JP2015515059A - シーンにおける不透明度レベルを推定する方法とそれに対応する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、面光源（１０）によって照明されているシーンであって、メッシュによって画定されかつ放射光の一部を遮蔽する物体（１１）を含む上記シーンのある点（１３）における不透明度を推定する方法に関する。不透明度のライブの推定についての計算を最適化するために、上記方法は、上記面光源（１０）を複数のサンプル（１０１、１０２、１０３）においてサンプリングするステップと、上記複数のサンプル（１０１、１０２、１０３）のうちの少なくとも１つのサンプルについて、かつ、上記少なくとも１つのサンプルから可視である上記遮蔽物体（１１）の少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントについて、上記少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントの辺毎に１つのシャドウ平面を生成するステップと、上記シーンのあるビューポイント（２０）を起源として有する少なくとも１つのレイ（２１）と該少なくとも１つのレイ（２１）によって通過された上記シャドウ平面との交点（２１０、２１１、２１２）の集合についての不透明度を表す値から、上記通過されたシャドウ平面の各々に対応付けられた垂線と上記少なくとも１つのレイ（２１）とによって形成される角度に従って、関数ベースにおける投影係数に従って不透明度レベルを推定するステップと、を含む。本発明は、該方法に対応する装置にも関する。【選択図】図２

Description

本発明は、合成画像構成の分野に関し、更に詳しくは、仮想シーンのある点におけるシャドーイングの推定、あるいは、仮想シーンのある点が受ける光量の推定の分野に関する。また、本発明は、ライブ構成についての特殊効果に関連しても理解できる。

従来技術によれば、面光源に由来する光の遮蔽によるソフト・シャドウを生成する技法が幾つかある。これらの技法の１つとして確率的な方式が知られており、それに従えば、面光源を多数の点光源においてサンプリングする。各々の点光源について、Ｚバッファの使用と組み合わせたシャドウ・マッピング技法又はシャドウ・ボリューム技法によってハード・シャドーイングを算定して、その光源からのシーンを描画する。写実的なシャドウの描画を得て、光源のサンプリングに関連する量子化の不良を排除するために、非常に多くのサンプルの使用を必要とし、その結果、計算が多くなり、シーンのライブ描画が不利になる。もう１つのソフト・シャドウの描画技法として、ＰＣＳＳ（Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ―Ｃｌｏｓｅｒ Ｓｏｆｔ Ｓｈａｄｏｗｓ）が知られており、これは、シャドウ・マップのフィルタリングに使用されるＰＣＦ（Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ Ｃｌｏｓｅ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）カーネル・サイズとの関係と、光源を遮蔽する複数の物体の平均距離に基づく半影ゾーン幅の推定と、光を受ける点と光源との間の距離と、に基づいている。この技法の欠点の１つは、それが平坦な表面に限定されること、及び、ＰＣＦが大きくなると計算コストが高くなることであり、その結果、シーンのライブ描画が難しくなる。

本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点の少なくとも１つを解消することである。

更に詳しく述べると、本発明の目的は、仮想シーンの１つ又は複数の点に対応する不透明度（不透明度）レベルの写実的ライブ推定について、必要な計算を顕著に最適化することである。

本発明は、シーンのある点における不透明度を推定する方法であって、シーンは面光源によって照明されており、シーンは光源によって放射された光の一部を遮蔽する少なくとも１つの遮蔽物体を含み、遮蔽物体はメッシュによって画定される。シーンのある点に対応付けられた不透明度レベルを推定するために、この方法は、
面光源を複数のサンプルにおいてサンプリングするステップと、
複数のサンプルのうちの少なくとも１つのサンプルについて、かつ、少なくとも１つのサンプルから可視である遮蔽物体の少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントについて、少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントの辺毎に１つのシャドウ平面を生成するステップと、
シーンのあるビューポイントを起源として有し、かつシーンを通過する少なくとも１つのレイと、該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面との交点の集合についての不透明度を表す値から、通過されたシャドウ平面の各々に対応付けられた垂線と少なくとも１つのレイとによって形成される角度に従って、関数ベースにおいて投影係数を推定するステップと、
推定された投影係数から、少なくとも１つのレイのある点における不透明度レベルを表す値を推定するステップと、
を含んでいる。

有益な特徴によれば、投影係数は、少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた不透明度レベルの重み付けされた合計から推定される。

特定の特徴によれば、少なくとも１つのレイと該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より大きい場合、不透明度レベルは少なくとも１つのレイに沿って増加し、少なくとも１つのレイと該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より小さい場合、不透明度レベルは少なくとも１つのレイに沿って減少する。

特定の特徴によれば、少なくとも１つのレイがシャドウ平面との交点を有する場合、不透明度レベルは、面光源よって放射された光の全体の量をサンプル数で除算した値に等しい比率に対応する値だけ、増加又は減少する。

利点として、シャドウ平面を生成するステップには、少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントを複数の第２のエレメントに細分化するステップが含まれており、シャドウ平面は第２のエレメントの幾何学的な変形によって生成される。

特定の特徴によれば、上記関数ベースは、フーリエ関数ベースである。

利点として、投影係数は、少なくとも１つの投影テクスチャ・マップに記憶される。

また、本発明は、シーンのある点における不透明度を推定するように構成された装置（５）であって、シーンは面光源によって照明されており、シーンは面光源によって放射された光の一部を遮蔽する少なくとも１つの遮蔽物体を含み、遮蔽物体はメッシュによって画定されており、
面光源を複数のサンプルにおいてサンプリングし、
複数のサンプルのうちの少なくとも１つのサンプルについて、かつ、少なくとも１つのサンプルから可視である遮蔽物体の少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントについて、少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントの辺毎に１つのシャドウ平面を生成し、
シーンのあるビューポイントを起源として有し、かつシーンを通過する少なくとも１つのレイと、該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面との交点の集合についての不透明度を表す値から、通過されたシャドウ平面の各々に対応付けられた垂線と少なくとも１つのレイとによって形成される角度に従って、関数ベースにおいて投影係数を推定し、
推定された投影係数から、少なくとも１つのレイのある点における不透明度レベルを表す値を推定する、
ように構成されている少なくともプロセッサを備えた上記装置にも関する。

