CN1171182C - 图象处理系统和图象处理方法 - Google Patents

Abstract

一种图象处理系统，使模拟鱼的对象在三维虚拟空间内移动，产生可观赏该对象移动姿态的图象。该系统包括根据对象的移动目标点模拟其动作来计算图象数据的动作计算装置(步骤S1～S13)，以及显示图象数据的装置(步骤S14)。

Description

图象处理系统和图象处理方法

技术领域

本发明涉及图象处理系统和图象处理方法。特别涉及使观赏鱼等生物在虚拟三维空间内按接近自然的状态移动，能够象真实生物那样观赏它，同时实现该生物的移动与观赏者之间交互性的观赏游戏的图象处理。

背景技术

伴随着近年来计算机图形技术的发展，无论用于工作、还是用于家庭，一般来说，模拟装置和游戏装置正在广泛普及。最近，作为游戏装置的一种类型，提出在假设游戏空间使观赏鱼等生物移动，将其模拟成宠物那样用显示器进行观赏的观赏游戏。

该观赏游戏装置通常配有图象处理的CPU、显示器等。例如，在观赏鱼情况下，预先确定图象化在假设游戏空间中设定的水槽内鱼动作的位置信息，要确定约几百次。CPU根据状况选择图形化的动作位置信息，根据该信息计算模拟鱼的目标位置，利用运动捕捉等产生的矩阵(旋转、移动)补充动作，进行重放显示。此外，在模拟顺着海流移动的多条鱼的观赏游戏情况下，一边提供表示海流环境的特定信息，一边根据该信息计算显示多条鱼的位置和动作。

但是，在上述以往的观赏鱼游戏等装置中，移动体的动作位置信息被图形化，不断提供海流那样的特定信息，同时仅计算位置信息，按以往确定的运动捕捉等产生的矩阵重放动作的情况下，在表现生命体动作方面不够自然。就是说，以往的方法在表现生命体动作上有局限。而且，观赏者仅凝视作为模拟水槽的显示器来进行观赏，而没有根据观赏者的行动使水槽内的鱼不断靠近或者逃跑的自然世界中可见到的交互性。

鉴于这种以往技术所面临的状况，本发明的目的在于提供更真实并且自然地表现三维虚拟空间中鱼等生命体的动作，使其如同真正的生命体那样可以观赏的真实感强的观赏游戏。

此外，本发明的其它目的在于提供可以表现在模拟三维虚拟空间中的鱼等生命体的移动体和观赏者之间的自然界中实际存在的交互性，由此提高真实感，同时还具有娱乐性的观赏游戏。

发明的概述

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种图象处理装置，其构成是，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在所述显示装置上显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，该图象处理装置的特征在于：从与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值中选定所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点，依次对其一边更新一边设定，对应所述更新的目标点来执行所述移动体的移动、运动的计算。

所述图象处理装置有预先设定的与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值的表，从该表中依次选定离散值，更新设定所述移动体的目标点。

所述目标点的更新设定在每个规定的时间进行。

所述图象处理装置相对所述移动体设定多个虚拟骨，计算出与设定的所述目标点相对应的所述移动体在所述三维虚拟空间内的位置，使用所述位置依次计算出为所述移动体所设定的多个虚拟骨的位置，使用所述虚拟骨的位置计算出多边形的各个顶点位置，根据所述各个顶点生成所述移动体的图象数据。

所述图象处理装置相对所述移动体设定多个虚拟关节，计算出所述多个虚拟关节的位置，对应该虚拟关节的位置计算出表现所述移动体的动作的图象数据。

所述图象处理装置具有检测操作人员的操作的传感器，所述目标点根据来自所述传感器的信号变更设定。

根据本发明的第二个方面，提供了一种图象处理系统，具有图象处理装置，显示装置和传感器，所述图象处理装置的构成是，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在所述显示装置上显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，将所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点依次一边更新一边设定，对应所述更新的目标点来执行所述移动体的移动、运动的计算；所述显示装置具有显示画面，该显示画面显示由所述图象处理装置生成的图象；传感器配置在所述显示画像的前面；所述图象处理系统的特征在于：所述目标点根据来自所述传感器的信号变更设定，所述传感器检测并输出所述显示操作人员在画面上的操作。

所述三维虚拟空间包括虚拟水槽，所述移动体模拟在所述虚拟水槽内移动的生物。

所述图象处理系统具有与所述虚拟水槽相对应的波浪简易模式，该简易模式是三边各自为规定值、重量为规定值的正方体使底边的四角分别用弹簧支撑的虚拟模式，通过在每个规定时间改变所述弹簧的弹簧常数来计算模拟波浪运动的环境信息，以在所述显示画面上显示。

根据本发明的第三个方面，提供了一种图象处理方法，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成图象数据，在显示装置中显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，其特征在于包括以下步骤：目标点设定步骤，从与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值中选定所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点，对其一边适当地更新一边设定；移动体动作计算步骤，对应所述更新的目标点计算所述移动体的移动、动作；显示控制步骤，显示控制在所述移动体动作计算步骤所计算出的所述移动体的图象数据。

所述方法将与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值，从预先设定的表中依次选定离散值，更新设定所述移动体的目标点。

所述目标点的更新设定在每个规定的时间进行。

所述方法进一步包括：相对所述移动体设定多个虚拟骨的步骤；计算出与设定的所述目标点相对应的所述移动体在所述三维虚拟空间内的位置的步骤；使用所述位置依次计算出为所述移动体所设定的多个虚拟骨的位置的步骤；使用所述虚拟骨的位置计算出多边形的各个顶点位置的步骤；根据所述各个顶点生成所述移动体的图象数据的步骤。

