JP3459401B2 - Zバッファを用いた立体映像生成方法 - Google Patents

Zバッファを用いた立体映像生成方法

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    • H04N13/286Image signal generators having separate monoscopic and stereoscopic modes

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータを用
いて3次元の立体映像を生成する方法に関し、もっと詳
しくは、単眼による2次元の平面イメージとZバッファ
に貯蔵されたイメージの距離情報とを用いて3次元の立
体映像を生成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】イメージの3次元距離を知覚する方法
は、一方の目を使用するか、或は、両方の目を共に使用
するかによって次の如く二つに分かれる。
【0003】まず、単眼としては、遠近、平行移動、物
体の相対的な大きさ、重ね、光輝と影、焦点適応などの
現象を知覚する。ここで、遠近知覚とは、平行な線など
が消失点へ集まる現象に対する知覚をいい、平行移動知
覚とは観察者の頭が動くと観察点から近いところにある
物体は投射面に対して遠いところにある物体より相対的
に多く動く現象に対する知覚をいい。重ね知覚とは、近
いところにある物体が遠いところにある物体を遮る現象
に対する知覚であり、焦点適応知覚とは、異なる距離に
置いてある物体を見るためには目の筋肉に掛る筋張力の
差が異なるようになる現象に対する知覚をいう。
【0004】両眼を用いて物体を眺めると、上記した単
眼による知覚の以外にも両眼の収束角によって網膜上の
投射位置が異なるようになる現象が生じる。即ち、観察
者と物体との距離によって物体が投射される目の網膜の
位置が異なるようになる。
【0005】単眼による知覚は3次元距離感を提供する
が、とても弱い知覚だけを提供する。反面に、人間の頭
脳と目の組織体系は両眼からそれぞれ生成される二個の
互いに異なる画像などを融合して使用するので、両眼に
よる知覚は非常に強力な3次元距離感の知覚を提供す
る。
【0006】上記で説明したように、両眼を用いた知覚
特性を用いたのが立体画法(stereography)であって、
このような立体映像を生成する種々の技術的な方法が提
案されている。
【0007】従来の立体映像生成方法は、一つの物体を
左の目と右の目の各々に対して2次元のイメージなどを
生成する方法を使用した。即ち、一つの物体を互いに異
なる二個の投影中心(center of projection)(左の目
と右の目)に対して2次元平面に投影されたイメージを
生成する。このために、図1に図示されているようなグ
ラフィックパイプラインを用いる。
【0008】図1は立体映像を生成する一般的なグラフ
ィックパイプラインを図示した図面である。使用者が3
次元グラフィックプログラムを使用し、コンピュータ画
面に所望する映像を生成して視覚化するためには、コン
ピュータは次のような作業を遂行しなければならない。
【0009】即ち、3次元グラフィックプログラムは特
定応用分野のための応用−明細(application-specifi
c)プロセッシング110と、シーン(scene)プロセッ
シング111、121、ポリゴン(polygon)プロセッ
シング112、122、及びピックセルプロセッシング
113、123とからなる。シーンプロセッシング11
1と、ポリゴンプロセッシング112と、ピックセルプ
ロセッシング113とは一方の目(左の目)に対して2
次元平面上に投影されたイメージを生成する過程であ
り、シーンプロセッシング121と、ポリゴンプロセッ
シング122と、ピックセルプロセッシング123とは
他方の目(右の目)に対して2次元平面上に投影された
イメージを生成する過程である。二つの過程が同一であ
るため、左の目に対して2次元のイメージを生成する過
程を中心として説明することにする。
【0010】応用−明細プロセッシング110とは、使