利点として、少なくとも１つのレイと該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より大きい場合、不透明度レベルは少なくとも１つのレイに沿って増加し、少なくとも１つのレイと該少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より小さい場合、不透明度レベルは少なくとも１つのレイに沿って減少する。

特定の特徴によれば、少なくとも１つのレイがシャドウ平面との交点を有する場合、不透明度レベルは、面光源よって放射された光の全体の量をサンプル数で除算した値に等しい比率に対応する値だけ、増加又は減少する。

別の特徴によれば、上記少なくとも１つのプロセッサは、更に、少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントを複数の第２のエレメントに細分化するように構成されており、シャドウ平面は、第２のエレメントの幾何学的な変形によって生成される。

また、本発明は、コンピュータ上で実行される場合に、シーンのある点における不透明度を推定する上記方法のステップを実行するためのプログラム・コード命令を備えているコンピュータ・プログラム製品にも関する。

更に、本発明は、シーンのある点における不透明度を推定する上記方法を実施するために、コンピュータによって実行可能な命令の集合を記憶するコンピュータ可読記憶手段にも関する。

次の添付図面を参照する以下の説明を読むことによって、本発明がより良く理解され、その他の具体的な特徴と利点が明確になるであろう。

本発明の特定の一実施形態による、面光源によって照らされるシーン１であり、ソフト・シャドウを生成する遮蔽物体を含む該シーン１を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による、図１のシーンを通過するレイに沿う不透明度関数を推定する方法を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による、図１の遮蔽物体の、ライティング・エレメントに由来するシャドウ平面の生成を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による、図２の方法に従って得られた２つの不透明度関数を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による、図１におけるシーンのある点において受け取られた光の量を推定する方法を実施する装置を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による、図１におけるシーンのある点において受け取られた光の量を推定する方法を示す図である。

図１には、本発明を限定するものではない本発明の特定の一実施形態による、面光源１０によって、すなわち、一点光源とは対照的な面又は容積を形成する数個の点で点灯された照明によって照らされた仮想シーン１が示されている。このシーン１には、面光源１０が放射した光の少なくとも一部を遮断する不透明物体（遮蔽物体ともいう）１１が含まれている。したがって、シーン１のある物体の表面１２のゾーン１２０が遮蔽物体１１のキャスト・シャドウ１１０内に位置しており、すなわち、このゾーン１２０は、面光源１０からの光を受け取らない。表面１２のその他の２つのゾーン（半影ゾーンという）１２１と１２２が、部分的に照らされた部分１１１と１１２内に位置しており、すなわち、これらのゾーン１２１と１２２は、面光源１０が放射した光の一部のみを受け取る。これらの半影ゾーン１２１と１２２が受け取る光の量は均一ではなく、シャドウ・ゾーン１２０から遠ければ遠い点ほど、シャドウ・ゾーン１２０に最も近い点に比べて、ますます多くの光を受け取る。したがって、これらの半影ゾーン１２１と１２２には半影勾配が現われ、不透明度レベルは、シャドウ・ゾーン１２０に近ければ近い位置ほどますます強くなり、換言すれば、半影ゾーン１２１と１２２の点を遠ざける距離が減少するほど、受光量はますます低くなる。これらの半影ゾーン１２１と１２２は、ソフト・シャドウ・ゾーン、すなわち、影から光への推移が漸進的であるゾーンに対応する。半影ゾーン１２２内に位置する点Ｐ１３に対応する暗レベル又は照明レベルは、例えば、可視立体角１３１の遮蔽立体角１３２に対する比率（分母が遮蔽立体角１３２であり分子が可視立体角１３１である分数比）によって決まる。可視立体角１３１は、点Ｐ１３の照明に関与している面光源１０の部分、すなわち、放射光が遮蔽物体１１によって遮蔽されずに点Ｐ１３に到達している面光源の部分に対応している。遮蔽立体角１３２は、点Ｐ１３の照明に関与していない面光源１０の部分、すなわち、放射光が遮蔽物体１１によって遮蔽されて点Ｐ１３に到達していない面光源の部分に対応している。別の実施形態によれば、点Ｐ１３に対応する照明レベルは、可視立体角１３１によって決まる。更に別の実施形態によれば、点Ｐ１３に対応する暗（又は遮蔽）レベルは、遮蔽立体角１３２のみによって決まる。シャドウ・ゾーン１２０の点については、可視立体角はゼロであり、照明レベルはゼロ、すなわち、その点が面光源１０から直接受け取る光の量はゼロである。したがって、暗（又は遮蔽）レベルは、最大となり、例えば、暗さ又は遮蔽の１００％に等しい。表面１２のゾーン１２３は、表面１２の照明されたゾーン、すなわち、面光源１０全体からの光を受け取っている点から成るゾーンに対応しており、すなわち、これらの点については、面光源１０によって放射された光は、遮蔽物体１１によって全く遮蔽されていない。

図２には、本発明を限定するものではない特定の一実施形態による、シーン１のある点、例えば、半影ゾーン内に位置する点における照明又は遮蔽レベルを推定する方法が示されている。面光源１０は、点又は点光源に同化された複数のサンプル１０１、１０２及び１０３（例えば、８、１６、３２又は６４個のサンプル）において、サンプリングされる。遮蔽物体１１は、その上側表面２００１によって、すなわち、光源に面しており、かつ、面光源１０が放射する光を全部又は部分的に遮断する部分によって表されている。この遮蔽物体は、利点として、メッシュによってモデル化され、このメッシュは、例えば多角形、例えば三角形又は平行六面体である該メッシュを形成する複数の第１のエレメント（構成要素）から成る。遮蔽物体のモデル化は、当業者に既知の任意の方法に従って、例えば、各々が自己を構成する頂点と辺（縁端部）の並びによって定義される多角形（ポリゴン）の集合にモデルが同化されるポリゴン・モデリングによって、あるいは、モデルが制御点すなわち「コントロール・バーテックス」により作成された曲線の集合により定義されるＮＵＲＢＳ (Ｎｏｎ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｓｐｌｉｎｅ) 方式によって、あるいは、サーフェス・モデリングの細分割等によって行われる。面光源の各々のサンプル１０１、１０２、１０３について、シャドウ平面が、遮蔽物体の各々の第１のメッシュ・エレメントの各々の辺について生成される。これらのシャドウ平面の一部分が、図２において断面図として表されており、平面２００１、２００２、２００３、２００４、２００５、２００６及び２００７に対応している。

