WO2006006570A1

WO2006006570A1 - 移動体シミュレーション装置及び移動体シミュレーションプログラム

Info

Publication number: WO2006006570A1
Application number: PCT/JP2005/012787
Authority: WO
Inventors: Tsuyoshi Adachi
Original assignee: Technobrain Co., Ltd.
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2006-01-19
Also published as: JP4040609B2; JP2006031229A

Abstract

油圧ジャッキなどの駆動ユニットを用いることなく、視覚効果によりオペレータに力学的感覚を与えることができる移動体シミュレーション装置を提供する。三次元仮想空間内に配置された移動体の内部に設定され且つ前記移動体の移動に伴って移動する視点から所定の視線方向を中心として広がる所定の視野範囲を二次元画像で表示する移動体シミュレーション装置において、移動体の移動方向、及び加速度又は向心加速度を検出し、検出された移動方向、及び加速度又は向心加速度に基づいて、視点の位置を移動体に対して移動させて設定し、当該設定された視点に基づいた二次元画像を生成する。

Description

明細書

移動体シミュレーション装置及び移動体シミュレーションプログラム技術分野

[0001] 本発明は、航空機の模擬操縦装置 (フライトシミュレータ）のような移動体の移動シミユレーシヨン装置及び移動体シミュレーションプログラムに関する。

背景技術

[0002] フライトシミュレータなどの訓練用模擬操縦装置は、航空機を模した箱に乗ったォペレータの操作入力に応答して所定の画像処理を行、、コックピットからの映像を作成する画像生成ユニットとともに、加速度、重力、遠心力などをオペレータに与えるために油圧ジャッキなどでオペレータが乗った箱を駆動する駆動ユニットを有する。駆動ユニットは、オペレータに加速度、重力、遠心力をオペレータに与えるために、ォペレータが乗った箱を前後、上下、左右に駆動する。このように、オペレータの乗った箱を油圧ジャッキなどで駆動することで、その駆動が本来の加速度、重力、遠心力であるかのような誤認識を生じさせ、実際にその乗り物に乗っているかのような工夫がされている。このような手法は、一般的な手法として従来力も用いられているが、装置自体が大規模となり、コスト面でも高額となる。さらに、汎用のパーソナルコンピュータやワークステーションによりフライトシミュレータを実現する場合、このような駆動ユニットを設けることは現実的でない。そのため、パーソナルコンピュータなどで実現される従来のフライトシミュレータは、オペレータに、加速度、重力、遠心力のような力学的感覚を与えることができず、実物の操縦とはかけ離れたフライトシミュレーションしか提供することができない。

[0003] 駆動ユニットを使わずに画像処理だけで、実物の移動体に乗っている感覚にできるだけ近づけるための画像処理を行うシミュレーション装置として、下記の特許文献に開示される技術が知られて、る。

[0004] 下記特許文献 1は、頭部センサにより実空間内の頭部位置を検出し、実空間の視点の移動と連動して仮想空間における模擬視界画像が変化する模擬視界装置について開示している。 [0005] 下記特許文献 2は、観者又は観者の搭乗する移動体の位置、方向の操作と独立に

、視点位置、視線方向を操作できる 3次元シミュレータ装置について開示している。

[0006] 下記特許文献 3は、視点を基準にしたオブジェクトの速度に応じて、オブジェクトのスピード感を表現する属性を動的に変更し、これにより、モーションブラーのように映像を複数作成することなしに、動きによるブレを表現することができるシミュレーション装置につ、て開示して、る。

[0007] 下記特許文献 4は、移動体の移動速度により視線ベクトルを制御して画像を生成し表示することで、より自然に近い感覚で違和感のない三次元空間内のウォークスル一を提供する三次元シミュレーション装置にっ、て開示して、る。

[0008] 下記特許文献 5は、運転者の頭部の位置を検出し、検出された頭部位置と運転操作情報に基づ、た画像を、ヘッドマウントディスプレイに表示する 4輪車運転シミュレータについて開示している。

[0009] 下記特許文献 6は、車掌の所定の立ち位置に応じてその視点から見た情景を発生し、より現実に近、映像を表示することができる電車シミュレータ用側方車掌映像システムにつ、て開示して、る。

特許文献 1：特開平 9— 138637号公報

特許文献 2：特開平 8 - 117440号公報

特許文献 3：特開平 9 - 115000号公報

特許文献 4：特開 2000 - 200360号公報

特許文献 5：特開 2001— 236010号公報

特許文献 6 :特開 2002— 014605号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] し力しながら、上記特許文献に開示される技術は、オペレータに、実物の移動体に乗っている場合に感じる加速度、重力、遠心力のような力学的感覚を与えることができない。

[0011] 一方で、人間は、映画やビデオなどで単に 2次元平面に投影された映像を見ているときでも、めまいや酔いなどの感覚を覚える場合がある。これは、人間が実際に外力を受けなくても、目に入る映像のみによっても同様の感覚を心理的に感じてしまうために起きる現象である。

[0012] そこで、本発明の目的は、油圧ジャッキなどの駆動ユニットを用いることなぐ視覚効果によりオペレータに力学的感覚を与えることができる移動体シミュレーション装置及び移動体シミュレーションプログラムを提供することにある。課題を解決するための手段

