JP3233376B2

JP3233376B2 - シェーディング処理装置

Info

Publication number: JP3233376B2
Application number: JP08126393A
Authority: JP
Inventors: 尚人白石; 達也藤井; 正展福島; 達也中島; 康浩井澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 2001-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JPH06266854A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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シェー
デイング処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＲＴディスプレイ等の２次元（平面）
表示装置に３次元立体図形を透視変換処理、遠近処理等
によって表示する場合に、表示された物体に自然な感じ
を与えるため光反射モデルに基づいて、陰影、すなわち
シェーディング処理が行なわれている。

【０００３】このシェーディングの手法としては、ビ・
トウイング・フォング（Ｂｕｉ・Ｔｏｕｎｇ・Ｐｈｏｎ
ｇ）のフォングシェーディングなどが知られている。

【０００４】このフォングシェーディングは、次の数１
式に基いて、図１４に示すベクトルの関数に従い視線方
向の光の強さを算出するものである。

【０００５】

【数１】

【０００６】また、鏡面反射を無視したシェーディング
手法として、下記数２式に基づいて、図１５に示すベク
トル関数に従い光の強さを算出するランバート（Ｌａｍ
ｂａｒｔ）シェーディング手法がある。

【０００７】

【数２】

【０００８】このアルゴリズムを適用する時には、光線
ベクトル、面法線ベクトルを随時算出する必要があり、
極めて高速に動作する大規模な専用ハードウェアを必要
とする。

【０００９】簡単な回路でランバートシェーディング手
法を実現する装置が特開平２−５１７８９号公報（国際
特許分類Ｇ０６Ｆ１５／７２）に提案されている。

【００１０】この装置は、物体の面法線をまず算出し、
その後、物体の回転の逆回転を光線ベクトルにだけ行
い、上記モデルによって陰影を付加するので、物体の回
転に伴って法線ベクトルの再計算を行なう必要がなく、
簡単な回路で高速動作を実現しようとするものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記装
置は、ランバートモデルのように物体の面法線と光線ベ
クトルだけの関係にのみ成立し、フォングモデルのよう
に鏡面反射を考慮すると、視線ベクトルと反射ベクトル
も考慮しなければならずリアルな画像を表現する場合に
は適用することができない。

【００１２】このため、従来は光線方向、視線方向の変
更をリアルタイムに行なうゲーム機器やフライトシミュ
レータ、ドライブシミュレータ等のように使用者のハン
ドル操作をリアルタイムに伝えられるシステムにおいて
は遅れを伴うという問題があった。

【００１３】一方、フォングモデルは局所照明モデルで
あるため、光線ベクトルとは全く反対の方向からその物
体を見たとき、その物体の面（ポリゴン面）は光線ベク
トルとは反対の方向を向いているため、拡散反射光、鏡
面反射光とも”０”となり、すべての面が環境光の光し
か示さなくなり、すべて同じ色もしくは同じ輝度しか持
たずリアル感が損なわれるという問題があった。

【００１４】また、大域照明モデルであるレイトレーシ
ング等では全ての反射光について計算を行うため、１次
の光線が視線ベクトルと反対方向でも数次の反射光によ
りそれぞれの面に輝度が与えられ、全て同じ輝度を示す
という上述した問題は発生しないが、多くの計算を必要
とする問題があった。

【００１５】この発明は、上述した従来の問題点を解消
するためになされたものにして、簡単な構成でシェーデ
ィングのリアルタイム処理が行なえる方法を提供するこ
とを第１の目的とする。

