WO2007138866A1

WO2007138866A1 - ３次元投影法および３次元図形表示装置

Info

Publication number: WO2007138866A1
Application number: PCT/JP2007/060106
Authority: WO
Inventors: Yasushi Hiraoka
Original assignee: Furuno Electric Co., Ltd.
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2007-12-06
Also published as: JP2007316439A; JP5164341B2

Abstract

原点Ｏを通る鉛直線を回転中心線とする逆円錐面ＲＣに仮想の投影用領域ＰＡを設定し、扇型の表示対象領域ＯＡを投影用領域ＰＡに投影する。視点Ｖには、鉛直線上の基準位置ＱＣからオフセットをもたせ、視点Ｖから投影用領域ＰＡを通して表示対象領域ＯＡを見たときの視線が前記鉛直線を通るように視点Ｖを円弧状に移動させる。これにより、３次元的表示画像上において物標の方位と距離の把握を容易にし、自船近傍を含めた視認性の高い表示を可能とし、投影のための計算量を削減する。

Description

明細書

3次元投影法および 3次元図形表示装置

技術分野

[0001] この発明は地図を斜め方向力見下ろしたような視覚効果を与える表示を行うための 3次元投影法およびそれを適用した 3次元図形表示装置に関するものである。背景技術

[0002] 例えばナビゲーシヨンシステムのような地図を表示するシステムにおいて、近年のコンピュータの処理能力の向上にともない、地図や風景を鳥瞰図的に表示するようにしたものが多くみられる（例えば特許文献 1参照)。

[0003] それらは、基本的にカメラで写したような画像を表示することを前提にしていて、仮想的な現実感を確保する意味で利便性をもってヽる。このカメラで写したような画像を得る操作を以下「カメラ的投影法」という。このカメラ的投影法は、視点を定め、一定の開口角を有する矩形平面の投影用領域 (開口：アパーチャ)を中心視線に対して垂直に配置し、表示対象領域の各点を前記投影用領域に投影 (その矩形領域に対応する表示用メモリにプロット）し、これを表示装置で表示するという方法である。

[0004] 図 1 ·図 2は特許文献 1に示されている鳥瞰図表示のための座標変換の例を示している。図 1は、台形状の表示対象領域と画像表示装置画面 (投影用領域)との関係を示す斜視図である。また図 2は、図 1における z軸と y軸を含む平面での断面図である。画像表示装置画面 (投影用領域)は、高さ hの視点から表示対象領域を見た俯角の中央である中心視線に対して垂直な矩形平面である。

特許文献 1：特開平 7— 220055号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] しかし、ナビゲーシヨン機器などにおいて地図を表示する場合には、前記カメラ的投影法を用いることは以下に述べる点で不都合であった。

[0006] 第 1に、方位や距離が明確でないことが挙げられる。

特定の方位に存在する障害物や方位線は 3次元的表示画像上においても視覚的に瞭然と把握できることが重要である。し力し従来のカメラ的投影法では画面の中央 (正面)方向と画面の左右端方向とでは距離感が異なる。このことに関連して、特定方位についてのターゲットは一直線に並んで表示 (投影）されはするが、等方位線などの補助線無しではどのような方位角に位置するの力判然としない。また、複数の物標がほぼ同じ方位で別の距離に位置するような場合に、それらの相対的な方位関係が直感的には把握しにくい。このことは距離についても同様である。例えば 2つの物標がほぼ同じ距離で別方位に表示されるような場合に、等距離線などの補助線無しでは、どちらの物標が遠、のか近、のかが判然としな!、。

[0007] 第 2に、視点近傍 (足下 [あしもと])を含めた表示に不便さがあることである。

3次元的表示においては、視点が一定の高さにあることが前提である。その視点から俯瞰する形で、近傍と遠方の両方をカメラ撮影のように矩形領域 (2次元画面）に投影することで 3次元的表現を得るわけであるが、限られた矩形領域へ投影するので、表示画面の表示範囲に足下を含めると一般的に中距離域力遠距離域にかけての画像が、表示画面上の上部に「圧縮」されて表現されてしまう。すなわち、表示画面の大半が足下の画像で占められることになる。あるいは、投影用領域の採り方によつては近傍のみの表示になってしまう。人間や TVカメラの場合には、足下を見るときは遠方を見るのをあきらめ、俯角を変える (パンする）ことで遠方をみる習性があるので不都合は感じないが、固定的な投影条件が多い 3次元的表示の場合には、足下を表現することを事実上捨てなければ良好な画像が得られないことになる。しかし、例えば航海機器の表示装置においては、足下すなわち自船近傍をオミットして中距離域以遠だけを表示すると、う固定的な投影は安全の観点力採ることのできな、選択である。

