JP2002230579A

JP2002230579A - 画像作成方法および装置

Info

Publication number: JP2002230579A
Application number: JP2001026562A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Noda; 智孝野田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-16

Abstract

(57)【要約】【課題】視点位置もしくは視線方向を変更した場合で
あっても、レンダリング処理を高速に行うことが可能な
画像作成方法および装置を提供する。【解決手段】入力されたパラメータに基づいて三次元
空間内にオブジェクトポリゴンが生成されると共に、視
線角度θとなる視線方向が決定される（図（ａ））。続
いて、投影面のｚ座標Ｌとオブジェクトのｚ座標Ｚの差
ａｂｓ（Ｌ−Ｚ）、および視線角度θに基づいて、移動
量Ｋを算出する。この移動量Ｋに基づいてオブジェクト
を移動させることにより、例えば、オブジェクト上の点
Ａは、点Ａ´に移動される（図（ｂ））。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元空間に表現され
た物体を二次元平面に投影した画像を作成する方法およ
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、三次元ＣＧ（コンピュータグラフ
ィックス）の表現技術においては、より立体感を表現す
るために、三次元空間内に存在する物体の被写界深度効
果を考慮した投影手法が用いられている。被写界深度と
は、視点のピントが合う平面との距離のことであり、被
写界深度効果とは、三次元空間内において、被写界深度
以外にある物体に、被写界深度との差に応じたぼかしを
施してリアル感を出す手法である。

【０００３】このような被写界深度効果を利用してレン
ダリングを行なう手法としては、一般に透視放射影もし
くは正射影の手法を用いて実現されている。ここで、透
視放射影を用いたレンダリングについて説明する。図８
は透視放射影を行なう際の、オブジェクト（物体）、焦
点面、視点の関係を示す図である。図８（ａ）に示すよ
うに視点には、所定の画角が設定され、その画角の範囲
に含まれるオブジェクトが視点に投影される。図８
（ａ）では、焦点面と視点は、三角形を構成しているよ
うに見えるが、実際には三次元空間であるため、焦点面
を底面とし、視点を頂点とした円錐または角錐形状を構
成する関係となっている。透視放射影とは、この円形も
しくは多角形の焦点面の各点における色情報を視点に反
映させる手法である。この視点を各画素位置に適用する
ことにより、投影画像が得られることになる。

【０００４】一方、正射影とは、図３（ａ）に示すよう
に、焦点面側からスクリーンに対して投影を行う場合
に、焦点面上の1点がスクリーン上の対応する１点に投
影される手法である。

【０００５】上述のようにスクリーン上の各画素に対し
て透視放射影もしくは正射影の手法を用いてレンダリン
グを行なうことにより投影画像が得られることになる。
実際のレンダリング処理では、その精度を向上させるた
めに透視放射影の場合は図８（ｂ）、（ｃ）に示すよう
に視点位置を変更した状態（ジッタ処理）における投影
画像を得、正射影の場合は図３（ｂ）、（ｃ）に示すよ
うに視線方向を変更した状態における投影画像を得て、
これらの投影画像の平均値を求めることにより最終的な
投影画像を得るようにすることが好ましい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、視点位
置もしくは視線方向を変更すると、その都度、各オブジ
ェクトの位置を計算し直さなければならず、その計算処
理にかかる負荷は非常に大きなものとなっている。一
方、透視放射影のレンダリング演算を高速に行う手法に
ついては、種々のものが開発されており、市販のソフト
ウェア、ハードウェアとして流通している。しかしなが
ら、正射影時の視点位置もしくは視線方向の変更に対応
したソフトウェア、ハードウェアとしては流通していな
い。

