JP2003510703A - ３ｄグラフィックシステムのための深さをベースとするブレンディング - Google Patents

３ｄグラフィックシステムのための深さをベースとするブレンディング

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Abstract

(57)【要約】 三次元コンピュータグラフィックイメージは、先ずイメージ内へ挿入されるオブジェクトを定義するデータを供給することによってシェードされる。このデータは、オブジェクトに関する深さデータを含む。深さ記憶装置（４）は、イメージ内へ既に挿入済みのオブジェクトのためのデータを含み、データ比較ユニット（６）は、挿入されるオブジェクトの深さと特定の画素のための現在格納されている深さデータとを比較する。この結果は、複数の深さ動作の何れを深さ記憶装置（４）に適用するために使用するかを決定するために使用される。選択された深さ動作に依存してオブジェクトとイメージとを組合わせるために、ブレンディング値が各画素毎に選択される。組合わせユニットは、選択されたブレンディング値に依存する割合でオブジェクトとイメージとを組合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、三次元コンピュータ生成グラフィックイメージをシェーディング及
びテクスチャリングするための方法及び装置に関し、詳述すれば、深さをベース
とするブレンディングの使用を通していわゆる“ボリューメトリック”効果を生
成する方法及び装置に関する。例えば雲の場合、雲又はその中に部分的に又は完
全に含まれているオブジェクトが見える程度は、目からの光線放射がその雲を出
る前に、または別のオブジェクトと“衝突”する前に通過しなければならない雲
がどれ程多いかに依存する。
【０００２】 ボリュームのソフトウェアブレンディングは、そのボリュームの前頂点とその
後面、またはそれらの間に位置するオブジェクトとの間の距離から導出すること
ができる。これは、前向きの各頂点を通して光線を放射し、そのボリュームの後
面、またはその中に含まれているオブジェクトの何れかに衝突するまでにそれが
走行する距離を決定することによって達成される。この距離は、それを通して光
線を放射した頂点のためのアルファ値として使用することができる。これらの頂
点毎のブレンド係数は、そのボリュームの表面全体にわたって補間することがで
きる。しかしながら、ブレンド係数を頂点毎に計算する際に、それらの間に発生
する何等かの不規則性が考慮されない。従って、あるシーンを正確に描写するた
めには、ボリュームオブジェクトは多数の頂点、または極端な場合には、そのボ
リュームによってカバーされるスクリーン画素ごとに頂点を含まなければならな
い。頂点が多数であることは、光線を多数の他のオブジェクトを通して放射し、
これら多数の他のオブジェクトに対してテストしなければならないという事実と
相俟って、この技術を極めて非効率なものにしている。
【０００３】 殆どの３Ｄグラフィックシステムは、公知のＺ、即ち深さバッファリング技術
を使用することによって動作する。シーン内に描写されるオブジェクトは、それ
らに関係付けられた深さ値を有しており、これらは、そのオブジェクトが交差す
る各画素毎に深さ値を導出するために使用することができる。これらは、各画素
毎に、深さバッファ内の現在の深さ値と比較される。もし現在格納されている深
さより前に位置するオブジェクトが見出されれば、新しい値を深さバッファ内に
重ね書きすることができる。
【０００４】 多くの３Ｄグラフィックシステムは、公知のステンシルバッファリング技術を
更に使用している。この技術は、典型的には画素当たり１乃至８ビットを含む第
２の並列バッファを使用する。あるオブジェクトをあるシーン内に書く場合に、
上述した深さバッファの比較の他に、各画素毎にステンシルバッファが現在のス
テンシルバッファ値との比較がなされ、新しいステンシルバッファ値が書かれる
。この比較は、ステンシルバッファ上で遂行される１組のステンシル動作の１つ
を選択するために使用される。これらは、以下のように指定されている。 ＳＯＰ１＝ステンシルテストに不合格、 ＳＯＰ２＝ステンシルテストに合格、深さテストに不合格、 ＳＯＰ３＝ステンシル及び深さの両テストに合格。
【０００５】 したがって、もしステンシルテストに合格し、深さテストに不合格であれば、
ステンシルバッファには動作ＳＯＰ２が割当てられる。ＳＯＰ１、ＳＯＰ２、及
