JP2001060272A - 光線追跡による画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被写体との交差判定をより少なくし、高速に
画像を表示できる光線追跡による画像表示装置を提供す
ること。 【解決手段】 前処理部１２においては空間のボクセル
分割のみを行い、画像生成部１３において光線の通過す
るボクセルのみボクセル内被写体データベースを作成す
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、光線と被写体との
交差判定を行って画像を表示する光線追跡（レイトレー
シング）法による画像表示装置に関する。そして、この
発明は特に、被写体との交差判定をより少なくし、高速
に画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的
としている。

【０００２】

【従来の技術】光線追跡法とは、視点からスクリーンの
各画素へ光線を飛ばし、光線と被写体との交差判定を行
い、最もスクリーンに近い点で交差する被写体を描くべ
き被写体とし、その被写体の輝度を計算してその画素の
色として画像を作成する方法である。光線追跡法を用い
ると、物体の反射、屈折等の複雑な表現も正確に行うこ
とができる。

【０００３】しかし、光線追跡法は、最もスクリーンに
近い点で交差する被写体を判定するに当たり、１光線ご
とに全ての被写体との交点計算を行う必要があり、非常
に多くの処理時間を要するため、高速化技術が検討され
ている。

【０００４】従来の高速化技術としては、全被写体を包
含する3次元矩形領域を等分割したボクセルを用いる空
間分割法が一般に知られている。空間分割を行うことに
より、光線が通過するボクセル内の被写体のみと交差判
定を行うだけでよく、光線追跡法による処理の高速化が
図れる。

【０００５】以下、図２、図３を用いて空間分割法を説
明する。空間分割法では、３次元被写体データ、カメ
ラ、光源等の情報を含んだシーンデータを図２に示す入
力部11に入力してシーンデータベースを作成する（図３
に示すステップ211）。その後、前処理部12、画像生成
部13、描画部14を通して画像を生成する。

【０００６】前処理部12では、まず、全被写体を包含す
る3次元矩形領域（最大矩形）を生成する（図３に示す
ステップ221）。生成された矩形領域を指定された分割
数若しくは、ボクセルサイズなどを基に等分割しボクセ
ルを形成する（ステップ222）。分割されたボクセルご
とに、ボクセルと全被写体との交差判定を行って、ボク
セル内部にある被写体を調べ、どのボクセルにどの被写
体が入っているかが記憶されたボクセル内被写体データ
ベースを作成する（ステップ223）。後述する図５にお
いて、一つの升目が一つのボクセルであるが、被写体44
のように複数のボクセルにわたる場合、一つのボクセル
に入っている被写体44の部分ごとがボクセル内被写体デ
ータベースにより特定されるのではなく、そのボクセル
には３つの被写体43〜45の内の被写体44が入っているこ
とがボクセル内被写体データベースにより特定される。