【０００７】上記のような点に鑑み、本発明は、視点位
置もしくは視線方向を変更した場合であっても、レンダ
リング処理を高速に行うことが可能な画像作成方法およ
び装置を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、必要なパラメータを入力し、入力され
たパラメータに基づいて三次元空間にオブジェクトポリ
ゴンを生成し、入力されたパラメータに基づいて視線方
向を決定し、この視線方向に基づいて前記オブジェクト
ポリゴンの三次元空間における座標を変換し、座標変換
されたオブジェクトポリゴンを二次元平面に投影して投
影画像を作成するようにしたことを特徴とする。本発明
では、三次元空間にオブジェクトポリゴンを生成後、視
線方向に基づいてオブジェクトポリゴンの三次元空間に
おける座標値を変換し、変換後の座標値に基づいてオブ
ジェクトポリゴンを二次元平面に投影するようにしたの
で、最も演算量が少ない視線方向が投影面に対して垂直
な状態で演算を行うことが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。図１は本発明による画
像作成方法のフローチャートである。最初に、各種パラ
メータの入力を行う（ステップＳ１）。パラメータとし
ては、作成する画像サイズ、焦点面の配置位置、背景の
配置位置、視線方向設定数Ｎ、視線移動最大角度θ_max
を設定する。ここでは作成画像サイズは、ｗ画素（ｘ方
向）×ｈ画素（ｙ方向）とする。また、焦点面、背景は
作成画像と平行に配置されるため、焦点面、背景の配置
位置は、作成画像からの距離で設定される。視線方向設
定数Ｎは、投影を行なうための視線方向の設定数であ
り、設定された数だけ異なる方向から投影が行なわれて
スクリーン上の画素値が決定されることになる。視線移
動最大角度θ_maxは、視線方向とスクリーン平面が垂直
であるときを０°としたとき、視線方向が傾き得る最大
角度を示す。また、ステップＳ１では入力する背景テク
スチャの指定も行う。背景テクスチャの指定は、例え
ば、背景テクスチャを画像として記憶したファイルのＩ
Ｄ等を指定すれば良い。

【００１０】次に、三次元空間にオブジェクトポリゴン
を生成すると共に、その三次元空間の適宜な位置にスク
リーンを設定する（ステップＳ２）。その様子の例を図
２に示す。図２において、１はスクリーンを示し、スク
リーン１はｘ−ｙ平面に対して平行に設定されている。
そのスクリーン１のサイズは、ステップＳ１で設定され
た作成画像サイズｗ×ｈである。また、図２ではポリゴ
ンは最も単純な三角形となされているが、任意の形状で
も良いものである。そして各ポリゴンには所望の色が付
されている。ポリゴンの入力についてはコンピュータグ
ラフィックスの分野において広く行われている事項であ
るので詳細については省略するが、一つ一つのポリゴン
の形状、色および位置を定めて入力しても良く、あるい
は、作成済みのポリゴンデータがあるのであれば、それ
を取り込んでも良い。

【００１１】次に、設定された背景位置に背景ポリゴン
を生成する（ステップＳ３）。背景ポリゴンは通常、ス
クリーン１に平行であって、スクリーンから見てオブジ
ェクトポリゴンが発生される方向と同方向に生成され
る。例えば、図２では、ｚ＝０のｘｙ平面に生成され
る。背景ポリゴンのサイズはスクリーン１と同サイズで
あるため、ｗ×ｈとなる。また、背景は長方形であるた
め、背景ポリゴンは三角形のポリゴン２つで構成される
ものになる。

【００１２】次に、背景テクスチャを入力し、生成した
背景ポリゴンに貼り付ける（ステップＳ４）。背景テク
スチャとは背景とすべき画像であり、ステップＳ１にお
いて指定されたものが入力される。入力された背景テク
スチャは、背景ポリゴンに貼り付けられる。背景テクス
チャの背景ポリゴンへの貼り付けには、周知のテクスチ
ャマッピングの手法が用いられる。

【００１３】次に、オブジェクトおよび背景のスクリー
ンへの投影を行い、当該スクリーン上の各画素の色を決
定する（ステップＳ５）。ここでは、投影の手法として
正射影を用いた例で説明する。ステップＳ５における正
射影のための方向は複数設定され、それぞれの視線方向
についてスクリーン上の画素値を決定する。各視線方向
ごとに得られるスクリーン上の画素値は、最終的には平
均化されて１つの投影画像を構成する画素値が得られる
ことになる。ここでは、まず、スクリーンからの視線方
向がスクリーンに対して垂直である場合について説明す
る。