所述方法进一步包括：相对所述移动体设定多个虚拟关节的步骤；计算出所述多个虚拟关节的位置的步骤；对应该虚拟关节的位置计算出表现所述移动体的动作的图象数据的步骤。

所述方法根据来自检测操作人员的操作的传感器的信号，进行所述目标点的变更设定。

所述三维虚拟空间包括虚拟水槽，所述移动体模拟在所述虚拟水槽内移动的生物。

所述方法进一步包括：使用虚拟模式来设定和所述虚拟水槽相对应的波浪简易模式的步骤，该虚拟模式是三边各自为规定值、重量为规定值的正方体使底边的四角分别用弹簧支撑的虚拟模式；通过在每个规定时间改变所述弹簧的弹簧常数来计算模拟波浪运动的环境信息的步骤；以及根据计算结果，将图象在所述显示画面上进行显示的步骤。

根据本发明的第四个方面，提供了一种模拟水槽装置，其构成是，在作为虚拟水槽被定义的三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在显示装置中显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，在所述显示装置的显示画面前表面配置传感器，检测出显示画面上操作人员的操作，根据从所述传感器输出的信号，在所述三维虚拟空间内设定所述移动体的移动目标点，根据设定的移动目标点来计算该移动体的移动、动作，通过以上动作，响应于操作人员的操作，显示生命体在虚拟水槽内移动、动作的图象。

所述操作人员的操作是向所述生命体喂饵料的动作，所述被设定的移动目标点是饵料的位置。

所述模拟水槽装置进一步包括配置在所述显示画面和传感器之间的水槽。

附图的简单说明

图1是本发明一实施例的图象处理系统的整体透视图。

图2是表示该实施例的显示器、水槽和传感器安装状态的图。

图3是表示游戏处理板功能的示意方框图。

图4是游戏处理板的电气功能方框图。

图5是由CPU执行的主处理程序的示意流程图。

图6是由CPU执行的目标点设定的子程序。

图7是说明作为移动体的热带鱼和其鱼坐标系统的获取方法。

图8是表示作为移动体的热带鱼的多边形例和虚拟骨的位置的图。

图9是表示虚拟骨位置控制例的图。

图10是说明波浪简易模式的图。

图11是说明光波投影的图。

图12是说明光波投影的图。

图13是根据光源矢量和法线矢量光照射位置判定的说明图。

图14是说明根据波浪简易模式计算的水中的光源矢量的图。

图15是根据光源矢量和法线矢量判定光照射位置的说明图。

图16是模式地说明观赏者对传感器(模拟水槽)的触摸情况的图。

图17是说明波浪表现方法的其它例(海浪)的图。

图18至图20是说明涉及虚拟骨节位置控制的其它实施例动作的图。

实施发明的最佳形态

以下，参照附图说明本发明的一个实施例。

图1表示实施例的图象处理系统的示意结构的一例。该图象处理系统进行使虚拟游戏空间移动的热带鱼观赏游戏。

如图所示，图象处理系统包括显示图象的显示器1a、用于在该显示器1a上显示图象处理的装置本体1、在该显示器1a中设置的水槽2和在该水槽2前面安装的传感器3。

装置本体1包括在整体形成横向立方体状的机壳内配置的处理板10、扬声器14和各种输出装置12。这些要素的电气结构和动作后面论述。

显示器1a是具有宽横向显示画面的显示装置，安装在装置本体1上。利用该显示器1a，除了显示用多边形表现的鱼(这里为热带鱼)之外，还显示背景图象。显示器1a的显示画面尺寸不限于形状为横向上宽的尺寸，按照用途可以采用各种尺寸和形状。

为了产生实际水槽的环境，装载水槽2，同时产生气泡，表现水。该水槽2还与显示器1a的形状一致，有横向宽并且进深薄的形状，用透明的玻璃制成。如图2所示，水槽2被安装在显示器1a的前面，通过从水槽2侧观察在显示器1a的画面中显示的鱼和背景，可以模拟产生观赏在实际水槽内的鱼的状态。

传感器3由将红外线传感器按点阵状配置的矩阵传感器构成，如图2所示，重叠配置在水槽2的前面。就是说，该系统的显示部分具有矩阵传感器3、水槽2和显示器1a的叠层结构。如果观赏者轻拍水槽或触摸水槽，那么传感器3检测该操作，将对应检测位置的二维位置信号输出给装置本体1的游戏处理板10(参照图3)。如下所述，游戏处理板10根据该位置信号进行三维虚拟空间中的多边形(鱼等)的移动处理、视点摄象机的位置控制、以及波浪处理等图象处理。

在装置本体1的内部，设有图4所示的游戏处理板10。在该游戏处理板10中，将显示器(显示器)1a、传感器2、指示器等的输出装置12、扬声器14等装置进行电连接。观赏者一边观察在显示器1a中显示的热带鱼的画面，同时在高兴时可以触摸传感器2来进行观赏游戏。

如图4所示，游戏处理板10包括计数器100、CPU(中央处理器)101、ROM 102、RAM 103、声音装置104、输入输出接口106、滚动数据计算装置107、协处理器(辅助计算处理装置)108、地形数据ROM109、几何装置110、形状数据ROM 111、描绘装置112、纹理数据ROM113、纹理图RAM 114、帧缓冲器115、图象合成装置116和D/A转换器117。