[0013] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第一の構成は、三次元仮想空間内に配置された移動体の内部に設定され且つ前記移動体の移動に伴って移動する視点から所定の視線方向を中心として広がる所定の視野範囲を二次元画像で表示する移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーションプログラムにおいて、前記移動体の移動方向、及び加速度又は向心加速度を検出し、前記移動方向、及び前記加速度又は前記向心加速度に基づいて、前記視点の位置を前記移動体に対して移動させて設定し、当該設定された前記視点に基づいた前記二次元画像を生成することを特徴とする。

[0014] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第二の構成は、上記第一の構成において、前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体の移動方向が前記移動体の前方である場合、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定し、前記移動体の前方への減速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定することを特徴とする。

[0015] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第三の構成は、上記第二の構成において、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記設定された前記視点に基づいた二次元画像を所定倍率拡大した画像を生成することを特徴とする。

[0016] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第四の構成は、上記第一の構成において、前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体の移動方向が前記移動体の後方である場合、前記移動体の後方への加速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定し、前記移動体の後方への減速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定することを特徴とする。

[0017] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第五の構成は、上記第一の構成において、前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して左右方向に旋回しながら移動する場合、前記移動体の前記向心加速度を検出すると、前記移動体の前記向心加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して、前記移動体の旋回により発生する遠心力の方向に移動させて設定することを特徴とする。

[0018] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第六の構成は、上記第五の構成において、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記向心加速度に応じて、前記視線方向を前記移動体の旋回方向に回転させて設定することを特徴とする。

[0019] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第七の構成は、上記第五又は第六の構成において、前記移動体が前記左右方向に傾斜して!/、る場合、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記移動体の傾斜角に応じて、前記視線方向を前記移動体の傾斜方向に回転させて設定することを特徴とする。

[0020] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第八の構成は、上記第一の構成において、前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して上方向に移動する場合、前記移動体の前記上方向への加速による前記加速度を検出すると、前記加速度の大きさに基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定し、前記移動体の前記上方向への減速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づ、て、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定することを特徴とする。

[0021] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第九の構成は、上記第八の構成において、前記視点を前記下方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記上方向に回転させて設定することを特徴とする。

[0022] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第十の構成は、上記第一の構成において、前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して下方向に移動する場合、前記移動体の前記下方向への加速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づ、て、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定し、前記移動体の前記下方向への減速による前記加速度を検出すると、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定することを特徴とする。

[0023] 上記目的を達成するための本発明の移動体シミュレーション装置又は移動体シミュレーシヨンプログラムの第十一の構成は、上記第十の構成において、前記視点を前記上方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記下方向に回転させて設定することを特徴とする。

発明の効果

[0024] 上記第一の構成によれば、油圧ジャッキなどの駆動ユニットを用いることなぐ視覚効果により移動体に加えられる加速度又は向心加速度などの力学的感覚を実空間で画像を見る人に体感させることができ、よりリアルなシミュレーションが実現される。

[0025] 上記第二の構成によれば、移動体の前方への加速度による視野の変化を画像表現することができる。

[0026] 上記第三の構成によれば、前方加速時における視野狭窄現象を画像表現することができる。

[0027] 上記第四の構成によれば、移動体の後方への加速度による視野の変化を画像表現することができる。

[0028] 上記第五の構成によれば、移動体の旋回により発生する向心加速度による視野の変化を画像表現することができる。

[0029] 上記第六の構成によれば、向心加速度に基づいた心理的影響による視野の変化を画像表現することができる。

[0030] 上記第七の構成によれば、移動体の旋回時における移動体の傾斜による視野の変化を画像表現することができる。

[0031] 上記第八の構成によれば、移動体の上方向への加速度による視野の変化を画像表現することができる。

[0032] 上記第九の構成によれば、移動体の上方向への加速度に基づいた心理的影響による視野の変化を画像表現することができる。

[0033] 上記第十の構成によれば、移動体の下方向への加速度による視野の変化を画像表現することができる。

[0034] 上記第十一の構成によれば、移動体の下方向への加速度に基づいた心理的影響による視野の変化を画像表現することができる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]三次元仮想空間を説明する図である。

[図 2]本発明の実施の形態における移動体シミュレーション装置のブロック構成図である。

[図 3]本実施の形態例を説明する上でのモデルを示す図である。

[図 4]移動体 10が前方に加速する場合の視点の変化を示す図である。

[図 5]移動体 10が前方加速前と前方加速中の視野を説明する図である。

[図 6]前方加速による視野の拡大と心理的作用による視野の縮小を考慮した画像の見え方について説明する図である。

[図 7]前方加速による視野の拡大と心理的作用による視野の縮小を考慮した画像の見え方について説明する図である。

[図 8]前方加速による視野の拡大と心理的作用による視野の縮小を考慮した画像の見え方について説明する図である。

[図 9]前方加速による視野の拡大と心理的作用による視野の縮小を考慮した画像の見え方について説明する図である。

[図 10]視野狭窄を再現した画像を数学的に検証するための図である。

[図 11]移動体 10が左方向に旋回する場合の視点及び視線方向の変化を示す図である。

[図 12]移動体 10の旋回前と旋回中の視野の変化を説明する図である。

[図 13]移動体 10が旋回方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。

[図 14]移動体 10が旋回方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。

[図 15]移動体 10が旋回方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。

[図 16]移動体 10が旋回方向と反対方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。

[図 17]移動体 10が旋回方向と反対方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。

[図 18]移動体 10が上方向に加速する場合の視点の変化を示す図である。

[図 19]移動体 10の上昇前と上昇中の視野の変化を説明する図である。

[図 20]本発明の実施の形態における視点及び視線方向の制御フローチャートである。

[図 21]本発明の実施の形態における視点及び視線方向の制御フローチャートである。

符号の説明

[0036] 10 :移動体、 10a :移動体構造物、 12 :乗員、 M :視点、 S :視線方向、 100 : CPU, 102 :シミュレータプログラム、 102 :RAM、 106 :表示制御部、 108 :ディスプレイ、 1 12 :入力部

