3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置およびそのシステム
【課題】
より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすい3次元コンピュータグラフィック曲線・曲面モデル装置、およびそのためのシステムを提供すること。
【解決手段】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置である。
より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすい3次元コンピュータグラフィック曲線・曲面モデル装置、およびそのためのシステムを提供すること。
【解決手段】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、2次元形状から3次元曲線モデルを入力・生成する3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置、および曲線・曲面モデリングシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、製品の3次元モデルをコンピュータ上で仮想的に生成し、この3次元モデルに基づいて製品モデルをイメージング、あるいは試作する方法が提案されている。
【0003】
このような3次元モデルには、ワイヤー画面モデルが最も良く使用されている。本発明者は直線、円筒状物、球状物の3次元モデルの生成装置、およびシステムについては、特願2004−013767として出願している。本発明は上記出願したアイディアを曲線に応用したものである。
【0004】
曲線モデルにおいては、指定する複数の点を結んでどのような曲線を引くかということが重要である。従来の曲線形成方法としては、例えば特許文献1には指定点の近傍において曲線の曲率を極大とする方法が提案されている。この方法では各点において極大値となる曲線を描く方法が提案されている。しかし、この方法では、各点を結ぶ曲線の円滑性が十分であるとは言えない。
【0005】
【特許文献1】特開平9−138855
【0006】
また、固定点を結んだ曲線を表示する方法としては、n+1個の制御点列からなりベルンスタイン多項式により定義されるベジェ曲線が知られている。しかし、この方法では、描かれた曲線が指定した点の上を通過しないという問題がある。いずれにせよ、これらの提案では3次元モデリングに関する提案はなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、従来の3次元モデリングシステムと比べると、より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすい3次元コンピュータグラフィックモデル装置、およびそのためのシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち本発明は、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置である。
【0009】
上記2次元スクリーン座標系データは、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることが好ましい。
【0010】
上記装置は、更にシーディングしうる手段を有することが好ましい。
【0011】
遠近法により表示される2次元図形は、回転可能であることが好ましい。
【0012】
本発明は、また、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力し、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成し、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成し、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示することからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【0013】
2次元スクリーン座標系データは、遠近法で表現された2次元スクリーン座標系データであることが好ましい。
【0014】
上記システムは、更にシーディングしうる手段を有することが好ましい。
【0015】
得られた2次元図形は、回転させうることが好ましい。
【発明の効果】
【0016】
本発明の3次元コンピュータグラフィックモデル装置、およびそのためのシステムは従来の3次元モデリングシステムと比べると、より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすいという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明の装置、およびシステムでは3次元曲面体状物の3次元モデルを描画することが可能である。本発明では、これらの各種3次元モデルを描画するためにいくつかの装置、およびシステムを備えている。
【0018】
(装置)
本発明の装置、およびシステムの実施の形態につき詳しく説明する。本発明のシステムを実施するための装置としては、好ましくはパーソナルコンピュータ(パソコン)を用いる。パソコンは、データや図を表示するためのディスプレイ、データを入力するためのキーボード、及びマウス、格納されたプログラムを立ち上げて入力したデータを演算し、出力し、記憶するための本体、及び必要に応じてプログラムやデータを格納するためのコンピュータディスク、サーバー等の追加の記憶装置とからなっている。
