(57)【要約】【課題】  立体形状モデルに物体の表面テクスチャを効果的に表現することができる立体表示装置を提供する。【解決手段】  立体表示装置は、角柱（形状可変素子）７により構成された立体形状モデル１と、立体形状モデル１の側面に配置された反射ミラー２ａ〜２ｄと、立体形状モデル１の形状情報並びに立体形状モデル１の上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置３と、前記形状情報に基づいて角柱７を駆動する形状可変素子駆動装置５と、前記画像情報に基づいて立体形状モデル１の上面の表面テクスチャ画像を立体形状モデル１の上面に投影し、また立体形状モデル１の側面の表面テクスチャ画像を反射ミラー２ａ〜２ｄを介して立体形状モデル１の側面に投影するプロジェクタ４とを備える。制御装置３には入力装置６が接続される。【選択図】  図１
2006338181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記制御装置からの画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備えたことを特徴とする立体表示装置。
【請求項２】
前記立体形状モデルが高さ制御可能な複数のピンをマトリクス状に配列して構成され、前記各ピンの高さが前記制御装置により制御可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項３】
前記複数のピンが光を拡散反射する材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の立体表示装置。
【請求項４】
前記立体形状モデルが、成型された造形モデルであることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項５】
前記反射ミラーがハーフミラーで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項６】
前記反射ミラーが反射面を鉛直方向に対して角度をつけて前記立体形状モデルのまわりに複数設置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項７】
前記反射ミラーの反射面が鉛直方向に対して４５度未満に設置されたことを特徴とする請求項６に記載の立体表示装置。
【請求項８】
前記反射ミラーが前記立体形状モデルと所定の間隔を空けて設置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項９】
前記プロジェクタにより投影される画像が、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像と、前記上面の表面テクスチャ画像のまわりに配置された前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像とを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項１０】
前記プロジェクタにより投影される画像の、前記上面の表面テクスチャ画像および側面の表面テクスチャ画像以外の部分が、黒くされていることを特徴とする請求項９に記載の立体表示装置。
【請求項１１】
前記プロジェクタがテレセントリック投影光学レンズを備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の立体表示装置。
【請求項１２】
前記反射ミラーの反射面が鉛直方向に対して４５度に設置されたことを特徴とする請求項１１に記載の立体表示装置。
【請求項１３】
形状可変素子により構成された立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの形状情報並びに前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記形状情報に基づいて前記形状可変素子を駆動する形状可変素子駆動装置と、前記画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備えたことを特徴とする立体表示装置。
【請求項１４】
前記制御装置が入力装置を備え、前記入力装置により前記立体形状モデルの形状情報および表面テクスチャの画像情報を変化させることにより、前記立体形状モデルの形状および表面テクスチャ画像を動的に変化させることを特徴とする請求項１３に記載の立体表示装置。
【請求項１５】
立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの形状情報並びに前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記制御装置からの画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備え、前記制御装置は前記立体形状モデルの幾何的な設置条件を設置パラメータとして格納しており、前記設置パラメータに基づいて前記立体形状モデルの表面テクスチャの画像情報を調整することを特徴とする立体表示装置。
【請求項１６】