発明を実施するための最良の形態

[0037] 以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

[0038] 図 1は、三次元仮想空間を説明する図である。三次元仮想空間は、互いに直交する 3軸上の座標 (x、 y、 z)により一意に位置が特定される数学的立体空間である。三次元仮想空間では、これら点の集合を線で連結し、時にはこれを面として表現することにより空間内に立体物を定義したり、その移動を行ったりすることができる。例えば、本発明の実施の形態の一例としてフライトシミュレータを実現する場合は、三次元仮想空間内に航空機のような移動体が配置される。 [0039] この三次元仮想空間から二次元の投影画像を得るためには、少なくとも一つの視点が必要となる。そして、仮想空間内の所定の位置座標を視点として設定し、その位置座標における 3軸の回転角度を定義することにより、あらゆる方向を視線方向として設定することができる。本実施の形態の一例としてフライトシミュレータを実現する場合は、上記移動体の内部に視点を設定することで、移動体に乗っている乗員から見える画像を生成することとなる。

[0040] 図 2は、本発明の実施の形態における移動体シミュレーション装置のブロック構成図である。本実施の形態例の移動体シミュレーション装置は、例えば、パーソナルコンピュータのような汎用コンピュータ装置であってもよいし、移動体シミュレーション専用のコンピュータ装置であってもよい。移動体シミュレーション装置は、三次元仮想空間に設定された視点力も視線方向の画像を二次元画像として表示する。

[0041] シミュレータプログラム格納部 102は、本実施の形態例における画像処理を実行するためのシミュレータプログラムを記憶する記憶手段であり、 CPU100が、本実施の形態に特徴的なシミュレータプログラムを実行する。 RAM104を一時的なデータを格納する記憶手段であり、表示制御部 106は、シミュレータプログラムの実行により生成された画像データをアナログ信号に変換し、ディスプレイ 108に出力する。これにより、画像がディスプレイ 108に表示される。

[0042] 視点力の視線方向を向いた二次元画像を生成するには、次の 3段階の演算処理が必要であり、シミュレータプログラムは、当該演算処理プログラムを有する。

[0043] 第一に、仮想三次元空間のすべての座標位置を、視点を原点とした座標系に置き換える視野変換処理が行われる。この視野変換処理により、視点座標が仮想三次元空間の原点となる。

[0044] 第二に、視点から視線方向に見える三次元空間座標を、 2次元座標に投影するための透視変換処理が行われる。

[0045] 第三に、二次元座標に変換された座標を、画像として表示するための描画処理 (レンダリング）が行われる。描画処理により生成された画像は、 RAM104にー且記憶され、その後、表示制御部 106によりビデオ信号に変換されて、ディスプレイ 108に出力される。なお、本実施の形態の移動体シミュレーション装置が専用装置の場合は、 RAM104とは別に、生成された画像データを記憶するためのフレームバッファを備えていてもよい。さらに、上記各処理を含むすべての画像処理が、 CPU100により行われてもよいが、 CPU100の負荷を軽減するために、移動体シミュレーション装置は、視野変換処理及び透視変換処理における座標変換を行う座標変換プロセッサや描画処理のためのレンダリングプロセッサをさらに備えて、てもよ、。

[0046] また、三次元仮想空間内に配置された移動体を操作するための入力部 112が設けられてもよい。入力部 112からの操作信号は、インターフェースを介して入力され、その操作信号に基づいて、移動体は三次元仮想空間内を移動する。移動体の移動に応じて、その内部に設定されている視点も移動するので、視点の移動に伴い、画像が刻々と変化する。

[0047] 本実施の形態例の移動体シミュレーション装置では、三次元仮想空間内に移動体とそれに乗る乗員が配置され、その移動体が三次元仮想空間内を移動する場合において、移動体内部にいる乗員の頭部付近に視点を設定することで、移動体に乗つてヽる乗員から見える画像が表示される。

[0048] 移動体が前方に移動し、移動体の中にいる乗員が移動体の移動方向を向いている場合、すなわち、視点からの視線方向が移動体の移動方向（この場合、前方)である場合、乗員は、移動方向に広がる移動体の外の風景と、移動体内部の乗員のすぐ前にあるハンドルや計器類など内部構造物が見える。乗員は、視線方向を中心にある一定の範囲を見ることができる。この見える範囲が視野である。

