2006年度 システム情報科学特別演習(イントロダクトリセミナー)

サイバーフィールド実習
実世界の3次元モデル構築 第1日目

担当:システム環境情報学研究室 小野里 雅彦/伊達 宏昭
最終改訂:2006年5月23日

3次元世界の表現の基礎

3次元の世界をコンピュータ内に構築する場合に,考えなくてはならないことは, などがあります.それぞれが重要な内容ですが,この演習では配置と形状を主な 取り扱いの対象とします.

● 3次元空間内の対象の配置 ●

3次元空間内での対象の配置を扱う上で基礎となる考え方は,以下のように整理 されます.

● 3次元形状の表現 ●

3次元形状の定義を行う方法は沢山の方法があります.それについては,金井理先生の 講義(ディジタル形状設計,システム情報設計学特論)で学習している(あるいはこれか ら学習する)と思いますので,省略します.この演習では, という2つについて扱います.

基本立体としては,通常,直方体(立方体を含む),円柱,円錐,多角柱,多角錐, 球,トーラス,正多面体などがあります.これらの基本立体はそれぞれに寸法を決める パラメータが定義されます.例えば直方体では縦・横・高さの3つ,円柱では底面の 半径と高さの2つ,球では半径の1つ,といった具合です.こうしたパラメータを指定 して生成した形状を空間内の適切な位置に配置します.

3次元CADなどの形状モデラでは,こうした基本立体の間の集合演算(和,積,差)などを 行うことができて複雑な形状を作成することができますが,表示のみを対象とした ソフトウェアでは,基本的には立体の重ね合わせのみを行います.

基本立体で表現できない形状に関しては,次の面の集まりで表現することができます. ここでは面は辺が線分で構成される多角形(polygon)とします.多角形はそれを構成する 頂点の並びで表現できますので,多角形の表現は頂点の座標や,頂点の番号を順に記述 することが行われます.コンピュータグラフィックスの世界では,頂点の順番の向きは 面の表側からみたときの反時計回り(CCW)が使用されることが多いことは覚えておいた 方がよいでしょう.

VRMLについて

VRMLとはVirtual Reality Modeling Languageの略で,WWW上で3次元のグラフィックスを 表現するための言語です.1994年に静的な世界を表現するVRML1.0が制定され, その後,動きを取り入れたVRML2.0は1998年にISOによってVRML97として 国際標準規約に制定されています.その後,VRMLはより強力な機能拡張をもつ X3D(Web 3D)へと発展していっていますが, 仮想世界構築の基礎を学ぶには,まだ十分な機能があると考えています.

VRMLで定義された世界をウェブブラウザで見るためには,専用のプラグインが 必要です.今回の演習で使用しているノートPCには

ParallelGraphics社 Cortona VRML Client Ver 4.2
URL http://www.parallelgraphics.com/products/cortona/
がインストールされています.これにより通常のIEでwrlの拡張子のついた VRMLのファイルをブラウジングすることができます.

VRMLを体験する最もシンプルなプログラムを作成してみましょう. Windowsのメモ帳などのエディタを使って次を内容を含むファイルを 作成してみましょう.ファイル名はCone1.wrlです.

#VRML V2.0 utf8

Shape{
geometry Cone{ }
}

画面に三角錐(コーン)が表示されたと思います.(Cone1.wrl) ただ,色も何もついていないので,次のような定義をしたファイルCone2.wrl を作成してみます.
#VRML V2.0 utf8

Shape{
appearance 
    Appearance { material Material 
                         { diffuseColor 0 1 0 } } 
geometry Cone{ bottomRadius 1 
               height 2 side 
               TRUE bottom TRUE} }
}
これで色が付きました.パラメータを色々と変えてどのように変化するかを 確かめて見てください.(Cone2.wrl

もう少し込み入った例を挙げます.

#VRML V2.0 utf8

NavigationInfo {type ["EXAMINE","ANY"]}

Background {
	groundColor 0.000000 0.000000 0.000000
	skyColor 0.000000 0.000000 0.000000
}

DirectionalLight {
	intensity 1.000000
	ambientIntensity 0.200000
	color 1.000000 1.000000 1.000000
	direction -0.691714 -0.691714 -0.207514
}

Viewpoint {
	position 2.000000 2.000000 3.000000
	orientation -0.637495 0.745885 -0.193018 0.771213
	description "current camera"
}