【0019】
本発明では、パソコンのマウスを用いて描画画面、あるいは入力画面に入力することにより3次元オブジェクトを形成する。本発明のモデル生成装置、あるいはモデリングシステムでは、ディスプレイ上の画面としては、描画画面、遠近法による3次元オブジェクト表現および回転画面、データ表示画面等の複数の画面が用意されている。これらの画面は1つ1つ切り替わるようになっていてもよいし、1つの画面にいくつものフレームとして表示されていてもよい。
【0020】
(オブジェクト)
なお、本明細書において、オブジェクトとは、3次元化の対象とする物体、あるいは、物体を本発明の方法により描かれた3次元化された画面上の物体のいずれをも含む。
【0021】
次に、曲面体状物3次元コンピュータモデルの生成装置、および生成システムについて説明する。曲面体状物3次元コンピュータモデルの生成には、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる装置を用いる。
【0022】
本発明のシステムでは、曲面体状物3次元コンピュータグラフィックモデルを得るには、まず2次元入力画面においてマウスをクリックすることにより3つ以上の点を描画する。
【0023】
入力された指定点は自動的に順次曲線でつなぎ、自由曲線を形成する。このときの曲線として、本発明では3次スプライン曲線を用いる。
【0024】
【0025】
【0026】
【数1】
【0027】
【数2】
【0028】
【数3】
【0029】
【数4】
【0030】
【0031】
【数5】
【0032】
よって
【0033】
【数6】
【0034】
式(6)に式(3)を代入すると式(7)が得られる。
【0035】
【数7】
【0036】
【0037】
【数8】
【0038】
(3次スプライン補間関数の境界条件)
上記式(8)はn個の未知数があるため、上記連立方程式を解くには条件式が2つ不足している。この不足は曲線の始点と終点における境界条件を付加的に指定することにより解くことができる。境界条件としては次の4種類があり、ユーザーは目的によりこれらのいずれかを選択して用いることができる。
【0039】
(自然条件:端点における2次導関数を0とする場合)
自然条件は、端点における曲率を0とすることと等価であり、曲線を梁として考えるとその端点に曲げを加えない自然な状態に相当する。この場合、下記式(9)が成り立つことから、(10)式を式(8)に加えたn元連立方程式を解くことになる。
【0040】
【数9】
【0041】
【数10】
【0042】
(固定条件:端点における1次導関数を指定する場合)
【0043】
【数11】
【0044】
(周期条件:両端点における1次と2次導関数の値を等しくする場合)
周囲条件は、正弦曲線や閉曲線を生成する場合に有効である。周期条件の場合、式(12)が成り立つことから、式(13)を式(8)に加えたn-1元連立方程式を解くことになる。
【0045】
【数12】
【0046】
【数13】
【0047】
(反周期条件:両端点の1次と2次導関数の正負を反転させる周期条件)
反周期条件の場合、式(14)を式(9)に加えたn-1元連立方程式を解くことになる。
【0048】
【数14】
【0049】
(3次スプライン補間関数の解法)
境界条件が、自然条件と固定条件の場合、式(10)と(11)を式(8)に加えることにより式(15)のようなn元3項方程式となる。対角項が優位であり、一意の解が求められる。
【0050】
【数15】
【0051】
式(13)の解法には効率的なLU分解法が利用できる。
【0052】
【数16】
【0053】
【0054】
【数17】
【0055】
【数18】
【0056】
【数19】
【0057】
【数20】
【0058】
周期条件及び反周期条件の場合は、より一般的なLU分解法やガウス消去法により解くことができる。
【0059】
(曲線モデリングのアルゴリズム)
本発明の曲線モデリングのアルゴリズムを図2のフローシートを用いて説明する。本発明の曲線モデリングの作成は、例えば、次の手順で行なう。
【0060】
ステップ1 2次元の曲線を描画する。
2次元の描画画面に点をとり、3次スプライン補間関数で曲線を描く。
ステップ2 曲線を調整する。
インターフェースで曲線の形を調整する。
ステップ3 曲線を回転させ曲面を構成する。
3次元で曲線を表現し, 回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、回転を加え曲面を構成する。
ステップ4 自由曲面を表現する。
遠近法を利用し曲面を2次元スクリーン画面上で表示する。回転アニメーションを行う。
【0061】
本発明のシステムで3次元曲線モデルを作成する手順につき、1実施例によりステップを追って詳しく説明する。本発明では、まずステップ1で2次元の曲線を描画する。具体的には、まず2次元の描画画面上の任意の位置にマウス左クリックして、図3に示したように3つ以上の点を指定する。点の指定が完了したら、曲線描画ボタンをクリックする。
【0062】
本発明のシステムでは、システムは3次スプライン補間関数の計算を行い、図4に示したように、第1フレーム上に指定点を経由した曲線を描かれる。
【0063】
曲線を変更したいときは、ステップ2で点移動ボタンをクリックし、マウスポイントを描かれた点に合わせドラッグすることで、図5に示したように点が任意の位置に移動でき、新たな曲線が描かれる。(図5参照)また、既存点を削除し、新しい点を追加して修正することもできる。
【0064】
(角度、軸の設定)
