JP2508513B2

JP2508513B2 - 画像発生装置

Info

Publication number: JP2508513B2
Application number: JP61250584A
Authority: JP
Inventors: ジョンヘドリーデビッド; ウィリアムリチャーズジョン
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: US4953107A; GB2181929A; GB2181929B; DE3686233T2; JPS6295666A; DE3686233D1; EP0221704B1; EP0221704A3; EP0221704A2; GB8525925D0

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は画像信号処理に関し、特に三次元画像の生成
及び操作方法、及び装置に関する。

このように生成された画像は背景となる映像信号に画
像を付け加えることによってシミュレートされ、出来あ
がったシーンの一部を形成する。この出来あがったシー
ンは、例えば、フライトシミュレータのようなシミュレ
ータやテレビゲームのディスプレイ、そして更に一般的
には映画の作成のようにデジタル信号によって場面をシ
ミュレートする時に使われる。

〔発明の概要〕

物体の３次元形状を定義するアドレスデータを記憶す
る第１記憶手段と、上記物体の二次元表面の詳細を定義
するビデオデータを記憶する第２記憶装置と、空間中の
上記物体を移動させ、且つ／または方向を変えるために
上記アドレスデータを操作する第１手段と、上記操作後
に上記物体の二次元画像を定義する変形アドレスデータ
を形成するために上記操作されたアドレスデータを透視
変形するための第２手段と、上記変形アドレスデータの
制御に基づき、上記物体の二次元画像を定義する出力ビ
デオデータの形で、上記操作及び上記変形の後に、上記
表面の詳細データとともに上記ビデオデータを書き込む
第３記憶装置を含む画像発生装置。

〔従来の技術〕

ディズニーのまんが映画のような手作りのアニメーシ
ョンは長い期間に亘ってよく知られているが、これは製
作に時間も費用もかかる。近年、映画の作成において要
求されるアニメーションを達成するのに模型を使い、こ
の模型を１コマずつ動かす方法が広く行われている。

更に最近では、いわゆるデジタル画像シミュレーショ
ンがビデオや映画の動くシーンの１コマ１コマをコンピ
ュータで作成するために使われている。この技術では作
成できるシーンには制限がないとされ、SF映画のシーン
を作成するのに応用されている。デジタル画像シミュレ
ーションの特徴は莫大な量のデータを記憶し、処理しな
ければならないことであり、従ってコンピュータも処理
能力のすぐれたものが要求される。例えば、アップソン
は、コンピュータFX'84で紹介され、1984年イギリスの
ピンナーでオンライン出版から出版された「将来の映画
及び商用製作向け大規模デジタル映画シミュレータ」の
中で２×10⁷個のドットから成る１コマ当たり1.2×10¹¹
回以上の計算処理能力が要求されることを示唆した。現
在入手し得る最高処理能力を有する汎用コンピュータ
は、おそらく１秒間に２×10⁸回以上の計算ができるタ
レイXMPであろう。しかし、このコンピュータでさえ、
１コマを作成するのに何秒もかかる。より処理速度の遅
い、低価格のコンピュータでは１コマを作成するのに何
時間もかかるのも当然である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

デジタル画像シミュレーションでの中心的な問題は三
次元物体の作成及び処理であり、本発明は特にこの問題
に関するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明によれば、仮想物体の３次元形状を定義するアドレスデータを記
憶する第１の記憶手段と、上記仮想物体の２次元表面の詳細を定義するビデオデ
ータを記憶する第２の記憶手段と、上記第１の記憶手段から上記アドレスデータが供給さ
れ、該アドレスデータを操作することにより上記仮想物
体の位置及び大きさを制御する第１の処理手段と、該第１の処理手段から上記操作後のアドレスデータが
供給され、該操作後のアドレスデータに変換処理を施し
て上記仮想物体を透視変換して得られる２次元画像を定
義する変形アドレスデータを形成する第２の処理手段
と、上記第２の記憶手段から上記ビデオデータが供給さ
れ、上記第２の処理手段から出力される上記変形アドレ
スデータに基いて上記ビデオデータに対してデータの挿
入処理を行なう第３の処理手段と、背景データを発生する背景データ生成手段と、上記背景データ生成手段にて生成された背景データを
記憶した後に、上記第２の処理手段から出力される上記
変形アドレスデータにて示される位置については上記背
景データに替えて上記第３の処理手段から出力される処
理後の上記ビデオデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段から読み出されたデータを表示する表示手
段と、を備えたことを特徴とする画像発生装置を提供する。

〔作用〕

上記装置により、常に変化するディスプレイに対し、
一連の画像を形成するビデオ出力信号をリアルタイムで
生成でき、また画像はもっと遅く作成することもでき、
以後に表示するためにビデオテープ、ビデオディスク、
またはフィルムに記憶させることもできる。

