JP2006004088A - 描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハードウェアのコストを削減しつつ高画質の描画を行えるようにする。
【解決手段】 の描画装置は、アプリケーション部１と、ジオメトリ部２と、ラスタライザ３と、ビデオメモリ４と、表示装置５とを備え、ラスタライザ３は、フラグメント計算準備部１１と、フラグメント計算部１２と、フラグメント操作部１３とを有する。１ピクセル内に含まれるポリゴンの数に応じてフラグメントを設け、フラグメントIDとフラグメント情報を登録したテーブルを生成し、発生頻度の低いフラグメントIDを圧縮するとともに、発生頻度の高いフラグメントIDの符号長を短くするため、データ量を削減しつつ、画像の乱れの少ない高画質の描画を行うことができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ポリゴンを描画する描画装置に関する。

表示装置は、ピクセルを単位として種々の画像を表示する。ピクセルは一般に矩形状であるため、輪郭が斜めや曲線の画像を表示させると、ジャギーと呼ばれるギザギザのパターンが視認される。

また、ピクセルの周期とわずかに異なる周期を持つ規則的なパターンを描画すると、パターンの周波数に対してカラー情報が足りないことからモワレと呼ばれる模様の乱れが視認され、意図した周期性を持つパターンを表示できない。これらの現象は一般的にエイリアシングと呼ばれている。

これらの問題に対処するために、アンチエイリアスという技術が知られている。この技術は、輪郭部分とその周囲のピクセルの色を徐々に変化させることによって、人間の視覚上滑らかな輪郭に見せる手法である。このアンチエイリアスを実現する代表的な方法として、オーバーサンプリングという手法がある（特許文献１参照）。

オーバーサンプリングとは、１つのピクセルを複数のサブピクセルに分解し、各サブピクセルごとに色情報（カラー値）を計算し、全サブピクセルのカラー値の平均値を取るなどしてピクセルの色を決定する手法である。この手法によって計算されたピクセルのカラー値は、隣り合うピクセルが別のオブジェクトに属していたとしても、画面上の色が比較的連続的に変化していくように決定されるため、前述のジャギーやモワレといった画像の乱れが人間の目に対して目立たない画像を描画することができる。

このアンチエイリアスを用いて3次元グラフィックの描画を行う場合に生じる、問題について説明する。

アンチエイリアスを用いた場合、ポリゴンと背景の境界線の色はサブサンプリング点の色の割合によって決められた中間色となる。新たに加えたポリゴンに対してもアンチエイリアスを用いた場合、3次元グラフィックスでは描画した絵の上に次々に描画していくため、本来2つのポリゴンの色同士を混ぜ合わせた色で境界線のピクセルを描画したいはずが、2つのポリゴンの色と、本来見えないはずの背景色を混ぜ合わせた色になってしまう。これにより、背景の前にある物体を描画し、さらに全面に新たな物体を描画する、といった場合においても背景色が出現してしまう。

この問題に対処すべき1つの手法は、フレームバッファとしてサブサンプリング点をとって計算したカラー値を全てメモリに保存するという手法である。そうすれば図面2-2で加えた2つ目のポリゴンのサブピクセルカラーを計算し終わったあとに、最初に描いた1つ目のポリゴンのサブピクセルカラーと2番目ポリゴンのサブピクセルの色とのブレンド処理を行うことが可能となり、背景色が画像に出現してしまう問題は回避できる。しかし、1ピクセルに対し4ピクセルのサブピクセルを確保して画像上の全てのピクセルに対してオーバーサンプリングを行った場合、サブサンプリング点のカラー値をすべてメモリ上に格納するには、本来の画像を格納するのに必要な容量に比べて4倍の容量が必要となり、ハードウェアのコストが高くなる。

またもうひとつの問題として、サブピクセルに対する処理を行うと、データ量が増大するため、並列処理を行う必要があるが、並列処理を行うと、データのバンド幅が増えて、配線数や回路規模が増大してしまうことも挙げられる。
特開2003-173453号公報