前記プロジェクタから前記立体形状モデルにテストパターンを投影し、前記テストパターンをモニタカメラで撮影して前記立体形状モデルの形状計測を行い、前記計測された形状情報と前記格納された形状情報とに基づいて、前記設置パラメータが求められることを特徴とする請求項１５に記載の立体表示装置。
【請求項１７】
前記設置パラメータが、前記立体形状モデルの回転、並進および倍率の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の立体表示装置。
【請求項１８】
立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報に基づいて、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影することを特徴とする立体表示方法。
【請求項１９】
前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像が、前記立体形状モデルの各側面に対応して複数個用意されており、前記複数個の側面の表面テクスチャ画像が対応する複数の反射ミラーを介して前記立体形状モデルの各側面に投影されることを特徴とする請求項１８に記載の立体表示方法。
【請求項２０】
前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像および前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像が、その大きさ、投影位置および傾きの少なくとも一つについて、それぞれ個別に調整可能とされることを特徴とする請求項１８または１９に記載の立体表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は立体表示装置に係り、特に立体形状モデルの表面テクスチャ画像を立体形状モデルに投影して立体表示を行う立体表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数人でひとつのテーマについて討議するとき、互いの情報、意図あるいは思いなどを共有することで議論を深め、より良い結論を出すというコラボレーションによる会議形態が盛んになってきた。その際、見やすく、また理解しやすい形でデータを提示する目的で立体ディスプレイ（立体表示装置）を用いる機会が増加している。
【０００３】
立体表示技術は現在までにさまざまな形式が提案されている。代表的な例として、偏光メガネとレンチキュラ方式を次に示す。
【０００４】
偏光メガネは主にプロジェクションタイプの立体ディスプレイに適用されるものである。２台のプロジェクタを用い、片方のプロジェクタから左視差画像を縦偏向状態でスクリーンに投影し、もう一方のプロジェクタから右視差画像を横偏向状態で同一スクリーン上に投影する。右側のレンズに横偏向光を透過し縦偏向光を遮断する偏向フィルタを、左側のレンズに縦偏向光を透過し横偏向光を遮断する偏向フィルタを取り付けたメガネを装着する。これにより左目に左視差画像が右目に右視差画像がそれぞれ入射するため立体視することができる。この方式では、まず偏光メガネという特殊なメガネを装着する必要があり、自然なワークスタイルを損なうという問題点がある。また、表示されるのはある視点（ビューポイント）から見たステレオ画像だけであり、眼の位置（アイポジション）を変えても運動視差が生じないため違和感のある立体表示として観測されるという問題点がある。
【０００５】
また、レンチキュラ方式は主に立体表示液晶パネルに適用されるものである。液晶パネルの手前に２画素をカバーするレンチキュラレンズをアレイ状にして設置し、左視差画像を表示する画素を左目の位置に、右視差画像を表示する画素を右目の位置にそれぞれ入射させることによって立体視するものである。この方式では特殊なメガネを装着する必要がないというメリットはあるものの、運動視差が生じないため違和感のある立体表示として観測されるという、上記偏光メガネの場合と同様の問題点がある。立体視できる地点（アイポジション）が最適位置から±１０ｍｍ程度と非常に狭いため、常にある位置に眼を固定しなければならなず眼精疲労だけでなく肉体疲労を生じやすい。また、同時に立体視できるのはひとりに限られ、データの情報を参加者で共有することができないという問題点がある。
【０００６】
このように、上記偏光メガネやレンチキュラ方式は、複数人で行うコラボレーションに対しては立体表示方式として適切ではない。これに対して、どこからみてもあたかもそこに物体があるような表示をすることができる空間表示方式（Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ）方式が提唱されている。その代表的な例を以下にいくつか示す。
【０００７】
まず、積層断面投影方式（特許文献１）は、電気的駆動により透明状態または散乱状態となる液晶セルを積層し、表示対象物の断面画像を投射装置により順次投射するものである。１枚の液晶セルのみを散乱状態としその他の液晶セルを透明状態とする。散乱状態の液晶セルを電気的に順次スキャンさせ、該当する断面画像を投射装置から走査に同期させて投影することで立体表示を行う。この方式では、投影する画像自体が断面画像であるため、表面のテクスチャを表現することができないという大きな問題点がある。また、表示される立体画像は内部の画像が透けて見えるいわゆるファントム画像となり実物とはかけ離れた立体表示となってしまうという問題点がある。
