JP4079231B2

JP4079231B2 - Image generation method and apparatus

Info

Publication number: JP4079231B2
Application number: JP34156997A
Authority: JP
Inventors: 直樹河合
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: JPH11175751A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、岩肌や、石の表面、あるいは砂の表面等のように、凹凸のある表面にある方向から光があたったときの様子をある方向から観察したときの画像を自動的に作成するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩肌や石の表面の絵柄は抽象柄として壁紙等に広く用いられているが、従来においては、天然に存在する岩石を写真撮影していた。そして、この写真撮影した画像を壁紙のような非常に面積の広い印刷物に適用する場合には、撮影したフィルムの画像をエンドレス化処理して単位画像とし、それをコピーする等して複数枚用意して、それらを縦横に隙間なく接続して所望の面積の絵柄を得るようにしている。ここで、エンドレス化処理というのは、縦横に隙間なく接続した場合に接続箇所で絵柄に段差が無く、連続した絵柄となるように、画像の周辺部の絵柄を修正する処理である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の手法では、写真撮影する岩石は天然に存在する素材であるので、デザインや質感の変更が難しいという問題があった。更に、エンドレス化処理は作業者が手作業でフィルム処理することによって行っていたので、熟練を要するばかりでなく、作業負担も大きいものであった。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、岩肌状の質感を有する画像等の、凹凸のある表面にある方向から光があたったときの様子をある方向から観察したときの画像を、自動的に作成でき、しかもデザインや質感の変更も容易にできる画像生成方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の画像生成方法は、２次元スカラ場の各位置のスカラ値を標高とし、その凹凸の各位置標高とその周囲の標高との関係から各位置における単位法線ベクトルを求めると共に、視線の条件、光線の条件及び２次元スカラ場の上の凹凸の表面の条件を定めることによって当該凹凸の各位置における輝度を求める画像生成方法であって、前記光線は平行光線であり、前記２次元スカラ場の各位置の輝度を、その位置におけるスカラ値、当該位置における拡散反射成分、鏡面反射成分、標高が低い位置の輝度を高い位置よりどの程度低くするかを決定する光線減衰定数、及び、該２次元スカラ場の中の最大のスカラ値と、該２次元スカラ場の中の最小のスカラ値を用いて定めることを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の画像生成装置は、光線の条件、凹凸の表面の条件等を設定するための入力手段と、２次元スカラ場を生成する２次元スカラ場生成部と、２次元スカラ場生成部によって生成された２次元スカラ場の各位置のスカラ値を標高として扱い、凹凸の各位置の標高とその周囲の標高との関係から各位置における単位法線ベクトルを求める単位法線ベクトル演算部と、入力手段によって設定された光線の条件、凹凸の表面の条件、及び単位法線ベクトル演算部で求められた各位置の単位法線ベクトルに基づいて凹凸の表面の各位置における輝度を計算する輝度計算部と、輝度計算部によって計算された各位置の輝度値を作成画像の対応する位置に書き込むことによって画像を作成する画像生成部とを備える画像生成装置であって、前記入力手段によって設定される光線は平行光線であり、輝度計算部は、前記２次元スカラ場の各位置の輝度を、その位置におけるスカラ値、当該位置における拡散反射成分、鏡面反射成分、標高が低い位置の輝度を高い位置よりどの程度低くするかを決定する光線減衰定数、及び、該２次元スカラ場の中の最大のスカラ値と、該２次元スカラ場の中の最小のスカラ値を用いて定めることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施の形態について説明する。
まず、本発明に係る画像生成方法の実施形態について説明する。
図１はこの実施形態における処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【００１０】
