(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シミュレート乗物からの仮想現実の視像をオペレータにディスプレイする視像ディスプレイ手段と、オペレータがシミュレート乗物の進行を操作する少なくとも１個の制御装置と、前記少なくとも１個の制御装置に応答し、シミュレート乗物の乗物軸線方向を計算により更新して追随する手段を備える乗物シミュレーション装置において、前記シミュレート乗物の方向変化の際に前記乗物軸線方向を遅延させてから視像を前記視像ディスプレイに送る遅延手段を設け、オペレータが実際に見る主観的視像の方向変化を遅らせ、目の安定化システムに適合させるようにしたことを特徴とする乗物シミュレーション装置。
【請求項２】
前記遅延手段は、0.05秒と0.5 秒との間の時定数を有する構成とした請求項１記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項３】
前記遅延手段には、シミュレート乗物の乗物軸線方向の変化速度に比例した量だけ方向を回転した視像を前記ディスプレイ手段に送る微分手段を設けた請求項１又は２記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項４】
シミュレート乗物がたどるべき前記仮想現実の座標空間に所定のコースを発生するコース発生手段と、前記制御装置の操作により乗物自体がたどる客観的コースの座標成分から前記所定コースの座標成分を差し引いてなる差分を前記遅延手段に送る差分発生手段とを設けた請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項５】
ディスプレイ表示するよう順次に配列して視像を構成する複数個のロケーションモデルブロックを記憶する記憶手段を更に設けた請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項６】
それぞれ複数個のロケーションモデルブロックを有する複数個のロケーションモデルライブラリブロックとを記憶する手段と、記憶したシーケンスに従ってライブラリブロックを読み取る読取手段とを更に設けた請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項７】
前記複数個のロケーションモデルブロックは、シミュレート乗物から見える視像のロケーションモデルを平面的に表現する構成とし、更に、ロケーションモデルの前記平面的な表現をシミュレート乗物の仮想的移動に適合するよう遠近法に基づく視像に変換する変換手段を設けた請求項５又は６記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項８】
ロケーションモデルブロックの各々は、シミュレート乗物から見えるロケーションモデルの少なくとも１個の平面的な表現を含む構成とした請求項５又は６記載の乗物シミュレーション装置。
【請求項９】
ロケーションモデルブロックの各々は、シミュレート乗物から見えるロケーションモデルの異なる距離における複数個の平面的な表現を含む構成とした請求項８記載の乗物シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シミュレーション装置、特に、オペレータが物理的に移動させられない床が固定の乗物シミュレーション装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フライトシミュレーション及びドライビングビデオゲーム等の訓練用及び娯楽用の床固定シミュレータは、種々のレベルの精細度で利用することができる。低いレベルのシミュレータは、種々の視像（view） に対して単に所定スペースを平行移動するだけの乗物視像を与えるだけである。ファン  ウィンザム  ダブリュー(Van Winsum, W.)によるミショーン  Ｊ. Ａ. の第９章の「ギッズ  スモール  ワールド  シミュレーション(GIDS Small World Simulation) 」及びテイラー及びフランシス  ロンドン(Taylor and Francis, London)の「ジェネリック  インテリジェント  ドライブ  サポート(Generic Intelligent Driver Support)」に記載のようなより精細なシミュレータは、視像を回転し、シミュレート乗物の乗物軸線に沿う方向の客観的視像をオペレータに与える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシミュレータは、低いレベルのシミュレータよりも一層現実感の高い出力をオペレータに与える。しかし、オペレータを動かすフルシミュレータのような現実感（但し高価である）を与えることはできない。
【０００４】
