(57)【要約】【課題】２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて得られた計算結果から、ソナーによって探査可能な領域を高速に３次元表示できるようにすること。【解決手段】表示装置は、水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する境界線取得手段と、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する境界面生成手段と、生成された境界面を３次元表示する表示手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する境界線取得手段と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する境界面生成手段と、
生成された境界面を３次元表示する表示手段と、を備える、表示装置。
【請求項２】
前記境界面生成手段は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを等しい深さで結ぶ線分を一辺とするポリゴンを用いて前記境界面を表す、請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記境界面生成手段は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第１のポリゴンを生成し、
前記表示手段は、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第１のポリゴンを表示する、請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記境界面生成手段は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第２のポリゴンを生成し、
前記表示手段は、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第２のポリゴンを表示する、請求項２または３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記境界線取得手段は、第１の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線および第２の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線を取得し、
前記境界面生成手段は、前記第１の観測点について取得した境界線を接続する第１の境界面および前記第２の観測点について取得した境界線を接続する第２の境界面を生成し、
前記表示手段は、前記ソナーが前記第１の観測点から前記第２の観測点まで移動する期間におけるシミュレーション結果として前記第１の境界面を表示し、前記ソナーが前記第２の観測点から第３の観測点まで移動する期間におけるシミュレーション結果として前記第２の境界面を表示する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項６】
コンピュータが、水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する取得工程と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する生成工程と、
生成された境界面を３次元表示する表示工程と、を含む、表示方法。
【請求項７】
前記生成工程において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを等しい深さで結ぶ線分を一辺とするポリゴンを用いて前記境界面を表す、請求項６に記載の表示方法。
【請求項８】
前記生成工程において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第１のポリゴンを生成し、
前記表示工程において、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第１のポリゴンを表示する、請求項７に記載の表示方法。
【請求項９】
前記生成工程において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第２のポリゴンを生成し、
前記表示工程において、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第２のポリゴンを表示する、請求項７または８に記載の表示方法。
【請求項１０】
前記取得工程において、第１の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線および第２の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線を取得し、
前記生成工程において、前記第１の観測点について取得した境界線を接続する第１の境界面および前記第２の観測点について取得した境界線を接続する第２の境界面を生成し、
前記表示工程において、前記ソナーが前記第１の観測点から前記第２の観測点まで移動する第１の期間におけるシミュレーション結果として前記第１の境界面を表示し、前記ソナーが前記第２の観測点から第３の観測点まで移動する第２の期間におけるシミュレーション結果として前記第２の境界面を表示する、請求項６ないし９のいずれか１項に記載の表示方法。
【請求項１１】
前記表示工程において、前記第１の期間において前記第１の境界面を表すデータを前記コンピュータのメモリにロードし、前記第１の期間から前記第２の期間に移行する時点で前記第１の境界面を表すデータを前記メモリからアンロードするとともに、前記第２の境界面を表すデータを前記メモリにロードする、請求項１０に記載の表示方法。
【請求項１２】
水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する取得処理と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する生成処理と、
