JP2001034783A - 画像データ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３次元空間への物体の配置に偏りがある場合
でも高速レンダリングを可能とし、また、空間分割を用
いたレイトレーシングを少ないメモリで高速に処理す
る。 【解決手段】 各ボクセルに占めるポリゴン数の割合が
許容値より高い場合、許容値に近づくまでボクセルを分
割する。また各ボクセルに占めるポリゴン数の割合が許
容値より低い場合、隣接するボクセルと結合して１個の
ボクセルとする。このようにして各ボクセル内のポリゴ
ン数をほぼ同一にし、空間分割を用いたレイトレーシン
グ法による画像生成を高速に処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータグラ
フィックスの技術に関し、特に、３次元空間に存在する
物体をリアルに、かつ高速で描画するための画像データ
を生成する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】レイトレーシング法では、仮想的なスク
リーンの各画素に光線を延ばし、一番手前で交差する物
体表面の幾何学形状、物理特性により新たな光線を算出
し、次々と光線経路を辿ることで前記スクリーンの各画
素の色を決定する手法であり、光の反射や屈折、影など
を考慮したリアルな画像を生成することを可能としてい
る。このとき３次元空間の物体の形状はポリゴンと呼ば
れる多角形面の貼り合わせによって近似される。しか
し、光線とポリゴンとの交差判定には時間がかかり、こ
の交差判定がレイトレーシング処理の大半を占める。そ
のため、ポリゴンの数が多くなったり、物体の形状が複
雑化すると処理速度が著しく低下する。

【０００３】交差判定の処理速度を上げるため、無駄な
交差判定を減少させる空間分割法が知られている。空間
分割法は、ポリゴンによって近似された物体が存在する
３次元空間を立体要素に分割する方法である。まず、立
体要素と光線との交差判定を行い、次に、交差している
と判定された立体要素内に含まれるポリゴンとの交差判
定を行うことにより、ポリゴンとの交差判定の処理を最
小限に止め、高速処理を実現する。従来の空間分割法と
してボクセル分割法、オクトリー分割法などが知られて
いる。

【０００４】ボクセル分割法は、３次元空間全体をボク
セルと呼ばれる立体要素に等分割する方法である。３次
元空間全体が等分割されているので３ＤＤＤＡ法と呼ば
れるアルゴリズムによって光線とポリゴンとの交差判定
の処理速度を上げることが可能となる。また本明細書内
では、３次元空間を等分割したときの立体要素だけでな
く、さらにその立体要素を分割又は結合した要素もボク
セルと呼ぶことにする。

【０００５】オクトリー分割法は、ボクセル分割法をさ
らに応用したもので、３次元空間全体をボクセルに分割
し、ポリゴンを多く含むボクセルをさらに連続的に８分
割していく方法である。これによりすべてのボクセルに
関して、ボクセル内に含まれるポリゴンの数をある一定
の値よりも少なくすることが可能となる。

【０００６】また、レイトレーシング法の処理速度を高
速化する別の方法として、複数のプロセッサによる並列
処理が知られている。これは、それぞれのピクセルに対
する計算が独立であることを利用したものである。

【０００７】また、特開平６−２２３１９８号公報にお
いて、幾何学形状、又は物体データの広がりの平均、又
は物体データの空間分布、又は物体データにあらかじめ
与えられた分割数に基づいてから３次元仮想空間のボク
セル分割数を決定し、最適なボクセル分割法を提供し
て、高速で交点計算処理を行う光線追跡による画像生成
装置及びその方法が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の空間分割法は３
次元空間内での物体の空間分布によって、処理速度が大
きく異なる。ボクセル分割法は、物体が３次元空間内に
平均的に配置されている場合に効果がある。しかし、物
体が３次元空間内で局在化している場合には、特定のボ
クセル内でのポリゴン数が多くなるため、分割した効果
がなくなる。また、ポリゴン数が多い場合には、ボクセ
ル数が増加するため疎判定の時間が増大する。

【０００９】オクトリー分割法は、物体が３次元空間内
で局在化している場合に効果がある。しかし、物体が３
次元空間内に平均的に配置されている場合、隣接するボ
クセルの検索、陰面消去を行う場合には、オクトリー構
造にアクセスするので処理速度が落ちる。

【００１０】また、複数のプロセッサによる並列処理で
は、レイトレーシングの性格上、物体が配置された３次
元仮想空間の全体を記憶するためのメモリを各々のプロ
セッサに配さなければならない。しかしながら、各々の
メモリには同一のデータが記憶されているため、メモリ
の無駄が生じる。上記メモリを各プロセッサで共有する
ことも考えられるが、その場合には、メモリへのアクセ
スがボトルネックとなり処理速度を顕著に上げることは
不可能となる。

