JP2001202532A - Ｚバッファを用いた立体映像生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンピュータを用いて単眼による２次元平面
イメージとＺバッファに貯蔵されたイメージの距離情報
とから３次元立体映像を生成する方法を提供する。 【解決手段】 ３次元モデルをレンダリングして一方の
目に対応する第１の２次元イメージを生成し、上記第１
の２次元イメージの色情報をフレームバッファに貯蔵
し、距離情報をＺバッファに貯蔵する第１の段階と、前
記第１の２次元イメージと前記フレームバッファに貯蔵
された色情報及びＺバッファに貯蔵された距離情報とを
用いて他方の目に対応する第２の２次元イメージを生成
する第２の段階、及び前記第１の２次元イメージと第２
の２次元イメージとを用いて立体映像を生成する第３の
段階とを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータを用
いて３次元の立体映像を生成する方法に関し、もっと詳
しくは、単眼による２次元の平面イメージとＺバッファ
に貯蔵されたイメージの距離情報とを用いて３次元の立
体映像を生成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イメージの３次元距離を知覚する方法
は、一方の目を使用するか、或は、両方の目を共に使用
するかによって次の如く二つに分かれる。

【０００３】まず、単眼としては、遠近、平行移動、物
体の相対的な大きさ、重ね、光輝と影、焦点適応などの
現象を知覚する。ここで、遠近知覚とは、平行な線など
が消失点へ集まる現象に対する知覚をいい、平行移動知
覚とは観察者の頭が動くと観察点から近いところにある
物体は投射面に対して遠いところにある物体より相対的
に多く動く現象に対する知覚をいい。重ね知覚とは、近
いところにある物体が遠いところにある物体を遮る現象
に対する知覚であり、焦点適応知覚とは、異なる距離に
置いてある物体を見るためには目の筋肉に掛る筋張力の
差が異なるようになる現象に対する知覚をいう。

【０００４】両眼を用いて物体を眺めると、上記した単
眼による知覚の以外にも両眼の収束角によって網膜上の
投射位置が異なるようになる現象が生じる。即ち、観察
者と物体との距離によって物体が投射される目の網膜の
位置が異なるようになる。

【０００５】単眼による知覚は３次元距離感を提供する
が、とても弱い知覚だけを提供する。反面に、人間の頭
脳と目の組織体系は両眼からそれぞれ生成される二個の
互いに異なる画像などを融合して使用するので、両眼に
よる知覚は非常に強力な３次元距離感の知覚を提供す
る。

【０００６】上記で説明したように、両眼を用いた知覚
特性を用いたのが立体画法（stereography）であって、
このような立体映像を生成する種々の技術的な方法が提
案されている。

【０００７】従来の立体映像生成方法は、一つの物体を
左の目と右の目の各々に対して２次元のイメージなどを
生成する方法を使用した。即ち、一つの物体を互いに異
なる二個の投影中心（center of projection）（左の目
と右の目）に対して２次元平面に投影されたイメージを
生成する。このために、図１に図示されているようなグ
ラフィックパイプラインを用いる。

【０００８】図１は立体映像を生成する一般的なグラフ
ィックパイプラインを図示した図面である。使用者が３
次元グラフィックプログラムを使用し、コンピュータ画
面に所望する映像を生成して視覚化するためには、コン
ピュータは次のような作業を遂行しなければならない。

【０００９】即ち、３次元グラフィックプログラムは特
定応用分野のための応用−明細（application-specifi
c）プロセッシング１１０と、シーン（scene）プロセッ
シング１１１、１２１、ポリゴン（polygon）プロセッ
シング１１２、１２２、及びピックセルプロセッシング
１１３、１２３とからなる。シーンプロセッシング１１
１と、ポリゴンプロセッシング１１２と、ピックセルプ
ロセッシング１１３とは一方の目（左の目）に対して２
次元平面上に投影されたイメージを生成する過程であ
り、シーンプロセッシング１２１と、ポリゴンプロセッ
シング１２２と、ピックセルプロセッシング１２３とは
他方の目（右の目）に対して２次元平面上に投影された
イメージを生成する過程である。二つの過程が同一であ
るため、左の目に対して２次元のイメージを生成する過
程を中心として説明することにする。

