CN1143245C - 图像处理设备及图像处理方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于高速产生诸如动画中的飞机图象等模型、勾画其轮廓线的图像处理设备和图像处理方法。在图像处理设备中，为了利用计算机图形学在三维空间中产生多边形模型，把其多边形法向矢量指向外部的第一模型和第一模型装入其中而且其多边形法向矢量指向内部的第二模型合成为单一模型。在隐藏面消除处理中利用多边形法向矢量的方向来确定该多边形是否应该显示。结果，第二模型表现为第一模型的轮廓线。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学用的图像处理设备和图像处理方法。
背景技术
在利用计算机图形学的图像处理中，通常在三维坐标空间中产生多边形模型，并对该多边形模型进行消除隐藏面和阴影处理。把所得到模型转换成带有二维坐标的模型，然后将其重叠在背景屏幕上。在这种情况下，为了突出背景屏幕上的模型，对该模型进行专门的计算，以简化模型的灰度等级或给模型加上轮廓线。
例如，对于制备3D-CG(三维计算机图形学)图像用的软件，把三维坐标空间中的多边形模型投影在二维屏幕上，计算投影模型和背景屏幕之间的边界，沿着边界线画出具有指定宽度的线条，以产生轮廓线。
如上所述，在传统的三维计算机图形学中，通过提取三维多边形模型应该产生轮廓线的部分，并在所提取的部分中画出具有指定宽度的线条来完成给模型产生轮廓线的处理。这样，放在识别多边形模型要产生轮廓线的部分的计算工作量增大，而且产生轮廓线的过程所需的时间延长。
但是，例如在使用计算机图形学的游戏机中，必须按照游戏者输入的指令实时地改变模型。而且因为按照传统的轮廓线产生方法，轮廓线是通过计算变化的模型之间的边界线来产生的，所以计算所需的时间延长了。这样，在模型即时响应游戏者的操作这一点非常重要的游戏机中，产生模型轮廓线的过程无法实时地进行。
此外，因为按照传统方法，不管模型和照相机之间的距离如何，轮廓线一律通过沿着模型和背景屏幕之间的边界线画出具有指定宽度的线条来产生轮廓线，所以无法用改变轮廓线的宽度来获得该模型的透视图。
发明内容
因此，本发明的的目的是提供一种用来高速产生诸如动画中的飞机形象等模型、画出其轮廓线的图像处理设备和图像处理方法。
本发明的另一个目的是提供一种用来高速改变模型轮廓线线条宽度的图像处理设备和图像处理方法。
为了达到上述目的，提供了一种图像处理设备，用来利用计算机图形学在三维坐标空间中产生多边形模型，它包括：几何处理装置，用来利用从存储器读出的第一模型的数据，通过以预定的比率放大所述第一模型来产生第二模型来将所述第一模型装入所述第二模型中，并用来翻转所述第二模型多边形的法向矢量方向；和浓淡处理装置，用来对经过所述几何处理装置处理的所述第一和所述第二模型进行浓淡处理，使得对于第一模型，由于多边形的法向矢量是向外的，在接近视点侧上的多边形被显示，而在与最接近视点侧相反侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示；对于第二模型，由于多边形的法向矢量是向内的，在与最接近视点侧相反侧上的多边形被显示，而在接近视点侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示。
所述几何处理装置按照预定的关系把所述第一模型的重心与所述第二模型的重心相联系使所述第二模型叠加在所述第一模型上。
所述几何处理装置使用不同的放大比率来放大所述第一模型的不同部分。
所述几何处理装置把用于所述第二模型的数据与用于所述第一模型的数据以预定的坐标关系相连接，使得上述第一和第二模型在世界坐标空间中移动到一起。
所述浓淡处理装置稳定所述第二模型的亮度。
所述浓淡处理装置为所述第二模型设置单一颜色。
所述浓淡处理装置稳定所述第一模型的亮度。