【００１６】更に、この発明は、光線方向と反対方向の
面に対しても、簡単な構成でシェーディングのリアルタ
イム処理が行なえる方法を提供することを第２の目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明
は、第１の目的を達成するために、複数のポリゴンの集
合体として立体物を表し、ポリゴンデータを格納してい
る記憶手段よりポリゴンデータを読み出し、ポリゴンの
端点の値を視野座標系に変換し、投影変換処理により２
次元座標系に変換する手段と、前記ポリゴンの法線ベク
トルを格納する記憶手段と、上記立体物に対し３次元の
回転操作を行なう手段と、上記立体物に向かう光源ベク
トルに対し、上記回転操作とは逆方向の回転補正を行な
う手段と、上記立体物に向かう視線ベクトルに対し、上
記回転操作とは逆方向の回転補正を行なう手段と、上記
法線ベクトルと回転補正された光源ベクトルと視線ベク
トルとの内積に応じて上記立体物を表すポリゴンに陰影
を付加する陰影付加手段と、を備えてなる。

【００１８】さらに、この発明の第２の発明は、第２の
目的を達成するために、上記陰影付加手段は、面方向と
光方向との関係に基づく拡散反射光を演算する手段と、
視線方向と光が面から反射する方向との関係に基づく鏡
面反射光を演算する手段と、を備え、上記拡散反射光と
鏡面反射光及び上記法線ベクトルと回転補正された光源
ベクトルと視線ベクトルに基づいて、ポリゴンに陰影を
付加することを特徴とする。

【００１９】

【作用】この発明は、物体の回転に伴って法線ベクトル
の再計算などをおこなう必要がなくなり、シェーディン
グ処理演算をＲＯＭなどに格納することが可能となるの
で、幾何変換処理部と並列にシェーディング処理ができ
応答性がきわめて良好になる。

【００２０】また、この発明の第２の発明によれば、光
線方向と反対方向の面に対しもそれぞれの輝度が与えら
れリアルなシェーディングを高速に行える。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の一実施例につき図面を参照
して説明する。

【００２２】図１は、この発明の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である。

【００２３】この装置は、例えば、レーシングゲームや
飛行機の操縦シュミレーションなどのゲーム機器に用い
て好適な一例が示されている。図１に従いこの発明のシ
ェーディング装置を用いた立体画像表示装置の全体構成
につき説明する。

【００２４】この実施例においては、各種条件のシミュ
レーション画像を複数のポリゴン情報として、ポリゴン
端点メモリ１にＸ，Ｙ，Ｚ座標値として与えられる。

【００２５】また、各ポリゴン端点の法線ベクトル値
（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）はポリゴン端点法線ベクトルメモ
リ２に格納さている。このベクトルメモリ２には、更に
各ポリゴンのレッドの拡散反射係数（ＲＫｄ）、グリー
ンの拡散反射係数（ＧＫｄ）、ブルーの拡散反射係数
（ＢＫｄ）と各ポリゴンのレッドの鏡面反射係数（ＲＫ
ｓ）、グリーンの鏡面反射係数（ＧＫｓ）、ブルーの鏡
面反射係数（ＢＫｓ）及びレッドの環境光値（Ｒambien
t）、グリーンの環境光値（Ｇambient）、ブルーの環境
光値（Ｂambient）を格納している。これら各データは
この発明の特徴とするところのシェーディング装置５に
与えられる。

【００２６】ＣＰＵはあらゆる立体物（オブジェクト）
を複数のポリゴンの集合体として表現し、このポリゴン
の各端点を示す端点情報を読み出し、ハンドルアクセス
等で構成された操作部（図示しない）の操作内容に基づ
いて変換された電気信号に従いこの状況に応じた状況デ
ータを演算し、幾何変換装置３及びシェーディング装置
５に夫々データを与える。

【００２７】幾何変換装置３は、ＣＰＵからの命令に従
い各種ポリゴンデータを参照しながら、ポリゴン端点メ
モリ１からデータを読み出し、ポリゴンの端点の値を視
線方向に回転する視野変換、透視投影変換により各ポリ
ゴンの端点座標を幾何変換し、そのＸ，Ｙの２次元座標
（ＳＸ，ＳＹ）をスクリーンメモリ４に与える。また、
ポリゴン中心の視野変換された代表値即ち、そのポリゴ
ンの視点からの距離の代表値（Ｚ値）を決定し、そのデ
ータをスクリーンメモリ４に与える。

