JPH1097646A - 三次元空間表示システムにおける三次元空間座標値の取得方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 三次元空間表示システムにおける三次元空間
座標の取得方法および装置に係り、該システムにおいて
三次元空間座標を精度よく且つ迅速に取得することので
きる取得方法および装置を提供する。 【解決手段】 三次元空間形状情報や視点情報等に基づ
いて所定の視点位置から観測した三次元空間形状を二次
元映像に変換して表示する三次元空間表示システムにお
いて、上記二次元映像上の所望の座標点を選択指示し、
前記三次元空間形状を二次元映像に変換する際の変換方
法の逆変換によって得られるベクトルを用いて、上記の
選択指示した二次元映像上の座標点に対応する三次元空
間上の座標点を取得することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元空間表示システ
ム、特に三次元空間形状情報や視点情報等に基づいて所
定の視点位置から観測した三次元空間形状を二次元映像
に変換して表示する三次元空間表示システムにおける三
次元空間座標の取得方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような三次元空間表示システムと
しては、例えば三次元空間情報を提供しその空間評価を
行う三次元ビジュアル・シミュレーション・システム
や、三次元映像表示を行いながら三次元空間中の物体を
扱うゲーム、また三次元空間映像で情報の選択取得を行
う三次元ビジュアルインターフェースシステムなどがあ
る。

【０００３】上記のような三次元空間表示システムを用
いた映像化表現は、感覚的に理解容易な情報を提供する
が、表示装置上の情報は二次元映像であるため、ここで
の情報は二次元情報にすぎず、この空間映像を理解し、
何らかの判断の後、意志決定を行う対象となるのは三次
元空間情報であるため三次元空間表示システムでは三次
元空間を規定することはできなかった。

【０００４】このため利用者がこの三次元映像を理解
し、その結果なんらかの判断を行い、目的となる三次元
空間位置を意思決定し、これを三次元空間上の位置とし
て指示しようとするときには、三次元空間座標値を取得
することができるポリマスセンサーなどの三次元空間位
置計測器（例えば特開平６−１９５２６号公報参照）を
付加した操作具により、またはそのものにより、または
三次元コンピュータ設計装置（以下、三次元ＣＡＤとい
う）によりおおまかな三次元空間座標値をとりあえず取
得し、もしくは生成して、これを三次元表示装置上で表
示し、目的とする三次元空間位置とのずれを確認し、も
し異なれば再度操作具を同様に操作し、目的とする三次
元空間位置まで近づけることを行わなければならなかっ
た。

【０００５】つまり上記従来の方法では三次元空間は表
示することができるが、三次元空間位置を利用者が特定
するためには、ポリマスセンサーなどの三次元位置計測
器などの特殊な装置を必要とした。しかも、目的とする
三次元空間位置を特定するためには前述のように三次元
位置計測器、三次元ＣＡＤなどを用いて三次元座標値を
発生させ、これを三次元表示システム上で確認しながら
対応点を求めなければならなかったため、利用者が計測
器を用いながら現在指示している点が目的点であるかど
うかを判断しながら試行錯誤的に目的点を求めなければ
ならなかった。つまり利用者がフィードバック制御とい
う煩雑な作業を行わなければ目的点を指示することがで
きないという、操作上の問題点があった。このため感覚
的な表現を実現する装置として、操作機能が非常に劣っ
ていた。

【０００６】一方、特開平７−７３３４４号公報には、
グラフィック・ディスプレイ・システムにおいて、二次
元ディスプレイ・スクリーン上の点を選択することによ
ってその選択された二次元点に対応する三次元座標を指
定する方法および装置が開示されている。ところが、上
記公報のものは、三次元中の図形などの構成要素である
線や面等の座標、つまり要素の代表点しか得ることがで
きない。たとえ、これを拡張して点の集合として捉えた
としても、それらの三次元中の点の集合を二次元ディス
プレイ・スクリーンに対する二次元座標に変換し、それ
らの点の集合の中からディスプレイ・スクリーン上で選
択された点と一致するものを探し出すものであるから、
以下のような問題がある。