【００１０】応用−明細プロセッシング１１０とは、使
用者が応用プログラムを用いて３次元モデルを操作した
り、動く作業に該当する。この時、使用者が選択するモ
デル、照明、背景などの変化によってシーンが変化す
る。それぞれの変化はシーンの具体的な情報が入ってい
るシーングラフ１１７に貯蔵される。シーングラフ１１
７はシーンを定義するためのモデル、照明、サウンドな
どのすべての情報が入っているグラフ構造の資料構造で
ある。

【００１１】シーンプロセッシング１１１は実際３次元
場面を画面に表わすための作業である。シーンプロセッ
シング１１１はシーングラフ１１７から必要な情報を読
み出してレンダリングするための３次元ポリゴンを生成
する。３次元グラフィックで画面に表れるすべての物体
は基本的に３次元ポリゴンなどの集合である。シーンプ
ロセッシング１１１はシーングラフ１１７から情報を読
み出し、必要のないポリゴンを生成しないように選び出
したり（culling）、ＬＯＤ（level of detail）などの
作業をし、最終的に３次元ポリゴンなどの集合を得る。

【００１２】ポリゴンプロセッシング１１２はポリゴン
集合などを２次元のモニター画面上にディスプレイ１１
４するための作業を遂行する。即ち、３次元ポリゴンを
投影（projection）して２次元ポリゴンに変形する。こ
の時、照明による明るさとか物体の質感などの情報が計
算される。

【００１３】ピックセルプロセッシング１１３は最終的
に画面にディスプレイされる映像の各ピックセルのカラ
ー情報を生成する。即ち、２次元ポリゴンと色相情報と
を用いてテクスチャリング（texturing）、ブレンディ
ング（blending）、及びアンチアライアジング（anti-a
liasing）などの作業を通じて左の目に対する２次元イ
メージの各ピックセルのカラー情報をフレームバッファ
１１５に貯蔵する。また、物体の遠近による効果のため
に、Ｚバッファリング作業を遂行して各ピックセルに対
する距離情報をＺバッファ１１６に貯蔵する。

【００１４】上記と同様に、シーンプロセッシング１２
１は３次元ポリゴンを生成し、ポリゴンプロセッシング
１２２はこの３次元ポリゴンを２次元ポリゴンに変形す
る。なお、ピックセルプロセッシング１２３は右の目に
対する２次元イメージの各ピックセルのカラー情報をフ
レームバッファ１２５に貯蔵し、各ピックセルに対する
距離情報をＺバッファ１２６に貯蔵する。

【００１５】一般的なグラフィックパイプラインでは物
体を画面に表示しようとすると、上述したような四つの
プロセッシング過程などを通過しなければならず、立体
映像のためには両眼に必要な二個の映像を得るためにそ
れぞれ上述したようなグラフィックパイプラインを通過
しなければならない。また、両眼に必要な二個の映像を
得るために立体投影過程と、最終的にコンピュータ画面
にイメージをディスプレイする過程とをそれぞれの映像
に対してそれぞれ２回ずつ遂行しなければならない。