【００２８】シェーディング装置５は、ベクトルメモリ
２より読み出したポリゴン端点の法線ベクトル値に対し
てシェーディング演算を行い、ポリゴン端点の色を算出
し、このポリゴン端点の色をポリゴン端点カラーメモリ
６に与える。このシェーディング装置５の詳細について
は後述する。

【００２９】描画処理装置７はスクリーン画面のＹ方向
に分割された処理領域に含まれるポリゴンに対してスク
リーンメモリ４及びカラーメモリ６より端点情報を読み
出してＣＲＴ９が必要とするスキャンラインにかかるポ
リゴンをビットマップ上に描画し、そのデータをフレー
ムメモリ８に与える。

【００３０】次に、この発明の実施例におけるシェーデ
ィング装置５につき図２を参照して更に説明する。

【００３１】シェーディング装置５は、ベクトルメモリ
２から、法線ベクトル値、拡散反射係数、鏡面反射係
数、環境光値を夫々読み出し、読み出された各データは
メモリインターフェース５１に一旦格納される。ベクト
ルメモリ２のアクセスは、アドレス生成回路５２にて生
成されたアドレスによって行なわれ、メモリより夫々デ
ータが読み出される。

【００３２】メモリインターフェース５１に格納された
データは、隠面処理装置５７及びシェーディング演算回
路５８にそれぞれ与えられ、隠面処理装置５７にてポリ
ゴン面法線ベクトルとベクトル回転回路５５にて回転演
算処理された視線ベクトルとの内積に基づいてそのポリ
ゴンか可視か不可視、すなわち表に現れるポリゴンか裏
に隠れるポリゴンかを判定し、その結果をコントローラ
６１に出力する。コントローラ６１は可視ポリゴンに対
してのみフォングモデルに基づくシェーディング演算処
理をを行うように、シェーディング演算回路５８を制御
する。この隠面処理回路５７の構成例を図４に示し、詳
細については後述する。

【００３３】立体物体（オブジェクト）が例えば時計回
りにθだけ回転させたとき、オブジェクトのある点の法
線ベクトルはｎはｎ’の位置に移動するのに対し、視線
ベクトル、光線ベクトルは移動しない。このため視線ベ
クトル、光線ベクトル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。この時、法線ベクトルは多数存
在するので、この回転移動した法線ベクトルを演算する
とした場合、大規模な回路が必要となる。ところが、光
線ベクトル及び視線ベクトルを反時計回りに−θだけ回
転させたベクトルとオブジェクト回転前の法線ベクトル
とで求めたシェーディング係数が法線ベクトルを回転演
算させ視線ベクトル及び光線ベクトルとで算出したシェ
ーディング係数と同じになる。このため、この発明では
法線ベクトルに回転処理演算を行うのではなく視線ベク
トル及び光線ベクトルに逆回転処理演算を行いシェーデ
ィング係数を求めるように構成している。

【００３４】ＣＰＵよりオブジェクトの回転角度（Ｘ
θ、Ｙθ、Ｚθ）が入力されると、視線ベクトルはベク
トル回転回路５５にてＸ，Ｙ，Ｚ方向に（Ｘθ、Ｙθ、
Ｚθ）だけ逆回転処理が行われる。すなわち、視線ベク
トルはレジスタ５３に一旦格納され、ベクトル回転回路
５５のＹ回転演算器５５ａにて、Ｙ方向にＹθ逆回転演
算が行われ、Ｘ回転演算器５５ｂに送られる。Ｘ回転演
算器５５ｂはＸ方向にＸθ逆回転演算を行い、Ｚ回転演
算器５５ｃにそのデータを送る。Ｚ回転演算器５５ｃは
Ｚ方向にＺθ逆回転演算を行い、その演算結果をシェー
ディング演算回路５８及び隠面処理回路５７にそれぞれ
与える。