本发明还提供了一种图像处理方法，用来利用计算机图形学在三维坐标空间中产生多边形模型，它包括：几何处理步骤，用来利用从存储介质读出的第一模型的数据、通过以预定的比率放大所述第一模型来产生第二模型以把所述第一模型装入所述第二模型中，并翻转所述第二模型多边形的法向矢量方向；和浓淡处理步骤，用来对经过所述几何处理步骤处理的所述第一和所述第二模型进行浓淡处理，使得对于第一模型，由于多边形的法向矢量是向外的，在接近视点侧上的多边形被显示，而在与最接近视点侧相反侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示；对于第二模型，由于多边形的法向矢量是向内的，在与最接近视点侧相反侧上的多边形被显示，而在接近视点侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示。
在所述几何处理步骤，按照预定的关系把所述第一模型的重心与所述第二模型的重心相联系以将所述第二模型叠加在所述第一模型上。
在所述几何处理步骤，使用不同的放大比率来放大所述第一模型的不同部分。
在所述几何处理步骤把用于所述第二模型的数据与用于所述第一模型的数据以预定的坐标关系相连接，使得上述第一和第二模型在世界坐标空间中移动到一起。
在所述浓淡处理步骤稳定所述第二模型的亮度。
在所述浓淡处理步骤把所述第二模型设置为单一颜色。
在所述浓淡处理步骤稳定所述第一模型的亮度。
根据本发明的图像处理设备及其所用的图像处理方法，利用计算机图形学在三维坐标空间中产生多边形模型，其中把其多边形法向矢量指向外部的第一模型和其中包括第一模型而且其多边形的法向矢量指向内部的第二模型合成为单一的模型。
按照本发明，多边形法向矢量的方向用于在隐藏面消除过程确定该多边形是否应该被显示。就是说，当多边形的法向矢量包括在视点方向上伸展的要素时，显示该相关的多边形；但当多边形的法向矢量不包括在与视点方向相反方向上伸展的要素时，不显示该相关的多边形。结果，第二模型可以表示为第一模型的轮廓线。
另外，按照本发明，因为轮廓线是通过对三维多边形的处理产生的，而且不必为检测投影在二维屏幕的模型和背景屏幕之间的边界线而进行计算，故能够以极高的速度产生轮廓线。
此外，因为轮廓线是加在三维多边形上的，所以无须进行任何专门的计算，即可以把靠近摄像机的轮廓线部分表示为粗线，而把远离照相机的轮廓线表示为细线。结果，可以在不降低处理速度的情况下获得模型的透视图。
附图说明
图1是举例说明按照本发明一个实施例的图像处理设备的方框图；
图2是说明按照本发明的实施例进行的图像处理的流程图；
图3是表示按照本发明的实施例的模型A的线框的示意图；
图4是表示按照本发明的实施例的模型A的数据的示意图；
图5是用来说明按照本发明实施例的模型A的多边形Pk的示意图；
图6是表示按照本发明的实施例的模型B的数据的示意图；
图7是表示在本发明的实施例中把模型B叠加在模型A上的线框的示意图；
图8A和8B是用来说明按照本发明的实施例产生轮廓线的示意图(I)；
图9A和9B是用来说明按照本发明的实施例产生轮廓线的示意图(II)；
图10是表示示范显示的示意图，其中倒转了模型B的法线方向，并将模型A和模型B这样定位，使得能够应用Lambart定律；
图11是表示把模型B设置为恒定状态时的示范显示的示意图；
图12是表示把模型A亦设置为恒定状态时的示范显示的示意图；
图13A和13B是表示按照本发明的实施例的示范显示的示意图；
图14是表示按照本发明的实施例的透视的示范显示的示意图；以及
图15是表示按照本发明实施例修改轮廓线的示意图。
具体实施方式
现将参照附图描述本发明的最佳实施例。图1是举例说明按照本发明实施例的图像处理设备的示意图。为了进行快速图像处理，本实施例中的图像处理设备包括同时地高速进行几何处理和浓淡处理的多个处理器。
CPU(中央处理单元)1从引导ROM(只读存储器)5读出启动程序，从系统存储器3读出系统程序，并对图像处理设备进行初始化。CPU 1还从CD-ROM(只读光盘)4读出应用程序，在对图像处理设备实行控制时执行所述应用程序。
几何处理器2是对多边形的三维坐标数据进行高速处理用的处理器。几何处理器2从CPU 1接收多边形坐标数据，按照模型的移动或旋转对其进行处理，计算多边形的法向矢量，并对视场进行剪取和改变。
正如后面将要描述的，在本实施例的图像处理设备中，三维多边形模型的轮廓线处理是在浓淡处理器7进行模型的浓淡处理之前进行的。结果，能够以极高的速度产生轮廓线。