【０００７】次に、画像生成部13では、視点からスクリ
ーンの画素に飛ばす光線を計算して仮想的に光線を発生
させ（ステップ231）、光線が通過するボクセルを３DDD
A法（高速に次ボクセルを算出する方法）により求め
（ステップ232）、光線が通過するボクセルのボクセル
内被写体データベースを調べてそのボクセル内にある被
写体と光線との交点を求める（ステップ233）。交点が
そのボクセル内にあるかどうかの判定を行い（ステップ
234）、なければステップ232に戻り、次ボクセルを求め
て同様のことを行う。交点がボクセル内にあれば、その
交点の輝度を計算し（ステップ235）、次画素に移る。
これを全ての画素について行い（終了判定はステップ23
6で行う）、画像を生成する。生成した画像を描画部14
にて描画する（ステップ241）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の空間分割法で
は、結果的に光線が全く通過しないボクセルにおいて
も、前処理部12において、ボクセル内被写体データベー
ス作成のためにボクセルと全被写体との交差判定を行っ
ている。従って、従来の空間分割法は、ボクセル分割数
が多い場合や、被写体の数が多い場合に、前処理部での
無駄な処理が増えてしまい処理時間の高速化に問題があ
った。この発明は、被写体との交差判定をより少なく
し、高速に画像を表示できる画像表示装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するために本発明は、シーン上の全被写体を包含する３
次元矩形をボクセル分割して、光線追跡により画像を表
示する画像表示装置において、被写体データが入力され
シーンデータベースを作成する入力部と、前記シーンデ
ータベースに基づきシーン上の被写体全てを含む矩形で
ある最大矩形を作成する最大矩形算出手段と、前記最大
矩形を等分割してボクセルを形成するボクセル分割手段
とを備える前処理部と、視点からの光線を仮想的に発生
させる光線発生手段と、前記光線が通過するボクセルを
順次計算するボクセル算出手段と、前記ボクセル算出手
段で算出された光線が通過するボクセルのボクセル内被
写体データベースが既に作成されているか否かを判定す
るボクセル内被写体データベース判定手段と、前記ボク
セル内被写体データベース判定手段での判定が否の場合
に、当該ボクセル内に含まれる被写体を特定するデータ
ベースであるボクセル内被写体データベースを作成する
ボクセル内被写体データベース作成手段と、前記ボクセ
ル内被写体データベースに基づき特定された被写体と前
記光線との交点を計算し、その交点が当該ボクセル内に
存在するか否かを判定する交点計算手段と、前記交点計
算手段により当該ボクセル内に存在すると判定された交
点の輝度計算を行う輝度計算手段と、前記輝度計算手段
の出力に応じて描画を行う描画部と、を有することを特
徴とする光線追跡による画像表示装置、を提供するもの
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、前処理部においては空
間の分割のみを行い、画像生成部において光線の通過す
るボクセルごとにボクセル内被写体データベースを作成
することによって、光線の通過しないボクセルについて
はボクセル内被写体データベースを作成する処理、即ち
被写体と交差判定する処理をなくし、従来の空間分割法
に比べて高速に画像生成・表示が行えるものである。特
に、ボクセル分割数が多い場合や、全被写体の数が多い
場合の高速化に有効である。

【００１１】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明
する。図１は一実施例のフローチャートである。全体構
成の大枠は図２に示す従来例と同様である。図４に示す
ような3次元シーンを描画する場合を考える。まず、入
力部11に視点41、スクリーン42、被写体43、44、45の情
報を入力し、シーンのデータベースを作成する（図１に
示すステップ311）。そして、前処理部12で、被写体の3
次元座標の最大値と最小値等を求めシーン上の被写体を
全て含む最大矩形領域を算出し（ステップ321：最大矩
形算出手段）、その最大矩形領域を等分割しボクセルを
形成する（ステップ322：ボクセル分割手段）。この分
割方法には予め決められた数に分割する方法や、被写体
の数によって適応的に分割する方法などがあるが、どの
方法を用いてもよい。図５に、ボクセル分割された状態
の図を簡易的に2次元で示す。一つの升目が一つのボク
セルを示している。51は最大矩形領域である。

【００１２】次に、画像生成部13に処理を移す。画像生
成部13内ではまず、視点41からスクリーン42上の1画素
に光線を仮想的に飛ばし、この光線の始点（スクリーン
上の点）と方向ベクトルを計算により求め（ステップ33
1：光線発生手段）、この光線が通るボクセルを３DDDA
法により算出する（ステップ332：ボクセル算出手
段）。

【００１３】ステップ332によって算出されたボクセル
について、ボクセル内被写体データベースが作成済みか
否かを判定し（ステップ333：ボクセル内被写体データ
ベース判定手段）、作成済みの場合は交点計算（ステッ
プ335：交点計算手段）に移る。未作成の場合はステッ
プ334：ボクセル内被写体データベース作成手段に移っ
てボクセルと全被写体との交差判定を行ってボクセル内
被写体データベースを作成した後、交点計算（ステップ
335）に移る。ステップ334ではボクセル内被写体データ
ベースを作成したボクセルに対して、データベース作成
済みであることを示すフラグを付けも行う。このフラグ
をステップ333でのボクセル内被写体データベース作成
済みか否かの判定に利用する。