【００１４】この場合、あるオブジェクト上の画素は、
（ｘ，ｙ）座標値が同一であるスクリーン上の画素に投
影されることになるが、このときスクリーン上の画素の
画素値Ｖは以下の（数式１）で算出される。

【００１５】（数式１）Ｖ＝Ｔ ×（Ｄ_O ／Ｄ_F）×Ｖ_O Ｔ：減衰率

【００１６】ただし、上記（数式１）において、Ｄ_Oは
スクリーンからオブジェクト上の画素Ｖ_Oまでの距離、
Ｄ_Fはスクリーンから焦点面までの距離を示す。上記
（数式１）は、オブジェクト上の画素が焦点面に近い
程、本来の画素値に近付き、焦点面から遠ざかる程、ぼ
けていくことを示している。また、オブジェクトは三次
元空間内にランダムに配置されるため、スクリーンから
の視線上で重なるオブジェクトについては、最もスクリ
ーンに近いオブジェクトだけが見えることになる。これ
は、単純に両オブジェクトのｚ座標同士を比較し、スク
リーンに近いものを生かすことにより表現できる。

【００１７】背景についても、スクリーンから背景上の
画素Ｖ_Oまでの距離をＤ_Oとして、上記（数式１）を適用
することにより、背景上の画素を正射影した画素値を算
出することができる。ただし、スクリーンからの視線上
にオブジェクトが存在する場合は、そのオブジェクトだ
けが見えることになる。この場合も、視線上にあるオブ
ジェクト上の画素と、背景上の画素のｚ座標同士を比較
し、スクリーンに近いものを生かすことにより表現でき
る。このようにスクリーンからの視線方向がスクリーン
に対して垂直である場合についての投影については、上
述のように市販のソフトウェアとしても多数販売されて
いるところである。

【００１８】視線方向を変えた場合にも同様に投影が行
なわれる。例えば、視線角度θで正射影を行なう場合、
その視線角度θは、以下の（数式２）により算出され
る。

【００１９】（数式２） θ ＝ θ_max × γ₁

【００２０】上記（数式２）において、θ_maxはステッ
プＳ１において設定された視線移動最大角度を示し、γ
₁は０．０〜１．０の範囲の値になるように発生される
乱数を示す。

【００２１】この視線角度θに基づいて、三次元空間に
存在するオブジェクト、背景を正射影することにより、
この視線角度θに対するスクリーン上の画素が得られ
る。ここで、視線角度θとスクリーンおよびオブジェク
トの関係を図３に示す。図中、横軸は図２に示したｚ軸
であるものとする。図３（ａ）は視線角度が０°、すな
わちスクリーンと視線方向が垂直である状態を示してい
る。図３（ｂ）（ｃ）は、それぞれ視線角度θだけ視線
方向を傾けた状態を示している。図３（ａ）〜（ｃ）に
示すスクリーンおよびオブジェクトは全て同位置に存在
するものであるが、視線角度が異なるため、スクリーン
に投影されるオブジェクトの様子は異なるものになる。
図３（ａ）〜（ｃ）のスクリーンに投影されるオブジェ
クトの様子をそれぞれ図４（ａ）〜（ｃ）に示す。図４
（ａ）では、オブジェクトはスクリーンの中央に投影さ
れているが、図４（ｂ）ではスクリーン下方、図４
（ｃ）ではスクリーン上方にそれぞれ投影されているこ
とがわかる。

【００２２】ステップＳ５における正射影は、ステップ
Ｓ１において設定された視線方向設定数だけ行なわれ
る。すなわち、視線方向設定数分のレンダリング結果が
得られることになる。最終的に得られる投影画像は、こ
れらのレンダリング結果を平均化したものである。ここ
で、ステップＳ５における処理手順の詳細を図５のフロ
ーチャートに基づいて説明する。まず、上述のように
（数式２）を用いて視線角度θを算出する（ステップＳ
１１）。