【００３５】また、光線ベクトルは、ベクトル回転回路
５６にてＸ，Ｙ，Ｚ方向に（Ｘθ、Ｙθ、Ｚθ）だけ逆
回転処理が行われる。すなわち、光線ベクトルはレジス
タ５３に一旦格納され、ベクトル回転回路５６のＹ回転
演算器５６ａにて、Ｙ方向にＹθ逆回転演算が行われ、
Ｘ回転演算器５６ｂに送られる。Ｘ回転演算器５６ｂは
Ｘ方向にＸθ逆回転演算を行い、Ｚ回転演算器５６ｃに
そのデータを送る。Ｚ回転演算器５６ｃはＺ方向にＺθ
逆回転演算を行い、その演算結果をシェーディング演算
回路５８に与える。これら回転演算器は図５に示すよう
に構成され、各Ｘ，Ｙ，Ｚにおける各ベクトルの座標係
数（Ａ，Ｂ）に対してｓｉｎθ、ｃｏｓθの乗算を行い
それぞれその乗算結果の差分をとり、θの逆回転演算を
行う。

【００３６】そして、ベクトル回転回路５５の処理結果
と、ベクトル回転回路５６の処理結果がシェーディング
演算器５８に与えられる。シェーディング演算器５８
は、両処理結果とベクトルメモリ２からのＲ，Ｇ，Ｂの
拡散反射係数、鏡面反射係数、環境光値とにより、色値
を求める演算を行ない、この算出した色値をメモリイン
ターフェース５９に出力する。シェーディング演算器５
８の構成例を図３に示し、その詳細につき後述する。

【００３７】メモリインターフェース５９に格納された
色値は、アドレス生成回路６０にて生成されたアドレス
値にて指定されたポリゴン端点カラーメモリ６の領域に
格納される。

【００３８】この発明の隠面処理回路５７について、図
４に従い説明する。この隠面処理回路５７はポリゴン面
法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）と変換された視線ベ
クトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積をとり、その正、
負をコントローラ６１に知らせるものである。すなわ
ち、それぞれ３つの乗算器５７１、５７２、５７３の一
方の入力に法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）データ
が、また乗算器５７１、５７２、５７３の他方の入力に
変換された視線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）データが
与えられ、各乗算器で演算され、その演算結果が加算器
５７４に与えられる。この加算器５７４にて各乗算器の
演算結果が加算され、正、負の出力がなされる。この加
算器５７４からの出力が正の場合には、ポリゴン面は表
を向いており、また、負の場合には裏を向いていると判
断される。

【００３９】次に、図３に基づきシェーディング演算回
路５８の構成につき説明する。この図３においては、輝
度値のみを求めており、フォングモデルのシェーディン
グアルゴリズムをハードウェア化したものである。例え
ば、色値を求める場合には、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの拡散
反射係数Ｋｄと鏡面反射係数Ｋｓと環境光強度ＡＭＢと
光源強度Ｌ１を持ち、内積値（ＩＮＮＮＥＲ）に対して
Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの拡散反射係数Ｋｄを乗算し、Ｒ，
Ｇ，Ｂの拡散反射光強度を求める。そして、第２の内積
値（ＩＮＮＮＥＲ２）に対してＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの鏡
面反射係数Ｋｓを乗算し、Ｒ，Ｇ，Ｂごとに光の強度を
求めるように構成される。

【００４０】これら各演算器はコントローラ６１により
制御され、コントローラ６１は図６に示すフローチャー
トに従って動作する。

【００４１】次に、この発明の第１実施例の動作を図６
のフローチャートに基づいて、更に説明する。

【００４２】シェーディング動作を開始すると、まず、
オブジェクトの回転角度Ｘθ，Ｙθ，ＺθがＣＰＵより
入力される（ステップＳ１）。そして、ベクトル回転回
路５６にて光線ベクトル（ＬＸ，ＬＹ，ＬＺ）をオブジ
ェクトの回転角度Ｘθ，Ｙθ，Ｚθだけ逆回転させる
（ステップＳ２）。続いて、ベクトル回転回路５５にて
視線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）をオブジェクトの回
転角度Ｘθ，Ｙθ，Ｚθだけ逆回転させる（ステップＳ
３）。

