(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間の静止画を提供する画像入力手段と、
上記静止画の指定された部分領域の領域データを出力する領域入力手段と、
上記領域データに基づいて静止画を自動的に加工して部分静止画であるテクスチャを出力する画像加工手段と、
上記テクスチャと３次元データを入力して上記空間を仮想の３次元空間によって再現した映像を生成する３次元映像生成手段と、
上記領域入力手段の領域データに基づいて上記３次元データを自動的に生成して出力する３次元データ生成手段と、
を備え、
上記３次元データ生成手段が、縦サイズを固定値とし、横サイズを、部分領域の両端の縦の線の静止画上の見掛けの長さから視点からの両端のそれぞれの縦の線までの距離を求め、さらに上記両端の縦の線の静止画上の中心からの距離により、中心からの両端の縦の線までのそれぞれの視野角を求め、上記視点から両端のそれぞれの縦の線までの距離およびその夾角である上記視野角の和から求め、上記縦サイズと横サイズを３次元データとして生成することを特徴とする映像作成装置。
【請求項２】
上記領域入力手段において、各静止画上に描画されて指定された四辺形によって静止画の上記部分領域が指定されることを特徴とする請求項１に記載の映像作成装置。
【請求項３】
上記画像加工手段において、静止画を加工する際に透視投影変換を使用することによって加工を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の映像作成装置。
【請求項４】
現実の空間を１つの直方体で近似し、正面、床面、天井、右面、左面および背面の６枚の静止画によって仮想の３次元空間を作成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の映像作成装置。
【請求項５】
上記画像入力手段が、ディジタルカメラからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の映像作成装置。
【請求項６】
上記画像入力手段が、現場の空間を描いた紙を読み取るスキャナからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の映像作成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、現場の居住空間等を仮想の３次元空間によって再現してこれに基づく映像を作成、表示することのできる映像作成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の装置として、例えば特開平５−６１９６２号公報に開示された、製品評価のための環境モデルを作成する装置があった。この装置によれば、現場の居住空間を仮想の３次元空間によって再現する際にまず、居住空間を構成する様々な天井、床、左壁、右壁、正面の壁、窓、机、植木などの構成物体を、オペレータが静止画から切り出して形状等の加工を行い、部分静止画を部品データベースに登録する。次に、現場の居住空間の高さ、幅、奥行き等の３次元データを、オペレータが計測に基づいて入力する。最後に３次元データに対して、作成しようとしている居住空間に最も近い部分静止画を部品データベースから選択して適当に配置し、仮想の３次元空間を生成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の装置では、オペレータの判断によって加工した部分静止画を選択したり、オペレータによって現場の居住空間の３次元データを計測して入力することによって、現場の居住空間を仮想の３次元空間によって再現していた。従って、再現しようとする居住空間の写真が無くても、現場の居住空間を再現することはできるが、現場の居住空間を構成する部品を予めオペレータが写真から加工して部品化したり、現場の居住空間の寸法等をオペレータが計測して入力する必要があるので、居住空間の再現に大きなコストと時間を要するという問題があった。