其中，CPU 101通过总线与存储预定程序和图象处理程序等的ROM 102、存储计算数据的RAM 103、声音装置104、输入输出接口106、滚动数据计算装置107、协处理器108和几何装置110连接。RAM103具有缓冲器的功能，用于对于几何装置的各种指令的写入(对象的显示等)、以及在进行各种计算时所需数据的写入等。

输入输出接口106与传感器3连接。由此，来自传感器3的位置信号等的操作信号作为数字量进入CPU 101。声音装置104通过功率放大器105与扬声器14连接。由此，将声音装置104生成的声音信号功率放大，从扬声器14输出声音。

CPU 101根据ROM 102中存储的程序，读入来自传感器3的操作信号和来自地形数据ROM 109的地形数据，或来自形状数据ROM 111的形状数据(‘模拟热带鱼的对象’和‘地形、天空、岩石、海底、各种结构物等的背景’等的三维数据)，进行包括对象游动计算的计算。

游动计算是模拟虚拟三维空间(游戏空间)中的对象(热带鱼)动作的计算。在进行该计算时，在虚拟三维空间对象的多边形坐标值确定后，将该坐标值转换成二维视野坐标系的转换矩阵和形状数据(多边形数据)指定给几何装置110。在协处理器108中连接地形数据ROM109，同时将预定的地形数据传送给协处理器108和CPU 101。协处理器108主要承担浮动小数点的计算。因此，利用协处理器108执行各种判定，通过将该判定结果提供给CPU 101，可以减轻CPU的计算负荷。

几何装置110与形状数据ROM 111以及描绘装置112连接。在形状数据ROM 111中，如上所述，预先存储多个多边形构成的形状数据(由各顶点构成的对象、地形、背景等三维数据)。该形状数据传送给几何装置110。几何装置110按从CPU 101不断传送的转换矩阵进行指定形状数据的透视转换，获得从三维虚拟空间的坐标系转换成视野坐标系的数据。

描绘装置112在转换的视野坐标系的形状数据中固定纹理，输出给帧缓冲器115。为了进行该纹理的固定，描绘装置112与纹理数据ROM 113和纹理图RAM 114连接，同时与帧缓冲器115连接。

再有，多边形数据指相对于多个顶点集合构成的多边形(多角形：主要为三角形、四角形)的各顶点没有绝对坐标的坐标数据组。在所述地形数据ROM 109中，存储满足执行预定判定(接触判定等)方面的粗略设定的多边形数据。与此相对，在形状数据ROM 11中存储与构成对象、背景等画面的形状有关的更精细设定的多边形数据。

滚动数据计算装置107计算文字等滚动画面的数据(存储在ROM102中)。该计算装置107和帧缓冲器115通过图象合成装置116和D/A转换器117到达显示器1a。由此，在帧缓冲器115中暂时存储的地形(背景)等多边形画面(模拟结果)和文字信息等滚动画面按指定优先顺序合成，在每个固定时间生成最终的帧图象数据。该帧图象数据用D/A转换器117转换成模拟信号，传送至显示器1a，作为游戏画面被实时地显示。

该图象处理系统以CPU 101为中心，通过图5、图6所示的计算处理进行热带鱼的观赏游戏。图5表示在与显示器1a的显示帧周期同步的每次中断中(例如，1/60秒)重复的主处理例行程序，图6表示图5所示的目标点确定处理的详细子程序。

首先，CPU 101读入传感器3的输出信号(图5所示的步骤S1)，接着，按照该读入结果，进行确定鱼的移动目标点的处理(步骤S2)。

该目标点确定处理由CPU 101按图6所示那样来执行。CPU 101首先判断从传感器2是否输出信号(图6所示的步骤S2-1)。在该判断为NO(否)，即观赏者未触摸传感器时，根据预先设定的某个离散表(也可以为乱数)移动的目标点m(m.x，m.y，m.z)按以下那样选定(步骤S2-2)。

m.x＝表[timer1].x

m.y＝表[timer1].y

m.z＝表[timer1].z

其中，timer1表示更新表的计数器。x、y、z表示鱼(观赏鱼)的当前坐标位置。该目标点m例如每30～40次中断就更新。在喂养多条鱼时，可改变每条鱼的目标点和更新的中断数。由于该目标点的设定成为本发明的特征之一，所以可表现鱼的自然活动方式。

在步骤S2-1的判断为是时，在步骤S2-3中进一步判断是表示通过观赏者的传感器2显示获得的信号为简单的位置，还是表示目前的饵料位置(参照图16)。其中，观赏者触摸传感器2时的传感器信号被确认为表示单个位置的信号，而观赏者改变例如触摸的次数和触摸时间时的传感器信号被确认为表示饵料的信号。

在该步骤S2-3的判断为NO，就是说，有表示位置的信号或有表示饵料的信号，但在判断饵料位置比预定值大时，移至步骤S2-4，设定为‘传感器信号产生的矩阵位置＝目标点’。就是说，按

m.x＝所检测位置的x

m.y＝所检测位置的y

m.z＝所检测位置的z

来设定。

相反，在步骤S2-3中为YES，就是说如果判断有表示饵料的信号，并且判断该饵料位置处于鱼的目前位置(在以该鱼为中心的范围内)，那么移至步骤S2-5，按‘传感器信号产生的矩阵位置＝饵料的位置＝目标点’来设定。就是说，按

m.x＝饵料位置的x

m.y＝饵料位置的y

m.z＝饵料位置的z

来设定。

这样，在设定目标点后，再进行目标点的校正(步骤S2-6)。该校正处理根据表示在三维虚拟空间中设定的虚拟水槽的空间位置最大值(Xmax，Ymax，Zmax)和表示虚拟水槽的空间位置最小值(Xmin，Ymin，Zmin)来进行。具体地说，设定的目标点m(m.x，m.y，m.z)按