【０００７】即ち、上記のような線や面等を点の集合と
して捉える場合、上記の線や面が限られた長さ若しくは
面積であっても、その中に存在する点の数は無限大であ
り、その全ての点を二次元座標に変換したり、スクリー
ン上で選択された点と一致するものを探し出すことは現
実的に不可能である。そのため何らかの手段で近似的も
しくは擬似的に有限な点の集合として表し、それらの点
をスクリーンに投影したとき上記の線や面に対応するス
クリーン上の領域が隙間なく埋まるような密度で三次元
の点の集合を生成しなければならない。

【０００８】しかしながら、上記の点の集合密度が、小
さいと最終的に取得する三次元点の位置精度が低下し、
その後の図形生成や、その他の各種処理プロセス等に悪
影響を及ぼすおそれがあり、逆に密度が大きいと、二次
元座標への変換処理や、スクリーン上で選択された点と
の一致点を探し出すのに時間が掛かって処理速度が低下
する等の不具合がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題点に鑑みて提案されたもので、前記のような三次元空
間表示システムにおいて三次元空間座標を精度よく且つ
迅速に取得することのできる取得方法および装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による三次元空間座標の取得方法および装置
は以下の構成としたものである。

【００１１】即ち、本発明による三次元空間座標の取得
方法は、三次元空間形状情報や視点情報等に基づいて所
定の視点位置から観測した三次元空間形状を二次元映像
に変換して表示する三次元空間表示システムにおいて、
上記二次元映像上の所望の座標点を選択指示し、前記三
次元空間形状を二次元映像に変換する際の変換方法の逆
変換によって得られるベクトルを用いて、上記の選択指
示した二次元映像上の座標点に対応する三次元空間上の
座標点を取得することを特徴とする。

【００１２】また本発明による三次元空間座標の取得装
置は、三次元空間形状情報や視点情報等を格納する記憶
手段と、その記憶手段に格納した三次元空間形状情報や
視点情報等のデータに基づいて所定の視点位置から観測
した三次元空間形状を二次元映像に変換して表示する映
像表示手段とを備えた三次元空間表示システムにおい
て、上記の三次元空間形状を二次元映像に変換して表示
する前記映像表示手段上の所望の座標点を選択指示する
選択指示手段と、前記三次元空間形状を二次元映像に変
換する際の変換方法の逆変換によって得られるベクトル
を用いて前記選択指示手段によって選択指示した座標点
に対応する三次元空間上の座標点を求める演算処理手段
とを備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記のように構成された本発明による三次元空
間座標の取得方法および装置によれば、三次元空間形状
を表示する二次元映像上で所望の座標点を選択指示する
だけで、三次元空間形状の二次元映像への変換方法の逆
変換によって得られるベクトルにより上記の選択指示し
た座標点に対応する三次元空間上の座標点を精度よく且
つ迅速に取得することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明による三次元空間表
示システムにおける三次元空間座標の取得方法および装
置を、図に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。

【００１５】三次元空間表示システムは、三次元グラフ
ィックスという考え方でコンピュータ・システム技術と
して既に確立されており、その装置構成としては例えば
図１に示すようにＣＰＵ等の演算処理装置１、内蔵もし
くは外部メモリあるいはディスク装置等の記憶装置２、
ＣＲＴや液晶表示パネル等の表示装置３、キーボードや
マウス等の入力装置４などで構成される。

【００１６】上記の三次元空間表示システムにより三次
元の物体を表示するに当たっては、記憶装置２に三次元
の数値データを記憶させ、その数値データに基づいて演
算処理装置１により所定の演算処理を行って表示装置３
に表示する。具体的には、例えば図２に示すように三次
元の数値データとして物体形状データや、どこからどの
方向へ向かって物体を観測しているかという視点データ
・視線データ・観測画角データ、さらには必要に応じて
光源データや、物体の質感データなどを記憶装置２に記
憶させておき、それらのデータに基づいて演算処理装置
２により投影変換（射影投影もしくは平行投影）を行な
い、三次元物体の観測映像として面、線などの表現で表
示装置３の表示画面（スクリーン）上に二次元の可視映
像として表示するものである。

