JP3804328B2 - 画像処理装置及び画像処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータグラフィックスによる画像処理装置及び画像処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックスによる画像処理においては、通常、3次元座標空間においてポリゴンモデルを生成し、そのポリゴンモデルに陰面処理、シェーディング処理等を行った後、そのモデルを2次元座標に変換して背景画面に重ね合わせる。この場合、そのモデルを背景画面の中で目立たせるためには、モデルのデータに特殊な計算処理を行い、モデルの階調を単純化したり、モデルにアウトラインを追加することが行われる。
【0003】
例えば、3D−CG映像を作成するためのソフトウェアでは、3次元座標空間のポリゴンモデルを2次元画面に投影し、投影モデルと背景画面の境界を計算により検出し、その境界部分に指定した幅の線を描きアウトラインを生成していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の3次元コンピュータグラフィックスにおいては、モデルにアウトラインを生成する処理は、3次元座標空間のポリゴンモデル間において、アウトラインを生成するべき箇所を抽出し、その抽出した部分に指定した幅の線を描くことにより行われていた。このため、ポリゴンモデル間のアウトライン作成箇所を認識する計算の負担が大きくなり、モデルにアウトラインを生成する処理に時間がかかっていた。
【0005】
しかしながら、例えば、コンピュータグラフィックスを利用したゲーム装置等では、遊戯者の操作に応じてリアルタイムにモデルを変化させなければならない。この場合、従来のアウトライン生成方法は、変化するモデルの境界を計算により検出してアウトラインを生成するため、その計算処理に時間がかかりすぎてしまう。このため、遊戯者の操作に対するモデルの応答性を重視するゲーム装置等では、モデルにアウトラインを生成する処理を行うことができなかった。
【0006】
また、従来の方法では、モデルとカメラの距離に関係なく、モデルと背景画面の境界部分に指定した幅の線を描いてアウトラインを生成していたので、アウトラインの線幅によりモデルの遠近感を表現することができなかった。
【0007】
そこで、本発明は、アウトラインが描かれた、アニメーションの平面画のようなモデルを高速で生成することができる画像処理装置及び画像処理方法を提供することを目的とする。
【0008】
また、本発明は、モデルのアウトラインの線幅を高速に変化させることができる画像処理装置及び画像処理方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、3次元座標空間にコンピュータグラフィックスによりポリゴンモデルを生成する画像処理装置において、ポリゴンの法線ベクトルの向きが外側を向いた第1のモデルと、該第1のモデルを内包し、ポリゴンの法線ベクトルの向きが内側を向いた第2のモデルとを一体のモデルとしたことを特徴とする画像処理装置及び画像処理方法を提供することにより達成される。
【0010】
本発明によれば、ポリゴンの法線ベクトルの向きにより、陰面処理においてポリゴンが表示されるか否かが決定される。即ち、ポリゴンの法線ベクトルが視点方向の成分を含む場合は、そのポリゴンは表示され、ポリゴンの法線ベクトルが視点と反対方向の成分を含む場合は、そのポリゴンは表示されない。このため、第2のモデルは、第1のモデルのアウトラインとして表現される。
【0011】
しかも、本発明によれば、アウトラインは3次元座標空間のポリゴンモデルを処理することにより生成され、2次元画面に投影されたモデルと背景画面の境界を検出する計算処理を必要としないため、極めて高速にアウトラインを生成することができる。
【0012】
また、3次元座標空間のポリゴンモデルにアウトラインを付加するので、特別の計算処理を行うことなくカメラに近いアウトラインは太く表示され、カメラから遠いアウトラインは細く表示されるので、処理の高速性を低下させずにモデルの遠近感を強調することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に従って説明する。図1は、本発明の実施の形態の画像処理装置のブロック図である。本実施の形態の画像処理装置は、画像処理を高速に実行するために、ジオメトリ処理、レンダリング処理等を高速処理する複数のプロセッサを有する。
【0014】
CPU1は、ブートROM5から起動プログラムを読み出し、システムメモリ3からシステムプログラムを読み出して、画像処理装置の初期設定等を行う。また、CPU1は、CDROM4からアプリケーションプログラムを読み出して、画像処理装置をアプリケーションプログラムの管理下に置く。
【0015】
