する。

（２）ここで画面座標操作盤内のカンバスの盤面選択ボ
タンを押すと指示した窓の図形／画像が表示される。

（３）３次元粗画像操作部の回転ボタンを設定しトラッ
クボールをまわすと■の方向に第７図の画像が先はどと
同じく表示される。この際、窓にもつとも近い円の中心
と■印を結ぶ線を半径として物体は回転する。

（４）　（３）のようにトラックボールを動かすと図形
は３６０度回転したところで止まる。実際に見たい箇所
は一般にはもつと手前であるので今度は手前にまわすと
Ｏの方向に第７図の表示と回転角度の数値表示が出る。

（５）このようにして所望の方向から見た図形／’ｉｌ
像が視領域内に表示される。

さて（３）、　（４）の操作をさらにていねいに行なう
には第１図の表示操作部を用いる。

３．３表示操作部 移動の表示をする際には平面位置１回転の表示をする時
には回転角度、拡大・縮小の表示をする際には拡大縮小
倍率をキーとして表示すべきフレーム数をきめる。たと
えば世界座標系で窓を移動して、その都度、視領域に各
々の部分部分の図形／画像を表示する場合、１画面を表
示するに要する処理時間をＮＸＭＸｔｃ　　（画面１行
あたりのドツト数二Ｎ、１列あたりのドツト数：Ｍ、１
ドツトあたりの処理時間：ｔＣ秒）とすると、距離が下
記のΔＱ、トラックボールの移動にしたがって変化する
毎に、図形／画像が表示される。

ＲＮＸＭＸｔｃ ここで　Ｑｍａｘ：移動開始点から移動方向の極限の点
又は移動方向の変化点までの距離、Ｑ＝移動開始点から
の距離、ＴＬ　：人間が許容できる時間（秒） ここで、Ｎ　Ｘ　Ｍ　Ｘ　ｔ　ｃ　：　１　／　１５〜
１　／　１０秒くらいが、よく使われる。

角度Δθ１倍率Δｍについても同様の考え方である。さ
て一般には、これらの移動９回転、拡大。

縮小の場合、人間はトラックボールを行きつ戻りつ動か
して目的の位置から見た図形／画像を得るわけである。

移動の場合を例にとると最初は１２　ｍｌＫは世界座標
の極限の点であったのが、だんだん狭まってくる。これ
にともなって５Ｑｗａ＊ｘの値がその都度かわりΔΩは
だんだんと小さくなってくる。このように適応的に細か
くするか、はじめのように粗いままで、繰り返してフレ
ームをみるかの選択が固定／適応の選択ボタンである。

さらに一旦フレームが生成されたあとにフレーム表示さ
せるには固定モードにしておいて表示操作部を操作すれ
ばよい、ＲＵＮとはフレームを次から次へと表示するこ
と、５ＴＯＰとはＲＵＮの状態を止めること。固定とは
１フレームずつ表示し、適応とは２〜３フレームずつ表
示すること、さらにフレーム番号を指定することもでき
る。第　フレームから第　フレームまでを表示する場合
とか第フレームの前後　フレームを表示する場合である
。

４゜複数視野の図形／画像生成を支援するソフトウェア ４．１透視図形／画像作成のための支援ソフトウェア 本特許における透視図形／画像の作成法の特徴の１つは
、まず最初に関心物体の外接六面体を作成し六面体をみ
ながら透視図形／画像を作成するところにある。以下に
３次元物体の外接六面体を作成する操作を箇条書きにす
る。

（１）３次元物体を所望の視点から見た図形／画像を表
示する。

（２）外接長方形を描くための４つの点を指定する。

（３）外接長方形を計算機が描画した後、長方形の巾の
広げと狭めを行なう、（たとえば、辺をカーソルで指定
し、巾の広げ／狭め設定ボタンを押す、） （４）以上で出来あがった長方形に垂直な断面の表示を
する。この時は図形／画像と長方形との重しよう表示を
行なう。

、（５）両端の２点を指定して２つの平面を計算機に描
かせ（３）のような方法で微調整する。

（６）正六面体の線画と３次元図形／画像を重しよう表
示する。

以上で第１ステツプであるところの正六面体の線画が出
来あがったが、これから後は、どんな透視図法をつかう
かと云うＩＩ題がでてくる。第８図はどの種類の透視図
を選ぶかと云うアイコンの例であり１消点、２消点、３
消点を示唆する直方体の線図形を表示する。オペレータ
は、先程もとめた六面体を、３種の消点法のいずれを選
択するかによって類似の面が表示されるように回転する
。

さらに六面体を３次元座標で考えてＺ−ｘ平面図、ｚ−
ｙ平面図、透視図を同時に表示する。この状態を第９Ｈ
に示す。ここで視点Ｐと原点○との距離は六面体の大き
さの３〜４倍、視点と六面体との距離は六面体の大きさ
の２〜３倍をデフォルト値とする。さらに透視図は消点
と消点に至る線を表示するものである。今、第１０図の
ようにＹ−Ｚ平面上での各種の変数をきめると、ｙｌ　
：　Ｈ＝Ｙ　１　：　　（Ｈ−ｚｔ）ｙｚ　＝Ｈ＊Ｙｌ
／　（Ｈ−ｚｔ） となることが知られている。本特許では、この性質を利
用して、物体の外接六面体の１つの面を表わす長方形Ａ
ＢＣＤを任意の方向へ動かしたり。

回転したり拡大・縮小すると、それに従って上記の計算
をし所望の透視図を作成することができる。

その他、試行錯誤の時には粗図形／画像で行ない清書的
な表示の時には高精細の図形／画像にすることもできる
。

４．２物体鑑賞、ポインティング、図形／画像生成が統
一的に扱えるエディタ 以上述べたきた基本機能を組みあわせると下記箇条書き
のような機能のエディタが容易に構成できる。

