JP2012141834A - 微細凹凸面物体描画回路 - Google Patents

Abstract

【課題】蒔絵漆器のような微細な凹凸面をもつ表面形状をコンピュータモデル化する。
【解決手段】蒔絵漆器サンプルをマイクロスコープで拡大して得た映像からバンプ法線を算出し、これを局所的なパターンとして数点求め、これら局所的バンプパターンをスプライト合成で金属粉による描画物体全体のバンプパターンとし、分光変角色差計で得た分光反射率および輝度分布率を入射角、面法線、受光角をアドレス変数としてテーブル化し、オブジェクトを描画する際、ポリゴンの内挿補間で得られる面法線を前記内挿補間に含まれるテキスチャーマッピング座標値を用いて前記バンプパターンからバンプ法線を読み出し、ポリゴンの主法線をバンプ法線で回転し、この回転された法線と、ポリゴンの内挿補間で得る入射角、視点角のそれぞれを用いて前記テーブルに記憶された分光反射率および輝度分布率を読み出して内挿補間点のピクセル輝度を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータグラフィックス描画技術に関し、蒔絵など漆表面に金属粉を定着させた物体表面を描画する論理回路および装置分野に属する。

蒔絵には平蒔絵、研出蒔絵、高蒔絵など多様な製造技法がありそれぞれが工程と材料の組み合わせによって独特の色彩と光沢を作り出している。この蒔絵漆器の実体と比較して人の目には区別が困難な質感をもったコンピュータグラフィック映像を作り出すことは極めて難しい。それはバンプ（凹凸）面をもった薄膜表面構造に、漆，染料、金属粉などそれぞれの材料特性による複雑な光の作用が生じ従来のＢＲＤＦ等の数式モデルでは表現困難なためである。また蒔絵の独特の質感は写真カタログに見られるような１方向からの映像で表現することも困難で、その美的質感の本質は光の変化によって生じる動的な反射光（明度と彩度）の変化によるものである。微細で煌びやかな光沢がある粉蒔きを表現するための一つの手段としては従来に見られるような乱数によるバンプ様態を表現し、光の角度に対して反射光をランダムに変化させることが考えられる。しかし、この方法は微細面においては乱数であっても大局的には一様な質感となり、材料の粒子（大きさと形状）とその分布が成す独特な反射様態を表現することは困難である。

本発明は上記の背景から、正規の工程を経て製作された蒔絵をサンプルとして、これを光学的に実測し、その実測値を基に数式モデルあるいは測定データのテーブル化を図り、現実感と共に、多様な蒔絵様態への適応度を高めることを目的としている。この目的に対して本発明ではバンプマップデータの生成手段と、反射率および輝度分布測定データのＢＲＤＦへの適用の２つの手段を用いて、回路化による現実感のある物体表現の高速処理を課題とする。

金属粉が一様な形状と密度で漆器塗装面に蒔かれた表面形状であれば乱数によるバンプ法線とＢＲＤＦを用いたシェーディング技法によって相応の現実感を得ることができる。しかし実体は局所的な粒子の形状や密度分布が一様ではない。この微細な不均一性が質感の違いや差別化となって現れる。この形状をコンピュータモデル化する手段として本発明では、実際の蒔絵漆器工程を経て製作されたサンプルからマイクロスコープで拡大した映像を撮影し、拡大された映像から画素単位に表面の凹凸傾斜角を光学的手法で算出し、この傾斜角（ベクトルあるいは極座標値で表記）を映像に対応して２次元平面上に記憶したバンプ法線パターンとして保存する。バンプ面の傾斜角を測定する方法は従来から各種提案されているが、本発明では拡大された画像から２次元配列のテキスチャーパターンとしてピクセル当たりのバンプ法線を作成する。

凹凸面の傾斜角（バンプ法線）を得る方法の一つとして、本発明では左右前後のそれぞれ４個所を光源設置点とし、それぞれの位置から個別に４５度方向から物体表面を照射し、それぞれの画像の輝度をマイクロスコープで撮影する。固定型マイクロスコープはサンプル物体平面に対し垂直に置かれており、４５度方向からの照射によって得る輝度は、光源の入射光が物体に反射する反射ベクトルとマイクロスコープ（サンプル面に垂直なベクトル）との成す内積値に比例する。蒔絵サンプルがもつ面法線は反射光ベクトルと光源の入射ベクトルとのハーフベクトルに近似すれば、マイクロスコープの位置と光源入射ベクトル（４５度）は固定であるため、サンプルの垂直軸からの面の傾きを求めることができる。この垂直軸からの傾き成分は４点それぞれの方向からの測定値の内、最も輝度の強い一つから計算できる。さらに輝度の高い順で上位２つの方向を選択し、この選択された方向を輝度値で重み付けを行いその結果から垂直軸を中心とした回転方向の角度を求める。この垂直軸からの角度と垂直軸を回転中心とする角度からバンプ面の法線ベクトルが求める。