浓淡处理器7是用来进行模型的高速浓淡处理的处理器，并对从几何处理器2接收的多边形数据进行隐藏面消除处理和阴影处理。在本实施例的图像处理设备中，轮廓线亮度的高速设置是通过由浓淡处理器7指定亮度参数而实现的。
由浓淡处理器7处理的模型的每一个单独的屏幕的数据存储在图象存储器8中，并由视频D/A(数模)转换器9转换成视频信号。之后，把视频信号显示在电视监视器(未示出)上。
音频处理器10从CD-ROM 4读出音乐数据，再从音频存储器11读出与用户控制操作对应的音响效果用的数据。这些音频数据由音频D/A转换器12转换成模拟信号，并将该模拟信号输出到电视监视器或音频装置(未示出)。
总线仲裁器6确定哪一个处理器将获得总线的使用权。就是说，因为在本实施例的图像处理设备中，包括CPU 1和浓淡处理器7的多个处理器共享单一的总线，总线仲裁器6管理并裁决总线的使用权，使得CPU 1传输的数据不与浓淡处理器7传输的数据冲突。
modem(调制解调器)13是调制器/解调器，用来沿着电话线交换数据，并连接到模块插座(未示出)。应该指出，图1中连接到总线仲裁器6的外围设备包括可从图像处理设备拆去的装置或控制器，诸如用于控制器(未示出)的键操作的开关、备份存储器、显示器和指示器等。
现将参照图2中的流程图和图3至14所示的示范显示和实例数据，描述按照本实施例的图像处理。正如图3至14中实例示意图所示，利用分割程序产生模型，并且为了提供用于说明各个程序的显示，将所述模型投影在二维屏幕上。但是，对于实际的各个过程使用三维坐标数据，并且把所述模型投影在二维屏幕上的处理是由几何处理器2在所有过程完成之后进行的。
如图2中的流程图所示，本实施例中的图像处理在CPU 1从CD-ROM4读出模型A(游戏用的字符模型等)的数据、并将该数据发送到几何处理器2的时候开始(S1)。假定如图3所示，模型A是球形物体，带有伸向两侧的两角，并由多边形P1至Pn构成。再假定从CD-ROM 4读出的模型A的数据是各个多边形顶点的坐标、法向矢量、颜色和透明度。顶点的坐标是局部坐标值，模型A的重心是这些坐标值的原点。
图5是表示模型A的多边形Pk的示意图。多边形Pk由顶点Vk1至Vk4和其起始点是顶点Vk1至Vk4的法向矢量nk1至nk4形成。因为假定模型A是从模型A以外的点看去的，所以顶点的法向矢量指向模型A以外的点。例如通过求各顶点的法向矢量nk1至nk4的平均值来计算多边形Pk的法向矢量nk。
然后，几何处理器2准备三维模型B，它比模型A大一号(one size)(S2)。图6是表示通过以恒定比率α放大模型A而获得的模型B的数据的示意图。因为模型A的多边形顶点的坐标是模型A的重心处在其原点的局部坐标值，所以模型B的顶点坐标是模型A顶点坐标的α倍。应该指出，正如后面将要指出的，可以改变模型A一部分的放大比率，而不是以比率α放大整个模型A。例如，若模型A两角的放大比率增大，则可以突出两角。
之后，把模型B重叠在模型A上(S3)。就是说，几何处理器2在世界(world)坐标系中使模型B的重心与模型A的一致，而不改变模型A和B的方向。图7表示模型B重叠在模型A上的状态。
在这种情况下，模型B重叠在模型A上实际意味着几何处理器2把模型B的数据连接到模型A的数据上。就是说，因为模型B的数据以预定的关系与模型A的数据联系在一起，所以当，例如模型A在世界坐标空间中移动时，模型B与模型A会相互作用。
在图7的实例中，模型B的重心与模型A的一致。但是，模型B的重心只需与模型A的具有预定的关系。当模型B的重心位于略高于模型A的位置时，模型A上部的轮廓线变粗，使得可以强调模型A的上部。
接着，在利用模型A和模型B作为多边形模型(S4)的同时，几何处理器2翻转模型B的多边形的法向矢量的方向。多边形的法向矢量用在由浓淡处理器进行的隐藏面消除处理中，用来确定相关的多边形是否应该显示。具体地说，当相关的多边形的法向矢量包括在视点方向上伸展的要素时，浓淡处理器7显示该多边形，而当法向矢量包括在与视点方向相反的方向上伸展的要素时，不显示该多边形。因此，模型B用作模型A的轮廓线。
现将参照图8和9通过简化模型A和模型B来描述这个过程。在图8A中，其多边形的法向矢量指向外部的球形模型A被包含在球形模型B中，后者比模型A大一号，而且其中多边形的法向矢量是指向内部的。
