JP4071290B2 - コンピュータグラフィックス画像を発生する方法および装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明
本発明は、より高次元のモデル空間における表面の２次元画像を発生する方法に関係し、この方法は、
− 前記表面に対する視点を選択するステップと、
− 前記表面が前記視点から見て可視である前記画像における領域を決定するステップと、
− 座標マップに従って前記領域上にテクスチャをテクスチャマッピングするステップとを具える。
本発明は、３次元またはより高次元の空間からモデル化された表面を２次元画像における画素の領域上にマッピングするマッピングユニットと、コーディネイトマップに従って前記領域の画素上にテクスチャをマッピングするテクスチャマッピングユニットとを具えるコンピュータグラフィック装置にも関係する。
このような装置は、例えば、英国特許公開明細書第２２８８３０４号から既知である。
コンピュータグラフィックスにおいて、２次元視覚画像は、より高次元の空間における数学的にモデル化された表面を、このより高次元の空間における選択可能な視点から見たように発生される。前記画像の現実感を増すために、テクスチャマッピングを前記表面に用いる。表面のモデルは、テクスチャと、表面位置およびテクスチャ座標（ｕ，ｖ）間の対応とを指定する。この対応は、前記表面が可視である前記画像における領域における画素（ｘ，ｙ）をテクスチャ座標（ｕ，ｖ）にマッピングする座標マップに従う。画素座標対（ｘ，ｙ）を有するこのような領域における画素は、前記画像において、この画素座標対（ｘ，ｙ）がマッピングする前記テクスチャ座標対（ｕ，ｖ）に前記テクスチャによって割り当てられる視覚属性に従って描写される。
テクスチャマッピングは、着色のような光学テクスチャの表現に良好な結果をもたらす。テクスチャマッピングは、前記表面のでこぼこ（隆起）に関係するテクスチャのような幾何学的テクスチャの表現には、このようなテクスチャの外観が、それが見られている方向に依存し、前記表面における画素の位置に単に依存しないため、うまく作動しない。これは、テクスチャマッピングが、前記同じ表面の異なった視点からの画像を、例えば、前記より高次元の空間を通って動きをシミュレートするか、立体視画像対をシミュレートするために、異なった角度から異なって見える表面に関して計算をしなければならない場合、現実感が欠けることを意味する。
このような状況において画像の現実感を増すために、前記マッピングされたテクスチャの外観を、前記表面が見られる方向の関数として変化させることができるテクスチャマッピング方法を提供しなければならない。
これを、前記テクスチャを表面法線摂動関数によって前記テクスチャ座標の関数として補足することによって達成することが知られている。前記表面が可視である領域におけるある画素座標対（ｘ，ｙ）を有する画素の画像寄与の計算において、摂動された法線を、前記画素座標対（ｘ，ｙ）がマッピングする前記テクスチャ座標対（ｕ，ｖ）に対する摂動関数値に従って前記表面の法線を摂動することによって計算する。その後、前記表面を経て前記視点に達する光のパラメータを、前記摂動された表面法線に従って計算する。これは、前記表面のでこぼこによる明暗変化を表すことを可能にするが、視差変化を表すことはできない。さらに、前記摂動された表面法線の計算は、資源集中的な演算である。
特に、本発明の目的は、テクスチャにおける視差効果を小さいオーバヘッドで発生できるコンピュータグラフィックス方法および装置を提供することである。本発明による方法は、− 少なくとも１つの他のテクスチャを前記領域において他の座標マップに従ってテクスチャマッピングし、前記座標マップおよび他の座標マップ間の相対オフセットを前記視点に応じて調節するステップと、− 前記マッピングされたテクスチャおよび他のマッピングされたテクスチャの組み合わせを前記領域において描写するステップとを具えることを特徴とする。したがって、少なくとも２つのテクスチャマップを前記同じ表面に使用し、これらのテクスチャマップは、各々が、視覚属性をテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）の関数として割り当てるそれ自体のテクスチャを含む。各々のテクスチャマップは、それ自体の座標マップも規定し、この座標マップは、前記表面が可視である領域における画素の座標対（ｘ，ｙ）をテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）にマッピングする。前記異なったテクスチャマップによって規定される座標マップは、前記表面および前記対応するテクスチャを伴う概念上の表面間の異なった間隔の効果をシミュレートするために、前記表面が見られる方向において異なるように依存する。前記表面が可視の領域に属する画素に関して、個々の視覚属性を、慣例的なテクスチャを前記表面に使用するテクスチャマップの各々にマッピングすることによって決定する。前記画素を、前記画像において、これらの視覚属性の組み合わせに従って描写する。これらの必要な計算は、慣例的なテクスチャマッピングに必要な計算と同じ位多い。したがって、テクスチャの視差変化を、慣例的なテクスチャマッピングよりも良好に、より複雑な計算なしで描写することができる。