【００４３】そして、ベクトルメモリ２よりポリゴン面
法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）が読み出された後
（ステップＳ４）、Ｒ，Ｇ，Ｂの拡散反射係数（ＲＫ
ｄ，ＧＫｄ，ＢＫｄ）及び鏡面反射係数（ＲＫｓ，ＧＫ
ｓ，ＢＫｓ）が読み出され（ステップＳ５）、ステップ
Ｓ６へ進む。。

【００４４】ステップＳ６では、隠面処理回路５７に
て、ポリゴン面法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）と変
換された視線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積が
とられる。この内積値（ＩＮＮＮＥＲ）が正か負か判断
され（ステップＳ７）、内積値（ＩＮＮＮＥＲ）が負の
場合には、そのポリゴンは裏を向いているため、表側か
らは見えないのでステップＳ４に戻る。正の場合には、
可視ポリゴン面としてステップＳ８に進む。

【００４５】ステップＳ８において、ポリゴン端点法線
ベクトル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）をベクトルメモリ２より
読み出し、シェーディング演算回路５８にて法線ベクト
ル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転演算された視線ベクト
ル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）とのとの内積がとられる（ステ
ップＳ９）。この内積値（ＩＮＮＮＥＲ）と拡散反射係
数Ｋｄを乗算し、Ｒ，Ｇ，Ｂの拡散反射強度（ＤＩＦ）
を算出する（ステップＳ１０）。

【００４６】続いて、ステップＳ１１にて、反射光のベ
クトルを求め、ステップＳ１２にて視線ベクトルと反射
光ベクトルとの内積を求める。この第２内積値（ＩＮＮ
ＥＲ２）と鏡面反射強度Ｋｓを乗算しＲ，Ｇ，Ｂの鏡面
反射強度を算出する（ステップＳ１３）。

【００４７】続いて、ステップＳ１４において、光線強
度Ｌ１に拡散反射強度と鏡面反射強度を加えたものを乗
算し、この値に環境強度を加算して、輝度値（Ｉ）を算
出する。

【００４８】そして、ステップＳ１５にて、輝度値をカ
ラーメモリ６に書き込み、ステップＳ１６にて、ポリゴ
ンの全てのポリゴン端点の処理が終了したか否か判断さ
れ、処理していない場合には、前述のステップＳ８に戻
り、前述の動作を繰り返す。また、処理が終了すると、
ステップＳ１７に進み、ステップＳ１７にて、全てのポ
リゴンの処理が終了したか否か判断され、処理が終了し
ていない場合には、ステップＳ４に戻り、前述の動作を
繰り返す。ステップＳ１８にて、オブジェクト中のポリ
ゴン全てに対して、処理が終了したか否か判断され、処
理していない場合には、前述のステップＳ１に戻り、前
述の動作を繰り返す。また、処理が終了すると、処理が
終了したと判断されると、このシェーディング処理が終
了する。

【００４９】上述した第１の実施例は、フォングモデル
に基づいてシェーディングのリアルタイム処理を実現し
ているが、フォングモデルは、局所照明モデルであるた
め、光線ベクトルとは全く反対の方向からその物体を見
たとき、その物体の面（ポリゴン面）は光線ベクトルと
は反対の方向を向いているため、拡散反射光、鏡面反射
光とも”０”となり、すべての面が環境光の光しか示さ
なくなり、すべて同じ色もしくは同じ輝度しか持たずリ
アル感が損なわれる。第２の実施例は全ての反射光を考
慮してリアル感のあるシェーディング処理を施す装置を
提供するものである。

