仮想空間における地形表現手法

仮想空間における地形表現手法
Terrain Representation Methods in Virtual Spaces
蒔苗
耕司（宮城大学・事業構想学部）
Koji MAKANAE (School of Project Design, Miyagi Univ.)
キーワード：仮 想 空 間 ，バーチャルリアリティ，地 形 表 現 ，DEM，GIS, CAD
Keywords：virtual reality, terrain representation, DEM, GIS, CAD
体 視 に分 類 されている．これらのうち，生 理 的 要 因 の一 つ
1．はじめに
である両 眼 視 差 による立 体 認 識 機 能 が，最 も重 要 である
空 間 情 報 の整 備 が進 み，国 土 に関 するデジタル情 報
と考 えられている．
を容 易 に入 手 ，利 用 できる環 境 が整 ってきた．地 形 の起
伏 に関 する情 報 も例 外 ではなく，国 土 数 値 情 報 の一 部 と
VR において用 いられる立 体 視 技 術 は，主 に両 眼 視 差
して整 備 され，一 般 には「数 値 地 図 （標 高 ）」として利 用 さ
による立 体 視 を用 いたものである．コンピュータ上 に定 義
れている．地 形 情 報 は，国 土 数 値 情 報 の整 備 目 的 である
した仮 想 的 な空 間 の中 で，人 間 の両 眼 の位 置 を設 定 す
国 土 計 画 策 定 の基 礎 データとして利 用 される他 ，社 会 基
れば，コンピュータグラフィックス（CG）技 術 の適 用 により，
盤 施 設 や宅 地 の計 画 ・設 計 ，地 理 学 的 解 析 や地 理 教 育 ，
人 間 の眼 から見 えるであろう 2 枚 の透 視 画 像 を得 ることが
登 山 等 のレクリエーション目 的 にも利 用 されている．国 土
できる．得 られた透 視 画 像 を，現 実 の人 間 の左 右 の眼 に
数 値 情 報 における地 形 情 報 は，メッシュデータとして提 供
与 えることにより，人 間 は与 えられた画 像 を立 体 として錯
されているが，これを視 覚 的 に伝 達 する方 法 として，高 度
覚 する．VR 技 術 の発 展 の中 で，人 間 の左 右 の眼 に対 し
や傾 斜 別 に着 色 して表 示 する方 法 ，メッシュから等 高 線
て異 なる画 像 を与 えるため の装 置 が開 発 されており，代
を発 生 させ て 表 示 す る 方 法 ， 陰 影 図 を自 動 生 成 し て 表
表 的 なシステムとして，液 晶 シャッタを用 いた立 体 眼 鏡 ，3
示 する方 法 ，投 影 変 換 による鳥 瞰 図 により 3 次 元 的 に表
次 元 ディスプレイ，ヘッドマウントディスプレイ（HMD），没
現 する方 法 等 が用 いられる．しかし，これらの地 形 表 現 は，
入 型 ディスプレイ等 がある．
コンピュータディスプレイの 2 次 元 平 面 上 で表 現 されるも
・液 晶 シャッタを用 いた立 体 眼 鏡
のであり，現 実 の 3 次 元 物 体 として表 現 されるものではな
液 晶 シャッタを用 いた立 体 眼 鏡 システムは，1 つの CRT
い．そのため，地 形 の起 伏 を直 感 的 に理 解 することが難
ディスプレイ上 で左 目 用 ，右 目 用 の画 像 を高 速 で交 互 に
しいという問 題 がある．このような問 題 に対 して，著 者 らは
切 替 えて表 示 させ，それを立 体 眼 鏡 の液 晶 シャッタと同
バーチャルリアリティ（VR）技 術 を適 用 し，コンピュータ上
期 させることにより，左 目 ，右 目 それぞれに画 像 を与 える
に定 義 された仮 想 地 形 面 をより直 感 的 に表 現 する手 法 と
ものである．しかし表 示 領 域 はディスプレイ上 に固 定 され
その応 用 システムに関 する研 究 開 発 を行 なってきた．