图8B是表示当从模型B以外的视点15看模型A和模型B时准备显示的多边形的示意图。因为模型A的法向矢量指向外部，所以其法向矢量包括在视点方向上伸展的要素的每一个多边形，亦即接近视点15的半球部分16是要显示的，而其法向矢量包括在与视点方向相反的方向上伸展的要素的每一个多边形，亦即远离视点15的半球部分17是不要显示的。
因为模型B的法向矢量是指向内部的，所以其法向矢量包括在视点的方向上伸展的要素的每一个多边形，亦即其位置远离视点的半球部分18是要显示的，而其法向矢量包括在与视点方向相反的方向上伸展的要素的每一个多边形，亦即接近视点的半球部分19是不要显示的。
图9A是表示从模型B以外的视点15看模型A和模型B时要显示的多边形的示意图。对于模型A，其法向矢量包括在视点方向上伸展的要素而且接近视点15的半球部分16被显示出来。对于模型B，去掉远离视点15的、相对于视点15被模型A隐藏的半球部分18之后所得的半球部分20和21被显示出来。
图9B是表示当从视点15看模型A和模型B时示范的二维屏幕坐标显示的示意图。如图9B所示，对于模型A，接近视点15的多边形像正常显示一样显示出来。对于模型B，只有在模型A外面的部分被显示出来，使得模型B作为模型A的轮廓线被显示出来。
图10是表示当对图7中的模型A和模型B进行上述处理时的示范显示的示意图。浓淡处理器7对完成了消除隐藏面的处理后的模型进行一种处理以便加上光源造成的阴影。图10的显示范例表示作为阴影处理的结果模型A和模型B均受光源影响的状态(Lambert(朗伯)状态)。
正如前面所描述的，因为对模型A而言多边形的法向矢量是指向外部的，所以模型A在视点侧的多边形以与正常显示相同的方式被显示出来，而模型A与最靠近视点相对一侧的多边形则被认为是隐藏面而不被显示。对于模型B，因为多边形的法向矢量指向内部，所以模型B与最靠近视点一侧相对的一侧上的多边形的显示方式是与正常显示所用的方式相反的，而视点侧的多边形被认为是隐藏面而不被显示。模型B的与最接近视点一侧相对的一侧的多边形和被模型A遮挡的的多边形，经隐藏面的正常消除之后不被显示。结果，这样表示模型B、使得它几乎是模型A的轮廓线。
因为在图10中阴影处理是在光源位于屏幕上方这样的假定下进行的，所以模型A朝着光源的顶面亮度高，而离开光源的下表面亮度低。因为模型B的多边形的法向矢量是指向内部的，所以模型B像一只盖着模型A的“碗”，使得模型B的上部亮度低，没有来自光源的光线，而下部接收到来自光源的光线而略微被照亮。
然后，把模型B置于不受光源影响(恒定)的状态下(S5)。这种显示示于图11。正如图11所示，因为模型B不受光源影响，所以所有部分都具有相同的亮度，而不管光源和照相机的位置，而以模型A的轮廓线的形式显示出来。应该指出，不受光源影响的恒定亮度对模型B是令人满意的，而且模型B被显示为单色，诸如黑色或蓝色，深度可以用颜色的略微变化来显示。
依次地，把模型A置于不受光源影响(恒定)的状态下(S6)。这种显示示于图12。因为模型A不受光源影响，并且表现为具有恒定亮度的单色，所以由模型A和模型B的合成而产生的模型不同于其它计算机图形学模型，用于诸如素描等特殊表现方法或用于动画。
接着，浓淡处理器7把模型A和B合成而产生的模型重叠在背景屏幕上(S7)。图13A是表示已经通过本实施例中所进行的图像处理而把加上了轮廓线的模型重叠在背景屏幕上的示范显示的示意图；而13B是作为对比表示没有轮廓线的模型重叠在背景屏幕的示范显示的示意图。如图13A所示，轮廓线起突出模型，并将其与背景隔开的作用，尤其是在使用计算机图形学的游戏机中，当以二维方式表示的字符模型放在以三维方式表示的背景中时，该模型被生动地突出出来。
现将描述本实施例中图像处理的特殊效果。图14是表示突出模型A和模型B的透视性、同时两个模型均不受光源影响的情况下的示范显示的示意图。具体地说，因为在三维坐标空间中，与模型A对比，模型B以恒定的比率放大，故几何处理器2进行正常的透明度转换，结果，接近照相机的轮廓线粗，而远离照相机的轮廓线细。
因此，因为在本实施例的图像处理中，靠近照相机的轮廓线粗，而远离照相机的轮廓线细，因此无须专门的计算就可以在不降低速度的情况下突出模型的透视性。