オペレータに与える視像に回転及び平行移動の双方を行う床固定のシミュレータの開発で発生した困難性は、オペレータの感覚に対応しない状況を見ることになる点である。このずれはオペレータに違和感を与えることになる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、オペレータの違和感を軽減する床固定式のシミュレーション装置を得るにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、シミュレート乗物からの仮想現実の視像をオペレータにディスプレイする視像ディスプレイ手段と、オペレータがシミュレート乗物の進行を操作する少なくとも１個の制御装置と、前記少なくとも１個の制御装置に応答し、シミュレート乗物の乗物軸線方向を計算により更新して追随する手段を備える乗物シミュレーション装置において、前記シミュレート乗物の方向変化の際に、前記乗物軸線方向を遅延させてから視野を前記視像ディスプレイ手段に送る遅延手段を設け、オペレータが実際に見る主観的視像の方向変化を遅らせ、目の安定化システムに適合させるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
シミュレート乗物の乗物軸線方向に沿う客観的視像方向と実際にオペレータに与えられる主観的視像の方向との間に遅延を設けることは、シミュレーション装置が、既知のシステムで行われるように乗物軸線に沿って見る視像を常にオペレータに与えないことを意味し、このことは違和感を少なくする。本発明によるシミュレーション装置によれば、制御が容易となることが分かった。
【０００８】
オペレータに提示すべき視像を発生するためには、２つの情報を使用とする。第１の情報は仮想の世界のシミュレータモデル内の乗物の計算した位置であり、第２の情報は乗物が指し示している方向である。上述の低級レベルのシミュレータは、方向情報を完全に無視するが、高度なシミュレータは、乗物の方向を考慮するため視像を回転させる。しかし、現実の世界では、又は可動床式シミュレータでは、ドライバが転回（ターン）しているとき又は無意識に転回するとき、ドライバの体がターンするときでも、目を視像の方向に安定させようとする感覚を抱く。高度な固定床式シミュレータの問題は、運動の感覚の一部が失われ、無意識の目の安定化プロセスが働かず、安定化を補助する手掛かりがある場合よりも視界の変化が大きく現れる点である。
【０００９】
本発明において、知覚される方向変化を乗物軸線方向に沿う客観的視像方向に対して遅延させ、遅延の時定数は、どの程度の速さで方向変化が知覚されるかを基準とする。知覚される方向変化は、現実の世界では目の安定化における不完全さによる。目の安定化システムは、時定数１００ｍｓでの単なる遅延として作用するものとみなすことができる。従って、目を転向することは、客観的視像方向変化をこの量だけ遅延させる。知覚される方向変化は、目の転向と客観的視像方向変化との間の差である。シミュレータに使用される値は、例えば、0.05秒と0.25秒との間である。好適な実施例においては、遅延手段には、シミュレート乗物の客観的視像方向の変化レート（変化速度）に比例した量だけ回転した視像を前記ディスプレイ手段に送る微分手段を設ける。
【００１０】
シミュレート乗物の急激な転回(turns) に対しては、客観的視像とオペレータに与えられる視像との間の差はシミュレーションにとっては大きすぎて現実感を感じさせないことになる。この困難さを克服するためには、非線形変換関数を使用し、僅かな方向変化に対しては視像方向を客観的視像の方向変化に対して遅らせ、大きな方向変化に対しては変化をそのままディスプレイジェネレータに送るようにするとよい。
【００１１】
代案として、シミュレート自動車がトラック上をドライブする場合、急激なコーナーの周りに特定のコースを与える手段を設け、このコースから逸脱する車両の客観的ずれのみを微分手段及びオペレータに送るようにする。
【００１２】
シミュレータのロケーションモデルは、一連の小さいブロックの連鎖として記憶すると好適である。これら小さいブロックは、ブロックの標準ライブラリとして構成し、ブロックを呼び出す順序を示すシーケンスリストとして構成すると好適である。
【００１３】
【実施例】
次に、図面につき本発明の好適な実施例を説明する。
【００１４】
図１につき説明すると、シミュレーション装置例えば、自動車シミュレータは、オペレータが動作させる１個又はそれ以上の制御装置、この場合、ステアリングホイール10を有する。このステアリングホイールは、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）12に接続したポテンショメータを回転させるように構成する。ステアリングホイールの位置を測定するための他の技術として、光学的又は磁気的シャフトエンコーダを使用することもできる。Ａ／Ｄコンバータ12により乗物例えば、車両のモデル14に接続するデジタル出力を発生する。乗物又は車両挙動(vehicle behavior)のモデルを、普通の方法で、シミュレートされる乗物又は車両（以下「シミュレート車両(simulated vehicle) 」と称する）及びオペレータが使用する制御装置の特性に従って位置情報及び方向情報を発生するように構成する。モデル14の出力をディスプレイ又はディスプレイジェネレータに送る代わりに、この出力を遅延手段16に接続する。