まず、初期設定として種々のパラメータの設定を行う（ステップＳ１）。ここでは、作成画像のサイズ、単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑ、光線減衰定数ｒを設定する。作成画像は当該画像生成方法によって作成する画像であり、予めこの作成画像のサイズを設定しておくのである。その他の項目については後述する。
【００１１】
次に、２次元スカラ場を生成する（ステップＳ２）。この２次元スカラ場は、ある座標（ｘ，ｙ）に対して一つのスカラ値が定義されているものであればどのようなものであってもよい。例えば、スカラ値に自然な揺らぎを持たせたいのであれば中点変位法等によって２次元フラクタル場を生成すればよい。
【００１２】
ただし、この画像生成方法によって得られる画像を縦横に隙間なく接続して、より面積の大きい画像を得ようとする場合には、この画像生成方法で作成される画像はエンドレス化されている必要があり、そのためには、この２次元スカラ場はエンドレス化されている必要がある。このことは後述する処理から明らかとなる。
【００１３】
例えば、いま一つの２次元スカラ場を図２に示すように縦横に隙間なく接続する場合を考えると、接続位置において同じスカラ値を有していれば段差なく接続できることが分かる。従って、図２に示すように隙間なく接続する場合には、中点変位法等で２次元スカラ場を生成する過程において、上辺の各位置のスカラ値を下辺の対応する位置に、左辺の各位置のスカラ値を右辺の対応する位置に、それぞれ強制的に代入すればよい。このことによってエンドレス化された２次元スカラ場を得ることができることは明らかであろう。２次元スカラ場を隙間なく接続する場合の接続の態様は図２に示すものに限らないが、それぞれの接続の態様に応じて、隙間なく接続された場合に接続位置のスカラ値が同じになるように各辺のスカラ値を調整すればよい。
【００１４】
なお、２次元スカラ場のサイズは作成画像のサイズと同じであってもよく、異なっていてもよいが、後述するところから明らかなように、２次元スカラ場の位置と作成画像の位置とは一対一に対応していなければならないので、両者のサイズが異なっている場合には両者のサイズを正規化する等して両者の位置の一対一対応をとるようにすればよい。なお、以下においては２次元スカラ場の位置と、作成画像の位置とは一対一対応がとれているものとする。
【００１５】
さて、いま、２次元スカラ場にｘ−ｙの直交座標系を設定し、図３に示すように２次元スカラ場の任意の位置（ｘ，ｙ）のスカラ値をｚ（ｘ，ｙ）で表し、それらのｚ（ｘ，ｙ）の位置を滑らかに繋ぐとすると、２次元スカラ場の上に凹凸面が形成されることは容易に理解できる。そこで、この画像生成方法では、スカラ値ｚ（ｘ，ｙ）を基準面からの標高と定義する。基準面は任意に設定できることは当然であり、例えば、図３においてｚ＝0 の面を基準面としてもよいし、２次元スカラ場のスカラ値の最小値の面を基準面としてもよい。
【００１６】
次に、上述したようにして２次元スカラ場の上に定義された凹凸面の各位置における単位法線ベクトル（ｎ_x，ｎ_y，ｎ_z）を求める（ステップＳ３）。このことの意味については後述する。
【００１７】
そのために、まず、凹凸面の各位置におけるｘ方向とｙ方向の傾斜を求める。凹凸面の位置（ｘ，ｙ）でのｘ方向の傾斜をｄｚ／ｄｘ、ｙ方向の傾斜をｄｚ／ｄｙとすると、ｄｚ／ｄｘ、ｄｚ／ｄｙはそれぞれ下記の(1)、(2)式で求めることができる。
【００１８】
【数１】

【００１９】
なお、(1)，(2)式はアナログ的な表現で示してあるが、実際には上記の演算をデジタル的に行うことは当然である。
【００２０】
このようにして各位置での傾斜が求められるが、ここで求めたいのは各位置での単位法線ベクトルである。しかし、凹凸面の各位置での法線ベクトルは、各位置での斜面に垂直な方向を向くから、位置（ｘ，ｙ）における単位法線ベクトルのｘ成分をｎ_x 、ｙ成分をｎ_y 、ｚ成分をｎ_z とすると、次の式が成立する。
【００２１】
ｎ_z／ｎ_x＝１／（ｄｚ／ｄｘ） …(3)
ｎ_z／ｎ_y＝１／（ｄｚ／ｄｙ） …(4)
また、ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z はそれぞれ単位法線ベクトルのｘ成分、ｙ成分、ｚ成分であることから、次の式が成り立つ。
【００２２】
（ｎ_x ²＋ｎ_y ²＋ｎ_z ²）^1/2＝１ …(5)
従って、(3),(4),(5)式から、ｎ_x ，ｎ_y ，ｎ_z は次のように求められる。
【００２３】
【数２】

【００２４】
このように、ある位置（ｘ，ｙ）の単位法線ベクトルを、その周囲の位置の標高との関係から求めるのである。以上の演算を２次元スカラ場の全ての位置（ｘ，ｙ）について行うことによって凹凸面の各位置における単位法線ベクトル（ｎ_x，ｎ_y，ｎ_z）が求められる。
【００２５】
