(57)【要約】【課題】  仮想空間上に表現された物体が物理的接触により現実の物体のように自然にその形状が変化するようにした物理的接触に応じた形状変形表示装置を提案すること。【解決手段】  ある物体を表現した三次元モデル３と、前記三次元モデル３をディスプレイ１に表示する三次元モデル表示手段２と、前記ディスプレイ１に設けられた物理的接触を検出するタッチパネル８と、前記タッチパネル８の検出結果から周囲の圧力状態を推定する推定手段５と、前記推定手段５の推定結果により前記三次元モデル３を変形する三次元モデル変形手段４とを有する物理的接触に応じた形状変形表示装置とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある物体を表現した三次元モデルと、前記三次元モデルをディスプレイに表示する三次元モデル表示手段と、前記ディスプレイに設けられた物理的接触を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果から周囲の圧力状態を推定する推定手段と、前記推定手段の推定結果により前記三次元モデルを変形する三次元モデル変形手段とを有することを特徴とする、物理的接触に応じた形状変形表示装置。
【請求項２】
上記検出手段がタッチパネルであることを特徴とする、請求項１に記載の物理的接触に応じた形状変形表示装置。
【請求項３】
上記検出手段が圧力が加わった位置、及びその圧力の大きさを検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載の物理的接触に応じた形状変形表示装置。
【請求項４】
上記推定手段が上記検出手段の検出結果から圧力のおよぶ範囲、及びその範囲の圧力の大きさを推定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の物理的接触に応じた形状変形表示装置。
【請求項５】
上記三次元モデルが人間や動物の頭部を表現したものであり、ディスプレイに表示された該人間や動物の頭部の形状が、外界からの物理的接触によって変化することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の物理的接触に応じた形状変形表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、仮想空間上に表現された物体が物理的接触により現実の物体のように自然に変化するようにした物理的接触に応じた形状変形表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、人間や動物の形をしたロボットを実現する上で、その頭部は顔や髪の毛があり、人間が見たときに違和感のないようなものである必要性がある。
【０００３】
そこで、特許文献１の「コミュニケーションロボット」では、電磁モータによって機械的にゴム皮膜を駆動し、顔の表情を作り出す技術が開示されている。
しかし、機械的に顔の表情を実現する場合、構造が複雑となり、コストがかかることや故障が起きやすいなどの問題点がある。
【０００４】
一方、電子的な表示装置により顔の表情を実現する試みも成されている。
例えば、特許文献２の「表情を有する知的ロボット」では、複数用意された表情のパターンを電子的な表示装置に描画することにより、種々の表情を有するロボットの顔を実現している。
しかし、この方法の場合、上記した機械式の場合と比較して周辺の環境、例えば光、風、或いは物理的接触などに左右されずに顔等が表現されてしまい、違和感のあるものとなる。
【０００５】
このような課題を解決するため、特許文献３の「ロボット」では、電子的なディスプレイと周囲の光或いは風を検出する検出手段を有し、周囲の状況に連動して違和感なく顔の表情が変化するロボットを実現した技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６１９８２号公報
【特許文献２】特開２００１−２１５９４０号公報
【特許文献３】特開２００３−１８７２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この特許文献３に記載された技術のように、三次元コンピュータグラフィクスの技術と外部環境要因を検出する検出手段を利用すれば、環境に連動した人間や動物の顔をリアルに表現し、ディスプレイ上に表示することが可能である。
そして、これをロボットの顔として利用することは、前述の機械式の場合と比較して、安価に且つ故障がすくなくリアルなロボットの顔を実現できることとなる。
【０００８】
ここで、特許文献３に記載された技術においては、外部環境要因を検出する検出手段として、光と風を検出する検出手段のみしか有しておらず、物理的接触による変化、即ち、人の顔に指が触れると、指先から加えられた圧力が皮膚に伝わり、触れた部分の皮膚が凹むと言った変化を表現することはできないものであった。
しかし、このような変化をディスプレイに表示されたロボットの顔においても表現することができれば、より違和感のないロボットの顔を実現することができると共に、スキンシップによる人とロボットのコミュニケーションの可能性も生じる。
