JP2737940B2 - 立体表現画像の陰影付加装置 - Google Patents

立体表現画像の陰影付加装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、立体を表現した3次元画像に陰影を付加
し、立体の把握を容易にする装置に関する。
〔発明の概要〕
立体表現画像を得る立体データに付随させて立体表面
の法線ベクトル群を前以って生成し、立体を回転させる
等の3次元変換処理を行ったときに、光源ベクトルに対
し上記3次元変換の逆変換を施し、光源ベクトルと法線
ベクトル群との内積に基づいて立体表現画像に陰影を付
加する。立体の回転に伴って法線ベクトルを再計算する
必要がないので、簡単な手段で高速動作が得られる。
〔従来の技術〕
CRTディスプレイ等の2次元(平面)表示面に立体を
透視処理、遠近処理等によって表示する場合に、立体形
状の把握を容易にするために陰影を付加することがあ
る。
第2図は円筒状の表示画像に一方方向からの平行光J
が当たっていることを想定した陰影処理の図である。元
になる立体1の画素に対し、面の法線ベクトルnと光の
ベクトルJとの内積を求め、その値で表示面の輝度や色
度を変化させ、面に対する光の角度に応じた陰影が付加
されるような処理を行っている。
〔発明が解決しようとする課題〕
立体を3次元空間内で回転させることがあるが、陰影
処理のための光ベクトルjの方向は不変である。このた
め回転に追従してリアルタイムで立体に陰影を付加する
には、短時間の微小回転角ごとに面上の多数の法線ベク
トルを計算し直さなければならない。従って極めて高速
に動作する大規模な専用ハードウエアが必要であった。
本発明はこの点にかんがみ、簡単な回路で回転立体に
リアルタイムで陰影を付加し得るようにすることを目的
とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の立体表現画像の陰影付加装置は、3次元空間
に仮想的に配置された物体に対して陰影を付加する立体
表現画像の陰影付加装置において、上記物体の表面の法
線ベクトルを演算する法線ベクトル演算手段(法線ベク
トル発生回路10)と、上記物体に対して回転のような所
望の3次元変換を施す3次元変換手段(3次元トランス
フォーム回路11)と、光源の方向を表わす光源ベクトル
に対して、上記3次元変換の逆変換を施す逆変換手段
(逆補正回路15)と、上記法線ベクトル演算手段によっ
て上記3次元変換される前の物体から演算された上記法
線ベクトルと上記逆変換手段によって逆変換された光源
ベクトルとの内積に基づいて、上記3次元変換された物
体に陰影を付ける手段(内積計算回路16とシェーディン
グ回路18)とを備える。
〔作用〕
立体画像に対し回転のような3次元変換を施す場合、
単一の光源ベクトルに対し逆変換により回転逆補正する
ことにより、光源と法線ベクトルとの角度関係は、固定
光源に対し法線ベクトルが立体の回転に伴って回転した
状態と同等である。従って立体表面の法線ベクトルを回
転に伴って再計算する必要が無い。光源ベクトルに対す
る回転操作は簡単な計算により短時間にできる。
〔実施例〕
第1図に本発明の陰影付加装置(シェーディング装
置)を用いた立体画像表示装置のブロック図を示し、第
5図に従来の同種装置の構成を示す。
第1図及び第5図において、マッピング回路13は、第
3図のように、Aに示す2次元(平面)のフレームイメ
ージIM1を例えば円筒体の表面に張ったようなフレーム
イメージIM2に変換する回路である。マッピング回路13
は入力フレームメモリと出力フレームメモリとを備え、
平面と立体との間の対応絵素B1、B2のアドレスマップに
従って、入力フレームメモリの絵素データを出力フレー
ムメモリに転送する処理を行う。
マッピング用の変換アドレスは立体発生回路10におい
て生成される。ここで生成される立体データSHAPEは、
立体表現上の代表点の3次元空間の位置座標と、各点に
対応する平面フレームイメージIM1の点のアドレスとか
ら成る。生成された立体データSHAPEは3次元空間内で
の移動、回転、拡大、縮小を行う3次元トランスフォー
ム回路11に与えられ、コントロールデータCによって所
望の変換処理が行われる。
トランスフォーム回路11の出力データは3次元→2次
元の変換回路12に送られる。この回路12では、立体表面