この遅延手段16は、ディスプレイに対して視像(view)を与えるための微分器を有し、視像をシミュレート車両の計算上の平均軸線方向即ち客観的方向(objective direction) の変化レート（変化の割合又は変化速度）に比例した量だけ回転させる。モデル14の出力で供給される車両方向の変化レートは、オペレータが知覚する主観的車両位置(subjective position) に対する方向変化量を決定する。オペレータがステアリングホイール10を急激に転回することにより、大きい方向変化レートが手段16に加わる場合、より大きい方向変化がディスプレイに加わる。従って、急激なターンのオペレータに対するディスプレイは、緩慢なターンのよりも大きな方向変化を示し、また逆に、緩慢なターンのオペレータに対するディスプレイは小さい方向変化を示すようになる。１００ｍｓの時定数を有する微分器によれば、良好な結果が得られることが分かっている。
【００１５】
遅延手段16の出力をディスプレイジェネレータ18に接続し、このディスプレイジェネレータ18によって普通の方法で位置情報から車両におけるオペレータの視像を導きだし、この視像をディスプレイ22に与える。遅延手段16を設けたため、ディスプレイ22上でオペレータに与えられる視像は、ターン（転回）中及びターン後に車両の客観的軸線とは異なる。説明を分かりやすくするため、ステアリングホイール10のみを示したが、シミュレーションには既知の自動車シミュレータのようにスロットル及びブレーキもあり、又はフライトシミュレータ等のようなより一層精細化された制御装置をも設けることができること勿論である。
【００１６】
ディスプレイジェネレータ18は、任意にロケーションモデル20に接続し、車両を運転しているレーストラック又は他のシミュレータ環境の詳細を与えることができるようにする。ロケーションモデル20は、更に、遅延手段16に接続し、急なコーナーにおける所定のコースを与えるようにする。この所定のコースを、客観的コース(objective course)即ち制御装置の操作により車両がたどるべきコースから差し引き、この差分を遅延手段によって処理する。
【００１７】
モデル14,20 、遅延手段16及びディスプレイジェネレータ18は、図２に示したプログラムステップを実施するようプログラム化したマイクロプロセッサによって実現すると都合がよい。
【００１８】
図２のフローチャートのステップは以下の機能を有する。
30- スタート
32- 経過時間をゼロにセットする
34- オペレータによる制御装置からの入力を読み取る
36- 経過時間及び現在位置を車両モデルに与える
38- 車両軸線方向の計算上の客観的な車両転回(turning) レートに比例した方向ターム(direction term)の変化レートを算出する
40- 方向タームの変化レート及び目の安定のためのラグ（遅延）から車両における視像の主観的方向を算出する
42- 車両における主観的視像をディスプレイする
44- 経過時間を増分する
【００１９】
本発明のこの第２の実施例は、第１の実施例と同様に動作し、オペレータに車両における視像を与え、この視像の方向は、客観的車両転回の変化レートに従う量だけ遅延する。
【００２０】
シミュレータ装置のオペレータが見るロケーションモデル又はイメージは、処理速度又はメモリに限界があるマイクロプロセッサ例えば、パーソナルコンピュータ上で実現するのが特に好適な他の方法で与える。
【００２１】
図３には、シミュレート車両が走行する道路50の一部の平面図を示し、この道路は、１０個の道路のブロック52,54,56,58,60に分割して示す。同一符号を付したブロックは同一の道路パターンを表す。道路50は、多数の個別のブロック、又は標準ブロックのライブラリ及びこの標準ブロックのライブラリから選択した順序を特定する一連の参照番号として記憶する。前者のオプションによれば、設計の自由度が広がりまた若干処理が速くなり、後者のオプションによれば、一般的に若干の融通性が犠牲になるが多量の記憶スペースを節約できる。使用にあたり、標準ブロックは、参照番号を特定することによって簡単に検索することができる。このようにして、大規模な道路レイアウト又はレーストラックを、多数の短い識別コードとして記憶することができる。ブロックなしの道路レイアウトは、道路の左側及び右側の多数のピクセル（画素）値として、又道路の片側と幅測定値の値として記憶する。道路が隣接のブロックに確実にマッチするようにするためには、各ブロックにオフセット値を含ませ、各ブロックの後続のブロックを移動するようこのオフセット値を供給する。１０個のブロックを図面に示したが、実際は５０個又はそれ以上のオーダーの多数のブロックを使用して妥当なレベルの現実感(realism) を与えるようにする。実際の道路の約１０ｃｍ毎の増加した現実感向上ブロックを使用する。
【００２２】
