JP3638224B2 - ３次元ポリゴン表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利用する機器の描画条件に応じたポリゴン数によりオブジェクトを描画する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置に関する。
【０００２】
特に、再生表示する３次元ポリゴン表示装置ごとのポリゴン処理能力に応じ、また、３次元キャラクタの表示位置に応じて３次元キャラクタに割り当てる最適のポリゴン数を求め、当該最適ポリゴン数となる階層化レベルにより表示する３次元ポリゴン表示装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
近年のコンピュータシステムの高性能化、マルチメディア処理技術の発達により、パーソナルコンピュータ等においても高度な３次元コンピュータグラフィックスが処理できる環境が整いつつあり、３次元グラフィックスを処理するための専用のアクセラレータボードなども提供されつつある。このように、グラフィックス処理能力の向上に伴い、パーソナルコンピュータであっても処理性能の高い上位機種では３次元キャラクタの表示性能は十分に高く、専用グラフィックワークステーション（ＧＷＳ）に匹敵するものとなっている。しかし、広く一般利用者が使用し、普及しているパーソナルコンピュータの多くは、グラフィックアクセラレータや高性能ＣＰＵを備えているとは限らず、３次元キャラクタのリアルタイム表示処理に十分対応できるハードウェア仕様となっておらず、また、そのハードウェア仕様のレベルも低いものから比較的高いものまで混在している。そこで、これら広くバラツキのあるハードウェア性能の差を補い、多様な表示装置で一定品質以上の３次元キャラクタの表示処理を実現するためには、ソフトウェア処理の工夫によるハードウェア処理性能不足のサポートが必要であり、ソフトウェア処理方式の改善が不可欠となっている。
【０００４】
コンピュータグラフィックスのデータ形式には様々なタイプがあるが、一般利用者が使用する人工生物などのキャラクタやオブジェクトの動きを伴うゲームなどにおいては、一般にはオブジェクトに関するデータを主にポリゴンの形式で保持し、レンダリングにあたっては生成したポリゴンメッシュにテクスチャを貼り付けることにより高速な描画処理（レンダリング）を行っている。３次元キャラクタのレンダリングに消費される処理性能（以下、レンダリングコストと呼ぶ）は、表示処理されるポリゴン数に依存している。
【０００５】
高品質なグラフィックス表示のためには３次元キャラクタに割り当てることのできるポリゴン数が多い方が良い。しかしながら、リアルタイムでポリゴンを表示する場合には表示できるポリゴン数に限界がある。例えば、現状のパーソナルコンピュータをプラットフォームとしてリアルタイム処理を行う場合には、１フレームあたり２,０００ポリゴン程度にポリゴン数を抑える必要があると言われている。このように一般に、アニメーション設計・製作時において３次元キャラクタのポリゴン数やフレームレートなどは、末端利用者が使用する最低レベルのハードウェア仕様を想定して決められるため低く設定されている。そのため、高いハードウェア性能を持つ表示装置においてはこれら３次元キャラクタの表示処理のために割り当てる能力の割合は小さくて済み、ハードウェア処理能力の多くの部分は遊んでしまう一方で画像品質が低いという問題が起こる。逆に、３次元キャラクタのポリゴン数やフレームレートなどを利用者が使用しうる最高レベルのハードウェア仕様を想定して高く設定すると、末端利用者の多くの表示装置において処理能力が不足するためリアルタイム表示処理が不可能となるという問題が起こる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、上記した利用者が利用する３次元ポリゴン表示装置のハードウェア性能のバラツキに基づく、表示装置個別の処理性能の高さと実際に表示される３次元キャラクタの画像品質との不均衡の問題を緩和する方法として以下のものがあった。
【０００７】
第１の方法は、幾パターンかの複数のポリゴンモデルを用意しておき、３次元キャラクタの動きに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数を変える方法である。例えば、近距離用ポリゴンモデル、中間距離用ポリゴンモデル、遠距離用ポリゴンモデルを用意しておき、視点から３次元キャラクタの表示位置に応じてそれらポリゴンモデルから適当なものを選び、レンダリングコストを少しでも低減するものである。しかしこの複数パターンのポリゴンモデルを用意する方法には以下の問題がある。第１の問題は、用意するポリゴンモデルそれぞれに対するアニメーションデータが必要になり、データ量が膨大になってしまう点である。第２の問題は、３次元キャラクタの表示位置を変えてポリゴンモデルが切り替わるときその前後において表示キャラクタの解像度の差異が目立ってしまう点である。これらの問題から従来技術における第１の方法には改善が必要であった。
【０００８】
第２の方法は、階層化ポリゴンを用いる方法である。階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置において利用される階層化ポリゴンデータとは、オブジェクト表示の解像度、詳細度のレベルに応じて階層を持ったポリゴンデータであり、表示条件に応じて動的に階層レベルを遷移させることによりポリゴン数を増減させ、ポリゴンメッシュの頂点を形成できることを特徴とする。階層化ポリゴンデータは、基本となる最も粗レベルの基本ポリゴンデータと基本ポリゴンデータに対して相対的に記述された詳細ポリゴンデータとからなる。この階層化ポリゴンのレベルを３次元キャラクタの表示位置とカメラとの間の距離Ｚに比例させて設定し、それぞれの階層レベルに応じて割り当てるポリゴン数を低減させることが可能である。この方法を用いれば再生の際にポリゴン数Ｎを、Ｎ＝ｋＮ1／Ｚとして与え、Ｚに反比例して低減することができる。ここでｋは係数、Ｎ1はもっとも詳細レベルのポリゴン数とする。この方法は３次元キャラクタの表示位置に応じて割り当てポリゴン数を低減させることができるのでレンダリングコストを小さく抑えるという点で有効な方法である。
【０００９】
しかし、この方法には、使用する３次元ポリゴン表示装置個別の処理能力に応じて個別に割り当てポリゴン数を調整することはできなかった。また、シーンに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数の過多は、元来、そのポリゴン数で利用者の見た目（視認性）を一定以上に保てるものであるか否かをもって判断すれば良いが、上記第２の方法は、３次元キャラクタの表示位置に応じてポリゴン数を動的に変化させる、つまり表示位置と割り当てポリゴン数との相関を利用するものの、必ずしも利用者の視認性の高さを直接考慮したものとはなっていなかった。
【００１０】
本発明は前記問題点を解決するもので、広くバラツキのある３次元ポリゴン表示装置間のハードウェア性能の差を補い、かつ利用者が実際に利用する３次元ポリゴン表示装置ごとのグラフィックス処理性能に応じて動的に最適ポリゴン数を算出し、３次元ポリゴン表示装置個別に３次元キャラクタのポリゴン数を増減してカスタマイズ・最適化し、３次元ポリゴン表示装置それぞれが賄いうるレンダリングコスト内で最大限の表示品質を確保せしめることを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、シーンに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数を、利用者の見た目の画質の高さが所定の高さとなるように動的に調整できる３次元ポリゴン表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の３次元ポリゴン表示装置は、３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置において、一つのポリゴンあたりが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定部と、前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出部と、前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整部を備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、再生機器の能力に応じてポリゴン数を最適化することができ、３次元ポリゴン表示装置それぞれが賄いうるレンダリングコスト内で最大限の表示品質を確保せしめることができる。また、３次元キャラクタの表示において、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティが一定となる。
【００１４】
次に、前記３次元ポリゴン表示装置の、１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapを決めるハードウェア処理能力を検知するためのポリゴン描画能力検知部を備えることが好ましい。