m.x＞水槽的Xmax时，m.x＝水槽的Xmax

m.x＜水槽的Xmin时，m.x＝水槽的Xmin

m.y＞水槽的Xmax时，m.y＝水槽的Xmax

m.y＜水槽的Xmin时，m.y＝水槽的Xmin

m.z＞水槽的Xmax时，m.z＝水槽的Xmax

m.z＜水槽的Xmin时，m.z＝水槽的Xmin

来设定。由此，目标点不会从虚拟水槽中脱离。

然后，CPU 101将其处理返回图5所示的主处理步骤S3。在该步骤S3中，例如预先设定鱼的行进速度speed，例如参照各类鱼的表来适当确定。如上所述，该行进速度speed也可以通过观赏者触摸传感器3按照抛投饵料的出现、水温等来改变。由此，可以调整鱼的动作的活泼性。

接着，按照步骤S4，CPU 101计算鱼所需要的旋转分量的力Fw(Fw.x，Fw.y，Fw.z)。其细节如下。

首先，从目前的位置p(p.x，p.y，p.z)朝向目标点m(m.x，m.y，m.z)，也可以为单位矢量，方向矢量h(h.x，h.y，h.z)按

h.x＝(m.x-p.x)/L

h.y＝(m.y-p.y)/L

h.z＝(m.z-p.z)/L

算出。其中，L是点p与点m之间在x、y、z各方向上的距离。

接着，计算旋转分量的力Fw。首先，鱼的Y轴旋转力Fw.y和X轴旋转力Fw.x按

Fw.y＝-(h.z*sin(r，y)-h.x*cos(r，y))*speed*k0

Fw.x＝(m.y-p.y)*k1

求出。其中，k0、k1为常数。此外，(r，y)表示用球面坐标观察的鱼的旋转角度r的y坐标成分。

而且，使用定时器timer，如果将鱼行进时使鱼体左右晃动的旋转力假设为

timer 3％2＝0(用2除定时器3的值时的余数为0)，那么

Fw.y＝Fw.y+(k0+speed*k1)。

除此之外(其余数为1)，按

Fw.y＝Fw.y-(k0+speed*k1)

的方法求出。

而且，求出回避针对虚拟水槽壁的旋转力。这可以判断假设距壁的距离是否在某个值以下，当在某个值以下时，按

Fw.x＝Fw.x+回避壁的旋转力的X分量

Fw.y＝Fw.y+回避壁的旋转力的Y分量

计算求出。回避壁的旋转力是作为常数确定的值。

而且，求出回避其它鱼的旋转力。这可以判断距其它鱼距离是否在某个值以下，当在某个值以下时，按

Fw.x＝Fw.x+回避其它鱼的旋转力的X分量

Fw.y＝Fw.y+回避其它鱼的旋转力的Y分量

计算求出。使其它鱼回避的旋转力也是预定值。

整体旋转分量的力Fw按上述各状况的力的合成来计算。

接着，CPU 101移至步骤S5，计算鱼的旋转角。此时，角加速度为aw(aw.x，aw.y，aw.z)，角速度为w(w.x，w.y，w.z)，旋转角为r(r.x，r.y，r.z)，水的阻力系数为resist。

由此，旋转角速度的衰减影响按

本次新的w.x＝上次w.x*k

本次新的w.y＝上次w.y*k

本次新的w.z＝上次w.z*k

来计算。k为常数，并且0＜k＜1。

角加速度按

aw.x＝(Fw.x-resist*w.x)*k

aw.y＝(Fw.y-resist*w.y)*k

来计算。k为常数。

Z旋转角按

r.z＝(-w.y*k)

来计算。k为常数。

角速度按

本次新的w.x＝上次的w.x+aw.x

本次新的w.y＝上次的w.y+aw.y

来计算。

而且，x、y旋转角按

本次新的r.x＝上次的r.x+w.x

本次新的r.y＝上次的r.y+w.y

公式来更新。

接着，CPU 101按步骤S6计算对鱼施加的力Fv(Fv.x，Fv.y，Fv.z)。

具体地说，首先，计算作为对象的鱼的推进力。

而且，根据与其它鱼的冲突来计算力。就是说，按该冲突判定，在对其它鱼判定为潜入时，计算

Fv.x＝Fv.x+潜入的距离*k

Fv.y＝Fv.y+潜入的距离*k

。k为常数。

施加在鱼上的合力Fv按上述各力的合成来计算。

假设根据与虚拟水槽的冲突判定为受到外力的情况下，那么该外力作为Fv来合成。如果潜入内壁和地面，那么作为常数k，按

Fv.x＝潜入的距离*k

Fv.y＝潜入的距离*k

来计算。

接着，CPU 101的操作移至步骤S7，计算鱼的位置。此时，加速度为av(av.x，av.y，av.z)，速度为v(v.x，v.y，v.z)，位置为p(p.x，p.y，p.z)，水的阻力系数为resist。