用者が応用プログラムを用いて3次元モデルを操作した
り、動く作業に該当する。この時、使用者が選択するモ
デル、照明、背景などの変化によってシーンが変化す
る。それぞれの変化はシーンの具体的な情報が入ってい
るシーングラフ117に貯蔵される。シーングラフ11
7はシーンを定義するためのモデル、照明、サウンドな
どのすべての情報が入っているグラフ構造の資料構造で
ある。
【0011】シーンプロセッシング111は実際3次元
場面を画面に表わすための作業である。シーンプロセッ
シング111はシーングラフ117から必要な情報を読
み出してレンダリングするための3次元ポリゴンを生成
する。3次元グラフィックで画面に表れるすべての物体
は基本的に3次元ポリゴンなどの集合である。シーンプ
ロセッシング111はシーングラフ117から情報を読
み出し、必要のないポリゴンを生成しないように選び出
したり(culling)、LOD(level of detail)などの
作業をし、最終的に3次元ポリゴンなどの集合を得る。
【0012】ポリゴンプロセッシング112はポリゴン
集合などを2次元のモニター画面上にディスプレイ11
4するための作業を遂行する。即ち、3次元ポリゴンを
投影(projection)して2次元ポリゴンに変形する。こ
の時、照明による明るさとか物体の質感などの情報が計
算される。
【0013】ピックセルプロセッシング113は最終的
に画面にディスプレイされる映像の各ピックセルのカラ
ー情報を生成する。即ち、2次元ポリゴンと色相情報と
を用いてテクスチャリング(texturing)、ブレンディ
ング(blending)、及びアンチアライアジング(anti-a
liasing)などの作業を通じて左の目に対する2次元イ
メージの各ピックセルのカラー情報をフレームバッファ
115に貯蔵する。また、物体の遠近による効果のため
に、Zバッファリング作業を遂行して各ピックセルに対
する距離情報をZバッファ116に貯蔵する。
【0014】上記と同様に、シーンプロセッシング12
1は3次元ポリゴンを生成し、ポリゴンプロセッシング
122はこの3次元ポリゴンを2次元ポリゴンに変形す
る。なお、ピックセルプロセッシング123は右の目に
対する2次元イメージの各ピックセルのカラー情報をフ
レームバッファ125に貯蔵し、各ピックセルに対する
距離情報をZバッファ126に貯蔵する。
【0015】一般的なグラフィックパイプラインでは物
体を画面に表示しようとすると、上述したような四つの
プロセッシング過程などを通過しなければならず、立体
映像のためには両眼に必要な二個の映像を得るためにそ
れぞれ上述したようなグラフィックパイプラインを通過
しなければならない。また、両眼に必要な二個の映像を
得るために立体投影過程と、最終的にコンピュータ画面
にイメージをディスプレイする過程とをそれぞれの映像
に対してそれぞれ2回ずつ遂行しなければならない。
【0016】投影過程で使用する投影変換行列は数式3
と数式4の通りである。
【数3】
【数4】 ここで、SLは左の目に対する2次元映像投影変換行列
であり、SRは右の目に対する2次元映像投影変換行列
である。
【0017】上記のように、コンピュータ上で立体映像
を生成するためには、3次元物体を、左の目と右の目に
必要な二個のイメージを生成し、このために、立体投影
だけでなく、最終的にコンピュータ画面にみえるイメー
ジに至るまでの過程を2回ずつ遂行しなければならな
い。現在の3次元立体映像生成方法はすべてこのような
過程を経るし、従って、一般的な映像に比べてコンピュ
ータの計算時間が二倍も必要であるため、3次元シミュ
レーションとかアニメーションで立体映像を使用するの
に大きな制約となっている。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は上記
のような従来の技術の問題を解決するために案出された
ものであって、一般的な2次元映像の生成結果によりコ
ンピュータに貯蔵されたイメージのカラー情報と距離情
報とを用いて変換計算と簡単な追加作業にて立体映像に
必要な二個の平面イメージを生成する、Zバッファを用