生成された境界面を３次元表示する表示処理と、をコンピュータに実行させる、プログラム。
【請求項１３】
前記生成処理において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを等しい深さで結ぶ線分を一辺とするポリゴンを用いて前記境界面を表す、請求項１２に記載のプログラム。
【請求項１４】
前記生成処理において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の上端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第１のポリゴンを生成し、
前記表示処理において、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第１のポリゴンを表示する、請求項１３に記載のプログラム。
【請求項１５】
前記生成処理において、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、他方の方位に対して取得した前記境界線の下端の点と、これらの一方の点から前記ソナーの位置に相当する観測点を含む鉛直線に下ろした垂線の足に相当する点の３点を頂点として含む第２のポリゴンを生成し、
前記表示処理において、前記境界面を表すポリゴンとともに前記第２のポリゴンを表示する、請求項１３または１４に記載のプログラム。
【請求項１６】
前記取得処理において、第１の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線および第２の観測点における前記ソナーによる探査可能領域を示す境界線を取得し、
前記生成処理において、前記第１の観測点について取得した境界線を接続する第１の境界面および前記第２の観測点について取得した境界線を接続する第２の境界面を生成し、
前記表示処理において、前記ソナーが前記第１の観測点から前記第２の観測点まで移動する第１の期間におけるシミュレーション結果として前記第１の境界面を表示し、前記ソナーが前記第２の観測点から第３の観測点まで移動する第２の期間におけるシミュレーション結果として前記第２の境界面を表示する、請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載のプログラム。
【請求項１７】
前記表示処理において、前記第１の期間において前記第１の境界面を表すデータを前記コンピュータのメモリにロードし、前記第１の期間から前記第２の期間に移行する時点で前記第１の境界面を表すデータを前記メモリからアンロードするとともに、前記第２の境界面を表すデータを前記メモリにロードする、請求項１６に記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、表示方法およびプログラムに関し、特に、ソナーよって探査可能な領域を３次元表示する表示装置、表示方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、超音波ビームを水中に送信して３次元領域をスキャンし、受信したエコーに基づいてスキャン領域内の水中情報を３次元映像として表示する水中探査装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０８５９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献の全開示内容は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。以下の分析は、本発明者によってなされたものである。
【０００５】
音波伝搬の計算機シミュレーションは、計算の負荷が高いことから、多くの場合、２次元の平面内で行われる。例えば、２次元の音波伝搬シミュレーションによると、ソナーによって探査可能な領域と不能な領域とを分離する境界線を算出することが可能となる。かかるシミュレーションを複数の方位について実施することで、ソナーによって探査可能な空間領域を求めることができる。かかる空間領域を一目で把握するには、２次元の音波伝搬シミュレーションによって得られた計算結果を３次元表示することが必要となる。
【０００６】
特許文献１に記載された水中探査装置は、３次元領域をスキャンして得られた３次元データを３次元映像として表示するものであり、複数の方位について得られた２次元データを高速に３次元表示することはできない。
【０００７】
そこで、２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて得られた計算結果から、ソナーによって探査可能な領域を高速に３次元表示できるようにすることが望まれる。本発明の目的は、かかる要望に寄与する表示装置、表示方法および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】
【０００８】
本発明の第１の視点に係る表示装置は、
水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する境界線取得手段と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する境界面生成手段と、
生成された境界面を３次元表示する表示手段と、を備える。
【０００９】
本発明の第２の視点に係る表示方法は、
コンピュータが、水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する取得工程と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する生成工程と、
生成された境界面を３次元表示する表示工程と、を含む。
【００１０】
本発明の第３の視点に係るプログラムは、
水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する取得処理と、
隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した前記境界線と他方の方位に対して取得した前記境界線とを接続する境界面を生成する生成処理と、