【００５０】この第２実施例と第１実施例と相違すると
ころはシェーディング演算回路の構成であり、その他の
部分は第１実施例と同様であるので、説明の重複を避け
るために同一部分については説明を省略し、シェーディ
ング演算回路部分を中心にして説明する。

【００５１】上述した実施例と同様に、ベクトル回転回
路５５の処理結果と、ベクトル回転回路５６の処理結果
がシェーディング演算器５８に与えられる。シェーディ
ング演算器５８は、両処理結果とベクトルメモリ２から
のＲ，Ｇ，Ｂの拡散反射係数、鏡面反射係数、環境光値
とにより、色値を求める演算を行ない、この算出した色
値をメモリインターフェース５９に出力する。この実施
例におけるシェーディング演算器５８は図７に示すよう
に、拡散反射光演算装置５８１と鏡面反射光演算装置５
８２と環境反射光演算装置５８３とを備え、各演算装置
の演算結果が加算器５８４にて加算され、輝度値が算出
され、その輝度値をレジスタ５８５に格納するように構
成されている。すなわち、この第２実施例におけるシェ
ーディング演算回路５８により、フォングモデル基づい
て、環境光に対してポリゴン面法線方向に反射する光と
面方向以外に反射する光を考慮したシェーディング処理
を以下の数式３に従い行われる。

【００５２】

【数３】

【００５３】拡散反射光演算装置５８１は、上記数式３
の第２項に相当する演算を行うもので、図８に示すよう
にハードウェア化される。この図８の回路で、法線ベク
トル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転演算された視線ベク
トル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積がとられ、この内積
値（ＩＮＮＮＥＲ）と拡散反射係数Ｋｄを乗算される。
この乗算値と光線強度Ｌ１とを乗算し、拡散反射強度
（ＤＩＦ）を算出する。

【００５４】鏡面反射光演算装置５８２は、上記数式３
の第３項に相当する演算を行うもので、図９に示すよう
にハードウェア化される。この図９の回路で、法線ベク
トル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転された光線ベクトル
（ＬＸ，ＬＹ，ＬＺ）との内積により反射光のベクトル
を求め、この反射光ベクトルと視線ベクトル（ＥＸ，Ｅ
Ｙ，ＥＺ）との内積を求める。この第２内積値（ＩＮＮ
ＥＲ２）と鏡面反射強度Ｋｓを乗算し、鏡面反射強度
（ＳＰＥＣ）を算出する。

【００５５】環境反射光演算装置５８３は上記数式３の
第１項に相当する演算を行うもので、図１０に示すよう
に、面方向に反射する環境反射光演算装置５８３ａと面
方向に以外に反射する環境反射光演算装置５８３ｂを備
え、両演算装置の処理結果を加算器５８３ｃにて加算す
ることにより算出される。

【００５６】面方向に反射する環境反射光演算装置５８
３ａは、図１１に示すように、ハードウェア化され、法
線ベクトル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転演算された視
線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積がとられ、こ
の第３内積値（ＩＮＮＮＥＲ３）と環境反射係数Ｋａが
乗算される。この乗算値と第２光線強度Ｌ２とを乗算
し、第１の環境反射強度（ＡＮＢ１）を算出する。

【００５７】面方向以外に反射する環境反射光演算装置
５８３ｂは、図１２に示すように、ハードウェア化さ
れ、第２光線強度Ｌ２と環境光（Ｉａｍｂ）とを加算す
ることにより、第２の環境反射強度（ＡＮＢ２）が算出
される。

【００５８】次に、この第２実施例の動作を図１３のフ
ローチャートに基づいて、更に説明する。

【００５９】シェーディング動作を開始すると、まず、
オブジェクトの回転角度Ｘθ，Ｙθ，ＺθがＣＰＵより
入力される（ステップＳ２１）。そして、ベクトル回転
回路５６にて光線ベクトル（ＬＸ，ＬＹ，ＬＺ）をオブ
ジェクトの回転角度Ｘθ，Ｙθ，Ｚθだけ逆回転させる
（ステップＳ２２）。続いて、ベクトル回転回路５５に
て視線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）をオブジェクトの
回転角度Ｘθ，Ｙθ，Ｚθだけ逆回転させる（ステップ
Ｓ２３）。