由此，对鱼推进速度衰减的影响按

本次新的v.x＝上次v.x*k

本次新的v.y＝上次v.y*k

本次新的v.z＝上次v.z*k

来计算。k为常数，并且0＜k＜1。

加速度按

av.x＝(Fv.x-resist*v.x)*k

av.y＝(Fv.y-resist*v.y)*k

av.z＝(Fv.z-resist*v.z)*k

来计算。K为常数。

而且，速度按

本次新的v.x＝上次的v.x+av.x

本次新的v.y＝上次的v.y+av.y

本次新的v.z＝上次的v.z+av.z

来更新。

再有，位置按

本次新的p.x＝上次的p.x+v.x

本次新的p.y＝上次的p.y+v.y

本次新的p.z＝上次的p.z+v.z

来更新。

本发明的特征在于，上述鱼动作的模拟及控制在鱼中假设的虚拟骨的位置。这样的处理由CPU 101按步骤S8～S10执行。图8表示虚拟骨1～6的实例。

在步骤S8中，将按步骤S7求出的鱼的位置作为针对多个虚拟骨1～6中头部的最初骨位置来设定，依次算出后面的骨位置。此时，求出后节的骨位置条件为

a.骨节之间的距离是一定的(骨不能伸缩)

b.骨的弯曲角度有限制(骨节不能转动一圈)

c.骨仅沿X和Y轴旋转(骨不能扭歪)。

此外，在进行近似实际鱼动作的模拟中，与鱼的重心相比，由于在后侧的骨节上附加作为鱼的意图的角速度更好，所以在该处理中，在尾巴方向的鱼体中旋转地附加作为鱼的意图的角速度。附加作为鱼的意图的角速度的骨通过鱼来预先确定。具体地说，将以下处理仅按骨节数反复进行。

更新的骨节位置为

p0＝bone[i-1].p

，以后更新的骨节位置为

p1＝bone[i].p

，方向矢量按

v.x＝(p1.x-p0.x)/L

v.y＝(p1.y-p0.y)/L

v.z＝(p1.z-p0.z)/L

求出。L是点p0和点p1之间各轴方向的距离。

按如下方法求出v.x矢量与v.z矢量构成的沿Y轴的角度angY。如果骨节在腹部后方，就是说，如果在鱼的重心后方，那么

angY＝angY+(作为鱼样子的角速度)

此外，如果angY-骨节[i-1]构成的角度＞骨的上限角度，那么按

bone[i].r.y(骨节i构成的角度)＝骨的上限角度

来设定，如果angY-骨节[i-1]构成的角度＜骨的下限角度，那么按

bone[i].r.y(骨节i构成的角度)＝骨的下限角度

来设定，除此之外，按

bone[i].r.y(骨节i构成的角度)＝angY

来设定。

同样，求出沿X轴的角度angX。

采用求出的角度angY、angX从骨节i-1中求出朝向骨节i的方向矢量bone[i]。新的骨节i的位置bone[i].p采用前一个(前方)骨节i-1位置bone[i-1].p和从i-1中朝向骨节i的方向矢量bone[i].v如下求出。

bone[i].p.x

＝bone[i-1].p.x+bone[i].v.x*骨节i与骨节i-1的距离

bone[i].p.y

＝bone[i-1].p.y+bone[i].v.y*骨节i与骨节i-1的距离

bone[i].p.z

＝bone[i-1].p.z+bone[i].v.z*骨节i与骨节i-1的距离

以上处理仅按骨节数重复，可分别计算各虚拟骨的位置。

接着，CPU 101按步骤S9和S10求出算出各虚拟骨位置的行列(Y旋转、X旋转的转换)，计算与骨对应的鱼体部分的各顶点位置(参照图8)。图9(a)、(b)表示该虚拟骨的位置控制的一例。

接着，在步骤S11中，CPU 101针对观赏者观着的鱼和饵料等焦点设定虚拟的摄象机视点。因此，通过下述描绘处理，显示器1a上显示的画面变为从该设定的摄象机视点看到的景色。

接着，CPU 101进行步骤S12～S13的处理。由于该处理改善了鱼在水中的环境，所以采用波浪的简易模式来表现在波浪中浮动的鱼，同时采用该简易模式的旋转和位置数据表现水中投影的光波。

首先，在步骤S12中，设定小波浪的简易模式，计算与该模式有关的物理常数。具体地说，读出预先设定装入的如图10所示的简易模式。该简易模式形成边长度为2A、2B、2C质量为M的正方体形状，其底边的四角由弹簧支撑。各弹簧的上下方向和水平方向的弹性系数分别为k1、k2。以重心位置作为原点，惯量为I1，I2和I3，加速度矢量为av(x，y，z)，速度矢量为v(x，y，z)，位置为p(x，y，z)，角加速度为aw(x，y，z)，而角速度为w(x，y，z)，角度为r(x，y，z)。

通过改变该简易模式的初始条件，同时在每个中断中改变弹簧常数，可以自如地表现大波浪的浮动物体和小波浪中浮动的物体的运动。就是说，对于该简易模式来说，成立的运动方程式有