【０００８】
また、複数のピンで三次元形状を表示する方式（特許文献２）は、上下に摺動させるためのアクチュエータを取り付けた複数個のピンをマトリクス状に並べ、コンピュータ制御により複数のピンを上下させ三次元形状を表示するものである。また、ピンを透明材料で構成し、形状を表示したピンマトリクスの基板下方からディスプレイにより図形をピン基板に結像させ、上方からピンマトリックスを見て図形を認識するものである。この方式では物体の表面テクスチャを効果的に表現することができないという問題点がある。
【０００９】
さらに、多数の画像表示素子を垂直に移動させる方式（特許文献３）は、三次元情報に基づいて、二次元状に配列した多数の画像表示素子をその配列面に垂直に移動させ、その配列面を変化させるとともに所望の色・輝度でその表面を発光させるものである。また、画像表示素子の表示面をスクリーンで覆い、各画像表示素子毎の色・輝度信号をスクリーン上に投影するものである。この方式も物体の表面テクスチャを効果的に表現することができないという問題点がある。
【特許文献１】特開２００２−１３９７００公報
【特許文献２】特許第２７３６９０８号公報
【特許文献３】特許第３１２７４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って本発明の目的は、立体形状モデルに物体の表面テクスチャを効果的に表現することができる立体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】
【００１１】
上記目的は、立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記制御装置からの画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備えた立体表示装置により、達成される。
【００１２】
ここで、前記立体形状モデルは、高さ制御可能な複数のピンをマトリクス状に配列して構成され、前記各ピンの高さが前記制御装置により制御可能とされたものとすることができる。前記複数のピンは、光を拡散反射する材料で構成されていることが好ましい。また、前記立体形状モデルは成型された造形モデルとすることができる。また、前記反射ミラーはハーフミラーで構成されていることが好ましい。前記反射ミラーは反射面を鉛直方向に対して角度をつけて前記立体形状モデルのまわりに複数設置することができる。前記反射ミラーの反射面は鉛直方向に対して４５度未満に設置されることが好ましい。前記反射ミラーは前記立体形状モデルと所定の間隔を空けて設置することが好ましい。
【００１３】
さらに、前記プロジェクタにより投影される画像は、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像と、前記上面の表面テクスチャ画像のまわりに配置された前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像とを含むことができる。この場合、前記プロジェクタにより投影される画像の、前記上面の表面テクスチャ画像および側面の表面テクスチャ画像以外の部分は、黒くされていることが好ましい。前記プロジェクタはテレセントリック投影光学レンズを備えることができる。この場合、前記反射ミラーの反射面は鉛直方向に対して４５度に設置される。
【００１４】
また、本発明に係る立体表示装置は、形状可変素子により構成された立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの形状情報並びに前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記形状情報に基づいて前記形状可変素子を駆動する形状可変素子駆動装置と、前記画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備えたものである。ここで、前記制御装置は入力装置を備え、前記入力装置により前記立体形状モデルの形状情報および表面テクスチャの画像情報を変化させることにより、前記立体形状モデルの形状および表面テクスチャ画像を動的に変化させることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る立体表示装置は、立体形状モデルと、前記立体形状モデルの側面に配置された反射ミラーと、前記立体形状モデルの形状情報並びに前記立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置と、前記制御装置からの画像情報に基づいて前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を前記反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するプロジェクタとを備え、前記制御装置は前記立体形状モデルの幾何的な設置条件を設置パラメータとして格納しており、前記設置パラメータに基づいて前記立体形状モデルの表面テクスチャの画像情報を調整するものである。ここで、前記プロジェクタから前記立体形状モデルにテストパターンを投影し、前記テストパターンをモニタカメラで撮影して前記立体形状モデルの形状計測を行い、前記計測された形状情報と前記格納された形状情報とに基づいて、前記設置パラメータを求めることができる。この前記設置パラメータは、前記立体形状モデルの回転、並進および倍率の少なくとも一つを含むことができる。