〔実施例〕

本発明に係る画像発生装置の一実施例とその修正例
を、まず比較的簡潔に述べ、次にこの実施例のある部分
をより詳しく述べる。

第１図で、画像発生装置は第１及び第２のデータ記憶
装置（１），（２）を含む。記憶装置（１）はビデオ画
像を発生するのに必要な、少なくとも１つの、好ましく
は多くの物体の三次元の形状を定義するアドレスデータ
を記憶する。記憶装置（２）は、形状記憶装置（１）に
記憶されている物体の二次元の面を詳しく定義するビデ
オデータが記憶されている。記憶装置（１），（２）は
夫々のマイクロプロセッサ（３），（４）を介して、マ
ッピング記憶装置（５）と、更に表面詳細データ記憶装
置（６）に夫々接続されている。マイクロプロセッサ
（３）の制御によって、選択された単一の物体に関する
アドレスデータが形状記憶装置（１）から導出されマッ
ピング記憶装置（５）に記憶される。同様に、マイクロ
プロセッサ（４）の制御により、選択された物体の表面
の詳細に関するビデオデータが表面データ記憶装置
（２）から導出され、表面詳細データ記憶装置（６）に
記憶される。

マッピング記憶装置（５）はポストマップマトリクス
（７）にアドレスデータを供給し、このデータを操作し
て、空間にある物体の方向を動かすまたは／及び変化さ
せる。操作されたアドレスデータは透視変形装置（８）
に供給され、物体の画像を二次元で定義する変形アドレ
スデータに変形され、フィールド記憶装置（９）に供給
され、Ｘ軸及びＹ軸方向への書き込み制御を形成する。
この制御により、物体の表面の詳細に関し、且つ表面詳
細データ記憶装置（６）から導出されたビデオデータが
フィールド記憶装置（９）に書かれ、ビデオ出力信号を
形成する。必要とされる位置の一致は物体の表面を詳細
に表わす最初のドットを物体の形状の正しい最初のドッ
トと連結され、記憶装置（１），（２）内の残りのアド
レス及びビデオデータを対応する場所に記憶させること
により達成される。また、必要とされる時間的一致は、
透視変形装置（８）からの書き込み制御と同期して、表
面詳細データ記憶装置（６）からのデータを送り出す遅
延装置（10）によって達成され、これらの書き込み制御
は、該書き込み制御に対して行われる処理によって遅延
される。フィールド記憶装置（９）はテレビモニタのよ
うな表示装置（11）を駆動するビデオ出力データを供給
する。これに代えて、またはこれに付け加えて、ビデオ
出力データはビデオテープやビデオディスクのような永
久記憶装置（12）に供給され、更に引き続き、映画用フ
ィルムに移送される。以上の過程は次の製作に於いてく
り返される。

記憶装置（１），（２）はリードオンリメモリでもよ
いがランダムアクセスメモリのほうが好ましい。直方体
や球のような比較的簡単な形状の場合、形状を定義する
アドレスデータは、必要であれば、コンピュータを使い
数学的演算によって求めることができる。また飛行機、
宇宙船、自動車等、比較的複雑な形状の場合は、模型ま
たは実物、及びデジタイザを用いて、コンピュータによ
る詳細な分析を行うことによって求めることができる。
表面の詳細を定義するビデオデータは色調、光度、彩度
に関して以上のことを行える。

ポストマップマトリクス（７）はオフセット（あらゆ
る方向への移動）、スケーリング（拡大、縮小）、ロー
リング（回転）、ピッチング及びヨーイングの５つ及
び、これらを必要に応じて組み合わせた機能を行うこと
ができる。

透視変形装置（８）は、前もって選択した視点に関す
る透視変形を行い、操作されたアドレスデータを二次元
水平面に関する変形アドレスデータに変形する。また、
データの深度に応じて光度を変え、疑似の陰を付けるこ
とにより、透視を強調する等、他の処理を付け加えるこ
とができる。

例えば、ある物体がころがって行く際の変形では、か
くれて見えないはずの表面を消さなければならない。こ
の制御には、以下で詳しく述べるＺ記憶装置（13）が設
けられ、透視変形装置（８）からのＺ軸方向、即ち深度
アドレスデータを受けとり、フィールド記憶装置（９）
にライトイネーブル信号WENを供給するのに使われる。

スケーリングを行うには、表面詳細データ記憶装置
（６）からのビデオ信号を更に処理する必要があり、こ
のために、フィールド記憶装置（９）に先立って、フィ
ルタ（14）と挿入器（15）が設けられている。フィルタ
（14）と挿入器（15）は透視変形装置（８）の出力に応
じて制御される。

フィルタ（14）は、変形が表面詳細データが適用され
ている物体の大きさを縮小する場合に生ずる偽信号を防
止する。従って、特に縮小度合が大きくフィールド記憶
装置（９）に供給される表面詳細データの量を制限せね
ばならない時に用いられる。実際に制限するデータ量は
Ｘ軸及びＹ軸方向の局所的縮小要素に応じて制御され
る。この要素は現在処理されている画像の局部における
縮小比を示す。フィルタ（14）は、透視変形装置（８）
のＸ軸及びＹ軸方向アドレス出力に応じて、Ｘ軸即ち水
平方向とＹ軸即ち垂直方向の局部縮小要素を連続的に出
力する手段を含む。