【００１１】本発明は上記従来の問題に鑑み、３次元空
間への物体の配置に偏りがある場合でも高速レンダリン
グを可能とし、また、空間分割を用いたレイトレーシン
グを少ないメモリで高速に処理する画像データ処理装置
を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では各ボクセルに占めるポリゴン数が許容値
より高い場合、許容値に近づくまで前記ボクセルを分割
し、許容値より低い場合、隣接するボクセルと結合して
１個のボクセルとし、ボクセル内にポリゴンがない場
合、前記ボクセルを交差判定対象から除外する。

【００１３】すなわち本発明によれば、ポリゴンにより
近似された３次元空間内の物体を内包する立方体を作成
した後、前記立方体をあらかじめ指定された大きさのボ
クセルに分割する分割制御手段と、ボクセル内のポリゴ
ン数の許容値を記憶する許容値記憶手段と、ボクセル内
のポリゴン数が前記許容値より大きいボクセルに対して
は、前記許容値より大きい前記ボクセルをさらに分割す
るボクセル分割手段と、ボクセル内のポリゴン数が前記
許容値より小さいボクセルに対しては、前記許容値より
小さい前記ボクセルに隣接するボクセルの総ポリゴン数
が許容値の範囲内であれば、前記ボクセル及び前記隣接
するボクセルを結合して１個のボクセルとするボクセル
結合手段とを、有する画像データ処理装置が提供され
る。

【００１４】上記目的を達成するために、本発明ではポ
リゴンと交差したときに算出したポリゴン面の色、次に
進むレイの方向、次に交差するボクセルＩＤ、２次元平
面上に投影されるときのピクセルのアドレス、ポリゴン
との交差回数を１つのデータ形式とし、これらを入出力
する機構を持ったレンダリングプロセッサを各々のボク
セルに割り当てることにより、少ないメモリで高速にレ
ンダリングを行う。

【００１５】すなわち本発明によれば、ポリゴンにより
近似された３次元空間内の物体を内包する立方体を作成
した後、前記立方体をあらかじめ指定された大きさの複
数のボクセルに分割する分割制御手段と複数のレンダリ
ングプロセッサとを有する画像データ処理装置であっ
て、前記レンダリングプロセッサが、前記ボクセルと前
記レンダリングプロセッサとが１対１又は１対複数又は
複数対１又は所定の複数対前記所定の複数とは異なる複
数で対応するように、前記各ボクセルのボクセルＩＤを
前記レンダリング内のメモリ手段に格納するボクセルＩ
Ｄ格納手段と、前記レンダリングプロセッサに入力され
るデータが有するボクセルＩＤと前記ボクセルＩＤ格納
手段に格納されているボクセルＩＤが一致した場合、前
記データを処理するデータ処理手段とを、有する画像デ
ータ処理装置が提供される。

【００１６】

【発明の実施の形態】＜第１の実施の形態＞以下、図面
を参照して本発明の画像データ処理装置に係る第１の実
施の形態について説明する。図４は本発明の画像データ
処理装置に係る一実施形態を示す構成図である。本発明
の画像データ処理装置のレンダリングプロセッサ１１は
レイトレーシングを行うプロセッサ１０、記憶手段１
２、分割制御手段１４、フレームバッファ１６、システ
ムバス１８を有する。記憶手段１２は物体データ２０、
カメラデータ２２、ボクセルテーブル２４を格納してい
る。分割制御手段１４はボクセル分割の制御を行う。フ
レームバッファ１６は、プロセッサ１０により算出され
たピクセルデータの格納を行う。画像データ処理装置１
内でのデータの受け渡しは、システムバス１８を通じて
行われる。

【００１７】図１は本発明の画像データ処理装置に係る
第１の実施の形態を説明するフローチャートである。ス
テップＳ１１０において、分割制御手段１４は３次元デ
ータからすべての物体を内包する立方体を作成した後、
あらかじめ指定された大きさのボクセルに分割する。ス
テップＳ１１２において、各ボクセル内に含まれるポリ
ゴン情報をボクセルテーブル２４に設定する。また、あ
らかじめボクセルが含むポリゴン数の許容値を指定して
おく。記憶手段１２は、このポリゴン数の許容値を記憶
する許容値記憶手段の役割も果たし、前期許容値を記憶
する。ステップＳ１１４において、ボクセルテーブル２
４から各ボクセル内に含まれるポリゴン数を調べる。