[0008] 第 3に、画像を作成するための計算量の問題である。

従来のカメラ的投影法で 3次元的表示を行う方法は、表示対象領域の 3次元位置情報と色などの表示属性とともに静的に内蔵している地理的情報データベースを逐一スキャンし、それらが投影用領域のどこに投影される力を計算し、その投影用領域と等価な描画用メモリへ計算結果をプロットしていくというものであった。そして、この表示対象領域と投影用領域との関係は、座標的にも図形的にも「平行」ではなぐ一次変換の投影計算を行うものであった。

[0009] つまり、オブジェクトの位置が決まって、表示属性を得て、投影用領域にヒットすることがわ力つたとき、その投影用領域の X方向、 y方向それぞれについて、元のオブジェタトの位置情報 (少なくとも 2つの変数）による 1次変換とスケーリング計算 (通常割り算 )が必要である。

[0010] すなわち、表示対象領域の各点毎に実数マトリクス演算が必要であるので、全体としては大きな計算負荷となる。

[0011] そこで、本発明は前記各課題を解消して、 3次元的表示画像上において物標の方位と距離の把握を容易にし、視点近傍を含めた視認性の高い表示を可能とし、投影のための計算量を削減した 3次元投影法および 3次元図形表示装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] 前記課題を解決するために、この発明の 3次元投影法および 3次元図形表示装置は、次のように構成する。

[0013] (1) 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とする回転面上に、表示対象領域の 3次元情報を投影するデータプロットステップと、

前記投影データを、一方の軸を方位方向、他方の軸を距離方向とする直交座標系に表示するデータ表示ステップと、を含んで 3次元投影を行う。

[0014] (2)前記データプロットステップは、例えば、前記鉛直線上の所定高さにある視点から、前記回転面上に前記 3次元情報を投影するものとする。

[0015] (3)前記データプロットステップは、例えば、前記鉛直線に対して垂直且つ所定高さで交わる平面上で、該平面と前記鉛直線との交点を中心とした円弧上に視点を設け、前記回転面へ投影する表示対象領域の方位に応じて、前記視点を前記円弧に沿って移動させるものとする。

[0016] (4) 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線上の所定高さにある視点から見た方位方向および距離方向にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域を仮想の投影用領域とし、前記視点から前記投影用領域を通して表示対象領域を見たとき、視線の先端にある前記表示対象領域のデータを前記視線が交わる前記投影用領域上の点のデータとして求めるとともに、前記投影用領域に対応する描画用メモリへ前記データを書き込むデータプロットステップと、

前記描画用メモリのデータを、前記方位方向を一方の軸、前記距離方向を他方の軸とする直交座標系の画像として表示するデータ表示ステップと、によって 3次元投影を行う。

[0017] (5) 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線を通り且つ該鉛直線に対して垂直に交差する平面上で、当該平面と前記鉛直線との交点を中心とする円弧上に位置する視点力見た方位方向および距離方向にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域を仮想の投影用領域とし、前記視点力も前記投影用領域を通して表示対象領域を見たとき、視線の先端にある前記表示対象領域のデータを前記視線が交わる前記投影用領域上の点のデータとして求めるとともに、前記投影用領域に対応する描画用メモリへ前記データを書き込むデータプロットステップと、

[0018] (6)前記回転面は、前記 3次元上の所定位置にある鉛直線を中心とする例えば逆円錐面とする。

[0019] (7)前記データプロットステップは、例えば前記表示対象領域の距離方向を向く直線上の各点と前記投影用領域の距離方向（表示画面上での縦方向）を向く直線上の各点との対応関係を表すパラメータによって、前記投影用領域上の点のデータを求めるものとする。

[0020] (8)地理的情報のデータベースから前記表示対象領域の距離方向と方位方向を座標とするオブジェクトを抽出するオブジェクト抽出ステップを備え、前記データプロットステップは、前記オブジェクトを距離方向と方位方向に走査するものとする。発明の効果

[0021] この発明によれば、表示対象領域のデータを投影する投影用領域が、 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線上の所定高さにある視点力も見た方位方向および距離方向（この「方向」を、視点から見下ろす角度変化の方向と捕らえると、「俯角方向」と言うこともできる。）にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域であり、投影用領域上の各点のデータである描画用メモリのデータを、方位方向を一方の軸、距離方向を他方の軸とする直交座標系の画像として表示することができる。そのため、表示画面に等方位線を描くとすれば、その等方位線は表示画面の縦方向を向いて等間隔に平行に並ぶことになる。また、表示画面に等距離線を描くとすれば、その等距離線は表示画面の横方向を向いて平行に並ぶことになる。したがって、物標の方位と距離の把握が容易となる。