【００１５】
上記構成により、ポリゴン描画能力検知部により、利用者が実際に利用する機器のハードウェア処理能力を考慮して１フレーム内に描画できる上限値となるポリゴン総数を検知することができる。
【００１６】
次に、前記３次元ポリゴン表示装置のポリゴン描画能力検知部が、前記３次元ポリゴン表示装置のハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる割合をもってポリゴン描画能力を検知することが好ましい。
【００１７】
上記構成により、利用している機器の実際に利用可能なハードウェア処理能力を考慮して１フレーム内に描画できる上限値となるポリゴン総数を検知することができる。
【００１８】
次に、前記ビジュアルクオリティ決定部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２とをパラメタとして、ビジュアルクオリティＳpを（数３）より求めることが好ましい。
【００１９】
【数３】
【００２０】
上記構成により、１つあたりのポリゴンが占める表示画面上での平均面積を計算することができ、ビジュアルクオリティＳpを具体的に求める処理構成の一例を提供することができる。
【００２１】
次に、前記最適ポリゴン数算出部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２と、前記ビジュアルクオリティＳpをパラメタとして、最適ポリゴン数Npを（数４）より求めることが好ましい。
【００２２】
【数４】
【００２３】
上記構成により、３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数をビジュアルクオリティＳpが一定となるように決めることができ、利用者の見た目の画質を所定の高さに保ちつつ、割り当てポリゴン数を最適にする処理構成の一例を提供することができる。
【００２４】
次に、前記３次元キャラクタのポリゴンデータが階層化ポリゴンデータであり、前記ポリゴン数調整部は、前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数が前記算出された最適ポリゴン数Npに最も近いポリゴン数となるまで階層化レベルを下げることが好ましい。
【００２５】
上記構成により、３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数が算出した最適ポリゴン数となるように階層化レベルを変化させることができ、３次元ポリゴンとして表示する上で見た目の劣化がより少ないポリゴン数低減処理が実行することができる。
【００２６】
次に、本発明の目的を達成するため、表示解像度に応じて３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置を実現する処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、一つあたりのポリゴンが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定処理ステップと、前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出処理ステップと、前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整処理ステップを備えた処理プログラムを記録したことを特徴とする。
【００２７】
上記構成により、コンピュータを用いて、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、本発明の基本原理を説明し、次に、装置構成例を示す。
【００２９】
まず、本発明の基本原理を説明する。
【００３０】
本発明の３次元ポリゴン表示装置の第１の原理は、利用者が実際に利用する３次元ポリゴン表示装置のグラフィックス処理能力により１フレーム内に扱いうるポリゴン総数を算出し、３次元ポリゴン表示装置上の画面全体に割り当てるポリゴン総数を当該算出値となるように動的に調整することである。この原理により、どの３次元ポリゴン表示装置を用いても、その仕様により決まるグラフィックス処理能力で賄いうるポリゴン総数を用いてフレーム内に存在する３次元キャラクタを描画することとなり、つまり、備えているグラフィックス処理能力を最大限利用して割り当てうる最大のポリゴン総数を持って描画する。
【００３１】
本発明の３次元ポリゴン表示装置の第２の原理は、描画する３次元キャラクタの見た目の品質を一定の高さに保ちつつ、３次元キャラクタの表示位置に合わせた割り当てポリゴン数の低減を図るものである。その方法として、以下に述べるビジュアルクオリティを一定に保つことを基準に当該３次元キャラクタに割り当てる最適ポリゴン数を算出してポリゴン数を低減する。
【００３２】
以下に、ビジュアルクオリティおよび最適ポリゴン数の算出方法について詳しく述べる。
【００３３】
カメラから遠く離れたキャラクタはポリゴン数を適度に削減して表示しても見た目の画像品質を下げることなく表示することが可能である。つまり、カメラと３次元キャラクタの距離（Ｚ）によって適正にポリゴン数を変化させることによりレンダリングコストを有効に節約することが可能となる。このように３次元ポリゴン表示装置の性能を基にビジュアルクオリティを定義することにより３次元ポリゴン表示装置に適応したポリゴン表示が行えることになる。
【００３４】
具体的にカメラからの距離によって３次元キャラクタの最適ポリゴン数を算出することについて述べる。いま、図１に示すようにカメラから距離Ｚの位置にキャラクタが存在し、距離Ｄにディスプレイ面があり投影されている場合を考える。なお、カメラからディスプレイ面の画角はθ／２である。３次元キャラクタを前面に投影した面積をＳrとし、これがディスプレイ面上ではＳsの面積になるとする。面積Ｓsは（数５）のようになる。なおディスプレイ面上の単位長さをｗ［ピクセル］とした。
【００３５】
【数５】
【００３６】
ここで（数６）を用いてモデル単位系（ここではｃｍ）からピクセル単位系（pixel）に単位系の変換を行い、ピクセル単位系での面積ｓを求める。
【００３７】
【数６】
【００３８】
（数５）および（数６）よりディスプレイ面上での面積ｓをピクセル数で表わすと（数７）となる。
【００３９】
【数７】
【００４０】
ここで、ポリゴンは３次元キャラクタに対し均一に分布していることを前提とし、全体のポリゴン数をＮapとした場合、投影されるポリゴンはほぼ、全体の半分になるため、投影されるポリゴンはＮap／２である。ここで、１ポリゴンあたりの平均面積Ｓp（平均ピクセル数）を求める式が（数８）である。（数８）において、このＳpをビジュアルクオリティとみなす。この（数８）においてＮapはシーンにかかわらず一定であり、このビジュアルクオリティＳpを一定に保ちつつ、ポリゴン数（Np）を求める式は（数９）になる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
【数９】
【００４３】
（数９）から、キャラクタのポリゴン数Npはキャラクタとカメラの距離Ｚの２乗に反比例することになることを示している。なお，ビジュアルクオリティ（Ｓp）は３次元ポリゴン表示装置の性能によるパラメータから算出することで、各３次元ポリゴン表示装置にカスタマイズした表示を行うことが可能となる。
【００４４】
距離Ｚと最適なポリゴン数の関係を図２に示す。これらの結果は上から点線の直線が従来のポリゴン数一定（例えば１２００ポリゴンで一定）の場合、点線の曲線Ｄが従来のＺ値により階層化レベルを変化させるもの、実線Ａが本発明の最適ポリゴン数割り当て方式をＮap＝１２００ポリゴンとして適用した場合、実線Ｂが本発明の最適ポリゴン数割り当て方式をＮap＝６００ポリゴンとして適用した場合である。この図２から分かるように、従来例に比べて割り当てるポリゴン数がより多く低減ができることが分かる。さらにこのポリゴン低減が利用者の見た目の画質を所定の高さに保ったまま実行されたものである。このようにＺ値に応じた最適なポリゴン数を算出しレンダリングを行うことで画像品質を維持したままレンダリング時間を削減することが可能になる。
【００４５】
具体的にレンダリング時間を計算してみる。
【００４６】
いま、３次元キャラクタはＺ＝１２５ｃｍから３００ｃｍの距離を往復するものとする。レンダリング時間はポリゴン数に比例するため（比例係数をｋとする）、１２００ポリゴン一定の場合の往路にかかるレンダリング時間Ｔconstと本発明の最適ポリゴン数割り当て方式を使用した場合において往路にかかるレンダリング時間Ｔoptimumを計算するとそれぞれ（数１０）、（数１１）のようになる。
【００４７】
【数１０】
【００４８】
【数１１】
【００４９】
（数１０）、（数１１）から分かるように、本発明の最適ポリゴン数割り当て方式を利用した場合、２．４分の１にレンダリングコストを押さえることができることとなる。また図２の実線Ｂに示したグラフのように処理性能の低い３次元ポリゴン表示装置の場合、後述するポリゴン描画能力検知部または利用者指定条件入力部を備えておけば、描画条件に合わせてビジュアルクオリティを下げ、例えば１／２とすることでレンダリング時間をさらに低減させることが可能になる。この場合、機器の処理性能に合わせてポリゴン数を算出した場合、ビジュアルクオリティは１／２と下げるが、このビジュアルクオリティを一定に保ったままレンダリングを行うことができる。