[0049] 移動体の移動に伴って、移動体の位置が変動すると、それに追従して乗員の視点も移動する。この際、移動体に加速度、遠心力、重力のような外力が加えられると、それに乗っている乗員は、物理法則により、その場に置いておかれようとするため、乗員は移動体に対して相対的に移動する。すなわち、視点が移動体に対して相対的に移動する。例えば、移動体が前方に加速を始めた場合、乗員の頭部が、その反力により座席の背中部分に押しつけられ (移動方向と反対方向に移動し)、その結果、乗員の視点は、移動体の内部構造物に対して相対的に後退し、視野が変化する。同様に、移動体が左方向に旋回する場合、乗員の頭部は、遠心力により右方向に移動する。その結果、乗員の視点は、移動体の内部構造物に対して相対的に右方向にずれる。さらに、移動体が上方向に加速する場合、乗員は下方向に押しつけられ、その結果、乗員の視点は、移動体の内部構造物に対して相対的に下方向に移動する。

[0050] 本発明の実施の形態例は、移動体に加えられる外力に伴う移動体に対する乗員の視点の移動を画像で表現することで、実空間でその画像を見る人に、あた力も外力が加わったかのような感覚を与える手法を提供する。

[0051] さらに、乗員の視点は、外力そのものに起因するものだけでなぐ外力が加えられたことによる心理的作用によっても変化する。例えば、移動体が前方 (視線方向と一致）へ加速する場合、乗員は、視線方向の中央部分だけを認識しょうとする状況、すなわち、視野が狭まった状態となる。この現象は、医学上「外力ストレスによる視野狭窄」と呼ばれている。しかし、乗員である人の眼球には、視野角を変化させる機能はなぐ視野狭窄の現象は心理的作用として起きる現象である。また、移動体が左右どちらかの方向に旋回する場合や、上昇又は下降する場合、乗員は、無意識に移動体の移動する方向を向こうとする傾向がある。すなわち移動体の移動方向に視線方向が変化する。視線方向が変化することでも、視野も変化する。このように、加速度や遠心力などの外力は、乗員に心理的変化をもたらし、その結果、認識上の視野の変化を生じさせる。

[0052] 本発明の実施の形態例では、外力、さらにはそれによる心理的影響により変化する視野に対応する画像を作り出すことで、実空間でその画像を見る人に、あたカゝも外力が加わったかのような感覚を与える手法を提供する。

[0053] 以下、（1)移動体が前後方向に加減速する場合、（2)移動体が左右方向に旋回する場合、（3)移動体が上下方向に加減速する場合に分けて、本実施の形態例について詳しく説明する。

[0054] 図 3は、本実施の形態例を説明する上でのモデルを示す図である。移動体 10の内部に乗員 12がいる。視点 Mは、乗員 12の頭部付近に設定され、視点 Mから視線方向 Sを見ると、視線方向 Sの視野範囲にある移動体内部構造物 10aと移動体 10からの外景がみえる。初期状態として、乗員 12の視線方向 Sは、移動体 10の前方を向いており、移動体は、静止状態又は前方に向かって直線定速で移動しているものとする。 [0055] (1)移動体が前後方向に加減速する場合

図 4は、移動体 10が前方に加速する場合の視点の変化を示す図である。図 4に示されるように、移動体 10が前方へ加速する場合、慣性の法則により乗員 12はその場に置いておかれようとするため、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して相対的に後退する（移動体の移動方向と反対方向にずれる。

[0056] 図 5は、移動体 10が前方加速前と前方加速中の視野を説明する図である。図 5に示されるように、後退した視点 M力も視線方向 S (移動体の前方)を見た視野は、後退前の視点 M力の視野よりも広くなる。移動体の前方への加速時の加速度を αとすれば、乗員の視点に力かる力 Fは、

F[N] =m[kg] X a [m/s²] (mは、乗員の重さ）

と示され、視野の後退は、この力 Fによって引き起こされるので、それに伴う視野の拡大は、加速度 αにも比例することになる。従って、静止時又は一定速度状態時の視野対角線長を wとすると、加速時の視野対角線長 Wは、

W[m] =n X w[m] X a [m/s²] (nは、任意の倍率定数） …ひ）

と定義することができる。すなわち、移動体 10が前方に加速している状況を画像で表現するには、乗員の視点を後方に W—wだけずらせばよい。ただし、現実的には、加速度変化により視野範囲が瞬時に変化するわけではないので、加速時は、倍率定数 nを時間変化とともに徐々に大きくし、加速終了時も、瞬時に視点を元の状態 (静止時又は一定速度状態時の視野対角線長 w)に戻すのではなぐ所定時間をかけて戻す。

[0057] さらに、移動体が前方に加速しているとき、乗員の意識は、前方へ集中し、前方の一点を注視しょうとするため、視野狭窄現象が生じる。人の眼球には、視野範囲を可変的に変化させる能力はないので、これは、心理的作用であって、実際に視野が狭まっているわけではないが、意図的に視野を狭めた画像を生成することで、実空間でその画像を見る人が体感する加速感をさらに強調することができる。

[0058] なお、上記移動体の前方加速に基づ!/、た視点の後退により視野が拡がり（第一段階)、この心理的作用により視野が狭まる（第二段階)のは、相反するものであり、合算すると結果的に変化がないかのようであるが、第一段階の処理で生成される画像は、視点移動前の画像とは、移動体内部構造物までの視点距離が異なるため、第二段階の処理により視野が狭められても、立体透視 (パースペクティブ）は全く異なるものとなり、生成される画像も別の見え方となる。以下、第一段階及び第二段階の処理による画像の見え方の相違について、具体的に説明する。