いた立体映像生成方法を提供するものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために本発明によるZバッファを用いた立体映像生成方
法は、3次元モデルをレンダリングして一方の目に対応
する第1の2次元イメージを生成し、上記第1の2次元
イメージの色情報をフレームバッファに貯蔵し、距離情
報をZバッファに貯蔵する第1の段階と、前記第1の2
次元イメージと前記フレームバッファに貯蔵された色情
報及びZバッファに貯蔵された距離情報とを用いて他方
の目に対応する第2の2次元イメージを生成する第2の
段階、及び前記第1の2次元イメージと第2の2次元イ
メージとを用いて立体映像を生成する第3の段階とを含
むことを特徴とする。
【0020】好ましくは、前記第2の段階は、第2の2
次元イメージの各ピックセルに対応する第1の2次元イ
メージのピックセルなどを探し出し、前記探し出された
第1の2次元イメージのピックセルなどのカラー値を補
間して前記第2の2次元イメージのカラー値を求めるこ
とを特徴とする。
【0021】より好ましくは、前記第2の段階は、観察
者の両眼の間の半分である左右イメージの不一致程度e
と、視点から投影平面までの距離de、及び前記第1の
2次元イメージの各ピックセル情報X とを下記の数
式に適用して第2の2次元イメージの各ピックセルに対
応する第1の2次元イメージのピックセルなどを求める
ことを特徴とする。
【数5】 もっと好ましくは、前記第2の段階は、前記第1の2次
元イメージのカラー値を下記の数式に適用して前記第2
の2次元イメージのカラー値を求めることを特徴とす
る。
【数6】 ここで、CXRは第2の2次元イメージのX ピック
セルのカラー情報、C XLは第1の2次元イメージのX
座標でのカラー情報、CXL+1は第1の2次元イ
メージのXL+1 座標でのカラー情報である。また、
本発明によると、上述したZバッファを用いた立体映像
生成方法を実行させるための、或は、コンピュータで読
取ることのできるプログラムとか記録媒体、またはプロ
セッサが含まれる。
【0022】以下、添付した図面を参照しながら本発明
の一実施例による、“Zバッファを用いた立体映像生成
方法”を説明すると次の通りである。
【0023】本発明の一実施例によるZバッファを用い
た立体映像生成方法は、まず、3次元映像を一般的なグ
ラフィックパイプラインに適用して単眼に対する2次元
のイメージ映像を生成する。この時、この2次元のイメ
ージ映像の各ピックセルに対するカラー情報はフレーム
バッファに貯蔵され、距離情報はZバッファに貯蔵され
る。次に、このフレームバッファに貯蔵されたカラー情
報とZバッファに貯蔵された距離情報とを用いてもう一
つの2次元のイメージ映像を生成する。このようにして
生成された二つの2次元のイメージ映像などを合成すれ
ば立体映像を得ることができる。
【0024】上記した単眼に対する2次元のイメージ映
像生成段階は従来と同一である。即ち、3次元物体に対
して応用−明細プロセッシング、シーンプロセッシン
グ、ポリゴンプロセッシング、及びピックセルプロセッ
シングを通じて2次元のイメージ映像を生成する。各プ
ロセッシングでの具体的な動作は上述した通りである。
このようなプロセッシングなどを経ると、最終的に各ピ
ックセルのカラー情報はフレームバッファに貯蔵され、
遠近による距離情報はZバッファに貯蔵される。
【0025】次に、フレームバッファに貯蔵されたカラ
ー情報とZバッファに貯蔵された距離情報とを用いて他
の一つの2次元のイメージ映像を生成する段階は次の通
りである。
【0026】まず、両眼に対する二つの映像イメージな
どの間の関係式を導出するために、先に2次元平面イメ
ージの投影過程を窺ってみる。図2はP(x,y,z)
点を左の目E(−e,0,d)と右の目E(e,
0,d)を投影中心として投影したことを図示した図
面であり、図3は左の目の視点がz軸上に来るように投
影中心を移動させた状態を図示した図面である。この
時、三角比を用いると、数式7と数式8のような結果を
得ることができる。
【数7】
【数8】 図4は右の目の視点がz軸上に来るように投影中心を移
