単眼式 3D デジタルプラネタリウムの開発
新世代プラネタリウム Super-MEDIAGLOBE の開発
The Development of a 3D Digital Planetarium using a Single Lens Projection System石橋賢司＊西Ishibashi, kenji

藤村真生＊＊＊Fujimura, Masao

垣順二＊

兵頭健

一＊

Nishigaki, Junji

Hyoudou, Kenichi

神高原

弘之＊＊＊＊

Kanbara, Hioryuki

橋瀧

本俊太＊＊

Takimoto, Shunta

保＊Takahashi, Tamotsu

要旨
単眼式の3Dデジタルプラネタリウムを開発した。超高精細QXGA（2048×1536）プロジェクタを採用するとともに、ドーム上に精密に投映する160度魚眼レンズを開発した。また、恒星や惑星などの天体を3Dモデルにて作製し、リアルタイムに宇宙空間飛行をシミュレートできる
3Dプラネタリウム機能及び、QXGA動画圧縮再生機能を搭載した。これにより、単眼式というコンパクトでありながら、高精細かつ、臨場感の高いプラネタリウムを実現した。

Abstract
We developed a 3D digital planetarium using a single
Fig.1 Installation image of "Super-MEDIAGLOBE"

lens projection system with a super high definition QXGA
(2048x1536) projector and a 160 degree fisheye lens for
precise image projection onto a dome screen.

像度と、明るさが要求される。分割投映方式（複数のプIn addition to constructing 3D models of celestial bod-

ロジェクタの映像を連結して全天周に投映する方式）がies such as fixed stars and planets, we also implemented

一般的であるが、映像のつなぎ目の品位や経時変化に対QXGA video compression play function and a 3D plan-

するメンテナンス等の問題があった。また、システム面

etarium function that enables space flight simulation in real

ではデジタル化に対応した、臨場感の高いプラネタリウ

time. The result was a compact, high-definition planetarium

ムソフトウェアや動画コンテンツが強く求められていた。
本「Super−MEDIAGLOBE」は、超高精細なプロジェ

that totally absorbs its audience.

クタに対応する160度魚眼レンズの開発により、映像品位１と信頼性の両立を、コンパクトに実現した。システム面

はじめに

では、天体を3Dモデルで構築しリアルタイムに描画をさ

コニカミノルタプラネタリウムでは、2001年世界で初せる3Dプラネタリウムソフトウェア、及び高精細な動画めて、星像をコンピュータにて生成しプロジェクタと魚を圧縮伸長する機能を搭載し、感動を呼ぶ高度な演出を眼レンズにてドームに投映する、フルカラーデジタルプ可能とした。

ラネタリウム「MEDIAGLOBE」を発売した。従来の光

本稿では、「Super−MEDIAGLOBE」に搭載された、学式に比較して、圧倒的に表現力が高く、広く教育分野投映光学系、3Dプラネタリウム技術、QXGA動画圧縮再に受け入れられている。

生技術、及びそれらを用いた演出例について報告する。

「MEDIAGLOBE」は小型ドーム（ドーム径３m〜６m）向けであったが、これを発展させた、中型ドーム（推奨８ｍ〜12ｍ）対応の「Super−MEDIAGLOBE」を開発した。
中型以上のデジタルプラネタリウムでは、より高い解２

投映光学系

２．１

投映レンズ仕様

Table １に画角160度魚眼レンズの仕様を示し、その内＊コニカミノルタプラネタリウム㈱＊＊コニカミノルタオプト㈱＊＊＊大阪工業大学

技術部

オプティカルデバイス事業部

電子情報通信工学科＊＊＊＊京都高度技術研究所

研究開発部

容を決定順に述べる。
最大画角２ω＝160°は、ドームスクリーン及び他の機器との配置自由度確保より設定した。像円径は、プロ

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ジェクタの画像表示素子（QXGA）の中央直径約1500pixel分の表示範囲から決まる。射影方式は等距離射影とし、１pixel毎に、ドームスクリーン上で0.11°の等角度になるよう投映する。
焦点距離は、最大物体円径と画角から求まる。F N o .
は、プロジェクタ照明系の能力から最大限明るくした。
また、プロジェクタのRGB３板の表示素子を合成する光学系に対応し、入射瞳が無限遠となる、表示素子側がFig.2 Optical Transfer Function (40 Line Pair/mm)