【００１８】ステップＳ１１６において、ポリゴン数が
あらかじめ指定されたポリゴン数の許容値より大きいボ
クセルに対しては、前記ボクセルをさらに分割する。一
方、ステップＳ１１８において、ポリゴン数があらかじ
め指定された許容値より小さいボクセルに対しては、こ
のボクセルに隣接するボクセルの総ポリゴン数が許容値
の範囲内であれば、それらのボクセルを結合して１個の
ボクセルとする。また、ポリゴン数があらかじめ指定さ
れた許容値に等しいボクセルに関してはステップＳ１１
６、ステップＳ１１８の作業は行われない。さらに、ボ
クセル内のポリゴン数が零の場合には、そのボクセルを
ボクセルテーブルから削除することも可能である。ステ
ップＳ１２０において、分割又は結合されたボクセルの
配置に従って、ボクセルテーブルを更新する。このと
き、ポリゴンが存在しないボクセルをボクセルテーブル
から削除する。すべてのボクセル内のポリゴン数が許容
値より少なくなるまで、ステップＳ１１０からステップ
Ｓ１２０までの作業は繰り返される。

【００１９】以上、ステップＳ１１０からステップＳ１
２０までの過程を経て作成されたボクセルテーブル２４
を参照して、ステップＳ１２２において、プロセッサ１
０はレイとボクセルとの疎判定を行いながらレンダリン
グを行う。ステップＳ１２４において、ステップＳ１２
２で行われた計算の結果をフレームバッファ１８に書き
込む。その後、ステップＳ１２６において、ステップＳ
１２４でフレームバッファに書き込まれた計算の結果を
出力データとして出力する。

【００２０】上記第１の実施の形態では、すべてのボク
セル内のポリゴン数が許容値より少なくなるまでステッ
プＳ１１０からステップＳ１２０を繰り返しているが、
すべてのボクセル内のポリゴン数が許容値を中心として
ある誤差の範囲内に収まるまで繰り返すようにしてもよ
い。

【００２１】＜第２の実施の形態＞以下、図面を参照し
て本発明の画像データ処理装置に係る第２の実施の形態
について説明する。図５は本発明の画像データ処理装置
に係るブロック図である。レンダリングプロセッサ１１
は、データ出力手段３０、データ入力手段３２、プロセ
ッサ３４、記憶手段３６を有する。記憶手段３６は物体
データ３８、ボクセルテーブル３９、ボクセルＩＤ４０
を格納している。また、レンダリングプロセッサ４２
は、データ入力手段３２から入力された３次元空間内の
物体の物体データ３８及びボクセルテーブル３９、ボク
セルＩＤ４０を記憶手段３６へ格納する。

【００２２】入力データは他のレンダリングプロセッサ
４２のデータ出力手段３０から出力されたデータであ
り、ポリゴンと交差したときに算出したポリゴン面の
色、次に進むレイの方向、次に交差するボクセルＩＤ、
２次元平面上に投影されるときのピクセルのアドレスが
１つにまとめられたデータ構造を持つ。

【００２３】レンダリングプロセッサ４２で算出された
これらのデータ構造は、データ出力手段３０から出力デ
ータとして出力される。前記入力データを取り込むデー
タ入力手段３２、前記出力データを出力するデータ出力
手段３０はともにＦＩＦＯ構造をなしている。

【００２４】図６は３次元空間をボクセル分割した一実
施形態を示す図であり、３次元空間を１２個のボクセル
Ａ〜Ｌに分割したものである。各ボクセルにはボクセル
ＩＤが設定されている。

【００２５】図７は本発明の画像データ処理装置に係る
一実施形態を示すシステムブロック図である。画像デー
タ処理装置は複数のレンダリングプロセッサ４２、制御
手段５２、フレームバッファ５４により構成されてい
る。今、例としてボクセルの数とレンダリングプロセッ
サ４２の数が同数の場合、すなわち１２個のレンダリン
グプロセッサＡ〜Ｌを設ける場合を考える。複数のレン
ダリングプロセッサＡ〜Ｌ４２はデータ線５６によりリ
ング状に結合されており、３次元空間を分割して作られ
た１２個のボクセルＡ〜Ｌとこれらに対応する各レンダ
リングプロセッサ４２（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｌで示す４個のみ
を図７に示したが、Ｄ〜Ｋは図示省略）とは、各々１対
１で割り当てられる。すなわち、各レンダリングプロセ
ッサ４２が有するボクセルＩＤ４０は、それぞれ異なっ
たボクセルに１対１で対応している。