生成された境界面を３次元表示する表示処理と、をコンピュータに実行させる。
なお、プログラムは、コンピュータ読み取り可能な永続的な記録媒体（non-transitory computer-readable storage medium）に記録されたプログラム製品として提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る表示装置、表示方法およびプログラムによると、２次元の音波伝搬シミュレーションによって得られた計算結果から、ソナーによって探査可能な領域を高速に３次元表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る表示装置の構成を一例として示すブロック図である。
【図２】実施形態に係る表示装置における境界線取得手段の動作について説明するための図である。
【図３】音波伝搬シミュレーションを行う２次元平面と３次元空間の関係を示す図である。
【図４】実施形態に係る表示装置における境界面生成手段の動作について説明するための図である。
【図５】実施形態に係る表示装置における表示手段による表示例を示す図である。
【図６】複数の観測点について取得した探査可能領域をアニメーション表示する方法について説明するための図である。
【図７】アニメーション表示の際のメモリ使用量を削減する方法について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
はじめに、一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記する図面参照符号は、専ら理解を助けるための例示であり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００１４】
（実施形態）
実施形態に係る表示装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る表示装置１０の構成を一例として示すブロック図である。図１を参照すると、表示装置１０は、境界線取得手段１１、境界面生成手段１２、表示手段１３、境界線記憶手段１４、および、ポリゴン記憶手段１５を備える。
【００１５】
境界線取得手段１１は、水平方向と深さ方向の２次元の音波伝搬シミュレーションに基づいて、ソナーによって探査可能な領域を示す境界線を複数の方位に対して取得する。また、境界線取得手段１１は、複数の方位について取得した境界線を境界線記憶手段１４に格納する。
【００１６】
境界線取得手段１１は、音波伝搬シミュレーションの手法として、例えば、波動方程式の離散化（差分法、有限要素法）に基づく手法、レイトレース法等の公知の手法を用いることができる。ただし、２次元（平面）領域に対する音波伝搬を数値解析することで、ソナーによる探査可能領域と不能領域（または、探査の容易な領域と困難な領域）を区別する境界線を算出することができるものであれば、シミュレーションの手法は特に限定されない。
【００１７】
図２は、境界線取得手段１１によって取得された境界線Ｌを一例として示す図である。境界線取得手段１１は、ソナーの位置に相当する観測点Ｑを含む垂直な２次元平面に対する音波伝搬シミュレーションを行い、ソナーによって探査可能（ないし探査容易）な領域と探査不能（ないし探査困難）な領域とを分離する境界線Ｌを求める。図２に示した例では、境界線Ｌの左側の領域が探査可能な領域に相当し、境界線Ｌの右側の領域が探査不能な領域に相当する。
【００１８】
図３は、音波伝搬シミュレーションを行う２次元平面（図２）と３次元空間の関係を示す図である。境界線取得手段１１は、図２に示した２次元音波伝搬シミュレーションを、図３に示す複数の方位について実施する。シミュレーションを実施する方位の数は、例えば、４方位、８方位、１６方位等としてもよい。ただし、方位の数はこれらに限定されない。
【００１９】
境界面生成手段１２は、境界線記憶手段１４に蓄積された、複数の方位に対する境界線を読み出して、次のように境界面を生成する。
【００２０】
図４は、境界面生成手段１２の動作について説明するための図である。図４を参照すると、境界面生成手段１２は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した境界線Ｌ１と他方の方位に対して取得した境界線Ｌ２とを接続する境界面Ｓを生成する。
【００２１】
境界面生成手段１２は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した境界線Ｌ１と他方の方位に対して取得した境界線Ｌ２とを等しい深さで結ぶ線分を一辺とするポリゴンを用いて境界面Ｓを表すようにしてもよい。境界面生成手段１２は、境界面Ｓを表すポリゴンとして、例えば、３角形ポリゴンを用いることができる。ただし、境界面Ｓを表すポリゴンは、３角形ポリゴンに限定されない。
【００２２】
図４を参照すると、境界面生成手段１２は、隣り合う方位のうちの一方の方位に対して取得した境界線Ｌ１の上端の点Ｔ１と、他方の方位に対して取得した境界線Ｌ２の上端の点Ｔ２と、点Ｔ１、Ｔ２の一方の点からソナー位置に相当する観測点Ｑを含む鉛直線Ｖに下ろした垂線の足に相当する点（図４の場合には基準点Ｏ）の３点を頂点として含むポリゴンＰ１を生成することが好ましい。また、境界面生成手段１２は、境界線Ｌ１の下端の点Ｂ１と、他境界線Ｌ２の下端の点Ｂ２と、点Ｂ１、Ｂ２の一方の点から観測点Ｑを含む鉛直線Ｖに下ろした垂線の足に相当する点Ｏ’の３点を頂点として含むポリゴンＰ２を生成することが好ましい。
【００２３】
図４を参照すると、境界面生成手段１２は、生成した境界面Ｓを表すポリゴン、および、ポリゴンＰ１、Ｐ２のデータをポリゴン記憶手段１５に格納する。
【００２４】
表示手段１３は、ポリゴン記憶手段１５に蓄積された、境界面Ｓを表すポリゴンのデータを読み出して、境界面Ｓを３次元表示する。表示手段１３は、ポリゴンを表示するために、公知の可視化プログラムを用いるようにしてもよい。
【００２５】