【００１４】ボクセル内被写体データベースは、図５に
示す被写体44のように被写体が複数のボクセルにわたる
場合、一つのボクセルに入っている被写体44の部分ごと
を特定するのではなく、そのボクセルには３つの被写体
43〜45の内の被写体44が入っていることを特定するもの
である。

【００１５】次に、ステップ335：交点計算手段ではボ
クセル内被写体データベースに基づき、ボクセル内にあ
ると特定された被写体と光線との交点を求め、ステップ
336：交点計算手段で交点がそのボクセル内にあるかど
うかの判定を行い、なければステップ332に戻り、次ボ
クセルを求めて同様のことを行う。交点がボクセル内に
あれば、その交点の輝度を計算し（ステップ337：輝度
計算手段）、次画素に移る。これを全ての画素について
行い（終了判定はステップ338で行う）、画像を生成す
る。生成した画像を描画部14にて描画する（ステップ34
1）。描画したものが図４に示す43'，44'，45'である。
なお、ステップ333、334以外のステップは従来の空間分
割法と同様の動作である。

【００１６】図５は、最大矩形領域51、全光線（視点か
らスクリーン42上の全画素に飛ばした光線）が通過する
領域52、被写体43、44、45を表している。図を見て解る
ように、このシーンでは光線が通過しないボクセルが複
数存在する。光線が通過しないということは、次ボクセ
ル算出手段332においてこのボクセルが算出されること
がなく、ひいては、このボクセルについてのボクセル内
被写体データベースは不必要であるということである。
しかし、従来例においては、図３に示す前処理部12のス
テップ223において全てのボクセルのボクセル内被写体
データベースを作成しており、無駄な処理を行ってい
た。

【００１７】これに対し、本実施例では上述したよう
に、前処理部12においては空間のボクセル分割のみを行
い、画像生成部13において光線の通過するボクセルごと
にボクセル内被写体データベースを作成することによっ
て、光線の通過しないボクセルについてはボクセル内被
写体データベースを作成する処理、即ち被写体と交差判
定する処理をなくした。よって、本実施例は従来の空間
分割法に比べて高速に画像生成・表示が行える。

【００１８】

【発明の効果】以上の通り、本発明を用いれば、無駄な
ボクセル内被写体データベースを作成する必要が無く、
実際に光線が通過するボクセルについてのみボクセル内
被写体データベースを作成することができ、従来の空間
分割法に比べて高速に画像生成・表示が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の動作フローチャートである。

【図２】従来例の構成を示す図である。

【図３】従来例の動作フローチャートである。

【図４】一実施例の3次元シーン図である。

【図５】一実施例のボクセル分割図である。

【符号の説明】

１１ 入力部 １２ 前処理部 １３ 画像生成部 １４ 描画部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シーン上の全被写体を包含する３次元矩形
   をボクセル分割して、光線追跡により画像を表示する画
   像表示装置において、 被写体データが入力されシーンデータベースを作成する
   入力部と、 前記シーンデータベースに基づきシーン上の被写体全て
   を含む矩形である最大矩形を作成する最大矩形算出手段
   と、前記最大矩形を等分割してボクセルを形成するボク
   セル分割手段とを備える前処理部と、 視点からの光線を仮想的に発生させる光線発生手段と、 前記光線が通過するボクセルを順次計算するボクセル算
   出手段と、 前記ボクセル算出手段で算出された光線が通過するボク
   セルのボクセル内被写体データベースが既に作成されて
   いるか否かを判定するボクセル内被写体データベース判
   定手段と、 前記ボクセル内被写体データベース判定手段での判定が
   否の場合に、当該ボクセル内に含まれる被写体を特定す
   るデータベースであるボクセル内被写体データベースを
   作成するボクセル内被写体データベース作成手段と、 前記ボクセル内被写体データベースに基づき特定された
   被写体と前記光線との交点を計算し、その交点が当該ボ
   クセル内に存在するか否かを判定する交点計算手段と、 前記交点計算手段により当該ボクセル内に存在すると判
   定された交点の輝度計算を行う輝度計算手段と、 前記輝度計算手段の出力に応じて描画を行う描画部と、
   を有することを特徴とする光線追跡による画像表示装
   置。