るため，実 際 に人 間 が動 き回 ることはできない．
・3 次 元 ディスプレイ
そこで本 論 文 では，VR 技 術 による視 覚 的 立 体 表 現 の
手 法 についてまとめるとともに，著 者 らがこれまで開 発 して
3 次 元 ディスプレイは，両 眼 視 差 や両 眼 輻 輳 を利 用 し
きた地 形 表 現 とその応 用 システムを紹 介 する．さらに 3 次
て，裸 眼 で立 体 視 を実 現 するものである．立 体 眼 鏡 によ
元 地 形 表 現 システムを，GIS のツールの一 つとして位 置
る手 法 と同 様 に人 間 が動 き回 ることはできないが，近 年 は
づけ， 今 後 の地 形 表 現 シス テムの発 展 性 につ い て述 べ
技 術 開 発 が進 み，安 価 な市 販 システムが提 供 されるよう
る．
になり，急 速 に普 及 しつつある．
・HMD
２．VR による視 覚 的 立 体 表 現 手 法
HMD は頭 部 に装 着 するゴーグル型 のディスプレイ装
VR は，コンピュータ上 に定 義 した仮 想 世 界 をより現 実
置 であり，左 目 ，右 目 それぞれの目 の前 に専 用 の小 型 デ
に近 い感 覚 で体 感 するための技 術 である．視 覚 的 により
ィスプレイを配 置 することにより，立 体 画 像 を提 供 する．こ
高 い現 実 感 を得 るために，人 間 の 2 つの眼 を生 かした立
のシステムでは位 置 センサとの同 期 により，人 間 の移 動 に
体 視 を活 用 したインターフェースが利 用 される．
応 じた画 像 を提 供 することができる．
人 間 が視 覚 的 に物 体 の立 体 形 状 を認 識 するメカニズム
・没 入 型 ディスプレイ
は，生 理 的 要 因 と心 理 的 要 因 に分 類 される（安 居 院 ほか，
没 入 型 デ ィ ス プ レ イ （ IPT; Immersive Projection
1985）．生 理 的 要 因 は，人 間 の眼 の機 能 によるものであり，
Technology）はイリノイ大 学 が開 発 した CAVE というシステ
水 晶 体 による 焦 点 調 節 機 能 ，両 眼 の輻 輳 ，両 眼 視 差 ，
ムに代 表 される（Cruz-Neira et al., 1993）．CAVE では左
単 眼 運 動 視 差 等 がある．また心 理 的 要 因 は経 験 的 に立
右 ・正 面 ・床 面 に配 置 された約 3 m のスクリーンに立 体 映
体 像 を復 元 するものであり，幾 何 学 的 立 体 視 と光 学 的 立
像 を投 影 し，人 間 はその立 体 視 空 間 の中 に没 入 する．
7
CrystalEyesPC
Emitter
above 60Hz
Inf
lar
ed ligh
t
s
above120Hz
Eyewear
RS232C
Personal
Computer
Logitec Magellan
Space Mouse
OS:Microsoft W indows
図 1 システム構 成
図 3 道 路 設 計 支 援 システムインターフェース
図 2 システム利 用 風 景
HMD に比 して広 い視 野 を確 保 でき，動 きに同 期 して画
現 手 法 の確 立 が必 要 であり，VR 技 術 の適 用 はその有 効
像 を生 成 する必 要 がないために,画 像 の遅 延 の問 題 がな
な手 段 となり得 る．
こ の よ う な 背 景 の 下 ， 蒔 苗 ・ 福 田 （ 1998 ） ， Makanae
い等 の利 点 を有 する．
また近 年 では，仮 想 空 間 と現 実 空 間 とを重 畳 した複 合
（2002）は，空 中 写 真 の立 体 視 により地 形 面 を立 体 面 とし
現 実 感 に関 す る研 究 開 発 が行 わ れ てい る ．その中 の一
て捉 え，その上 で道 路 設 計 を実 現 するシステムを構 築 し
つの技 術 として，タンジブル（tangible）インターフェースの