びＳＯＰ３に割当てられる動作の例は以下の通りである。 Keep＝ステンシル値を保持、 zero＝ステンシル値を０に置換、 Replace＝ステンシル値を参照値に置換、 INCRSAT＝ステンシルを、最大値におけるクランピングを用いてインクリメン
ト、 DECRSAT＝ステンシルを、最小値におけるクランピングを用いてデクレメント
、 Invert＝ステンシル値を反転、 TNCR＝ステンシル値をインクリメント、 DECR＝ステンシル値をデクレメント。
【０００６】 従って、供給されたオブジェクトリスト内の各オブジェクトは、ＳＯＰ１、Ｓ
ＯＰ２、及びＳＯＰ３に割当てられた機能の特定のセットを有している。オブジ
ェクトステンシル値及びステンシルバッファ内の値は、ステンシル及び深さテス
トに依存して選択された動作を使用して組合わされる。その結果は、ステンシル
バッファ内へ書き戻される。深さは、ステンシル及び深さの両バッファテストに
合格した場合に限って、その後に更新される。
【０００７】 本発明の好ましい実施の形態は、例えば雲の形成といったようなボリューメト
リック効果を効率的に実現することができる方法及び装置を提供する。これを行
うために、深さ値を算術的に処理することを可能にする１組の深さバッファ動作
を提供する。これらの動作により、ボリュームの前及び後の間の距離を表すこと
ができる深さまたはブレンディング値を形成することができる。導出後、これら
の値は、テクスチャブレンディングユニットへ引き渡すことができ、該ユニット
内においてこれらの値は、反復カラー、テクスチャ、またはテクスチャブレンデ
ィングに適用可能な他の何等かの源のような他の成分とブレンドするために使用
することができる。テクスチャブレンディングユニットからの結果は、フレーム
バッファの現在の内容とアルファブレンディングされうる。
【０００８】 本発明は、特許請求の範囲により精密に定義されているので参照されたい。
【０００９】 以下に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１０】 図１は、深さをベースとするブレンディングをどのようにして実現できるかの
例を示している。ステンシルテストの結果をこの回路へ供給するステンシルバッ
ファは図示してない。しかしながら、これは、当分野においては公知の標準ステ
ンシルバッファ回路であり、ステンシルテストユニットからの特別出力を、図１
の深さ動作選択ユニット２０へ供給する。この回路は、深さバッファに適用され
る動作が深さ及びステンシル比較の合否に基づく簡単な保持または置換動作に制
限されるような現在のハードウェアが当面している問題を解消する。本発明のこ
の実施の形態は、深さバッファ上で遂行することができる異なる動作の数を増加
させ、それによって適用可能な効果の数を増加させることを意図している。
【００１１】 これは、３つの動作ＤＯＰ１、ＤＯＰ２、及びＤＯＰ３の１つを選択するため
のユニット６における深さ比較、及びユニット８におけるステンシル比較の結果
を表す深さ動作選択ユニット２０を使用することによって達成される。これらは
各々、各オブジェクト毎にそれらに割当てられている典型的には８つの異なる動
作の１つを有することができる。リストは、８よりも長くなり得る。
【００１２】 動作は、以下のように選択される。 ＤＯＰ１＝ステンシルテストに不合格、 ＤＯＰ２＝ステンシルテストに合格、深さテストに不合格、 ＤＯＰ３＝ステンシル及び深さの両テストに合格。
【００１３】 これらは各々、以下の深さバッファ動作の１つにそれが割当てられている。 Keep＝現在の深さ、 zero＝深さバッファを０にセット、 Max＝深さバッファをその最大値にセット、 Replace＝深さバッファ値をオブジェクト深さに置換、 Add＝オブジェクト深さを深さバッファ値に加算、 Subtract＝深さバッファ値をオブジェクト深さから減算、 Reverse subtract＝オブジェクト深さを深さバッファ値から減算、 全ての算術動作が、１及び０において飽和することに注目されたい。
【００１４】 このシステムを使用すると深さバッファに対する算術動作が許容されるので、
深さ面内のオブジェクト間の距離を反映する画素特定値を構築することが可能に
なる。これらの値は、変更の後に、ブレンドのためのアルファ値として使用する
ことができる。
【００１５】 図１において、深さ比較ユニット６は、オブジェクトリストからのオブジェク