Transform {
  translation 0 0 0
  rotation 0 0 1 0
  scale 0.001000 0.001000 0.001000
  children [
    Transform {
      translation 0 0 0
      rotation 0 0 1 0
      scale 1 1 1
      children [
        Shape {
          appearance Appearance {
          material Material {
            specularColor 1 1 1
            diffuseColor 1.000000 1.000000 1.000000
            ambientIntensity 0
            transparency 0.000000
            shininess 0.200000
            emissiveColor 0 0 0
            }
          }
       geometry IndexedFaceSet {
         ccw FALSE
         solid FALSE
         creaseAngle 3.14
         coord Coordinate {
         point [
               700.000000 700.000000 -550.000000, # 0
               700.000000 0.000000 -550.000000, # 1
               700.000000 700.000000 550.000000, # 2
               700.000000 0.000000 550.000000, # 3
               700.000000 700.000000 550.000000, # 4
               700.000000 0.000000 550.000000, # 5
              -850.000000 700.000000 550.000000, # 6
              -850.000000 0.000000 550.000000, # 7
              -850.000000 700.000000 550.000000, # 8
              -850.000000 0.000000 550.000000, # 9
              -850.000000 700.000000 -550.000000, # 10
              -850.000000 0.000000 -550.000000, # 11
              -850.000000 700.000000 -550.000000, # 12
              -850.000000 0.000000 -550.000000, # 13
               700.000000 700.000000 -550.000000, # 14
               700.000000 0.000000 -550.000000, # 15
              ]
            }
            coordIndex [
                2, 3, 1, 0, -1, 
                6, 7, 5, 4, -1, 
               10, 11, 9, 8, -1, 
               14, 15, 13, 12, -1, 
               ]
      }
    }
  ]
 }
]
}

# End of the file
4つの面で構成される立体が表示されたと思います. (FourFaces.wrl) ここで記述されていることがどういう意味なのかは,VRMLの文法に ついて記したWEBサイトを参照してください.
福井高専 about VRML2.0 http://www.ei.fukui-nct.ac.jp/~yfa/close/VRML/index.html
VRMLらぼ(慶応大学 KUMAKEN)  http://www.crew.sfc.keio.ac.jp/~kumaken/vrml/index.html
鹿児島大学 仮想世界の体験と構築 〜 VRML2.0 超入門 〜  http://www.ics.kagoshima-u.ac.jp/edu/taiken97/Page/index.html
VRMLaboR  http://www.atom.co.jp/vrml2/labo/index.html
VRMLモデル素材,ショッピングモール http://www.ocnus.com/vrml.html
VRMLの演習の終わりにもう少し複雑な例をあげておきましょう.
ファイル Example.wrl
#VRML V2.0 utf8

Viewpoint {
	position 10 0 10
	orientation 0 1 0 0.8
}

Background {
	skyAngle[1.8]
	skyColor[0.3 0.6 0.8]
	groundColor [0.2 0.5 0.6]
}

Transform {
	translation 0 0 0
	children [
	Transform {
		translation -1 0 0
		children [
			Shape{
				appearance 
    					Appearance { material Material 
                        			 { diffuseColor 0 1 0 } } 
				geometry Cone{ bottomRadius 1 
               				height 2 
               				side TRUE
               				bottom TRUE }
				
				}]
	}
		
	Transform {
		translation 1 0 0
		children [
			Shape{
				appearance 
    					Appearance { material Material 
                        			 { diffuseColor 1 0 0 } } 
				geometry Box{ size 1.3 1.4 2 }
				}]}
	Inline{url "./FourFacesb.wrl"}
	]
}

ファイル FourFaceb.wrl 

#VRML V2.0 utf8

Transform {
  translation 0 3 0
  rotation 0 0 1 0
  scale 0.001000 0.001000 0.001000
  children [
    Transform {
      translation 0 0 0
      rotation 0 0 1 0
      scale 1 1 1
      children [
        Shape {
          appearance Appearance {
          material Material {
            specularColor 1 0.5 1
            diffuseColor 1.000000 0.500000 1.000000
            ambientIntensity 0
            transparency 0.000000
            shininess 0.200000
            emissiveColor 0 0 0
            }

          }
       geometry IndexedFaceSet {
         ccw FALSE
         solid FALSE
         creaseAngle 3.14
         coord Coordinate {
         point [
               700.000000 700.000000 -550.000000, # 0
               700.000000 0.000000 -550.000000, # 1
               700.000000 700.000000 550.000000, # 2
               700.000000 0.000000 550.000000, # 3
               700.000000 700.000000 550.000000, # 4
               700.000000 0.000000 550.000000, # 5
              -850.000000 700.000000 550.000000, # 6
              -850.000000 0.000000 550.000000, # 7
              -850.000000 700.000000 550.000000, # 8
              -850.000000 0.000000 550.000000, # 9
              -850.000000 700.000000 -550.000000, # 10
              -850.000000 0.000000 -550.000000, # 11
              -850.000000 700.000000 -550.000000, # 12
              -850.000000 0.000000 -550.000000, # 13
               700.000000 700.000000 -550.000000, # 14
               700.000000 0.000000 -550.000000, # 15
              ]
            }
            coordIndex [
                2, 3, 1, 0, -1, 
                6, 7, 5, 4, -1, 
               10, 11, 9, 8, -1, 
               14, 15, 13, 12, -1, 
               ]
      }
    }
  ]
 }
]
}

このExample.wrlをブラウザに読み込む,FourFacesb.wrlで定義された形状が Inlineという命令によって取り込まれています. (Example.wrl) これによって複数のファイルに定義されているVRMLの形状を1つのシーングラフに まとめることができます.配置や照明などをいろいろと変化させてみましょう.
演習担当:
     小野里 雅彦まで.
onosato@ssi.ist.hokudai.ac.jp  情報科学研究科棟5-14 内線6435