[0022] また、従来のカメラ的投影法では、画面の各ピクセル (画面幅 wドット、画面高さ hドットの場合 w X h)について三角関数の演算による座標変換 (回転操作)を行う必要があるが、この発明では、投影用領域の方位方向への投影位置を求める計算自体が簡易であり、投影用領域の距離方向のどの位置でも表示対象領域の方位が一定であるので、演算回数も従来のカメラ的投影法に比べて lZhで済む。全体で見た場合には、距離方向の計算量は従来どおり同じで、方位方向の計算量は lZhに減少する。そのため、全体の計算量は、従来が「縦方向の計算」 +「横方向の計算」に対して、本発明は「縦 (距離)方向の計算」 +「横 (方位)方向の計算 Zh」になり、約半分になる。

[0023] また、この発明によれば、表示対象領域の距離方向を向く直線上の各点と投影用領域の距離方向を向く直線上の各点との対応関係を表すパラメータ (距離方向のマッビングパラメータ）によって、前記投影用領域上の点のデータを求め、このパラメ一タの設定によって近距離域力遠距離域に力けて視認性の高い表示が可能となる。

[0024] また、この発明によれば、地理的情報のデータベースから表示対象領域の距離方向と方位方向を座標とするオブジェクトを予め抽出し、そのオブジェクトを距離方向と方位方向に走査することによって、表示対象領域の各点を投影用領域の各点へ投影すれば、表示対象領域の距離方向に並ぶ各点を投影用領域の距離方向に並ぶ各点へ容易に投影できる。

発明を実施するための最良の形態 [0025] 《第 1の実施形態》

この発明の第 1の実施形態に係る 3次元投影法について図 3を参照して説明する。図 3は、表示対象領域、投影用領域、視点、視線等の関係を示す図である。図 3 (A )において、 3次元上の原点 Oを通る鉛直線を回転中心線とする逆円錐面 RCを考え、前記鉛直線上の所定高さにある視点 V力も表示対象領域 OAを見たとき、その視線が逆円錐面 RCと交わる点が存在する領域が投影用領域 PAである。

[0026] ここで、表示対象領域 OAは原点 Oを通る一定角度開いた 2つの直線上の線分 L1

-L2, R1— R2と、この 2つの線分を円弧でつないだ扇状台形を成している。これに対応して投影用領域 PAは、原点 Oを通る所定角度開いた 2つの直線上の線分 PL1 -PL2, PR1— PR2、およびこの 2つの線分を略楕円弧でつないだ略扇状台形を成している。なお直線 V— Cは、視点 V力も表示対象領域 OAの中央地点 Cを見たときの視線である。この中央地点 Cは、方位方向については 2つの線分 LI— L2, R1 - Rが成す角度の中央であり、距離方向につ!、ては所定の条件で定めたものである。

[0027] 図 3 (A)において投影用領域 PAの縦方向（原点 Oを通る直線方向）は本来「俯角方向」と言うことができる力この方向は表示対象領域 OAの距離方向に対応するので、前記投影用領域 PAの縦方向 (原点 Oを通る直線方向）を「距離方向」と言う。また投影用領域 PAの略楕円弧方向は方位方向であり、表示対象領域 OAの方位方向に対応している。

[0028] 図 3 (A)に示した投影用領域 PAおよび視点 Vの決定は、例えば次のようにして行うまず原点 0 (自船の位置）の座標（0, 0, 0)、視点 V (0, 0, Z)を決定する。

[0029] 次に、表示対象領域 OAの基準位置である中央地点 C (X, Y, 0)を決定する。この基準位置 Cは表示対象領域 OAの中心、重心、線分 R1— R2の中心、 L1 L2の中心等任意に設定できる。

[0030] 次に、原点 Oから V— Cを結ぶ直線に対して垂直に交わる直線 O— Pを引く。この直線 O— Pを、原点 Oを通る鉛直線を中心として回転させることにより、図 3 (A)に示した逆円錐面 RCが形成される。

[0031] 図 3 (B)は、（A)に示した投影用領域 PAを平面に展開した平面図である。このように展開した状態の投影用領域 PA' では、距離方向の直線は放射状に配置されることになる。

[0032] 図 3 (C)は、 (B)に示した投影用領域に仮想的に投影した画像を表示する表示画面の平面図である。表示画面 PA〃の各画素が描画用メモリの各画素に相当する。その四隅の点は、図 3 (A)に示した投影用領域 P Aの四隅 PL1, PL2, PR1, PR2にそれぞれ対応している。線分 PL1— PL2と線分 PR1— PR2は平行であり、線分 PL1 — PR1、 PL2— PR2も平行である。図における縦軸が距離方向、横軸が方位方向であり、両者は直交している。そのため、表示画面に等方位線を描くとすれば、図 3 (C) の実線 ALのように等方位線は表示画面の縦方向を向いて平行に並ぶことになる。また、表示画面に等距離線を描くとすれば、図 3 (C)の破線 DLのように等距離線は表示画面の横方向を向いて平行に並ぶことになる。