【００５０】
このように機械性能に基づき画像品質を決定することで、この画像品質を一定に保つような最適ポリゴン数を算出することが可能となる。なお、階層レベルの変更による階層化ポリゴンのポリゴンリダクション処理において、低減後のポリゴン数が最適ポリゴン数と丁度等しくなる階層レベルがない場合は、最も近くまで低減できる階層レベル、つまり、最適ポリゴン数以上でかつポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数となる階層レベルに調整すれば良い。
【００５１】
以上が、本発明の３次元ポリゴン表示装置の処理動作の基本原理である。つまり、このビジュアルクオリティを一定に保つとは、一つのポリゴンが表示画面上に張る大きさを一定に保つことである。この原理により、３次元キャラクタの表示位置が変化しても一つのポリゴンが表現する表示画面上の平均面積は一定であるので、近くにあって大きく表示される３次元キャラクタも、遠くにあって小さく表示される３次元キャラクタも、ポリゴンが表現する詳しさ、利用者の見た目の品質は一定の高さに保たれていることとなる。
【００５２】
次に、上記基本原理を適用した本発明の３次元ポリゴン表示装置の実施形態について述べる。
【００５３】
（実施形態１）
本実施形態１は、本発明の請求項１、２、４、５、６に記載の３次元ポリゴン表示装置の実施形態を示している。
【００５４】
本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置について図３を参照しつつ説明する。
【００５５】
図３において、１０はポリゴン描画能力検知部、２０はビジュアルクオリティ決定部、３０は最適ポリゴン数算出部、４０はポリゴン数調整部、５０はポリゴンデータ格納部、６０は表示部、７０は制御部である。
【００５６】
ポリゴン描画能力検知部１０は、本実施形態１では、利用者が利用する機器ののハードウェア処理能力により決まる描画能力を検知する。ここではポリゴン描画能力検知部１０はさらに利用者が描画能力をチューニングするための描画能力設定部１１を備えている。ポリゴン描画能力検知部１０は、装置が利用するＣＰＵの処理能力、グラフィックアクセラレータの有無とその能力などから本装置が持つポリゴン描画能力を検知し、処理可能なポリゴン数Ｎapを検知するものである。描画能力設定部１１は、利用者による再生条件の指定情報の入力部であり、例えば、処理可能なポリゴン数Ｎapの数値そのものの変更、または画質を高める、画質を下げるという情報を与える。画質を高める、画質を下げるという情報の入力があった場合は、例えば、処理可能なポリゴン総数Ｎapに対して係数αを与え、このαを上下させる。例えば、画質をもっと下げても良いと言う情報入力に対してαを１０％刻みで下げ、α＝０．９とし、調整後の処理可能なポリゴン数を０．９Ｎapとして与える。なお、このＮapは言うまでもなく（数８）において使用されているＮapである。
【００５７】
ビジュアルクオリティ決定部２０は、ポリゴン描画能力検知部１０により得た処理可能なポリゴン数Ｎapを基に（数８）に従って見た目の画質であるビジュアルクオリティＳpを決定する部分である。ビジュアルクオリティＳpは基本原理の説明で述べたように、１ポリゴンあたりが表現する平均面積（平均ピクセル数）であり、（数８）により算出される。ビジュアルクオリティ決定部２０は（数８）を処理する手段を備えている。なお、ビジュアルクオリティ決定部２０は描画条件入力部２１を備え、（数８）の計算実行に必要な他のパラメタ、ディスプレイ面の単位長Ｗ、３次元キャラクタを前面に投影した面積Ｓ、カメラと３次元キャラクタの距離Ｚ、カメラからディスプレイ面の画角θ／２を得る。
【００５８】
最適ポリゴン数算出部３０は、ビジュアルクオリティ決定部２０が決定したビジュアルクオリティＳpを一定に保つという条件のもと、対象となる３次元キャラクタに割り当てる最適ポリゴン数Npを（数９）より求める部分である。基本原理の説明で述べたように、最適ポリゴン数Npはカメラと３次元キャラクタの距離Ｚの二乗に反比例した値として、３次元キャラクタの動きに応じた最適値が求められる。最適ポリゴン数算出部３０は（数９）を処理する手段を備えている。
【００５９】
ポリゴンデータ格納部５０は、３次元キャラクタの階層化ポリゴンモデルデータが格納されている記憶部であり、ポリゴン数調整部４０に対して、ポリゴン数調整の対象となっている３次元キャラクタのポリゴンデータを与える。
【００６０】
ポリゴン数調整部４０は、対象となっている３次元キャラクタのポリゴン数Np0を、最適ポリゴン数算出部３０により算出された最適ポリゴン数Npとなるように低減、調整する部分である。このポリゴン数低減調整処理により、見た目の画質であるビジュアルクオリティを所定の高さに一定としつつ、余剰であるポリゴン数を低減し、３次元キャラクタに対して適切なポリゴン数を割り当てることができる。このポリゴン数をNp0から最適ポリゴン数Npに低減させる処理として、本実施形態１では、階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理を行う。この階層化ポリゴンによるポリゴン数低減処理例は後述するが、ポリゴン数調整部４０は、粗い基本ポリゴンモデルにポリゴンを被せ、必要なポリゴン数を持つモデルを作成する。
【００６１】
表示装置５０は、３次元キャラクタを表示するディスプレイであり、ＣＲＴ、液晶ディスプレイなど種類を問わない。
【００６２】
制御部７０は、装置全体の制御を行なう。なお、制御部７０、装置に必要なメモリ、デバイスなどは便宜上、説明を省略する。
【００６３】
次に、本実施形態１で用いる階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理の例を簡単に説明しておく。図４において、２０１は階層レベルがあるレベルである階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュ、２０２は一段階粗いレベルに遷移した階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュ、２０３はさらに一段階粗いレベルに遷移した階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュである。
【００６４】
２０１は８個のポリゴン頂点Ｖ０〜Ｖ７を持つ。ここで、データ量を低減するためにポリゴン頂点の一部を潰して省略する（以下、縮退と呼ぶ）ことを考える。例えば、縮退の規則として２点間の距離がある基準距離Ｌ以内であるポリゴン頂点の一方を縮退する規則を採用することとし、ある階層レベルの基準距離ＬをＬ1、次の粗い階層レベルの基準距離をＬ2とする。ポリゴンメッシュ２０１は、図４に示すように、Ｖ０・Ｖ１間の距離ＬV0V1が、ＬV0V1＜Ｌ1＜Ｌ2であり、Ｖ２・Ｖ５間の距離ＬV2V5が、Ｌ1＜ＬV2V5＜Ｌ2であるとする。
【００６５】
まず、２０１の階層化ポリゴンデータから一段階粗い階層レベルに遷移を説明する。現在の階層レベルの基準距離ＬはＬ1であるので、２点間の距離がＬ1以下であるポリゴン頂点Ｖ０とＶ１が縮退の対象となる。ポリゴンメッシュ２０２は、Ｖ０とＶ１を一つにまとめることにより新しく生成されたポリゴン頂点をＶ０としてＶ１を縮退したものであり、ポリゴン頂点数は７個となっている。同様に、次の階層レベル生成は、基準距離ＬがＬ2であるので、Ｖ２とＶ５が縮退の対象と選ばれた結果、Ｖ５が縮退され、ポリゴンメッシュ２０３のポリゴン頂点数が６個となった。上記の階層化処理をオブジェクト全体に適用して各階層レベルのポリゴンデータを得て、各レベル間の相対情報として記憶しておけば、階層化ポリゴンデータの階層レベルを遷移させた場合でも動的に各階層のポリゴンデータを補間、縮退することができる。
【００６６】
このようにレベルを遷移することで割り当てるポリゴン数を変化させることができる。本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置のポリゴン数調整部４０は、ポリゴン数が最適ポリゴン数となる階層レベル、または低減後のポリゴン数が最適ポリゴン数と等しくなる階層レベルがない場合にはポリゴン数が最適ポリゴン数以上かつポリゴンリダクション可能な最低のポリゴン数となる階層レベルまで階層化ポリゴンの階層レベルを粗いレベルに変えて行き、当該粗いレベルの基本ポリゴンモデルにポリゴンを被せ、必要なポリゴン数を持つモデルを作成することができる。
【００６７】
以上、本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置を用いれば、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当て、３次元ポリゴンの階層化レベルを調整し、ポリゴン数を低減することができる。
【００６８】