挿入器（15）は表面詳細データを挿入するために設け
られ、表面詳細データ記憶装置（６）から送り出された
表面詳細ビデオデータの中に挿入用の、新たに付け加え
るサンプル値を出力する。これは、表面詳細データが適
用されている物体の大きさを拡大する変形を行う時、即
ちフィールド記憶装置（９）によってより高い解像度が
要求される場合である。簡潔に言い換えば、これは透視
変形装置（８）から出力されるＸ及びＹアドレスを細分
化し、もって得られるサンプル値に関して挿入する必要
のあるサンプル値の位置を決めるＸ及びＹ方向の剰余空
間を生成する。そして、必要な挿入されるサンプル値を
導出するために、必要な挿入されるサンプル値の位置周
囲の得られるサンプル値の小行列、例えば９列、が各
々、夫々の重み係数と乗算され、その乗算結果が合計さ
れ、必要な挿入されるサンプル値がもとめられる。重み
係数は挿入器（15）内のプログラマブルリードオンリメ
モリ内の参照テーブルに記憶され、Ｘ及びＹ余剰空間値
に応じて読み出される。

背景とともにある複雑なシーン、例えば動くシーンや
複数の動く物体を作成する場合は、第２図を修正した実
施例が用いられる。この場合第１及び第２メモリ、即ち
記憶装置（１），（２）はコンピュータに設けられてい
るディスク内にあり、各々物体の形状を定義する第１デ
ータ、対応する表面の詳細を定義する第２データを記憶
する。この実施例は基本的には第１図と同一であるが、
それにビデオテープ、ビデオディスク、またはビデオカ
メラを含む背景源（16）が付け加えられている。具体的
には、背景源（16）は、まず一面分の背景データをフィ
ールド記憶装置（９）に供給する。背景データは静止
像、または実録ビデオのような動く画像を定義する。

第１の物体に対するアドレスデータは該第１の物体の
表面の詳細を表わす各々のドットのＸ及びＹ方向書き込
み制御信号を供給する透視変形装置（８）を介してフィ
ールド記憶装置（９）に送られ、Ｚ記憶装置（13）から
送られるライトイネーブル信号WENの制御に基づいて、
既に記憶されている背景データの上に表面詳細データが
書き込まれる。更に透視変形装置（８）はこの場合、表
面の詳細を表わす各ドットアドレスに対するＺ方向のデ
ータをＺ記憶装置（13）に供給する。ここで、背景デー
タがフィールド記憶装置（９）に書き込まれた時に各ド
ットアドレスに書き込まれたＺ方向データの最大値を書
き直し、ライトイネーブル信号WENを供給させる。次
に、第２の物体に対するデータが、該第２の物体の表面
の詳細を表わす各ドットのＺ軸方向データをＺ記憶装置
（13）に供給する透視変形装置（８）を介して処理さ
れ、深度を、既に記憶されているＺ方向データに対応す
る深度と比較する。この処理は背景または第１の物体に
関するものでもよい。前者の場合、Ｘ及びＹ方向データ
がフィールド記憶装置（９）に既に記憶されている背景
データを書き替え、ライトイネーブル信号WENがフィー
ルド記憶装置（９）に供給される。後者の場合、第２の
物体のドットの深度が第１の物体のドットの深度より小
さいなら、第２の物体のＸ及びＹ方向データがフィール
ド記憶装置（９）内の第１の物体のＸ及びＹ方向データ
を書き替えるだけであり、ライトイネーブル信号WENは
フィールド記憶装置（９）に供給されるだけである。こ
れらの処理は他の残りの物体について繰り返し行われ
る。

１つの代替法として、深度データを背景データと関連
させてもよい。例えば、目標とする画像が曇り空を飛ぶ
飛行機を含むとすると、背景データは、各ドットのＺ方
向データの最大値を関連付けた青空と選択された異なる
Ｚ方向データを関連づけた曇である。異なる雲は、当然
異なる深度に位置し、１場面から次の場面へと移動す
る。従って、飛行機はある雲の前及び他の雲の後を飛
び、空中で比較的静止している物体、例えば太陽は雲に
かくれたり、現われたりする。第１及び第２図の実施例
におけるＺ記憶装置（13）の動作は同一であり、前に短
く述べたように、かくれた表面を除去する必要がある。

本質的なことではないが、第１図の装置を用いれば、
上記の処理はリアルタイムで実行できる。更に、第２図
の装置では、必要とされる全物体のデータ処理が十分に
素早く行われるのならリアルタイムで処理される。従っ
て、各フィールド期間内では背景データはフィールド記
憶装置（９）にダウンロードし、更に連続的に各物体の
表面詳細データを処理して、フィールド記憶装置（９）
に送らなければならない。もしこれが十分に素早く行え
ず、しかしリアルタイム処理が必要な場合は、並行処理
が用いられる。

第３図は、並行処理を行えるように修正した実施例の
一部分を示す。ここでは、２つの物体に関するデータを
同時に処理するために２つのチャンネル（Ａ），（Ｂ）
が示されているが、それ以上の物体のデータを同時に処
理する必要がある場合はチャンネルを追加することがで
きる。各チャンネル（Ａ），（Ｂ）は第２図の実施例の
（１）〜（８），（10），（14）及び（15）に対応する
要素を含む。各チャンネル（Ａ），（Ｂ）には夫々関連
するＺ記憶装置（13A），（13B）に接続された夫々のフ
ィールド記憶装置（9A），（9B）が設けられている。背
景データはいかなるものでも、フィールド記憶装置（9
A）に書き込まれるが、図示されていない関連するＺ記
憶装置に接続された、これも図示されていない背景デー
タ用付加フィールド記憶装置も設置される。