【００１６】投影過程で使用する投影変換行列は数式３
と数式４の通りである。

【数３】

【数４】 ここで、ＳＬは左の目に対する２次元映像投影変換行列
であり、ＳＲは右の目に対する２次元映像投影変換行列
である。

【００１７】上記のように、コンピュータ上で立体映像
を生成するためには、３次元物体を、左の目と右の目に
必要な二個のイメージを生成し、このために、立体投影
だけでなく、最終的にコンピュータ画面にみえるイメー
ジに至るまでの過程を２回ずつ遂行しなければならな
い。現在の３次元立体映像生成方法はすべてこのような
過程を経るし、従って、一般的な映像に比べてコンピュ
ータの計算時間が二倍も必要であるため、３次元シミュ
レーションとかアニメーションで立体映像を使用するの
に大きな制約となっている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は上記
のような従来の技術の問題を解決するために案出された
ものであって、一般的な２次元映像の生成結果によりコ
ンピュータに貯蔵されたイメージのカラー情報と距離情
報とを用いて変換計算と簡単な追加作業にて立体映像に
必要な二個の平面イメージを生成する、Ｚバッファを用
いた立体映像生成方法を提供するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明によるＺバッファを用いた立体映像生成方
法は、３次元モデルをレンダリングして一方の目に対応
する第１の２次元イメージを生成し、上記第１の２次元
イメージの色情報をフレームバッファに貯蔵し、距離情
報をＺバッファに貯蔵する第１の段階と、前記第１の２
次元イメージと前記フレームバッファに貯蔵された色情
報及びＺバッファに貯蔵された距離情報とを用いて他方
の目に対応する第２の２次元イメージを生成する第２の
段階、及び前記第１の２次元イメージと第２の２次元イ
メージとを用いて立体映像を生成する第３の段階とを含
むことを特徴とする。

【００２０】好ましくは、前記第２の段階は、第２の２
次元イメージの各ピックセルに対応する第１の２次元イ
メージのピックセルなどを探し出し、前記探し出された
第１の２次元イメージのピックセルなどのカラー値を補
間して前記第２の２次元イメージのカラー値を求めるこ
とを特徴とする。

【００２１】より好ましくは、前記第２の段階は、観察
者の両眼の間の半分である左右イメージの不一致程度ｅ
と、視点から投影平面までの距離ｄｅ、及び前記第１の
２次元イメージの各ピックセル情報Ｘ_Ｌ ^＊とを下記の数
式に適用して第２の２次元イメージの各ピックセルに対
応する第１の２次元イメージのピックセルなどを求める
ことを特徴とする。

【数５】 もっと好ましくは、前記第２の段階は、前記第１の２次
元イメージのカラー値を下記の数式に適用して前記第２
の２次元イメージのカラー値を求めることを特徴とす
る。

【数６】 ここで、Ｃ_ＸＲは第２の２次元イメージのＸ_Ｒ ^＊ピック
セルのカラー情報、Ｃ _ＸＬは第１の２次元イメージのＸ
_Ｌ ^＊座標でのカラー情報、Ｃ_ＸＬ＋１は第１の２次元イ
メージのＸ_Ｌ＋１ ^＊座標でのカラー情報である。また、
本発明によると、上述したＺバッファを用いた立体映像
生成方法を実行させるための、或は、コンピュータで読
取ることのできるプログラムとか記録媒体、またはプロ
セッサが含まれる。

【００２２】以下、添付した図面を参照しながら本発明
の一実施例による、“Ｚバッファを用いた立体映像生成
方法”を説明すると次の通りである。

【００２３】本発明の一実施例によるＺバッファを用い
た立体映像生成方法は、まず、３次元映像を一般的なグ
ラフィックパイプラインに適用して単眼に対する２次元
のイメージ映像を生成する。この時、この２次元のイメ
ージ映像の各ピックセルに対するカラー情報はフレーム
バッファに貯蔵され、距離情報はＺバッファに貯蔵され
る。次に、このフレームバッファに貯蔵されたカラー情
報とＺバッファに貯蔵された距離情報とを用いてもう一
つの２次元のイメージ映像を生成する。このようにして
生成された二つの２次元のイメージ映像などを合成すれ
ば立体映像を得ることができる。