ている．デジタル情 報 として PC 上 に格 納 された空 中 写 真
研 究 開 発 が行 われている．例 えば MIT のメディアラボで
の 画 像 情 報 は ， 立 体 視 装 置 （ StereoGraphics 社
は，Illuminated Clay という，粘 土 で作 り出 した地 形 面 上
CrystalEyes2）を通 じて，立 体 視 可 能 な情 報 としてディス
に情 報 を投 影 するシステムを構 築 している（Piper et al.,
プレイ上 に表 現 される（図 1, 図 2）．またコンピュータ上 に
2002）．
は，空 中 写 真 の標 定 により得 られた立 体 視 空 間 と同 一 の
３．VR を用 いた地 形 表 現 とその応 用 システムの開 発
決 めを行 う 3 次 元 マウスカーソルを設 定 する．本 システム
座 標 空 間 を定 義 する．この空 間 の中 に，3 次 元 的 な位 置
著 者 らは，VR 技 術 を地 形 表 現 及 び設 計 支 援 に応 用 し
は，この 3 次 元 仮 想 空 間 内 において道 路 設 計 を行 うシス
たシステムの構 築 を進 めており，ここでは，①航 空 写 真 の
テムであり，道 路 線 形 の定 義 にはパラメトリック曲 線
立 体 視 を用 いた道 路 設 計 支 援 システム，②HMD を用 い
（B-spline）を適 用 し，空 間 内 に制 御 点 を設 定 することに
た地 形 表 現 ・都 市 空 間 モデリングシステム，③触 覚 可 能
より，容 易 にその線 形 を定 義 できるようにしている．
図 3 は本 システムのインターフェースを示 している．航
な地 形 表 現 システムについて述 べる．
空 写 真 上 で定 義 した線 形 に基 づき，道 路 構 造 物 の 3 次
元 モデ ルが自 動 的 に生 成 さ れ ， 平 面 図 ，縦 断 図 ， 透 視
(1)航 空 写 真 の立 体 視 を用 いた道 路 設 計 支 援 システム
図 が表 示 されるようになっている．
道 路 や鉄 道 等 の土 木 構 造 物 の設 計 においては，地 形
と調 和 を図 ることが極 めて重 要 である．一 般 に地 形 情 報
本 システムの利 点 は，航 空 写 真 からの地 形 的 特 徴 （地
は，地 形 図 上 の等 高 線 として表 現 されており，読 図 者 は
す べ り等 ） の判 読 能 力 に優 れた 技 術 者 が ， パラ メトリック
自 らの頭 の中 に正 確 に地 形 を再 現 する能 力 が求 められ
曲 線 を用 いた道 路 設 計 モジュールの支 援 により，直 接 ，
ている．しかしながら，このプロセスにおいては，人 間 の頭
道 路 線 形 を定 めることができることである．これは，地 形 条
脳 による 2D/3D 変 換 能 力 が必 要 とされており，その正 確
件 の悪 い山 岳 道 路 の設 計 等 に有 効 であると考 えられる．
性 は読 図 者 自 身 の経 験 や能 力 に依 存 する．このような問
また航 空 写 真 を直 接 適 用 することで，不 必 要 な図 化 の工
題 を解 決 す る ため に， 経 験 や 能 力 に依 存 しない 地 形 表
程 を省 くことが可 能 である．一 方 ，パラメトリック曲 線 を用
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図 4 VR-CAD の概 念 （巨 人 視 ）
図 6 VR-CAD の表 示 画 像 の例
VPL
EyePhone90
ball-type
motion sensor
motion sensor
RS232C
graphic workstation
(IBM Intellistation)
Polhemus
electromagnetic motion
sensor system
IsoTrak II
transmitter
図 5 VR-CAD のシステム構 成