【００１７】図３は上記三次元空間表示システムにおけ
る投影変換の一例を示す説明図であり、ここでは射影変
換による投影変換の例を表す。三次元物体Ｂ１・Ｂ２の
形状データが、観測視点、観測視線により決定された方
向に投影され、想定された射影二次元平面（スクリーン
平面）に映し込まれる映像を観測画角観測映像として表
示装置３に表示するものである。この場合、上記の投影
スクリーンに距離的に近い物体を選択的に映し込む方法
が一般的であるが、三次元映像の利用目的に応じて距離
が遠いものをも写し込むなど多義的な選択方法を与える
ことも可能である。又このようなシステムはハードウェ
ア、ソフトウェアいずれの方法においても実現すること
ができる。

【００１８】上記のような三次元空間表示システムにお
いて、操作者が空間情報を取得するのは観測映像として
生成された表示装置３上の二次元映像情報であり、操作
者はこれを理解して空間の判断を行い、この観測空間に
対して何らかの処理を行おうという意志決定を行うもの
である。この場合、操作者は何らかの処理を行おうとす
る三次元物体上の座標点を取得する必要があり、本発明
は以下のようにして取得するものである。

【００１９】即ち、図４は上記のような三次元空間表示
システムにより表示装置３上に表示された三次元物体上
の座標点を取得するプロセスを示すフローチャートであ
り、先ず、第１のステップＳ１として前記の要領で視角
データや三次元形状データ等に基づいて三次元物体Ｂ１
・Ｂ２を二次元映像として表示装置３上に表示する。

【００２０】次いで、第２のステップＳ２として図５に
示すように表示装置３上に表示された二次元映像上の所
望の点Ａを選択指示する。その選択指示する手段は適宜
であり、例えば前記のキーボードやマウス等の入力装置
４を選択指示手段として用いることにより上記カーソル
もしくはマウスポインタを所望の位置に移動して選択指
示する。あるいは上記キーボードから表示画面上の座標
値を数値入力したり、上記の選択指示装置としてタッチ
パネル等を用いることもできる。

【００２１】そして、上記の二次元映像上で選択指示し
た指示点Ａを座標データとして取得して、この指示点に
対応する三次元物体上の座標値を取得するもので、その
際に先ず第３のステップＳ３として視点から上記指標点
を通る三次元ベクトルを得る。その三次元ベクトルを得
る方法や手段等は適宜であるが、例えば以下の要領で取
得することができる。

【００２２】すなわち、上記のような三次元空間表示シ
ステムにおいては、前述のように物体形状データを観測
視点データにより二次元映像に射影変換することによっ
て表示を行っているが、この射影変換過程の逆の過程を
求め、二次元観測映像上の指示点を逆射影変換を行い、
これにより三次元ベクトルを得ることができる。これは
例えば投影変換過程は、三次元表示システムでの入力と
して定義された視点位置、視線方向、画角、投影変換関
数により投影変換過程を知り、この投影変換過程のうち
二次元表示装置上の指示点が対応し、規定する投影変換
ベクトルを求め、このベクトルの逆ベクトルを求めるこ
とで実現することができる。

【００２３】あるいは例えば上記の三次元表示システム
での入力として定義された視点位置、視線方向、画角、
投影変換関数により投影変換過程を知り、これを三次元
から二次元への変換関数Ｆとして定義し、この逆変換関
数Ｆ^-1を求め、二次元スクリーン上の指示点が対応する
点座標を与えると、視点からの奥行き方向のみが変数成
分として残るベクトルを得ることで実現することができ
る。

【００２４】次いで、第４のステップＳ４として、上記
のようにして得た三次元ベクトルと三次元空間中の三次
元物体との交点演算を行なって、その交点Ｃの三次元座
標値を求める。その交点Ｃの三次元座標値を求める手法
を更に具体的に説明すると、例えば以下の要領で求める
ことができる。

【００２５】すなわち、例えば三次元空間上の平面の方
程式は、下記（１）式のように表すことができる。 Ｐ_l・ｘ＋Ｐ_m・ｚ＋Ｐ_n・Ｚ＝Ｐ ‥‥‥‥‥‥‥（１） ただし、Ｐ≧０ Ｐは、原点からの距離 Ｐ_l、Ｐ_m、Ｐ_nは、平面の法線ベクトル なお、Ｐ_l、Ｐ_m、Ｐ_nは、ポリゴンの法線を求めること
で演算できる。またＰは代表値（Ｐ₁、またはＰ₂、また
はＰ₃）を代入することで演算可能である。