【００２３】続いて、視線角度θを傾ける方向を決定す
るためのスクリーン平面内における視線ベクトル（Ｖ
ｘ，Ｖｙ）を以下の（数式３）により算出する（ステッ
プＳ１２）。

【００２４】（数式３）Ｖｘ＝ｓｉｎφ Ｖｙ＝ｃｏｓφ ただし、φ＝３６０°×γ₂

【００２５】上記（数式３）においてγ₂は０．０〜
１．０の範囲の値になるように発生される乱数を示す。
このようにして、視線角度θ、および視線ベクトル（Ｖ
ｘ，Ｖｙ）が定まると、正射影を行なうための視線方向
が１方向に特定されるので、特定された視線方向からス
クリーンへの正射影、すなわち、スクリーンへのレンダ
リングを行なう。これは、具体的には上記（数式１）を
用いて行われるが、視線方向θ＝０°以外の場合は、距
離の算出に三次元のそれぞれの座標における位置計算が
必要となるため、演算負荷が大きくなる。そこで、本発
明では、この演算負荷を削減するために、レンダリング
処理を行う前に、距離を１つの座標軸で算出可能なよう
にオブジェクトの位置座標の変換を行う（ステップＳ１
３）。

【００２６】具体的には、各オブジェクトがポリゴンで
構成されているため、このポリゴンの各頂点の座標値を
以下の（数式４）（数式５）により変換する。

【００２７】（数式４）Ｋ＝ｔａｎθ × ａｂｓ（Ｌ−Ｚ）

【００２８】上記（数式４）は移動量Ｋを算出するため
のものであり、Ｌは投影面のｚ座標値、Ｚはオブジェク
トのｚ座標値、ａｂｓは絶対値を取ることを示す。

【００２９】（数式５）Ｍｘ＝Ｖｘ × ＫＭｙ＝Ｖｙ × Ｋ

【００３０】上記（数式５）は（数式４）で算出した移
動量Ｋを用いてｘ座標、ｙ座標の移動量Ｍｘ、Ｍｙをそ
れぞれ算出するものである。この結果、各ポリゴンの頂
点の座標値（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、仮想的な座標値（Ｘ＋Ｍ
ｘ，Ｙ＋Ｍｙ，Ｚ）に変換される。

【００３１】このようなステップＳ１３における座標変
換処理は、各オブジェクトポリゴンの各頂点について行
われる。これにより、仮想的な三次元空間における座標
値が作成されることになる。例えば、図６（ａ）に示す
ような状態でオブジェクトが存在している場合、図６
（ｂ）に示すような状態に変換されることになる。これ
により、オブジェクトポリゴンのある頂点Ａ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）はＡ´（Ｘ＋Ｍｘ，Ｙ＋Ｍｙ，Ｚ）に移動すること
になる。このように変換することにより、ｚ軸方向（図
６では左右方向）の値の差がそのまま投影面との距離と
なる。

【００３２】続いて、この仮想的な座標値に基づいて、
（数式１）を用いることにより、スクリーン上の画素の
画素値Ｖが算出される。このとき、画素値Ｖの算出のた
めの距離Ｄ_O、距離Ｄ_Fは共に仮想的な空間におけるｚ座
標値だけを用いれば良いので演算負荷が大幅に削減さ
れ、高速に処理を行うことが可能となる。この画素値の
集合がその視線方向の場合のレンダリング結果となる
（ステップＳ１４）。