【００６０】そして、ベクトルメモリ２よりポリゴン面
法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）が読み出された後
（ステップＳ２４）、Ｒ，Ｇ，Ｂの拡散反射係数（ＲＫ
ｄ，ＧＫｄ，ＢＫｄ）、鏡面反射係数（ＲＫｓ，ＧＫ
ｓ，ＢＫｓ）及び環境反射係数（ＲＫａ，ＧＫａ，ＢＫ
ａ）が読み出され（ステップＳ２５）、ステップＳ２６
へ進む。

【００６１】ステップＳ２６では、隠面処理回路５７に
て、ポリゴン面法線ベクトル（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）と変
換された視線ベクトル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積が
とられる。この内積値（ＩＮＮＮＥＲ）が正か負か判断
され（ステップＳ２７）、内積値（ＩＮＮＮＥＲ）が負
の場合には、そのポリゴンは裏を向いているため、表側
からは見えないのでステップＳ２４に戻る。正の場合に
は、可視ポリゴン面としてステップＳ２８に進む。

【００６２】ステップＳ２８において、ポリゴン端点法
線ベクトル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）をベクトルメモリ２よ
り読み出し、シェーディング演算回路５８にて法線ベク
トル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転演算された光線ベク
トル（ＬＸ，ＬＹ，ＬＺ）とのとの内積がとられる（ス
テップＳ２９）。この内積値（ＩＮＮＮＥＲ）と拡散反
射係数Ｋｄを乗算し、Ｒ，Ｇ，Ｂの拡散反射強度（ＤＩ
Ｆ）を算出する（ステップＳ３０）。

【００６３】続いて、ステップＳ３１にて、反射光のベ
クトルを求め、ステップＳ３２にて視線ベクトルと反射
光ベクトルとの内積を求める。この第２内積値（ＩＮＮ
ＥＲ２）と鏡面反射強度Ｋｓを乗算しＲ，Ｇ，Ｂの鏡面
反射強度を算出する（ステップＳ３３）。

【００６４】続いて、ステップＳ３４にて、法線ベクト
ル（ＮＸ，ＮＹ，ＮＺ）と逆回転演算された視線ベクト
ル（ＥＸ，ＥＹ，ＥＺ）との内積を求める。この第３内
積値（ＩＮＮＮＥＲ３）と環境反射係数Ｋａが乗算した
ものと第２光線強度Ｌ２とを乗算し、面方向に反射する
環境反射強度を算出する（ステップＳ３５）。

【００６５】そして、ステップＳ３６にて、光源強度Ｌ
１を拡散反射強度と鏡面反射強度に乗算したものと環境
光強度Ｌ２を面方向に反射する環境反射強度に乗算した
ものと面方向以外に反射する環境光強度を加えて輝度値
（Ｉ）を求める。

【００６６】そして、ステップＳ３７にて、輝度値をカ
ラーメモリ６に書き込み、ステップＳ３８にて、ポリゴ
ンの全てのポリゴン端点の処理が終了したか否か判断さ
れ、処理していない場合には、前述のステップＳ２８に
戻り、前述の動作を繰り返す。また、処理が終了する
と、ステップＳ３９に進み、ステップＳ３９にて、全て
のポリゴンの処理が終了したか否か判断され、処理が終
了していない場合には、ステップＳ２４に戻り、前述の
動作を繰り返す。ステップＳ４０にて、オブジェクト中
のポリゴン全てに対して、処理が終了したか否か判断さ
れ、処理していない場合には、前述のステップＳ２１に
戻り、前述の動作を繰り返す。また、処理が終了する
と、処理が終了したと判断されると、このシェーディン
グ処理が終了する。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、物体の回転に伴って法線ベクトルの再計算などを行
う必要がなくなり、シェーディング処理演算をＲＯＭな
どに格納することが可能となるので、幾何変換処理部と
並列にシェーディング処理ができ応答性がきわめて良好
になる。