本発明のシステムでは、ステップ3において、その1例を図6に示したように、3次元の相対座標空間で曲線を表現する。更に確認しやすくため、図7に示したように曲線描画体を軸の周りに回転させることができる。回転させる際に必要となるデータは、回転させる角度(0度から360度まで)、角度の幅、回転する際に基準となる軸(x軸、y軸、z軸、任意軸)、の3つである。
【0065】
利用しやすいように,初期値を予め与えておく。また、これらのデータを設定することができる、視覚的に判断しやすいインターフェースを用意する。すなわち、x軸、y軸、z軸のそれぞれの始点座標と終点座標を設け、任意軸を回り回転するも可能にする。回転させる角度ボタンをクリックすると、角度が変更できる。任意軸に回り回転するデータを設定したら図8に示したように簡単なデモを表示し,満足のいく回転曲面であるかが確認できる。
【0066】
本発明のシステムでは、ステップ4で、図9に示したように自由回転曲面を表現する。すなわち設定されたデータと曲線の座標を元にして、回転曲面を作成する。このとき遠近法を用いて3次元で定義される回転曲面を2次元スクリーン画面上で表現し、アニメーションを用いて作成した回転曲面を視覚的に捉え易くする。
【実施例1】
【0067】
3次元曲線モデル作成のステップを実施例1で示す。実施例1で、図10の任意に描画したスプライン曲線を、x、y、z軸周りそれぞれに回転し描かれた回転曲面を図11,12,13に示す。ユーザーはまず図10に示した描画画面において、複数の点を順次クリックすることにより指定する。これらの点を経由したスプライン曲線が自動的に描かれる。
【0068】
図10のスプライン曲線をx軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図11に、y軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図12に、z軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図13にそれぞれ示す。
【0069】
(実施例2)
本発明の曲線モデルにおける部分回転曲面の生成手順を別の実施例により示す。ユーザーはまず図14に示した描画画面において、5個の点を順次クリックすることにより指定する。これらの点を経由したスプライン曲線が自動的に描かれる。
【0070】
次に、図14のスプライン曲線をy軸周りに部分回転させて生成した曲面を図15左に、z軸周りに部分回転させて得た曲面を図15右に示す。
【0071】
(陰線処理)
本発明の装置、およびシステムで得た3次元曲線・曲面モデルは、更に、視点から見たときに,手前にある面によって隠されて見えない部分の線を消去する陰線消去により立体的に表現することができる。陰線消去の具体的な処理過程としては,まず各線分を、全ての面に対して、面によってその一部あるいは全てが視点から見て隠されて見えない状態かどうかをテストする。もし見えない部分があるのならば見える部分だけを抜き出す。その線分と面から、見える部分と見えない部分との境界点を求める。もし線分がいずれの面にも隠されていなければ、この線を描画する。視点から見て、ある面が他の面によって遮られて見えなくなっているとき、その見えない部分を消去する。この陰面消去ではZソート法(ペインタアルゴリズム、デプスソート法,塗り重ね法)、Zバッファ法(デプスバッファ法,奥行きバッファ法)などを利用できる。
【0072】
(シェーディング)
次に、より立体的に物体を表示するためには、物体の形の指定,物体の色の指定、光源の色、位置などを入力し、任意の形に分割された平面をそれぞれ適切な色で塗りつぶすシェーディングを行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【0073】
本発明の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置およびそのシステムは、小中学生のコンピュータ・グラフィックス教育用、あるいは、テレビ宣伝等におけるアニメーション作成等の用途に幅広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0074】
【図1】図1は、スプライン曲線についての説明図である。
【図2】図2は、本発明のシステムのフローシートの1例を示した図である。
【図3】図3は、第1フレームにおいて、点を指定した状態の図である。
【図4】図4は、第1フレームにおいて、スプライン曲線が描かれた状態の図である。
【図5】図5は、第1フレームにおいて、図3で引かれたスプライン曲線を修正した状態の図である。
【図6】図6は、スプライン曲線を回転させることにより形成された3次元モデリングを示した図である。
【図7】図7は、3次元モデを回転させている状況を示した図である。
【図8】図8は、描かれた3次元曲線モデルを確認するための画面である。
【図9】図9は、実施例2における自由曲面を表現した画面である。
【図10】図10は、実施例2におけるスプライン曲線を描いた状態の画像である。
【図11】図11は、図10のスプライン曲線をx軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図12】図12は、図10のスプライン曲線をy軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図13】図13は、図10のスプライン曲線をz軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図14】図14は、実施例3におけるスプライン曲線を描いた状態の画像である。