[0059] 図 6乃至図 9は、第一段階及び第二段階の処理による画像の見え方について説明する図である。一例として、図 6に示すような視点側に口の開いた立方体が 3つあるとする。これを加速前の視点からみると、図 7のように見える。すなわち、視点から中央の立方体までの距離と視点力も左右の立方体までの距離の比が比較的大きいことから、左右の立方体は歪んで見える。

[0060] 一方、加速時に乗員の視点が後退した場合は、図 8のように見える。すなわち、視点が後退しているために、 3つの立方体はともに小さく見えている力視点から中央の立方体までの距離と視点力左右の立方体までの距離との比は、前方加速前の場合より小さいことから、左右の立方体の歪みは、認識しづらくなる。ここで、視野狭窄現象が生じると、見えているものが拡大されたように見える。すなわち、視野狭窄の状況を画像表現するには、図 8の画像を拡大すればよい。すなわち、図 9 (b)に示すように、図 8に示される立方体の大きさを、加速前の視点力の画像（図 9 (a)の画像 ( 図 7と同様の画像)）における立方体の大きさとほぼ同程度になるように拡大する。図 9 (a)と (b)の画像は、同一?見野範囲のものであるが、左右の立方体の歪み具合が異なり、異なる立体透視となっていることがわかる。

[0061] 図 10は、上述の説明を数学的に検証するための図である。 3次元仮想空間内の 1 点をスクリーン上に投影する場合を考える。図 10において、今、視点 Uは Z軸上の原点から

距離 Lの位置にあり、画像を投影すべきスクリーンは、 XY平面と仮定する。検証を簡単にするため、 3次元仮想空間を Y座標上空から見下ろした XZ座標に限定すると、仮想空間上の任意の点 P(x,y)は、スクリーン上の座標 Pl(L/(L + z) 'x,0)に投影される

[0062] この視点をさらに Δ L後退した視点 Vを考えるとき、任意点 Pの投影座標 P2は、

P2 = (((L+ A L)/(L+ A L+z))-x,0) となる。座標 PIに関わる係数 L/(L+z)と座標 P2に関わる係数 (L+ A L)/(L+ A L+z) とは、明らかに比例関係にないから、視点 Vから見て投影された画像をいくら拡大 '縮小しても

、視点 Uから見える画像とは同一となり得ないことがわかる。

[0063] なお、前方に移動して、る移動体 10が減速する場合 (加速度が負）や、移動体 10 が後方 (視線方向と反対方向）に加速する場合は、上述の場合とは反対に、乗員 12 は、前のめり状態になるので、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して前方にずれる。視点 Mをずらす距離は、上記前方に加速する場合と同じである。視点 Mが前方にずれた画像を生成することで、移動体 10の内部構造物 10aが大きくなるような画像が表示される。この場合は、視野狭窄現象は生じないので、上記第二段階の処理は行われない。また、後方に移動体 10が移動している状態力も減速する場合は、上述の前方への加速と同じであり、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して相対的に後退する。ただし、この場合も、視野狭窄現象は生じない。

[0064] (2)移動体が左右方向に旋回する場合

図 11は、移動体 10が左方向に旋回する場合の視点及び視線方向の変化を示す図である。まず、移動体 10が左方向に旋回を始めると、乗員 12は遠心力により右方向に移動する。これにより、乗員 12の視点 Mも右方向に移動する。

[0065] 図 12は、移動体 10の旋回前と旋回中の視野の変化を説明する図である。図 12に示されるように、視点 Mが右方向に移動することにより、視野も右方向にずれる。視野が右にずれることで、特に、乗員 12の手前にある移動体内部構造物 10aの位置が相対的に大きく左方向にずれることで、視野が右にずれたことを明確に認識することができる。

[0066] 速度 Vの移動体が半径 rで旋回を始めたとき、視点である乗員には、

F[N] =m[kg] X (v [m/s]/r[m]) (mは乗員の重さ）

の力がかかるが、この式は、向心加速度を αとすれば、

F[N] = m[kg] X a [m/s²])

とも表すことができる。旋回が水平面にあるとき、遠心力は、向心力の反力であるから、遠心力による視点 Mの移動は、向心加速度 αに比例することになる。従って、上記 (1)式に従って、視点 Mの移動距離を求めることができる。旋回の場合についても、直線の速度変化と同様に、視野範囲が瞬時に変化することはないので、同じ向心力口速度 (Xがー定時間加えられる場合であっても、視点 Mは所定時間をかけて徐々に遠心力方向に移動し、旋回運動から直線運動に戻る場合も、視点 Mは所定時間をかけて徐々に向心力方向に移動し、旋回の終了とともに、旋回前の元の位置に戻る。

[0067] また、視点 Mが遠心力方向に移動した後、さらに、旋回が続いている場合は、視点 Mの移動とともに、視線方向 Sも変化する。乗員 12は、心理的に旋回方向を注視しようとする意識が働くため、例えば、乗員 12は、左旋回時は、左方向を向こうとする。これを画像表現するために、遠心力の大きさ、すなわち向心加速度の大きさに応じて、視線方向 Sを左方向に回転させる（最大 40度〜 60度程度)。これにより、視線方向 S は、前方斜め左方向となる。この視線方向 Sの変化も、遠心力による視点の変化と同様に、所定時間をかけて徐々に変化させるようにすることが好ましい。