【００２６】図２及び図３は本発明の画像データ処理装
置に係る第２の実施の形態を説明するフローチャートで
ある。ステップＳ２１０において、分割制御手段１４は
３次元データからすべての物体を内包する立方体を作成
した後、あらかじめ指定された大きさのボクセルに分割
する。ステップＳ２１２において、制御手段５２が３次
元空間を分割したときの各ボクセルの大きさをボクセル
テーブル３９に設定する。ステップＳ２１４において、
ボクセルとレンダリングプロセッサ４２が１対１に対応
するようにレンダリングプロセッサ４２固有のＩＤをボ
クセルＩＤ４０に設定する。ステップＳ２１６におい
て、各ボクセルに含まれる物体データ３８のみをそのボ
クセルに対応するレンダリングプロセッサ４２に格納す
る。ステップＳ２１８において、制御手段５２が視点か
らスクリーン上に扇状にレイを飛ばし、レイがどのボク
セルと交差するかを算出しボクセルＩＤ４０を求める。
ステップＳ２２０において、レイの方向ベクトルとボク
セルＩＤ４０及びスクリーン上のピクセルのアドレスを
セットし入力データとしてデータ処理部５０へ転送す
る。

【００２７】ステップＳ２２２において、データ入力手
段３２へ入力された入力データ内のボクセルＩＤ４０と
レンダリングプロセッサ４２に格納されているボクセル
ＩＤ４０とが一致するかどうかを判定する。一致すると
判定された場合、ステップＳ２３６において、入力デー
タはＦＩＦＯを経由してプロセッサ３４により処理され
る。ステップＳ２３６では、入力されたデータ内のレイ
と物体との交差回数が指定数に達しているかどうかを判
定する。指定数はあらかじめ使用者によって指定され
る。指定数に達していない場合には、ステップＳ２２４
において、プロセッサ３４は入力されたデータ内の方向
ベクトルとメモリ内の物体データ３８を用い、レイと物
体との交差判定を行う。

【００２８】ステップＳ２２６において、ステップＳ２
２４でレイと物体が交差すると判定した場合、物体によ
り反射したレイを新たなレイと定める。そして、新たな
レイのベクトル、新たなレイの色などを算出する。この
とき、入力されたデータ内の交差回数をインクリメント
する。一方、ステップＳ２２４でレイと物体とが交差し
ないと判定した場合、ステップＳ２２８において、入力
データ内のレイを新たなレイと設定する。ステップＳ２
３０において、ステップＳ２２６又はステップＳ２２８
で求めた新たなレイとボクセルテーブル３９から新たな
レイが次に交差するボクセルを求める。ステップＳ２３
２において、ステップＳ２３０で求めた次に交差するボ
クセルＩＤ４０を新たなボクセルＩＤと設定する。ステ
ップＳ２３４において、ステップＳ２３２で新たに設定
されたデータは、データ出力手段３０を介して次のレン
ダリングプロセッサへ移動される。また、ステップＳ２
２２でデータ入力手段３２へ入力されたデータ内のボク
セルＩＤ４０と、レンダリングプロセッサ４２に格納さ
れているボクセルＩＤ４０とが一致しないと判定された
場合、またステップＳ２３６で交差回数が指定数に達し
たと判定された場合、レンダリングプロセッサ４２はプ
ロセッサ３４による処理を行わず、データ経路４８を通
してデータ出力手段３０へ転送する。

【００２９】このように、物体と交差したときに算出し
た物体表面の色、次に進むレイの方向、次に交差するボ
クセルＩＤ、２次元平面上に投影されるときのピクセル
のアドレス、物体との交差回数からなるデータを、リン
グ状に配されたレンダリングプロセッサ同士で次々受け
渡しを行うことにより、各光線の追跡が可能となる。

【００３０】ステップＳ２２２からステップＳ２３４ま
での作業は、レイと物体との交差回数が適当な既定値
（ステップＳ２３６における指定数）に達するまで行わ
れる。レイと物体との交差回数が既定値に達したときの
データをスクリーンのピクセルのアドレスに対応させ
て、フレームバッファ５４に格納する。スクリーンの各
ピクセルにそのピクセルが有するデータを表示すること
により、最終的な画像が作成される。

【００３１】上記第２の実施の形態では、３次元空間を
分割した各ボクセルとレンダリングプロセッサが各々１
対１で割り当てられているが、レンダリングプロセッサ
の数がボクセル分割数よりも少ない場合又は多い場合な
ど、必ずしも１対１に割り当てられないこともある。こ
のような場合、３次元空間を分割した各ボクセルとレン
ダリングプロセッサを、例えば各々２対１、３対１や１
対２、１対３などで対応させることも可能である。ま
た、所定の複数のボクセルと前記ボクセル数とは異なる
複数のレンダリングプロセッサとを対応させてもよい。
つまり、例えば２対３、３対４などのように、複数のボ
クセルに対して、前記ボクセルの数とは異なる数の複数
のレンダリングプロセッサを対応させることも可能であ
る。