本発明の目的は、ハードウェアのコストと演算量を削減しつつ高画質の描画を行うことができる描画装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様によれば、対応するポリゴンの色情報に関するフラグメントを生成するフラグメント生成手段と、生成されたフラグメントを格納するフラグメント格納手段と、前記フラグメント格納手段に格納されたフラグメントを圧縮するフラグメント圧縮手段と、前記フラグメント圧縮手段で圧縮されたフラグメントを格納する描画データ格納手段と、を備える。

本発明によれば、フラグメントを圧縮して格納し、ハードウェアのコストと演算量を削減しつつ高画質の描画を行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る描画装置の概略構成を示すブロック図である。図１の描画装置は、三次元の幾何学情報を生成するアプリケーション部１と、三次元の幾何学的情報をスクリーン座標系のデータに変換するジオメトリ部２と、スクリーン座標系のデータに基づいてフラグメントを生成するラスタライザ３と、生成されたフラグメントを格納するビデオメモリ４と、ビデオメモリ４に格納されたフラグメントに基づいて描画を行う表示装置５とを備えている。

例えば、図２のようなグラフィック画像を生成するとする。アプリケーーション部1は物体をポリゴンで形成しする。ジオメトリ部２は、そのポリゴンの頂点のスクリーン座標や色データをラスタライズ部に送る。ラスタライズ部ではピクセル単位、もしくはより細かいサブピクセル単位でポリゴンの色情報を計算する。図２の右側には、４ピクセル分を拡大表示している。図示のように、１つのピクセルは４つのサブピクセルで構成されている。

本実施形態では、各ポリゴンにおける1ピクセル内の色情報を一回だけ計算する。サブピクセル単位で計算する場合はサブピクセルの中の1つの座標を用いて計算する。その場合、１ピクセルの中に複数のポリゴンが含まれたとしても、各ポリゴンについてはそのピクセル内に１つの色情報のみをもつこととなる。そのカラー値を１つのフラグメントとして表す。１つのピクセル内にk個（kは２以上の整数）のポリゴンが存在する場合には、これらポリゴンに対応してｎ個のフラグメントが存在し、各フラグメントは、対応するポリゴンのカラー値、および透過率を表すα値を持つ。

このように、１つのピクセル内に含まれるポリゴンの数により、そのピクセル内に含まれるフラグメントの数が変化するため、フラグメントを格納するビデオメモリ４のデータ容量を縮小することができる。例えば、１つのピクセル内に含まれるポリゴンの数が４個の場合のデータ容量を基準とすると、ポリゴンの数が２個の場合のデータ容量は１／２、ポリゴンの数が１個の場合のデータ容量は１／４である。

ラスタライザ３は、グラフィック画像を例えば８×８ピクセルの単位で切り出して、内部のバッファに格納する。図３は８×８ピクセルの一例を示している。ラスタライザ３は、８×８ピクセルを１バッファとしてフラグメント情報を生成する。図３において、太線で囲まれる各四角形がピクセルを表している。

図４は８×８ピクセルの中に３つのポリゴン１〜３が含まれている例を示す図である。後述するように、１つのピクセル内に複数のポリゴンが含まれている場合には、各ポリゴンの色をブレンドするブレンド処理を行う。

図５（ａ）はラスタライザ３が生成するフラグメントの情報を記録したテーブルの一例を示す図である。このテーブルは、８つのヘッダ部header 0〜header 7と、フラグメント本体部fragment 0〜fragment n-8とを有する。ｎの値は固定値を設定して定義される
ヘッダ部は、８×８ピクセルの行ごとに８つ設けられる。各ヘッダ部には、図５（ｂ）に示すように、１行分の８ピクセルについてのフラグメントIDが格納される。各フラグメントIDは、各ピクセルに対応して設けられ、それぞれ４ビットとする。フラグメントIDにより、ピクセルを構成する４つのサブピクセルの色の組み合わせを把握することができる。以下では、ピクセル内の４つのサブピクセルを、図５（ｃ）に示すように、サブピクセル０〜３で表す。