次に、凹凸面の表面の各位置における輝度を計算する（ステップＳ４）のであるが、ところで、人間がある物体を見た場合に、その表面が凹凸に見えたり、凹凸には見えなかったりするのは、観察する人間の視線の条件、その物体に当たっている光線の条件、そして、その物体の表面の条件という３つの条件が総合的に作用していることに因っている。ここで、視線の条件というのは、その物体をどのような角度から見るかという条件であり、光線の条件というのは、どのような光線がどのような角度でその物体に当たっているかという条件である。また、物体の表面の条件というのは、当該物体の表面がどのような反射率であるか、反射の鋭さはどのようなものかという条件である。
【００２６】
このように、物体の輝度は上記の３つの条件によって決定されるので、このステップの輝度の計算に際してはこれらの３つの条件を定める必要があるが、そのためにステップＳ１において、単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑというパラメータを設定したのである。
【００２７】
まず、視線の条件であるが、ここでは理解を容易にするために、凹凸面に正対した位置から見るものとする。
次に光線の条件であるが、ここでは平行光線とし、その強度をＬで与え、光線の方向を単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）で与えている。勿論、平行光線以外の光線、例えば、光線の強度が光源からの距離の２乗に反比例して減衰する、いわゆる拡散型の光線、あるいはその他の任意の光線を設定することもできることは当然であり、その場合には、例えば凹凸面の各位置毎に単位光線方向ベクトルと光線の強度を与えればよい。しかし、この画像生成方法によって作成した画像を縦横に隙間なく接続する場合には平行光線とするのが望ましいことが確認されているので、ここでは平行光線とする。
【００２８】
更に、物体の表面の条件については次のようである。まず、凹凸の形状に関する情報はステップＳ３で求めた各位置での単位法線ベクトルによって与えられる。その表面からの反射光については、反射光を拡散反射成分と鏡面反射成分とに分解し、凹凸面の各位置からの拡散反射成分を求めるために拡散反射率ｄを与え、鏡面反射成分を求めるために鏡面反射率ｓと、鏡面反射の鋭さｑを与えている。鏡面反射率ｓは凹凸面の表面からの鏡面反射光の強さに係わる値であり、鏡面反射の鋭さｑは凹凸面の表面からの鏡面反射光がどの程度の拡がりをもつかということに係わる値である。
【００２９】
さて、以上のことにより２次元スカラ場の上に定義された凹凸面の各位置の輝度、即ち当該凹凸面の各位置の表面からの反射光の強度を計算するための準備が整ったので、次の式により当該凹凸面の各位置における輝度を計算する。
【００３０】
上述したように、当該凹凸面のある位置（ｘ，ｙ）の表面からの反射光は、拡散反射成分ｄｉｆｆと、鏡面反射成分ｓｐｅｃに分解するが、拡散反射成分ｄｉｆｆはこの位置（ｘ，ｙ）での単位光線方向ベクトルと、当該位置における単位法線ベクトルとの内積に、当該位置での光線の強度と、当該位置での拡散反射率を乗算して求めることができることが知られている。従って、位置（ｘ，ｙ）からの反射光のうちの拡散反射成分ｄｉｆｆは
ｄｉｆｆ＝ｄ・Ｌ・cosθ （θ≦90°） …(9)
で計算される。ただし、θは、単位法線ベクトルと、単位光線方向ベクトルの逆ベクトルとのなす角度であり、θ＞90°の場合には光線が当たらず、輝度は 0となる。
【００３１】
また、当該位置（ｘ，ｙ）における鏡面反射成分ｓｐｅｃは、
ｓｐｅｃ＝ｓ・Ｌ・cos^qθ （θ≦90°） …(10)
によって計算できることが知られている。ただし、θは、単位法線ベクトルと、単位光線方向ベクトルの逆ベクトルとのなす角度であり、θ＞90°の場合には光線が当たらず、輝度は 0となる。
【００３２】
従って、凹凸面の位置（ｘ，ｙ）における輝度Ｉは(9)式と(10)式との和
Ｉ＝ｄｉｆｆ＋ｓｐｅｃ …(11)
で表すことができることになるが、これだけでは凹凸面の深み、あるいは奥行きといったものが良好に表現できない。これは、(9)式で表される拡散反射成分ｄｉｆｆ、及び(10)式で表される鏡面反射成分ｓｐｅｃが、当該位置における標高ｚに無関係に決定されることにある。実際、(9)式、(10)式によれば、位置（ｘ，ｙ）での拡散反射成分、鏡面反射成分は、単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑが定まれば、当該位置における単位法線ベクトルによってのみ決定され、当該位置の標高ｚには関係しない。
【００３３】