ト深さと、特定の画素のための深さバッファ４内に格納されている現在の深さと
を比較し、結果を深さ動作選択ユニット２０へ出力する。このユニットは、ステ
ンシル比較ユニット（図示してない）の結果をも受けている。２つの入力値に応
答して、動作ＤＯＰ１、ＤＯＰ２、及びＤＯＰ３の１つが選択される。
【００１６】 選択された動作は、深さ動作適用ユニット２２に適用される。このユニットは
深さ比較ユニット６と同一の入力を受けている。従って、このユニットは、選択
された動作を使用してオブジェクト深さと深さバッファ値とを組合わせることが
できる。この出力は、深さバッファ内へ書き込むことができる。もし必要ならば
、この目的のために深さバッファへの書込可能化ライン（図示してない）を設け
る。
【００１７】 深さバッファから供給される値の範囲は、０から１までの範囲であると定義さ
れている。しかしながら、深さをベースとするブレンディング効果は、これも０
から１までであるアルファブレンド値の全範囲、またはその範囲のある一部に対
応する深さ値の範囲を必要とし、これは全深さバッファ範囲をカバーすることは
できない。例えば、要求されるブレンディングの影響がアルファ値の全範囲を必
要とするにも拘わらず、雲は深さ値の小さい範囲を占めるに過ぎない。この問題
を解消するために、使用される深さ値は、（ａ）そのベース値が０にあるように
オフセットさせ、（ｂ）その最大値が１か、または所要の最大値にあるようにス
ケーリングしなければならない。この動作は、 DepthAlpha＝（深さ＋オフセット）×スケール からなる。
【００１８】 オフセットの加算は符号付きであるべきであり、また０及び１において飽和す
べきである。スケールは、無符号であるべきであり、１において飽和すべきであ
る。
【００１９】 これらの動作は、図１のオフセットユニット２４及びスケールユニット２６に
おいて遂行される。深さ及びスケール値は、公知の手法で、オブジェクトリスト
に関係付けられているパラメータによって制御される。
【００２０】 テクスチャブレンドのためのアルファ値は、導出された後に、テクスチャブレ
ンドユニット２８においてカラーまたはテクスチャと組合わされる。これによっ
て、深さ値をテクスチャブレンディング動作の全範囲まで変更することが可能に
なる。例えば、深さアルファ値を、ボリュームの“密度”を表すテクスチャに対
して変調し、深さ及び適用されるテクスチャの両者に関して画素毎に変化し得る
アルファ値を求めることができる。アルファブレンドユニット３０はこの結果を
使用し、新しいオブジェクトとフレームバッファ３２の現在の内容とを適切に組
合わせる。
【００２１】 本システムは、３つの深さバッファ動作（ＤＯＰ１、ＤＯＰ２、ＤＯＰ３）の
使用に制限されるものではない。選択ビットを生成するためにステンシル及び深
さの両テスト比較を使用すると、合計４つの動作を使用することができる。代替
として、もし深さバッファからの単一のビットだけを使用すれば、２つの動作の
選択を行うことができる。
【００２２】 表示されるあるシーン内に雲を描写するための本発明の使用例を以下に説明す
る。深さ依存アルファが適用されるこの型のオブジェクトは、全ての他のオブジ
ェクトの後にシーン内に描写される。
【００２３】 雲は、３Ｄグラフィックスシステムによって公知の手法で前及び後向きの半分
に分割される多角形の凸メッシュから形成される。図１の深さ選択ユニット２０
に、以下の３つの択一機能を割当てることによって、メッシュの後面が先ず描写
される。 ＤＯＰ１＝深さバッファの値を保持、 ＤＯＰ２＝深さバッファの値を保持、 ＤＯＰ３＝深さバッファ内の値を置換。
【００２４】 これにより、公知の深さバッファ挙動がもたらされる。即ち、もし雲多角形が
現在の深さの前に位置していれば、深さバッファが更新される。これらの多角形
の可視性は、その後にフレームバッファ内に描写される雲の前半分に依存するの
で、これらの多角形がフレームバッファを更新することは要求されない。これを
達成するために、ブレンディングが行われないように、ヌルアルファブレンドモ
ードがセットアップされる。ブレンディングが遂行されないので、スケール及び
オフセット値をセットする必要はない。
【００２５】 この後に、雲の前向きの多角形が、深さ動作選択ユニット２０への入力として
以下の深さ動作のセットアップを用いて描写される。 ＤＯＰ１＝０深さバッファの値、 ＤＯＰ２＝０深さバッファの値、 ＤＯＰ３＝深さバッファ値を現在の深さから減算。