図５（ｄ）はフラグメントIDの詳細情報を示す図である。フラグメントID＝0000は、ピクセル内に１つのポリゴンだけが存在し、ピクセルは１色のみの場合を示している。フラグメントID＝0001は、サブピクセル０，１が同じ色で、サブピクセル２，３が同じ色であり、ピクセルが２色で構成される場合を示している。また、フラグメントID＝1000は、サブピクセル０，１が同じ色で、サブピクセル２は他の色で、サブピクセル３はさらに他の色であり、ピクセルが３色で構成される場合を示している。また、フラグメントID＝1110は、すべてのサブピクセルが互いに異なる色で、ピクセルが４色で構成される場合を示している。

このように、フラグメントIDにより、１ピクセル内に含まれる色の数とサブピクセル間の色の組み合わせを把握することができる。

図５（ａ）のテーブル内のフラグメント本体部には、各フラグメントのカラー値（以下、フラグメント情報と呼ぶこともある）が格納される。例えば、１ピクセル内に１ポリゴンだけが存在する場合には、フラグメント本体部には、このポリゴンに対応する１つのフラグメントのカラー値のみがあるエントリー番号の部分に格納される。また、１ピクセル内に複数ポリゴンが存在する場合には、フラグメント本体部には、これら複数ポリゴンに対応するフラグメントのカラー値が次のエントリー番号へ順次格納される。

図５（ａ）のテーブルはあらかじめエントリ数nを固定しており、テーブルに空きが生じる場合はその領域を確保しておく。例えば複数テーブルで構成された描画データをメモリに保存する際には、テーブルの空き領域の次のアドレスから次のテーブルのデータを保存することとする。こうすることで、メモリに格納されたテーブルのデータを読み出して、フラグメント生成された新しいポリゴンのフラグメントをテーブルに追加し、再度メモリに書き込む場合にも、最大エントリー数nを超えない範囲ではメモリ上の他のテーブルに対して問題なく操作を行うことができる。

フラグメント本体部にはどのピクセルに属するかを示す情報は含まれないが、フラグメントIDにより、１ピクセルに含まれるフラグメントの数を把握でき、またフラグメント本体部により、各フラグメントのカラー値も把握できる。このように、フラグメント本体部により、１ピクセル内のすべてのカラー値を把握することができる。 図６はラスタライザ３の内部構成の一例を示すブロック図である。図６のラスタライザ３は、フラグメント計算準備部１１と、フラグメント計算部１２と、フラグメント操作部１３とを有する。フラグメント計算準備部１１は、ジオメトリ部２からのデータを受信し、フラグメント計算に必要なパラメタの生成を行う。。フラグメント計算部１２はフラグメントの計算（各ピクセルにおける色情報の計算）を行う。フラグメント操作部１３は、図５（ａ）のテーブルを生成して格納するフラグメントバッファ１４と、必要に応じてフラグメントの圧縮を行うフラグメント圧縮部１５とを有する。

以下、フラグメント圧縮部１５の処理動作について説明する。図５（ａ）のテーブルは、すべてのフラグメントIDを４ビットで表し、フラグメントのカラー値も互いに等しいビット数で表している。一方、ポリゴンの大きさはさまざまであり、ポリゴンが大きいほどピクセル内のフラグメントの個数が１個であるピクセルが増える。１ピクセル内のフラグメントの個数についての発生確率が予測できる場合には、発生確率の高いフラグメントIDの符号長を短くすることで、全体のデータ量を削減できる。

ここで、１ピクセル内のフラグメントが１個の場合のフラグメントIDを０（１ビット）とし、それ以外のフラグメントIDについては、最上位ビットを１にした４ビットで表すことにする。この場合、フラグメントIDの総数は、１＋２³＝９個となり、すべての組み合わせを表現できなくなる。

そこで、発生確率の低いIDを圧縮する。具体的には、図７に示すように、１ピクセル内に３つのフラグメントを含む場合を４つのフラグメントを含む場合に統合して、双方とも４つのフラグメントを含むものとして扱う。これにより、フラグメント数が２個の場合と４個の場合で合わせて８通りとなり、３ビットで表現できるようになる。

以上の圧縮処理により、フラグメントIDを９つに制限でき、メモリ容量を削減できる。

このようにして圧縮されたフラグメント情報に基づいて描画を行う場合、まずヘッダ部を先頭から順に読み出して、０が連続している限りはフラグメントID＝０と判断する。最初に１が現れた時点から４ビット分をデコードする。そこから再び１が立つまでは、フラグメントID＝０と判断する。このような手順で読み出すことにより、圧縮されたフラグメント情報の解凍処理を高速化できる。