しかし、経験的には、単位法線ベクトルが同じ方向にあるとしても、標高が高い箇所の方が低い箇所より明るく見えるものである。いま、理解を容易にするために２次元的に考察してみると、例えば図４に示すような凹凸があり、視線の方向、光線の方向及び強度Ｌが図のように設定されており、図のイ、ロで示す位置の単位法線ベクトルの方向が図に示すように同じだとしても、イで示す位置の方が、それより標高の低いロで示す位置よりも明るく見えるものである。
【００３４】
そこで、このステップにおいて凹凸面の各位置の輝度を求めるに際しては、輝度を求める位置の標高ｚをも考慮するようにして、次の式により計算する。
【００３５】
【数３】

【００３６】
ここで、ｚ_max は標高の最大値、即ち２次元スカラ場の中の最大のスカラ値を示し、ｚ_min は標高の最小値、即ち２次元スカラ場の中の最小のスカラ値を示し、ｒはステップＳ１で設定した光線減衰定数である。この式によれば、単位法線ベクトルが同じであったとしても、標高の高い位置は、低い位置より輝度を高くすることができることは明らかであろう。そして、単位法線ベクトルが同じであっても、標高が低い位置の輝度を高い位置よりどの程度低くするかを決定するのが光線減衰定数ｒである。このように、(12)式によって、位置（ｘ，ｙ）における輝度Ｉを定めることによって、凹凸面の深み、あるいは奥行きといったものを良好に表現できるのである。従って、凹凸面の各位置の輝度の計算を行うに際しては、まず２次元スカラ場のスカラ値の最大値ｚ_max と、最小値ｚ_min を求めておき、(9)，(10)，及び(12)式によって輝度の計算を行うようにする。
【００３７】
以上のように、このステップでは、凹凸面のある位置（ｘ，ｙ）の輝度を、その位置での単位法線ベクトルと、与えられた光線の条件及び与えられた凹凸面の表面の反射の条件とに基づいて計算するのである。そしてその際、凹凸面の標高が低い程輝度を低くすることによって、擬似的に照明光線の減衰をシュミレーションしているのである。
【００３８】
なお、上記の説明では、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑは当該凹凸面の表面全体に渡って一様であるものとしたが、凹凸面の各位置に対してこれらの値を任意に設定できることは当然である。また、上記の説明では視線の方向は当該凹凸面に正対する方向としたが、その他の任意の方向を設定することも可能であり、その場合の輝度の計算に際しては、レンダリング処理あるいはシェーディング処理等として従来から広く知られている手法を援用すればよい。
【００３９】
ステップＳ４の輝度の計算を全ての位置（ｘ，ｙ）について行い、計算した各位置の輝度を、ステップＳ１で設定した作成画像の対応する位置にそれぞれ書き込む（ステップＳ５）。これによって、岩肌状の質感を有する画像等の、凹凸のある表面にある方向から光があたったときの様子をある方向から観察したときの画像が生成される。
【００４０】
ステップＳ５の処理において作成画像が得られたので、次に適宜な出力装置によって、得られた作成画像を出力する（ステップＳ６）。出力装置はプリンタでもよく、フィルム出力機であってもよく、あるいは印刷用のシリンダに直接彫刻する、いわゆるダイレクト刷版機であってもよく、その他の適宜な装置であってもよい。
【００４１】
以上のように、この画像生成方法によれば、岩肌状の質感を有する画像等の、凹凸のある表面にある方向から光があたったときの様子をある方向から観察したときの画像を自動的に生成することができ、しかも２次元スカラ場や、ステップＳ１で設定する光線の条件や凹凸面の表面の条件を定めるパラメータを適宜に変更することによって、デザインや質感を容易に変更することができる。また、エンドレス化も２次元スカラ場を生成する過程において容易に行うことができる。
【００４２】
以上、画像生成方法の実施形態について説明したが、次に、画像生成装置の実施形態について説明する。
【００４３】
この画像生成装置は上述した画像生成方法の処理を実行するものであり、パーソナルコンピュータやワークステーションを用いて構成することができるが、概略図５に示すようである。図５において、１は入力装置、２は表示装置、３は出力装置、４は制御装置、５は２次元スカラ場生成部、６は単位法線ベクトル演算部、７は輝度計算部、８は作成画像生成部を示す。
【００４４】
入力装置１はキーボード等で構成され、カラーＣＲＴ等からなる表示装置２と共に対話型のマンマシンインターフェースを構成している。出力装置３は作成画像生成部８によって生成された画像を使用目的に応じた形態で出力するものであり、フィルムに出力する場合にはフィルム出力機が用いられる。また、外部の記憶装置やダイレクト刷版機等に出力するような構成であってもよく、あるいはカラープリンタであってもよい。
【００４５】
制御装置４は適宜なプロセッシングユニットで構成されており、２次元スカラ場生成部５、単位法線ベクトル演算部６、輝度計算部７、作成画像生成部８を備えている。
【００４６】