图15是表示在本实施例的图像处理中模型B的一部分被修改的示范显示的示意图。就是说，在图2中用来准备比模型A大一号的模型B的步骤S2的处理中，被圆31包围的部分用的放大率大于其它部分。可以通过增大模型A的一部分的放大率而加粗模型A的需求部分的轮廓线，并能从普通的模型制备突出后的模型A的视图。
正如上述，按照本发明，可以提供图像处理设备和图像处理方法，用来快速产生诸如动画中勾画轮廓线的飞机图象等模型和快速改变模型轮廓线线条宽度。
Claims (14)
1.一种图像处理设备，用来利用计算机图形学在三维坐标空间中产生多边形模型，它包括：
几何处理装置，用来利用从存储器读出的第一模型的数据，通过以预定的比率放大所述第一模型来产生第二模型来将所述第一模型装入所述第二模型中，并用来翻转所述第二模型多边形的法向矢量方向；和
浓淡处理装置，用来对经过所述几何处理装置处理的所述第一和所述第二模型进行浓淡处理，使得对于第一模型，由于多边形的法向矢量是向外的，在接近视点侧上的多边形被显示，而在与最接近视点侧相反侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示；对于第二模型，由于多边形的法向矢量是向内的，在与最接近视点侧相反侧上的多边形被显示，而在接近视点侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示。
2.按照权利要求1的图像处理设备，其特征在于：所述几何处理装置按照预定的关系把所述第一模型的重心与所述第二模型的重心相联系使所述第二模型叠加在所述第一模型上。
3.按照权利要求1的图像处理设备，其特征在于：所述几何处理装置使用不同的放大比率来放大所述第一模型的不同部分。
4.按照权利要求1的图像处理设备，其特征在于：所述几何处理装置把用于所述第二模型的数据与用于所述第一模型的数据以预定的坐标关系相连接，使得上述第一和第二模型在世界坐标空间中移动到一起。
5.按照权利要求1的图像处理设备，其特征在于：所述浓淡处理装置稳定所述第二模型的亮度。
6.按照权利要求1的图像处理设备，其特征在于：所述浓淡处理装置为所述第二模型设置单一颜色。
7.按照权利要求5或6的图像处理设备，其特征在于：所述浓淡处理装置稳定所述第一模型的亮度。
8.一种图像处理方法，用来利用计算机图形学在三维坐标空间中产生多边形模型，它包括：
几何处理步骤，用来利用从存储介质读出的第一模型的数据、通过以预定的比率放大所述第一模型来产生第二模型以把所述第一模型装入所述第二模型中，并翻转所述第二模型多边形的法向矢量方向；和
浓淡处理步骤，用来对经过所述几何处理步骤处理的所述第一和所述第二模型进行浓淡处理，使得对于第一模型，由于多边形的法向矢量是向外的，在接近视点侧上的多边形被显示，而在与最接近视点侧相反侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示；对于第二模型，由于多边形的法向矢量是向内的，在与最接近视点侧相反侧上的多边形被显示，而在接近视点侧上的多边形被作为隐藏表面，不显示。
9.按照权利要求8的图像处理方法，其特征在于：在所述几何处理步骤，按照预定的关系把所述第一模型的重心与所述第二模型的重心相联系以将所述第二模型叠加在所述第一模型上。
10.按照权利要求8的图像处理方法，其特征在于：在所述几何处理步骤，使用不同的放大比率来放大所述第一模型的不同部分。
11.按照权利要求8的图像处理方法，其特征在于：在所述几何处理步骤把用于所述第二模型的数据与用于所述第一模型的数据以预定的坐标关系相连接，使得上述第一和第二模型在世界坐标空间中移动到一起。
12.按照权利要求8的图像处理方法，其特征在于：在所述浓淡处理步骤稳定所述第二模型的亮度。
13.按照权利要求8的图像处理方法，其特征在于：在所述浓淡处理步骤把所述第二模型设置为单一颜色。
14.按照权利要求12或13的图像处理方法，其特征在于：在所述浓淡处理步骤稳定所述第一模型的亮度。
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