表示手段１３は、境界面生成手段１２によって生成された境界面Ｓを表すポリゴンを３次元表示するとともに、図４に示したポリゴンＰ１を併せて表示するようにしてもよい。また、表示手段１３は、図４に示したポリゴンＰ２も併せて表示するようにしてもよい。境界面Ｓを表すポリゴンのみならず、上面および下面のポリゴンＰ１、Ｐ２を併せて表示することで、ソナーによる探査可能領域の視認性を大幅に向上させることができる。
【００２６】
図５は、表示手段１３によって表示された境界面を例示する図である。図５において、観測点Ｑの周囲の円盤状の領域、および、その周囲のトーラス（の一部）形状の領域の内部は、ソナーによる探査可能領域を示している。２次元の音波伝搬シミュレーションによって得られた計算結果を、図５に示すように３次元表示することで、ソナーによって探査可能な空間領域を一目で把握することが可能となる。
【００２７】
なお、境界線取得手段１１による音波伝搬シミュレーション、または、境界面生成手段１２によるポリゴン生成に長い時間を要する場合、ポリゴンデータを予め生成してポリゴン記憶手段１５に格納しておくことが好ましい。ポリゴン記憶手段１５に予め格納されたポリゴンデータを表示手段１３が読み出して可視化プログラムに入力することで、ソナーによる探査可能領域の３次元表示を高速に行うことができる。
【００２８】
次に、ソナーによる探査可能領域を複数の観測点について取得し、ソナーがこれらの観測点の間を移動させたときに、探査可能領域が変化する様子をアニメーション表示する方法について説明する。
【００２９】
図６は、アニメーション表示の方法について説明するための図である。ここでは、一例として、時刻Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃにおけるソナーの位置を観測点Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃとする。
【００３０】
境界線取得手段１１は、観測点Ｑａにおけるソナーによる探査可能領域を示す境界線、観測点Ｑｂにおけるソナーによる探査可能領域を示す境界線、および、観測点Ｑｃにおけるソナーによる探査可能領域を示す境界線をそれぞれ取得する。また、境界面生成手段１２は、観測点Ｑａについて取得した境界線を接続する境界面、観測点Ｑｂについて取得した境界線を接続する境界面、および、観測点Ｑｃについて取得した境界線を接続する境界面をそれぞれ生成する。ここでは、観測点Ｑａについて取得した境界線を接続する境界面を表すポリゴンの集合をポリゴンデータＤａとする。同様に、観測点Ｑｂ、Ｑｃについて取得した境界線を接続する境界面を表すポリゴンの集合を、それぞれ、ポリゴンデータＤｂ、Ｄｃとする。
【００３１】
図６を参照すると、表示手段１３は、ソナーが観測点Ｑａから観測点Ｑｂまで移動する期間におけるシミュレーション結果として、ポリゴンデータＤａに基づいて境界面を表示する。また、表示手段１３は、ソナーが観測点Ｑｂから観測点Ｑｃまで移動する期間におけるシミュレーション結果として、ポリゴンデータＤｂに基づいて境界面を表示する。
【００３２】
観測点間の距離を十分に短くすることで、観測点間を移動している期間における観測結果の変動は小さいものと見做すことができる。したがって、移動期間中の観測結果として、移動前の観測点での観測結果で代用することが可能となる。図６に示すように、ソナーの移動に応じてポリゴンデータを切り替えつつ境界面を表示することで、観測点の変化に従ってソナーによる観測可能領域がどのように変化するのかを容易に把握することが可能となる。
【００３３】
図６のようにアニメーション表示を行う場合には、計算機のメモリの消費量を削減することが重要となる。特に、各観測点でのポリゴンデータのデータ量が多い場合には、すべての観測点でのポリゴンデータをメモリに収めることが困難な場合が生じ得る。図７は、かかる問題を解消する方法について説明するための図である。
【００３４】
シミュレーション結果を可視化プログラム等で再生する場合、表示に必要なポリゴンデータのみをメモリにロードすることが好ましい。図７を参照すると、表示手段１３は、観測点Ｑａから観測点Ｑｂに移動する期間（時刻Ｔａ〜時刻Ｔｂ）において、ポリゴンデータＤａをコンピュータのメモリにロードする。
【００３５】
次に、時刻ＴｂでポリゴンデータＤａをメモリからアンロードするとともに、ポリゴンデータＤｂをメモリにロードする。観測点Ｑｂから観測点Ｑｃに移動する期間（時刻Ｔｂ〜時刻Ｔｃ）においては、ポリゴンデータＤｂのみがメモリにロードされている。
【００３６】
このように、メモリにロードするポリゴンデータのロードおよびアンロードを繰り返すことで、メモリに保持すべきポリゴンデータのデータ量を、１回の観測によって得られるポリゴンデータのデータ量にまで抑えることができる。このとき、高精度な音波伝搬シミュレーションに基づく探査可能領域を、詳細な３次元アニメーションとして表示することが可能となる。
【００３７】
なお、上記の特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００３８】
１０    表示装置
１１    境界線取得手段
１２    境界面生成手段
１３    表示手段
１４    境界線記憶手段
１５    ポリゴン記憶手段
Ｂ１、Ｂ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｏ’    点
Ｄａ〜Ｄｃ    ポリゴンデータ
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２    境界線
Ｏ    基準点
Ｐ１、Ｐ２    ポリゴン
Ｑ、Ｑａ〜Ｑｃ    観測点
Ｓ    境界面
Ｔａ〜Ｔｃ    時刻
Ｖ    鉛直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
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【図６】
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