次に動作について説明する。まず、オペレータは入力装置１により、作成画像サイズ、単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑ、光線減衰定数ｒを入力する。これらのパラメータが入力されると、作成画像生成部８は作成画像サイズを取り込み、輝度計算部７は単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑ、光線減衰定数ｒを取り込む。
【００４７】
次に、オペレータは入力装置１から２次元スカラ場の生成を指示する。このとき２次元スカラ場のサイズを指定することは当然である。これによって、２次元スカラ場生成部５は指定されたサイズの２次元スカラ場を生成する。この２次元スカラ場生成部５は、周知の手法、例えば中点変位法による２次元フラクタル場の生成手法等の適宜な手法によって２次元スカラ場を生成するものでよい。そして、２次元スカラ場生成部５は生成した２次元スカラ場を単位法線ベクトル演算部６に渡すと共に、スカラ値の最大値ｚ_max 及び最小値ｚ_min を求めて、最大値ｚ_max 及び最小値ｚ_min を輝度計算部７に渡す。また、このとき指定された２次元スカラ場のサイズは作成画像生成部８に渡される。
【００４８】
２次元スカラ場が渡されると、単位法線ベクトル演算部６は、当該２次元スカラ場の各位置のスカラ値を標高として扱い、上記の(1)，(2)，(6)〜(8)式の演算を行って、各位置の単位法線ベクトルを演算する。この演算によって求められた凹凸面の各位置の単位法線ベクトルは輝度計算部７に渡される。
【００４９】
輝度計算部７は、入力された単位光線方向ベクトル（ｌ_x，ｌ_y，ｌ_z）、光源強度Ｌ、拡散反射率ｄ、鏡面反射率ｓ、鏡面反射の鋭さｑ、光線減衰定数ｒ、及び２次元スカラ場生成部５から渡された最大値ｚ_max 、最小値ｚ_min 、更に単位法線ベクトル演算部６から渡された凹凸面の各位置での単位法線ベクトルに基づいて、凹凸面の各位置について(9)，(10)，(12)式の計算を行って輝度Ｉを計算し、その結果を作成画像生成部８に渡す。
【００５０】
作成画像生成部８は、２次元スカラ場のサイズと作成画像のサイズとから、位置の一対一対応をとり、輝度計算部７から渡された各位置の輝度を作成画像の対応する位置に書き込む。
【００５１】
以上の処理によって作成画像が得られたので、オペレータは入力装置１から作成画像の出力を指示すればよい。このことによって、作成画像生成部８は生成した画像を出力装置３に転送するので、出力装置３から当該画像が出力されることになる。
【００５２】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、建材印刷物のデザインの幅を大きく拡げることができ、しかも建材製版の合理化を図ることができるものである。また、本発明は、建材印刷物や包装用紙のデザインだけでなく、各種の映像、コンピュータグラフィックスを利用した自然物表現のデザイン全般に利用することができるものである。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能であることは当業者に明らかである。例えば、上述した説明では凹凸面の輝度しか求めていないが、凹凸面の各位置に対して、所望の色相、彩度を定めるようにすることもできることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像生成方法の実施形態における処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図２】２次元スカラ場のエンドレス化を説明するための図である。
【図３】２次元スカラ場の上に定義される凹凸面を説明するための図である。
【図４】凹凸の各位置の輝度を計算するに際して、各位置の標高を考慮する必要があることを説明するための図である。
【図５】本発明に係る画像生成装置の一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…入力装置
２…表示装置
３…出力装置
４…制御装置
５…２次元スカラ場生成部
６…単位法線ベクトル演算部
７…輝度計算部
８…作成画像生成部[0001]
[Industrial application fields]
The present invention automatically creates an image when observing from a certain direction when light strikes from a direction on an uneven surface such as a rock surface, a stone surface, or a sand surface. Relates to a method and an apparatus.