テレセントリックな構成で且つ、焦点距離に比べ非常に長いレンズバックを設定した。
外形、質量は、上記仕様と下記光学性能の達成できる最小を狙った。
Table 1 160°Fisheye Lens Specifications

Fig.3 Spot diagrams

２．３構成、その他要点

構成の要点では、電動フォーカスとワンタッチで着脱できるマウント構成を、大口径レンズで達成するとともに、フォーカス機構を、全体繰り出しする直進とし、結像性能を維持した。
製造の要点では、組立時に多数のレンズを調芯（部品の精度によるガタを調整）し、更に投映した像面の傾き２．２

光学性能を見て、傾き補正できる鏡胴構成とした。これにより、

Table ２に光学性能を示す。

点像のコマ状の劣化と、像面の傾きによるピンぼけを防第一に、プラネタリウムとして全画面域で、画素サイ止できた。

ズ0.013 mm角の１pixelを、星の像らしく点に再現させる必要がある。40本／mmの解像力（Fig.２）の維持と、周辺部の色にじみである倍率色収差（Fig.３）を小さくする

３システム、描画系

３．１ 全体構成ことで達成した。
第二に、全画面で歪み無く星座の再現をする為に、歪曲を十分小さくした。

計算機ソフトウェアとハードウェアを中心に見た、システム構成をFig.４に示す。3Dプラネタリウムソフトウェ

第三に、正確な星の明るさを再現する為に、１pixelでアと、QXGAサイズのMPEG２動画再生ソフトウェアを示す星の明るさが全画面で同じになる様に、開口効率100搭載し、さらに WWW ブラウザ表示にも対応している。

％のケラレの無い設計とした。

映像生成を行い、プロジェクタにてドームに出力する「Image Generator PC（以下、描画 PC）」と、「描画Table 2 Optical PerformancePC」のソフトウェアの動作を外部から制御する「ControlPC（以下、制御 PC ）」の２台の PC を用いる構成とした。
3Dプラネタリウムソフトウェアと MPEG２動画再生ソ
フトウェアは、天文計算、CG 画像合成及び動画再生に多大な演算処理能力を要求する。このため「描画PC」には、Intel Xeon Dual プロセッサを用いた。また、Linuxオペレーティングシステムを採用し、安定した動作を可能にしている。「操作 PC」は、一般的な Windows XPオペレーティングシステムを用いる。
「操作 PC」の出力画面から「描画 PC」を制御するソ

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フトウェア：GUI（Graphical User Interface）と、プラ定することで、星の位置を正確に計算する。

ネタリウム番組の自動実行機能は、 Java 言語で実装予定

これにより、半径２万光年の「恒星間飛行」、100万年である。「制御卓（コンソール）」は、機械式スイッチに渡る恒星固有運動などの臨場感あふれるシミュレーやボリュームが実装され、オペレータの操作により番組ション映像を、全天周にリアルタイムに再現する。地球実行を制御する。「操作 PC」とは シリアル通信を介し上よりの視点しか再現できない従来のプラネタリウムにて接続される。GUI、プラネタリウム番組そして「制御卓比較して、圧倒的に表現力が高く、より高度な宇宙の表（コンソール）」からの操作情報は、イベントハンドラ現を可能とした。

ソフトウェアを介して、「描画 PC 」のソフトウェアの動作を制御する。

３．３

QXGA 動画再生

３．２

トウェアだけで、MPEG２形式で圧縮された 最大 QXGA

動画再生は、専用ハードウェアを用いることなくソフ
３ D プラネタリウム

3Dプラネタリウムソフトウェアは、３つの画像処理技サイズの動画を毎秒24フレームで再生する。ただしドー術で実現される。以下に３つの画像処理技術とその利用ム上映に伴う制限として QXGA サイズ（2048×1536目的を示す。

pixel）の長方形ではなく、一辺1536pixelの正方形の領域のみが再生の対象となる。

(a)古典的な2D CGの合成技術

圧縮については、プラネタリウムでの上映で要求され→宇宙空間のスケールと文字の表示(b)ポピュラーな3D CG API「OpenGL Ver1.2」の3D形る高い画像品質を達成するため、専用のソフトウェアによるエンコーダを開発した。エンコード時に量子化係数