の各点の空間座標のうち表示画面の奥行き方向(Z軸)
の座標値を消去してX−Y平面の分布した第3図Bに相
当するフレームイメージIM2のアドレスマップを得てい
る。この際、視点から見えない部分を消去するために、
Z軸の浅い方(画面手前)の点から処理を行い、同一の
X−Y座標においてZ座標の異なる2点が有る場合に
は、深い方の点を除外している。
従来の第5図における陰影処理では、3次元トランス
フォーム回路11の出力の立体データが法線ベクトル計算
回路17に与えられ、立体表面上の各点又は複数の点から
成る画素の座標データより、面の法線ベクトルnが多数
求められる。なお第2図において点P0、P1、P2の座標
を、 P0(x0、y0、z0) P1(x1、y1、z1) P2(x2、y2、z2) としたときの法線ベクトルnは、 a2=〔(y0−y1)(z2−z1)−(z0−z1)(y2−y1)〕 +〔(z0−z1)(x2−x1)−(x0−x1)(z2−z1)〕 +〔(x0−x1)(y2−y1)−(y0−y1)(x2−x1)〕 =X2+Y2+Z2 ……(1) とすると、 n=(X/a、Y/a、Z/a) ……(2) で計算できる。
一方、光源ベクトル発生回路14から第2図の光源ベク
トルJの3次元データが形成される。この場合、平行光
であるから光源ベクトルは1個でよい。法線ベクトルn
と光源ベクトルJとは内積計算回路16に与えられ、内積
が各法線ベクトルごとに求められる。内積値kはシェー
ディング回路18に与えられ、例えばR、G、Bの入力ビ
デオデータに対して輝度又は色飽和度の処理がマッピン
グの前処理として成される。
シェーディング回路18は、第6図に示すように、シェ
ーディング係数メモリ18aと係数乗算回路18bとから成
る。内積計算回路16で計算された内積値k(0<k<
1)は、立体表面上の各法線ベクトルnに対応する点の
アドレスデータ、即ち第3図Aの平面フレームイメージ
のアドレスが割付けられた1フレーム分のシェーディン
グ係数メモリ18aに一旦書込まれる。このメモリ18aの内
容は入力のビデオデータに同期して読出され、係数乗算
回路18bにおいて入力ビデオデータに掛算される。従っ
て次にマッピング回路13にて所定のアドレスマップ(ア
ドレス対応表)に従って2次元表示の立体表面上に割付
けられるビデオ画像に、一定方向からの光が当たった状
態の陰影が付加される。
概述のように、従来の第5図の構成においては、上述
の(1)式及び(2)式に基いて多数の法線ベクトルn
を計算する必要があり、高速で大規模の高価な専用ハー
ドウエアを必要としていた。
第1図はこの点を解消したもので、その原理を第4図
に示す。第4図Aは第2図の円筒形の立体1を上から見
た図で、ベクトルJで示される光が横方向から当たって
いる。ここで立体1を第4図Bのように時計回りにθだ
け回転させたとき、立体1上の或る点の法線ベクトルn
はn′の位置に移動する。一方光源ベクトルJは動かな
いので、Jとn′とで新たなシェーディング係数の計算
を行う必要がある。ところが第4図Cのように光源ベク
トルJを反時計回りに−θだけ回転させれば、元の回転
前の法線ベクトルnと回転した光源ベクトルJ′とで計
算したシェーディング係数が、Bの図で求めた値と同じ
になる。即ち、内積kに関し、 k=n′・J=n・J′ ……(3) が成り立つ。
この原理を利用して、第1図においては、立体及び法
線ベクトル発生回路10において、立体データSHAPEと共
に回転させる必要のない固定の法線ベクトルnのセット
が立体表面の画素又は画素ごとに生成される。
立体及び法線ベクトル発生回路10で生成された法線ベ
クトルnのデータは、内積計算回路16に与えられる。一
方、第5図と同様な光源ベクトル発生回路14からの一つ
の光源ベクトルJは3次元トランスフォーム逆補正回路
15に与えられて、コントロールデータCに応じてトラン
スフォーム回路11で生じた回転成分θとは逆方向(−
θ)の回転操作を受ける。
なお、光源ベクトルJを J=(Jx、Jy、Jz) ……(4) としたとき、X、Y、Zの各軸に対しθx、θy、θz
だけ回転させると、回転後のベクトルJ′は、 により計算できる。この計算は1個のベクトルJに関し
て行えば良いから、非常に簡単なプログラム又はハード
ウエアで瞬時にできる。
回転された光源ベクトルJ′は内積計算回路16に与え
られ、固定の法線ベクトルnのデータ群との内積が計算