（１）３次元物体に回転、移動等の変換をほどこして所
望の部分を画面表示し、さらに所望の点を指示する。

（２）複数個の点を指示すると、１つの画面内に複数枚
の子画面が同時に表示される。

（３）さらに子画面の中である長方形領域内の図形／画
像をもって廁かくみたい場合、同様に指示すると孫画面
があられれる。

（４）一般には、樹板状に階層的に所望の子孫画面が出
来あがっているので１画面毎にインデックスをつけてお
くことにより、Ｄｓｐｔｈ　Ｆｉｒｓｔサーチ（深さ優
先探索）　、Ｂｒａａｄｔｈ　Ｆｉｒｓｔサーチ（幅優
先探索）を容易に行なえる。

〔発明の効果〕

複数視野の図形／画像生成を統一的に扱うことは従来し
ろうとでは全く不可能であったが、これが可能となった
。さらにベテランのオペレータでも操作時間にして約１
桁の短縮がはかれた。

さらに回転、移動、拡大、縮小と云った変換処理でも性
能向上が実現でき、たとえば任意軸回転で約９倍その他
の処理では３６倍程度の高速化が実現できる。さらにプ
ロセッサ自体の並列パイプライン化も容易であり画素レ
ベルの並列計算にもなじむ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体構成図と盤面図、第２図（Ａ）は
ディスプレイへの表示の説明図、第２図（Ｂ）は座標系
についての説明図、第３図は高速図形／画像変換ハード
ウェアのブロック図、第４図は任意軸回転処理における
演算器とデータバッファのつながりを示した図、第５図
は窓と視領域の説明図、第６図は窓の移動方向と回転方
向を絵文字的に表示する一例、第７図は３次元物体の回
転方向を絵文字的に表示したものの一例、第８図は透視
図の代表的な３種類を絵文字的に表したものの一例、第
９図は透視図を作成するための２−Ｘ平面図とＺ−Ｙ平
面図、第１０図は透視図の幾何的説明図である。 高　１　　ロ ％Ｚ　　口（Ａ） 第　５　口 （２）具η）Ｓ　具ηう親司仄 Ｋ　６　図 （１ン捗動万ｆｉ１９表示　　　　（２）口転方句ｑ表
禾Ｔ　７　国 冨　ｇ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体の立体粗画像と入力装置によつて任意の複数視
   野の画像・図形（部分画像群）を同一画面に表示するこ
   とを特徴とする複数視野の画像・図形生成支援方法。 ２、上記部分画像は単なる２次元平面への射影の他に透
   視図も可能なことを特徴とする第１項の複数視野の画像
   ・図形生成支援方法。 ３、上記部分画像を表示する際の最初に物体を指定する
   場合に回転、移動、拡大、縮小の入力装置またはタッチ
   パネル上のアイコンを所望の時間押し続けることにより
   指定に都合のよい大きさ視野の物体画像が得られること
   を特徴とする第１項の複数視野の画像・図形生成支援方
   法。 ４、上記透視図の作成は、物体の外接六面体を用いる画
   像アイコン方式であり視点から物体との間の距離を物体
   の大きさの２倍〜３倍、視点から投影面の原点の距離を
   物体の３倍〜４倍のデフオールト値にセットしているこ
   とを特徴とする第２項の複数視野の画像・図形生成支援
   方法。 ５、上記外接六面体を作成する場合、物体を所望の方向
   から見た画像を表示し、この画像上で外接多角形を描く
   ための四点を指定し、さらにこの長方形に垂直な断面の
   表示をした後に両端の２点を指定して六面体を生成し、
   さらに点を指定して辺、面が決まつた（生成された）後
   、辺／面をタッチして広げるか狭めてアイコンを押すこ
   とにより六面体の形状を微調整することを特徴とする第
   ４項の複数視野の画像・図形生成支援方法。 ６、上記透視図を作成する場合、見本となるガイド画面
   の透視図には、１消点・２消点・３消点の３種があり各
   々の透視図には、消点と立体の稜線から消点へ至る延長
   線が分り易く表示されていて、さらにオペレータが描こ
   うとしている六面体（物体の部分）についてのＺ−Ｘ平
   面図、Ｚ−Ｙ平面図、消点への延長線つき透視図を同時
   に表示し、Ｚ−Ｘ平面あるいはＺ−Ｙ平面上で六面体（
   物体の部分）を任意の方向へ動かし、回転し、拡大、縮
   小することにより所望の透視図を生成することを特徴と
   する第１項の複数視野の画像・図形生成支援方法。 ７、物体画像の変換（回転・移動・拡大・縮小など）処
   理装置において、並列・パイプライン接続が可能な１６
   個の乗算器と３２個の加算器、１４４個の画像データバ
   ッファをもち、さらに三角関数計算用の演算器のかわり
   に数表テーブルを持つことを特徴とする複数視野の画像
   ・図形生成支援装置。 ８、上記、装置において世界座標の操作と画面座標上の
   図形／画像を操作するために、３次元、２次元、カンバ
   ス３次元粗画像、２次元粗画像、カンバスに相当する合
   計６式の図形入力装置、回転、移動、拡大・縮小３次元
   物体の外接六面体作成時に用いる縦横両方向伸縮用の押
   ボタンスイッチ、さらには上記図形入力装置を支援する
   タッチパネルとアイコンを持つこと、または、上記機能
   をタッチパネルとアイコンだけで 実現することを特徴とする第７項の複数視野の画像・図
   形生成支援装置。