[0033] また、図 3 (A)に示したように、視点 Vは原点 Oを通る鉛直線上にあり、投影用領域 PAは原点 Oを頂点とする逆円錐面上にある。このような投影用領域 PAで、視点 Vから投影用領域 PAの方位方向に視線を移動させると、方位方向の角度変化と投影用領域 PAの横方向の移動距離とは比例関係になる。そのため、等方位線を一定方位角で描くとすれば、図 3 (C)の実線 ALのように等間隔に並ぶことになる。

図 4〜図 6はこの発明の 3次元投影法による表示例について示している。図 4 (A)は図 3 (C)に示したものと同様の、投影用領域に仮想的に投影した画像の表示画面上への表示例であり、表示画面の下辺が視点となる。これに対して図 4 (B)は従来の力メラ的投影法による表示画面の例である。カメラ的投影法では、視点が表示画面の下辺中央の 1点となり、等方位線を表示すれば、図中実線で示すように、視点から放射状に延びる直線として表示される。また、等方位線を表示すれば、前記視点を中心とする同心楕円状の曲線として表示される。

[0034] 図 5は、物標が存在する表示対象領域を含む平面図であり、図 5 (A)では原点 O ( 自船位置）を中心とする極座標グリッド状の補助線を表して、る。また図 5 (B)では船首方向に平行な直線と、それに直交する右舷左舷方向に平行な直線とによる方眼グリッド状の補助線を表している。ここで、自船から物標 S22までの距離は 500m、例としてピラミッド状に表した各物標の高さは 100mである。 [0035] 図 6は、図 5に示した物標を、原点 Oを通る鉛直線上の視点から見た 3次元投影による表示画像の例を示している。図 6 (A)はこの発明の 3次元投影法による表示例、図 6 (B)は従来のカメラ的投影法による表示例である。いずれも白線は図 5 (A)に示した極座標グリッド状の補助線である。ここで、視点の高度は 500mであり、表示画面の下辺が自船位置 (真下)である。

[0036] この発明の 3次元投影法によれば、図 6 (A)に示すように、前記極座標グリッド状補助線の放射方向に延びる直線が表示画面の縦方向に並ぶ等方位線として表示される。（この図では、前記補助線を敢えて太く描いているので、等方位線は近距離ほど太く表示している。）また、前記極座標グリッド状補助線の円周方向に延びる円弧線が表示画面の水平方向に平行に並ぶ等距離線として表示される。

[0037] これに対し、従来のカメラ的投影法では、図 6 (B)のように、視点が表示画面の下辺中央の 1点となり、前記極座標グリッド状補助線の放射方向に延びる直線が、視点から放射状に延びる等方位線として表示される。また、前記極座標グリッド状補助線の円周方向に延びる円弧線が、前記視点を中心とする同心楕円弧状の曲線として表示される。

[0038] 物標 Sl l、 S12、 S13は、図 5 (B)に示したように原点 Oから見て同一方位にある。

同様に物標 S21、 S22, S23ち原^; O力ら見て同一方位にあり、物標 S31、 S32, S3 3も原点 Oから見て同一方位にある。したがって従来のカメラ的投影法では、図 6 (B) に示したように、これらの物標は視点力放射状に並ぶため、補助線無しではこれらの物標の方位関係を把握することは困難であった。これに対してこの発明の 3次元投影法によれば、図 6 (A)に示したように、これらの物標が表示画面の縦方向に並んで表示されるので、複数の物標の方位関係が容易に把握できる。

[0039] このようにして表示対象領域の画像が直交座標系の画像として表示される際、立体的な画像の構成を保ちつつ、方位と距離が瞭然とし、物標の方位と距離の把握が容易となる。また、この 3次元投影法では、逆円錐表面の曲率が十分小さければカメラ的投影法と同等の 3次元的画像表現の感覚を失うことなぐそれでいて方位線は表示画面の縦方向を向く。方位を把握し易いということは、航行する上で航路上の障害物がどの方角にある力、複数の物標が相対的にどういう方位にある力、つた情報を読み取り易いという点で重要な意味を持つ。同様に、距離についても表示画面の縦方向に同じ高さにある物標は、等距離にあることが約束されるので距離比較が簡単に行える。

[0040] 《第 2の実施形態》

次に、第 2の実施形態に係る 3次元投影法について図 7〜図 9を参照して説明する図 7は、表示対象領域、投影用領域、視点、視線等の関係を示す図である。

[0041] 第 1の実施形態では、原点 Oを通る鉛直線上に視点 Vを配置したが、この第 2の実施形態では、原点 Oを通る鉛直線上の所定位置力表示対象領域を見る視線を考えたとき、その視線力所定オフセット分だけ後方に視点 Vを配置するものである。伹し、視点 Vは 1点ではなぐ視点 Vから表示対象領域 OAを見る視線が、前記鉛直線上を必ず通るように、前記視点 Vを移動させる。したがって、視点 Vは前記鉛直線に対して垂直且つ所定高さで交わる平面上で、該平面と前記鉛直線との交点を中心とした円弧に沿って移動することになる。