図３には、複数の面光源サンプルのうちのサンプル１０１から、三角形に対応する遮蔽物体の第１のメッシュ・エレメント３０の３つの辺によってそれぞ生成されたシャドウ平面３０１、３０２、３０３が示されている。各々のシャドウ平面は、三角形３０の１つの辺と、光源の考察対象のサンプル１０１を起源として有し、かつ考察対象の辺に属する三角形３０の２つの頂点を通過する２つの直線部分とによって画定される。各々のシャドウ平面は、辺のシルエット（輪郭）に対応しており、例えば２つの三角形によって画定される平行六面体の形状を成している。光源の１つのサンプルによって照明される三角形３０に対応付けられたシャドウ平面を画定するためには、６つの三角形（３つのシャドウ平面３０１、３０２及び３０３の各々について２つの三角形）が必要であることが分かっている。三角形３０自身も１つのシャドウ平面を画定して形成しているので、光源のサンプル１０１によって照明される第１のメッシュ・エレメントに対応付けられたシャドウ平面を画定するためには、７つの三角形が必要である。この例において三角形であるこの第１のメッシュ・エレメントが光源のＮ個のサンプルの集合によって照明される場合、この第１のメッシュ・エレメントに対応付けられたシャドウ平面を画定するためには、７×Ｎ個の三角形が必要になる。

本発明の有益な別の実施形態によれば、第１のメッシュ・エレメントは、複数の第２のメッシュ・エレメント（例えば７つの第２のエレメント）に、例えば複数の三角形に、細分化される、あるいは、サンプリングされる。この第１のメッシュ・エレメントの細分化は、利点として、グラフィックス・カード・レンダリング・パイプラインのテッセレーション（ｔｅｓｓｅｌｌａｔｉｏｎ）・ユニット又はテッセレーション・シェーダ・ステージによって実施され、これらの第２のメッシュ・エレメントが、その場その場で、ライブで生成される。したがって、これらの２つのメッシュ・エレメントの各々は、適当な幾何関数の使用によって幾何学的に変形されて、第１のメッシュ・エレメントに対応付けられたシャドウ平面が形成される。第１のメッシュ・エレメントが、第１の三角形に対応し、７つの第２の三角形に細分化される場合、第２の三角形のうちの１つが幾何学的に変形されて、第１の三角形が形成される。したがって、６つの第２の三角形は、第１の三角形に対応付けられた３つのシャドウ平面３０１、３０２、３０３を幾何学的な変形によって形成する際には残存する（シャドウ平面毎に２つの第２の三角形）。幾何学的な変形処理は、利点として、グラフィックス・カードのレンダリング・パイプラインのジオメトリ・シェーダ・ステージ／ユニットによって行われる。この別の実施形態は、グラフィックス・カードのレンダリング・パイプラインのパラレルのデータ処理能力及びライブのデータ処理能力（特に、テッセレーション・シェーダ・ステージ／ユニット及びジオメトリ・シェーダ・ステージ／ユニット）を有効に利用できるという利点を有しており、これによって、（前段落で説明したような）シルエットの延長によって生成されるシャドウ平面を表すパラメータを記憶するのに必要なメモリ容量を低減でき、このようなパラメータは、一般に、大量のデータが処理されるのでＣＰＵ「中央演算処理装置」タイプのマイクロプロセッサによって計算され、このＣＰＵによる計算の結果得られたパラメータは、ＲＡＭに記憶され、相当なメモリ・スペースを必要とする。この有益な別の実施形態によれば、全ての計算は、ＧＰＵ「グラフィック処理ユニット」によって行われ、このＧＰＵは、ライブのシャドウ平面を生成し、かつ、必要なメモリ容量を抑制する利点を有している。

図２に示された（第１のメッシュ・エレメントの縁端部に対応付けられており、面光源のサンプル１０１から１０３の各々から生成される）シャドウ平面２００１から２００７が生成される際に、一方のこれらのシャドウ平面２００１から２００７と、シーン１から決定されるビューポイント２０を元来有しており、かつ、シーン１を通過する他方の１つ又は複数のレイ（ｒａｙ、光線）２１、２２との交点が決定される。第１のレイ２１は、（面光源に面する遮蔽物体の第１のメッシュ・エレメントによって画定されるシャドウ平面に対応する）シャドウ平面２００１との第１の交点２１０、シャドウ平面２００４との第２の交点２１１、及び、（光源１０によって放射された光を遮蔽しているので第２の遮蔽物体に対応する表面１２のメッシュ・エレメントの表面によって画定されるシャドウ平面に同化される）表面１２との第３の交点２１２を有している。利点として、ビューポイント２０は、光源１０、半影ゾーン及びシャドウ・ゾーンをカバーするようにして自動的に決定される。別の実施形態によれば、ビューポイント２０は、ユーザ調整可能なパラメータである。

レイ２１、２２とシャドウ平面１２、２００１から２００７との交点と、各々のシャドウ平面１２、２００１から２００７に対応付けられた不透明度を表す値とから、各々のレイに沿って不透明度関数が決定される。この不透明度関数は、レイに沿う不透明度の変化を表す関数である。利点として、不透明度関数Ｏ（ｘ）は、関数ベース、例えばフーリエ関数ベースで表される。不透明度レベルがレイ２１又は２２に沿う間隔［Ｏ、Ｄ_ｍａｘ］に従って変化するとすれば、不透明度関数は次のようにフーリエ・コサイン関数ベースで表してもよい。