各ドットに対するＸ及びＹ方向データは各フィールド
記憶装置（9A），（9B）によって同時に2:1セレクタ（2
1）に供給され、一方Ｚ方向データは同時に各Ｚ記憶装
置（13A），（13B）によってて比較器（22）に供給され
る。比較器（22）はセレクタ（21）を制御し、最も小さ
い深度の物体、または背景に関するＸ及びＹ方向データ
のみを表示装置（11）または／及び永久記憶装置（12）
に送らせる。この修正された装置では、最終データをあ
る１場図に組み合わせ、見えないはずの表面を除去する
のに各チャンネル（Ａ），（Ｂ）に十分な処理時間を与
えなければならない。

一般的に、背景と挿入される物体の同一解像度で処理
され、即ち単位面積あたりのドット数は同一であるが、
これは重要ではなく、低解像度でもかまわない時も、む
しろ低解像度を要求される時もあり得る。

これまでの記述で、実施例とその修正例の主な原理を
解説したが、以下、実施例のある部分を残りの図を参照
して、より詳しく説明する。

例として、この装置が１コマ当たり1125本の走査線と
１秒当り60フィールドを使い、ピクチャーアスペクト率
が5:3の高鮮度ビデオシステム用の画像を生成すると仮
定する。この場合、水平走査線当り2048のドットアドレ
スがあり、各コマの各ドットアドレスは、それぞれ11ビ
ット及び10ビットのデータを含むＸ及びＹ方向データに
よって定義される。同様に各ドットアドレスは処理に応
じて、深度、即ち８ビットのデータを含むＺ方向データ
によって定義される。

テレビシステムに於いてリアルタイム処理が必要とさ
れると、１対の交互読み出しフィールドメモリが必要で
ある。従って第１及び２図の実施例ではフィールドメモ
リ（９）が図示されている。一方第３図では、セレクタ
（21）に出力フィールドメモリ２対分の余裕がある。

第１図の実施例の場合、その構成を図示する第４図に
は、ライトアドレスジェネレータ（31）とリードアドレ
スジェネレータ（32）とともに２つのフィールドメモ
リ、即ちフィールド０メモリ（９′）とフィールド１メ
モリ（９″）が含まれている。これらの要素はスイッチ
（33），（34），（35），（36）によって互いに接続さ
れ、各々が場面の切り換わる頻度で作動される。入力端
（37）に供給された画像データは、スイッチ（33）を介
して選択的にフィールド０メモリ（９′）かフィールド
１メモリ（９″）に供給される。表示装置（11）または
永久記憶装置（12）（第１図）に供給される出力画像デ
ータはスイッチ（34）により、選択的にフィールド０メ
モリ（９′）かフィールド１メモリ（９″）から供給さ
れる。ライトアドレスジェネレータ（31）とリードアド
レスジェネレータ（32）は、選択的にまたは交互に、フ
ィールド０メモリ（９′）及びフィールド１メモリ
（９″）とスイッチ（35），（36）とによって接続され
る。書き込みはスイッチ（33）の位置に応じ、またライ
トアドレスジェネレータ（31）の制御に基づいて、交互
にフィールド０メモリ（９′）及びフィールド１メモリ
（９″）に於いて行われる。メモリ（９′）または
（９″）に１フィールド全体のデータが書き込まれる
と、スイッチ（33）と（36）は位置を代え、メモリ
（９′）または（９″）に記憶されている画像データは
連続的にリードアドレスジェネレータ（32）の制御に基
づき、読み出され、出力端（38）に導出される。一方、
次のフィールドの画像データはメモリ（９′）または
（９″）の使われていない方に書き込まれる。

マッピング記憶装置（５）とそれに関連する回路を、
第５図を参照してより詳しく述べる。マッピング記憶装
置（５）は二次元−三次元変換を行い、２つの主入力X,
Yと３つの主出力α，β,Zを有する。ラスタのドットと
入力ｘアドレスはＸ入力に供給され、同様にα出力に接
続されている乗算器（41）にも供給される。ラスタのド
ットの入力ｙアドレスはＹ入力に供給され、β出力に接
続されている乗算器（42）にも供給される。X,Y及びＺ
出力は夫々乗算器（41），（42）、及びＺ出力から出力
される。