【０００４】
近年非常に安価なディジタルカメラが流通しており、現場の居住空間等の写真は簡単に計算機に入力することができる。そこでこの発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、現場の居住空間等を直接撮影した写真を使って、従来よりも低コストかつ短時間で現場の居住空間等を再現し、これに基づく映像を表示することのできる映像作成装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、空間の静止画を提供する画像入力手段と、上記静止画の指定された部分領域の領域データを出力する領域入力手段と、上記領域データに基づいて静止画を自動的に加工して部分静止画であるテクスチャを出力する画像加工手段と、上記テクスチャと３次元データを入力して上記空間を仮想の３次元空間によって再現した映像を生成する３次元映像生成手段と、上記領域入力手段の領域データに基づいて上記３次元データを自動的に生成して出力する３次元データ生成手段と、を備え、上記３次元データ生成手段が、縦サイズを固定値とし、横サイズを、部分領域の両端の縦の線の静止画上の見掛けの長さから視点からの両端のそれぞれの縦の線までの距離を求め、さらに上記両端の縦の線の静止画上の中心からの距離により、中心からの両端の縦の線までのそれぞれの視野角を求め、上記視点から両端のそれぞれの縦の線までの距離およびその夾角である上記視野角の和から求め、上記縦サイズと横サイズを３次元データとして生成することを特徴とする映像作成装置にある。
【０００８】
またこの発明は、上記領域入力手段において、各静止画上に描画されて指定された四辺形によって静止画の上記部分領域が指定されることを特徴とする映像作成装置にある。
【００１０】
またこの発明は、上記画像加工手段において静止画を加工する際に透視投影変換を使用することによって加工を行うことを特徴とする映像作成装置にある。
【００１１】
またこの発明は、現実の空間を１つの直方体で近似し、正面、床面、天井、右面、左面および背面の６枚の静止画によって仮想の３次元空間を作成することを特徴とする映像作成装置にある。
【００１２】
またこの発明は、上記画像入力手段が、ディジタルカメラからなることを特徴とする映像作成装置にある。
【００１３】
またこの発明は、上記画像入力手段が、現場の空間を描いた紙を読み取るスキャナからなることを特徴とする映像作成装置にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による映像作成装置の構成を示す図である。この画像作成装置は、各種プログラムに従って動作する機能的に示されたコンピュータ１０と、これに接続された周辺機器から構成される。
【００１５】
１は現場の居住空間を撮影して静止画として出力するディジタルカメラであり、画像入力手段を構成する。２は静止画をコンピュータ１０のディスプレイ７の画面上に表示し、オペレータが静止画の部分領域を指定することを可能とし、領域データを出力する領域指定プログラムであり、領域入力手段を構成する。３は入力される領域データから現場の居住空間の３次元形状を自動的に計算して３次元データとして出力する３次元データ生成プログラムであり、３次元データ生成手段を構成する。
【００１６】
４は入力される静止画と領域データとから、自動的に加工したテクスチャを出力する静止画加工プログラムであり、画像加工手段を構成する。５は入力される３次元データとテクスチャから仮想の３次元空間を生成してそれに基づく映像を表示させる、仮想３次元空間表示プログラムであり、３次元画像生成手段を構成する。そして６はキーボードやマウス等からなるオペレータが操作する入力装置、７は種々の表示を行うディスプレイである。
【００１７】
仮想３次元空間表示プログラム５は、ＯｐｅｎＧＬ等のグラフィックスライブラリを使って製作された３次元コンピュータグラフィクス映像を表示するプログラムであり、一般的なものである。この発明では、この仮想３次元空間表示プログラム５に３次元データとテクスチャを入力することによって、外部に接続したディスプレイ７に仮想３次元空間の映像を表示させることができる。