なお、本実施形態において具体的に数式等を用いて説明したビジュアルクオリティＳp算出方法、最適ポリゴン数Ｎｐ算出方法、階層化ポリゴンレベルのレベル低減によるポリゴン数低減処理方法は、一例であり、同様の目的、効果をもたらす数式変形は可能である。
【００６９】
（実施形態２）
本実施形態２は、本発明の請求項３に記載の３次元ポリゴン表示装置の実施形態を示している。
【００７０】
以下、本発明の第２の実施の形態について、図５を用いて説明する。本実施形態２は、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなく、マルチタスクが可能な環境、マルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行でき、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知するものである。
【００７１】
本実施形態２の３次元ポリゴン表示装置について図５を参照しつつ説明する。
【００７２】
図５おいて、１０ａはポリゴン描画能力検知部、１１は描画能力設定部、１２はシステム稼動状態検知部、２０はビジュアルクオリティ決定部、３０は最適ポリゴン数算出部、４０はポリゴン数調整部、５０はポリゴンデータ格納部、６０は表示部である。なお、実施形態１で図３を用いて説明したものと同じ要素については図３で用いた番号と同じ番号を付し、ここでの詳しい説明は適宜省略する。
【００７３】
ポリゴン描画能力検知部１０ａの基本動作は実施形態１で説明したポリゴン描画能力検知部１０と同様であるが、描画能力設定部１１に加えてさらにシステム稼動状態検知部１２を備えている。システム稼動状態検知部１２は、システムの実際の稼動状態を検知する部分であり、ＣＰＵ稼動状態（ＣＰＵ負荷率）、グラフィックスアクセラレータなど専用デバイスの使用状況などを監視する。このシステム稼動状態検知部１２が検知する情報によりポリゴン描画能力検知部１０は、システムリソースのうち３次元ポリゴンの描画処理に利用可能であるハードウェア処理能力を把握することができる。
【００７４】
今、３次元ポリゴン表示装置が構成されているコンピュータにおいて、３次元グラフィックス表示以外のアプリケーションが実行されているとする。例えば、一つのウィンドウで３次元グラフィックスの表示処理が実行され、別のウィンドウで大容量データファイルのネットワーク通信を実行しているものとする。当該３次元３次元ポリゴン表示装置はこのようにグラフィックス表示処理以外の負荷があるので保持するハードウェアリソースにより決まるハードウェア処理能力のすべてをグラフィックス表示処理に投入できるわけではない。
【００７５】
当該３次元ポリゴン表示装置が構成されているコンピュータの持つＣＰＵ処理能力、グラフィックスアクセラレータなどのハードウェア全体の処理能力をＡ０とする。グラフィックス表示以外の実行しているアプリケーションの処理に必要な処理能力Ｂとする。システム稼動状態検知部１２はＣＰＵ負荷状態、その他ハードウェアリソースの稼動状態をモニタし、他のアプリケーション処理に消費される処理能力Ｂを検知することができるものである。ポリゴン描画能力検知部１０は、ハードウェア全体の処理能力Ａ０とシステム稼動状態検知部１２により検知した他のアプリケーション処理に消費される処理能力Ｂからグラフィックス表示処理に利用できる処理能力Ａを、Ａ＝Ａ０−Ｂとして計算する。このように算出したグラフィックス表示処理に利用できる処理能力Ａを用いて実施形態１で説明した描画処理可能なポリゴン総数Ｎapを求める。この算出したＮapを用いてビジュアルクオリティ決定部２０以降処理を行なう。つまりビジュアルクオリティ決定部２０による（数８）を用いたビジュアルクオリティＳpの計算処理、最適ポリゴン数算出部３０による（数９）を用いたNpの計算は実施形態１と同様に実行する。
【００７６】
このように本実施形態２の３次元ポリゴン表示装置によれば、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなくマルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行できる環境において、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知することができる。
【００７７】
（実施形態３）
本発明にかかる３次元ポリゴン表示装置は、上記に説明した構成を実現する処理を記述したプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供することにより、各種コンピュータを用いて構築することができる。本発明にかかる３次元ポリゴン表示装置を実現する処理ステップを備えたプログラムを記録した記録媒体は、図６に図示した記録媒体の例に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ１０２やフレキシブルディスク１０３等の可搬型記録媒体１０１だけでなく、ネットワーク上にある記録装置内の記録媒体１００や、コンピュータのハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体１０５のいずれであっても良く、プログラム実行時には、プログラムはコンピュータ１０４上にローディングされ、主メモリ上で実行される。
【００７８】
本実施形態３の処理ステップを記録した記録媒体を用いれば、コンピュータを用いて、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の請求項１、２、４、５、６に記載の３次元ポリゴン表示装置によれば、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当て、３次元ポリゴンの階層化レベルを調整し、ポリゴン数を低減することができる。
【００８０】
本発明の請求項３に記載の３次元ポリゴン表示装置によれば、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなくマルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行できる環境において、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知することができる。
【００８１】
本発明の請求項７の処理ステップを記録した記録媒体を用いれば、コンピュータに当該処理ステップを読み込ませることにより、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を説明する３次元キャラクタのディスプレイ面への投影の様子を示す図
【図２】本発明の実施形態１の全差動型増幅器を示す回路配線図である。
【図３】本発明の実施形態１の３次元ポリゴン表示装置の概略ブロック図
【図４】本発明の実施形態１で用いる階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理の例を示す図
【図５】本発明の実施形態２の３次元ポリゴン表示装置の概略ブロック図
【図６】本発明の実施形態３の記録媒体の例を示す図
【符号の説明】
１０ ポリゴン描画能力検知部
１１ 描画能力設定部
１２ システム稼動状態検知部
２０ ビジュアルクオリティ決定部
２１ 描画条件入力部
３０ 最適ポリゴン数算出部
４０ ポリゴン数調整部
５０ ポリゴンデータ格納部
６０ 表示部
１００ 回線先のハードディスク等の記録媒体
１０１ ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体
１０２ ＣＤ−ＲＯＭ
１０３ フレキシブルディスク
１０４ コンピュータ
１０５ コンピュータ上のＲＡＭ／ハードディスク等の記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は、利用する機器の描画条件に応じたポリゴン数によりオブジェクトを描画する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置に関する。
【０００２】
特に、再生表示する３次元ポリゴン表示装置ごとのポリゴン処理能力に応じ、また、３次元キャラクタの表示位置に応じて３次元キャラクタに割り当てる最適のポリゴン数を求め、当該最適ポリゴン数となる階層化レベルにより表示する３次元ポリゴン表示装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
近年のコンピュータシステムの高性能化、マルチメディア処理技術の発達により、パーソナルコンピュータ等においても高度な３次元コンピュータグラフィックスが処理できる環境が整いつつあり、３次元グラフィックスを処理するための専用のアクセラレータボードなども提供されつつある。このように、グラフィックス処理能力の向上に伴い、パーソナルコンピュータであっても処理性能の高い上位機種では３次元キャラクタの表示性能は十分に高く、専用グラフィックワークステーション（ＧＷＳ）に匹敵するものとなっている。しかし、広く一般利用者が使用し、普及しているパーソナルコンピュータの多くは、グラフィックアクセラレータや高性能ＣＰＵを備えているとは限らず、３次元キャラクタのリアルタイム表示処理に十分対応できるハードウェア仕様となっておらず、また、そのハードウェア仕様のレベルも低いものから比較的高いものまで混在している。そこで、これら広くバラツキのあるハードウェア性能の差を補い、多様な表示装置で一定品質以上の３次元キャラクタの表示処理を実現するためには、ソフトウェア処理の工夫によるハードウェア処理性能不足のサポートが必要であり、ソフトウェア処理方式の改善が不可欠となっている。