上記のような圧縮処理を行った場合、１ピクセル内に１つのポリゴンしか存在しない場合は、フラグメントIDを1/4に圧縮できる。この圧縮処理は、フラグメントIDのエンコード（圧縮）とデコード（解凍）を行う際に情報の欠落が起きない可逆的圧縮である。

このように、第１の実施形態では、１ピクセル内に含まれるポリゴンの数に応じてフラグメントを設け、フラグメントIDとフラグメント情報を登録したテーブルを生成し、フラグメントIDの種類を削減するとともに、発生頻度の高いフラグメントIDの符号長を圧縮して短くするため、データ量を削減しつつ、画像の乱れの少ない高画質の描画を行うことができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、１ピクセル内に１つのポリゴンだけを含む場合のフラグメントIDを１ビットで表現するため、１ピクセル内に１つのポリゴンだけを含むことが多い場合には圧縮効率が高いが、１ピクセル内に含まれるポリゴンの数が多い場合には、圧縮効率が上がらない。

そこで、本実施形態は、フラグメント本体部に格納されるフラグメント情報のビット数を削減することにより、１ピクセル内に含まれるポリゴンの数が多い場合にも効果的な圧縮を行う。

フラグメント情報は、カラー値の他に、透過率を表すα値を持っている。フラグメント情報を圧縮する手法として、２通りの手法が考えられる。

まず、第１の手法は、α値を考慮に入れない描画を行う場合には、α値をフラグメントバッファ１４から破棄する。具体的には、フラグメント操作部１３は、α値を考慮に入れるか否かを示す情報をフラグメント計算部１２から受け取り、α値を考慮に入れない場合には、α値を削除したフラグメント情報を生成する。これにより、カラー値ＲＧＢとα値がいずれも８ビットで表される場合には、データ量を(8+8+8)／(8+8+8+8)＝3/4に圧縮できる。

第２の手法は、１ピクセル内のサブピクセルを均等に扱うのではなく、ピクセル中心とサブピクセルに分ける。そして、ピクセル中心のビット数（例えば８ビット）をサブピクセルのビット数（例えば４ビット）よりも多くする。これにより、１ピクセル内のサブピクセルの総ビット数を削減できる。

１ピクセル内のポリゴンの色を決定する重要な部分（サブピクセル）をピクセル中心とするのが望ましいが、一方、処理を簡略化するために１ピクセル内の決まった位置（例えば、左上隅のサブピクセル）をピクセル中心としてもよい。

例えば、ピクセル中心のカラー値ＲＧＢとα値をいずれも８ビットで表し、サブピクセルのカラー値とα値を４ビットで表したとすると、1/2に圧縮できる。

上述した第１の手法と第２の手法を併用してもよい。例えば、ピクセル中心とサブピクセルの双方でα値を省略し、ピクセル中心についてはカラー値RGBを８ビットで表し、サブピクセルのカラー値RGBを例えば５ビットで表してもよい。この場合、１ピクセルに２つのフラグメント（１つはピクセル中心で、もう一つはサブピクセル）が存在する場合、（24ビット＋15ビット）／64ビット＝0.61倍となる。

このように、第２の実施形態では、フラグメント情報自体を圧縮するため、１ピクセル内に何個のフラグメントがあっても、圧縮効率を向上できる。その結果、１テーブルの単位の中に複数ポリゴンが存在する場合に、n-8個よりもっと多くのフラグメントのカラー値を格納することができる。また、ピクセル中心とサブピクセルに分けて、重要でない部分についてのみ圧縮を行うようにすれば、画質にほとんど影響を与えずに圧縮することができる。ただし、第２の実施形態の圧縮処理は、非可逆処理であるため、元のデータを正確に復元することはできない。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、フラグメント圧縮部１５の処理動作が第２の実施形態と異なっている。第３の実施形態によるフラグメント圧縮部１５は、第２の実施形態と同様に、α値を考慮に入れずに描画を行う場合には、α値を省略したフラグメント情報を生成する。また、第２の実施形態と異なり、フラグメントIDが０でない場合には、ピクセル中心やサブピクセルの区別を行わずに、各フラグメント情報のビット長を均等に圧縮する。これにより、第２の実施形態よりも圧縮率を向上でき、メモリ容量をより削減できる。