本発明による方法の実施形態において、前記相対オフセットが前記表面における前記視点から前記表面への視線の標準投影の方向を有し、前記相対オフセットが前記視線および表面に対する法線間の角度の関数である大きさを有する。前記大きさを、前記個々のテクスチャを伴う表面の２つの概念上の変形間の間隔をモデル化するために、例えば、前記法線および視線間の角度（のタンジェント関数ｔｇ（））に比例させる。代わりに、前記大きさの（における依存性は、前記表面の２つの概念上の変形間の周囲と異なる屈折率を有する層の効果をシミュレートできる。
他の実施形態において、前記第１のテクスチャの値が前記画像における画素において不透明状態を示す場合、このテクスチャのみをこの画素に描写し、このテクスチャの値が透明状態を示す場合、前記他方のテクスチャを前記画素の決定に使用する。したがって、前記テクスチャの第１のものは、透明度状態をテクスチャ座標（ｕ，ｖ）の関数として割り当てる。画素座標（ｘ，ｙ）を有する画素を、前記透明度状態「不透明」をこれらの画素座標（ｘ，ｙ）がマッピングする個々のテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）に割り当てた場合、前記テクスチャの第１のものに従って描写し、前記画素を、前記透明度状態「透明」をこれらの画素座標（ｘ，ｙ）がマッピングする個々のテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）に割り当てた場合、前記テクスチャの第２のものに従って描写する。
好適には、前記透明度を決定するテクスチャを、視差効果が最も高いと思われるテクスチャとする。この外観は、前記オフセットの調節に依存し、すなわち、視点における変化に応じて、一方の座標マップが他方の座標マップよりも前記視点における変化と逆方向に比較的より多く（すなわち、前記視点における変化の方向においてより少なく）シフトする場合、視差効果は、前記一方の座標マップの関係するテクスチャを、前記他方の座標マップの関係するテクスチャより下にあるように現れさせる。
本発明のこれらおよび他の有利な態様を、以下の図を使用してより詳細に説明する。
図１は、より高次元の空間における情景の２次元画像１０を示す。コンピュータグラフィックス装置において、このような画像１０を情景モデルから発生し、この情景モデルは、前記より高次元の空間における表面の数学的表現を与える。前記情景モデルから、どの表面が画像１０において可視であるかと、これらが可視である場所とを計算する。ある表面を三角形としてもよく、この表面を、その角点の座標によって数学的に表すことができ、このような三角形表面は、（完全に可視の場合において）画像１０における三角形領域として可視である。例として、図１における画像１０は、前記情景モデルからの表面を表す多数（例えば、１２）の三角形領域によって表されるオブジェクトを含む。
前記画像の現実感を増すために、前記コンピュータグラフィックス装置は、画像１０において示される領域においてテクスチャパターンを表示してもよい。これは、テクスチャマッピングによって実現される。
図２は、テクスチャマッピングに含まれるパラメータを示す。図２は、より高次元の空間からの表面の表現の例として三角形２０を示す。この図は、テクスチャ座標の関数として斜線縞の強度パターンも示す。この強度パターンは、テクスチャの一例である。さらに、この図は、前記三角形の角２１ａ−ｃおよびテクスチャ座標点２３ａ−ｃ間の対応を示す。これらの対応は、表面２０が指定されたテクスチャ２２による強度パターンを伴い、三角形２０の角２１ａ−ｃにおいて、強度値は、前記テクスチャにおける対応する座標点２３ａ−ｃの強度値であるという、前記情景モデルにおける情報を表す。前記表面における他の点の中間テクスチャ座標点は、角２１ａ−ｃのテクスチャ座標点２３ａ−ｃの（２）１次補間に従い、前記テクスチャによってこれらの中間テクスチャ座標点に割り当てられた強度値は、前記表面の強度分布に従う。