状射影・pixel変換技術→一般的3D形状である星と人口衛星などの表示とIフレームの周期を指定することで、再生時に得られる(c)描画ハードウエア駆動言語「Cg」１）による柔軟な3Dフレームレートと画像の品質、圧縮率を調整することができる。

描画処理技術→天体の落とす影や太陽の周りにあるフレアの現象、

また、動画再生ソフトウェアはマルチストリームの音

大気の色の表示

声再生機能を備えている。1 0 本までの音声ストリーム

3Dプラネタリウムソフトウェアは仮想空間を構築し、データを同時に再生し、６ch のスピーカから出力を行な11万８千個の恒星（9.5等以上）、太陽系内惑星とそのう。再生動画に同期した音声再生だけでなく、3Dプラネ環、衛星、人工衛星、銀河の位置と形状などを保持してタリウムソフトウェアの生成するシミュレーション映像いる２）。 この3Dデータには、星の自転・公転・固有運動の進行に合わせた音声解説を提供する。などの情報も含まれており、視点位置と方向を任意に設

3Dプラネタリウムソフトウェアによるシミュレーショ

Fig.4 The System Block diagram of Super-MEDIAGLOBE System

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ンの実行、動画再生、マルチストリーム音声再生、さらフトウェアを用いて再生した例である。このように複雑にW W W ブラウザ表示は同時に行なうことが可能であでリアルタイムでの描画が困難なオブジェクトの映像る。それぞれのソフトウェアは独立して制御できる。

は、CGにて動画コンテンツとして製作することができる。

４演出例

４．１

3D プラネタリウム演出例

Fig.５は3Dプラネタリウム機能によって描画された木星とその衛星イオの映像である。木星を周回する軌道に視点を設定することにより、あたかも実際に木星の周りを周回しているような映像が全天周に投映される。
テクスチャには、ハッブル望遠鏡や探査衛星によって得られた映像を用いており、最新の科学的な知見を反映させている。
映像的な迫力だけでなく、科学的にも正確な表示を行なっている。木星はもちろん、イオ、エウロパ、ガニメ
デ、カリスト等の衛星にいたるまで、天文学的に正確に軌道計算され、正しい位置に表示される。陰影についても、太陽よりの光線を計算することにより忠実に再現されている。同様に、日食、月食などの天文現象も、時刻と視点を設定するだけで、容易に投映できる。
さらに、天体名や物理量などオブジェクト情報や、軌道線などの補助情報をあわせて表示し、天文学的な理解

Fig.6 Image of Hubble Space Telescope byQXGA software decoderを高める。
これらにより、従来のように特別なコンテンツを用意しなくとも、容易に、科学的に裏づけされた迫力のある宇宙の姿を、演出可能となった。

QXGAという高解像度の動画の再生が可能となった事から、分割投映システムのような画像の分解作業と複数台の描画装置が不要となった。

４．２

QXGA

動画再生演出例

プラネタリウムで上映される「番組」は、ストーリー

Fig.６はハッブル望遠鏡の映像を、MPEG２動画再生ソ性を持たせるとともに、全天周に投映される効果を十分考慮して製作する。CGによる番組制作過程も大幅に効率化することができた。

５

まとめ

以上、「Super-MEDIAGLOBE」に搭載された、投映レンズ、3Dプラネタリウムソフトウェア、QXGA動画圧縮再生ソフトウェア、及びその演出例を紹介した。
プラネタリウムは従来の星座を中心とした星空解説の場から、最新の科学的知見を臨場感高く表現する「劇場」へと大きく役割を変えようとしている。今後は、本稿で紹介した技術をさらに発展させ、感動を生むプラネタリウムの開発に努力したい。
●参考文献
１）Randima Fernando, Mark J. Kiigard, "The Cg Tutorial 日本語版
, ボーンデジタル , 2003
２）Jean Meeus, "Astronomical algorithms", Willmann, 1998
Fig.5 Image of Io and Jupiter by 3D planetarium

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