前記［００５］におけるバンプ法線計算法は測定輝度の精度が保証できない点で誤差を含むが、視覚精度上からはこの誤差は問題とならない。一方、蒔絵サンプル上のマイクロスコープで測定する領域として数個所をサンプリング点として選ぶ。それぞれの局所的な映像から得たバンプ法線パターンを所定数だけ作成し、映像のスプライト合成と同様にそれぞれのバンプ法線パターンを任意に組み合わせより大きな領域に適用可能なバンプパターンを作成する。しかし少なくとも平蒔絵、研出蒔絵、高蒔絵等の製造工程の異なるもの、あるいは金属粉の密度が異なる梨地模様の場合は、それぞれの加工毎にバンプパターンを作成する必要がある。

マイクロスコープで撮影された画像とＣＧの描画空間はそれぞれ異なる。バンプパターンは裸眼からは遥かに大きく拡大された画像であり、これをＣＧ画像にマップするためには縮小する必要がある。縮小するのであれば縮小サイズに合わせた映像をマイクロスコープで撮影し、その映像からバンプパターンを作成する方法が考えられる。しかし、微細な凹凸の形状の不均一性は不均一様態を精度よく再現できるパターンからしか得ることができない。よって本発明では前記手段で得られたバンプ法線から成るバンプ法線パターンを基にテキスチャーマッピング処理と同様にミップマップ化する手段として複数サイズのバンプ法線パターンにスケールして保存する。

蒔絵サンプルはさらに、例えば分光変角色差計を用い光源の入射角に対する受光角を変化させたそれぞれの波長での反射率を測定する。ＣＧで物体を描画する場合は視点がスクリーン前方に固定され光源か物体が移動あるいは回転する様態を表現する。よって本発明では受光角の変化をサンプルの法線の傾きの変化に置き換えて、サンプル面の法線と光源入射角との成す角に対する反射率に変換した反射率を用いる。また本発明では、分光反射率はＲＧＢの３波長点についてのデータを光源入射角対物体面法線の関数として保存し、モデル化する。一方、測定器が物体表面の反射率を測定する場合、光源の照射面積は金粉等の粒子に比べて大きいため、局所的に金属粉が不均一な凹凸面を構成していてもマイクロファセットとしての平均的な反射率特性として測定される。

本発明では前記［００８］で得られた面法線と光源入射角に対する反射率をＲＧＢ毎にテーブル化する。よってこのテーブルは蒔絵サンプルの面法線と光源入射角との内積値をアドレスとしてアクセスされる。

バンプ構造を持つ面のシェーディング処理は、バンプ法線をテキスチャーパターンと同様に２次元配列で定義し、ポリゴンの内挿補間で得られるテキスチャー座標値でバンプパターンを読み出し、同様に内挿補間から得たバンプ面を成す基板の法線（以下主法線という）を、読みだしたバンプ法線で回転し、この結果得た法線ベクトルと光源入射ベクトルおよび視点ベクトルを用いて、シェーディングアルゴリズムに基づき補間点の輝度を決定する。前記３つのベクトルはそれぞれＢＲＤＦの輝度決定要素となる。

前記分光反射率と共に輝度分布特性は前記［００８］の分光変角色差計により同時に得ることができる。ＢＲＤＦでは分布関数はベックマン関数として知られているが、蒔絵のような特殊な特性をもつ素材には一つの関数では対応できない。このため本発明では前記測定器で得られた輝度分布を反射率同様に光源入射角、視点ベクトルおよび面法線を変数とする数式にモデル化した後、それぞれの素材ごとにテーブル化する。実装上の数式化とテーブル化との違いは、描画処理の速度の問題であり、テーブルは予め計算して求めた値を記憶しているため１クロックで読み出し可能であるが、四則演算が伴う数式は処理速度が低下する。一方、減衰関数は前記［０１０］のそれぞれのベクトルから求めることができる。以上から、本発明では、バンプ法線パターンおよび反射率共に、使用する材料、漆塗装、金属粉の蒔き、研ぎ出し等、すべて伝統的蒔絵製作プロセスを経たサンプルを光学的に実測し、金属粉が成す凹凸をピクセル単位でバンプパターンとしてモデル化する一方、分光反射率はバンプ面の一定領域内を照射して得た反射光を測定した値を反射率テーブルとして使用する。すなわちバンプは局所的なデータを元とし、反射率は大局的に得た値をそれぞれ組み合わせて凹凸面の画素単位の輝度を決定する。いずれも実体サンプルからのデータからモデル化したものである。イメージベースドレンダリングとの違いは、撮影した映像そのものをテキスチャーマップパターンとして使用するのではなく、反射率や分布率をシェーディングモデルに適用して表現してしることにある。このため僅かな属性の変化に対しても数学的モデルを基に対応して新しい属性データが生成できる。