【００２４】上記した単眼に対する２次元のイメージ映
像生成段階は従来と同一である。即ち、３次元物体に対
して応用−明細プロセッシング、シーンプロセッシン
グ、ポリゴンプロセッシング、及びピックセルプロセッ
シングを通じて２次元のイメージ映像を生成する。各プ
ロセッシングでの具体的な動作は上述した通りである。
このようなプロセッシングなどを経ると、最終的に各ピ
ックセルのカラー情報はフレームバッファに貯蔵され、
遠近による距離情報はＺバッファに貯蔵される。

【００２５】次に、フレームバッファに貯蔵されたカラ
ー情報とＺバッファに貯蔵された距離情報とを用いて他
の一つの２次元のイメージ映像を生成する段階は次の通
りである。

【００２６】まず、両眼に対する二つの映像イメージな
どの間の関係式を導出するために、先に２次元平面イメ
ージの投影過程を窺ってみる。図２はＰ（ｘ，ｙ，ｚ）
点を左の目Ｅ_Ｌ（−ｅ，０，ｄ_ｅ）と右の目Ｅ_Ｒ（ｅ，
０，ｄ_ｅ）を投影中心として投影したことを図示した図
面であり、図３は左の目の視点がｚ軸上に来るように投
影中心を移動させた状態を図示した図面である。この
時、三角比を用いると、数式７と数式８のような結果を
得ることができる。

【数７】

【数８】 図４は右の目の視点がｚ軸上に来るように投影中心を移
動させた状態を図示した図面である。この時、三角比を
用いると、数式９と数式１０のような結果を得ることが
できる。

【数９】

【数１０】 この時、両眼のｙ座標は同一であるため、ｙに対しては
数式１１のような関係式が成立する。

【数１１】 上記のような基本関係式から左の目と右の目に投影され
る物体の座標はそれぞれ数式１２と数式１３を導出す
る。この時、物体のｙ座標は数式１４のように左と右の
イメージで同じ値を有する。

【数１２】

【数１３】

【数１４】 数式１２と数式１３を整理すれば、Ｘ_Ｌ ^＊とＸ_Ｒ ^＊の間
には数式１５と数式１６のような関係式が成立する。

【数１５】

【数１６】 本発明では、一方の目（例えば、左の目）に対する２次
元イメージを得るために数式１の変換行列を用い、この
ようにして得られた左の目に対する２次元イメージから
右の目に対するイメージを簡単な方法で生成する。

【００２７】数式１５のように右の目に使用されるイメ
ージ上の座標は左の目に使用されたイメージの座標から
両眼の間の距離の半分に該当する立体映像の左、右イメ
ージの不一致程度を表わすｅと、視点から投影平面まで
の距離に該当するｄｅのみ知っていれば、容易に計算し
出すことができる。

【００２８】コンピュータ上で３次元映像を一般的な方
法で２次元の表示装置に表わすために、上記で説明した
投影変換を用いて２次元座標の集合と、各座標に対する
カラー情報と、ｚ軸方向の深さ情報とを用いる。２次元
座標をモニター上に描くための情報はコンピュータのフ
レームバッファに各フレームごとに貯蔵され、ｚ軸方向
の深さ情報はＺバッファ（Depthバッファ）に貯蔵され
る。

【００２９】従って、一般的な方法で左の目に使用され
るイメージだけを生成し、コンピュータのＺバッファか
ら各ピックセルの深さ情報と左のイメージを生成する時
使用した映像の不一致程度ｅ、そして、視点から投影平
面までの距離ｄｅを数式１５に適用して図５のように右
の目に使用するイメージを生成する。

【００３０】図５は左の目から数式１５の原理を用いて
右のイメージを生成する過程である。図５の格子はコン
ピュータ画面の各ピックセルを表し、数字はＺバッファ
に貯蔵されたｚ方向の深さを表わす。この時、図５の左
のイメージから右のイメージを得る計算過程を詳細に説
明すると次の通りである。