マッピング記憶装置（５）は、参照用テーブルとして
作動するランダムアクセスメモリであり、マイクロプロ
セッサ（３）の制御により形状記憶装置（１）から選択
された物体の形状に対応するデータを前もってロードさ
れている。従って、マッピング記憶装置（５）はラスタ
のドットアドレスに対応するx,y座標を物体の三次元形
状に配置するプログラムを含んでいる。各ドットアドレ
スに対し、３つのパラメータ、即ちＸ、及びＹ方向の倍
率乗数であるα，βと絶対深度座標であるＺ、が記憶さ
れている。一次元で考えると、必要な変形を達成するた
めの水平線走査に於ける各ドットアドレスの効果はドッ
トアドレスの水平方向への移動と同様である。このアド
レス変更は原アドレスのｘ座標に倍率乗数を乗算するこ
とによって行われる。実際には、変形による二次元の移
動によって、各ドットアドレスは影響を受けるので、原
ドットアドレスのｘ及びｙ座標にも同様に夫々の倍率乗
数を乗算しなければならない。従って、各ドットアドレ
スはマッピング記憶装置（５）のＸ及びＹ入力に供給さ
れるので、マッピング記憶装置（５）はドットアドレス
に対する適当な倍率乗数α，βをアクセスし、それらを
α及びβ出力に供給する。更に、変形によって第３の、
即ち深度方向のドットアドレスの移動も必要となるが、
このために必要なマッピング記憶装置（５）の処理は、
Ｚ出力、即ち、入力アドレスのX,Y座標によって指定さ
れたドットアドレス及び実行する変形に対応したアドレ
スのＺ座標をアクセスし、供給することである。

入力ドットアドレスに対応する倍率乗数α，βは夫々
乗算器（41），（42）に供給される。同様に入力ドット
のx,yアドレスも夫々乗算器（41），（42）に入力され
る。乗算器（41），（42）は入力x,yアドレスを新要求
値になるように倍率を変え、該新要求値は、マッピング
記憶装置（５）から供給されるＺアドレスと共に、夫々
の出力に供給され、この結果、アドレスはＸ′、Ｙ′、
Ｚ′となる。

この動作は、第６及び７図を参照してこれから述べる
簡単な例によって、よりよく理解されよう。まず、形状
記憶装置（１）に記憶されている第１ビデオデータは第
６図に示すような平面の立方体を定義すると仮定する。
また表面データ記憶装置（２）（第１図）に記憶されて
いる第２ビデオデータは該立方体をさいころに変形する
表面の詳細を定義すると仮定する。第１、第２データで
表わされる画像は大きさが一致していることが望ましい
が、フィールド内の位置や方向は比較的重要ではない。
これは、所定の最初に処理される表面を詳細を表わすド
ット、即ち第７図の正方形の角のうちのひとつは、この
形状の適切なドット、即ち立方体のあらゆる面のあらゆ
る角と一致され得るので、２つのデータは常に対応関係
が維持され得るからである。

従って、マッピング記憶装置（５）からのＸ′,Y′,
Z′アドレスは、立方体の表面の詳細を表わす各ドット
の空間の位置を表わし、これらのアドレスが以下に述べ
るように更に処理された後、表面の詳細のドットの各々
はフィールド記憶装置（９）（第１図）のどこに書かれ
るか、また書かれるか否かを制御し、最終画像を定義す
る出力ビデオデータを生成する。ポストマップマトリク
ス（７）内の空間にあるさいころの方向を以後変えるに
は、最終画像内の見える表面を変えればよいことがわか
る。

ここでは単純なさいころの例をあげたが、この方法は
非常に複雑な形状や表面が複雑な物体にも応用できる。
例えば、飛行機を例にとると、形状を定義するアドレス
データはデジタイザによって入力され、形状記憶装置
（１）に供給される。一方、飛行機の表面の詳細のビデ
オデータは図、または写真によって得、そのうち必要な
データはビデオカメラによって入力され、デジタル化さ
れ、表面データ記憶装置（２）に供給される。更に、記
憶装置（１），（２）は通常、マイクロプロセッサ
（３），（４）の選択に応じられるように、異なる物体
に対応した多種のデータ群と、それらに対応した表面詳
細データを保持している。更に、前述の説明では記憶装
置（１），（２）は別々の存在であるとしているが、こ
れらは１つのメモリ素子内の２つの部分として形成され
ていることは明白である。

第５図は、第１図のポストマップマトリクス（７）と
透視変形装置（８）を示す。簡潔に言えば、ポストマッ
プマトリクス（７）は、オフセット（二次元のみ可
能）、スケーリング、ローリング、ピッチング及びヨー
イングの５つのいずれか、または組みあわせた、三次元
処理を行うものである。これらの処理は全て公知であ
り、必要なマトリククスについては、1984年、チャップ
マンアンドホールコンピューティングから出版されたデ
ニスハリス著「コンピュータグラフィクスと応用」に述
べられている。これらの１つ１つの処理には４×３のマ
トリクスで十分であるが、第４行を加え４×４のマトリ
クスとし、２つまたはそれ以上の機能をかけあわせて、
例えばオフセット点に対するローリング、のような組み
あわせを可能にしている。この例では、オフセット、ロ
ーリング、オフセットバッグの機能が使われ、適切なマ
トリクスが互いに乗算され、必要な効果に対応した１つ
のマトリクスが作られる。この乗算はマイクロプロセッ
サ（43）内で行われ、必要な時は作成されたマトリクス
は係数群として、乗算器や加算器を含むポストマップマ
トリクス（７）にダウンロードされる。