ジオメトリプロセッサ2は、ポリゴンの3次元座標データを高速に処理するプロセッサで、CPU1から送られてくるポリゴンの座標データにモデルの移動、回転等に対する処理を行い、ポリゴンの法線ベクトルを計算し、更にクリッピング、視野変換等の処理を行う。
【0016】
なお、本実施の形態の画像処理装置では、後で詳述するように、レンダリングプロセッサ7においてモデルのレンダリング処理を行う前、即ち、3次元座標空間のポリゴンモデルにおいてアウトラインの処理が行われるため、極めて高速にアウトラインを生成することができる。
【0017】
レンダリングプロセッサ7は、モデルのレンダリングを高速に処理するプロセッサで、ジオメトリプロセッサ2から送られてくるポリゴンデータに対して、陰面処理及びシェーディング処理等を行う。なお、本実施の形態の画像処理装置では、アウトラインの輝度を設定は、レンダリングプロセッサ7において輝度パラメータを指定することにより高速に行われる。
【0018】
レンダリングプロセッサ7で処理されたモデルのデータは、1画面毎にグラフィックメモリ8に格納され、それらのデータはビデオD/Aコンバータ9で映像信号に変換されて図示しないテレビジョンモニタ等に表示される。
【0019】
オーディオプロセッサ10は、CDROM4から音楽データを読み出し、また、オーディオメモリ11から遊戯者の操作に応じた効果音等のデータを読み出す。それらのオーディオデータは、オーディオD/Aコンバータ12でアナログ信号に変換され、図示しないテレビジョンモニタ又はオーディオ装置に出力される。
【0020】
バスアービタ6は、どのプロセッサにバスの使用権を与えるかを決定するものである。即ち、本実施の形態の画像処理装置は、CPU1、レンダリングプロセッサ7等の複数のプロセッサがバスを共用しているため、例えば、CPU1から送出されたデータが、レンダリングプロセッサ7から送出されたデータと衝突しないように、バスアービタ6によりバスの使用権が管理、調停される。
【0021】
モデム13は、電話回線を使用してデータを送受信するための変復調器で、図示しないモジュラージャックに接続される。なお、図1においてバスアービタ6に接続されるペリフェラルには、図示しないコントローラ等のキー操作のためのスイッチのほか、バックアップメモリ、表示装置、ポインティングデバイス等、画像処理装置あるいはコントローラに着脱可能なものも含まれる。
【0022】
次に、本実施の形態の画像処理の1例について、図2に示すフローチャート、図3〜図14に示す表示及びデータ例により説明する。なお、図3〜図14の表示例では、各過程での処理を説明するために、各過程を区分してモデルを生成し、2次元画面に投影して表示しているが、実際の各過程の処理は3次元座標データのままであり、2次元画面に投影する処理は、全過程の終了後にジオメトリプロセッサ2において行われる。
【0023】
図2のフローチャートに示すように、本実施の形態の画像処理は、まずCPU1が、CDROM4からモデルA(ゲームのキャラクタモデル等)のデータを読み出し(S1)、そのデータをジオメトリプロセッサ2に送ることにより開始される。ここでモデルAは、図3に示すように左右に角を持った球体で、ポリゴンP1からポリゴンPnで構成されているとする。また、CDROM4から読み出されるモデルAのデータは、図4に示すように各ポリゴンの頂点の座標、法線ベクトル、色、透明度等のデータであるとする。なお、頂点座標は、モデルAの重心を原点としたローカル座標系の値である。
【0024】
図5は、モデルAの1つのポリゴンPkを取り出した場合を示す。ポリゴンPkは頂点Vk1〜Vk4で構成され、頂点Vk1〜Vk4には法線ベクトルnk1〜nk4が付属する。なお、モデルAは、モデルAの外部から見られることを前提としているため、各頂点の法線ベクトルはモデルAの外側に向かう方向になる。また、ポリゴンPkの法線ベクトルnkは、各頂点の法線ベクトルnk1〜nk4の例えばベクトル平均により求める。
【0025】
次に、ジオメトリプロセッサ2は、3次元座標空間において、モデルAよりひとまわり大きいモデルBを作成する(S2)。図6は、モデルAを一定の比率αで拡大したモデルBのデータを示す。この場合、モデルAの各ポリゴンの頂点座標は、モデルAの重心を原点としたローカル座標系の値になっているので、モデルBの各ポリゴンの頂点座標は、モデルAの頂点座標をα倍した値になる。なお、後で説明するように、モデルAを一定の比率αで拡大せずに、モデルAの一部の拡大率を異ならせてもよい。例えば、モデルAの角の部分の拡大率を大きくすれば、角の部分を強調することができる。
【0026】
次に、モデルBをモデルAに重ね合わせる(S3)。即ち、ジオメトリプロセッサ2は、モデルBとモデルAの向きを変えずに、ワールド座標系でモデルBの重心をモデルAの重心に一致させる。このようにモデルBをモデルAに重ねた状態を図7に示す。
【0027】