動させた状態を図示した図面である。この時、三角比を
用いると、数式9と数式10のような結果を得ることが
できる。
【数9】
【数10】 この時、両眼のy座標は同一であるため、yに対しては
数式11のような関係式が成立する。
【数11】 上記のような基本関係式から左の目と右の目に投影され
る物体の座標はそれぞれ数式12と数式13を導出す
る。この時、物体のy座標は数式14のように左と右の
イメージで同じ値を有する。
【数12】
【数13】
【数14】 数式12と数式13を整理すれば、X とX の間
には数式15と数式16のような関係式が成立する。
【数15】
【数16】 本発明では、一方の目(例えば、左の目)に対する2次
元イメージを得るために数式1の変換行列を用い、この
ようにして得られた左の目に対する2次元イメージから
右の目に対するイメージを簡単な方法で生成する。
【0027】数式15のように右の目に使用されるイメ
ージ上の座標は左の目に使用されたイメージの座標から
両眼の間の距離の半分に該当する立体映像の左、右イメ
ージの不一致程度を表わすeと、視点から投影平面まで
の距離に該当するdeのみ知っていれば、容易に計算し
出すことができる。
【0028】コンピュータ上で3次元映像を一般的な方
法で2次元の表示装置に表わすために、上記で説明した
投影変換を用いて2次元座標の集合と、各座標に対する
カラー情報と、z軸方向の深さ情報とを用いる。2次元
座標をモニター上に描くための情報はコンピュータのフ
レームバッファに各フレームごとに貯蔵され、z軸方向
の深さ情報はZバッファ(Depthバッファ)に貯蔵され
る。
【0029】従って、一般的な方法で左の目に使用され
るイメージだけを生成し、コンピュータのZバッファか
ら各ピックセルの深さ情報と左のイメージを生成する時
使用した映像の不一致程度e、そして、視点から投影平
面までの距離deを数式15に適用して図5のように右
の目に使用するイメージを生成する。
【0030】図5は左の目から数式15の原理を用いて
右のイメージを生成する過程である。図5の格子はコン
ピュータ画面の各ピックセルを表し、数字はZバッファ
に貯蔵されたz方向の深さを表わす。この時、図5の左
のイメージから右のイメージを得る計算過程を詳細に説
明すると次の通りである。
【0031】まず、上述した図2−4のように、両眼の
間の距離によって発生する二個のイメージの差異はx軸
方向にのみ表れるため、数式15の計算は図6に図示さ
れたようにイメージの一つの行に該当するピックセルに
対して計算し、これを各行に対して繰り返すことにより
計算を完了する。
【0032】左のイメージから右のイメージを得ること
は、言い換えれば、右のイメージの各ピックセルのカラ
ー情報を得ることであるといえる。即ち、左のイメージ
のカラー情報を右のイメージにマッピングする問題とな
る。このカラー情報は次のような方法で得る。
【0033】数式15をX に対して整理すると、数
式17のようになる。
【数17】 図6の右のイメージの各ピックセルの座標に該当するX
のカラー情報を得るために数式17を用いて、該当
する原本イメージの座標X を計算する。計算したX
からX のカラー情報を計算する。各ピックセル
の座標は整数であるが、計算結果は整数ときっちり合わ
ない場合もあるため、数式18のような方法で補間して
イメージの質を高める。ここで、CXRはX ピック
セルの情報、CXLは計算したX を整数化した座標
(左のイメージの座標)でのカラー情報、CXL+1
その次のピックセルのカラー情報である。
【数18】 上記の二つの過程を説明すると、左のイメージ(原本イ
メージ)から右のイメージを生成するために右のイメー
ジの各ピックセルに対するカラー値を左のイメージから
得なければならないが、その方法は次の通りである。即
ち、新たに作り出す右のイメージの各ピックセルに対し
て数式17を用いて対応される原本イメージのピックセ
ルなどを探し出し、数式18を用いて対応される原本イ
メージのピックセルなどのカラー値を補間し、求めよう
とした右のイメージのカラー値として使用する。
【0034】この方法を右のイメージの各ピックセルに