図 7 VR-CAD 利 用 風 景
VR-CAD におけるモデリングの入 力 インターフェースに
いた道 路 の線 形 が，現 行 の設 計 基 準 に必 ずしも適 用 で
きないことや，構 築 された道 路 構 造 物 と立 体 視 空 間 で仮
は，位 置 センサを用 いた 3 次 元 マウス及 びキーボードを用
想 的 に表 現 される地 形 面 との間 で演 算 処 理 ができないこ
いた．これらの操 作 により，建 物 （直 方 体 ・円 柱 ），道 路 ・
とが問 題 となる．
樹 木 等 の簡 便 な 3 次 元 モデリングを実 現 している．
本 システムの表 示 画 像 の例 とモデリング風 景 を図 6 と
図 7 に示 す．CAD の利 用 経 験 のある建 築 設 計 経 験 者 を
(2)HMD を用 いた地 形 表 現 ・VR-CAD システム
対 象 に，実 際 に本 システムを利 用 してもらった後 ，アンケ
これまでの空 間 設 計 は，図 面 をベースに行 われており，
設 計 者 自 らが図 面 を描 きながら，その 3 次 元 形 状 を自 ら
ートを行 なった．その結 果 ，カーソルの位 置 や，地 形 面 と
の頭 の中 に想 像 するという過 程 を経 ている．しかし VR 技
オブジェクトとの位 置 関 係 がわかりづらい等 の問 題 が明 ら
術 を適 用 すれば，コンピュータ上 に任 意 の仮 想 空 間 を 3
かとなっている（Makanae, 2003）．
次 元 的 に定 義 することができる．蒔 苗 ・一 ノ坪 （2003）が開
発 した VR-CAD では，コンピュータ上 に構 築 された仮 想
(3)タンジブル地 形 表 現 システム
空 間 の中 に設 計 者 自 身 が入 り込 むことが可 能 であり，そ
（1）と（2）で紹 介 した地 形 表 現 ・設 計 システムの問 題 点
の仮 想 空 間 の中 における設 計 者 の存 在 スケールは任 意
として，
であり，実 スケールの人 間 として入 り込 むことや，図 4 に示
・地 形 面 とオブジェクトとの位 置 関 係 がわかりづらい
すように巨 人 として空 間 内 に存 在 することが可 能 である．
・特 殊 な立 体 視 装 置 を必 要 とする
また，設 計 者 の 2D/3D 変 換 能 力 に依 存 せずに，直 接 的
・視 野 が限 定 される
に 3 次 元 設 計 を実 現 するシステムである．
・グループワークができない
本 システムのハードウェア構 成 は，ヘッドマウントディス
等 が挙 げられる．著 者 らは，このような問 題 点 を解 決 する
プレイ（HMD）と 3 次 元 位 置 センサにより構 成 される（図 5）．
ためには，タンジブルインターフェースの導 入 が有 効 であ
HMD と位 置 センサを組 み合 わせることにより，頭 部 の位
ると考 え，それを用 いた地 形 表 現 システムの構 築 を行 な
置 や向 いている方 向 を計 測 し，それに応 じた画 像 を表 示
っている（中 原 ・蒔 苗 ，2005）．
する．したがって，上 下 左 右 360 度 の視 野 を自 由 に見 渡
タンジブル地 形 表 現 システムの構 成 を図 8 に示 す．地
すことができる．
形 面 を表 現 する伸 縮 性 スクリーンの形 状 を，8×8 の 64 本
本 システムは道 路 等 の大 規 模 な構 造 物 の構 築 を想 定
のアクチュエータにより制 御 し，スクリーン上 に空 中 写 真 を
しており，その基 盤 としての地 形 情 報 が必 要 不 可 欠 であ
投 影 することにより地 形 面 を表 現 している．実 際 にシステ
る．そこで，基 盤 となる 3 次 元 地 形 モデルとして，国 土 数
ムを用 いて表 現 した地 形 表 現 の例 を図 9 に示 す．航 空 写
値 情 報 の標 高 データ（50 m メッシュ）を適 用 し，仮 想 空 間
真 を投 影 し た 地 形 モデ ルは ， 手 で触 れ る ことが でき る 地