【図15】図15は、図14のスプライン曲線をy軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図16】図16は、図14のスプライン曲線をz軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、2次元形状から3次元曲線モデルを入力・生成する3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置、および曲線・曲面モデリングシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、製品の3次元モデルをコンピュータ上で仮想的に生成し、この3次元モデルに基づいて製品モデルをイメージング、あるいは試作する方法が提案されている。
【0003】
このような3次元モデルには、ワイヤー画面モデルが最も良く使用されている。本発明者は直線、円筒状物、球状物の3次元モデルの生成装置、およびシステムについては、特願2004−013767として出願している。本発明は上記出願したアイディアを曲線に応用したものである。
【0004】
曲線モデルにおいては、指定する複数の点を結んでどのような曲線を引くかということが重要である。従来の曲線形成方法としては、例えば特許文献1には指定点の近傍において曲線の曲率を極大とする方法が提案されている。この方法では各点において極大値となる曲線を描く方法が提案されている。しかし、この方法では、各点を結ぶ曲線の円滑性が十分であるとは言えない。
【0005】
【特許文献1】特開平9−138855
【0006】
また、固定点を結んだ曲線を表示する方法としては、n+1個の制御点列からなりベルンスタイン多項式により定義されるベジェ曲線が知られている。しかし、この方法では、描かれた曲線が指定した点の上を通過しないという問題がある。いずれにせよ、これらの提案では3次元モデリングに関する提案はなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、従来の3次元モデリングシステムと比べると、より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすい3次元コンピュータグラフィックモデル装置、およびそのためのシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち本発明は、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置である。
【0009】
上記2次元スクリーン座標系データは、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることが好ましい。
【0010】
上記装置は、更にシーディングしうる手段を有することが好ましい。
【0011】
遠近法により表示される2次元図形は、回転可能であることが好ましい。
【0012】
本発明は、また、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力し、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成し、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成し、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示することからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【0013】
2次元スクリーン座標系データは、遠近法で表現された2次元スクリーン座標系データであることが好ましい。
【0014】
上記システムは、更にシーディングしうる手段を有することが好ましい。
【0015】
得られた2次元図形は、回転させうることが好ましい。
【発明の効果】
【0016】
本発明の3次元コンピュータグラフィックモデル装置、およびそのためのシステムは従来の3次元モデリングシステムと比べると、より簡便で、かつ指定点を通過する円滑な曲線からなる3次元形状を描きやすいという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明の装置、およびシステムでは3次元曲面体状物の3次元モデルを描画することが可能である。本発明では、これらの各種3次元モデルを描画するためにいくつかの装置、およびシステムを備えている。
【0018】
(装置)
本発明の装置、およびシステムの実施の形態につき詳しく説明する。本発明のシステムを実施するための装置としては、好ましくはパーソナルコンピュータ(パソコン)を用いる。パソコンは、データや図を表示するためのディスプレイ、データを入力するためのキーボード、及びマウス、格納されたプログラムを立ち上げて入力したデータを演算し、出力し、記憶するための本体、及び必要に応じてプログラムやデータを格納するためのコンピュータディスク、サーバー等の追加の記憶装置とからなっている。
【0019】
本発明では、パソコンのマウスを用いて描画画面、あるいは入力画面に入力することにより3次元オブジェクトを形成する。本発明のモデル生成装置、あるいはモデリングシステムでは、ディスプレイ上の画面としては、描画画面、遠近法による3次元オブジェクト表現および回転画面、データ表示画面等の複数の画面が用意されている。これらの画面は1つ1つ切り替わるようになっていてもよいし、1つの画面にいくつものフレームとして表示されていてもよい。
【0020】
(オブジェクト)