前記コンピュータグラフィックス装置は、画像１０における画素座標対（ｘ，ｙ）をテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）にマッピングする座標マップを計算することによって前記テクスチャマッピング処理を実行する。図２の例に関して、この座標マップは、前記画像上に投影される表面２０における中間地点と、角点２１ａ−ｃおよびテクスチャ座標点２３ａ−ｃ間の対応とに従う。画像１０における表面１２が可視である領域における各々の画素に関して、前記コンピュータグラフィックス装置は、対応するテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）を計算し、このテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）に対するテクスチャの値を得る。次にこの値を使用し、前記画素の可視属性を決定する。
テクスチャマッピングは、場所依存色等のような表面の光学属性の表現には良好に働く。テクスチャマッピングは、幾何学的テクスチャの表現にはうまく働かない。
図３は、表面の側面図を示し、幾何学的テクスチャの属性を説明する。この図は、概念上の表面が見られる視点３３および視線３４を示す。この概念上の表面をギザギザの線３１によって示し、この線は、前記概念上の表面の高さ断面が前記表面に沿って非線形的（図においてはそれぞれの部分に関して線型的）に変化することを表す。前記情景モデルにおいて、概念上の表面３１を、図３において直線３０によって示す平坦表面と、２次元画像１０において使用され、前記断面の視覚効果および、吸収または反射における変化のような前記表面の他の属性を説明するテクスチャマッピングとによってモデル化する。
理想的には、テクスチャマッピングは、視点３３が変化した場合、前記表面の外観の変化を考慮すべきである。この外観の変化を説明するために、図３は、他の視点３５と、この視点からの他の視線３６とを示す。表面３１の原視点３３から不可視である部分が他の視点から可視であり、またはその逆が分かる。これらの部分は、原視点３３から可視である部分と異なる光学属性を有するかもしれない。結果として生じる前記表面の外観の変化を視差変化と呼ぶ。さらに、視点３３、３５から表面３１の部分への視線３４、３６の入射角は、視点３３、３５が変化する場合、変化する。この結果、視点３３、３５から見られる前記表面の外観に変化が生じる。この結果として生じる外観の変化を照明変化と呼ぶ。
図４は、表面の他の断面を示し、視点の変化による視差変化を簡単に説明する方法を示す。この方法は、概念的に２つの補助表面を使用し、これらの補助表面の双方は、前記実際の表面と平行に、これらの補助表面間に間隔をとって延在する。前記補助表面の各々に対してテクスチャマップを規定し、例えば、平坦表面３０を越える図３の概念的表面３１の部分のテクスチャマップを形成することによる一方のテクスチャマップ（概念的表面３１が平坦表面３０より下にある場合、前記テクスチャを透明にする）と、平坦表面３０より下にある概念的表面３１の部分の他のテクスチャマップとを規定する。前記補助表面間の間隔を、例えば、各々平坦表面３０の上または下にある前記概念的表面の２つの部分の平均高さの差として選択する。前記表面が可視である画像１０における領域１２におけるテクスチャを説明するために、この領域の各々の画素を、前記補助表面の双方に対して決定する。結果として生じるテクスチャ値を結合し、前記画素の実際の画像寄与を得る。
図４は、２つの視点４３、４５と、２つの対応する視線４４、４６とを示す。側面図において、２つの直線４０、４１は、互いに平行に延在する２つの補助表面を表す。テクスチャ座標対４０、４１を、各々の補助表面４０、４１における各々の点に対して規定する。２つの視点４３、４５からの視線４４、４６は、第１補助表面４０と１個の点４７において交差する。これらの視線４４、４６は、第２補助表面４１と２つの異なる点４８、４９において交差する。一方の視線４４上にある第１補助表面４０における第１点４７と、一方の視点４３からの第２補助表面４１における第２点４８とは、他方の視点４５からの第２補助表面４１における第３点４９と共に、一方の視線上にある。したがって、前記第１補助表面上の第１点のテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）にマッピングされる画素座標対（ｘ，ｙ）を、視点４３、４５に応じて、第２補助表面４１上の点の第２または第３テクスチャ座標対にマッピングする。個々のテクスチャが、２つの補助表面４０、４１と、例えば、第１テクスチャの透明度状態に応じて第１テクスチャまたは第２テクスチャを使用する、画素マップが結合され前記画像を説明する前記テクスチャ値とに関係する場合、この結果、前記視点に応じて前記画像の外観において変化が生じる。この外観の変化は、視差変化をシミュレートする。２つ以上のテクスチャを使用し、より複雑な視差変化をシミュレートしてもよく、この場合において、各々のテクスチャを、例えば、補助表面のスタックにおける異なった補助表面に関係させる。次に、特定の補助表面の上にある補助表面に関係するすべてのテクスチャが「透明」状態をある画素にマッピングする場合、この特定の補助表面に関係するテクスチャ値をこの画素に使用する。