この場合、モデルBをモデルAに重ねる処理は、実際には、ジオメトリプロセッサ2において、モデルBのデータをモデルAのデータにリンクさせることである。即ち、モデルBのデータは、モデルAのデータと所定の関係により結合されるので、例えば、モデルAがワールド座標空間において移動すると、モデルBもモデルAと連動して移動する。
【0028】
なお、図7では、モデルBの重心とモデルAの重心を一致させる例を示したが、モデルBの重心はモデルAの重心と所定の関係を有すればよい。例えば、モデルBの重心をモデルAの重心より少し上に位置させることにより、モデルAの上部のアウトラインが太くなり、モデルAの上部を強調することができる。
【0029】
次に、ジオメトリプロセッサ2は、モデルA及びモデルBをポリゴンモデルとし、モデルBのポリゴンの法線ベクトルを逆方向にする(S4)。ポリゴンの法線ベクトルの向きは、レンダリングプロセッサ7における陰面処理において、そのポリゴンを表示するか否かを決定する。即ち、レンダリングプロセッサ7は、ポリゴンの法線ベクトルが視点方向の成分を含む場合にそのポリゴンを表示し、ポリゴンの法線ベクトルが視点と反対方向の成分を含む場合は、そのポリゴンを表示しない。これにより、モデルBはモデルAのアウトラインとして機能するようになる。
【0030】
このことを図8と図9により、モデルAとモデルBを簡略化して説明する。図8(1)は、ポリゴンの法線ベクトルが外側を向いた球状のモデルAが、モデルAより一回り大きく、かつポリゴンの法線ベクトルが内側を向いた球状のモデルBに内包される場合を示す。
【0031】
図8(2)は、モデルBの外部にある視点15からモデルA及びモデルBを見た場合に、表示の対象になるポリゴンを示す。モデルAの法線ベクトルは外側を向いているので、法線ベクトルに視点方向の成分を含むポリゴン、即ち、視点に近い側の半球部分16が対象になり、法線ベクトルに視点と反対方向の成分を含むポリゴン、即ち、視点から遠い側の半球部分17は対象にならない。
【0032】
一方、モデルBの法線ベクトルは内側を向いているので、法線ベクトルに視点方向の成分を含むポリゴン、即ち、視点から遠い側の半球部分18が対象になり、法線ベクトルに視点と反対方向の成分を含むポリゴン、即ち、視点に近い側の半球部分19は対象にならない。
【0033】
図9(1)は、モデルBの外部にある視点15から、モデルA及びモデルBを見た場合に表示されるポリゴンを示す。モデルAは、法線ベクトルに視点方向の成分を含む視点に近い側の半球部分16が表示され、モデルBは、視点から遠い側の半球部分18から視点15に対してモデルAの裏側になる部分を除いた部分20、21が表示される。
【0034】
図9(2)は、視点15からモデルA及びモデルBを見た場合の2次元スクリーン座標系の表示例である。図9(2)に示すように、モデルAは通常の表示の通り視点に近い側のポリゴンが表示され、モデルBはモデルAの外側の部分のみが表示されるので、モデルBはモデルAのアウトラインとして表示される。
【0035】
図10は、図7に示したモデルA及びモデルBに上記の処理を行った場合の表示例である。なお、レンダリングプロセッサ7は、陰面処理を行ったモデルに対して、光源による陰影を付加するシェーディング処理を行うが、図10は、シェーディング処理によりモデルA、モデルB共に光源の影響を受ける状態(ランバート状態)にした表示例である。
【0036】
前述のように、モデルAはポリゴンの法線ベクトルが外側を向いているので、通常の表示と同様にモデルAの視点側のポリゴンが表示され、視点と反対側のポリゴンが陰面として表示されない。一方、モデルBは、ポリゴンの法線ベクトルが内側を向いているので、通常の表示とは逆に視点と反対側のポリゴンが表示され、視点側のポリゴンは陰面として表示されない。また、モデルBの視点と反対側のポリゴンであっても、モデルAの裏側のポリゴンは通常の陰面処理により表示されない。この結果、モデルBは、モデルAのアウトラインに近づいた表現になる。
【0037】
なお図10においては、画面上方に光源があるとしてシェーディング処理を行っているので、モデルAは、光源に向いた上面の輝度が高く、光源と反対側の下面の輝度は低い。一方、モデルBのポリゴンの法線ベクトルは内側を向いているので、モデルBはモデルAにかぶせた「お碗」のようになり、モデルBの上部は光源からの光が当たらず輝度が低くなり、モデルBの下部は光源からの光が少し当たり、幾分明るくなる。
【0038】
次に、モデルBを光源の影響を受けない状態(コンスタント状態)にする(S5)。この場合の表示例を図11に示す。図11に示すように、モデルBは光源の影響を受けないので、光源及びカメラの位置に係わらずどの部分も同じ輝度になり、モデルAのアウトラインとして表示される。なお、モデルBは、光源の影響を受けない一定の輝度であればよく、黒色、青色等の単一色で表示されるが、部分的に色を変えて奥行きのある表示をすることもできる。