テキスチャーパターンには一般の応用では色、アルファーブレンディング値、高さ、法線などが用いられるが、蒔絵漆器は漆基板上にそれぞれ異なる属性物質を用いて絵模様が描かれており、これをＣＧ描画する場合、描画単位としてのポリゴン形状を使用する材質属性の変化に応じて細分割化することは困難である。これは同一のポリゴン内に色だけでなく反射特性や輝度分布特性の異なる領域がランダムに分布することを意味する。これに対応する手段としてはテキスチャーの１ピクセル毎に異なる色情報のように、反射率や分布特性も１ピクセル毎に異なる様態を表現出来なければならない。これに対応する手段としてマルチテキスチャーマッピングが考えられるが、ＢＲＤＦ等ではテーブル参照だけでなく、減衰率計算のようにベクトル計算が必要でテーブル化できない処理があり、速度、ＬＳＩコスト共に問題となる。本発明では、属性値はテーブル化し、属性識別子を情報とするテキスチャーパターンを設け１ピクセル単位で任意の属性識別子を指定可能とし、ポリゴンの内挿補間毎にこれを読み出し、この属性識別子によって所定の反射率および分布関数テーブルを選択する。属性識別子をテーブルの上位アドレスとすれば、高速に所定の属性テーブルに切り替わる。属性識別子のビット長があり、直接テーブルの上位アドレスに出来ない場合は、識別子を入力アドレスとして、このアドレス値をテーブルの上位アドレスに変換するマップ変換テーブルを設けることで対応できる。また属性識別子は色表現等のテキスチャーパターンと独立したメモリではなく、同一パターンメモリ内に追加したデータとして定義することもできる。

以上から本発明は、金属粉を蒔いたバンプ面の微細な凹凸傾斜角（バンプ法線）を、実際の蒔絵サンプルから光学的な手段を用いて生成し、この局所的な数種類のパターンをスプライト合成して金属粉による蒔絵全体のバンプ法線パターンとする手段と、分光変角色差計を用いて入射角、面法線、受光角のそれぞれの関係から分光反射率および輝度分布特性を求め、これらデータをテーブル化する手段と、オブジェクトを描画する際、ポリゴンの内挿補間で得られる面法線（主法線）を前記内挿補間で得るテキスチャー座標値からバンプ法線パターンのバンプ法線を読み出し、このバンプ法線でポリゴンの主法線を回転する手段と、この回転された法線、ポリゴンの内挿補間で得る入射角、視点角のそれぞれを用いて前記テーブルを読み出すそれぞれの手段を用いて内挿補間点のピクセル輝度を決定する。この結果、光源の移動に伴う蒔絵等の金属粉をもつ物体の光沢や色合いの変化を動的に表現できることになる。

本発明により、より自然に近い現実感のある煌びやかな光沢をもつ物体の描画が実時間で可能となる。

本発明はＬＳＩの論理回路あるいはＩＰ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）の形態で実施され、コンピュータグラフィックスプロセッサに応用される。