M*av.x+4*k2*p.x＝0

M*av.y+4*k2*p.y＝0

M*av.z+4*k1*p.z＝0

I1*aw.x+4*(k1*B*B+k2*C*C)*r.x＝0

I2*aw.y+4*+k1*A*A+k2*C*C)*r.y＝0

I3*aw.z+4*k2*(A*A+C*C)*r.z＝0

I1＝M*(B*B+C*C+A*A)/3

I2＝M*(C*C+A*A)/3

I3＝M*(A*A+B*B)/3。

根据这些方程式，求出每个中断位置p(x，y，z)和角度r(x，y，z)。

例如，如果任意地确定弹簧常数k1、k2，那么加速度可以按

av.x＝-4.0*k2*p.x/M

av.y＝-4.0*k2*p.y/M

av.z＝-4.0*k1*p.z/M

的公式算出，角加速度可以按

aw.x＝-4.0*(k1*B*B+k2*C*C)*r.x/I1

aw.y＝-4.0*(k1*A*A+k2*C*C)*r.y/I2

aw.z＝-4.0*k2*(A*A+B*B)*r.z/I3

的公式算出。而且，速度可以按

本次新的v.x＝上次的v.x+av.x

本次新的v.y＝上次的v.y+av.y

本次新的v.z＝上次的v.z+av.z

的公式算出。而且，角速度可以按

本次新的w.x＝上次的w.x+aw.x

本次新的w.y＝上次的w.y+aw.y

本次新的w.z＝上次的w.z+aw.z

的公式算出。因此，位置根据

本次新的p.x＝上次的p.x+v.x

本次新的p.y＝上次的p.y+v.y

本次新的p.z＝上次的p.z+v.z

分别求出，此外，旋转角根据

本次新的r.x＝上次的r.x+w.x

本次新的r.y＝上次的r.y+w.y

本次新的r.z＝上次的r.z+w.z

分别求出。

通过将该位置p(x，y，z)和旋转角r(x，y，z)反映在鱼体、波面、背景上，可以表现晃动的波。

在步骤S13中，形成表现光波的数据。在本实施例中，在通常的鱼的多边形模式上，描绘在该多边形模式中投影光波的纹理，表现投影在鱼上的光波。由此，不需要用硬件产生环境的转变。

光波的纹理如图11、12示意性地所示的那样，在球坐标中常常通过X-Z平面投影，投影在鱼上。(作为实际问题，在海中，由于鱼受到来自上面的光，所以有近似该X-Z平面投影的状态。)由于鱼的位置和旋转状态实时地变化，所以纹理的投影处理也实时地用软件来进行。

此外，为了表现鱼反射的光的亮度，按照光的具体情况可改变平行投影结构的鱼的各多边形的透明度。例如，如图13示意性地所示的那样，越靠近海面就越明亮，光未触及的地方成为透明多边形。在进行该处理中，对虚拟水槽从外部按预定角度照射光源矢量，根据波浪的简易模式计算该光源矢量。由此，如果光源矢量进入虚拟水槽，那么就进行擂槌式运动地旋转(参照图14)。因此，如图15(b)所示，在光源矢量和多边形的法线矢量构成的角度为锐角时判断为光未照射，成为透明多边形。相反地，如图15(a)所示，在钝角时，由于其构成的角度越大就变得越明亮，所以其构成的角度变得越小，透明度就越大。

定量地说，如果模式(鱼)的当前的4行×4列矩阵为

mat00  mat01  mat02  mat03

mat10  mat11  mat12  mat13

mat20  mat21  mat22  mat23

mat30  mat31  mat32  mat33

，那么多边形顶点(x，y，z)的纹理指针(U，V)变为

U＝x*mat00+y*mat01+z*mat02+mat30

V＝x*mat20+y*mat21+z*mat22+mat32。

将可以选择的多边形透明度分成32个等级，多边形的透明度T可以按光源矢量light与多边形的法线矢量n的内积(light、n矢量共同的单位矢量)

T＝(light.x*n.x+light.y*n.y+light.z*n.z)*2

来计算。但是，由于构成的角度为锐角时光未照射，所以设定成T＝0。

按该纹理指针(U，V)和多边形透明度T描绘多边形。

将这样得到的各种计算信息在步骤S14中传送给几何装置110和滚动数据计算装置107，指示每个中断的描绘处理。

由此，在显示器1a的画面上表现实时动作的鱼。该鱼的动作与以往的动作不同，采用目标点控制，并且该目标点在每次预定数目的中断中更新，同时按照来自观赏者对传感器的触摸进行适当变更。设定该目标点的方法在表现热带鱼等生物的行动方面处理还比较简单，此外，其处理量也少，与不断补充预先作成动作数据(移动数据、旋转/扩大缩小的矩阵数据)的方法相比，动作表现得自然。

就是说，该目标点的设定在鱼的游动上与以往相比更具真实感，由于采用接近自然的动作，所以观赏者可以象观赏真鱼那样来观赏三维虚拟空间的鱼，可以享受真实感强的观赏游戏。

此外，如图16模式地所示，观赏者通过拍打和触摸传感器，向鱼传送暗号，可以进行喂食，同时鱼按照来自观赏者的指示进行惊慌逃跑或靠近的应答。因此，观赏者可以与三维虚拟空间水槽中的鱼象在实际水槽中那样交流，可以在具有对话性的同时欣赏观赏游戏。

而且，由于针对观赏者注目的鱼和饵料等焦点可以用摄象机视点显示图象，所以还可以获得实际水槽的个人感受、趣味不同的虚拟现实感，可以提供娱乐性强的观赏游戏。

再有，在上述实施例中，虽然说明了表现在简单波浪的水中浮动的鱼，但该波浪也可以用‘海浪’来表现。在表现海浪时，使双层多边形的纹理移动(但是，多边形的位置不变)。纹理成为半透明的双环结构。多边形的顶点p(x，y，z)按

p.y＝sin(Timer*(p.x+p.z))

的正弦函数移动，表现波浪的上下运动。如图17示意性地所示，多边形的顶点(x，y，z)的纹理指针(U，V)的第一层按

新的本次的U＝上次的U+TX

新的本次的V＝上次的V+TZ

来设定。TX、TZ为常数。第二层按

新的本次的U＝上次的U+TX

新的本次的V＝上次的V-TZ

来设定。也可以按纹理指针(U，V)描绘多边形。由此，通过重叠双层的多边形纹理，如图17(c)所示，可以表现海浪。

再有，作为该观赏游戏对象的生物不限于上述热带鱼，也可以是鸟类和昆虫类生物。

此外，如上述实施例那样，除了虚拟水槽周围之外，目标点可以适当选定为与作为控制对象的观赏鱼不同的其它观赏鱼、虚拟水槽外侧的空间点、区域、范围等。

目标点与观赏鱼的动作一致，例如，无论观赏鱼是否达到目标点，在适当的定时、期间、时期等中都可移动，也可以设定新的目标点。由此，可以用很少的数据自由地模拟多彩的生物(鱼)的动作。