【００１６】
本発明に係る立体表示方法は、立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報に基づいて、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を前記立体形状モデルの上面に投影し、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を反射ミラーを介して前記立体形状モデルの側面に投影するものである。ここで、前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像は、前記立体形状モデルの各側面に対応して複数個用意されており、前記複数個の側面の表面テクスチャ画像が対応する複数の反射ミラーを介して前記立体形状モデルの各側面に投影され得る。また、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像および前記立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像は、その大きさ、投影位置および傾きの少なくとも一つについて、それぞれ個別に調整可能とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、立体形状モデルに物体の表面テクスチャを効果的に表現することができる立体表示装置を得ることができる。特に本発明では、立体形状モデルの上面だけでなく、その側面に対しても表面テクスチャ画像を投影することができるので、複数人によるコラボレーション作業に適した立体表示装置を実現することができる。また本発明では、高精細なテクスチャ画像を生成しプロジェクタから立体形状モデルに投影することができるので、よりリアルな立体表示装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
図１は、本発明に係る立体表示装置の一実施例を示す構成図である。本実施例は、図示のように、立体形状モデル１と、立体形状モデル１の側面に配置された反射ミラー２ａ〜２ｄと、立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報を格納する制御装置３と、制御装置３からの画像情報に基づいて立体形状モデル１の上面の表面テクスチャ画像を立体形状モデル１に直接投影し、また立体形状モデル１の側面の表面テクスチャ画像を反射ミラー２ａ〜２ｄを介して立体形状モデル１に投影するプロジェクタ４とを備える。制御装置３は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のコンピュータで構成することができ、操作性を良くするためにマウスやジョイスティックなどの入力装置６を接続することができる。
【００１９】
ここで、立体形状モデル１は、例えば、角柱（ピン）７のような形状可変素子を多数マトリックス状に配列し、その高さを各々制御することにより形状を復元する方式（ピンマトリクス方式）、あるいは、図示しない光硬化樹脂を用いた光造形システムなどによりラフな形状を復元する方式（造形モデル方式）などを適用することができる。
【００２０】
本実施例では角柱を多数配列したピンマトリクス方式で説明する。ピンマトリクス自体は、例えば上記特許文献２に記載のように周知のものである。本発明においては、立体形状モデル１は精密な形状を再現する必要はなく、全体のスケールの２〜３％の精度があれば十分である。例えば１００ｍｍの大きさの機械部品を３次元表示するには、２ｍｍ〜３ｍｍの断面積を持つ角柱を用いればよい。この角柱（ピン）７は光を拡散反射する材料で構成することが好ましい。角柱７を透明や鏡面材料で構成すると、プロジェクタから投影される表面テクスチャ画像が透過し、または極度に反射され、立体形状モデル１に十分な表面テクスチャを付与することができないからである。
【００２１】
本実施例のようにピンマトリクス方式の立体形状モデル１を用いる場合は、マトリクス状に配列された角柱（形状可変素子）７を駆動するための形状可変素子駆動装置５が設けられる。形状可変素子駆動装置５は、制御装置３および立体形状モデル１に接続され、制御装置３から立体形状モデル１の３次元形状情報を入手し、この情報に基づいて立体形状モデル１を構成する複数の角柱（形状可変素子）７を上下に駆動して、立体形状モデル１を形成する。この場合、入力装置６により立体形状モデル１の形状情報および表面テクスチャの画像情報を変化させることにより、立体形状モデル１の形状および表面テクスチャ画像を動的に変化させることができる。
【００２２】
図２は、立体形状モデル１および反射ミラー２ａ〜２ｄをプロジェクタ４のレンズ位置から見下ろした図である。図２の中央には立体形状モデル１の上面が位置し、立体形状モデル１の各側面には反射ミラー２ａ〜２ｄの反射面が相対する。ここで、反射ミラー２ａ〜２ｄはハーフミラーで構成することが好ましい。反射ミラーの設置により側面から立体形状モデル１が見えなくなるのを防ぐためである。