前記画像の実際の計算に関して、前記補助表面を構成する必要はなく、前記マップ間の差を、前記視点から前記表面上のマッピングされた場所への視線の入射ベクトルから決定することができる。このベクトルを、視線４４および前記表面に対する法線間の角度（と、前記表面上の視線４４の標準投影の、前記表面上のテクスチャ座標系のｕｖ座標軸に対する方向）とによって規定する（表面上の点の標準投影は、前記点を法線と平行にシフトすることによって得られる表面点である）。前記テクスチャマップ間のオフセットは、好適には、ｔｇ（）と、前記補助表面間の変移とに比例する大きさと、前記標準投影の方向（に依存する前記テクスチャ座標軸に対する方向）とを有する。
他の依存性も使用できる。例えば、前記視点および表面間の媒質の屈折率「ｎｂ」と異なる屈折率「ｎａ」を有する、ガラスのような、前記補助表面間の屈折性層をシミュレートできる。この場合において、前記座標マップ間の差は、スネル（Snellius）の法則に従う（ｓｉｎ（／ｓｑｒｔ（（ｎａ／ｎｂ）２−ｓｉｎ２（））に比例するオフセット）。依存性は、前記表面における場所における依存性も含み、例えば、「でこぼこ」補助表面を、各々のテクスチャ座標に対して規定されるオフセットに対する比例係数でモデル化してもよい。
多くの場合において、特に、前記表面がマッピングする領域が小さい場合、前記２つの補助表面に関する座標マップ間の差を、画素独立シフトによって近似することができ、これを前記表面における視点からの視線の入射ベクトルから、前記表面全体に対して１回計算することができる。
３次元モデル空間の代わりに、より高次元のモデル空間を使用してもよく、例えば、起伏するガラスを表す表面において、表面の視差効果が時間の関数として変化する時間依存３次元空間を使用してもよい。この場合において、前記座標マップ間のオフセットを、前記視点の時間座標の関数として調節してもよい。
図５は、本発明を実行する概念化したコンピュータグラフィックス装置である。この装置は、可視度計算ユニット５１に結合され、情景モデルを格納するメモリ５２を含む。画素選択器５０も可視度計算ユニット５１に結合する。可視度計算ユニット５１の出力部を、第１テクスチャメモリ５４に結合すると共に、座標シフトユニット５６を経て第２テクスチャメモリ５５に結合する。第１および第２テクスチャメモリ５４、５５の出力部を結合ユニット５７に結合し、この結合ユニット５７は、表示ユニット５８に結合された出力部を有する。
動作において、可視度計算ユニット５１は、視点ＶＰの仕様を受け、メモリ５２に格納された情景モデルにおいて規定された表面のうちどれが、発生すべき画像における視点から可視であるかを計算する。可視度計算ユニット５１は、前記画像において各々の表面が可視である場所も決定する。画素選択器５０は、連続する画素を選択し、これらの画素座標対（ｘ，ｙ）を可視度計算ユニット５１に送信する。それに応じて、可視度計算ユニット５１は、どの表面が前記画素において可視であるかを決定し、可視度計算ユニット５１は、使用すべきテクスチャと、前記画素座標対をマッピングするテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）とを合図する。このテクスチャ座標対（ｕ，ｖ）を、第１テクスチャメモリ５４に対するアドレスとして使用する。座標シフトユニット５６において、前記表面に対して前記可視度計算ユニットによって合図される座標シフトを、テクスチャ座標（ｕ，ｖ）に加える。結果として生じるシフトされたテクスチャ座標（ｕ’，ｖ’）を使用し、第２テクスチャメモリ５５をアドレスする。このようにテクスチャメモリ５４、５５においてアドレスされたテクスチャ値を、結合ユニット５７において結合し、表示ユニット５８によって画素座標（ｘ，ｙ）において視覚的に表示する。
可視度計算ユニット５１は、前記座標シフトを所定の視点に対して、または、前記表面における場所の関数として、表面ごとに１回計算する。結合ユニット５７は、前記テクスチャ値を種々の方法において結合することができる。好適な方法において、テクスチャメモリ５４、５５のうち一方は、「透明度状態」の前記テクスチャ値を示す。好適には、前記透明度を示すのに使用されるテクスチャを、「視差的に最高に」現れるテクスチャ、すなわち、このテクスチャに対して他のテクスチャのオフセットが、前記視点が変化した場合、前記視点の動きの方向と逆方向においてシフトするテクスチャとする。透明度が示される場合、他方のテクスチャメモリ５４、５５からのテクスチャ値を使用する。他の場合、一方のテクスチャメモリ５４、５５は、それ自体のテクスチャ値を発し、この値のみを使用する。もちろん、前記結合ユニットにおいてテクスチャ値を加えるか、アルファチャネルを使用し、一方のテクスチャの部分的な透明度等をシミュレートしてもよい。