と

とから

が与えられ、
ここで、
ａ_０はインデックス０の投影係数、
ａ_ｋはインデックスｋの投影係数であり、ｋは投影係数の番号に対応、
ｘはレイに沿う該レイの起源と所与の点との間の距離に対応、及び、
ｄは、不透明度レベルが評価される、該レイに沿う該起源からの距離に対応する。

利点として、投影係数ｋは、等式２におけるディラック分布特性（「ディラックのデルタ関数」ともいう）を用いて、シャドウ平面によってランダムに生成される不透明度サンプルの重み付けされた合計として推定される。不透明度サンプルは、レイと該レイが通過するシャドウ平面との交点に対応し、シャドウ平面が特定の順序なしに生成される場合には、それに従ってランダムに生成される。シャドウ平面がグラフィックス・カードのレンダリング・パイプライン・レベルで生成される度に、可能性のある、該シャドウ平面とレイとの交点を決定して、これを用いて、考察対象のレイに対応付けられた不透明度関数を表す投影係数を推定する。レイに沿う起源点２０からの距離ｄ_０において所与の不透明度の値α_０が対応付けられた１つのシャドウ平面によって生じる効果を検討すると、次のものが得られる。

ここで、Ｖ（ｄ）は、レイに沿う視感度関数に対応しており、次のように不透明度関数の関数である。

ディラック分布を用いて、次のものが得られる。

レイとシャドウ平面とのＭ個の交点に対応するＭ個のサンプルについて一般化すると、次のものが得られる。

Ｏ（ｘ）を等式２に代入して、次のことを用いると、

次のものが得られる。

したがって、等式１０について明らかなように、投影係数ａ_ｋは、考察対象のレイが通過するシャドウ平面に対応付けられた不透明度レベルの重み付けされた合計から推定され、その際に使用される重み付け係数はα_ｉに直接関連付けられる。

利点として、レイに沿う不透明度関数を表す投影係数は、ビューポイント２０に対応付けられたＲＧＢαタイプの投影テクスチャ・マップ２０１に記憶され、すなわち、このような投影テクスチャ・マップには、１つのレイについて４個の係数を記憶することが可能である。別の実施形態によれば、ＲＧＢαタイプの多数の投影テクスチャ・マップが、ビューポイント２０に対応付けられて、レイ毎に４個よりも多くの投影係数を記憶するのに使用される、例えば２個、３個又は４個の投影テクスチャ・マップが、それぞれ、レイ毎に８個、１２個又は１６個の投影係数を記憶するのに使用される。利点として、不透明度関数（又は同等の様式における視感度）を表す投影係数が推定されるレイ２１、２２の数は、シャドウ平面のゾーンを含むシーンをカバーする投影テクスチャ・マップの部分の画素の数に対応しており、各々のレイは、投影テクスチャ・マップのこの部分の画素を通過している。

利点として、各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値αは、±１／Ｎの比率に等しく、ここでＮはサンプリングされる光源１０のサンプル１０１、１０２、１０３の数に対応している。考察対象のシャドウ平面とレイとの交点に対応付けられた不透明度の値αに対応付けられた（正又は負の）符号は、考察対象のシャドウ平面に対する垂線と考察対象のレイとによって形成される角度によって決まる。したがって、レイと考察対象のシャドウ平面に対する垂線とによって形成される角度が９０°（π／２）より大きい場合、α ＝ ＋１／Ｎであり、すなわち、レイがこのシャドウ平面を通過すると、レイに沿う不透明度レベルは増大する。レイと考察対象のシャドウ平面に対する垂線とによって形成される角度が９０°（π／２）より小さい場合、α ＝ −１／Ｎであり、すなわち、レイがこのシャドウ平面を通過すると、レイに沿う不透明度レベルは減少する。別の実施形態によれば、各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値αは、プラス（＋）又はマイナス（−）の所定の定数に等しく、パラメータとして記憶されるか、あるいは、システムのユーザによって選択される（角度によって決まる正又は負の）定数に等しい。

シャドウ平面が生成されると、このシャドウ平面と、投影テクスチャ・マップの画素を通過するレイの各々との交点が決定される。レイとシャドウ平面とによって形成される角度に従って、不透明度の値の符号が決定され、レイの起源と交点の各々との間の距離が決定される。各々のレイについての投影係数の値は、１つ又は複数の投影テクスチャ・マップにおいて更新される。

投影テクスチャ・マップの画素を通過する各々のレイ２１、２２についての推定された投影係数は、そのレイに対応付けられた不透明度関数を規定でき、その例が図４に示されている。図４には、各々のレイ２１、２２の起源と、そのレイの考察対象の点との間の進んだ距離ｘによって決まる不透明度の変化が示されている。１と付された実線グラフは、図２において２１として参照されているレイ１に沿う不透明度レベルの変化を示し、点線グラフ２は、図２において２２として参照されているレイ２に沿う不透明度レベルの変化を示している。なお、０に等しい不透明度レベルは、シーンの照明されたゾーンに属する点に対応し、１００に等しい不透明度レベルは、シーンの（すなわち、光源からの光を受け取らないゾーン）に属するレイの点に対応し、０と１００の間（０及び１００は含まない）にある不透明度レベルは、半影ゾーン内にあるレイの点（すなわち、光源によって放射された全部の光の量の一部を受け取っている点）に対応している。

別の実施形態によれば、レイのある点に対応付けられた不透明度レベルは、その考察対象の点に到達するレイが通過する各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値の合計に対応する。

レイの各々の点について、当該点において受け取られる光の量は、当該点における不透明度レベルから決定される（利点として、このレイに対応付けられた投影係数から決定される）。点Ｐが受け取るこの光の量は、シーンのビューポイント２３に従うイメージ平面２３０の（この点Ｐに対応付けられた）画素点に対応付けられた属性（例えばルミナンス・レベル）を規定できる。