【００２３】
図３は、立体形状モデル１の上面および側面の表面テクスチャ画像の一例を示す図である。本例は自動車の表面テクスチャ画像であり、これはカラー写真のように色や表面形状等の質感が反映されたものである。本例では、上面の表面テクスチャ画像３１、前後左右の側面の表面テクスチャ画像３２〜３５の合計５種類の投影画像を示している。この表面テクスチャ画像は、制御装置３からの画像情報に基づいて形成されたものである。プロジェクタ４は、この表面テクスチャ画像３１〜３５をそれぞれ対応する立体形状モデル１および反射ミラー２ａ〜２ｄに投射する。なお、プロジェクタ４からの投影画像は、表面テクスチャ画像以外の部分３６については黒くすることが好ましい。この部分３６が明るいと、光が投射すべき立体形状モデル１の反対側に漏れ、そこでの立体形状モデル１の観察が適さなくなるからである。
【００２４】
図４は、立体形状モデル１および反射ミラー２ａ〜２ｄに投影された表面テクスチャ画像を示す図である。立体形状モデル１の上面には対応する上面の表面テクスチャ画像３１が投影され、立体形状モデル１の各側面の反射ミラー２ａ〜２ｄには対応する前後左右の側面の表面テクスチャ画像３２〜３５が投影される。
【００２５】
図５は、自動車の右側面の表面テクスチャ画像３３を反射ミラー２ｂを介して立体形状モデル１に投影したときの状態を示す図である。このようにして、プロジェクタ４により、立体形状モデル１の上面の表面テクスチャ画像を立体形状モデル１に直接投影し、また立体形状モデル１の側面の表面テクスチャ画像を反射ミラー２ａ〜２ｄを介して立体形状モデル１に投影する。これにより、立体形状モデルに物体のテクスチャを効果的に表現することができるようになる。
【００２６】
このように、本実施例では、物体の形状をラフに形成する立体形状モデルと、物体のテクスチャ画像を投影するためのプロジェクタと、立体形状モデルの側面にテクスチャ画像を投影するための反射ミラーと、立体形状モデルのマトリクス状に配列されたピン（形状可変素子）を駆動するための形状可変素子駆動装置と、立体形状モデルを制御しプロジェクタに投影画像を送出するためのコンピュータ等の制御装置とを備えて構成される。立体表示したい物体が、コンピュータ上で３次元モデリングされているＣＡＤデータのようなものであれば、その３次元モデルを基に大まかな形状を立体形状モデルに形成する。また、実物体として存在するものは、たとえば形状計測装置などを用いてその形状を３次元入力し、同様に大まかな形状を立体形状モデルに形成することができる。
【００２７】
制御装置は、物体に係る形状データに基づいて形状可変素子駆動装置を起動させ、立体形状モデルの各ピンを上下動させることにより形状を生成する。また、制御装置は、設置されたプロジェクタ、立体形状モデル、および反射ミラーの位置関係をあらかじめ計測しておき、投影するテクスチャ画像の位置、大きさ、および回転角などのパラメータを算出し、上面投影画像１枚、側面投影画像４枚の高精細なテクスチャ画像を生成しプロジェクタから立体形状モデルに投影させる。
【００２８】
図６は、立体形状モデル、プロジェクタおよび反射ミラーの相対位置関係を示す図である。上面投影画像はプロジェクタから直接立体形状モデルに投影され、側面投影画像は立体形状モデルのまわりに設置された４枚の反射ミラー２ａ〜２ｄに反射されて立体形状モデルの側面に投影される。制御装置は、反射ミラー２ａ〜２ｄの傾斜角度、プロジェクタ４から反射ミラー２ａ〜２ｄまでの距離、および反射ミラー２ａ〜２ｄから立体形状モデル１までの距離によって、側面投影画像の大きさ、投影位置、傾きを計算し、これにより生成された投影画像（表面テクスチャ画像）をプロジェクタ４から投影する。これにより投影された各画像が立体形状モデル１の表面上でずれることがなくなる。また、側面投影画像は上面投影画像よりも投影距離が大きくなるため、上面投影画像に比べて小さく表示する必要があるが、これについても制御装置によって制御される。すなわち、制御装置により、上面投影画像および側面投影画像のそれぞれの大きさ、投影位置および傾きの少なくとも一つについて調整可能とされている。
【００２９】
このように本発明では、立体形状モデルの上面および側面の表面テクスチャの画像情報に基づいて、立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像を立体形状モデルの上面に投影し、立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像を反射ミラーを介して立体形状モデルの側面に投影する。立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像は、立体形状モデルの各側面に対応して複数個用意されており、複数個の側面の表面テクスチャ画像が対応する複数の反射ミラーを介して前記立体形状モデルの各側面に投影される。また、前記立体形状モデルの上面の表面テクスチャ画像および立体形状モデルの側面の表面テクスチャ画像は、上述の方法により、その大きさ、投影位置および傾きの少なくとも一つについて、それぞれ個別に調整可能とされる。