【０００４】
コンピュータグラフィックスのデータ形式には様々なタイプがあるが、一般利用者が使用する人工生物などのキャラクタやオブジェクトの動きを伴うゲームなどにおいては、一般にはオブジェクトに関するデータを主にポリゴンの形式で保持し、レンダリングにあたっては生成したポリゴンメッシュにテクスチャを貼り付けることにより高速な描画処理（レンダリング）を行っている。３次元キャラクタのレンダリングに消費される処理性能（以下、レンダリングコストと呼ぶ）は、表示処理されるポリゴン数に依存している。
【０００５】
高品質なグラフィックス表示のためには３次元キャラクタに割り当てることのできるポリゴン数が多い方が良い。しかしながら、リアルタイムでポリゴンを表示する場合には表示できるポリゴン数に限界がある。例えば、現状のパーソナルコンピュータをプラットフォームとしてリアルタイム処理を行う場合には、１フレームあたり２,０００ポリゴン程度にポリゴン数を抑える必要があると言われている。このように一般に、アニメーション設計・製作時において３次元キャラクタのポリゴン数やフレームレートなどは、末端利用者が使用する最低レベルのハードウェア仕様を想定して決められるため低く設定されている。そのため、高いハードウェア性能を持つ表示装置においてはこれら３次元キャラクタの表示処理のために割り当てる能力の割合は小さくて済み、ハードウェア処理能力の多くの部分は遊んでしまう一方で画像品質が低いという問題が起こる。逆に、３次元キャラクタのポリゴン数やフレームレートなどを利用者が使用しうる最高レベルのハードウェア仕様を想定して高く設定すると、末端利用者の多くの表示装置において処理能力が不足するためリアルタイム表示処理が不可能となるという問題が起こる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、上記した利用者が利用する３次元ポリゴン表示装置のハードウェア性能のバラツキに基づく、表示装置個別の処理性能の高さと実際に表示される３次元キャラクタの画像品質との不均衡の問題を緩和する方法として以下のものがあった。
【０００７】
第１の方法は、幾パターンかの複数のポリゴンモデルを用意しておき、３次元キャラクタの動きに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数を変える方法である。例えば、近距離用ポリゴンモデル、中間距離用ポリゴンモデル、遠距離用ポリゴンモデルを用意しておき、視点から３次元キャラクタの表示位置に応じてそれらポリゴンモデルから適当なものを選び、レンダリングコストを少しでも低減するものである。しかしこの複数パターンのポリゴンモデルを用意する方法には以下の問題がある。第１の問題は、用意するポリゴンモデルそれぞれに対するアニメーションデータが必要になり、データ量が膨大になってしまう点である。第２の問題は、３次元キャラクタの表示位置を変えてポリゴンモデルが切り替わるときその前後において表示キャラクタの解像度の差異が目立ってしまう点である。これらの問題から従来技術における第１の方法には改善が必要であった。
【０００８】
第２の方法は、階層化ポリゴンを用いる方法である。階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置において利用される階層化ポリゴンデータとは、オブジェクト表示の解像度、詳細度のレベルに応じて階層を持ったポリゴンデータであり、表示条件に応じて動的に階層レベルを遷移させることによりポリゴン数を増減させ、ポリゴンメッシュの頂点を形成できることを特徴とする。階層化ポリゴンデータは、基本となる最も粗レベルの基本ポリゴンデータと基本ポリゴンデータに対して相対的に記述された詳細ポリゴンデータとからなる。この階層化ポリゴンのレベルを３次元キャラクタの表示位置とカメラとの間の距離Ｚに比例させて設定し、それぞれの階層レベルに応じて割り当てるポリゴン数を低減させることが可能である。この方法を用いれば再生の際にポリゴン数Ｎを、Ｎ＝ｋＮ1／Ｚとして与え、Ｚに反比例して低減することができる。ここでｋは係数、Ｎ1はもっとも詳細レベルのポリゴン数とする。この方法は３次元キャラクタの表示位置に応じて割り当てポリゴン数を低減させることができるのでレンダリングコストを小さく抑えるという点で有効な方法である。
【０００９】
しかし、この方法には、使用する３次元ポリゴン表示装置個別の処理能力に応じて個別に割り当てポリゴン数を調整することはできなかった。また、シーンに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数の過多は、元来、そのポリゴン数で利用者の見た目（視認性）を一定以上に保てるものであるか否かをもって判断すれば良いが、上記第２の方法は、３次元キャラクタの表示位置に応じてポリゴン数を動的に変化させる、つまり表示位置と割り当てポリゴン数との相関を利用するものの、必ずしも利用者の視認性の高さを直接考慮したものとはなっていなかった。
【００１０】
本発明は前記問題点を解決するもので、広くバラツキのある３次元ポリゴン表示装置間のハードウェア性能の差を補い、かつ利用者が実際に利用する３次元ポリゴン表示装置ごとのグラフィックス処理性能に応じて動的に最適ポリゴン数を算出し、３次元ポリゴン表示装置個別に３次元キャラクタのポリゴン数を増減してカスタマイズ・最適化し、３次元ポリゴン表示装置それぞれが賄いうるレンダリングコスト内で最大限の表示品質を確保せしめることを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、シーンに応じて３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数を、利用者の見た目の画質の高さが所定の高さとなるように動的に調整できる３次元ポリゴン表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の３次元ポリゴン表示装置は、３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置において、一つのポリゴンあたりが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定部と、前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出部と、前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整部を備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、再生機器の能力に応じてポリゴン数を最適化することができ、３次元ポリゴン表示装置それぞれが賄いうるレンダリングコスト内で最大限の表示品質を確保せしめることができる。また、３次元キャラクタの表示において、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティが一定となる。
【００１４】
次に、前記３次元ポリゴン表示装置の、１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapを決めるハードウェア処理能力を検知するためのポリゴン描画能力検知部を備えることが好ましい。
【００１５】
上記構成により、ポリゴン描画能力検知部により、利用者が実際に利用する機器のハードウェア処理能力を考慮して１フレーム内に描画できる上限値となるポリゴン総数を検知することができる。
【００１６】
次に、前記３次元ポリゴン表示装置のポリゴン描画能力検知部が、前記３次元ポリゴン表示装置のハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる割合をもってポリゴン描画能力を検知することが好ましい。
【００１７】
上記構成により、利用している機器の実際に利用可能なハードウェア処理能力を考慮して１フレーム内に描画できる上限値となるポリゴン総数を検知することができる。
【００１８】
次に、前記ビジュアルクオリティ決定部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２とをパラメタとして、ビジュアルクオリティＳpを（数３）より求めることが好ましい。
【００１９】
【数３】
上記構成により、１つあたりのポリゴンが占める表示画面上での平均面積を計算することができ、ビジュアルクオリティＳpを具体的に求める処理構成の一例を提供することができる。
【００２１】
次に、前記最適ポリゴン数算出部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２と、前記ビジュアルクオリティＳpをパラメタとして、最適ポリゴン数Npを（数４）より求めることが好ましい。