【００２６】 これにより、深さバッファから０値がもたらされるか、または前向きの多角形
と、後向きの多角形か、またはそれらの間に位置する何等かのオブジェクトとの
間の距離が減算動作によって生成される。生成された値は、最大値を有する画素
が所要の最大アルファ値をもたらすようにスケーリングすることができる。前及
び後向きの多角形間に距離を有していない何等かの画素は０値をもたらすので、
オフセットを適用する、即ち０にセットする必要はない。
【００２７】 スケーリングユニット２４及びオフセットユニット２６の結果は、テクスチャ
ブレンドユニット２８に印加される。これは、雲の前向きの多角形上にマップさ
れるテクスチャのアルファが、深さアルファ値に乗算されるようにセットアップ
することができる。テクスチャは、アプリケーションが要求する何等かのイメー
ジを含むことができる。この特定例においては、カラーチャンネルは雲表面の細
部を表し、アルファチャンネルは雲密度を表す。その結果、雲の前と後との間の
距離に比例するだけではなく、雲テクスチャのアルファチャンネルに比例するア
ルファ値が生成される。
【００２８】 これで、テクスチャブレンディングユニットからの結果をアルファブレンディ
ングユニットに引き渡すことができ、該ユニットにおいて公知の手法でフレーム
バッファの現在の内容とのアルファブレンドが遂行される。要求されるブレンド
機能は、フレームバッファ値と“変調された”テキストのそれらとの間の線形ブ
レンドであろう。その結果、フレームバッファイメージは、雲の厚み及び密度に
比例する手法で、雲テクスチャによって曖昧にされる。例えば、雲が薄いか、ま
たは低密度である場合には、フレームバッファのオリジナルの内容が支配的にな
り、雲が厚いか、または高密度である場合には、雲が支配的になる。従って、雲
の前表面と、その後面、または表面または中間オブジェクトとの間の減算の結果
が選択されるアルファ値を制御する。
【００２９】 さらなる実施の形態においては、フレームバッファからのオリジナルの深さ値
を保持することを可能にするために、二次深さバッファを使用することができる
。これは、複数の交差ボリュームを描写するような状況においては有用であり得
る。
【００３０】 ＤＯＰ１及びＤＯＰ２が同一の動作を選択することは理解されよう。従って、
この選択が、深さテストの合否を基礎として行われることは明白である。従って
、簡易化された実施の形態では、選択入力としてのステンシルテストを省いてい
る。
【００３１】 さらなる実施の形態は、ボリュームをモノリシックオブジェクトとして処理で
きるようにしている。ボリュームは“全体”として提示されるので、ボリューム
への画素入力／ボリュームからの画素出力毎の倍数を処理することができ、同様
に凹ボリュームを処理することができる。また、オブジェクトはボリュームとし
て表されるので、深さバッファへの破壊的書込は要求されない。
【００３２】 この改良は、どのような標準グラフィックスシステムにおいても実現すること
ができ、また３Ｄグラフィックスを書き込むためのマイクロソフトダイレクト３
Ｄイメディエットモードシステム内に含まれることが望ましく、従って本発明を
実現するために標準コンピュータを構成するようにソフトウェアを書くことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のブロック図である。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 三次元コンピュータグラフィックイメージをシェーディング
    する装置であって、 （ａ）上記イメージ内へ挿入されるオブジェクトを定義するデータを供給する
    手段を備え、上記データは上記オブジェクトに関する深さデータを含み、 （ｂ）上記イメージ内へ既に挿入済みのオブジェクトのための深さデータを格
    納する手段と、 （ｃ）上記イメージ内に挿入されるオブジェクトによってカバーされる各画素
    において、上記挿入されるオブジェクトの深さと、上記画素のために現在格納さ
    れている深さデータとを比較する手段と、 （ｄ）上記比較の結果に依存して、上記深さデータを格納する手段に適用され
    る深さ動作を選択する手段と、 （ｅ）上記選択された深さ動作に依存して、上記オブジェクトと上記イメージ
    とを組合わせるためのブレンディング値を各画素毎に選択する手段と、 （ｆ）上記選択されたブレンディング値に依存する割合で、上記オブジェクト