【００３０】
図７（ａ）、（ｂ）は、反射ミラー２ｄを鉛直方向から約３０度の角度に取り付けたときの側面画像投影の様子を表した図である。この場合、図７（ａ）からわかるように、プロジェクタ４からの表面テクスチャ画像は、反射ミラー２ｄを介して、立体形状モデル１のほぼ真横から投影することになる。このため、実物体７１の側面画像をカメラ７２で撮影する場合も、図７（ｂ）に示すように、実物体７１のほぼ真横となる位置から撮影する必要がある。こうすれば手前の立体形状モデル１の角部に遮られることなく側面画像を投影することができる。
【００３１】
図８（ａ）、（ｂ）は、反射ミラーを４５度の角度に取り付けたときの側面画像投影の様子を表した図である。この場合、図８（ａ）からわかるように、プロジェクタ４からの表面テクスチャ画像は、反射ミラー２ｄを介して、立体形状モデル１の下方から見上げるように投影することになる。このため、実物体８１の側面画像をカメラ８２で撮影する場合も、図８（ｂ）に示すように、実物体８１を下方から見上げるような位置から撮影する必要がある。しかし、この場合、立体形状モデル１の下方から投影するため、立体形状モデル１によっては手前の立体形状モデル１の角部に遮られて側面画像を投影できない部分が現れてしまうことになる。このようなことから、反射ミラーが反射面を鉛直方向に対して角度をつけて設置される場合、反射ミラーの反射面は鉛直方向に対して４５度未満に設置することが望ましい。
【００３２】
図９は、反射ミラーを立体形状モデルに近づけすぎた場合の状態を示す図である。このように、反射ミラー２ｄを立体形状モデル１に近づけすぎると、側面画像が立体形状モデル１の角部に遮られて反射ミラー２ｄに入射することができない。したがって、反射ミラーと立体形状モデルとは密着させることなく、所定の間隔を設けて設置することが望ましい。
【００３３】
図１０はプロジェクタの投影レンズの種類による相違を説明するための図であり、（ａ）は拡大投影レンズ系を装着した場合、（ｂ）はテレセントリック投影レンズ系を装着した場合をそれぞれ示す図である。図１０（ａ）に示すように、投影レンズとして一般的な拡大投影系レンズ１０１を用いた場合、立体形状モデル１に平面画像を投影しようとすると、投影距離によって投影画像の拡大率が変化すること、側面投影の場合に手前の立体形状モデル１の角部によって投影画像の一部が遮られてしまうこと、あるいは投影焦点深度が浅いことなどにより、全面にわたり精度よく画像を投影することはできない。これに対して、図１０（ｂ）に示すように、例えばレンズ１０２と１０３の間に開口絞り１０４を備えたテレセントリック系投影レンズを用いると、立体形状モデル１に対して鉛直方向に投影光線が進むため、投影画像の拡大率が不変となり、立体形状モデル１に大きな段差があっても投影画像に歪みが生じない。また、反射ミラーを４５度に設置すれば側面投影光線は水平になるため上面および側面ともに手前の立体形状モデル１の角部によって投影画像が遮られることがなくなる。さらに、投影焦点深度が深くなるため立体物のどの面にも焦点のあった画像を投影することができる。
【００３４】
図１１は、立体形状モデルの設置パラメータ（回転、並進、倍率）を求める方法を説明するための図である。また、図１２は、立体形状モデルの設置パラメータを基に投影画像を生成し投影するための方法を示すフローチャートである。図１１において、プロジェクタ４とモニタカメラ１１１は、あらかじめそれぞれ投影レンズおよび撮影レンズのパラメータを校正しておく。校正には格子パターンの校正板などを利用する。以下、図１２のフローチャートにそって説明する。
【００３５】
まず、ステップ１２１にて、プロジェクタ４から立体形状モデル１の範囲だけに事前に用意されたテストパターン１１２を投影する。テストパターン１１２はたとえば白黒またはカラーのストライプパターン、あるいは格子パターンなど１枚でも良いし、グレーコードパターンのように数枚で構成されていてもよい。いずれにしても高精度に形状を計測する必要はないので、ごく粗いパターンでかまわない。
【００３６】
次に、ステップ１２２にて、プロジェクタ４よりテストパターン１１２が投影された立体形状モデル１をモニタカメラ１１１で撮影する。そして、ステップ１２３にて、プロジェクタ４とモニタカメラ１１１が接続された制御装置（ＰＣ）３で、その撮影画像と投影した投影画像とのマッチングを取り、三角法の原理により簡易的な形状計測を行う。制御装置３は、ステップ１２４にて、得られた形状計測データから立体形状モデルを生成する。この形状モデルのローカル座標系からワールド座標系への変換行列を算出する。
変換行列に関しては、ワールド座標系で表した座標をPoとし、ローカル座標系であらわした座標をPlとしたとき、
【００３７】
【数１】
2006338181.tif 000003
【００３８】
と記述することができる。ここで、Rは回転および拡大/縮小行列であり、Tは並進ベクトルである。RとTを求めるにあたって、例えば同一直線状にない3点を一致させる場合には、以下のように求めることができる。ワールド座標系における3点の座標を列ベクトルで記述したものをPo1，Po2，Po3とし、ある測定時におけるそれらの点のローカル座標を列ベクトルで記述したものをPl1，Pl2，Pl3とする。まず、各座標系において、