なお、本明細書において、オブジェクトとは、3次元化の対象とする物体、あるいは、物体を本発明の方法により描かれた3次元化された画面上の物体のいずれをも含む。
【0021】
次に、曲面体状物3次元コンピュータモデルの生成装置、および生成システムについて説明する。曲面体状物3次元コンピュータモデルの生成には、
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる装置を用いる。
【0022】
本発明のシステムでは、曲面体状物3次元コンピュータグラフィックモデルを得るには、まず2次元入力画面においてマウスをクリックすることにより3つ以上の点を描画する。
【0023】
入力された指定点は自動的に順次曲線でつなぎ、自由曲線を形成する。このときの曲線として、本発明では3次スプライン曲線を用いる。
【0024】
【0025】
【0026】
【数1】
【0027】
【数2】
【0028】
【数3】
【0029】
【数4】
【0030】
【0031】
【数5】
【0032】
よって
【0033】
【数6】
【0034】
式(6)に式(3)を代入すると式(7)が得られる。
【0035】
【数7】
【0036】
【0037】
【数8】
【0038】
(3次スプライン補間関数の境界条件)
上記式(8)はn個の未知数があるため、上記連立方程式を解くには条件式が2つ不足している。この不足は曲線の始点と終点における境界条件を付加的に指定することにより解くことができる。境界条件としては次の4種類があり、ユーザーは目的によりこれらのいずれかを選択して用いることができる。
【0039】
(自然条件:端点における2次導関数を0とする場合)
自然条件は、端点における曲率を0とすることと等価であり、曲線を梁として考えるとその端点に曲げを加えない自然な状態に相当する。この場合、下記式(9)が成り立つことから、(10)式を式(8)に加えたn元連立方程式を解くことになる。
【0040】
【数9】
【0041】
【数10】
【0042】
(固定条件:端点における1次導関数を指定する場合)
【0043】
【数11】
【0044】
(周期条件:両端点における1次と2次導関数の値を等しくする場合)
周囲条件は、正弦曲線や閉曲線を生成する場合に有効である。周期条件の場合、式(12)が成り立つことから、式(13)を式(8)に加えたn-1元連立方程式を解くことになる。
【0045】
【数12】
【0046】
【数13】
【0047】
(反周期条件:両端点の1次と2次導関数の正負を反転させる周期条件)
反周期条件の場合、式(14)を式(9)に加えたn-1元連立方程式を解くことになる。
【0048】
【数14】
【0049】
(3次スプライン補間関数の解法)
境界条件が、自然条件と固定条件の場合、式(10)と(11)を式(8)に加えることにより式(15)のようなn元3項方程式となる。対角項が優位であり、一意の解が求められる。
【0050】
【数15】
【0051】
式(13)の解法には効率的なLU分解法が利用できる。
【0052】
【数16】
【0053】
【0054】
【数17】
【0055】
【数18】
【0056】
【数19】
【0057】
【数20】
【0058】
周期条件及び反周期条件の場合は、より一般的なLU分解法やガウス消去法により解くことができる。
【0059】
(曲線モデリングのアルゴリズム)
本発明の曲線モデリングのアルゴリズムを図2のフローシートを用いて説明する。本発明の曲線モデリングの作成は、例えば、次の手順で行なう。
【0060】
ステップ1 2次元の曲線を描画する。
2次元の描画画面に点をとり、3次スプライン補間関数で曲線を描く。
ステップ2 曲線を調整する。
インターフェースで曲線の形を調整する。
ステップ3 曲線を回転させ曲面を構成する。
3次元で曲線を表現し, 回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、回転を加え曲面を構成する。
ステップ4 自由曲面を表現する。
遠近法を利用し曲面を2次元スクリーン画面上で表示する。回転アニメーションを行う。
【0061】
本発明のシステムで3次元曲線モデルを作成する手順につき、1実施例によりステップを追って詳しく説明する。本発明では、まずステップ1で2次元の曲線を描画する。具体的には、まず2次元の描画画面上の任意の位置にマウス左クリックして、図3に示したように3つ以上の点を指定する。点の指定が完了したら、曲線描画ボタンをクリックする。
【0062】
本発明のシステムでは、システムは3次スプライン補間関数の計算を行い、図4に示したように、第1フレーム上に指定点を経由した曲線を描かれる。
【0063】
曲線を変更したいときは、ステップ2で点移動ボタンをクリックし、マウスポイントを描かれた点に合わせドラッグすることで、図5に示したように点が任意の位置に移動でき、新たな曲線が描かれる。(図5参照)また、既存点を削除し、新しい点を追加して修正することもできる。
【0064】
(角度、軸の設定)
本発明のシステムでは、ステップ3において、その1例を図6に示したように、3次元の相対座標空間で曲線を表現する。更に確認しやすくため、図7に示したように曲線描画体を軸の周りに回転させることができる。回転させる際に必要となるデータは、回転させる角度(0度から360度まで)、角度の幅、回転する際に基準となる軸(x軸、y軸、z軸、任意軸)、の3つである。
【0065】
利用しやすいように,初期値を予め与えておく。また、これらのデータを設定することができる、視覚的に判断しやすいインターフェースを用意する。すなわち、x軸、y軸、z軸のそれぞれの始点座標と終点座標を設け、任意軸を回り回転するも可能にする。回転させる角度ボタンをクリックすると、角度が変更できる。任意軸に回り回転するデータを設定したら図8に示したように簡単なデモを表示し,満足のいく回転曲面であるかが確認できる。