    と上記イメージとを組合わせる手段と、 （ｇ）上記選択された深さ動作の結果を、アルファブレンディング動作に使用
    するのに適するように変更する手段と、 を更に備えていることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 上記シェードされるオブジェクトは可変半透明性であり、上
    記選択されるブレンディング値はある画素における上記オブジェクトの上記半透
    明性に依存することを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 上記半透明オブジェクトは先ず前及び後向きの部分に分割さ
    れ、最初に上記後向きの部分が上記深さ比較手段へ供給され、上記深さ動作選択
    手段は、もし上記後向きの表面が上記現在格納されている表面よりも目に近けれ
    ば上記深さ格納手段を更新し、次いで上記前向きの表面が上記深さ格納手段へ供
    給され、上記深さ動作選択手段は、上記新しい深さから上記現在格納されている
    深さを減算した結果を用いて上記深さ記憶装置を更新し、上記ブレンディング値
    はこの値に依存することを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 上記選択されたブレンディング値は、上記減算の結果に比例
    することを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 上記深さ動作選択手段に適用されるオブジェクトは、アルフ
    ァブレンディングのために使用するためのアルファ値を爾後に生成することを特
    徴とする請求項２に記載の装置。
  6. 【請求項６】 上記深さ動作選択手段に適用されるオブジェクトは、上記深
    さ比較手段のさらなる使用中に使用するための深さバッファ値を構築するために
    使用されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 三次元コンピュータグラフィックイメージをシェーディング
    する装置であって、上記イメージは少なくとも部分的に半透明であるオブジェク
    トを含み、上記装置は、 （ａ）上記イメージ内へ挿入されるオブジェクトを定義するデータを供給する
    手段と、 （ｂ）上記イメージ内のオブジェクトのための深さデータを格納する手段と、 （ｃ）上記オブジェクトによってカバーされる各画素において、上記挿入され
    るオブジェクトの深さと、上記画素のために現在格納されている深さデータとを
    比較する手段と、 （ｄ）上記比較の結果と、上記画素における上記オブジェクトの半透明性とに
    依存して、上記オブジェクトと上記イメージとを組合わせるためのブレンディン
    グ値を選択する手段と、 （ｅ）上記選択されたブレンディング値に依存して、上記オブジェクトと上記
    イメージとを組合わせる手段と、 を備えていることを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 三次元コンピュータグラフィックイメージにおいてシェーデ
    ィングする方法であって、上記イメージは少なくとも部分的に半透明であるオブ
    ジェクトを含み、上記方法は、 （ａ）上記イメージ内へ挿入されるオブジェクトを定義するデータを供給する
    ステップと、 （ｂ）上記イメージ内のオブジェクトのための深さデータを格納するステップ
    と、 （ｃ）上記オブジェクトによってカバーされる各画素において、上記挿入され
    るオブジェクトの深さと、上記画素のために現在格納されている深さデータとを
    比較するステップと、 （ｄ）上記比較の結果と、上記画素における上記オブジェクトの半透明性とに
    依存して、上記オブジェクトと上記イメージとを組合わせるためのブレンディン
    グ値を選択するステップと、 （ｅ）上記選択されたブレンディング値に依存して、上記オブジェクトと上記
    イメージとを組合わせるステップと、 を含むことを特徴とする方法。
JP2001525655A 1999-09-17 2000-09-18 ３ｄグラフィックシステムのための深さをベースとするブレンディング Expired - Lifetime JP4100909B2 (ja)

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