図５には、シーン１を通過するレイに沿う、不透明度関数を表す投影係数の推定と、該シーンのある点に対応付けられた不透明度レベルによって決まる、該点において受け取られる光の量の推定と、１つ又は複数のイメージの表示信号の作成と、に適応するように構成された装置５の実施形態が図表で示されている。装置５は、例えば、パーソナル・コンピュータＰＣ、ラップトップ、あるいは、ゲーム機に対応している。

装置５には、クロック信号も送る、アドレス及びデータ用のバス５５によって相互に接続された次の構成要素、すなわち、
― マイクロプロセッサ（又はＣＰＵ）５１、
― 幾つかのグラフィックス・プロセッシング・ユニット（すなわち、ＧＰＵ）５２０とグラフィカル・ランダム・アクセス・メモリ（ＧＲＡＭ）５２１とを備えたグラフィックス・カード５２、
― ＲＯＭ（「リード・オンリ・メモリ」）タイプの不揮発性メモリ５６、
― ランダム・アクセス・メモリ、すなわち、ＲＡＭ５７、
― 例えばキーボード、マウス、ウェブカメラのような、１つ又は複数のＩ／Ｏ（「入力／出力」）機器５４、及び、
― 電源５８
が含まれている。

装置５には、グラフィックス・カード５２に直接接続されており、特に、該グラフィックス・カードで計算され構成されたコンピュータ生成グラフィックスの描画を例えばライブで表示するディスプレイ・スクリーン・タイプの表示装置５３も含まれている。表示装置５３をグラフィックス・カード５２に接続する専用バスを使用することによって、データ伝送ビットレートが大幅に高まり、したがって、グラフィックス・カードによって構成されたイメージの表示についての待ち時間が減少するという利点が得られる。別の実施形態によれば、表示装置が、装置５の外部にあり、表示信号を送信するケーブルによって装置５に接続されている。装置５、例えばグラフィックス・カード５２は、例えばＬＣＤ、プラズマ・スクリーン又はビデオ・プロジェクタのような外部表示手段に表示信号を送信するのに適した送信媒体、すなわち、コネクタ（図５では表されていない）を備えている。

なお、メモリ５２、５６及び５７の説明で使用する「レジスタ」という用語は、これらのメモリの各々において、低容量（一部のバイナリ・データ）のメモリ・ゾーン、並びに、大容量の（プログラム全体の記憶を可能にする、あるいは、計算済み又は表示すべきデータを表すデータの全部又は一部の記憶を可能にする）メモリ・ゾーンを意味している。

電源が投入されると、マイクロプロセッサ５１は、ＲＡＭ５７に収められたプログラムの命令をロードして実行する。

ランダム・アクセス・メモリ５７には、特に、
― レジスタ５７０における、装置５上のスイッチングを担っているマイクロプロセッサ５１の動作プログラムと、
― シーン１を表すパラメータ５７１（例えば、遮蔽物体１１及び１２の第１のメッシュ・エレメントの頂点と縁端部（辺）、面光源１０に対応付けられた照明パラメータ）と、
が収められている。

後述する本発明に特有の方法のステップを実施するアルゴリズムが、これらのステップを実施する装置５に対応付けられたグラフィックス・カード５２のメモリＧＲＡＭ ５７に記憶される。電源が投入されて、メディアを表すパラメータ５７０がひとたびＲＡＭ５７にロードされると、グラフィックス・カード５２のグラフィックス・プロセッシング・ユニット５２０は、これらのパラメータをＧＲＡＭ５２１にロードして、これらのアルゴリズムの命令を、例えばＨＬＳＬ（「Ｈｉｇｈ Ｌｅｖｅｌ Ｓｈａｄｅｒ Ｌａｎｇｕａｇｅ」）言語、ＧＬＳＬ（「ＯｐｅｎＧＬ Ｓｈａｄｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ」）言語を使用する「シェーダ」タイプのマイクロプログラムの形態で実行する。

ＧＲＡＭランダム・アクセス・メモリ５２１には、特に、
― レジスタ５２１０における、シーン１を表すパラメータと、
― 面光源のサンプリングを表すパラメータ５２１１（例えばサンプル数、サンプルに対応付けられたインデックス（指標））と、
― シーンの遮蔽物体の第１のメッシュ・エレメントを表すパラメータ５２１２（例えば第１のエレメントに対応付けられた頂点と縁端部（辺）、各々の第１のエレメントに対応付けられたインデックス）と、
― 第１のメッシュ・エレメントの第２の細分化エレメントを表すパラメータ５２１３（例えば第２のエレメントに対応付けられた頂点と縁端部（辺）、各々の第２のエレメントに対応付けられたインデックス）と、
― シャドウ平面を表すパラメータ５２１４（例えばシャドウ平面の生成を可能にした第２のエレメント、シャドウ平面に対応付けられた不透明度の値）と、
― レイと該レイが通過するシャドウ平面との交点を表すパラメータ５２１５（例えばレイの起源と考察対象の交点との間の距離、通過するシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値の正又は負の符号）と、
― レイに沿う不透明度関数を表す投影係数５２１６と、
― レイ２１、２２の１つに属するシーンの点において受け取られる光の量を表す値５２１７と、
が収められている。

別の実施形態によれば、ＧＲＡＭ５２１において利用可能なメモリ記憶スペースが不十分であれば、ＣＰＵ５１によって、ＲＡＭ５７の一部が、パラメータ５２１１、５２１２、値５２１３、５２１４及び５２１５の記憶用に割り当てられる。しかしながら、この別の実施形態では、ＧＰＵに収められているマイクロプログラムから構成されるシーン１の表象（描写）から成るイメージの構成における待ち時間が長くなってしまう。その理由は、データをグラフィックス・カードからランダム・アクセス・メモリ５７に、バス５５を介して、伝送する必要があり、バス５５の送電能力が、グラフィックス・カードにおいて利用可能な、データをＧＰＵからＧＲＡＭに、及び、その逆に転送する送電能力よりも一般的に低いためである。