[0042] 例えば、視点 Vから見て表示対象領域 OAの左後方 (左遠方）の点 L2への視線は V—Q2—L2の直線である。また、右後方の点 R2を見る視線は V—Q2—R2の直線である。同様に、視点 V力見て表示対象領域 OAの左手前の点 L1を見る視線は V Q 1— L 1の直線であり、視点 Vから見て表示対象領域 OAの右手前の点 R1を見る視線は V—Q1—R1の直線である。また、表示対象領域 OAの中央地点 Cを見る視線は V—QC— Cの直線である。

[0043] 次に、図 7に示した投影用領域 P Aおよび視点 Vの決定方法について図 8を基に説明する。

まず図 8 (A)に示すように、原点 O (自船の位置)の座標 (0, 0, 0)、基準視点 QC ( 0, 0, Z)を決定する。

[0044] 次に図 8 (B)に示すように表示対象領域 OAの基準位置である中央地点 C (X, Y, 0)を決定する。この基準位置 Cは表示対象領域 OAの中心、重心、線分 R1— R2の中心、 LI— L2の中心等任意に設定できる。

[0045] 次に図 8 (C)に示すように、原点 O力 QC— Cを結ぶ直線に対して垂直に交わる直線 O Pを引く。この直線 O Pを、原点 oを通る鉛直線を中心として回転させることにより、図 7に示した逆円錐面 RCが形成される。

[0046] 次に図 8 (D)に示すように、視点 Vを基準視点 QC力もオフセットをもたせた位置とする。すなわち C— QCを結ぶ直線の延長線上にある点を視点 Vとする。このオフセット量 (QC—Vの距離)を調整することにより、表示対象領域 OAの遠近感 (パースぺクティブ)が変化する。基準視点 QCから見た場合、前記逆円錐面上の投影領域は、逆円錐の母線の図中太線で示す部分 O Tとなり、表示対象領域の近距離域 O じの投影領域に比べて表示対象領域の遠距離域 C Sの投影領域が小さくなる。これは、遠距離域の画像が画面上部に圧縮されて表示されることを意味する。

[0047] 一方、前記オフセットをもたせた視点 V力見ると、逆円錐面上の投影用領域は、逆円錐の母線 O Uとなり、表示対象領域の近距離域 O Cの投影領域に対する遠距離域 C Sの投影領域が広がる。そのため、前記オフセットをもたせ、そのオフセット量を適当に定めことにより、遠距離域が圧縮されて表示されるという問題が解消できる。

[0048] 図 9は、図 5に示した表示対象領域を 3次元図形表示する際に、視点の位置にオフセットをもたせた例である。ここで、視点 Vの高度は 500m、オフセット量は 1000m、表示画面の下辺が自船位置である。図 6に示した例では、自船近傍が距離方向に拡大され、遠方が距離方向に圧縮されて表示される傾向があるが、このようにオフセットをもたせること〖こよって、表示画面の下方 (近距離域)から表示画面の上方 (遠距離域）にかけて、距離方向の圧縮'拡大の差が顕著に表れず、近距離域も遠距離域も把握しやすくなる。

[0049] すなわち、オフセットがない図 3のような視点では、遠方と自船近傍の両方を見るために投影用領域を広げ、且つ俯角を下げる必要があるが、それによる表示画面の表示内容には自船近傍の情報が多く占めることになる。これに対してオフセットを設けて視点を後方にずらせることによって、遠方の情報をより精細に大きく表現し、自船近傍は比較的圧縮して表示される。

[0050] 前方を含めた一定の視野角を表示する際に、自船近傍を表示範囲に含めない方式は航行上安全な情報表示方式とはいえない。したがって、どうしても近傍は表示範囲に含めた、と、う事情はあるけれども、遠方を含む広範囲に亘つて表示したヽとヽう要求がある。このような事情を勘案すれば、この視点位置にオフセットをもたせる方式の優位性は明らかである。

[0051] 《第 3の実施形態》

次に、第 3の実施形態に係る 3次元投影法について図 10·図 11を参照して説明する。

第 1 ·第 2の実施形態では投影用領域 PAが逆円錐面をなすように設定したが、投影用領域は、原点 Oを通る鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面であればよぐ必ずしも逆円錐面でなくてもよい。図 10は原点 Oを通る鉛直線を含む断面図である。図 10において RC1は第 1 ·第 2の実施形態で示した逆円錐面であり、図 1 0では直線の母線として現れている。 RC2, RC3は、いずれも原点 Oを通る鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面であるが、非逆円錐面である。これらも図 10では曲線の母線として現れている。