【００２２】
【数４】
上記構成により、３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数をビジュアルクオリティＳpが一定となるように決めることができ、利用者の見た目の画質を所定の高さに保ちつつ、割り当てポリゴン数を最適にする処理構成の一例を提供することができる。
【００２４】
次に、前記３次元キャラクタのポリゴンデータが階層化ポリゴンデータであり、前記ポリゴン数調整部は、前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数が前記算出された最適ポリゴン数Npに最も近いポリゴン数となるまで階層化レベルを下げることが好ましい。
【００２５】
上記構成により、３次元キャラクタに割り当てるポリゴン数が算出した最適ポリゴン数となるように階層化レベルを変化させることができ、３次元ポリゴンとして表示する上で見た目の劣化がより少ないポリゴン数低減処理が実行することができる。
【００２６】
次に、本発明の目的を達成するため、表示解像度に応じて３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置を実現する処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、一つあたりのポリゴンが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定処理ステップと、前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出処理ステップと、前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整処理ステップを備えた処理プログラムを記録したことを特徴とする。
【００２７】
上記構成により、コンピュータを用いて、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。まず、本発明の基本原理を説明し、次に、装置構成例を示す。
【００２９】
まず、本発明の基本原理を説明する。
【００３０】
本発明の３次元ポリゴン表示装置の第１の原理は、利用者が実際に利用する３次元ポリゴン表示装置のグラフィックス処理能力により１フレーム内に扱いうるポリゴン総数を算出し、３次元ポリゴン表示装置上の画面全体に割り当てるポリゴン総数を当該算出値となるように動的に調整することである。この原理により、どの３次元ポリゴン表示装置を用いても、その仕様により決まるグラフィックス処理能力で賄いうるポリゴン総数を用いてフレーム内に存在する３次元キャラクタを描画することとなり、つまり、備えているグラフィックス処理能力を最大限利用して割り当てうる最大のポリゴン総数を持って描画する。
【００３１】
本発明の３次元ポリゴン表示装置の第２の原理は、描画する３次元キャラクタの見た目の品質を一定の高さに保ちつつ、３次元キャラクタの表示位置に合わせた割り当てポリゴン数の低減を図るものである。その方法として、以下に述べるビジュアルクオリティを一定に保つことを基準に当該３次元キャラクタに割り当てる最適ポリゴン数を算出してポリゴン数を低減する。
【００３２】
以下に、ビジュアルクオリティおよび最適ポリゴン数の算出方法について詳しく述べる。
【００３３】
カメラから遠く離れたキャラクタはポリゴン数を適度に削減して表示しても見た目の画像品質を下げることなく表示することが可能である。つまり、カメラと３次元キャラクタの距離（Ｚ）によって適正にポリゴン数を変化させることによりレンダリングコストを有効に節約することが可能となる。このように３次元ポリゴン表示装置の性能を基にビジュアルクオリティを定義することにより３次元ポリゴン表示装置に適応したポリゴン表示が行えることになる。
【００３４】
具体的にカメラからの距離によって３次元キャラクタの最適ポリゴン数を算出することについて述べる。いま、図１に示すようにカメラから距離Ｚの位置にキャラクタが存在し、距離Ｄにディスプレイ面があり投影されている場合を考える。なお、カメラからディスプレイ面の画角はθ／２である。３次元キャラクタを前面に投影した面積をＳrとし、これがディスプレイ面上ではＳsの面積になるとする。面積Ｓsは（数５）のようになる。なおディスプレイ面上の単位長さをｗ［ピクセル］とした。
【００３５】
【数５】
ここで（数６）を用いてモデル単位系（ここではｃｍ）からピクセル単位系（pixel）に単位系の変換を行い、ピクセル単位系での面積ｓを求める。
【００３７】
【数６】
（数５）および（数６）よりディスプレイ面上での面積ｓをピクセル数で表わすと（数７）となる。
【００３９】
【数７】
ここで、ポリゴンは３次元キャラクタに対し均一に分布していることを前提とし、全体のポリゴン数をＮapとした場合、投影されるポリゴンはほぼ、全体の半分になるため、投影されるポリゴンはＮap／２である。ここで、１ポリゴンあたりの平均面積Ｓp（平均ピクセル数）を求める式が（数８）である。（数８）において、このＳpをビジュアルクオリティとみなす。この（数８）においてＮapはシーンにかかわらず一定であり、このビジュアルクオリティＳpを一定に保ちつつ、ポリゴン数（Np）を求める式は（数９）になる。
【００４１】
【数８】
【数９】
（数９）から、キャラクタのポリゴン数Npはキャラクタとカメラの距離Ｚの２乗に反比例することになることを示している。なお，ビジュアルクオリティ（Ｓp）は３次元ポリゴン表示装置の性能によるパラメータから算出することで、各３次元ポリゴン表示装置にカスタマイズした表示を行うことが可能となる。
【００４４】
距離Ｚと最適なポリゴン数の関係を図２に示す。これらの結果は上から点線の直線が従来のポリゴン数一定（例えば１２００ポリゴンで一定）の場合、点線の曲線Ｄが従来のＺ値により階層化レベルを変化させるもの、実線Ａが本発明の最適ポリゴン数割り当て方式をＮap＝１２００ポリゴンとして適用した場合、実線Ｂが本発明の最適ポリゴン数割り当て方式をＮap＝６００ポリゴンとして適用した場合である。この図２から分かるように、従来例に比べて割り当てるポリゴン数がより多く低減ができることが分かる。さらにこのポリゴン低減が利用者の見た目の画質を所定の高さに保ったまま実行されたものである。このようにＺ値に応じた最適なポリゴン数を算出しレンダリングを行うことで画像品質を維持したままレンダリング時間を削減することが可能になる。
【００４５】
具体的にレンダリング時間を計算してみる。
【００４６】
いま、３次元キャラクタはＺ＝１２５ｃｍから３００ｃｍの距離を往復するものとする。レンダリング時間はポリゴン数に比例するため（比例係数をｋとする）、１２００ポリゴン一定の場合の往路にかかるレンダリング時間Ｔconstと本発明の最適ポリゴン数割り当て方式を使用した場合において往路にかかるレンダリング時間Ｔoptimumを計算するとそれぞれ（数１０）、（数１１）のようになる。
【００４７】
【数１０】
【数１１】
（数１０）、（数１１）から分かるように、本発明の最適ポリゴン数割り当て方式を利用した場合、２．４分の１にレンダリングコストを押さえることができることとなる。また図２の実線Ｂに示したグラフのように処理性能の低い３次元ポリゴン表示装置の場合、後述するポリゴン描画能力検知部または利用者指定条件入力部を備えておけば、描画条件に合わせてビジュアルクオリティを下げ、例えば１／２とすることでレンダリング時間をさらに低減させることが可能になる。この場合、機器の処理性能に合わせてポリゴン数を算出した場合、ビジュアルクオリティは１／２と下げるが、このビジュアルクオリティを一定に保ったままレンダリングを行うことができる。
【００５０】
このように機械性能に基づき画像品質を決定することで、この画像品質を一定に保つような最適ポリゴン数を算出することが可能となる。なお、階層レベルの変更による階層化ポリゴンのポリゴンリダクション処理において、低減後のポリゴン数が最適ポリゴン数と丁度等しくなる階層レベルがない場合は、最も近くまで低減できる階層レベル、つまり、最適ポリゴン数以上でかつポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数となる階層レベルに調整すれば良い。
【００５１】
以上が、本発明の３次元ポリゴン表示装置の処理動作の基本原理である。つまり、このビジュアルクオリティを一定に保つとは、一つのポリゴンが表示画面上に張る大きさを一定に保つことである。この原理により、３次元キャラクタの表示位置が変化しても一つのポリゴンが表現する表示画面上の平均面積は一定であるので、近くにあって大きく表示される３次元キャラクタも、遠くにあって小さく表示される３次元キャラクタも、ポリゴンが表現する詳しさ、利用者の見た目の品質は一定の高さに保たれていることとなる。
【００５２】
次に、上記基本原理を適用した本発明の３次元ポリゴン表示装置の実施形態について述べる。
【００５３】
（実施形態１）
本実施形態１は、本発明の請求項１、２、４、５、６に記載の３次元ポリゴン表示装置の実施形態を示している。
【００５４】