される。計算結果はシェーディング係数kとして第6図
のシェーディング係数メモリ18aに書込まれる。このメ
モリ18aの内容は、立体1が固定光源に対して回転され
た状態のシェーディング係数を第3図Aの平面フレーム
イメージIM1のアドレスに対応して記憶したものであ
る。
従ってこのメモリ18aの読出しデータに基いて、第6
図の係数乗算回路18bにて入力のビデオデータの輝度又
は色飽和度を補正する。次にこの補正データを回転操作
を受けたアドレスマップに従ってマッピング回路13にて
第3図Bのフレーム画面に割付ける。これにより、回転
された立体1に対し、固定方向からの光が当たった記憶
の陰影が付けられる。
以上は入力の2次元ビデオデータをマッピング操作に
よって立体表示に変換して特殊ビデオ効果を得る実施例
であるが、第7図に示すように一般的な3次元コンピュ
ータグラフィックスにも本発明を適用し得る。
第7図において、立体データ及び法線ベクトル発生器
20は、例えばCADシステムであってよく、立体データ
は、例えば3次元座標値で始端、終端が定義された線分
群であり、これにより立体がワイヤフレームで表現され
る。立体データに伴って表面上の法線ベクトル群が同時
に生成される。生成された立体データは3次元トランス
フォーム回路11で3次元操作を受け、3次元→2次元変
換回路12で2次元の立体表示に変換される。変換データ
はビデオ信号の形で導出され、シェーディング回路13で
影付けされてからモニタに導出される。
シェーディング処理は第1図と同様であり、光源ベク
トル発生回路14で形成された光源ベクトルJに対し、立
体の回転とは逆の回転操作を逆補正回路15で行い、補正
ベクトルJ′と立体データに伴って生成された固定の法
線ベクトルnとの内積を内積計算回路16で求める。求め
た内積をシェーディング係数として、各法線ベクトルの
位置に対応させて変換回路12のビデオ信号に対し輝度又
は色度の変更を行い、表示立体に陰影を付ける。
〔発明の効果〕
本発明によれば、立体表現画像の回転のような3次元
変換操作に伴って法線ベクトルを再計算しなくてよく、
3次元変換前に予め計算された法線ベクトル群に対し光
源ベクトルの方を3次元逆変換により逆回転補正するこ
とにより同等の結果を得ているので、立体画像の回転に
伴って陰影を付ける計算が極めて単純化され、従って専
用回路を設ける場合でも、小規模の回路で高速処理が可
能であり、安価な処理装置で変換操作に追従したリアル
タイム表示ができるようになる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明を適用した立体画像表示装置のブロック
図、第2図は表示立体の一例を示す図、第3図はマッピ
ングと称される特殊ビデオ効果を示す図、第4図は立体
の回転と光源の回転の等価性を示す説明図、第5図は従
来の立体画像表示装置のブロック図、第6図はシェーデ
ィング回路のブロック図、第7図は本発明の別の実施例
を示す立体画像表示装置のブロック図である。 なお図面に用いた符号において、 1……立体 10……立体及び法線ベクトル発生回路 11……3次元トランスフォーム回路 12……3次元→2次元変換回路 13……マッピング回路 14……光源ベクトル発生回路 15……3次元トランスフォーム逆補正回路 16……内積計算回路 18……シェーディング回路 n……法線ベクトル J……光源ベクトル である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】3次元空間に仮想的に配置された物体に対
    して陰影を付加する立体表現画像の陰影付加装置におい
    て、 上記物体の表面の法線ベクトルを演算する法線ベクトル
    演算手段と、 上記物体に対して所望の3次元変換を施す3次元変換手
    段と、 光源の方向を表わす光源ベクトルに対して、上記3次元
    変換の逆変換を施す逆変換手段と、 上記法線ベクトル演算手段によって上記3次元変換され
    る前の物体から演算された上記法線ベクトルと上記逆変
    換手段によって逆変換された光源ベクトルとの内積に基
    づいて、上記3次元変換された物体に陰影を付ける手段
    とを備える立体表現画像の陰影付加装置。
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