図１は本発明の微細凹凸面描画回路を示す。ポリゴン内挿補間回路１０はポリゴン頂点に設定されたｘｙｚ座標値、テキスチャーマッピング座標値、法線ベクトル、光源入射ベクトル、視線ベクトル等を線形に内挿補間する。このテキスチャーマッピング座標値ＵＶはバンプ法線パターンメモリ回路１１ａのアドレスとして加わる。ポリゴン面法線Ｎは法線ベクトル回転回路１２に与えられる。回路１２ではポリゴン内挿補間された面法線Ｎをメモリ回路１１ａから読みだされるバンプ法線Ｂで回転し、回転後の面法線Ｎｒをベクトル演算回路１３に出力する。回路１３はベクトルの内積、外積またベクトルの正規化回路等で構成する。内挿補間された光源入射ベクトルＬおよび視線ベクトルＶもそれぞれベクトル演算回路１３に与えられる。これら光源入射ベクトル、面法線、視線ベクトルから回路１３では減衰率Ｇも求める。光源入射ベクトルと面法線との内積値ＬＮｒはＲＧＢの反射率テーブルから成る分光反射率テーブル回路１４のテーブルアドレスとなる。一方、輝度分布率ＤはＮＨをアドレスとした輝度分布率テーブル回路１５で生成し、回路１４からのＲＧＢそれぞれの反射率と共に、シェーダー１６に出力する。ここでＨはＬとＶのハーフベクトルである。反射率および分布率はポリゴン内挿補間の歩進によって変化する場合がある。一方、回路１４および１５は所定の属性に対して一対のデータセットとしてテーブル化されている。よって属性が異なる場合はそれまで読みだしていたテーブルは使用できない。テーブルが一対の属性値のみを記憶する容量しかない場合はテーブル全体を蒔絵材料が変化する毎に該当する属性に入れ替えなくてはならない。蒔絵模様のように高頻度で、内挿補間過程で属性が変化する場合、このテーブルの入れ替えは、高速処理を困難にする。本発明ではテキスチャーパターンの一つとして属性識別子ｉｄを設け、ＵＶ座標値でこの識別子を読み出し、該当する属性値テーブルをアクセスする。本発明ではテキスチャーパターンメモリ回路１１ｂからＵＶ座標値で識別子ｉｄを読み出し、それぞれのテーブルには複数の属性を記憶して、読みだした識別子から該当する属性の記憶された上位アドレスを生成することで、属性を識別子に対応してメモリ領域を切り替える。シェーダー１６はＲＧＢそれぞれの波長における反射率、輝度分布率、減衰率Ｇのそれぞれを受けて、回路１０で補間されたポリゴン内挿点の画素の輝度Ｉｒ，Ｉｇ，Ｉｂを出力する。以上から本発明は蒔絵漆器の光学的測定によるバンプパターンの生成と、分光変角色差計による反射率測定値のテーブル化によって高速で実体と同等の質感をもったＣＧ映像を表現することが出来る。

本発明のプロセスをＩＰ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ）として、あるいはグラフィックスプロセッサＬＳＩチップに実装することによって映像製作、ＣＧゲーム等のシステムにおいて実時間描画を可能とする。

「本発明の微細凹凸面物体描画回路を示す。」

１０ ポリゴン内挿補間回路
１１ａ バンプ法線パターンメモリ回路
１１ｂ テキスチャーパターンメモリ回路
１２ 法線ベクトル回転回路
１３ ベクトル演算回路
１４ 分光反射率テーブル回路
１５ 輝度分布率テーブル回路
１６ シェーダー

Claims (3)

1. コンピュータグラフィックス描画処理において、金属粉を蒔いた蒔絵漆器表面をマイクロスコープ等により拡大し、その表面の微細な凹凸傾斜角（バンプ法線）を拡大映像の画素単位に光学的手段で算出し、この局所的な領域におけるバンプ法線から成る２次元配列データを、前記漆器表面の複数個所において取得する手段と、これら局所的バンプ法線データをスプライト合成して金属粉を蒔いた漆器表面のもつ全体的なバンプマップパターンを作成する手段と、分光変角色差計を用いて入射ベクトル、漆器表面の面法線、受光ベクトルのそれぞれから漆器表面の分光反射率および輝度分布率を求め、これらを前記それぞれのベクトルの内積値をアドレスとするテーブルに記憶する手段と、レンダリング処理においてポリゴンを内挿補間して得るテキスチャー座標値から前記バンプマップパターンのバンプ法線を読み出すと共に、内挿補間された面法線を前記バンプ法線で回転する手段と、この回転された法線、さらに内挿補間で得た入射ベクトル、視点ベクトルのそれぞれを用いて前記反射率および分布率テーブルを読み出すそれぞれの手段によってポリゴン内挿補間点の輝度を決定する微細凹凸面物体描画回路。
2. 請求項１の回路において、前記反射率および分布率データを一組の属性として、蒔絵材質及び加工によって異なる複数の属性値を物理的に同一のメモリ内にそれぞれテーブル化して記憶すると共に、個々の材質がもつ固有の属性を示す属性識別子をテキスチャーパターンの一つとして設定し、これをポリゴン内挿補間で得られるテキスチャーマッピング座標で読み出し、読みだされた識別子を前記テーブルメモリの上位アドレスとすることで前記記憶された複数の反射率および分布率から所定のテーブルにあるデータに高速に切り替え、複雑に変化する表面属性をもつ蒔絵漆器の実時間描画を可能にする微細凹凸面物体描画回路。
3. 請求項１および２に記載の回路を用いたコンピュータグラフィックス画像装置。

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