下面，就上述鱼的骨位置控制，说明其它实施例。

对于上述鱼的骨位置控制，有如下规定或前提。

a.骨的骨节之间的距离是一定的(骨不能伸缩)

b.骨的弯曲角度有限制(骨节不能转动一圈)

c.骨仅在X和Y轴上翘曲旋转(骨没有弹性)

就是说，如图18所示，如果一帧前的骨节位置用○表示，位置变更后新的骨节位置用□表示，更新的骨节位置为Pn-1(□的Pn-1)，以后更新的骨节位置为Pn(○的Pn)，那么连结相邻两个骨节的方向矢量如下所示。

Vn.x＝Pn.x-Pn-1.x

Vn.y＝Pn.y-Pn-1.y

Vn.z＝Pn.z-Pn-1.z

其中，求出Vn矢量与Vn-1矢量构成的角度，如图18所示，除了在该角度上的限制外，校正Vn矢量，确定新的骨节的位置Pn(□的Pn)。

与此相反，这里说明的变形例即使未进行这种角度的计算，也可以认为鱼的动作可以真实地再现。就是说，上述“b.骨的弯曲角度有限制(骨节不能转动一圈)”可替换为‘将Vn矢量在使鱼达到笔直的方向(矢量f)上按预定的力拉伸’。通过该变更，变更后的实施例具有可以省略求出角度的计算时间的优点。可以省略计算时间的理由之一在于，不必进行反正切的计算。

此外，与上述限制角度的情况相比，该变更后的实施例具有可以使鱼的动作变得平滑的优点。如果限制角度，那么在受限制范围的角度中，鱼的动作变得固定，与自然界的鱼的游动相比，成为不灵活的游动。但是，由于利用该实施例在角度上未设置限制，所以鱼的游动不会不自然。

图19表示由变更后的实施例产生的鱼的骨节位置控制。在图19中，图18的Vn矢量被变更为V’n矢量。该矢量如下变更。

V’n矢量的方向是Vn矢量与矢量f相加的方向。

V’n.x＝Pn.x-Pn-1.x+f.x

V’n.y＝Pn.y-Pn-1.y+f.y

V’n.z＝Pn.z-Pn-1.z+f.z

其中，通过适当变更矢量f的大小，可以适当改变鱼体的柔软程度。

而且，如上述实施例说明的那样，求出的鱼的骨节位置如下。

Pn.x＝Pn-1.x+U.x*(骨节n与骨节n-1的距离)

Pn.y＝Pn-1.y+U.y*(骨节n与骨节n-1的距离)

Pn.z＝Pn-1.z+U.z*(骨节n与骨节n-1的距离)

矢量U为矢量V’n的单位矢量。

图20是骨节数增加至4的图19的发展例。对于前一帧的骨节位置(用○表示)来说，矢量f保持从前头(鱼的头部)的骨节Pn-1朝向鱼重心的方向。该实施例的情况是将鱼的中心即把骨节Pn和骨节Pn+1之间规定为重心。最好采用图18说明的方法对顺序连续的骨节进行新的骨节位置的计算。也可以分别变更不同骨节的矢量f、f+1、f+2。随着进入到尾部骨节Pn+2，通过改变矢量f的大小，特别是通过顺序减少的值，随着进行至尾部，可以实现更柔和的鱼的游动。本发明的发明人认为该游动更接近自然界的鱼的游动。再有，由于矢量f越小越反映前帧的骨节位置(变更前的状态)，换句话说，由于要维持前面的状态，所以骨节的位置不要大变化，鱼的游动就变得更柔和。

在前面的实施例和本实施例中，以鱼为例进行了说明，但并不限于此。作为鱼以外的对象，有象节状运动的昆虫类和爬虫类。另外，即使要提供长带状的东西、毛发的动作、西装的动作等那样的虚拟的节状的运动，也不会有控制动作的障碍。此外，可以进行蛇行状的动作。

总之，按照本实施例，通过对这些对象提供多个骨节，依次实时地计算相邻骨节的位置，可更真实丰富地显示对象的游动。

工业上利用性

如以上说明，按照本发明的图象处理系统和图象处理方法，由于根据移动体的移动目标点，模拟该移动体的动作，计算图象数据，显示该图象数据，所以虽然进行比较简单的处理，但可以更真实并且自然地表现三维虚拟空间中鱼等生命体的动作，因此可以提供好象原物的生命体那样的可观赏的真实感强的观赏游戏。此外，可以表现模拟三维虚拟空间内的鱼等生命体的移动体与观赏者中间的对话性，由此使真实感提高，同时可以提供适合娱乐性的观赏游戏。

再有，所述ROM 102相当于存储使上述说明的图象处理动作程序在游戏机上实现的存储介质。作为ROM，有CD-ROM、盒式ROM。此外，软盘、硬盘或通信介质也可以。另外，在RAN中还包括服务程序。

Claims (20)

1.一种图象处理装置，其构成是，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在所述显示装置上显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，该图象处理装置的特征在于：

从与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值中选定所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点，依次对其一边更新一边设定，对应所述更新的目标点来执行所述移动体的移动、运动的计算。