[0068] このように、視点 Mを遠心力方向へ移動し、さらにその後、旋回方向へ視線方向を回転させた画像を生成することで、この画像を見る実空間の人は、遠心力に抗しながら旋回する感覚を体感することができる。

[0069] さらに、移動体 10が左右方向に旋回するときに移動体 10が傾く場合は、その傾斜による視線方向 Sの変化も考慮されることが好ましい。移動体 10が航空機又は鉄道の場合、遠心力に抗し、向心力を積極的に発生させるため、移動体が旋回する方向へ意図的な傾斜が行われる。

[0070] 図 13乃至図 15は、移動体 10が旋回方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。図 13 (a)に示すように、一例として、航空機のような移動体 10が左方向に旋回すると、乗員 12は、旋回当初、移動体 10が傾く心理的不安感カも外景を水平に保とうと試みる。すなわち、乗員 12はその頭部を水平に維持しょうとする。これを画像表現するには、移動体が傾斜し始めた場合に、視線方向をそれに追従させず、すなわち、視線方向を移動体の傾斜方向に回転させず、視線方向を水平に維持する。これにより、図 13 (b)に示すように、外景は水平に見える力移動体 10は傾斜しているので、乗員の目の前の移動体内部構造物 10aが傾いて見えるような視野に対応する画像を再現することができる。 [0071] さらに、旋回が安定状態に入るにつれ、乗員 12は、遠心力の移動体垂直方向への分力が重力の一部であるかのように誤認するようになり、心理的不安感が減少するために、移動体 10の傾きに追従しょうとするようになる。図 14は、移動体 10が旋回方向に傾斜する場合に乗員 12にかかる力を示し、乗員 12にかかる遠心力を、傾斜している移動体の水平方向成分と垂直方向成分とに分ける。旋回が安定状態に入ると、その垂直方向成分が、乗員 12が重力と感じる分力となり、水平方向成分が、乗員 12が遠心力と感じる分力となる。すなわち、乗員 12は傾斜を感じなくなり、移動体 10の傾斜に視線方向をあわせようとする。その結果、図 15 (a)に示されるように、視線方向 S は移動体 10の傾斜方向に回転し、図 15 (b)に示すように、乗員 12の視野において、乗員 12の視点 Mから見える移動体内部構造物の傾きはなくなり、今度は、外景の方が傾いて見えるようになる。これを画像表現するには、視線方向を移動体 10の傾斜角度だけ移動体の傾斜方向に回転させる。このように、移動体 10の傾斜を考慮して視線方向を回転させた画像を生成、表示することで、実空間でその画像を見る人は、旋回中の移動体 10の傾斜を体感することができる。

[0072] なお、航空機や鉄道のような移動体 10は、上述したように、移動体 10の旋回方向に傾斜するが、例えば、自動車などは、遠心力の影響を受け、旋回方向とは反対方向に傾斜する。

[0073] 図 16及び 17は、移動体 10が旋回方向と反対方向に傾斜する場合の視野の変化を説明する図である。図 16は、左旋回中の自動車を後方力も見た図であって、自動車が右方向に傾斜している状態が示されている。このとき、上述同様に、乗員は、旋回当初、移動体が傾く心理的不安感カも外景を水平に保とうと試みる。従って、これを画像表現する場合は、移動体が旋回方向と反対方向に傾斜する場合であっても、移動体が傾斜し始めた場合に、視線方向をそれに追従させず、すなわち、視線方向を移動体の傾斜方向に回転させず、視線方向を水平に維持する。これにより、図 17 に示すように、外景は水平に見える力移動体は傾斜しているので目の前の移動体構造物が傾、て見えるような視野に対応する画像を再現することができる。旋回が安定状態に入った場合も、上述同様である。すなわち、視線方向を移動体の傾斜角度だけ視線方向軸周りに移動体の傾斜方向（この場合、右方向）に回転させればよい。 [0074] (3)移動体が上下に加減速する場合

図 18は、移動体 10が上方向に加速する場合の視点の変化を示す図である。図 18 に示されるように、例えば、移動体 10が上方向へ加速する場合、慣性の法則により乗員はその場に置いておかれようとするため、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して相対的に下方向に移動する。このため、視野も下方向にずれることになる。

[0075] 図 19は、移動体 10の上昇前と上昇中の視野の変化を説明する図である。図 19に示されるように、視点が下方向に移動することにより、視野も下方向にずれる。視野が下にずれることで、特に、乗員 12の手前にある移動体内部構造物 10aの位置が相対的に大きく下方向にずれることで、視野が下にずれたことを明確に認識することができる。

[0076] 移動体の下方向への加速時の加速度を αとすれば、乗員に力かる力 Fは、

F[N] =m[kg] X g [m/s²] +m[kg] X a [m/s²] (gは重力加速度、 mは乗員の重さ）と示される。ただし、乗員は、日常重力の影響を認識しておらず、また、これにより、視点の変化も起こしていないことから、視点変化に影響のある実質的力 fは、力 Fから重力加速度 gnによる影響を除、た値

f[N] =m[kg] X a [m/s²]