【0066】
本発明のシステムでは、ステップ4で、図9に示したように自由回転曲面を表現する。すなわち設定されたデータと曲線の座標を元にして、回転曲面を作成する。このとき遠近法を用いて3次元で定義される回転曲面を2次元スクリーン画面上で表現し、アニメーションを用いて作成した回転曲面を視覚的に捉え易くする。
【実施例1】
【0067】
3次元曲線モデル作成のステップを実施例1で示す。実施例1で、図10の任意に描画したスプライン曲線を、x、y、z軸周りそれぞれに回転し描かれた回転曲面を図11,12,13に示す。ユーザーはまず図10に示した描画画面において、複数の点を順次クリックすることにより指定する。これらの点を経由したスプライン曲線が自動的に描かれる。
【0068】
図10のスプライン曲線をx軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図11に、y軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図12に、z軸周りに回転させることで描かせた回転曲面を図13にそれぞれ示す。
【0069】
(実施例2)
本発明の曲線モデルにおける部分回転曲面の生成手順を別の実施例により示す。ユーザーはまず図14に示した描画画面において、5個の点を順次クリックすることにより指定する。これらの点を経由したスプライン曲線が自動的に描かれる。
【0070】
次に、図14のスプライン曲線をy軸周りに部分回転させて生成した曲面を図15左に、z軸周りに部分回転させて得た曲面を図15右に示す。
【0071】
(陰線処理)
本発明の装置、およびシステムで得た3次元曲線・曲面モデルは、更に、視点から見たときに,手前にある面によって隠されて見えない部分の線を消去する陰線消去により立体的に表現することができる。陰線消去の具体的な処理過程としては,まず各線分を、全ての面に対して、面によってその一部あるいは全てが視点から見て隠されて見えない状態かどうかをテストする。もし見えない部分があるのならば見える部分だけを抜き出す。その線分と面から、見える部分と見えない部分との境界点を求める。もし線分がいずれの面にも隠されていなければ、この線を描画する。視点から見て、ある面が他の面によって遮られて見えなくなっているとき、その見えない部分を消去する。この陰面消去ではZソート法(ペインタアルゴリズム、デプスソート法,塗り重ね法)、Zバッファ法(デプスバッファ法,奥行きバッファ法)などを利用できる。
【0072】
(シェーディング)
次に、より立体的に物体を表示するためには、物体の形の指定,物体の色の指定、光源の色、位置などを入力し、任意の形に分割された平面をそれぞれ適切な色で塗りつぶすシェーディングを行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【0073】
本発明の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置およびそのシステムは、小中学生のコンピュータ・グラフィックス教育用、あるいは、テレビ宣伝等におけるアニメーション作成等の用途に幅広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0074】
【図1】図1は、スプライン曲線についての説明図である。
【図2】図2は、本発明のシステムのフローシートの1例を示した図である。
【図3】図3は、第1フレームにおいて、点を指定した状態の図である。
【図4】図4は、第1フレームにおいて、スプライン曲線が描かれた状態の図である。
【図5】図5は、第1フレームにおいて、図3で引かれたスプライン曲線を修正した状態の図である。
【図6】図6は、スプライン曲線を回転させることにより形成された3次元モデリングを示した図である。
【図7】図7は、3次元モデを回転させている状況を示した図である。
【図8】図8は、描かれた3次元曲線モデルを確認するための画面である。
【図9】図9は、実施例2における自由曲面を表現した画面である。
【図10】図10は、実施例2におけるスプライン曲線を描いた状態の画像である。
【図11】図11は、図10のスプライン曲線をx軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図12】図12は、図10のスプライン曲線をy軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図13】図13は、図10のスプライン曲線をz軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図14】図14は、実施例3におけるスプライン曲線を描いた状態の画像である。
【図15】図15は、図14のスプライン曲線をy軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【図16】図16は、図14のスプライン曲線をz軸の周りに回転させることにより形成した3次元フレームモデルを表した図である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項2】
2次元スクリーン座標系データが、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることを特徴とする請求項1に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項3】