での地 形 表 現 を実 現 している．
形 模 型 として表 現 される．今 後 は，この地 形 表 現 システム
9
プロジェクタ
ＰＣ
ステッピングモータの
制御回路
A
B
C
D
E
F
G
H
SELECTED
ON-LINE
ディジタル出力ボード
128点×2
図 8 タンジブル地 形 表 現 システムの構 成
図 9 地 形 表 現 の例
の有 効 性 に関 する評 価 を行 うとともに，本 システムを応 用
として構 築 した 3 次 元 データに基 づき，樹 脂 等 を材 料 とし
した道 路 等 の設 計 支 援 システムの構 築 を進 めていく予 定
た実 体 のある 3 次 元 モデルをリアルタイムで作 成 するラピ
である．
ッドプロトタイピングの技 術 が急 速 に進 んできており，最 近
で は地 形 模 型 の 作 成 に も 適 用 さ れ て い る ． 当 該 技 術 の
普 及 は，より容 易 に地 形 モデルを作 り出 すことを可 能 とす
４．GIS のツールとしての地 形 表 現 システム
国 土 数 値 情 報 の整 備 と公 開 に伴 い，地 形 のデジタル情
る．問 題 となるのは，一 度 作 り出 した地 形 模 型 から電 子 情
報 を容 易 に入 手 ・利 用 できる環 境 が整 いつつある．しかし，
報 へのフィードバックが難 しいことと，上 記 （A）と同 様 にポ
入 手 した地 形 情 報 を視 覚 的 に表 現 しようとする場 合 ，そ
インティングデバイスの開 発 が必 要 なことである．
の表 示 領 域 は平 面 であるディスプレイに限 定 され，十 分
（C）3 次 元 ディスプレイを用 いた地 形 表 現 システム
な立 体 感 や スケー ル感 を得 るのが難 しい． 著 者 は， この
3 次 元 ディスプレイは特 殊 な機 器 を使 用 することなく，立
問 題 を解 決 するためにシステムの開 発 を行 なってきた．そ
体 認 識 を可 能 とするものである．著 者 の研 究 室 において
れらの開 発 で得 た知 見 を踏 まえて，地 形 表 現 システムに
も 3 次 元 ディスプレイを用 いた地 形 表 現 システムを実 際 に
必 要 な要 件 を以 下 に示 す．
開 発 ・利 用 しているが，個 人 差 はあるものの高 い立 体 感
①地 形 面 の立 体 認 識 が容 易 である．
を得 ており，①②④の要 件 を満 たしている．問 題 となるの
②立 体 眼 鏡 や HMD 等 の特 殊 な装 置 を装 着 しない．
は，③の仮 想 地 形 面 とデジタル地 形 情 報 との整 合 であり，
③表 現 された地 形 面 をデジタル情 報 と整 合 できる．
地 表 面 上 の １ 点 を正 確 に 指 示 す る こと が 難 し い とい う 問
④様 々な情 報 の重 畳 表 示 が可 能 である．
題 を有 している．
このうち①については，地 形 表 現 システムの前 提 条 件
５．おわりに
の 1 つであり，より高 度 な立 体 認 識 を可 能 とすることが望
ましい．②は，特 殊 な装 置 の利 用 が疲 れや酔 いを引 き起
本 論 文 では，これまで著 者 らが開 発 してきたデジタル地
こし，長 時 間 の利 用 を難 しくするためである．③は応 用 シ
形 情 報 からの地 形 表 現 システムと，その応 用 について紹
ステムの開 発 において，仮 想 地 形 の地 表 面 上 の 1 点 を確
介 した．また，GIS のツールとしての地 形 表 現 システムに
実 に数 値 化 し て抽 出 することが必 要 なた めである．④ は
求 められる要 件 を示 すとともに，今 後 ，有 用 であると考 え
表 現 され た 地 形 面 上 に， 航 空 写 真 のみ な ら ず ， 土 地 利
られる地 形 表 現 システムについて述 べた．
デジタル地 形 情 報 の表 現 は，現 状 では 2 次 元 のディス