【００２５】また視点Ｅ（Ｅ_x、Ｅ_y、Ｅ_z） を通り、視
線方向（Ｅ_l、Ｅ_m、Ｅ_n）を向く直線は下記（２）式の
ように表すことができる。

【００２６】 （ｘ−Ｅ_x）／Ｅ_l＝（ｙ−Ｅ_y）／Ｅ_m＝（ｚ−Ｅ_z）／Ｅ_n ‥‥（２） 上記（１）式と（２）式とを解くことにより、あるポリ
ゴンと視線ベクトルとの空間中の交点を求めることがで
きる。

【００２７】なお上記の演算処理は、ポリゴンと視線ベ
クトルとの交点が存在する場合にのみ適用する。その交
点が存在するか否かの判定手段としては、例えば交点座
標がポリゴン内にあるか否かを数学的に判定する方法、
もしくは三次元コンピュータグラフィックスシステムで
通常用いられている公知のピッキング処理によりポリゴ
ンに指示点が含まれるか否かの判断を行うこともでき
る。

【００２８】また上記の交点を求めるための具体的な手
段等は適宜であり、例えば図には省略したが、所定のプ
ログラムに則って前記図１の演算処理装置等で演算処理
する、あるいは演算処理回路を上記の演算処理装置内も
しくは別途設けて演算処理するようにしてもよい。

【００２９】さらに上記三次元空間（三次元物体）上の
交点Ｃは、前記図５に示すように表示装置３に表示され
た二次元映像を観測している操作者が、その二次元映像
上で選択指示した点に対応するものであるが、その交点
Ｃは対象となる１つの物体Ｂに対して通常複数個存在
し、また上記の選択指示した位置に対象となる物体が複
数個存在する場合には、上記の交点の数はさらに増大す
る。その場合、それら複数個の全ての交点Ｃ１〜Ｃ４を
求め、そのなかで操作者が意図した、もしくは操作者の
利用目的に則した最適な点を選択する必要がある。この
最適な点は、三次元表示システムにおける表示方式等に
もよるが、一般に視点Ｅからの距離Ｌ１〜Ｌ４によって
優位が決定される場合が多い。

【００３０】例えば、通常の三次元表示システムでは、
視点Ｅから見て手前に見える面を優先して表示する表示
方式が一般的であり、そのような表示方式で操作者が選
択指示した点は、上記複数個の交点のうち視点（観測
点）に最も近い交点が、操作者が意図し、もしくは操作
者の利用目的に則した最適な交点である場合が多く、そ
の交点を求めればよい。そのためには、図３のステップ
Ｓ５のように上記複数個の交点群（各交点）Ｃ１〜Ｃ４
から視点Ｅまでの距離Ｌ１〜Ｌ４をそれぞれ演算して、
その距離が最も短い交点を選択すればよい。上記の演算
および選択操作は、前記交点を求める場合と同様に所定
のプログラムもしくは演算回路等によって自動的に行わ
せることができる。

【００３１】なお上記の表示方式等によっては、例えば
視点Ｅから最も離れた交点Ｃ４を最適な点として取得す
るように構成したり、他の交点Ｃ２・Ｃ３を最適な点と
して取得するように構成してもよい。あるいは上記複数
個の交点Ｃ１〜Ｃ４を操作者が任意に選択できるように
してもよい。例えば上記複数個の交点Ｃ１〜Ｃ４を、視
点Ｅに近いものから順番に前記の表示装置３上に表示
し、その中から操作者がキーボードやマウスもしくはタ
ッチパネル等で自由に選択できるようにすることも可能
である。

【００３２】また上記のようにして三次元座標値を取得
するプロセスもしくは取得方法は、装置として構成する
場合に限らず、上記のプロセスを実行するプログラムを
フロッピーディスクやＣＤ−ＲＯＭもしくはＭＯディス
クやハードディス等の記録媒体上に記録した汎用性を有
するソフトウエアあるいは回路素子等として構成するこ
ともできる。