[0002]
[Prior art]
The pattern on the surface of the rock and the surface of the stone is widely used for wallpaper etc. as an abstract pattern, but in the past, photographs of rocks that exist in nature have been taken. And when applying this photographed image to a printed material with a very large area such as wallpaper, the photographed film image is processed into an endless image, and a plurality of images are prepared by copying it. Then, they are connected vertically and horizontally with no gaps to obtain a pattern having a desired area. Here, the endless processing is a process of correcting the pattern in the peripheral portion of the image so that there is no level difference in the pattern at the connection place when the connection is made without gaps in the vertical and horizontal directions, and a continuous pattern is obtained.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method described above has a problem that it is difficult to change the design and texture because the rock to be photographed is a naturally existing material. Furthermore, since the endless processing is performed by manually processing the film, not only skill is required but also the work load is large.
[0004]
The present invention solves the above-described problem, and an image obtained by observing a state in which light is applied from a direction on an uneven surface, such as an image having a rocky texture, is observed from a certain direction. An object of the present invention is to provide an image generation method and apparatus that can be automatically created and that can be easily changed in design and texture.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the image generation method according to claim 1 uses the scalar value at each position of the two-dimensional scalar field as an altitude, and determines each position from the relationship between each altitude of the unevenness and the surrounding altitude. An image generation method for determining a luminance at each position of the unevenness by determining a unit normal vector in, and determining a line-of-sight condition, a ray condition, and a surface condition of the unevenness on a two-dimensional scalar field, The light beam is a parallel light beam, and the brightness of each position of the two-dimensional scalar field is reduced by the scalar value at that position, the diffuse reflection component at that position, the specular reflection component, and the brightness at the low altitude position from the high position. It is determined by using a ray attenuation constant that determines whether or not, a maximum scalar value in the two-dimensional scalar field, and a minimum scalar value in the two-dimensional scalar field .
[0006]
The image generation apparatus according to claim 2, an input unit for setting a light ray condition, an uneven surface condition, and the like, a two-dimensional scalar field generation unit that generates a two-dimensional scalar field, and a two-dimensional scalar field generation unit A unit normal vector computing unit for obtaining a unit normal vector at each position from the relationship between the elevation of each position of the unevenness and the surrounding elevation, and treating the scalar value at each position of the two-dimensional scalar field generated by The brightness for calculating the brightness at each position on the uneven surface based on the light ray condition set by the input means, the uneven surface condition, and the unit normal vector at each position obtained by the unit normal vector calculation unit An image generation apparatus comprising: a calculation unit; and an image generation unit that generates an image by writing the luminance value of each position calculated by the luminance calculation unit in a corresponding position of the generated image. Rays set by means are parallel rays, the luminance calculation unit, the luminance of each position of the two-dimensional scalar field, scalar value at that location, the diffuse reflection component at the position, the specular reflection component, elevation lower position Is determined by using a light attenuation constant that determines how much lower the brightness of a pixel is from a high position, a maximum scalar value in the two-dimensional scalar field, and a minimum scalar value in the two-dimensional scalar field It is characterized by that.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
First, an embodiment of an image generation method according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a flowchart for explaining the flow of processing in this embodiment.
[0010]
First, various parameters are set as initial settings (step S1). Here, the size of the created image, the unit light direction vector (l _x , l _y , l _z ), the light source intensity L, the diffuse reflectance d, the specular reflectance s, the specular reflection sharpness q, and the light attenuation constant r are set. . The created image is an image created by the image generation method, and the size of the created image is set in advance. Other items will be described later.
[0011]
Next, a two-dimensional scalar field is generated (step S2). The two-dimensional scalar field may be any one as long as one scalar value is defined for a certain coordinate (x, y). For example, if a natural fluctuation is desired for the scalar value, a two-dimensional fractal field may be generated by the midpoint displacement method or the like.
[0012]
However, if an image obtained by this image generation method is to be connected with no gaps in the vertical and horizontal directions to obtain an image having a larger area, the image created by this image generation method must be endless. For this purpose, this two-dimensional scalar field needs to be made endless. This becomes clear from the processing described later.