更に別の実施形態によれば、電源５８及び／又は表示装置５３は、装置５の外部にある。

図６は、本発明を限定するものではない、本発明の特に有益な第２の実施形態に従って装置５において実施される、シーン１のある点において受け取られる光の量の推定方法が示されている。

初期化ステップ６０において、装置５の種々のパラメータが更新される。特に、シーン１を表すパラメータが任意の方法で初期化される。

次に、ステップ６１において、面光源１０が、複数のサンプルにおいてサンプリングされる。面光源１０は、サンプリングされると、各々のサンプルが対応する点光源の集合に同化される。面光源１０は、例えば、任意の形態を有する面の光源又は容積を有する光源に対応する。この面光源は、シーン１と、特に、光源１０が放射した光の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽物体１１とを照明する。この遮蔽物体は、複数の第１のメッシュ・エレメントから成るメッシュによって画定され、この第１のメッシュ・エレメントは、例えば三角形又は平行六面体である例えば多角形である。シーン１には、少なくとも１つの第２の物体も含まれており、遮蔽物体１１が光源１０とこの少なくとも１つの第２の物体との間に配置されている。したがって、この少なくとも１つの第２の物体の表面１２の一部分は遮蔽物体のシャドウ内にあり、すなわち、シャドウ内のこの部分は光源によって直接放射された光を受け取らずに、遮蔽物体が、光源１０によって、遮蔽物体のキャスト・シャドウ内のこの部分の方向に、放射された全ての光を遮断している。別の実施形態によれば、例えば、面光源が遮蔽物体の近くにあり、かつこれより大きい場合、表面１２にはシャドウ・ゾーンが含まれない。この少なくとも１つの第２の物体の表面１２の少なくとも一部分は半影内にあり、すなわち、この少なくとも一部分は、光源によって放射された光の一部のみを受け取り、遮蔽物体１１が、面光源によって、表面１２のこの少なくとも一部分の方向に、放射された光の一部を遮断している。

次に、ステップ６２において、遮蔽物体１１のメッシュを形成する１つ又は複数の第１のエレメントの各々の辺（縁端部）について、かつ、ステップ６１で生成された光源の複数のサンプルの少なくとも一部の各々のサンプルについて、シャドウ平面が生成される。これらのシャドウ平面は、例えば、考察対象の光源のサンプルからの辺（縁端部）の押し出しによって、生成される。これらのシャドウ平面は、考察対象の光源のサンプルによって照明された辺のシルエットに対応する。シャドウ平面は、例えば、多角形によって形成されたメッシュによって画定され、各々のシャドウ平面は、例えば、２つの三角形によって画定される。遮蔽物体のメッシュの第１のエレメントについて、例えば該第１のエレメントが三角形に対応する場合、４つのシャドウ平面が得られ、そのうちの３つのシャドウ平面が三角形の３つの辺のシルエットに対応し、４つ目のシャドウ平面がその三角形自身に対応する。一般に、ｊ（３又はそれより大きい自然数）個の辺から成る第１のメッシュ・エレメントについて生成されるシャドウ平面の数は、ｊ＋１に等しい。

有益な別の一実施形態によれば、シャドウ平面は、グラフィックス・カード内に含まれるグラフィック・プロセッサのレンダリング・パイプラインの固有の特性を用いて生成され、これには、シャドウ平面の生成と平行して必要な計算を行って、シャドウ平面の生成のライブの様相とシーンの描画とを最適化するという利点がある。この別の一実施形態によれば、１つ又は複数の第１のメッシュ・エレメントは、複数の第２のエレメントに細分化され、シャドウ平面は、したがって、これらの第２のエレメントの幾何学的な変形によって生成される。第１のエレメントの第２のエレメントへの細分化は、利点として、レンダリング・パイプラインのテッセレーション・ユニット（テッセレーション・シェーダ）によって、その場その場で実施され、そして第２のエレメントの幾何学的な変形は、利点として、レンダリング・パイプラインのジオメトリ・シェーダによって、その場その場で実施され、このテッセレーション及びジオメトリ・シェーダは、この処理タイプについて、概念的に構成され最適化される。この別の一実施形態には、シャドウ平面をライブでその場その場で生成できるという利点があり、したがって、ＧＰＵに転送すべきシャドウ平面を生成するためにＣＰＵレベルで行われる計算を簡素化でき、したがって、これらのシャドウ平面をＣＰＵレベルで生成した際に残りの処理のためにグラフィックス・カードに伝送する前に、これらのシャドウ平面の幾何学的形態を表すパラメータを記憶するための必要メモリ容量を最小限にできる。

また別の一実施形態によれば、シャドウ平面は、遮蔽物体の各々の第１のメッシュ・エレメントについて、あるいは、これらの第１のメッシュ・エレメントの一部のみについて生成され、シャドウ平面が生成されるこれらの第１のエレメントの数は、所望のシーンについての描画の品質と精度によって選択される。更にまた別の一実施形態によれば、例えば、遮蔽物体のサイズが小さい時に、例えば、該遮蔽物体が、１つの第１のメッシュ・エレメントのみから成るメッシュによって画定される場合、シャドウ平面は、１つの第１のメッシュ・エレメントについてのみ生成される。

同様に、シャドウ平面は、各々の第１のメッシュ・エレメントについて、かつ、光源サンプルの全部又は一部について、所望の描画の品質とグラフィックス・カードのレベルにおいて利用可能な計算能力とに従って生成される。