【００１８】
以下、動作について説明する。図２は現場の居住空間の一例である。この現場において、図３に示すように、まず現場の空間を正面３０１、床面３０２、天井３０３、右面３０４、左面３０５、背面３０６から構成される１つの直方体３０７と見なす。次に図４に示すようにディジタルカメラ１を用いて６枚の写真を撮影し、それらを正面４０１、床面４０２、天井４０３、右面４０４、左面４０５、背面４０６という静止画として記録する。
【００１９】
次に領域指定プログラム２を起動すると、ディスプレイ７の画面上に、図５に示すように、６枚の静止画４０１〜４０６が表示される。次に図６に破線で示すように、各写真４０１〜４０６について、マウス等の入力装置６を使ってそれぞれの部分領域正面６０１、床面６０２、天井６０３、右面６０４、左面６０５、背面６０６に相当する部分領域を四辺形によって指定する。すると領域指定プログラム２は、図７に示すような各静止画の指定された部分領域の四隅の点のそれぞれの平面座標である領域データ７０１を出力する。ただし、静止画の原点（０，０）は左下、出力される座標の単位はドットとする。
【００２０】
続いて３次元データ生成プログラム３に領域データ７０１が入力されると、３次元データ生成プログラム３は自動的に直方体３０７の各面３０１〜３０６の縦横サイズを計算して、これを３次元データとして出力する。正面３０１、右面３０４の横サイズＦｘ、縦サイズＦｙの計算式は以下の通りである。床面３０２、天井３０３、左面３０５、背面３０６の縦横サイズは、全体が直方体であるので正面３０１および右面３０４の縦横サイズが求まればおのずから決定される。ただし各写真は、領域指定プログラム２において入力される部分領域がほぼ二等辺台形となるように、かつ指定された部分領域の内部に写真の中央の点が含まれるように、かつカメラをほぼ水平にして撮影されているものとする。また、静止画の原点（０，０）は、左下にあるものとする。また、角度の単位はディグリ（ｄｅｇｒｅｅ）とする。
【００２１】
Ｆｘ＝√（Ｄｒ２＋Ｄｌ２−２＊Ｄｒ＊Ｄｌ＊ｃｏｓ（θｒ＋θｌ））
Ｆｙ＝Ｃｈ
【００２２】
但し、
Ｄｒ＝Ｃｙ＊Ｃｈ／（２＊Ｖｒ＊ｔａｎ（Ｃａ＊Ｃｙ／Ｃｘ））
Ｄｌ＝Ｃｙ＊Ｃｈ／（２＊Ｖｌ＊ｔａｎ（Ｃａ＊Ｃｙ／Ｃｘ））
θｒ＝ｔａｎ−１（Ｈｒ／（Ｃｘ／２／ｔａｎＣａ））
θｌ＝ｔａｎ−１（Ｈｌ／（Ｃｘ／２／ｔａｎＣａ））
Ｈｒ＝（Ｘ２＋Ｘ３）／２−Ｃｘ／２＋１
Ｈｌ＝Ｃｘ／２−（Ｘ１＋Ｘ４）／２
Ｖｒ＝Ｙ３−Ｙ２＋１
Ｖｌ＝Ｙ４−Ｙ１＋１
（Ｘ１，Ｙ１）：領域データの左下隅の座標
（Ｘ２，Ｙ２）：領域データの右下隅の座標
（Ｘ３，Ｙ３）：領域データの右上隅の座標
（Ｘ４，Ｙ４）：領域データの左上隅の座標
＊は掛け算を示す。
【００２３】
次の値はディジタルカメラ１によって異なる。以下に例を示す。
静止画の画素数    Ｃｘ＝６４０ドット（ｄｏｔ）  Ｃｙ＝４８０ドット（ｄｏｔ）
カメラの視野角    Ｃａ＝ｔａｎ−１０．５（≒２６．６）ディグリ（ｄｅｇｒｅｅ）
【００２４】
また床から天井までの高さは現場の居住空間毎に実際は異なるが、仮想の３次元空間を生成する場合に数十ｃｍ程度の長さの誤差は気にならないので、実測の手間を省略する為に、床から天井までの高さについても下記の様に固定値とすることができる。
床から天井までの高さ    Ｃｈ＝２５００（ｍｍ）
【００２５】
以上の計算式および定数に基づいて計算した正面の例を図８に示す。同様にして右面の計算を行って３次元データを出力する。３次元データの出力例を図９に示す。これらは各面３０１〜３０６の縦横サイズである。
【００２６】