更にシェーディングしうる手段を有することをと特徴とする請求項1〜2に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項4】
遠近法により表示される2次元図形が、任意回転可能であることを特徴とする請求項1〜3に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項5】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力し、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成し、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成し、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示することからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項6】
2次元スクリーン座標系データが、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることを特徴とする請求項5に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項7】
更にシーディングしうる手段を有することをと特徴とする請求項5〜6に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項8】
遠近法により表示される2次元図形が、回転可能であることを特徴とする請求項5〜7に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項1】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力する手段、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成する手段、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成する手段、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元曲面イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示する手段、
とからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項2】
2次元スクリーン座標系データが、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることを特徴とする請求項1に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項3】
更にシェーディングしうる手段を有することをと特徴とする請求項1〜2に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項4】
遠近法により表示される2次元図形が、任意回転可能であることを特徴とする請求項1〜3に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデル生成装置。
【請求項5】
(1)描画画面上において複数の指定点を入力し、
(2)入力した指定点を順次スプライン曲線でつなぎ、自由曲線を形成し、
(3)次いで描画画面と連動している入力画面上において、回転軸、回転角度、表示角度の幅を決定し、曲線を回転させ自由曲面を構成し、
(4)次いで、遠近法を利用して上記3次元イメージデータを、2次元スクリーン座標系データに変換して、コンピュータディスプレイ上で図形を表示することからなる3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項6】
2次元スクリーン座標系データが、遠近法により表示される2次元スクリーン座標系データであることを特徴とする請求項5に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項7】
更にシーディングしうる手段を有することをと特徴とする請求項5〜6に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【請求項8】
遠近法により表示される2次元図形が、回転可能であることを特徴とする請求項5〜7に記載の3次元コンピュータ・グラフィックス曲線・曲面モデリングシステム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2006−202066(P2006−202066A)
【公開日】平成18年8月3日(2006.8.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−13460(P2005−13460)
【出願日】平成17年1月21日(2005.1.21)
【出願人】(504237050)独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年8月3日(2006.8.3)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年1月21日(2005.1.21)
【出願人】(504237050)独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]