【００３３】スクリーンへのレンダリング結果は、画像
メモリに記録される（ステップＳ１５）。この場合、最
初のレンダリング結果はそのまま画像メモリに書き込ま
れる。２つ目以降のレンダリング結果は、それ以前に画
像メモリに書き込まれていた内容を含めた複数回のレン
ダリング結果に加算されて、それまでの平均値として書
き込まれるようになっている。例えば、2回目のレンダ
リング結果は、既に画像メモリに記録されている１回目
のレンダリング結果と各画素ごとに加算して２で割るこ
とにより平均値を算出し、それを２回目までのレンダリ
ング平均として画像メモリの内容を更新する。３回目の
レンダリング結果は、２回目までのレンダリング平均を
２倍したものと各画素ごとに加算した後、３で割ること
により過去３回目までの平均値を算出し、それを３回目
までのレンダリング平均として画像メモリの内容を更新
する。これを一般化すると、ｎ回目のレンダリング結果
は、（ｎ−１）回目までのレンダリング平均を（ｎ−
１）倍したものと各画素ごとに加算した後、ｎで割るこ
とにより過去ｎ回目までの平均値を算出し、それをｎ回
目までのレンダリング平均として画像メモリの内容を更
新することになる。すなわち、ステップＳ１５の処理が
終了した時点では常に、画像メモリにはそれまでのレン
ダリング結果の平均が記録されていることになる。

【００３４】ステップＳ１５においてレンダリング結果
の平均値が記録されると、ステップＳ１１〜ステップＳ
１５までの処理を行なった回数が、視線角度設定数Ｎに
達したかどうかが判断される（ステップＳ１６）。Ｎ回
実行していれば終了し、Ｎ回実行していなければ、ステ
ップＳ１１に戻って処理を続けることになる。ステップ
Ｓ１５においてＹＥＳと判断されたら、画像メモリに記
録されているそれまでのレンダリング結果が投影画像と
されることになる。

【００３５】図５のフローチャートを用いて説明したよ
うな処理により、ステップＳ５の正射影による投影画像
の作成処理が実行される。これにより所望の投影画像が
得られることになる。

【００３６】次に、上記画像作成方法を実行するための
装置構成について説明する。図６は、本発明による画像
作成装置の構成図である。図６において、パラメータ入
力手段２は、図１のステップＳ１を実行するためのもの
であり、マウスやキーボード等で実現できる。パラメー
タ入力手段２は、オブジェクトポリゴンや背景テクスチ
ャに関する指示を行うことも可能になっている。

【００３７】オブジェクトポリゴン生成手段３は、図１
のステップＳ２を実行するためのものであり、パラメー
タ入力手段２より入力されたパラメータに従って、設定
された三次元空間内にポリゴンを配置する機能を有す
る。背景テクスチャ入力手段４は、ハードディスク等の
記憶手段から背景テクスチャを入力する機能を有する。
この背景テクスチャは画像ファイルとしてファイルのＩ
Ｄを付して記憶手段にあらかじめ記憶しておき、パラメ
ータ入力手段２により指定された背景テクスチャのＩＤ
に一致するものを入力することになる。

【００３８】背景テクスチャ貼り付け手段５は、図１の
ステップＳ３、ステップＳ４を実行するためのものであ
り、まず、設定された位置に背景ポリゴンを発生し、次
に、いわゆるテクスチャマッピングの手法を用いること
により、背景テクスチャの貼り付けを行う機能を有す
る。投影手段６は、図１のステップＳ５を実行するため
のものであり、座標変換手段７によりステップＳ１３の
座標変換処理が施されたオブジェクトを投影することに
より、画像メモリ８にレンダリング結果を書き込みなが
ら投影処理を繰り返し行なう機能を有する。オブジェク
トポリゴン生成手段３、背景テクスチャ入力手段４、背
景テクスチャ貼り付け手段５、投影手段６、座標変換手
段７の各手段は現実にはコンピュータと、コンピュータ
に搭載された専用プログラムにより実現され、画像メモ
リ８はコンピュータ内部に搭載される。