上記の横サイズＦｘ、縦サイズＦｙの求め方について補足的に説明しておくと、まず、縦サイズＦｙは上式に示すように床から天井までの高さＣｈの固定値とする。横サイズＦｘに関しては、上式の領域データの四隅の座標（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）、（Ｘ３，Ｙ３）、（Ｘ４，Ｙ４）は領域指定プログラム２からの領域データ（図７参照）から既知であり、そこからドット数を計算することにより、図８に示す部分領域の両端の縦の静止画上の長さＶｌ、Ｖｒが求まる。見掛けの長さはその対象物までの距離で変わることから、長さＶｌ、Ｖｒより視点すなわちカメラの位置から両端のそれぞれの縦の線の位置までの距離Ｄｌ、Ｄｒが求まる。
【００２７】
さらに上記両端の縦の線の静止画上の中心からの距離Ｈｌ、Ｈｒが分かるので、中心から両端の縦の線までのそれぞれの視野角θｌ、θｒが求まり、図８の距離Ｄｌ、Ｄｒおよびその夾角θｌ＋θｒより横サイズＦｘが求まる。ここでは、縦サイズＦｙは上式に示すように床から天井までの高さＣｈの固定値としたこと、また横サイズＦｘを求める際に部分領域の両端の縦の線の静止画上の長さからそれぞれのカメラ位置からの距離を求め、その２辺とこれらによって挟まれる夾角から求めるようにしたことで、３次元データの生成をより容易にしている。
【００２８】
続いて静止画加工プログラム４に静止画と領域データが入力されると、静止画加工プログラム４は各静止画毎に、領域データとして指定された四辺形の部分を切り取り、さらにこの切り取った部分が長方形になるように加工をしてテクスチャとして出力する。すなわち、図１０の（ａ）に示すように、切り取った部分をＹ軸を軸としてθで示すように回転させ、図１０の（ｂ）に示すように長方形に見えるようになるように加工する。加工の方法は、まず領域データから以下の計算式に基づいていくつかのパラメータ、視点位置（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）、視線とポリゴンの角度θ、ウィンドウの縦サイズＷｙドットを算出する。ただし、座標は仮想３次元空間の座標系の値、角度の単位はディグリ（ｄｅｇｒｅｅ）とする。
【００２９】
Ｖｘ＝（（Ｘ２＊Ｙ４−Ｘ４＊Ｙ２）／（Ｘ２−Ｘ４）−（Ｘ１＊Ｙ３−Ｘ３＊Ｙ１）／（Ｘ１−Ｘ３））／（（Ｙ１−Ｙ３）／（Ｘ１−Ｘ３）−（Ｙ２−Ｙ４）／（Ｘ２−Ｘ４））
Ｖｙ＝（Ｙ１−Ｙ３）／（Ｘ１−Ｘ３）＊Ｖｘ＋（Ｘ１＊Ｙ３−Ｘ３＊Ｙ１）／（Ｘ１−Ｘ３）
Ｖｚ＝√（Ｈｌ２＋Ｄｌ２−２＊Ｈｌ＊Ｄｌ＊ｃｏｓ（９０−Ｃａ＋θ））
θ＝−（９０−Ｃａ）＋ｃｏｓ−１（（（Ｈｒ＋Ｈｌ）２＋Ｄｌ２−Ｄｒ２）／（２×Ｄｌ×（Ｈｒ＋Ｈｌ）））
Ｄｒ＝√（Ｖｒ２＊（Ｈｒ＋Ｈｌ）２／（Ｖｒ２＋Ｖｌ２−２＊Ｖｒ＊Ｖｌ＊ｃｏｓ（２＊Ｃａ）））
Ｄｌ＝√（Ｖｌ２＊（Ｈｒ＋Ｈｌ）２／（Ｖｒ２＋Ｖｌ２−２＊Ｖｒ＊Ｖｌ＊ｃｏｓ（２＊Ｃａ）））
Ｈｌ＝Ｖｘ−（Ｘ１＋Ｘ４）／２
Ｈｒ＝（Ｘ２＋Ｘ３）／２−Ｖｘ
Ｖｒ＝Ｙ３−Ｙ２
Ｖｌ＝Ｙ４−Ｙ１
Ｗｙ＝Ｃｙ／Ｐｌ＊（Ｃｄ＋Ｃｕ）
【００３０】
Ｃｕ＝（Ｙ３−Ｙ４）／（Ｘ３−Ｘ４）＊Ｖｘ＋（Ｘ３＊Ｙ４−Ｘ４＊Ｙ３）／（Ｘ３−Ｘ４）−Ｖｙ
Ｃｄ＝−（Ｙ１−Ｙ２）／（Ｘ１−Ｘ２）＊Ｖｘ−（Ｘ１＊Ｙ２−Ｘ２＊Ｙ１）／（Ｘ１−Ｘ２）＋Ｖｙ
Ｐｌ＝Ｖｚ＊ｔａｎＣａ
（Ｘ１，Ｙ１）：領域データの左下隅の座標
（Ｘ２，Ｙ２）：領域データの右下隅の座標
（Ｘ３，Ｙ３）：領域データの右上隅の座標
（Ｘ４，Ｙ４）：領域データの左上隅の座標
Ｃａ：視野角（＝２０．０）
Ｃｙ：ウィンドウの横画素数（＝６４０）
【００３１】
次に静止画加工プログラム４が含む透視投影変換の機能により、横サイズ６４０ドット、縦サイズＷｙドット、視野角Ｃａ（＝２０．０）の表示ウィンドウをディスプレイ７に表示し、次に４つの頂点（−３２０．０，２４０．０）、（３２０．０，２４０．０）、（３２０．０，−２４０．０）、（−３２０．０，−２４０．０）によって定義されるポリゴンを仮想３次元空間に配置してＹ軸を軸に反時計回りにθ回転させ、次に視点位置を座標（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）に移動して視線方向を水平方向の傾きを０．０、Ｚ軸と平行、かつ原点が見えるように設定し、最後に表示ウィンドウの表示内容全体をテクスチャとして出力する。すなわち、透視投影変換の機能を利用して、部分領域を長方形に変形させたテクスチャを生成する。上記の計算式および定数によって正面について計算した結果と、生成したテクスチャの例が図１０に示されている。