次に、ステップ６３において、所与のビューポイントからシーンの方向に放射されたレイに沿う、関数ベースにおいて不透明度関数を表す投影係数が推定される。不透明度関数は、該関数が対応付けられたレイに沿う不透明度レベルの変化を示している。この不透明度関数は、利点として、対応付けられた投影係数を介して、正規直交関数ベース、例えばフーリエ関数ベースにおいて示される。投影係数が推定されるレイは、本来、シーンの確定したビューポイントを有し、このビューポイントに対応付けられた投影テクスチャ・マップの画素を通過するレイとして定義される。シャドウ平面が生成されるに従って、レイと各々の新たに生成されるシャドウ平面との交点が決定され、投影係数が、例えば等式１０を用いて更新される。投影係数は、生成されたシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値から更新され、該不透明度の値と、特にこれに対応付けられた正又は負の符号とは、レイと、該レイが通過する生成されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度に従って決定される。不透明度の値の正の値は、レイと、この同じレイが通過するシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より大きい場合に、等式１０において使用されるが、該角度が９０°より大きいということは、レイが、生成されたシャドウ平面を通過した際に、不透明度のレベルがこのレイに沿って増加すること、すなわち、レイが考察対象のシャドウ平面を通過した際に、光源から受け取られる光の量がこのレイに沿って減少することを意味している。また、不透明度の値の負の値は、レイと、この同じレイが通過するシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より小さい場合に、等式１０において使用されるが、該角度が９０°より小さいということは、レイが、生成されたシャドウ平面を通過した際に、不透明度のレベルがこのレイに沿って減少すること、すなわち、レイが考察対象のシャドウ平面を通過した際に、光源から受け取られる光の量がこのレイに沿って増加することを意味している。

利点として、各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値は、１を面光源のサンプル数で除算した値に等しい。別の実施形態によれば、各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値は、面光源によって放射された光の全体量を面光源のサンプル数で除算した値に対応する比率に等しい。更に別の実施形態によれば、各々のシャドウ平面に対応付けられた不透明度の値は、所定の任意の値、あるいは、ユーザによって設定された値に等しい。

レイに対応付けられた投影係数は、利点として、１つ又は複数の投影テクスチャ・マップにおいて、この考察対象のレイが通過する投影テクスチャ・マップの画素のレベルで、記憶される。投影テクスチャ・マップは、ＲＧＢαマップ・タイプ（Ｒｅｄ（赤）、Ｇｒｅｅｎ（緑）、Ｂｌｕｅ（青）、アルファ）に対応し、各々のＲＧＢαチャンネルは、投影係数を記憶するのに使用される。

ステップ６３に関して上述した処理は、利点として、ビューポイントを起源として有する幾つかのレイについて、例えば、ビューポイントに対応付けられた投影テクスチャ・マップ内に在る画素と同数のレイについて実施される。別の実施形態によれば、投影係数が推定されるレイの数は、投影テクスチャ・マップの一部分の画素数、すなわち、シャドウ平面を含むシーン１のゾーンをカバーする投影テクスチャ・マップの一部分の画素についての画素数に対応する。投影テクスチャ・マップが対応付けられるビューポイントは、利点として、シャドウ平面を含むシーンのゾーンをカバーする投影テクスチャ・マップが最小限になることによってレイの数が制限され、したがって、投影係数を推定するのに必要な計算が制限されるように選択される。投影テクスチャ・マップの解像度は、投影係数を推定するのに必要な計算が制限される一方で、イメージの描画の品質が最適化されるように選択される。投影テクスチャ・マップの解像度は、例えば、１２８×１２８画素、５１２×５１２画素に等しく、そして４０９６×４０９６画素まで高めることができる。

最後に、ステップ６４において、対応付けられた投影係数が推定されたレイに属するシーンのある点に対応付けられた不透明度レベルを表す値が推定される。この考察対象の点に対応付けられた不透明度レベルは、この考察対象のレイに対応付けられた不透明度関数を用いて推定され、この不透明度関数は、不透明度レベルを表す値が求められる点を含むレイに対応付けられた投影係数によって表される。不透明度レベルを表す値は、例えば等式３を用いて計算され、この等式３の変数ｄは、レイの起源と、レイに沿う考察対象の点との間の距離に対応する。

ステップ６２から６４は、利点として、例えば遮蔽物体１１がシーン内で移動する場合、あるいは、ユーザがシーン１を見るビューポイントが変わる場合に、イメージ毎に反復される。

当然、本発明は、上述の実施形態には限定されない。特に、本発明は、シーンのある点における不透明度レベルを表す値の推定方法には限定されず、シーンのある点において受け取られる光の量の推定方法にも及ぶ。また、本発明は、この方法を実施する任意の装置にも及び、詳しくは、少なくとも１つのＧＰＵと、描画方法又はモデル化方法のステップを実行するためのプログラム・コード命令を含むコンピュータ・プログラム・プロダクトと、描画方法又はモデル化方法を実施するための実行可能な命令が記憶される任意の記憶手段（例えばＲＡＭ又はＧＲＡＭタイプ、フラッシュ・メモリ、ＣＤ、ＤＶＤ）と、を備える全ての装置にも及ぶ。図２、３及び６に関して説明されたステップの実施も、シェーダ・タイプのマイクロプログラムにおける実施には限定されず、任意のプログラム・タイプ、例えばＣＰＵタイプのマイクロプロセッサによって実行できるプログラムにおける実施にも及ぶ。

利点として、投影係数の推定に使用されるベース関数は、正規直交ベース、例えばフーリエ・タイプの関数である。別の実施形態によれば、使用されるベース関数は、ルジャンドル（Ｌｅｇｅｎｄｒｅ）多項式、あるいは、チェビシェフ（Ｔｃｈｅｂｙｃｈｅｖ）多項式である。

本発明の用途は、ライブ用途には限定されず、その他の任意の用途にも、例えばコンピュータ生成画像の描画についてのレコーディング・スタジオにおける、例えば、いわゆるポストプロダクションの処理作業にも及ぶ。ポストプロダクションにおける本発明の実施によって、特に、必要な計算時間を低減する一方で、リアリズムの観点で優れた視覚的描画が得られるという利点が提供される。