2.根据权利要求1记载的图象处理装置，其特征在于，所述图象处理装置有预先设定的与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值的表，从该表中依次选定离散值，更新设定所述移动体的目标点。

3.根据权利要求1记载的图象处理装置，其特征在于，所述目标点的更新设定在每个规定的时间进行。

4.根据权利要求1记载的图象处理装置，其特征在于，相对所述移动体设定多个虚拟骨，计算出与设定的所述目标点相对应的所述移动体在所述三维虚拟空间内的位置，使用所述位置依次计算出为所述移动体所设定的多个虚拟骨的位置，使用所述虚拟骨的位置计算出多边形的各个顶点位置，根据所述各个顶点生成所述移动体的图象数据。

5.根据权利要求1记载的图象处理装置，其特征在于，相对所述移动体设定多个虚拟关节，计算出所述多个虚拟关节的位置，对应该虚拟关节的位置计算出表现所述移动体的动作的图象数据。

6.根据权利要求1记载的图象处理装置，其特征在于，具有检测操作人员的操作的传感器，所述目标点根据来自所述传感器的信号变更设定。

7.一种图象处理系统，具有图象处理装置，显示装置和传感器，其中，

图象处理装置的构成是，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在所述显示装置上显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，将所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点依次一边更新一边设定，对应所述更新的目标点来执行所述移动体的移动、运动的计算；

所述显示装置具有显示画面，该显示画面显示由所述图象处理装置生成的图象；

传感器配置在所述显示画像的前面；

所述图象处理系统的特征在于：

所述目标点根据来自所述传感器的信号变更设定，所述传感器检测并输出所述显示操作人员在画面上的操作。

8.根据权利要求7记载的图象处理系统，其特征在于，所述三维虚拟空间包括虚拟水槽，所述移动体模拟在所述虚拟水槽内移动的生物。

9.根据权利要求8记载的图象处理系统，其构成是，具有与所述虚拟水槽相对应的波浪简易模式，该简易模式是三边各自为规定值、重量为规定值的正方体使底边的四角分别用弹簧支撑的虚拟模式，通过在每个规定时间改变所述弹簧的弹簧常数来计算模拟波浪运动的环境信息，以在所述显示画面上显示。

10.一种图象处理方法，在三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成图象数据，在显示装置中显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，其特征在于包括以下步骤：

目标点设定步骤，从与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值中选定所述三维虚拟空间内所述移动体的目标点，对其一边适当地更新一边设定；

移动体动作计算步骤，对应所述更新的目标点计算所述移动体的移动、动作；

显示控制步骤，显示控制在所述移动体动作计算步骤所计算出的所述移动体的图象数据。

11.根据权利要求10记载的图象处理方法，其特征在于，将与所述三维虚拟空间内的位置有关的离散值，从预先设定的表中依次选定离散值，更新设定所述移动体的目标点。

12.根据权利要求10记载的图象处理方法，其特征在于，所述目标点的更新设定在每个规定的时间进行。

13.根据权利要求10记载的图象处理方法，其特征在于，该方法进一步包括：

相对所述移动体设定多个虚拟骨的步骤；计算出与设定的所述目标点相对应的所述移动体在所述三维虚拟空间内的位置的步骤；使用所述位置依次计算出为所述移动体所设定的多个虚拟骨的位置的步骤；使用所述虚拟骨的位置计算出多边形的各个顶点位置的步骤；根据所述各个顶点生成所述移动体的图象数据的步骤。

14.根据权利要求10记载的图象处理方法，其特征在于该方法进一步包括：

相对所述移动体设定多个虚拟关节的步骤；计算出所述多个虚拟关节的位置的步骤；对应该虚拟关节的位置计算出表现所述移动体的动作的图象数据的步骤。

15.根据权利要求10记载的图象处理方法，其特征在于，根据来自检测操作人员的操作的传感器的信号，进行所述目标点的变更设定。

16.根据权利要求10-15任意一项记载的图象处理方法，其特征在于，所述三维虚拟空间包括虚拟水槽，所述移动体模拟在所述虚拟水槽内移动的生物。

17.根据权利要求10-15任意一项记载的图象处理方法，其特征在于该方法进一步包括：

使用虚拟模式来设定和所述虚拟水槽相对应的波浪简易模式的步骤，该虚拟模式是三边各自为规定值、重量为规定值的正方体使底边的四角分别用弹簧支撑的虚拟模式；通过在每个规定时间改变所述弹簧的弹簧常数来计算模拟波浪运动的环境信息的步骤；以及根据计算结果，将图象在所述显示画面上进行显示的步骤。

18.一种模拟水槽装置，其构成是，在作为虚拟水槽被定义的三维虚拟空间内配置模拟生命体的移动体，计算该移动体的移动、动作，根据计算结果生成在显示装置上显示的图象数据，在显示装置中显示模拟所述生命体的移动体的移动、动作的图象，

在所述显示装置的显示画面前表面配置传感器，检测出显示画面上操作人员的操作，根据从所述传感器输出的信号，在所述三维虚拟空间内设定所述移动体的移动目标点，根据设定的移动目标点来计算该移动体的移动、动作，通过以上动作，响应于操作人员的操作，显示生命体在虚拟水槽内移动、动作的图象。

19.根据权利要求18记载的模拟水槽装置，其中，操作人员的操作是向所述生命体喂饵料的动作，所述被设定的移动目标点是饵料的位置。

20.根据权利要求18或19记载的模拟水槽装置，该装置进一步包括配置在所述显示画面和传感器之间。

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