【００３２】
最後に仮想３次元空間表示プログラム５に３次元データとテクスチャを入力し、仮想３次元空間表示プログラム５は現場の居住空間を仮想の３次元空間内に再現し、それに基づく映像をディスプレイ７に表示する。表示した映像の例を図１１に示す。なお、現場の空間を構成する植木や窓などの部品は、現場の空間を撮影した写真に写り込むので、部品として改めて仮想の３次元空間中に配置する必要は無い。
【００３３】
なお、静止画加工プログラム４が含む透視投影変換の機能は、通常、一般に知られている仮想３次元空間表示プログラム（この発明の仮想３次元空間表示プログラム５に相当する）に含まれているが、この発明では仮想３次元空間表示プログラムのうちの透視投影変換の機能を静止画加工プログラム４に含めている。
【００３４】
以上のようにこの発明では、ディジタルカメラ１等から得られた静止画を利用して、例えば図３の直方体３０７で示す３次元データで規定された直方体のモデルを規定し、このモデルに張り付けるための各面の画像の元になるテクスチャをそれぞれ生成することで、仮想３次元空間表示プログラムにより、上記３次元データとテクスチャから現場の居住空間等の仮想の３次元空間によって再現した映像を得ることができる。
【００３５】
実施の形態２．
図１２はこの発明の別の実施の形態による映像作成装置の構成を示す図である。図１２は、図１における３次元データ生成手段を構成する３次元データ生成プログラム３を削除し、例えば３次元データがオペレータによって入力装置６を使用して直接、仮想３次元空間表示プログラム５に入力できるようにしたものである。従って、プログラム全体の構成はより簡単になる。なお、動作の内容は、３次元データ生成プログラム３の動作を除き、実施の形態１と同様である。
【００３６】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態に示したディジタルカメラ１の代わりに、フィルム式カメラを用いて現場の居住空間を撮影し、その印画紙をスキャナ（図示せず）によって読み込んで静止画を作成してもよい。また、居住空間がいかなる方法で描かれあるいは撮影された紙でも、これをスキャナで読み取ることで、静止画を得ることができる。また、ディジタルビデオで撮影した映像のコマを静止画の代わりに使用してもよい。
【００３７】
また上記実施の形態に示した領域指定プログラム２では、マウスを使って領域の指定を行うようにしているが、マウス以外のポインティングデバイスを使用してもよい。
【００３８】
また上記実施の形態に示した３次元データ生成プログラム３における計算式、および静止画加工プログラム４に関する計算式は、上記のものに限定されるものではない。
【００３９】
また上記実施の形態では、静止画加工プログラム４は一般に知られている仮想３次元空間表示プログラムの透視投影変換機能を利用しているが、画像に歪みを発生させる他の写真加工ソフトウェアツールを利用してもよい。
【００４０】
また上記実施の形態で例示した現場の空間は直方体に近い形状をしているが、他の形状、例えば東京ドームのように半円形状であっても、現場の居住空間に内接する直方体で近似することによって、仮想の３次元空間を使って再現することができる。
【００４１】