となり、それに伴う乗員 12の視点 Mの移動は、加速度 αに比例する。従って、上記（ 1)に従って、視点の移動距離を求めることができる。上述同様に、速度変化の開始（加速度発生）により視野が瞬時に変化するわけではないので、この場合も、視点 Μは所定時間をかけて徐々に移動させることが好ま U、。

[0077] また、移動体 10の旋回の場合と同様に、視点 Μが下方向に移動した後、さらに、下方向への移動が続いている場合は、視点 Μの移動とともに、視線方向 Sも変化する。乗員 12は、心理的に移動方向を注視しょうとする意識が働くため、例えば、上昇時は、前方から上方向を向こうとし、加速度の大きさに応じて視線方向 Sを上方向に回転させる（最大 40度〜 60度程度)。従って、視線方向 Sは、前方斜め上方向を向くことになる。この視線方向 Sの変化も、所定時間をかけて徐々に変化させるようにする。すなわち、上昇開始前は、前方を向いている視線方向（上方向に対する角度 0度）を、上方向への加速開始とともに、視線方向の上方向への角度を徐々に大きくする（所定角度に達したら、その角度で固定)。その状態力減速する場合は、逆に、角度を徐々に小さくし、上方向への角度 0度の状態に戻す。

[0078] 上方に移動して、る移動体 10が減速する場合 (加速度が負）や、移動体 10が下方に加速する場合は、上述の場合とは反対に、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して上方にずれる。視点 Mをずらす距離は、上記上方に加速する場合と同じである。また、下方に移動体 10が移動している状態力も減速する場合は、上述の前方への加速と同じであり、乗員 12の視点 Mは、移動体 10に対して下方移動する。

[0079] このように、視点を上下方向へ移動し、さらにその後、上下方向へ視線方向を回転させた画像を生成することで、この画像を見る実空間の人は、移動体が上下動する感覚を体感することができる。

[0080] 図 20及び図 21は、本発明の実施の形態における視点及び視線方向の制御フローチャートである。図示される処理フローは、フレーム期間毎に繰り返される。図 20において、まず、乗員の視点は、移動体内部の所定位置に位置決めされるよう、移動体の移動に追従して移動する（S 10)。そして、移動体が前後方向、上下方向に加速することによる加速度、又は左右方向に旋回することによる向心加速度を検知すると（S 12)、以下の処理により、視点の位置をさらに移動させ、また、視線方向を回転させる。ステップ S14は、移動体の前後方向に加速度を検知した場合であって、上述した（ 1)移動体が前後方向に加減速する場合の処理に対応する。この場合、正の加速度

(速度増大)であれば、その加速度の大きさに応じて、移動体の移動方向と反対方向に視点を移動させ、負の加速度 (速度減少）であれば、その加速度の大きさに応じて、移動方向に視点を移動させる。また、図 21のステップ S36にあるように、移動体が前方への速度増大であれば、上述した視野狭窄現象を画像表現するため、ステップ S35で生成された画像を所定倍率に拡大し、その中心領域を含むフレーム画像を生成し（S37)、ディスプレイ 108に表示される（S40)。

[0081] ステップ S16乃至 S26は、移動体の左右方向に向心加速度を検知した場合であつて、上述した（2)移動体が左右方向に旋回する場合の処理に対応する。この場合、まず、向心加速度に応じて、視点を移動体に対して、その向心加速度の方向と反対の方向（遠心力の方向）に移動させる（S16)。そして、ステップ S12において向心加速度の検知が継続し、それが所定時間経過した場合は（S18)、向心加速度に応じて視線方向を旋回方向に所定角度回転させる（S20)。さらに、移動体が傾斜しており（S22)、それがステップ S 12において向心加速度の検知開始力も所定時間経過した場合は（S 24)は、移動体の傾斜角に応じて、視線方向を傾斜方向に回転させる（ S26)。なお、上記ステップ S18及び S20の処理と、上記ステップ S22、 S24及び S2 6の処理は、その順序が逆であってもよい。

[0082] ステップ S28乃至 S32は、移動体の上下方向に加速度を検知した場合であって、上述した（3)移動体が上下方向に加速する場合の処理に対応する。この場合、正の加速度 (速度増大)であれば、その加速度の大きさに応じて、移動体の移動方向と反対方向に視点を移動させ、負の加速度 (速度減少）であれば、その加速度の大きさに応じて、移動方向に視点を移動させる（S 28)そして、ステップ S 12において上下方向の加速度の検知開始から定時間経過した場合は（S30)、加速度に応じて視線方向を移動方向（上下方向）に所定角度回転させる（S32)。

[0083] 図 21において、このようにして設定された視点及び視線方向に基づく二次元画像が生成され（S34)、ディスプレイ装置に表示される（S40)。そして、シミュレーションが終了するまで（S42)、上記ステップ S10乃至 S40の処理がフレーム期間（例えば 1 Z60秒)毎に繰り返される。

[0084] 本実施の形態例においては、フライトシミュレータのように、実空間にいる人が画像を見ながら操縦桿のような入力手段を操作して、仮想空間内の移動体を移動させてもよいし、また、ジェットコースターを模擬体感するシミュレーション装置のように、実空間にいる人は、何の操作も必要とせずに、仮想空間内の移動体があら力じめ決められた所定の移動を行うようにしてもょ、。

Claims

請求の範囲

[1] 三次元仮想空間内に配置された移動体の内部に設定され且つ前記移動体の移動に伴って移動する視点から所定の視線方向を中心として広がる所定の視野範囲を二次元画像で表示する移動体シミュレーション装置において、

