日本バーチャルリアリティ学会第 10 回大会論文集(2005 年 9 月)

触覚可能な地形再現システムの開発
Development of a Tangible Terrain Representation System中原守勇 1)，蒔苗耕司 2)
Morio NAKHARA and Koji MAKANAE
1) 筑波大学 システム情報工学研究科(〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1, nakahara@image.esys.tsukuba.ac.jp)
2) 宮城大学 事業構想学部

デザイン情報学科(〒981-3298 宮城県黒川郡大和町学苑 1, makanae@myu.ac.jp)
Abstract: This study aims to develop a terrain display to sense the digital terrain model visually andhaptically without any extra equipment such as HMD. The system represents a terrain surface bycontrolling the shape of a stretchable screen used to represent the terrain surface by mean of a totalof 64 actuators (8x8), projecting aerial photographs onto it. As the next step, the authors arethinking of develop the road design system by adopting this system.
Key Words: terrain representation, shared mixed reality, tangible display, CAD

1. はじめに(3)HMDを用いたシステム

道路や橋梁などの土木構造物の設計では，地形との整合

著者らはHMDを用いた3 次元都市空間モデリングシスを図ることが必要不可欠である．現在の土木設計では，2テム[4]を開発しているが，仮想的に表現される立体地形面次元の地形図をベースとしており，設計者は等高線から3とその上に構築される構造物との位置関係を正確に把握

次元地形を推定する必要がある．この3次元地形の復元能することが難しい，HMDの視野が狭く広範囲の地形把握力は，個人の先天的能力や経験に依存することから，地形が難しい等の問題がある．また，複数人での協調作業に適面を正確に3次元的に表現する手法として，模型やCGなどしていないことも問題として挙げられる．の手法が用いられている．前者は個別の対象範囲に応じて(4) ワークベンチ製作する必要があり，また後者は実体としての把握が難し粘土で作られた景観モデルの形状変化を3次元レーザスいという問題がある．そこで，本研究では，触覚可能なデキャナによりリアルタイムでコンピュータに取り込み，斜ィスプレイを用いた3次元の地形再現システムを開発し，面傾斜の計算結果を着色し，投影するワークベンチが研究その有効性について検証することを目的とする．

されている[5]．対象範囲が異なる場合，粘土の地形を作り直す必要がある．

2. 既往の研究
地形の3 次元表現を用いた土木設計支援システムとしこれらの問題に対し本研究では，特殊な表示装置を用いず，スクリーンを自動的に変形させ地形を表現することにて，現在までいくつかの手法が研究されている．

より，地形の概略をユーザにわかりやすく提示するシステ(1) 3 次元CG を用いた設計支援システム

ムを開発する．

DTM(Digital Terrain Model)を用いて，透視投影により，3次元的に表現した地形上で設計を行うシステムには，多く3. システムの構成の研究があり，その実用化が図られている[1][2]．これら

3.1 システムの概要
本システムの概観を図１に示す．格子状に配置した8×8のシステムの問題点として，地形の3次元形状の理解が難しいことが挙げられる．のステッピングモータにより64 本のロッドを制御し，可(2) 航空写真の立体視によるシステム

変スクリーンの形状を定める．このスクリーンにプロジェ

著者らは，航空写真の立体視空間における道路設計支援システムの研究[3]を行っているが，視点が航空写真の撮影クタによって，航空写真を投影し，地形面を表現する．
3.2 モータの制御制御用 PC の PCI バスに 128 点出力の制御ボード位置に限定されるとともに，地形との整合が難しいという問題がある．

(CONTEC PO-128L)を 2 枚並列で用いて，256 点の出力を367

図1

システムの概観

図3

航空写真が投影されたシステム

して，システム上方に設置したプロジェクタから，対象地域の航空写真をスクリーンに投影する．これによりスクリーンは，触覚可能な地形模型として，より現実に近いかたちで地形を表現する．航空写真が投影された状態を図 3 に示す.

4. 総記とシステムの応用例
メッシュ状のアクチュエータを制御し，航空写真を投影することにより，3 次元的な地形を再現するシステムの手法を述べた．図 3 に示したように，本システムは，非常にリアルな地形を 3 次元的に再現することが可能である．また，地形を再現するだけではなく，道路や橋梁，トンネル
図2などの土木構造物の設計システムへの応用が考えられる．

地形再現システムの側面図

道路設計に適用する場合には，想定する道路線形をスクリ可能とし，64 個のモータを制御する．

ーン上で指示棒などによりなぞる．その動きを画像処理や3.3

位置センサなどを用いて追跡し，その軌跡を道路線形としロッドの構造

図 2 にシステムの側面図を示す．それぞれのステッピて道路構造物の 3 次元モデルを作る．それを航空写真と合ングモータの回転軸に長ネジ(285mm)を接続し，内部をネ成し，上方のプロジェクタから可変スクリーンに投影するジ切った中空の角状ロッドに通す．また，ステッピングモことで道路の設計が可能になる．

ータの軸と一緒にロッドが回転しないように，アッパーデッキには空転防止の角穴を設ける．したがって，ステッ参考文献

ピングモータの回転は，ロッドの上下運動に変換される．

[1]新井伸博，吉田茂喜，笹川滋：3 次元 CAD による道路設計と走行シミュレーション，土木情報システム論文集，

3.4 標高メッシュデータを利用した地形再現

Vol.6,pp.133-140,1997.

対象範囲の標高メッシュデータファイルを読み込み，各格子点の標高データを得る．その標高値に基づき，ロッド[2]福地良彦，小林一郎：施行管理への CG アニメーションの突出長を求め，それをモータ 1 回転あたりの垂直移動量の適用，土木情報システム論文集，Vol.5,pp.75-82,1996.

で除して，必要なモータの回転数を得る．求めた回転数を[3]蒔苗耕司，福田正：航空写真と CG を用いた 3 次元路基に，プログラムによってモータを制御し、ロッドを上下線計画システム，土木学会論文集，No.590/IV-39, pp.

させる．

23-30, 1998.

3.5 可変スクリーンの設置と地形再現[4]蒔苗耕司，一ノ坪平：HMD を用いた 3 次元都市空間モ
デリングシステム，3 次元画像コンファレンス 2003 講

可変スクリーンをロッドの先端に設置する.両者を固定

演論文集，pp. 221-224, 2003.

するために，接地点に面ファスナーを接着しており，可変スクリーンをロッドの上下運動に追従させることができ[5]Piper, B., Ratti, C. and Ishii, H.: Illuminating Clay:
A3-DTangible

る．また，可変スクリーンは，伸縮性のある化繊布を使用

Proceedings ofしている．

Interfacefor

LandscapeAnalysis,

Conference on Human Factors inComputing Systems(CHI ’02), (Minneapolis, April), ACM

地形面の起伏は，標高をメッシュ状に再現したロッドをPress, 2002.

覆う可変スクリーンにより表現でき，その形状はモータの制御により任意に変更が可能である，このスクリーンに対368