ポストマップマトリクス（７）として使われるビデオ
信号処理回路の一例を第８及び９図を参照して説明す
る。

上述のように、ポストマップマトリクス（７）がオフ
セット、スケーリング、ローリング、ピッチング、ヨー
イング等の三次元的効果を達成するために行う数学的処
理は、例えば上記「コンピュータグラフィクスと応用」
から公知である。しかしながら、本件の場合、画像はリ
アルタイム処理をされなければならず、各場面に必要な
処理はビデオフィールド率で行われなければならず、こ
の例の場合、１秒間に60フィールドである。このような
高速度で処理を行うことは１台のコンピュータでは不可
能なので、この例では高速マイクロプロセッサとハード
ウェアマトリクス回路を含む混合装置を用いる。基本的
には、マイクロプロセッサは、１つの４×４マトリクス
の係数の計算を要求されるが、この４×４マトリクス
は、必要であればオフセット、スケーリング、ローリン
グ、ピッチング、ヨーイングの２つかそれ以上の対応す
るマトリクスを組み合わせた混合マトリクスとなる。

あるドットの三次元入力アドレスがx,y,zで変形後の
ドットの出力アドレスがxnew,ynew,znewであると仮定す
る。一般的には、次の式では正確な変形は未だ指定され
ていない。

xnew＝a₁x＋b₁y＋c₁z＋d₁ ynew＝a₂x＋b₂y＋c₂z＋d₂ znew＝a₃x＋b₃y＋c₃z＋d₃ ここで、a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃,d₁,d₂,d₃は実
行される変形によって決まる係数である。上の式をマト
リクス形式で書き直すと次のようになる。

中央のマトリクスを４×４とし、乗算ができるように
書き替えると次のようになる。

上述のオフセット、スケーリング、ローリング、ピッ
チング、ヨーイングの三次元的効果のいずれでも、また
どのような組み合わせでも、適切なマトリクス、組み合
わせの場合は複数のマトリクスを選択し、マトリクス中
のパラメータ値を必要に応じて交換し、更に組み合わせ
の場合にはマトリクス同士を乗算することによって達成
できる。この最初のステップはプログラムメモリ（51）
に記憶されているプログラムによって制御され、オフセ
ット、スケーリング、ローリング、ピッチング、ヨーイ
ングのうちのどれを指定したかを示す選択入力によっ
て、具体的には、オフセット距離、スケーリング係数、
ローリング、ピッチング、ヨーイングの場合は角度に基
づいて、第８図に示すマイクロプロセッサ（50）によっ
て実行される。上記プログラムの制御に基づき、マイク
ロプロセッサ（50）は適切な４×４マトリクスを選択
し、パラメータを交換し、必要な場合はパラメータを交
換したマトリクスを乗算し、必要な係数a₁〜d₃を含む出
力マトリクスを作成し、夫々のラッチ回路（52）を介し
て夫々の出力に供給される。処理されるビデオ信号の各
々のフィールド期間の間、マイクロプロセッサ（50）は
上述の処理を実行し、次のフィールド期間で使われる係
数a₁〜d₃が得られる。

係数a₁〜d₃は第９図に示すブロックで示されているハ
ードウェアマトリクス回路に供給される。マトリクス回
路は９個の乗算器（60）〜（68）と加算器（69）〜（7
7）を含む。あるフィールドの各ドットの出力xnewは該
ドットの入力x,y,z座標を夫々乗算器（60），（61），
（62）に供給することによって得られる。これらは前回
のフィールドの終了時に、マイクロプロセッサ（50）
（第８図）からダウンロードされた係数a₁,b₁,c₁と夫々
乗算される。乗算器（60），（61）の出力は加算器（6
9）によって加算され、その出力は加算器（70）によっ
て乗算器（62）の出力と加算され、更に加算器（70）の
出力は加算器（71）によって係数d₁と加算される。そし
て、加算器（71）の出力がxnewとなる。出力ynew及びzn
ewも同様にして得られる。

この３つの出力アドレスxnew,ynew,znewは、第５図で
はＸ′,Y′,Z′と符番され、透視変形装置（８）に供給
される。透視変形装置（８）は、Ｘ″,Y″アドレスを
Ｚ″アドレスに応じて、また選択された目視距離に適応
することにより、幾何学的透視図を生成する。これも公
知技術であり、方法については上記「コンピュータグラ
フィクスと応用」に記載されている。透視変形を行う必
要性は簡単な例で説明できる。例えば、二次元の長方形
がそれ自身の上辺と一致する水平線に対して後方に移動
したとする。上述のように、画像の各ドットはＺアドレ
スを得る（軸に沿って存在するドットのＺアドレスは０
である）。しかし、初めは、画像の底辺の長さは上辺の
長さと同じ長さとなってしまう。言いかえれば、移動が
三次元で行われていると、目をだますための透視効果が
全く出ていないのである。透視変形装置（８）の作用は
幾何学的透視効果を加えることであり、上述の簡単な例
では、底辺を短くし、更に間にはいる水平線を短くする
ことである。

次に、かくれた表面を除去する方法について、第１〜
３図を参照し、メモリ（９′）または（９″）のうちの
１つとライトアドレスジェネレータ（31）をより詳しく
は第10図を参照して、第４図のフィールドメモリの配置
を述べることにより、説明する。メモリ（９′）及び
（９″）は各々光度／色度メモリ（81）とＺメモリ（8
2）を含む。以下に説明するように、Ｚメモリ（82）は
メモリ（９′）及び（９″）と共通であることが好まし
い。光度／色度メモリ（81）（以下X/Yメモリ（81）と
よぶ）は、二次元、即ちＸ及びＹアドレス、即ちテレビ
ジョンスクリーンの平面内のサンプルのラスタ位置に応
じてパルスコードに変調された光度及び色度信号を形成
する８ビットデータを記憶する。従って、上述の例で
は、X/Yメモリ（81）は、約520本の走査線の各々に対す
る2048の、サンプルに関するデータを記憶しなければな
らない。