用 や都 市 計 画 のデータ等 を重 畳 することにより，システム
プレイに制 約 されているが，VR やロボティクスの発 展 に伴
を有 効 に活 用 しうるためである．
う表 現 ・制 御 技 術 の進 歩 により，今 後 はより容 易 に，現 実
これらの条 件 を考 慮 し，今 後 有 用 であると考 えられるシ
ステムを以 下 に示 す．
に近 い 3 次 元 情 報 としての地 形 表 現 が可 能 になると考 え
（A）タンジブル地 形 表 現 システム
られる．当 該 技 術 の発 展 は，地 理 学 ・地 質 学 ・土 木 工 学
著 者 らが現 在 ，開 発 を進 めているタンジブル地 形 表 現
等 の研 究 分 野 のみならず，建 設 分 野 における CAD インタ
システムは，①∼④の条 件 を全 て満 たし得 るシステムであ
ーフェースや，地 理 教 育 等 の幅 広 い分 野 での応 用 に寄
る．しかし，現 在 はまだ開 発 段 階 にあり，今 後 ，地 形 表 現
与 し得 ると考 えられる．
の解 像 度 を向 上 させる必 要 があるとともに，一 般 にも容 易
に利 用 できる ような機 器 開 発 が必 要 である．また仮 想 地
形 上 でのポインティングデバイスの開 発 も必 要 である．
（B）ラピッドプロトタイピングを用 いた地 形 表 現 システム
近 年 は CAD/CAM システムの発 達 に伴 い，CAD データ
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参考文献
Cruz-Neira, C., Sandin, D.J., Defanti, T.A.(1993):
Surroud-Screen Projection-Based Virtual Reality:
The Design and Implementation of the CAVE.
Proceedings of SIGGRAPH’93, 135-142.
蒔 苗 耕 司 ・福 田 正 （1998）：航 空 写 真 とＣＧを用 いた 3
次元路線計画システム. 土木学会論文集，
No.590/IV-39, 23-30．
Makanae, K. (2002): Stereoscopic Systems for 3-D
Highway Route Planning on Aerial Photo-graphs,
International
Journal
of
Design
Sciences
&
Technology, Vol.9-1, 15-22. Europia Productions,
2002.
蒔 苗 耕 司 ・一 ノ坪 平 （2003）: 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 演 論 文 集 , pp.221-224.
Makanae, K. (2003): Development of the VR-CAD
System
for
Landscape
and
Town
Planning.
Proceedings of the CONVR2003, Virginia Tech,
114-121.
中 原 守 勇 ・蒔 苗 耕 司 (2005)：触 覚 可 能 な地 形 表 現 システ
ムの開 発 . インタラクション 2005 論 文 集 , CD-ROM 論
文 ・デモコンテンツ集 , C311.pdf.
Piper, B., Ratti, C., Ishii, H. (2002）: Illuminating Clay:
A 3-D tangible interface for landscape analysis. In
Proceedings of the Conference on Human Factors in
Computing
Systems
(CHI’02)
20–25
April,
Minneapolis.
安 居 院 猛 ・中 嶋 正 之 ・羽 倉 弘 之 （1985）: ステレオグラ
フィックス＆ホログラフィ. 秋 葉 出 版 ．
11