さらに上記実施の形態において、説明のわかり易さを考慮して「現場の居住空間」という表現を使っているが、居住空間以外の空間についても、同様に仮想の３次元空間を使って再現することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明においては、空間の静止画を提供する画像入力手段と、上記静止画の指定された部分領域の領域データを出力する領域入力手段と、上記領域データに基づいて静止画を自動的に加工して部分静止画であるテクスチャを出力する画像加工手段と、上記テクスチャと３次元データを入力して上記空間を仮想の３次元空間によって再現した映像を生成する３次元映像生成手段と、を備えたことにより、従来に比べて低コストかつ短時間で、現場の居住空間等を仮想の３次元空間によって再現した映像を作成、表示することができ、また、上記領域入力手段の領域データに基づいて上記３次元データを自動的に生成して出力する３次元データ生成手段をさらに備えたので、３次元データを直接入力する必要がなく、さらに上記３次元データ生成手段が、縦サイズを固定値とし、横サイズを、部分領域の両端の縦の線の静止画上の見掛けの長さから視点からの両端のそれぞれの縦の線までの距離を求め、さらに上記両端の縦の線の静止画上の中心からの距離により、中心からの両端の縦の線までのそれぞれの視野角を求め、上記視点から両端のそれぞれの縦の線までの距離およびその夾角である上記視野角の和から求め、上記縦サイズと横サイズを３次元データとして生成するようにしたので、上記領域データから空間領域の３次元データが自動的に求められる映像作成装置を提供できる効果が得られる。
【００４５】
また、上記領域入力手段において各静止画上に描画されて指定された四辺形によって静止画の上記部分領域が指定されるので、領域の指定が容易に行える。
【００４７】
また、上記画像加工手段において、静止画を加工する際に透視投影変換を使用することによって加工を行うので、低コストかつ短時間で、現場の居住空間等を仮想の３次元空間によって再現できる。
【００４８】
また、現実の空間を１つの直方体で近似し、正面、床面、天井、右面、左面および背面の６枚の静止画によって仮想の３次元空間を作成するようにしたので、居住空間等を正面、床面、天井、右面、左面および背面の６枚の画像からなる仮想の３次元空間によって再現できる。
【００４９】
また、上記画像入力手段が、ディジタルカメラからなるので、解像度の良い静止画が得られる。
【００５０】
また、上記画像入力手段が、現場の空間が描かれた紙を読み取るスキャナからなるので、どのような方法により紙の上に描かれあるいは撮影されたものであっても、それから静止画を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態による映像作成装置の構成を示す図である。
【図２】この発明に従って仮想の３次元空間によって再現しようとする現場の居住空間を例示する図である。
【図３】この発明による現場の居住空間を直方体と見なすことを例示した図である。
【図４】この発明に従ってディジタルカメラを使って現場の居住空間を撮影して得た静止画を例示する図である。
【図５】この発明による領域指定プログラムの初期表示を例示する図である。
【図６】この発明による領域指定プログラムを用いて領域を指定した結果を例示する図である。
【図７】この発明による領域指定プログラムによって出力される領域データを例示する図である。
【図８】この発明による３次元データ生成プログラムの計算例を例示する図である。
【図９】この発明による３次元データ生成プログラムの出力する３次元データを例示する図である。
【図１０】この発明による画像加工プログラムによって加工されたテクスチャを例示する図である。
【図１１】この発明による仮想３次元空間表示プログラムによって表示された映像を例示する図である。
【図１２】この発明の別の実施の形態による映像作成装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ディジタルカメラ、２  領域指定プログラム、３  ３次元データ生成プログラム、４  静止画加工プログラム、５  仮想３次元空間表示プログラム、６  入力装置、７  ディスプレイ、１０  コンピュータ。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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