[0052] この例では、原点 Oを通る直線上の視点 Vから表示対象領域 OAを見るとき、仰角範囲は Dal〜Da2、表示対象領域 OAの距離範囲は L1〜L2である。したがって、 P A1は逆円錐面 RC1の一部である投影用領域、 PA2, PA3は回転面 RC2, RC3の一部である投影用領域である。

[0053] 図 11は前記投影用領域 PA1、 PA2、 PA3の形状に応じて表示画面の縦軸方向の距離変化がどのように変化するかを示す図である。図 11 (A)は横軸に前記俯角をとり、縦軸に表示画面の縦軸をとつたものである。曲線 DY1は投影用領域 PA1による特性、曲線 DY2は投影用領域 PA2による特性、曲線 DY3は投影用領域 PA3による特性をそれぞれ表している。また図 11 (B)は横軸に表示対象領域 OAの原点 Oからの距離、縦軸に表示画面の縦軸をとつたものである。ここで曲線 LY1は投影用領域 PA1による特性、 LY2は投影用領域 PA2による特性、 LY3は投影用領域 PA3による特性をそれぞれ表して、る。

[0054] このように投影用領域の曲面形状によって表示画面の縦軸のスケールが変化する。この例では逆円錐面の投影用領域 PA1を用いた場合に表示画面の上方に遠距離域の画像が圧縮されて表示されるが、投影用領域 PA3を用いれば近距離域力ゝら遠距離域にかけて比較的リニアに表示されることになる。

[0055] 図 10に示した投影用領域 PA1、 PA2、 PA3等はいずれも仮想的な曲面である。この投影用領域の形状を変えることによって表示画面の縦軸のスケールが変化する、という考えを更に進めると、前記投影領域をどのような形状にするかという問題は、表示対象領域 OAの距離方向の各点を投影用領域の距離方向の直線上 (母線上)へどのようにマッピングするかという問題と等価であることが分かる。すなわち、表示画面の縦軸のスケーリングは、一般化すれば、所定の単調増加関数を用いて前記マツピングを非線形に行うことに相当する。このマッピングに用いる単調増加関数の設定によって、視点 Vにオフセットをもたせるとともに、そのオフセット量を調節することと同等の操作も行える。したがって、視点 Vの位置にオフセットをもたせる力オフセット量は 0にしたまま表示対象領域の距離方向力投影用領域の距離方向へのマッピングに非線形の関数を利用するかは計算量の少なヽ方を採ればょ、。

[0056] 《第 4の実施形態》

次に、第 4の実施形態に係る 3次元投影法について図 12·図 13を参照して説明する。

図 12は投影用領域と表示画面との関係を示す図である。図 12 (A)において、 3次元上の原点 Oを通る鉛直線を回転中心線とする逆円錐面 RCの所定領域が投影用領域 PAである。この投影用領域 PAをどのように定めるかについては第 1〜第 3の実施形態の場合と同様である。図 12 (B)は表示画面の形状を示している。表示画面 P A〃は円筒面内部から見える面の一部を成している。

[0057] 図 12 (A)に示した仮想的な投影用領域 PAにプロットすることによって得られる描画用メモリの内容を表示する際、投影用領域 PAの距離方向を表示画面 PA〃の縦方向（母線方向）に対応させ、且つ投影用領域 PAの方位方向を表示画面 PA〃の円筒面の中心から見た方位に対応させて、表示画面 PA〃の表示を行う。

[0058] 図 13は投影用領域と表示画面との関係を示す図である。図 13 (A)において、 3次元上の原点 Oを通る鉛直線を回転中心線とする逆円錐面 RCの所定領域が投影用領域 PAである。図 12に示した例では、この投影用領域 PAの方位方向の幅が 360 度未満であつたが、この図 13に示す例は、投影用領域 PAの方位方向の幅を 360度全周にしたものである。図 13 (B)は表示画面の形状を示している。表示画面 PA〃は円筒面を成し、その内面の全周に表示する。したがって、この表示画面 PA〃には、自船の全周囲の 3次元図形を表示することができる。なお、円筒面の外周面を表示画面 PA としてもよい。

[0059] 《第 5の実施形態》

次に、この発明の実施形態に係る 3次元図形表示装置について図 14 ·図 15を参照して説明する。

図 14は、表示対象領域のデータを基に表示画面に 3次元図形を表示するための処理について示すフローチャートである。まず表示対象領域が決定されると、その表示対象領域に対応する地理的データベースを選択し、その地理的データベースから、原点 Oを中心とする極座標形式の各点のデータ (オブジェクト）を方位毎に生成する。この処理が本発明に係る「オブジェクト抽出ステップ」に相当する。