フラグメントIDが０でないピクセルは、画像の色が変化する部分であるため、圧縮により画像の乱れが生じたとしても、ポリゴンの中心部分のピクセルに比べれば、画像の変化は目立たない。

圧縮前のフラグメント情報として、カラー値RGBとα値がそれぞれ８ビットで構成されているとし、本実施形態の圧縮処理により、α値を省略して、かつカラー値RGBを５ビットにしたとする。この場合、１ピクセルが２つのフラグメントからなる場合は、（15ビット×２）／（32ビット×２）＝0.47倍になる。また、１ピクセルが４つのフラグメントからなる場合は、（15ビット×４）／（32ビット×４）＝0.47倍になる。

このように、第３の実施形態は、ピクセル中心とサブピクセルの区別を行わずに、１ピクセル内の全サブピクセルを均等に圧縮するため、フラグメント情報のデータ量をより削減でき、メモリ容量を削減できる。

（第４の実施形態）
上述した第１〜第３の実施形態では、ポリゴンのオブジェクトに対する属性考慮に入れずに圧縮処理を行っている。実際には、同一のオブジェクトに属する複数のポリゴンが１ピクセル内に存在する場合もありうる。オブジェクトが異なっていても、フラグメント情報が互いにきわめて似ている場合には、フラグメント圧縮部１５がこれらフラグメントを１つにまとめてデータ圧縮を行なう。それにより、第１〜第３の実施形態と併用してより高い圧縮効果を得ることが可能となり、実現するにあたって、大規模な演算回路を追加する必要もなく、画像の乱れはほとんど目立たない確率が高い。

また、第４の実施形態のフラグメント圧縮部１５は、メモリの使用量をより削減しなければならない場合を想定して、異なるオブジェクト間のフラグメントを共通化する。第４の実施形態による圧縮手法は、第１〜第３の実施形態による圧縮手法と任意に組み合わせることも可能である。第４の実施形態の圧縮処理は、第２および第３の実施形態と同様に非可逆である。

図８は１ピクセル内に２つのポリゴンが存在する例を示しており、図８（ａ）は２つのポリゴンのカラー値の差が所定のしきい値より大きい場合、図８（ｂ）は２つのポリゴンのカラー値の差がしきい値以下の場合を示している。

本実施形態のフラグメント圧縮部１５は、フラグメント同士のカラー値を比較するカラー比較器を内蔵している。カラー比較器は、１ピクセル内のフラグメント同士のカラー値がしきい値よりも大きいか否かを判断し、しきい値より大きい場合には、フラグメント同士のカラー値のブレンド処理は行わず、しきい値以下の場合には、フラグメント同士のカラー値のブレンド処理を行う。

以下、カラー比較器の処理動作について詳述する。このカラー比較器は、比較対象の１ピクセル内の複数のポリゴンが互いに異なるオブジェクトに属する場合のみ以下の処理を行って、カラー値のブレンド処理を行うか否かを判断する。比較対象の１ピクセル内の複数のポリゴンが同じオブジェクトに属する場合には、無条件にカラー値のブレンド処理を行う。

例えばカラー値ＲＧＢの場合、ＲＧＢ色空間の距離としきい値とを比較することにより、色の類似性を比較する方法が考えられる。比較対象のピクセル内の２つのカラー値ＲＧＢをそれぞれ（R0,G0,B0)、(R1,G1,B1)とすると、ＲＧＢそれぞれの取りうる最大値（Ｒmax、Ｇmax、Ｂmax）で正規化したカラー値(r0,g0,b0)、(r1,g1,b1)は（１）式および（２）式で表される。

(r0,g0,b0)＝（R0／Rmax, G0／Gmax, B0／Bmax） …（１）
(r1,g1,b1)＝（R1／Rmax, G1／Gmax, B1／Bmax） …（２）
このとき、ＲＧＢ色空間の距離ｄは（３）式で表される。