X/Yメモリ（81）に記憶されるデータは、サンプルの
実際値、即ち光度及び色度（U/V）データであることを
強調する。

Ｚメモリ（82）はX/Yメモリ（81）に記憶されている
光度，色度サンプルデータの各々に対するＺアドレス、
即ち深度情報を表わす８ビットデータを記憶する。そし
て、X/Yメモリ（81）内と同様、このデータはそれぞれ
のサンプルの二次元X,Yアドレスに応じて記憶される。
しかしながら、Ｚメモリ（82）に記憶されているデータ
はサンプルのＺ方向、即ち深度方向の位置のみに関し、
サンプルの実際値には関係ないことを強調しておく。Ｚ
メモリ（82）に記憶されるデータは８ビット長である
が、これは重要でない。これより短いデータも長いデー
タも、Ｚ方向に隣接する２つのサンプル位置を表示する
際の精度に応じて、使われ得る。

ライトアドレスジェネレータ（31）は、上述のように
X,Y,Zアドレス信号を発生する。Ｘ及びＹアドレス信号
はX/Yメモリ（81）に供給され、Ｚアドレス信号はＺメ
モリ（82）に供給される。入力（83）を介してX/Yメモ
リ（81）に供給される８ビットデータは、Ｚメモリ（8
2）に関連する比較回路から発生されるライトイネーブ
ル信号▲▼に応じて、記憶されるか、あるいは記
憶されない。この比較は書き込みの前に行われる。何故
なら、X/Yメモリ（81）に書き込まれるデータはX/Yメモ
リ（81）から読み出される出力フィールドに関するから
であり、従って、かくれた表面のデータは書き込まれな
い。よって、X/Yメモリ（81）からの各入力データに対
し、比較回路は、Ｚメモリ（82）内に保持されているデ
ータをサンプルの位置に関して、入力データに対応する
Ｚアドレスとチェックし、Ｚアドレスが、X/Yメモリ（8
1）内に既に書き込まれているいかなるデータよりも目
視平面に近く、且つサンプル位置に対応していることが
示された時にのみ、入力データはX/Yメモリ（81）に書
き込まれる。このため、Ｚメモリ（82）内のX/Y位置は
各フィールドの垂直方向空白期間内では、ゼロデータレ
ベルにセットされている。このゼロデータレベルは、目
視平面から最も遠い背景データに対応するＺ値に対応す
るので選ばれた。Ｚメモリ（82）内の全データが、この
ように各フィールドに先立ってリセットされるので、Ｚ
メモリ（82）は上述のようにメモリ（９′）及び
（９″）に対し共通である。比較回路は比較を行うのに
ある時間を要するので、X,Yアドレス信号は遅延回路（8
4）を介してX/Yメモリ（81）に供給されるか、または、
ライトイネーブル信号▲▼が供給された時に得ら
れるように、ラッチされる。

Ｚメモリ（82）に関連した比較回路について、第11図
を参照して詳しく述べる。

X,Yアドレス信号及びＺアドレス信号（以下簡単にＺ
データと呼ぶ）は共通に垂直バス（91）を通ってバッフ
ァ回路（92）、または水平バス（93）を通ってバッファ
回路（94）に供給される。垂直及び水平バスイネーブル
信号▲▼、▲▼は夫々バッフ
ァ回路（92）及び（94）に供給され、バッファ回路（9
2），（94）の出力は共通にラッチ回路（95），（96）
及び比較回路（97）に接続されている。チップイネーブ
ル信号▲▼とアドレスクロックADDRCLKはラッチ回
路（95）に供給され、ラッチ回路（95）はＺメモリ（8
2）を形成するランダムアクセスメモリ（RAM）のイネー
ブル入力及びアドレス入力に出力信号を供給する。ラッ
チ回路（96）はＺメモリ（82）のデータ入力に出力信号
を供給し、一方Ｚメモリのデータ出力は比較回路（97）
の第２入力に接続されている。データラッチイネーブル
信号▲▼はラッチ回路（96）と比較回路（97）に
供給され、また、ライトイネーブル信号▲▼は比
較回路（97）によって発生され、X/Yメモリ（81）（第1
0図）とOR回路（98）の１つの入力に供給される。OR回
路（98）の第２入力には、ライトパルス▲▼が供給
され、更にOR回路（98）の出力はＺメモリ（82）の書き
込み入力に供給される。

この回路の動作を、１メモリサイクル時間以上を示す
タイミングチャートである第12図を参照して説明する。
まず、バッファ回路（92）または（94）の１つが、Ｘ及
びＹアドレス信号を供給し、該信号はラッチ回路（95）
にラッチされる。次にＺデータ、正確に言えばサンプル
位置に関する新しいＺデータが、バッファ回路（92）ま
たは（94）によって供給され、ラッチ回路（96）内に保
持され、また同様に比較回路（97）のＰ入力にもラッチ
される。