[0060] 次に、前記方位毎の地理的データのそれぞれにっき、各点が投影用領域のどの点に写像されるかを、視点の位置および投影用領域のパラメータに基づいて計算し、投影用領域に相当する描画用メモリへプロットする。

[0061] この描画用メモリへのプロットを距離毎および方位毎に繰り返す。この処理が本発明に係る「データプロットステップ」に相当する。

[0062] その後、前記描画用メモリの内容を、方位方向を一方の軸、距離方向を他方の軸とする直交座標系に表示することによって 3次元図形表示を行う。この表示の処理が本発明に係る「データ表示ステップ」に相当する。

[0063] ここで、従来のカメラ的投影法による計算量と、この発明の 3次元投影法による計算量との比較を行う。

図 15は視点および表示対象領域を含む範囲の平面図である。ここで視線方位を Θ、物標方位を φ、水平視野角を Q；、表示画面幅 wの中心位置からの横方向ドット位置を gxとする。

[0064] 従来のカメラ的投影法では次の [数 1]の演算によって座標の回転を行った後に、 [ 数 2]の演算によって gxを求めることになる。

[0065] [数 1] 1 Y"'' / -ヽ' ■S v

yl J —11 I

[0066] [数 2]

一 c s o c s

J s

[0067] これに対してこの発明の 3次元投影法によれば、次の [数 3]の演算によって gxを求めることができるので、従来のカメラ的投影法に必要な座標回転のための演算が不要である。

[0068] [数 3]

[0069] すなわち角度の比をとるだけで画面幅 wの中心位置からの横方向ドット位置の割合 gxZ(wZ2)を求めることができる。

[0070] すなわち、従来のカメラ的投影法では、画面の各ピクセル (画面幅 wドット、画面高さ hドットの場合 w X h)について三角関数の演算による座標変換を行う必要があるが、この発明では、投影用領域の方位方向への投影位置を求める計算自体が簡易であり、投影用領域の距離方向のどの位置でも表示対象領域の方位が一定であるので、演算回数も従来のカメラ的投影法に比べて lZhで済む。全体で見た場合には、距離方向の計算量は従来と同じで、方位方向の計算量は lZhに減少する。そのため、全体の計算量は、従来が「縦方向の計算」 +「横方向の計算」に対して、本発明は「縦 (距離)方向の計算」 +「横 (方位)方向の計算 Zh」になり、約半分になる。

[0071] なお、以上の説明では表示対象領域が 2次元平面であるように説明した力表示対象領域の図形が 3次元の情報である場合でも同様である。

[0072] 図 16は 3次元図形表示装置の構成を示すブロック図である。ここで外部航法センサ 1は自船の位置や速度、船首方位等をリアルタイムで検出する装置である。入力装置 2はキーボードやポインティングデバイスであり、視点位置、中心視線、表示対象領域の広さを変更する操作等を行うために用いる。データ処理装置 8は、 CPU,その CPUが実行するプログラムをストアするメモリ、前記外部航法センサ 1および入力装置 2とのインタフェースを備えて、る。

[0073] 航法データ 3は航法データ（自船の動的な情報と静的な情報)を記録 (記憶)する部分である。投影パラメータ 4は視点の位置や俯角、視線方向等のパラメータを記憶しているデータ群である。地理的情報 5は地図のデータベースであり、典型的には 3次元または 2次元の地図情報である。この地理的情報はデータ処理装置 8の外部に独立した記憶媒体に記録してぉ、てもよ、。

[0074] 演算処理部 6は、前記航法データ 3、投影パラメータ 4、地理的情報 5を利用して前述の 3次元投影および描画データの生成を行う。その描画データは表示装置 7の 2 次元表示装置に出力し、リアルタイムにまたは静的にそれを表示する。

[0075] なお、以上の各実施形態では、船舶に搭載する航海機器に適用した例を示したが、この発明は表示対象領域の 3次元情報を、一方の軸を方位方向、他方の軸を距離方向とする直交座標系に表示する機器に適用するものである。したがって、この発明は船舶に搭載する航海機器に限られるものではなぐ例えばカーナビゲーシヨン機器にも同様に適用できる。また、例えば地理的情報データベースの内容を、一方の軸を方位方向、他方の軸を距離方向とする直交座標系に表示する装置に同様に適用できる。