[0013]
For example, considering the case where another two-dimensional scalar field is connected vertically and horizontally without any gap as shown in FIG. 2, it can be seen that the connection can be made without a step if the same scalar value is provided at the connection position. Therefore, when connecting without gaps as shown in FIG. 2, in the process of generating a two-dimensional scalar field by the midpoint displacement method or the like, the scalar value of each position on the upper side is changed to the corresponding position on the lower side, and The scalar value of the position may be forcibly assigned to the corresponding position on the right side. It will be apparent that this makes it possible to obtain an endless two-dimensional scalar field. The connection mode when two-dimensional scalar fields are connected without a gap is not limited to that shown in FIG. 2, but the scalar value at the connection position is the same when connected without a gap, depending on the connection mode. Thus, the scalar value of each side may be adjusted.
[0014]
The size of the two-dimensional scalar field may be the same as or different from the size of the created image, but as will be apparent from the description below, the position of the two-dimensional scalar field and the position of the created image are Since they must correspond one-to-one, if the sizes of the two are different, the sizes of the two may be normalized so that a one-to-one correspondence between the two positions is obtained. In the following, it is assumed that there is a one-to-one correspondence between the position of the two-dimensional scalar field and the position of the created image.
[0015]
Now, an xy orthogonal coordinate system is set for the two-dimensional scalar field, and the scalar value at an arbitrary position (x, y) of the two-dimensional scalar field is represented by z (x, y) as shown in FIG. Assuming that the positions of z (x, y) are smoothly connected, it can be easily understood that an uneven surface is formed on the two-dimensional scalar field. Therefore, in this image generation method, the scalar value z (x, y) is defined as the altitude from the reference plane. Of course, the reference plane can be arbitrarily set. For example, a plane with z = 0 in FIG. 3 may be used as the reference plane, or a plane having the minimum scalar value of the two-dimensional scalar field may be used as the reference plane.
[0016]
Next, a unit normal vector ( _nx , _ny , _nz ) at each position of the concavo-convex surface defined on the two-dimensional scalar field as described above is obtained (step S3). The meaning of this will be described later.
[0017]
For this purpose, first, the inclination in the x direction and the y direction at each position of the uneven surface is obtained. When the inclination in the x direction at the position (x, y) of the uneven surface is dz / dx and the inclination in the y direction is dz / dy, dz / dx and dz / dy are the following equations (1) and (2), respectively. Can be obtained.
[0018]
[Expression 1]

[0019]
Although the expressions (1) and (2) are shown in an analog expression, it is natural that the above calculation is performed digitally.
[0020]
In this way, the inclination at each position is obtained. What is desired here is the unit normal vector at each position. However, since the normal vector at each position of the concavo-convex surface faces the direction perpendicular to the slope at each position, the x component of the unit normal vector at the position (x, y) is _nx and the y component is _ny. When the z component is _nz , the following equation is established.
[0021]
_{_{n z / n x = 1 /}} (dz / dx) ... (3)
_{_{n z / n y = 1 /}} (dz / dy) ... (4)
Further, since _nx , _ny , and _nz are the x component, y component, and z component of the unit normal vector, respectively, the following equation is established.
[0022]
( _Nx ² + _ny ² + _nz ² ) ^1/2 = 1 (5)
Therefore, from the equations (3), (4), and (5), _nx , _ny , and _nz are obtained as follows.
[0023]
[Expression 2]

[0024]
In this way, the unit normal vector at a certain position (x, y) is obtained from the relationship with the altitude of the surrounding positions. By performing the above calculation for all positions (x, y) of the two-dimensional scalar field, the unit normal vectors ( _nx , _ny , _nz ) at the respective positions on the uneven surface are obtained.
[0025]
Next, the luminance at each position on the surface of the concavo-convex surface is calculated (step S4). However, when a human sees an object, the surface may appear uneven or may not appear uneven. This is because the three conditions of the condition of the line of sight of the person to be observed, the condition of the light ray hitting the object, and the condition of the surface of the object are acting comprehensively. Here, the line-of-sight condition is a condition of what angle the object is viewed from, and the light ray condition is a condition of what light ray hits the object at what angle. . Further, the condition of the surface of the object is a condition of what reflectance the surface of the object is and what sharpness of reflection is.
[0026]
Thus, since the brightness of the object is determined by the above three conditions, it is necessary to determine these three conditions when calculating the brightness in this step. For this purpose, in step S1, the unit ray direction vector ( l _x , l _y , l _z ), light source intensity L, diffuse reflectance d, specular reflectance s, and specular reflection sharpness q are set.
[0027]
First, regarding the condition of the line of sight, here, in order to facilitate understanding, it is assumed to be viewed from a position directly facing the uneven surface.