色の類似度を表すしきい値をｄthとすると、ｄ＞ｄthの場合には、色が似ていないのでブレンド処理を行わず、ｄ≦ｄthの場合には、色が似ているのでブレンド処理を行う。しきい値ｄthの大小により圧縮率を変えることができ、しきい値ｄthが大きいほど圧縮率が高くなるが、その反面、画質が劣化する。

このように、第４の実施形態は、１ピクセル内のフラグメント同士のカラー値の差分により、色のブレンド処理を行うか否かを判断するため、似通った色のフラグメントのみブレンド処理を行うことができ、見た目にあまり影響を与えない範囲で圧縮処理を行うことができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、フラグメントバッファ１４内のフラグメントの数がある上限値(ｎエントリー)に達したら、フラグメントの個数の圧縮か、フラグメント本体の圧縮を行うものである。

図９は第５の実施形態による描画装置の内部構成の一例を示すブロック図である。図９の描画装置は、図６の構成に加えて、フラグメントバッファ１４内のフラグメントの数が上限値に達したか否かを監視する容量監視部１６を有する。

フラグメントの数が上限値に達していない場合には、フラグメント情報の圧縮は行わない。このため、高画質の画像を表示できる。フラグメントの数が上限値に達した場合は、第３の実施形態による圧縮処理を行う前に、第２の実施形態と同様の処理手順で圧縮を行う。第２の実施形態による圧縮処理を優先させる理由は、第３の実施形態よりも、画像の乱れが少ないためである。

第２の実施形態による圧縮処理を行った結果、フラグメントの数が上限値より多い場合には、さらに第３の実施形態による圧縮処理を行う。

このように、第５の実施形態では、フラグメント数が上限値に達するまでは圧縮処理を行わないため、可能な限り、高画質の画像を表示できる。また、フラグメント数が上限値に達した場合には、良好な画質が得られる順に段階的に圧縮処理を行うため、画像の乱れを極力抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る描画装置の概略構成を示すブロック図。 サブピクセルを説明する図。 ８×８ピクセルの一例を示す図。 ８×８ピクセルの中に３つのポリゴン１〜３が含まれている例を示す図。 フラグメントIDとフラグメント情報を説明する図。 ラスタライザ３の内部構成の一例を示すブロック図。 フラグメントの個数圧縮を説明する図。 １ピクセル内に２つのポリゴンが存在する例を示す図。 第５の実施形態による描画装置の内部構成の一例を示すブロック図。

符号の説明

１ アプリケーション部
２ ジオメトリ部
３ ラスタライザ部
４ ビデオメモリ
５ 表示装置
１１ フラグメント計算準備部
１２ フラグメント計算部
１３ フラグメント操作部
１４ フラグメントバッファ
１５ フラグメント圧縮部
１６ 容量監視部

Claims (5)

1. 対応するポリゴンの色情報に関するフラグメントを生成するフラグメント生成手段と、
   生成されたフラグメントを格納するフラグメント格納手段と、
   前記フラグメント格納手段に格納されたフラグメントを圧縮するフラグメント圧縮手段と、
   前記フラグメント圧縮手段で圧縮されたフラグメントを格納する描画データ格納手段と、を備えることを特徴とする描画装置。
2. 前記フラグメント格納手段は、１ピクセル内のフラグメントの個数を表す情報と、各フラグメントの色情報とを格納することを特徴とする請求項１に記載の描画装置。
3. 前記フラグメント圧縮手段は、
   前記フラグメント格納手段に格納されたフラグメントの個数を圧縮する個数圧縮手段と、
   前記フラグメント格納手段に格納されたフラグメントのビット数を圧縮する情報圧縮手段と、の少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１または２に記載の描画装置。
4. 前記フラグメント格納手段に格納されたフラグメントの数が所定数を超えたか否かを判定する個数判定手段を備え、
   前記個数圧縮手段および前記情報圧縮手段の少なくとも一方は、前記個数判定手段により所定数を超えたと判定された場合に圧縮を行うことを特徴とする請求項３に記載の描画装置。
5. １ピクセルは、複数のサブピクセルで構成されており、
   前記フラグメント生成手段は、１ピクセル内の各サブピクセルに位置するポリゴンの色に基づいて、フラグメントを生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の描画装置。

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