【００３２】また上記第２の実施の形態では、レンダリ
ングプロセッサがデータ線によりリング状に繋がった構
成となっているが、さらにデータ内に含まれるボクセル
ＩＤを読み取りそのデータが対応するレンダリングプロ
セッサにデータを振り分ける手段を加えることによっ
て、例えば各レンダリングプロセッサが制御手段を中心
としてデータ線により放射状に繋がる構成をとることも
可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各ボクセルに占めるポリゴン数の割合が許容値より高い
場合、許容値に近づくまで前記ボクセルを分割し、許容
値より低い場合、隣接するボクセルと結合して１個のボ
クセルとし、ボクセル内にポリゴンがない場合、前記ボ
クセルを交差判定対象から除外するので、各ボクセル内
のポリゴン数をほぼ同一にし、空間分割を用いたレイト
レーシング法による画像生成を高速に処理することを可
能とする。

【００３４】また本発明によれば、レンダリングプロセ
ッサを各々のボクセルに割り当てることによりメモリの
無駄をなくし、メモリが少ない場合でも、空間分割を用
いたレイトレーシング法による画像生成を高速に処理す
ることを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像データ処理装置に係る第１の実施
の形態を説明するフローチャートである。

【図２】本発明の画像データ処理装置に係る第２の実施
の形態を説明するフローチャートの前半部分である。

【図３】本発明の画像データ処理装置に係る第２の実施
の形態を説明するフローチャートの後半部分である。

【図４】本発明の画像データ処理装置に係る一実施形態
を示す構成図である。

【図５】本発明の画像データ処理装置に係るレンダリン
グプロセッサのブロック図である。

【図６】３次元空間をボクセル分割した一実施形態を示
す図である。

【図７】本発明の画像データ処理装置に係る一実施形態
を示すシステムブロック図である。

【符号の説明】

１０ プロセッサ（ボクセル結合手段、ボクセル分割手
段） １１、４２ レンダリングプロセッサ １２ 記憶手段（許容値記憶手段） １４ 分割制御手段 １６、５４ フレームバッファ １８ システムバス ２０、３８ 物体データ ２２ カメラデータ ２４、３９ ボクセルテーブル ３０ データ出力手段 ３２ データ入力手段 ３４ プロセッサ（データ処理手段） ３６ 記憶手段 ４０ ボクセルＩＤ ４８ データ経路 ５０ データ処理部 ５２ 制御手段 ５６ データ線

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリゴンにより近似された３次元空間内
   の物体を内包する立方体を作成した後、前記立方体をあ
   らかじめ指定された大きさの複数のボクセルに分割する
   分割制御手段と、 ボクセル内のポリゴン数の許容値を記憶する許容値記憶
   手段と、 ボクセル内のポリゴン数が前記許容値より大きいボクセ
   ルに対しては、前記許容値より大きい前記ボクセルをさ
   らに分割するボクセル分割手段と、 ボクセル内のポリゴン数が前記許容値より小さいボクセ
   ルに対しては、前記許容値より小さい前記ボクセルに隣
   接するボクセルの総ポリゴン数が許容値の範囲内であれ
   ば、前記ボクセル及び前記隣接するボクセルを結合して
   １個のボクセルとするボクセル結合手段とを、 有する画像データ処理装置。
2. 【請求項２】 ポリゴンにより近似された３次元空間内
   の物体を内包する立方体を作成した後、前記立方体をあ
   らかじめ指定された大きさの複数のボクセルに分割する
   分割制御手段と複数のレンダリングプロセッサとを有す
   る画像データ処理装置であって、 前記レンダリングプロセッサが、 前記ボクセルと前記レンダリングプロセッサとが１対１
   又は１対複数又は複数対１又は所定の複数対前記所定の
   複数とは異なる複数で対応するように、前記各ボクセル
   のボクセルＩＤを前記レンダリング内のメモリ手段に格
   納するボクセルＩＤ格納手段と、 前記レンダリングプロセッサに入力されるデータが有す
   るボクセルＩＤと前記ボクセルＩＤ格納手段に格納され
   ているボクセルＩＤが一致した場合、前記データを処理
   するデータ処理手段とを、 有する画像データ処理装置。