対して繰り返す。イメージの一つの行(ピックセル単
位)に対して計算が終わると、次の行を計算する。
【0035】上記で好ましい実施例に基づいて本発明を
説明したが、このような実施例は本発明を制限しようと
するものではなく、例示しようとするものである。本発
明の属する分野の熟練者には本発明の技術思想を逸脱す
ることなく、上記の実施例に対する多様な変化とか変
更、或は、調節が可能であることは自明なことである。
それ故に、本発明の保護範囲は添付された請求の範囲に
よってのみ限定されるはずであり、上記のような変化例
とか変更例、或は調節例をすべて含むものであると解釈
すべきである。
【0036】
【発明の効果】以上のように本発明によると、3次元モ
デルを一般的な映像生成方法に適用して一つの2次元イ
メージだけを生成し、生成された2次元イメージを計算
式に適用して更に異なる一つの2次元イメージを生成し
た後、二個の2次元イメージなどを用いて立体映像を生
成する。従って、既存の方法は一般映像を生成するもの
と比較して二倍の計算量を必要とするが、本発明で提案
している方法は簡単な計算式を通じて残りの一つのイメ
ージを容易に、且つ、早く生成することができるので、
コンピュータの性能が二倍に増強されなくとも立体映像
を容易に、且つ、早く生成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な2次元映像生成方法を示したグラフィ
ックパイプラインの構成図。
【図2】P(x,y,z)点を左の目 E(−e,
0,d)と右の目 E(e,0,d)を投影中心
として投影したことを示した図面。
【図3】左の目の視点がz軸上に来るように投影中心を
移動させた状態を示した図面。
【図4】右の目の視点がz軸上に来るように投影中心を
移動させた状態を示した図面。
【図5】左のイメージから右のイメージを生成する過程
で右のイメージの各ピックセルに対応する左のイメージ
のピックセルなどを探す過程を示した図面。
【図6】図5で一つの行に対して右のイメージの各ピッ
クセルに対応する左のイメージのピックセルなどを探す
過程を示した図面。
【符号の説明】
110:応用−明細プロセッシング 111、121:
シーンプロセッシング112、122:ポリゴンプロセ
ッシング 113、123:ピックセルプロセッシング
114、124:ディスプレイ 115、125:フ
レームバッファ 116、126:Zバッファ 11
7:シーングラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−40420(JP,A) 特開 平7−200870(JP,A) 特開 平8−30806(JP,A) 特開 平11−127458(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06T 17/40 G06T 15/00 H04N 13/02 CSDB(日本国特許庁)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3次元モデルをレンダリング(renderin
    g)して観察者の両眼のうち、いずれか一方の目に対応
    する第1の2次元イメージと、前記第1の2次元イメー
    ジのピックセル情報とを生成し、前記第1の2次元イメ
    ージの色情報をフレームバッファに貯蔵し、距離情報を
    Zバッファに貯蔵する段階と、 前記第1の2次元イメージと、前記フレームバッファに
    貯蔵された色情報、及び前記第1の2次元イメージのピ
    ックセル情報、前記観察者の両眼から投影平面までの垂
    直距離、及び前記Zバッファに貯蔵された距離情報の三
    角比と前記観察者の両眼の間の間隔を用いて前記第1の
    2次元イメージの各ピックセルに対応する第2の2次元
    イメージのピックセルを探して他方の目に対応する第2
    の2次元イメージを生成する段階、及び前記第1の2次
    元イメージと前記第2の2次元イメージとを用いて立体
    映像を生成する段階とを含むことを特徴とするZバッフ
    ァを用いた立体映像生成方法。
  2. 【請求項2】 前記他方の目に対応する第2の2次元イ