ラッチ回路（95）は次のアドレスクロックADDRCLKを
受けるとX,Yアドレス信号をＺメモリ（82）に供給され
る。Ｚメモリ（82）はアクセスタイム後に、記憶されて
いる旧Ｚデータを、比較回路（97）のＱ入力に供給し、
ここでデータはラッチされる。新及び旧Ｚデータは次に
比較回路（97）によって比較される。もし新Ｚデータが
旧Ｚデータより大きければ、即ち、ドットアドレスに関
する新Ｚデータが旧Ｚデータより目視平面から近い位置
を表わすなら、（または、これがあるフィールド内のド
ットアドレスに関する最初の入力Ｚデータであり、旧Ｚ
データが０であるため、それより大きい時は）比較回路
（97）はライトイネーブル信号▲▼を供給する。

X/Yメモリ（81）（第10図）がライトイネーブル信号
▲▼を受けると、X/Y位置に関する入力サンプル
データヲX/Yメモリ（81）の適切な位置に書き込む（ま
たは書き替える）。しかしながら、ライトイネーブル信
号▲▼がOR回路（98）の第１入力に、ライトパル
ス▲▼のタイミングで入力されると、ライトパルス
▲▼はＺメモリ（82）の書き込み入力に供給され、
そして新ＺデータがＺメモリ（82）の適切なX/Y位置に
書き替えられる。尚、多くの変化態様が上記装置の正確
な形状及び発生された画像や達成された効果に於いて、
添付されたクレームの範囲から逸脱せずになされること
は、理解されよう。

〔発明の効果〕

上述の実施例から、本発明は、ビデオや映画フィルム
の動くシーンのための画像を生成するのに使われること
が理解されよう。用いる入力データに依り、内容は現実
のものから複雑なSF用のものまで含むであろう。このよ
うな実施例は、ある場合にはリアルタイムの動作を発生
したり、フライトシミュレータやテレビゲームのよう
に、三次元の物体の動きをリアルタイムで制御すること
ができる。複雑な形状の表面の詳細なデータも設定で
き、広範囲の物体形状や表面詳細を記憶しておき、選択
して使用することもできる。背景の画像は、映像や実録
ビデオから入力して合体したり、もし必要であれば、発
生した物体や背景に異なる解像度を指定することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る画像発生装置の一実施例を示す
簡略化したブロック図、第２図は、修正した一実施例を
示す簡略化したブロック図、第３図は、第２図の実施例
を更に修正したものの一部分を示す簡略化したブロック
図、第４図は、第１図の実施例のメモリ装置をより詳細
に示すブロック図、第５図は、第１図の実施例の一部分
を詳細に示すブロック図、第６図は、ある三次元形状を
示す図、第７図は、第６図の形状に適用される二次元表
面の詳細を示す図、第８図は、第５図のポストマップマ
トリクスの一部分をより詳細に示すブロック図、第９図
は、第８図のポストマップマトリクスの別の部分をより
詳細に示すブロック図、第10図は、第４図のメモリ装置
をより詳細に示すブロック図、第11図は、第10図のメモ
リ装置をより詳細に示すブロック図、第12図は、第11図
のメモリ装置の動作を説明するためのタイミングチャー
トである。図中、（１）は形状記憶装置、（２）は表面データ記憶
装置、（３），（４）はマイクロプロセッサ、（５）は
マッピング記憶装置、（６）は表面詳細データ記憶装
置、（７）はポストマップマトリクス、（８）は透視変
形装置、（９）はフィールド記憶装置、（10）は遅延装
置、（11）は表示装置、（12）は永久記憶装置、（13）
はＺ記憶装置、（14）はフィルタ、（15）は挿入器、
（16）は背景源を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−106071（ＪＰ，Ａ) テレビジョン学会技術報告Ｖｏｌ. ９Ｎｏ．20 47−52頁西村明夫他「３次元特殊効果装置」

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】仮想物体の３次元形状を定義するアドレス
データを記憶する第１の記憶手段と、上記仮想物体の２次元表面の詳細を定義するビデオデー
タを記憶する第２の記憶手段と、上記第１の記憶手段から上記アドレスデータが供給さ
れ、該アドレスデータを操作することにより上記仮想物
体の位置及び大きさを制御する第１の処理手段と、該第１の処理手段から上記操作後のアドレスデータが供
給され、該操作後のアドレスデータに変換処理を施して
上記仮想物体を透視変換して得られる２次元画像を定義
する変形アドレスデータを形成する第２の処理手段と、上記第２の記憶手段から上記ビデオデータが供給され、
上記第２の処理手段から出力される上記変形アドレスデ
ータに基いて上記ビデオデータに対してデータの挿入処
理を行なう第３の処理手段と、背景データを発生する背景データ生成手段と、上記背景データ生成手段にて生成された背景データを記
憶した後に、上記第２の処理手段から出力される上記変
形アドレスデータにて示される位置については上記背景
データに替えて上記第３の処理手段から出力される処理
後の上記ビデオデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段から読み出されたデータを表示する表示手段
と、を備えたことを特徴とする画像発生装置。