【００３３】以上のようにして取得される、もしくは取
得した三次元座標値により三次元空間に対する所望の処
理等を行えばよく、例えば三次元空間に対する処理目的
が、ある物体をそこに配置するという行為が目的であれ
ば、取得した三次元座標値を用いて配置したい物体の形
状データを生成すれば、三次元表示システム上の観測映
像を見て映像上の点を指示するだけで三次元空間中の特
定の位置に三次元物体を配置することができるものであ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明による三次元
空間表示システムにおける三次元空間座標値の取得方法
および装置は、前記の構成であるから、以下のような効
果が得られる。

【００３５】先ず、三次元表示システムで観測される三
次元物体の特定の位置を、表示装置に表示された二次元
映像上で、マウス、タッチパネルなどの入力装置を選択
指示手段として選択指示することで、それに対応する物
体の表面の三次元座標値を容易に取得することができ
る。これは三次元表示システムの表示情報に対して利用
者が二次元デバイスを用いて直接的に空間座標値を指示
できることを意味し、三次元表示システム情報だけで意
志決定を直接的に反映することができる。つまり、三次
元表示システムを観測しながら、その表示面にマウス、
タッチパネルなどの二次元指示装置で指示するだけで、
表示される空間物体の対応する三次元空間座標値を得る
ことができるものである。

【００３６】また上記のようにして取得された空間座標
値を、例えば空間シミュレーションシステム、バーチャ
ルリアリティ・システム、三次元コンピュータ・グラフ
ィックス・システム、三次元ゲーム、三次元ＣＡＤシス
テムなどに利用することで三次元空間情報を扱いながら
直接的に空間座標を指示できる、入力システムを構成す
ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した三次元空間表示システムの一
例を示す概略構成のブロック図。

【図２】上記三次元空間表示システムにおける表示要領
の説明図。

【図３】上記三次元空間表示システムにおける投影変換
の一例を示す説明図。

【図４】本発明による三次元空間座標値の取得プロセス
を示すフローチャート。

【図５】本発明により取得した三次元空間座標値と視点
との関係を示す説明図。

【符号の説明】

１ 演算処理装置 ２ 記憶装置 ３ 表示装置 ４ 入力装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元空間形状情報や視点情報等に基づ
   いて所定の視点位置から観測した三次元空間形状を二次
   元映像に変換して表示する三次元空間表示システムにお
   いて、 上記二次元映像上の所望の座標点を選択指示し、前記三
   次元空間形状を二次元映像に変換する際の変換方法の逆
   変換によって得られるベクトルを用いて、上記の選択指
   示した二次元映像上の座標点に対応する三次元空間上の
   座標点を取得することを特徴とする三次元空間表示シス
   テムにおける三次元空間座標値の取得方法。
2. 【請求項２】 前記の選択指示した二次元映像上の座標
   点に対応する三次元空間上の座標点が複数個存在する場
   合に、それらの座標点のうち視点に最も近い座標点を自
   動的に選択して取得するようにしたことを特徴とする請
   求項１記載の三次元空間表示システムにおける三次元空
   間座標の取得方法。
3. 【請求項３】 前記の選択指示した二次元映像上の座標
   点に対応する三次元空間上の座標点が複数個存在する場
   合に、それらの座標点を視点に近いものから順に表示し
   て操作者が任意に選択して取得し得るように構成したこ
   とを特徴とする請求項１記載の三次元空間表示システム
   における三次元空間座標の取得方法。
4. 【請求項４】 三次元空間形状情報や視点情報等を格納
   する記憶手段と、その記憶手段に格納した三次元空間形
   状情報や視点情報等のデータに基づいて所定の視点位置
   から観測した三次元空間形状を二次元映像に変換して表
   示する映像表示手段とを備えた三次元空間表示システム
   において、 上記の三次元空間形状を二次元映像に変換して表示する
   前記映像表示手段上の所望の座標点を選択指示する選択
   指示手段と、 前記三次元空間形状を二次元映像に変換する際の変換方
   法の逆変換によって得られるベクトルを用いて前記選択
   指示手段によって選択指示した座標点に対応する三次元
   空間上の座標点を求める演算処理手段とを備えたことを
   特徴とする三次元空間表示システムにおける三次元空間
   座標の取得装置。