    メージを生成する段階は、前記第1の2次元イメージの
    ピックセルのカラー値を補間して前記第2の2次元イメ
    ージのカラー値を求めることを特徴とする請求項1に記
    載のZバッファを用いた立体映像生成方法。
  3. 【請求項3】 前記他方の目に対応する第2の2次元イ
    メージを生成する段階は、前記観察者の両眼の間の間隔
    の半分e、前記観察者の両眼から投影平面までの垂直距
    離d、及び前記第1の2次元イメージの各ピックセル
    情報X を下記の数式に適用して前記第2の2次元イ
    メージの各ピックセルに対応する前記第1の2次元イメ
    ージのピックセルを求めることを特徴とする請求項1に
    記載のZバッファを用いた立体映像生成方法。 【数1】 ここに、X は第2の2次元イメージのピックセルの
    座標であり、zはP(x、y、z)点のz座標である
  4. 【請求項4】 前記他方の目に対応する第2の2次元イ
    メージを生成する段階は、前記第1の2次元イメージの
    カラー値を下記の数式に適用して前記第2の2次元イメ
    ージのカラー値を求めることを特徴とする請求項1に記
    載のZバッファを用いた立体映像生成方法。 【数2】 ここで、CXRは第2の2次元イメージのX ピック
    セルのカラー情報、CXLは第1の2次元イメージのX
    座標でのカラー情報、CXL+1が第1の2次元イ
    メージのXL+1 座標でのカラー情報であり、int
    (x )はX の整数化した座標を意味する。
  5. 【請求項5】 3次元モデルをレンダリングして観察者
    の両眼のうち、いずれか一方の目に対応する第1の2次
    元イメージと、前記第1の2次元イメージのピックセル
    情報とを生成し、前記第1の2次元イメージの色情報を
    フレームバッファに貯蔵し、距離情報をZバッファに貯
    蔵する段階と、 前記第1の2次元イメージのピックセル情報、前記観察
    者の両眼から投影平面までの垂直距離、及び前記Zバッ
    ファに貯蔵された距離情報の三角比と前記観察者の両眼
    の間の間隔を用いて前記第1の2次元イメージの各ピッ
    クセルに対応する第2の2次元イメージのピックセルを
    探し出す段階と、 前記第1の2次元イメージのピックセルのカラー値を補
    間して前記探し出された第2の2次元イメージのピック
    セルのカラー値を求め他方の目に対応する第2の2次元
    イメージを生成する段階と、及び前記生成された第1の
    2次元イメージ及び前記第2の2次元イメージを用いて
    立体映像を生成する段階とを実行させるための、プログ
    ラムを記録したコンピュータで読取ることのできる記録
    媒体。
  6. 【請求項6】 3次元モデルをレンダリングして観察者
    の両眼のうち、いずれか一方の目に対応する第1の2次
    元イメージと、前記第1の2次元イメージの ピックセル
    情報とを生成し、前記第1の2次元イメージの色情報を
    フレームバッファに貯蔵し、距離情報をZバッファに貯
    蔵する段階と、 前記第1の2次元イメージのピックセル情報、前記観察
    者の両眼から投影平面までの垂直距離、及び前記Zバッ
    ファに貯蔵された距離情報の三角比と前記観察者の両眼
    の間の間隔を用いて前記第1の2次元イメージの各ピッ
    クセルに対応する第2の2次元イメージのピックセルを
    探し出す段階と、 前記第1の2次元イメージのピックセルのカラー値を補
    間して前記探し出された第2の2次元イメージのピック
    セルのカラー値を求め他方の目に対応する第2の2次元
    イメージを生成する段階と、及び前記生成された第1の
    2次元イメージ及び前記第2の2次元イメージを用いて
    立体映像を生成する段階とを実行させるための、プログ
    ラムの機能をハードウェアで具現したプロセッサ。
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