【００３１】まず、上述した図２−４のように、両眼の
間の距離によって発生する二個のイメージの差異はｘ軸
方向にのみ表れるため、数式１５の計算は図６に図示さ
れたようにイメージの一つの行に該当するピックセルに
対して計算し、これを各行に対して繰り返すことにより
計算を完了する。

【００３２】左のイメージから右のイメージを得ること
は、言い換えれば、右のイメージの各ピックセルのカラ
ー情報を得ることであるといえる。即ち、左のイメージ
のカラー情報を右のイメージにマッピングする問題とな
る。このカラー情報は次のような方法で得る。

【００３３】数式１５をＸ_Ｌ ^＊に対して整理すると、数
式１７のようになる。

【数１７】 図６の右のイメージの各ピックセルの座標に該当するＸ
_Ｒ ^＊のカラー情報を得るために数式１７を用いて、該当
する原本イメージの座標Ｘ_Ｌ ^＊を計算する。計算したＸ
_Ｌ ^＊からＸ_Ｒ ^＊のカラー情報を計算する。各ピックセル
の座標は整数であるが、計算結果は整数ときっちり合わ
ない場合もあるため、数式１８のような方法で補間して
イメージの質を高める。ここで、Ｃ_ＸＲはＸ_Ｒ ^＊ピック
セルの情報、Ｃ_ＸＬは計算したＸ_Ｌ ^＊を整数化した座標
（左のイメージの座標）でのカラー情報、Ｃ_ＸＬ＋１は
その次のピックセルのカラー情報である。

【数１８】 上記の二つの過程を説明すると、左のイメージ（原本イ
メージ）から右のイメージを生成するために右のイメー
ジの各ピックセルに対するカラー値を左のイメージから
得なければならないが、その方法は次の通りである。即
ち、新たに作り出す右のイメージの各ピックセルに対し
て数式１７を用いて対応される原本イメージのピックセ
ルなどを探し出し、数式１８を用いて対応される原本イ
メージのピックセルなどのカラー値を補間し、求めよう
とした右のイメージのカラー値として使用する。

【００３４】この方法を右のイメージの各ピックセルに
対して繰り返す。イメージの一つの行（ピックセル単
位）に対して計算が終わると、次の行を計算する。

【００３５】上記で好ましい実施例に基づいて本発明を
説明したが、このような実施例は本発明を制限しようと
するものではなく、例示しようとするものである。本発
明の属する分野の熟練者には本発明の技術思想を逸脱す
ることなく、上記の実施例に対する多様な変化とか変
更、或は、調節が可能であることは自明なことである。
それ故に、本発明の保護範囲は添付された請求の範囲に
よってのみ限定されるはずであり、上記のような変化例
とか変更例、或は調節例をすべて含むものであると解釈
すべきである。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によると、３次元モ
デルを一般的な映像生成方法に適用して一つの２次元イ
メージだけを生成し、生成された２次元イメージを計算
式に適用して更に異なる一つの２次元イメージを生成し
た後、二個の２次元イメージなどを用いて立体映像を生
成する。従って、既存の方法は一般映像を生成するもの
と比較して二倍の計算量を必要とするが、本発明で提案
している方法は簡単な計算式を通じて残りの一つのイメ
ージを容易に、且つ、早く生成することができるので、
コンピュータの性能が二倍に増強されなくとも立体映像
を容易に、且つ、早く生成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的な２次元映像生成方法を示したグラフィ
ックパイプラインの構成図。

【図２】Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）点を左の目 Ｅ_Ｌ（−ｅ，
０，ｄ_ｅ）と右の目 Ｅ_Ｒ（ｅ，０，ｄ_ｅ）を投影中心
として投影したことを示した図面。