前記移動体の移動方向、及び加速度又は向心加速度を検出する検出手段と、前記移動方向、及び前記加速度又は前記向心加速度に基づいて、前記視点の位置を前記移動体に対して移動させて設定する設定手段と、

前記設定手段により設定された前記視点に基づいた前記二次元画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[2] 請求項 1において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体の移動方向が前記移動体の前方である場合、

前記検出手段が、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定し、

前記検出手段が、前記移動体の前方への減速による前記加速度を検出すると、前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[3] 請求項 2において、

前記検出手段が、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記画像生成手段は、前記設定手段により設定された前記視点に基づいた二次元画像を所定倍率拡大した画像を生成することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[4] 請求項 1において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体の移動方向が前記移動体の後方である場合、

前記検出手段が、前記移動体の後方への加速による前記加速度を検出すると、前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定し、

前記検出手段が、前記移動体の後方への減速による前記加速度を検出すると、前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[5] 請求項 1において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して左右方向に旋回しながら移動する場合、

前記検出手段が、前記移動体の前記向心加速度を検出すると、

前記設定手段は、前記移動体の前記向心加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して、前記移動体の旋回により発生する遠心力の方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[6] 請求項 5において、

前記設定手段は、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記向心加速度に応じて、前記視線方向を前記移動体の旋回方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[7] 請求項 5又は 6において、

前記移動体が前記左右方向に傾斜して、る場合、

前記設定手段は、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記移動体の傾斜角に応じて、前記視線方向を前記移動体の傾斜方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[8] 請求項 1において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して上方向に移動する場合、

前記検出手段が、前記移動体の前記上方向への加速による前記加速度を検出すると、

前記設定手段は、前記加速度の大きさに基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定し、

前記検出手段が、前記移動体の前記上方向への減速による前記加速度を検出すると、

前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[9] 請求項 8において、

前記設定手段は、前記視点を前記下方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記上方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーシヨン装置。

[10] 請求項 1において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して下方向に移動する場合、前記検出手段が、前記移動体の前記下方向への加速による前記加速度を検出すると、

前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定し、

前記検出手段が、前記移動体の前記下方向への減速による前記加速度を検出すると、

前記設定手段は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーション装置。

[11] 請求項 10において、

前記設定手段は、前記視点を前記上方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記下方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーシヨン装置。

[12] 三次元仮想空間内に配置された移動体の内部に設定され且つ前記移動体の移動に伴って移動する視点から所定の視線方向を中心として広がる所定の視野範囲を二次元画像で表示するための移動体シミュレーションプログラムにおいて、

前記移動体の移動方向、及び加速度又は向心加速度を検出する検出処理と、前記移動方向、及び前記加速度又は前記向心加速度に基づいて、前記視点の位置を前記移動体に対して移動させて設定する設定処理と、

前記設定処理により設定された前記視点に基づいた前記二次元画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[13] 請求項 12において、

前記検出処理が、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定し、

前記検出処理が、前記移動体の前方への減速による前記加速度を検出すると、前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[14] 請求項 13において、

前記検出処理が、前記移動体の前方への加速による前記加速度を検出すると、前記画像生成処理は、前記設定処理により設定された前記視点に基づいた二次元画像を所定倍率拡大した画像を生成することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[15] 請求項 12において、

前記検出処理が、前記移動体の後方への加速による前記加速度を検出すると、前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して前方に移動させて設定し、

前記検出処理が、前記移動体の後方への減速による前記加速度を検出すると、前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して後方に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[16] 請求項 12において、

前記検出処理が、前記移動体の前記向心加速度を検出すると、

前記設定処理は、前記移動体の前記向心加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して、前記移動体の旋回により発生する遠心力の方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[17] 請求項 16において、

前記設定処理は、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記向心加速度に応じて、前記視線方向を前記移動体の旋回方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[18] 請求項 16又は 17において、

前記移動体が前記左右方向に傾斜して、る場合、

前記設定処理は、前記視点を前記遠心力の方向に移動させた後、前記移動体の傾斜角に応じて、前記視線方向を前記移動体の傾斜方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[19] 請求項 12において、

前記検出処理が、前記移動体の前記上方向への加速による前記加速度を検出すると、

前記設定処理は、前記加速度の大きさに基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定し、

前記検出処理が、前記移動体の前記上方向への減速による前記加速度を検出すると、

前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[20] 請求項 19において、

前記設定処理は、前記視点を前記下方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記上方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーシヨンプログラム。

[21] 請求項 12において、

前記視線方向が前記移動体の前方を向いており、前記移動体が、前記視線方向に対して下方向に移動する場合、

前記検出処理が、前記移動体の前記下方向への加速による前記加速度を検出すると、

前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して上方向に移動させて設定し、

前記検出処理が、前記移動体の前記下方向への減速による前記加速度を検出すると、

前記設定処理は、前記加速度に基づいて、前記視点を前記移動体に対して下方向に移動させて設定することを特徴とする移動体シミュレーションプログラム。

[22] 請求項 21において、

前記設定処理は、前記視点を前記上方向に移動させた後、前記加速度に応じて、前記視線方向を前記下方向に回転させて設定することを特徴とする移動体シミュレーシヨンプログラム。