【0039】
次に、モデルAを光源の影響を受けない状態(コンスタント状態)にする(S6)。この場合の表示例を図12に示す。この場合は、モデルAも光源の影響を受けず、一定の輝度の色で塗りつぶしたようになるので、モデルAとモデルBが一体になったモデルは、コンピュータグラフィックスの他のモデルとは異質な、線画あるいはアニメーションのような特殊な表現になる。
【0040】
次に、レンダリングプロセッサ7は、モデルAとモデルBの合体モデルを背景画面に重ね合わせる(S7)。図13(1)は、本実施の形態の画像処理により、アウトラインを付加したモデルを背景画面に重ね合わせた表示例であり、図13(2)は、比較のためにアウトラインのないモデルを背景画面に重ね合わせた表示例である。図13(1)に示すように、アウトラインには背景からそのモデルを浮き立たせる役割があり、特に、コンピュータグラフィックスによるゲーム装置においては、3次元的に表現された背景画面の中に2次元的に表現されたキャラクタモデルを置くことで、そのモデルに極めて大きな注目度を持たせることができる。
【0041】
次に、本実施の形態の画像処理における特殊効果について説明する。図14は、モデルA、モデルB共に光源の影響を受けない状態において、モデルの遠近感が強調される場合の表示例である。即ち、モデルBは、3次元座標空間においてモデルAより一定の比率で拡大されているので、ジオメトリプロセッサ2において、通常の透視変換を行うことにより、カメラに近いアウトラインは太くなり、カメラから遠いアウトラインは細くなる。
【0042】
従って、本実施の形態の画像処理では、特別の計算処理を行うことなく、カメラに近いアウトラインは太く、カメラから遠いアウトラインは細くなるので、処理の高速性を低下させずにモデルの遠近感を強調することができる。
【0043】
図15は、本実施の形態の画像処理において、モデルBの一部を変形した場合の表示例である。即ち、図2のステップS2においてモデルAよりひとまわり大きいモデルBを作成する場合に、図15の円31で示す部分の拡大率を他の部分より大きくした場合である。このように、モデルAの一部の拡大率を大きくすることで、モデルAの強調したい部分のアウトラインを太くすることができ、通常のモデルとは異なる誇張した感じを表現することができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、アウトラインが描かれたアニメーションの平面画のようなモデルを高速に生成し、また、モデルのアウトラインの線幅を高速に変化させることができる画像処理装置及び画像処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の画像処理装置のブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態の画像処理のフローチャートである。
【図3】本発明の実施の形態のモデルAのワイヤフレーム図である。
【図4】本発明の実施の形態のモデルAのデータである。
【図5】本発明の実施の形態のモデルAのポリゴンPkの説明図である。
【図6】本発明の実施の形態のモデルBのデータである。
【図7】本発明の実施の形態のモデルAとモデルBを重ね合わせたワイヤフレーム図である。
【図8】本発明の実施の形態のアウトライン生成の説明図(I)である。
【図9】本発明の実施の形態のアウトライン生成の説明図(II)である。
【図10】モデルBの法線方向を逆にし、ランバート状態にした表示例である。
【図11】モデルBをコンスタント状態にした表示例である。
【図12】モデルAもコンスタント状態にした表示例である。
【図13】本発明の実施の形態の表示例である。
【図14】本発明の実施の形態における遠近感の表示例である。
【図15】本発明の実施の形態のアウトラインの変形例である。
【符号の説明】
1 CPU
2 ジオメトリプロセッサ
3 システムメモリ
4 CDROM
5 ブートROM
6 バスアービタ
7 レンダリングプロセッサ
8 グラフィックメモリ
9 ビデオD/Aコンバータ
10 オーディオップロセッサ
11 オーディオメモリ
12 オーディオD/Aコンバータ
13 モデム
Claims (15)
- 3次元座標空間にコンピュータグラフィックスによりポリゴンモデルを生成する画像処理装置において、
記憶媒体から読み出した,複数のポリゴンで構成され,前記複数のポリゴンの各頂点の法線ベクトルが外側に向かう第1のモデルのデータから、該第1のモデルを所定の比率で拡大した第2のモデルを生成し、該第2のモデルのポリゴンの法線ベクトルの向きを前記第1のモデルの法線ベクトルの向きを反転させたものとし,該第2のモデル内に前記第1のモデルを内包させるように前記第1のモデルと第2のモデルを重ね合わせるジオメトリ手段と、