シミュレータ装置のオペレータに道路の遠近法による視像(perspective view)を与えるため、以下の変換を行う。車両の現在位置のための関連ブロックの識別番号を読み出し、これらに対応のレイアウトデータを検索する。最も近いブロックを最大精細度でディスプレイし、最も遠いブロックを最小精細度で、典型的にはスクリーン上でピクセルの単に一本のラインとしてディスプレイする。各ブロックの平面とスクリーン上のイメージとの間の関係は、ブロックのシミュレート車両からの距離に基づく。このとき、処理パワーとプロセスに利用できるメモリの量との間のトレードオフが可能となる。処理パワーに限界があるが、メモリは比較的豊富である場合、各ブロックの前方の道路のイメージは、シミュレート車両からの距離に依存する多数の遠近法的視像として記憶する。この道路部分の関連の視像は、シミュレート車両からの距離に基づいて簡単に呼び戻す(recall)することができる。しかし、メモリにもっと限界があるときは、簡単な補間技術を使用し、道路が消失ポイントに接近するにつれて道路を狭めることにより平面図から導き出すことができる。いずれの場合においても、この結果は図４に示すようになり、この図面では遠近法的道路視像50′がスクリーン70上に表示され、水平線72で消失する。ブロックには、ダッシュ付き符号を付けて示し、これら符号は図３のものに対応する。オペレータに最も近い道路の４個のブロック52′は、シミュレート車両からの距離が増加するにつれて徐々に短くかつ狭くなる。遠近法的道路視像50′のブロックはそれ以後も遠く離れるにつれて短くかつ狭くなる。ブロックの遠近法バージョンを平面バージョンから導き出すのは、シミュレート車両からの距離に基づいてブロックを短くしまた幅を狭めるだけで十分であるが、処理パワーが豊富であるときは、現実感を向上するため、シミュレータで既知のより精細な変換を使用する。例えば、アディソン−ウェズレイ(Addison-Wesley)によって出版されたフォーレイ(Foley) 、ファン  ダム(van Dam) 、ファイナー(Feiner)及びヒューズ(Hughes)氏の共著による「コンピュータ  グラフィックス  プリンシプル  アンド  プラクティス(Computer Graphics Principles and Practice) 」に記載の変換方法がある。シミュレータが、知覚される視像の方向を導き出す道路に沿う所定のコースを与える場合、ロケーションモデルブロック内に記憶すると都合がよい。
【００２３】
道路におけるシミュレート車両のヘッド方位に続いて、車両モデルから例えば、車両の過去のヘッド方位からオペレータのステアリングホイールの位置及びシミュレータの精細化に基づくホイールスリップなどの他の要因を導き出す。このとき、前方の道路を指し示す方向（換言すれば、オペレータがシミュレート車両の内部にいるため、車両が転回するときに移動するのは見える道路である）を導き出し、ディスプレイする。コンピュータのパワーを節約するため、スクリーン上の道路の方向を、ディスプレイハードウェア内で利用できる分断変換(shear transform) を行うことによって調整することができる。同様に、車両に対する道路の水平位置も、リニア変換又は左右のハードウェアスクロールによって調整することができる。この後、シミュレーションは、これらステップを繰り返し、オペレータに与えるべき次の視像を導き出す。
【００２４】
以上、自動車シミュレーション装置について説明してきたが、本発明は飛行機、ボート、モーターサイクル等のシミュレータにも適用することができる。本発明によるシミュレータを使用して、上昇及び下降並びに左右移動の自由度がある飛行機又は他の乗物に使用する場合も、上昇角度の変化並びにヘッド方位の変化に遅延（ラグ）を適用することができる。
【００２５】
本明細書に記載した説明から当業者であれば、当然他の変更を加えることができるであろう。このような変更は、設計、製造並びに乗物シミュレータ及びこのシミュレータの構成部材の使用で既知の他の特徴も含めることができ、これら他の特徴は、本明細書中に既述の特徴の代わりに又は付加して使用することができる。上述したところは、本発明の好適な実施例を説明したに過ぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができること勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシミュレーション装置のブロック線図である。
【図２】本発明によるシミュレーション装置の動作のフローチャートである。
【図３】本発明によるシミュレーション装置の道路の記憶方法を示す線図的説明図である。
【図４】シミュレート車両から見える遠近法的視像に変換した図３の視像の線図的説明図である。
【符号の説明】
10  ステアリングホイール
12  Ａ／Ｄコンバータ
14  モデル
16  遅延手段
18  ディスプレイジェネレータ
20  ロケーションモデル
22  ディスプレイ
50  道路
50′遠近法的道路視像
52,54,56,58,60  道路のブロック
70  スクリーン
72  水平線
【図１】
0003658421.tif 000002
【図２】
0003658421.tif 000003
【図３】
0003658421.tif 000004
【図４】
0003658421.tif 000005