【０００９】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、仮想空間上に表現された物体が物理的接触により現実の物体のように自然にその形状が変化するようにした、物理的接触に応じた形状変形表示装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記した課題を解決するため、ある物体を表現した三次元モデルと、前記三次元モデルをディスプレイに表示する三次元モデル表示手段と、前記ディスプレイに設けられた物理的接触を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果から周囲の圧力状態を推定する推定手段と、前記推定手段の推定結果により前記三次元モデルを変形する三次元モデル変形手段とを有する物理的接触に応じた形状変形表示装置とした。
【発明の効果】
【００１１】
上記した本発明によれば、ある物体、例えば人間や動物の頭部を表現した三次元モデルを有し、それをディスプレイに表示する三次元モデル表示手段と、ディスプレイに設けられた物理的接触により加えられた圧力の大きさ、及びその位置等を検出する検出手段、例えばタッチパネルを有し、前記タッチパネルの検出結果から推定手段において周囲の圧力状態、例えば圧力のおよぶ範囲、及びその範囲の圧力の大きさ等を推定し、該推定手段の推定結果により三次元モデル変形手段が前記人間や動物の頭部を表現した三次元モデルを変形するため、ディスプレイに人が触れると、ディスプレイに表示された人間や動物の頭部の形状がその接触により変化することとなり、物理的接触に対して違和感なく変形するロボットの顔等を安価に実現することができることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、上記した本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の実施の形態を、図面などを示して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置のシステム構成の一例を示した図である。
この図に示した装置は、ディスプレイ１と、このディスプレイ１に人間や動物の頭部等の三次元モデルを表示する三次元モデル表示部２と、この三次元モデル表示部２に与えられるデータとしての三次元モデル３を備えている。また、物理的接触を検出するタッチパネル８と、このタッチパネル８により検出された圧力データ６及び位置座標データ７と、この圧力データ６及び位置座標データ７より物理的接触による圧力のおよぶ範囲、及びその範囲の圧力の大きさを推定する推定手段５と、前記推定手段５による推定結果に基づき上記データとしての三次元モデル３に変形を加える三次元モデル変形手段４を更に備えている。
なお、上記三次元モデル表示部２、三次元モデル変形手段４、推定手段５は計算機内部の処理部であり、上記三次元モデル３、圧力データ６、位置座標データ７は計算機内部のデータである。
【００１４】
図２は、本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の概観の一例を示したものであって、ディスプレイ１に上記物理的接触の検出手段であるタッチパネル８が配置されたタッチパネル式液晶ディスプレイが使用され、ディスプレイ１に人間の頭部を表現した三次元モデル３が表示されると共に、ディスプレイ１に物理的接触をした際、その物理的接触により加えられた圧力の大きさ、及びその位置をタッチパネル８によって検出できるようになっている。
そして、タッチパネル８によって検出された圧力データ５と位置座標データ６から、推定手段５において物理的接触による圧力のおよぶ範囲、及びその範囲の圧力の大きさが推定され、該推定手段５の推定結果に基づき、上記三次元モデル変形手段４は三次元モデル３を変形させ、そして、変形された三次元モデル３が三次元モデル表示部２によりディスプレイ１に表示され、ディスプレイ１上に表示された人間の頭部が接触により変形したように表示される。
なお、上記ディスプレイ１は、現状では長方形のものしか入手できないが、人間や動物の頭部の形状に近いディスプレイを使用することもできる。
【００１５】
図３は、本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の動作の一例を示したフローチャートである。
このフローチャートに示したように、まず、初期化を行い、タッチパネル８のセットや仮想空間やその物体の初期値のセットを行う〔Ｐ１〕。
次に、タッチパネル８から圧力の加わった座標値（ｘ，ｙ）と、その圧力の大きさ（ｐ）を得る〔Ｐ２〕。
そして、タッチパネル８から得られた座標値（ｘ，ｙ）と圧力の大きさ（ｐ）から、推定手段５において周囲の圧力状態を推定する〔Ｐ３〕。
続いて、その推定された圧力情報をもとに、三次元モデル変形手段４によって三次元モデル３を変形する〔Ｐ４〕。
最後に、変形後の三次元モデル３を三次元モデル表示部２によりディスプレイ１上に表示する〔Ｐ５〕。
以上の〔Ｐ２〕から〔Ｐ５〕の処理を繰り返すことにより、ディスプレイ１上に表示された物体は物理的接触に応じて変化させることができる。例えば、ディスプレイ１上に表示されたロボットの頬を軽く押せば、ロボットの頬も実際に押されたように凹んで表示され、ディスプレイ１から手を離せば、もとの形状に戻る。
【００１６】
図４は、上記図３の推定部分〔Ｐ３〕の動作、即ち、タッチパネル８から得られた座標値（ｘ，ｙ）と圧力の大きさ（ｐ）から、周囲の圧力状態を推定する動作の一例を詳細に示したフローチャートである。
この実施の形態では、物理的接触の検出手段としてタッチパネル８を使用したため、検出される座標系がワールド座標系である。したがって、まず検出された座標値（ｘ，ｙ）から、以下の式を用いて仮想空間上の座標値（ｘ’，ｙ’，ｚ’）に変換する〔Ｑ１〕。
ｘ’＝ｘ／ｗ          ｙ’＝ｙ／ｈ