より複雑な視差効果に関して、どのような数の追加のテクスチャメモリを使用してもよく、各々のテクスチャメモリは、そのアドレスを前記可視度計算ユニットから、テクスチャ座標（ｕ，ｖ）に、可視度計算ユニット５１によってそのテクスチャメモリに合図される座標シフトを加えるそれ自体の座標シフトユニットを経て受ける。この場合において、結合ユニット５７は、これらのテクスチャメモリの各々からのテクスチャを結合する。
実際には、前記テクスチャ値を、同じテクスチャメモリから異なるテクスチャを使用して、並列の代わりに逐次的に計算してもよい。画素選択器５０と、可視度計算ユニット５１と、結合ユニット５７と、座標シフトユニット５６とを、適切にプログラムされたコンピュータにおいて結合してもよく、１個以上のテクスチャメモリ５４、５５と、メモリ５２とを結合してもよい。前記１個以上のテクスチャメモリを、通常、異なった解像度におけるテクスチャを格納する「ミップマップ」メモリとし、前記コンピュータグラフィックス装置が適切な解像度を選択する。実際には、前記コンピュータグラフィックス装置は、前記得られたテクスチャ値またはこれらの組み合わせを、ある後処理に使用し、例えば、前記テクスチャが前記表面の吸収または反射パラメータを与える場合、照明状態を考慮してもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、より高次元の情景の２次元画像を示す。
図２は、テクスチャマッピングに含まれるパラメータを説明する。
図３は、表面の側面図を示す。
図４は、他の側面図を示す。
図５は、２次元画像を発生する装置を示す。

Claims (6)

1. より高次元のモデル空間における表面の２次元画像を発生する方法であって、
   前記表面に対する視点を選択するステップと、
   前記表面が前記視点から見て可視である前記画像内の領域を決定するステップと、
   第１座標マップに従って、前記領域上に第１テクスチャをテクスチャマッピングするステップと
   を具える方法において、
   少なくとも第２テクスチャを、第２座標マップに従って前記領域内にテクスチャマッピングし、前記第１座標マップと前記第２座標マップとの間の相対オフセットを、前記視点に応じて調節するステップと、
   テクスチャマッピングした前記第１テクスチャと、テクスチャマッピングした前記第２テクスチャとの組み合わせを、前記領域内に描写するステップと
   を具えていることを特徴とする方法。
2. 請求の範囲１に記載の方法において、前記相対オフセットが、前記視点から前記表面に至る視線の前記表面上への標準投影の方向を有し、前記相対オフセットが、前記視線と前記表面の法線との間の角度の関数である大きさを有することを特徴とする方法。
3. 請求の範囲１または２に記載の方法において、前記第１テクスチャの値が前記画像中の画素において不透明状態を示す場合、前記第１テクスチャのみを前記画像中の当該画素に描写し、前記第１テクスチャの値が透明状態を示す場合、前記第２テクスチャを用いて前記画素を決定することを特徴とする方法。
4. ３次元またはより高次元の空間からのモデル化された表面を２次元画像中の画素の領域にマッピングするマッピングユニットと、
   第１座標マップに従って第１テクスチャを前記領域の画素にテクスチャマッピングするテクスチャマッピングユニットとを具えるコンピュータグラフィックス装置において、
   前記テクスチャマッピングユニットが、少なくとも第２テクスチャを第２座標マップに従って前記領域の画素にテクスチャマッピングするように構成され、前記テクスチャマッピングユニットが、前記第１座標マップと前記第２座標マップとの間の相対オフセットを、前記表面上の視点に応じて調節し、前記コンピュータグラフィックス装置が、前記領域内の前記画素にテクスチャマッピングされるテクスチャ値の結合を、前記第１テクスチャおよび前記第２テクスチャから形成する結合ユニットを具えることを特徴とするコンピュータグラフィックス装置。
5. 請求の範囲４に記載のコンピュータグラフィックス装置において、前記テクスチャマッピングユニットは、前記相対オフセットを、前記視点から前記表面に至る視線の前記表面上への標準投影の方向に調節し、前記相対オフセットは、前記視線と前記表面の法線との間の角度の関数である大きさを有することを特徴とするコンピュータグラフィックス装置。
6. 請求の範囲４または５に記載のコンピュータグラフィックス装置において、前記第１テクスチャの値が前記画像中の画素において不透明状態を示す場合、前記第１テクスチャのみを前記画像中の当該画素に描写し、前記第１テクスチャの値が透明状態を示す場合、前記第２テクスチャを用いて前記画素を決定することを特徴とするコンピュータグラフィックス装置。

Images