該ジオメトリ手段により重ね合わされた前記第1のモデルと第2のモデルの法線ベクトルが前記重ね合わされたモデルの外部の視点に向かう方向の成分を含むポリゴンを表示し,前記視点に向かう方向と反対方向の法線ベクトルの成分を有するポリゴンを表示しないように,前記第1のモデル及び第2のモデルにレンダリング処理を行うレンダリング手段とを有することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1において、
前記ジオメトリ手段は、前記第1及び第2のモデルの重心又は各頂点データを所定の関係で結合することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1において、
前記ジオメトリ手段は、前記第1のモデルを拡大する比率を、前記第1のモデルの部分により異ならせることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1において、
前記ジオメトリ手段は、前記第2のモデルのデータを前記第1のモデルのデータにリンクさせることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1において、
前記レンダリング手段は、前記第2のモデルの輝度を一定にすることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1において、
前記レンダリング手段は、前記第2のモデルを単一色にすることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項5又は6において、
前記レンダリング手段は、前記第1のモデルの輝度を一定にすることを特徴とする画像処理装置。 - 3次元座標空間にコンピュータグラフィックスによりポリゴンモデルを生成する画像処理方法において、
ジオメトリ手段により記憶媒体から読み出した,複数のポリゴンで構成され,前記複数のポリゴンの各頂点の法線ベクトルが外側に向かう第1のモデルのデータから、該第1のモデルを所定の比率で拡大した第2のモデルを生成し、該第2のモデルのポリゴンの法線ベクトルの向きを前記第1のモデルの法線ベクトルの向きを反転させたものとし、該第2のモデル内に前記第1のモデルを内包させるように前記第1のモデルと第2のモデルを重ね合わせるジオメトリ処理を行い,
前記ジオメトリ手段により重ね合わされた前記第1のモデルと第2のモデルの法線ベクトルが前記重ね合わされたモデルの外部の視点に向かう方向の成分を含むポリゴンを表示し,前記視点に向かう方向と反対方向の法線ベクトルの成分を有するポリゴンを表示しないように,前記第1のモデル及び第2のモデルにレンダリング処理を行うことを特徴とする画像処理方法。 - 請求項8において、
前記ジオメトリ処理は、前記第1及び第2のモデルの重心を所定の関係で結合することを特徴とする画像処理方法。 - 請求項8において、
前記ジオメトリ処理は、前記第1のモデルを拡大する比率を、前記第1のモデルの部分により異ならせることを特徴とする画像処理方法。 - 請求項8において、
前記ジオメトリ処理は、前記第2のモデルのデータを前記第1のモデルのデータにリンクさせることを特徴とする画像処理方法。 - 請求項8において、
前記レンダリング処理は、前記第2のモデルの輝度を一定にすることを特徴とする画像処理方法。 - 請求項8において、
前記レンダリング処理は、前記第2のモデルを単一色にすることを特徴とする画像処理方法。 - 請求項12又は13において、
さらに,前記レンダリング処理は、前記第1のモデルの輝度を一定にすることを特徴とする画像処理方法。 - 3次元座標空間にコンピュータグラフィックスによりポリゴンモデルを生成する画像処理プログラムと、第1のモデルのデータとを格納する記憶媒体であって,
ジオメトリ手段に,前記記憶媒体から読み出した,複数のポリゴンで構成され,前記複数のポリゴンの各頂点の法線ベクトルが外側に向かう第1のモデルのデータから、該第1のモデルを所定の比率で拡大した第2のモデルを生成し、該第2のモデルのポリゴンの法線ベクトルの向きを前記第1のモデルの法線ベクトルの向きを反転させたものとし、該第2のモデル内に前記第1のモデルを内包させるように前記第1のモデルと第2のモデルを重ね合わせるジオメトリ処理を行わせ,
レンダリング手段に,前記ジオメトリ手段により重ね合わされた前記第1のモデルと第2のモデルの法線ベクトルが前記重ね合わされたモデルの外部の視点に向かう方向の成分を含むポリゴンを表示し,前記視点に向かう方向と反対方向の法線ベクトルの成分を有するポリゴンを表示しないように,前記第1のモデル及び第2のモデルにレンダリング処理を行わす画像処理プログラムを格納する
ことを特徴とする記憶媒体。
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