本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置について図３を参照しつつ説明する。
【００５５】
図３において、１０はポリゴン描画能力検知部、２０はビジュアルクオリティ決定部、３０は最適ポリゴン数算出部、４０はポリゴン数調整部、５０はポリゴンデータ格納部、６０は表示部、７０は制御部である。
【００５６】
ポリゴン描画能力検知部１０は、本実施形態１では、利用者が利用する機器ののハードウェア処理能力により決まる描画能力を検知する。ここではポリゴン描画能力検知部１０はさらに利用者が描画能力をチューニングするための描画能力設定部１１を備えている。ポリゴン描画能力検知部１０は、装置が利用するＣＰＵの処理能力、グラフィックアクセラレータの有無とその能力などから本装置が持つポリゴン描画能力を検知し、処理可能なポリゴン数Ｎapを検知するものである。描画能力設定部１１は、利用者による再生条件の指定情報の入力部であり、例えば、処理可能なポリゴン数Ｎapの数値そのものの変更、または画質を高める、画質を下げるという情報を与える。画質を高める、画質を下げるという情報の入力があった場合は、例えば、処理可能なポリゴン総数Ｎapに対して係数αを与え、このαを上下させる。例えば、画質をもっと下げても良いと言う情報入力に対してαを１０％刻みで下げ、α＝０．９とし、調整後の処理可能なポリゴン数を０．９Ｎapとして与える。なお、このＮapは言うまでもなく（数８）において使用されているＮapである。
【００５７】
ビジュアルクオリティ決定部２０は、ポリゴン描画能力検知部１０により得た処理可能なポリゴン数Ｎapを基に（数８）に従って見た目の画質であるビジュアルクオリティＳpを決定する部分である。ビジュアルクオリティＳpは基本原理の説明で述べたように、１ポリゴンあたりが表現する平均面積（平均ピクセル数）であり、（数８）により算出される。ビジュアルクオリティ決定部２０は（数８）を処理する手段を備えている。なお、ビジュアルクオリティ決定部２０は描画条件入力部２１を備え、（数８）の計算実行に必要な他のパラメタ、ディスプレイ面の単位長Ｗ、３次元キャラクタを前面に投影した面積Ｓ、カメラと３次元キャラクタの距離Ｚ、カメラからディスプレイ面の画角θ／２を得る。
【００５８】
最適ポリゴン数算出部３０は、ビジュアルクオリティ決定部２０が決定したビジュアルクオリティＳpを一定に保つという条件のもと、対象となる３次元キャラクタに割り当てる最適ポリゴン数Npを（数９）より求める部分である。基本原理の説明で述べたように、最適ポリゴン数Npはカメラと３次元キャラクタの距離Ｚの二乗に反比例した値として、３次元キャラクタの動きに応じた最適値が求められる。最適ポリゴン数算出部３０は（数９）を処理する手段を備えている。
【００５９】
ポリゴンデータ格納部５０は、３次元キャラクタの階層化ポリゴンモデルデータが格納されている記憶部であり、ポリゴン数調整部４０に対して、ポリゴン数調整の対象となっている３次元キャラクタのポリゴンデータを与える。
【００６０】
ポリゴン数調整部４０は、対象となっている３次元キャラクタのポリゴン数Np0を、最適ポリゴン数算出部３０により算出された最適ポリゴン数Npとなるように低減、調整する部分である。このポリゴン数低減調整処理により、見た目の画質であるビジュアルクオリティを所定の高さに一定としつつ、余剰であるポリゴン数を低減し、３次元キャラクタに対して適切なポリゴン数を割り当てることができる。このポリゴン数をNp0から最適ポリゴン数Npに低減させる処理として、本実施形態１では、階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理を行う。この階層化ポリゴンによるポリゴン数低減処理例は後述するが、ポリゴン数調整部４０は、粗い基本ポリゴンモデルにポリゴンを被せ、必要なポリゴン数を持つモデルを作成する。
【００６１】
表示装置５０は、３次元キャラクタを表示するディスプレイであり、ＣＲＴ、液晶ディスプレイなど種類を問わない。
【００６２】
制御部７０は、装置全体の制御を行なう。なお、制御部７０、装置に必要なメモリ、デバイスなどは便宜上、説明を省略する。
【００６３】
次に、本実施形態１で用いる階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理の例を簡単に説明しておく。図４において、２０１は階層レベルがあるレベルである階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュ、２０２は一段階粗いレベルに遷移した階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュ、２０３はさらに一段階粗いレベルに遷移した階層化ポリゴンにより形成されたポリゴンメッシュである。
【００６４】
２０１は８個のポリゴン頂点Ｖ０〜Ｖ７を持つ。ここで、データ量を低減するためにポリゴン頂点の一部を潰して省略する（以下、縮退と呼ぶ）ことを考える。例えば、縮退の規則として２点間の距離がある基準距離Ｌ以内であるポリゴン頂点の一方を縮退する規則を採用することとし、ある階層レベルの基準距離ＬをＬ1、次の粗い階層レベルの基準距離をＬ2とする。ポリゴンメッシュ２０１は、図４に示すように、Ｖ０・Ｖ１間の距離ＬV0V1が、ＬV0V1＜Ｌ1＜Ｌ2であり、Ｖ２・Ｖ５間の距離ＬV2V5が、Ｌ1＜ＬV2V5＜Ｌ2であるとする。
【００６５】
まず、２０１の階層化ポリゴンデータから一段階粗い階層レベルに遷移を説明する。現在の階層レベルの基準距離ＬはＬ1であるので、２点間の距離がＬ1以下であるポリゴン頂点Ｖ０とＶ１が縮退の対象となる。ポリゴンメッシュ２０２は、Ｖ０とＶ１を一つにまとめることにより新しく生成されたポリゴン頂点をＶ０としてＶ１を縮退したものであり、ポリゴン頂点数は７個となっている。同様に、次の階層レベル生成は、基準距離ＬがＬ2であるので、Ｖ２とＶ５が縮退の対象と選ばれた結果、Ｖ５が縮退され、ポリゴンメッシュ２０３のポリゴン頂点数が６個となった。上記の階層化処理をオブジェクト全体に適用して各階層レベルのポリゴンデータを得て、各レベル間の相対情報として記憶しておけば、階層化ポリゴンデータの階層レベルを遷移させた場合でも動的に各階層のポリゴンデータを補間、縮退することができる。
【００６６】
このようにレベルを遷移することで割り当てるポリゴン数を変化させることができる。本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置のポリゴン数調整部４０は、ポリゴン数が最適ポリゴン数となる階層レベル、または低減後のポリゴン数が最適ポリゴン数と等しくなる階層レベルがない場合にはポリゴン数が最適ポリゴン数以上かつポリゴンリダクション可能な最低のポリゴン数となる階層レベルまで階層化ポリゴンの階層レベルを粗いレベルに変えて行き、当該粗いレベルの基本ポリゴンモデルにポリゴンを被せ、必要なポリゴン数を持つモデルを作成することができる。
【００６７】
以上、本実施形態１の３次元ポリゴン表示装置を用いれば、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当て、３次元ポリゴンの階層化レベルを調整し、ポリゴン数を低減することができる。
【００６８】
なお、本実施形態において具体的に数式等を用いて説明したビジュアルクオリティＳp算出方法、最適ポリゴン数Ｎｐ算出方法、階層化ポリゴンレベルのレベル低減によるポリゴン数低減処理方法は、一例であり、同様の目的、効果をもたらす数式変形は可能である。
【００６９】
（実施形態２）
本実施形態２は、本発明の請求項３に記載の３次元ポリゴン表示装置の実施形態を示している。
【００７０】
以下、本発明の第２の実施の形態について、図５を用いて説明する。本実施形態２は、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなく、マルチタスクが可能な環境、マルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行でき、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知するものである。
【００７１】
本実施形態２の３次元ポリゴン表示装置について図５を参照しつつ説明する。
【００７２】
図５おいて、１０ａはポリゴン描画能力検知部、１１は描画能力設定部、１２はシステム稼動状態検知部、２０はビジュアルクオリティ決定部、３０は最適ポリゴン数算出部、４０はポリゴン数調整部、５０はポリゴンデータ格納部、６０は表示部である。なお、実施形態１で図３を用いて説明したものと同じ要素については図３で用いた番号と同じ番号を付し、ここでの詳しい説明は適宜省略する。
【００７３】
ポリゴン描画能力検知部１０ａの基本動作は実施形態１で説明したポリゴン描画能力検知部１０と同様であるが、描画能力設定部１１に加えてさらにシステム稼動状態検知部１２を備えている。システム稼動状態検知部１２は、システムの実際の稼動状態を検知する部分であり、ＣＰＵ稼動状態（ＣＰＵ負荷率）、グラフィックスアクセラレータなど専用デバイスの使用状況などを監視する。このシステム稼動状態検知部１２が検知する情報によりポリゴン描画能力検知部１０は、システムリソースのうち３次元ポリゴンの描画処理に利用可能であるハードウェア処理能力を把握することができる。