【００６８】また、この発明の第２の発明によれば、光
線方向と反対方向の面に対してもそれぞれの輝度が与え
られリアルなシェーディングを高速に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のシェーディング装置を用いた立体画
像表示装置を示すブロック図である。

【図２】この発明のシェーディング装置を示すブロック
図である。

【図３】この発明の第１実施例におけるシェーディング
演算回路の具体的構成を示すブロック図である。

【図４】この発明に用いられる隠面処理回路の具体的構
成を示すブロック図である。

【図５】この発明に用いられるベクトル回転回路の具体
的構成を示すブロック図である。

【図６】この発明の第１実施例の動作を示すフローチャ
ートである。

【図７】この発明の第２実施例におけるシェーディング
演算回路の構成を示すブロック図である。

【図８】この発明の第２実施例のシェーディング演算回
路における拡散反射演算装置の具体的構成を示すブロッ
ク図である。

【図９】この発明の第２実施例のシェーディング演算回
路における鏡面反射演算装置の具体的構成を示すブロッ
ク図である。

【図１０】この発明の第２実施例のシェーディング演算
回路における環境光演算装置の構成を示すブロック図で
ある。

【図１１】この発明の第２実施例のシェーディング演算
回路における面方向に反射する環境光演算装置の具体的
構成を示すブロック図である。

【図１２】この発明の第２実施例のシェーディング演算
回路における面方向以外に反射する環境光演算装置の具
体的構成を示すブロック図である。

【図１３】この発明の第２実施例の動作を示すフローチ
ャートである。

【図１４】フォングシェーディングモデルのベクトルの
関係を示す模式図である。

【図１５】ランバートシェーディングモデルのベクトル
の関係を示す模式図である。

【符号の説明】

１ポリゴン端点メモリ２ポリゴン端点法線ベクトルメモリ５シェーディング装置６ポリゴン端点カラーメモリ５５，５６ベクトル回転回路５８シェーディング演算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中島達也東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者井澤康浩東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (56)参考文献特開平２−51789（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−103277（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G06T 15/50 200

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のポリゴンの集合体として立体物を
表し、ポリゴンデータを格納している記憶手段よりポリ
ゴンデータを読み出し、ポリゴンの端点の値を視野座標
系に変換し、投影変換処理により２次元座標系に変換す
る手段と、前記ポリゴンの法線ベクトルを格納する記憶
手段と、上記立体物に対し３次元の回転操作を行なう手
段と、上記立体物に向かう光源ベクトルに対し、上記回
転操作とは逆方向の回転補正を行なう手段と、上記立体
物に向かう視線ベクトルに対し、上記回転操作とは逆方
向の回転補正を行なう手段と、上記法線ベクトルと回転
補正された光源ベクトルと視線ベクトルとの内積に応じ
て上記立体物を表すポリゴンに陰影を付加する陰影付加
手段と、を備えてなるシェーディング処理装置。
【請求項２】上記陰影付加手段は、面方向と光方向と
の関係に基づく拡散反射光を演算する手段と、視線方向
と光が面から反射する方向との関係に基づく鏡面反射光
を演算する手段と、を備え、上記拡散反射光と鏡面反射
光及び上記法線ベクトルと回転補正された光源ベクトル
と視線ベクトルに基づいて、ポリゴンに陰影を付加する
ことを特徴とする請求項１に記載のシェーディング処理
装置。
【請求項３】上記回転補正された視線ベクトルと法線
ベクトルを内積し、ポリゴンの表裏を判断する手段と、
を備え、上記陰影付加手段は、表のポリゴンに対して陰
影を付加することを特徴とする請求項１又は２に記載の
シェーディング処理装置。