本発明は、また、２次元又は３次元におけるビデオ・イメージを構成する方法にも関しており、このビデオ・イメージについて、ある点において受け取られる光の量が計算され、その結果得られたルミナンスを表す情報が観察方向２３１に沿うイメージ画素の表示に使用され、その各々の画素は観察方向に対応している。表示用にイメージの画素毎に計算されたルミナンス値は、観察者の種々のビューポイントに適応するように再計算される。

本発明は、例えば、ＰＣ又は携帯型コンピュータにおいて実行可能なプログラムを介してでも、あるいは、イメージをライブで生成して表示する専用ゲーム機においてでも、ビデオ・ゲーム・アプリケーションに使用できる。図５に関して説明した装置５は、利点として、キーボード及び／又はジョイスティックのようなインタラクション手段を有し、例えば音声認識のような、コマンドを入力するその他のモードも可能である。

Claims (14)

1. シーン（１）のある点（１３）における不透明度を推定する方法であって、前記シーン（１）は面光源（１０）によって照明されており、前記シーンは前記面光源（１０）によって放射された光の一部を遮蔽する少なくとも１つの遮蔽物体（１１）を含み、前記遮蔽物体（１１）はメッシュによって画定されており、前記方法は、
   前記面光源（１０）を複数のサンプル（１０１、１０２、１０３）においてサンプリングするステップ（６１）と、
   前記複数のサンプル（１０１、１０２、１０３）のうちの少なくとも１つのサンプル（１０１）について、かつ、前記少なくとも１つのサンプル（１０１）から可視である前記遮蔽物体（１１）の少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメント（３０）について、前記少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメント（３０）の辺毎に１つのシャドウ平面（３０１、３０２、３０３）を生成するステップ（６２）と、
   前記シーンのあるビューポイント（２０）を起源として有し、かつ前記シーンを通過する少なくとも１つのレイ（２１）と、該少なくとも１つのレイ（２１）によって通過された前記シャドウ平面との交点（２１０、２１１、２１２）の集合についての不透明度を表す値から、前記通過されたシャドウ平面の各々に対応付けられた垂線と前記少なくとも１つのレイ（２１）とによって形成される角度に従って、関数ベースにおいて投影係数を推定するステップ（６３）と、
   前記推定された投影係数から、前記少なくとも１つのレイのある点における不透明度レベルを表す値を推定するステップ（６４）と、
   を含むことを特徴とする、前記方法。
2. 前記投影係数は、前記少なくとも１つのレイ（２１）によって通過された前記シャドウ平面に対応付けられた不透明度レベルの重み付けされた合計から推定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つのレイ（２１）と前記少なくとも１つのレイ（２１）によって通過されたシャドウ平面（２００１）に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より大きい場合、前記不透明度レベルは前記少なくとも１つのレイ（２１）に沿って増加し、前記少なくとも１つのレイ（２１）と該前記少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面（２００４）に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より小さい場合、前記不透明度レベルは前記少なくとも１つのレイ（２１）に沿って減少することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのレイがシャドウ平面との交点を有する場合、前記不透明度レベルは、前記面光源（１０）よって放射された光の全体の量をサンプル数で除算した値に等しい比率に対応する値だけ、増加又は減少することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記シャドウ平面を生成するステップは、前記少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメント（３０）を複数の第２のエレメントに細分化するステップを含み、前記シャドウ平面（３０１、３０２、３０３）は前記第２のエレメントの幾何学的な変形によって生成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記関数ベースはフーリエ関数ベースであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記投影係数は、少なくとも１つの投影テクスチャ・マップ（２０１）に記憶されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. シーンのある点における不透明度を推定するように構成された装置（５）であって、前記シーンは面光源によって照明されており、前記シーンは前記面光源によって放射された光の一部を遮蔽する少なくとも１つの遮蔽物体を含み、前記遮蔽物体はメッシュによって画定されており、前記装置は、
   前記面光源を複数のサンプルにおいてサンプリングし、
   前記複数のサンプルのうちの少なくとも１つのサンプルについて、かつ、前記少なくとも１つのサンプルから可視である前記遮蔽物体の少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントについて、前記少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントの辺毎に１つのシャドウ平面を生成し、
   前記シーンのあるビューポイントを起源として有し、かつ前記シーンを通過する少なくとも１つのレイと該少なくとも１つのレイによって通過された前記シャドウ平面との交点の集合についての不透明度を表す値から、前記通過されたシャドウ平面の各々に対応付けられた垂線と前記少なくとも１つのレイとによって形成される角度に従って、関数ベースにおいて投影係数を推定し、
   前記推定された投影係数から、前記少なくとも１つのレイのある点における不透明度レベルを表す値を推定する、
   ように構成された少なくともプロセッサを備えていることを特徴とする、前記装置。
9. 前記投影係数は、前記少なくとも１つのレイ（２１）によって通過された前記シャドウ平面に対応付けられた不透明度レベルの重み付けされた合計から推定される、請求項８に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つのレイと該前記少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より大きい場合、前記不透明度レベルは前記少なくとも１つのレイに沿って増加し、前記少なくとも１つのレイと該前記少なくとも１つのレイによって通過されたシャドウ平面に対応付けられた垂線とによって形成される角度が９０°より小さい場合、前記不透明度レベルは前記少なくとも１つのレイに沿って減少することを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのレイがシャドウ平面との交点を有する場合、前記不透明度レベルが、前記面光源よって放射された光の全体の量をサンプル数で除算した値に等しい比率に対応する値だけ、増加又は減少することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記少なくともプロセッサが、更に、前記少なくとも１つの第１のメッシュ・エレメントを複数の第２のエレメントに細分化するように構成されており、前記シャドウ平面が前記第２のエレメントの幾何学的な変形によって生成されることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. コンピュータ上で実行される場合に請求項１から７のいずれか１項に記載の方法のステップを実行するためのプログラム・コード命令を備えていることを特徴とする、コンピュータ・プログラム製品。
14. 請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を実施するために、コンピュータによって実行可能な命令の集合を記憶するコンピュータ可読記憶手段。

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