【００７４】
今、３次元ポリゴン表示装置が構成されているコンピュータにおいて、３次元グラフィックス表示以外のアプリケーションが実行されているとする。例えば、一つのウィンドウで３次元グラフィックスの表示処理が実行され、別のウィンドウで大容量データファイルのネットワーク通信を実行しているものとする。当該３次元３次元ポリゴン表示装置はこのようにグラフィックス表示処理以外の負荷があるので保持するハードウェアリソースにより決まるハードウェア処理能力のすべてをグラフィックス表示処理に投入できるわけではない。
【００７５】
当該３次元ポリゴン表示装置が構成されているコンピュータの持つＣＰＵ処理能力、グラフィックスアクセラレータなどのハードウェア全体の処理能力をＡ０とする。グラフィックス表示以外の実行しているアプリケーションの処理に必要な処理能力Ｂとする。システム稼動状態検知部１２はＣＰＵ負荷状態、その他ハードウェアリソースの稼動状態をモニタし、他のアプリケーション処理に消費される処理能力Ｂを検知することができるものである。ポリゴン描画能力検知部１０は、ハードウェア全体の処理能力Ａ０とシステム稼動状態検知部１２により検知した他のアプリケーション処理に消費される処理能力Ｂからグラフィックス表示処理に利用できる処理能力Ａを、Ａ＝Ａ０−Ｂとして計算する。このように算出したグラフィックス表示処理に利用できる処理能力Ａを用いて実施形態１で説明した描画処理可能なポリゴン総数Ｎapを求める。この算出したＮapを用いてビジュアルクオリティ決定部２０以降処理を行なう。つまりビジュアルクオリティ決定部２０による（数８）を用いたビジュアルクオリティＳpの計算処理、最適ポリゴン数算出部３０による（数９）を用いたNpの計算は実施形態１と同様に実行する。
【００７６】
このように本実施形態２の３次元ポリゴン表示装置によれば、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなくマルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行できる環境において、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知することができる。
【００７７】
（実施形態３）
本発明にかかる３次元ポリゴン表示装置は、上記に説明した構成を実現する処理を記述したプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供することにより、各種コンピュータを用いて構築することができる。本発明にかかる３次元ポリゴン表示装置を実現する処理ステップを備えたプログラムを記録した記録媒体は、図６に図示した記録媒体の例に示すように、ＣＤ−ＲＯＭ１０２やフレキシブルディスク１０３等の可搬型記録媒体１０１だけでなく、ネットワーク上にある記録装置内の記録媒体１００や、コンピュータのハードディスクやＲＡＭ等の記録媒体１０５のいずれであっても良く、プログラム実行時には、プログラムはコンピュータ１０４上にローディングされ、主メモリ上で実行される。
【００７８】
本実施形態３の処理ステップを記録した記録媒体を用いれば、コンピュータを用いて、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の請求項１、２、４、５、６に記載の３次元ポリゴン表示装置によれば、表示シーン、３次元キャラクタのＺ値によらず、一つあたりのポリゴンが表示画面上に占める平均面積を一定とすることができ、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当て、３次元ポリゴンの階層化レベルを調整し、ポリゴン数を低減することができる。
【００８０】
本発明の請求項３に記載の３次元ポリゴン表示装置によれば、３次元ポリゴン表示装置の用途がコンピュータグラフィックス専用ではなくマルチウィンドウで複数のアプリケーションが実行できる環境において、ハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる処理能力を考慮してポリゴン描画能力を検知することができる。
【００８１】
本発明の請求項７の処理ステップを記録した記録媒体を用いれば、コンピュータに当該処理ステップを読み込ませることにより、画面に表現される見た目の詳しさ、利用者の見た目の画質であるビジュアルクオリティを一定とする最適なポリゴン数を割り当てることができる３次元ポリゴン表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本原理を説明する３次元キャラクタのディスプレイ面への投影の様子を示す図
【図２】本発明の実施形態１の全差動型増幅器を示す回路配線図である。
【図３】本発明の実施形態１の３次元ポリゴン表示装置の概略ブロック図
【図４】本発明の実施形態１で用いる階層化ポリゴンの階層化レベル低減によるポリゴン数低減処理の例を示す図
【図５】本発明の実施形態２の３次元ポリゴン表示装置の概略ブロック図
【図６】本発明の実施形態３の記録媒体の例を示す図
【符号の説明】
１０ ポリゴン描画能力検知部
１１ 描画能力設定部
１２ システム稼動状態検知部
２０ ビジュアルクオリティ決定部
２１ 描画条件入力部
３０ 最適ポリゴン数算出部
４０ ポリゴン数調整部
５０ ポリゴンデータ格納部
６０ 表示部
１００ 回線先のハードディスク等の記録媒体
１０１ ＣＤ−ＲＯＭやフレキシブルディスク等の可搬型記録媒体
１０２ ＣＤ−ＲＯＭ
１０３ フレキシブルディスク
１０４ コンピュータ
１０５ コンピュータ上のＲＡＭ／ハードディスク等の記録媒体
Claims (7)
- ３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置において、
一つのポリゴンあたりが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定部と、
前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出部と、
前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整部を備えたことを特徴とする３次元ポリゴン表示装置。 - 前記３次元ポリゴン表示装置の、１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapを決めるハードウェア処理能力を検知するためのポリゴン描画能力検知部を備えた請求項１に記載の３次元ポリゴン表示装置。
- ポリゴン描画能力検知部が、前記３次元ポリゴン表示装置のハードウェア処理能力のうち、実際にポリゴン描画能力として割くことのできる割合をもってポリゴン描画能力を検知する請求項２に記載の３次元ポリゴン表示装置。
- 前記ビジュアルクオリティ決定部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記１フレーム内に描画できるポリゴン総数Ｎapと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２とをパラメタとして、ビジュアルクオリティＳpを（数１）より求める請求項２または３に記載の３次元ポリゴン表示装置。
- 前記最適ポリゴン数算出部は、表示面の単位長ｗ［ピクセル］と、前記３次元キャラクタの面積Ｓrと、前記３次元キャラクタのカメラからの距離Ｚと、カメラからディスプレイ面の画角θの１／２と、前記ビジュアルクオリティＳpをパラメタとして、最適ポリゴン数Npを（数２）より求める請求項４に記載の３次元ポリゴン表示装置。
- 前記３次元キャラクタのポリゴンデータが階層化ポリゴンデータであり、前記ポリゴン数調整部は、前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数が前記算出された最適ポリゴン数Npに最も近いポリゴン数となるまで階層化レベルを下げる請求項１に記載の３次元ポリゴン表示装置。
- 表示解像度に応じて３次元キャラクタのポリゴンメッシュを形成する階層化ポリゴンデータを用いた３次元ポリゴン表示装置を実現する処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
一つあたりのポリゴンが表現する表示画面上の平均面積であって、利用者の見た目の画質を表わすビジュアルクオリティを決定するビジュアルクオリティ決定処理ステップと、
前記決定したビジュアルクオリティを一定として前記３次元キャラクタに割り当てられるポリゴン数を最適ポリゴン数として算出する最適ポリゴン数算出処理ステップと、
前記３次元キャラクタのポリゴン数が前記算出した最適ポリゴン数以上で、かつ、ポリゴンリダクション可能な最低ポリゴン数になるように前記階層化ポリゴンデータの階層レベルを調整するポリゴン数調整処理ステップを備えた処理プログラムを記録したことを特徴とする記録媒体。
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