ここで、図５に示すようにｗは表示される仮想空間の幅であり、ｈは高さである。また、各軸の方向は、図５のとおりである。また本実施の形態では、OpenGLを使用したため、仮想空間上のｚ軸座標値ｚ’は、タッチパネル８から検出された座標値（ｘ，ｙ）より、OpenGLに含まれる関数を使用して求める。
なお、図５は、本実施の形態に用いた仮想空間上の空間幅ｗとその高さｈ、及び三次元モデル３の表示例を示した図である。
【００１７】
次に、タッチパネル８は、ある一点での圧力しか検出できない。そこで、図６のように検出された圧力の大きさ（ｐ）をもとに、圧力の検出された箇所を中心として圧力の大きさに比例した範囲に力が加わるものとし、圧力のおよぶ範囲を推定する〔Ｑ２〕。
即ち、人差し指の半径を５ｍｍと仮定し、最大で圧力の及ぶ範囲を半径１５ｍｍとし、また、タッチパネル８により検出できる圧力の最大値をｐmax として、力のおよぶ範囲ｒを、
ｒ＝（ｐ／ｐmax ）×１５
のようにして圧力のおよぶ範囲を推定する。
【００１８】
続いて、圧力のおよぶ範囲の三次元モデルを構成している各制御点に対して、検出された圧力の大きさ（ｐ）から、中心からの距離に反比例した圧力が各点に加わるものとし、圧力の大きさを各々制御点について推定することにより決定する〔Ｑ３〕。
ここで、圧力の加わるｉ番目の制御点の座標値を（ｘ'i，ｙ'i，ｚ'i）とすると、この制御点に加わる圧力の大きさ（ｐi）は以下のようにして求める。
ｐi＝［〔（x'i−x'）2＋（y'i−y'）2＋（z'i−z'）2〕1/2／ｒ］×ｐ
【００１９】
図６は、本実施の形態に用いた三次元モデル３と、その一部を拡大し、顔表示のためのポリゴン面を示したものである。ここで、三次元モデル３は、すべて三角形のポリゴンで構成され、ポリゴンを描いている三角形の各点を、そのまま形状変化のための制御点とした。タッチパネル８により得られた圧力を、図のようにして三次元モデル３におよぶ範囲を線形的に定めている。なお、本実証システムでは、一般的なバネモデルを使用した。
まず、頂点ｉに対する変数及び定数を、
力：ｆｉ、  加速度：ａｉ、  速度：ｖｉ、  頂点の質量：ｍｉ
頂点のｚ軸方向の位置：ｚｉ、  頂点のｚ軸方向の元の位置：ｚ０ｉ
として定義した。
これらを使用して、頂点ｉについて運動方程式を立てると、
ｆｉ＝ｍｉ×ａｉ
となるので、加速度ａｉ＝ｆｉ／ｍｉが求まる。
また、この時の頂点ｉの速度は、
ｖｉ＝ａｉ×Δｔ
となるので、さらに、Δｔ秒後の頂点の位置は、
ｚｉ＝ｖｉ×Δｔ＋ｚ０ｉ
となるので、これをΔｔごとに繰り返すことによって、形状変形を実現している。
【００２０】
また、ディスプレイ１に表示された三次元モデル３に接触した際、制御点に当たらない
こともある。
この場合は、接触した際の座標からその点を含むポリゴン面を割り出し、その点を制御
点群に一時的に自動で追加し、上記の物理モデルを適用する。
これにより、三次元モデルを構成して制御点が少量でも、変形の際に滑らかに表示でき
、動作が軽くなるメリットがある。
【００２１】
図７は、三次元モデル３に接触した際、制御点に当たらない場合の制御点自働生成の様
子を示した図である。
図のようにして、指が接触した際の周囲４点の制御点をそれぞれ（ｘ”ｉ，ｙ”ｉ，ｚ
”ｉ）〜（ｘ”ｉ＋１，ｙ”ｉ＋１，ｚ”ｉ）とおく。なお、ここでは、説明を簡略化するために奥ゆきであるｚ軸座標はすべて同じとして扱った。
次に、タッチパネル８により検出された座標値（ｘ，ｙ）から、仮想空間にあわせて変
換された座標値（ｘ’，ｙ’，ｚ’）を計算機内部の形状データの配列に、制御点（ｘ”
ｉ，ｙ”ｉ，ｚ”ｉ）〜（ｘ”ｉ＋１，ｙ”ｉ＋１，ｚ”ｉ）の間にくるように格納し、新しい形状データとして更新する。
【００２２】
以上、本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の実施の形態を説明したが、本発明は、何ら既述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形及び変更が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置のシステム構成の一例を示した図である。
【図２】本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の概観の一例を示した図である。
【図３】本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の動作の一例を示したフローチャートである。
【図４】本発明に係る物理的接触に応じた形状変形表示装置の推定部分の動作の一例を詳細に示したフローチャートである。
【図５】タッチパネルにより得られた座標値から仮想空間上の座標値に変換する際に用いる座標系と、仮想空間の幅ｗと高さｈを説明するための図である。
【図６】三次元モデルの例と、その制御点の拡大図、及び圧力のおよぶ範囲を説明するための図である。
【図７】形状データにおける制御点の間に接触した際の制御点自動生成方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２４】
１        ディスプレイ
２        三次元モデル表示部
３        三次元モデル
４        三次元モデル変形手段
５        推定手段
６        圧力データ
７        位置座標データ
８        タッチパネル（検出手段）
【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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