図面の簡単な説明

[0076] [図 1]従来のカメラ的投影法による鳥瞰図表示のための座標変換の例を示す図である。

[図 2]図 1の断面図である。

[図 3]第 1の実施形態に係る 3次元投影法を説明するための図であり、視点、表示対象領域、および投影用領域の関係等を示す斜視図および平面図である。

[図 4]表示画面の例を示す図であり、（A)はこの発明による例、（B)は従来の方法による伊 1である。

[図 5]表示対象領域の平面図である。 [図 6]表示画面の例を示す図であり、（A)はこの発明による例、（B)は従来の方法による伊 Iである。

圆 7]第 2の実施形態に係る 3次元投影法を説明するための図であり、視点、表示対象領域、および投影用領域の関係等を示す斜視図である。

[図 8]表示対象領域、視点、および投影用領域の決定方法について示す図である。

[図 9]オフセットをもたせた場合の表示画面の例を示す図であり、 (A)はこの発明による例、（B)は従来の方法による例である。

圆 10]第 3の実施形態に係る 3次元投影法における投影用領域の形状を示す図である。

圆 11]図 10に示した各投影用領域での俯角対表示画面の縦軸との関係および距離対表示画面の縦軸との関係を示す図である。

圆 12]第 4の実施形態に係る 3次元投影法を説明するための図であり、投影用領域と表示画面との関係を示す図である。

圆 13]第 4の実施形態に係る 3次元投影法を説明するための図であり、別の投影用領域と表示画面との関係を示す図である。

圆 14]第 5の実施形態に係る 3次元図形表示装置の描画変換処理の手順を示すフローチャートである。圆 15]3次元投影に必要な計算量を説明するための図である。

[図 16]3次元図形表示装置の構成を示すブロック図である。

Claims

請求の範囲

[1] 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とする回転面上に、表示対象領域の 3次元情報を投影するデータプロットステップと、

前記投影データを、一方の軸を方位方向、他方の軸を距離方向とする直交座標系に表示するデータ表示ステップと、

を含むことを特徴とする 3次元投影法。

[2] 前記データプロットステップは、前記鉛直線上の所定高さにある視点から、前記回転面上に前記 3次元情報を投影することを特徴とする請求項 1に記載の 3次元投影法。

[3] 前記データプロットステップは、前記鉛直線に対して垂直且つ所定高さで交わる平面上で、該平面と前記鉛直線との交点を中心とした円弧上に視点を設け、前記回転面へ投影する表示対象領域の方位に応じて、前記視点を前記円弧に沿って移動させることを特徴とする請求項 1に記載の 3次元投影法。

[4] 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線上の所定高さにある視点力見た方位方向および距離方向にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域を仮想の投影用領域とし、前記視点から前記投影用領域を通して表示対象領域を見たとき、視線の先端にある前記表示対象領域のデータを前記視線が交わる前記投影用領域上の点のデータとして求めるとともに、前記投影用領域に対応する描画用メモリへ前記データを書き込むデータプロットステップと、前記描画用メモリのデータを、前記方位方向を一方の軸、前記距離方向を他方の軸とする直交座標系に表示するデータ表示ステップと、

カゝらなる 3次元投影法。

[5] 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線に対して垂直に交差する平面上で、当該平面と前記鉛直線との交点を中心とする円弧上に位置する視点から見た方位方向および距離方向にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域を仮想の投影用領域とし、前記視点から前記投影用領域を通して表示対象領域を見たとき、視線の先端にある前記表示対象領域のデータを前記視線が交わる前記投影用領域上の点のデータとして求めるとともに、前記投影用領域に対応する描画用メモリへ前記データを書き込むデータプロットステップと、前記描画用メモリのデータを、前記方位方向を一方の軸、前記距離方向を他方の軸とする直交座標系に表示するデータ表示ステップと、

カゝらなる 3次元投影法。

[6] 前記回転面は、前記 3次元上の所定位置にある鉛直線を中心とする逆円錐面である請求項 4または 5に記載の 3次元投影法。

[7] 前記データプロットステップは、前記表示対象領域の距離方向を向く直線上の各点と前記投影用領域の距離方向を向く直線上の各点との対応関係を表すパラメータによって、前記投影用領域上の点のデータを求めるものである請求項 4、 5または 6に記載の 3次元投影法。

[8] 地理的情報のデータベースから前記表示対象領域の距離方向と方位方向を座標とするオブジェクトを抽出するオブジェクト抽出ステップを備え、

前記データプロットステップは、前記オブジェクトを距離方向と方位方向に走査するものである請求項 1〜7のうちいずれか 1項に記載の 3次元投影法。

[9] 3次元上の所定位置にある鉛直線を回転中心線とし、頂点が下方を向く回転面の、前記鉛直線に対して垂直に交差する平面上で、当該平面と前記鉛直線との交点を中心とする円弧上に位置する視点から見た方位方向および距離方向にそれぞれ所定範囲だけ広がる領域を仮想の投影用領域とし、前記視点から前記投影用領域を通して表示対象領域を見たとき、視線の先端にある前記表示対象領域のデータを前記視線が交わる前記投影用領域上の点のデータとして求めるとともに、前記投影用領域に対応する描画用メモリへ前記データを書き込むデータプロット手段と、前記描画用メモリのデータを、前記方位方向を一方の軸、前記距離方向を他方の軸とする直交座標系に表示するデータ表示手段と、

からなる 3次元図形表示装置。