【００３９】
【数２】
2006338181.tif 000004
【００４０】
を算出する。
【００４１】
【数３】
2006338181.tif 000005
【００４２】
とすると、回転および拡大/縮小行列Rは以下の式で記述できる。
【００４３】
【数４】
2006338181.tif 000006
【００４４】
回転および拡大/縮小行列Rが求まったとき、並進ベクトルTは以下の式で記述できる。
【００４５】
【数５】
2006338181.tif 000007
【００４６】
このようにして回転および拡大/縮小行列Rと並進ベクトルTを求めることができる。
次に、ステップ１２５にて、この設置パラメータ（回転および拡大/縮小行列Rと並進ベクトルT）を基に被立体形状モデルの３次元データから、立体形状モデルの上面および側面の画像情報を生成し、プロジェクタ４から上面の表面テクスチャ画像は立体形状モデルに直接投影し、側面の表面テクスチャ画像は反射ミラーを介して投影する。これにより各投影画像のずれのない高精細なテクスチャを再現することができる。
【００４７】
このように本発明によれば、立体形状モデルに物体の表面テクスチャを効果的に表現することができる。本発明では、立体形状モデルの上面だけでなく、その側面に対しても表面テクスチャ画像を投影することができ、また高精細なテクスチャ画像を生成しプロジェクタから立体形状モデルに投影することができるので、よりリアルな立体表示装置を得ることができる。
【００４８】
本発明においては、例えば３次元ＣＧ等で生成された３次元モデルを制御装置（ＰＣ）に入力し、これを指定された設置角度情報に基づいて立体形状モデルに形状を復元し、さらにこの設置角度情報に基づいて上面画像および側面画像を生成しプロジェクタから投影する。ここで、制御装置に付属したマウスやジョイスティックなどの入力装置により前記設置角度情報をインタラクティブに変化させることによって、立体形状モデルの復元形状および投影画像を動的に変化させることができる。
【００４９】
また、プロジェクタと立体形状モデルと反射ミラーの幾何的な設置条件をあらかじめ計測して設置パラメータとして制御装置に格納し、その設置パラメータをもとにして制御装置により画像処理を行い、プロジェクタから上面画像および側面画像を適切な倍率、位置、傾きで投影することができる。プロジェクタから立体形状モデルに事前に用意されたテストパターンを投影し、モニタカメラで撮影された画像から設置パラメータを算出し、その設置パラメータをもとにして制御装置により画像処理を行い、プロジェクタから上面画像および側面画像を適切な倍率、位置、傾きで投影することができる。なお、実物体の表面テクスチャを撮影する際、設置パラメータに応じてモニタカメラの位置、傾き、およびズーム倍率が決定される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は立体表示装置に係り、特に立体形状モデルの表面テクスチャ画像を立体形状モデルに投影して立体表示を行う立体表示装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る立体表示装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】立体形状モデルおよび反射ミラーをプロジェクタのレンズ位置から見下ろした図である。
【図３】立体形状モデル１の上面および側面の表面テクスチャ画像の一例を示す図である。
【図４】立体形状モデルおよび反射ミラーに投影された表面テクスチャ画像を示す図である。
【図５】自動車の右側面の表面テクスチャ画像を反射ミラーを介して立体形状モデルに投影したときの状態を示す図である。
【図６】立体形状モデル、プロジェクタおよび反射ミラーの相対位置関係を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、反射ミラー２ｄを鉛直方向から約３０度の角度に取り付けたときの側面画像投影の様子を表した図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、反射ミラーを４５度の角度に取り付けたときの側面画像投影の様子を表した図である。
【図９】反射ミラーを立体形状モデルに近づけすぎた場合の状態を示す図である。
【図１０】プロジェクタの投影レンズの種類による相違を説明するための図であり、（ａ）は拡大投影レンズ系を装着した場合、（ｂ）はテレセントリック投影レンズ系を装着した場合をそれぞれ示す図である。
【図１１】立体形状モデルの設置パラメータ（回転、並進、倍率）を求める方法を説明するための図である。
【図１２】立体形状モデルの設置パラメータを基に投影画像を生成し投影するための方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１  立体形状モデル
２ａ〜２ｄ  反射ミラー
３  制御装置
４  プロジェクタ
５  形状可変素子駆動装置
６  入力装置
７  角柱（形状可変素子）
【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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