【００３９】出力手段９は、投影手段６による処理の結
果得られる投影画像を出力するためのものであり、表示
するためのディスプレイ、画像データとして出力するた
めのＦＤ、ＭＯ等が適用できる。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
必要なパラメータを入力し、入力されたパラメータに基
づいて三次元空間にオブジェクトポリゴンを生成し、入
力されたパラメータに基づいて視線方向を決定し、この
視線方向に基づいて前記オブジェクトポリゴンの三次元
空間における座標を変換し、座標変換されたオブジェク
トポリゴンを二次元平面に投影して投影画像を作成する
ようにしたので、最も演算量の少ない状態、すなわち視
線方向が投影面に対して垂直な状態で演算を行うことが
可能となる。これにより全体の演算量が削減されると共
に、座標変換された三次元空間におけるデータを、汎用
のレンダリングソフトウェアに渡して、レンダリングを
行うことが可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による画像作成方法を示すフローチャー
トである。

【図２】三次元空間内に設定されるスクリーンと配置さ
れるオブジェクトポリゴンの様子を示す図である。

【図３】正射影を行なう場合の視線角度、スクリーン、
オブジェクトの関係を示す図である。

【図４】図３に示した関係をスクリーン側から見た状態
を示す図である。

【図５】図１のステップＳ５の処理の詳細を示すフロー
チャートである。

【図６】図５のステップＳ１３の座標変換処理を説明す
るための図である。

【図７】本発明による画像作成装置の構成を示す機能ブ
ロック図である。

【図８】透視放射影を行なう場合の画角、スクリーン、
オブジェクトの関係を示す図である。

【符号の説明】

１・・・スクリーン２・・・パラメータ入力手段３・・・オブジェクトポリゴン生成手段４・・・背景テクスチャ入力手段５・・・背景テクスチャ貼り付け手段６・・・投影手段７・・・座標変換手段８・・・画像メモリ９・・・出力手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】必要なパラメータを入力する段階と、入力
されたパラメータに基づいて三次元空間にオブジェクト
ポリゴンを生成する段階と、入力されたパラメータに基
づいて視線方向を決定し、この視線方向に基づいて前記
オブジェクトポリゴンの三次元空間における座標を変換
する段階と、前記座標変換されたオブジェクトポリゴン
を二次元平面に投影して投影画像を作成する段階と、を
有することを特徴とする画像作成方法。
【請求項２】前記座標を変換する段階は、三次元空間に
おけるオブジェクトポリゴンの座標を、前記視線方向を
決定する視線角度および視線ベクトルを用いて、投影面
からの距離方向を１つの座標軸とする三次元空間におけ
る座標に変換するものであることを特徴とする請求項１
に記載の画像作成方法。
【請求項３】前記投影画像を作成する段階は、視線方向
を変化させることにより複数回レンダリングを行ない、
それぞれのレンダリングにより得られるレンダリング結
果の平均を算出することにより、投影画像を作成するも
のであることを特徴とする請求項１に記載の画像作成方
法。
【請求項４】必要なパラメータを入力するパラメータ入
力手段と、入力されたパラメータに基づいて三次元空間
にオブジェクトポリゴンを生成するオブジェクトポリゴ
ン生成手段と、入力されたパラメータに基づいて視線方
向を決定し、この視線方向に基づいて前記オブジェクト
ポリゴンの三次元空間における座標を変換する座標変換
手段と、前記座標変換されたオブジェクトポリゴンを二
次元平面に投影して投影画像を作成する投影手段と、を
有することを特徴とする画像作成装置。
【請求項５】前記座標変換手段は、三次元空間における
オブジェクトポリゴンの座標を、前記視線方向を決定す
る視線角度および視線ベクトルを用いて、投影面からの
距離方向を１つの座標軸とする三次元空間における座標
に変換するものであることを特徴とする請求項４に記載
の画像作成装置。
【請求項６】前記投影手段は、レンダリング結果を書き
込むための画像メモリを備え、視線方向を変化させるこ
とにより複数回レンダリングを行ない、それぞれのレン
ダリングにより得られるレンダリング結果を、それまで
のメモリへの書込み回数により平均値を取りながら前期
画像メモリに上書きしていくことにより投影画像を作成
するものであることを特徴とする請求項４に記載の画像
作成装置。