【図３】左の目の視点がｚ軸上に来るように投影中心を
移動させた状態を示した図面。

【図４】右の目の視点がｚ軸上に来るように投影中心を
移動させた状態を示した図面。

【図５】左のイメージから右のイメージを生成する過程
で右のイメージの各ピックセルに対応する左のイメージ
のピックセルなどを探す過程を示した図面。

【図６】図５で一つの行に対して右のイメージの各ピッ
クセルに対応する左のイメージのピックセルなどを探す
過程を示した図面。

【符号の説明】

１１０：応用−明細プロセッシング １１１、１２１：
シーンプロセッシング１１２、１２２：ポリゴンプロセ
ッシング １１３、１２３：ピックセルプロセッシング
１１４、１２４：ディスプレイ １１５、１２５：フ
レームバッファ １１６、１２６：Ｚバッファ １１
７：シーングラフ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元モデルをレンダリング（renderin
   g）して一方の目に対応する第１の２次元イメージを生
   成し、前記第１の２次元イメージの色情報をフレームバ
   ッファに貯蔵し、距離情報をＺバッファに貯蔵する第１
   の段階と、 前記第１の２次元イメージと、前記フレームバッファに
   貯蔵された色情報、及びＺバッファに貯蔵された距離情
   報とを用いて他方の目に対応する第２の２次元イメージ
   を生成する第２の段階、及び前記第１の２次元イメージ
   と第２の２次元イメージとを用いて立体映像を生成する
   第３の段階とを含むことを特徴とするＺバッファを用い
   た立体映像生成方法。
2. 【請求項２】 前記第２の段階は、第２の２次元イメー
   ジの各ピックセルに対応する第１の２次元イメージのピ
   ックセル（pixel）などを探し出し、前記探し出された
   第１の２次元イメージのピックセルなどのカラー値を補
   間して前記第２の２次元イメージのカラー値を求めるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のＺバッファを用いた立
   体映像生成方法。
3. 【請求項３】 前記第２の段階は、観察者の両眼の間の
   半分である左右イメージの不一致程度ｅと、視点から投
   影平面までの距離ｄ_ｅ、及び前記第１の２次元イメージ
   の各ピックセル情報Ｘ_Ｌ ^＊とを下記の数式に適用して第
   ２の２次元イメージの各ピックセルに対応する第１の２
   次元イメージのピックセルなどを求めることを特徴とす
   る請求項２に記載のＺバッファを用いた立体映像生成方
   法。 【数１】
4. 【請求項４】 前記第２の段階は、前記第１の２次元イ
   メージのカラー値を下記の数式に適用して前記第２の２
   次元イメージのカラー値を求めることを特徴とする請求
   項２に記載のＺバッファを用いた立体映像生成方法。 【数２】 ここで、Ｃ_ＸＲは第２の２次元イメージのＸ_Ｒ ^＊ピック
   セルのカラー情報、Ｃ _ＸＬは第１の２次元イメージのＸ
   _Ｌ ^＊座標でのカラー情報、Ｃ_ＸＬ＋１は第１の２次元イ
   メージのＸ_Ｌ＋１ ^＊座標でのカラー情報である。
5. 【請求項５】 コンピュータに、 ３次元モデルをレンダリングして一方の目に対応する第
   １の２次元イメージを生成し、前記第１の２次元イメー
   ジの色情報をフレームバッファに貯蔵し、距離情報をＺ
   バッファに貯蔵する第１の段階と、 前記第１の２次元イメージと前記Ｚバッファに貯蔵され
   た距離情報とを用いて第２の２次元イメージの各ピック
   セルに対応する第１の２次元イメージのピックセルなど
   を探し出す第２の段階、 前記第２の段階で探し出された第１の２次元イメージの
   ピックセルなどのカラー値を補間して前記第２の２次元
   イメージのカラー値を求める第３の段階、及び前記第１
   の２次元イメージと第２の２次元イメージとを用いて立
   体映像を生成する第４の段階とを実行させるための、プ
   ログラムを記録したコンピュータで読取ることのできる
   記録媒体、またはプロセッサ。