Next, the conditions for the light beam are parallel light beams, the intensity of which is given by L, and the light beam direction is given by unit light beam direction vectors (l _x , l _y , l _z ). Of course, it is also possible to set a light beam other than a parallel light beam, for example, a so-called diffused light beam whose intensity is attenuated in inverse proportion to the square of the distance from the light source, or any other light beam. In that case, for example, a unit light beam direction vector and a light beam intensity may be given for each position of the uneven surface. However, since it has been confirmed that it is desirable to use parallel rays when connecting images created by this image generation method vertically and horizontally without any gaps, they are assumed to be parallel rays here.
[0028]
Further, the condition of the surface of the object is as follows. First, information on the shape of the unevenness is given by the unit normal vector at each position obtained in step S3. With respect to the reflected light from the surface, the reflected light is decomposed into a diffuse reflection component and a specular reflection component, and a diffuse reflection factor d is given to obtain a diffuse reflection component from each position of the concavo-convex surface, thereby obtaining a specular reflection component. Therefore, the specular reflectance s and the sharpness q of the specular reflection are given. The specular reflectivity s is a value related to the intensity of specular reflection light from the surface of the uneven surface, and the sharpness q of the specular reflection relates to how much the specular reflection light from the surface of the uneven surface is spread. Value.
[0029]
By the above, preparations for calculating the brightness of each position of the uneven surface defined on the two-dimensional scalar field, that is, the intensity of the reflected light from the surface of each position of the uneven surface, are ready. The brightness | luminance in each position of the said uneven | corrugated surface is calculated with the following formula | equation.
[0030]
As described above, the reflected light from the surface at the position (x, y) having the uneven surface is decomposed into the diffuse reflection component diff and the specular reflection component spec, but the diffuse reflection component diff is at this position (x, y). It is known that the inner product of the unit ray direction vector at) and the unit normal vector at the position can be obtained by multiplying the intensity of the ray at the position and the diffuse reflectance at the position. . Accordingly, the diffuse reflection component diff of the reflected light from the position (x, y) is diff = d · L · cos θ (θ ≦ 90 °) (9)
Calculated by However, θ is an angle formed by the unit normal vector and the inverse vector of the unit ray direction vector. When θ> 90 °, no ray hits and the luminance is zero.
[0031]
The specular reflection component spec at the position (x, y) is
spec = s · L · cos ^q θ (θ ≦ 90 °) (10)
It is known that it can be calculated by However, θ is an angle formed by the unit normal vector and the inverse vector of the unit ray direction vector. When θ> 90 °, no ray hits and the luminance is zero.
[0032]
Accordingly, the luminance I at the position (x, y) of the uneven surface is the sum of the expressions (9) and (10) I = diff + spec (11)
However, the depth or depth of the concavo-convex surface cannot be expressed well with this alone. This is because the diffuse reflection component diff expressed by the equation (9) and the specular reflection component spec expressed by the equation (10) are determined regardless of the altitude z at the position. Actually, according to the equations (9) and (10), the diffuse reflection component and the specular reflection component at the position (x, y) are the unit ray direction vector (l _x , l _y , l _z ), the light source intensity L If the diffuse reflectance d, the specular reflectance s, and the sharpness q of the specular reflection are determined, it is determined only by the unit normal vector at the position and is not related to the altitude z at the position.
[0033]
However, empirically, even if the unit normal vector is in the same direction, a portion with a higher elevation appears brighter than a portion with a lower elevation. Now, when considering two-dimensionally for easy understanding, for example, there are irregularities as shown in FIG. 4, the direction of the line of sight, the direction of the light rays and the intensity L are set as shown in the figure, Even if the direction of the unit normal vector at the positions indicated by a and b in the figure is the same as shown in the figure, the position indicated by a appears to be brighter than the position indicated by a lower altitude. .
[0034]
Therefore, when obtaining the luminance at each position on the uneven surface in this step, calculation is performed by the following equation in consideration of the altitude z of the position for obtaining the luminance.
[0035]
[Equation 3]

[0036]
Here, z _max indicates the maximum value of the altitude, that is, the maximum scalar value in the two-dimensional scalar field, z _min indicates the minimum value of the altitude, that is, the minimum scalar value in the two-dimensional scalar field, and r Is the light attenuation constant set in step S1. According to this equation, it will be apparent that even if the unit normal vector is the same, a higher position can have higher luminance than a lower position. And even if the unit normal vector is the same, it is the ray attenuation constant r that determines how much the luminance at the position where the altitude is low is made lower than the high position. In this way, by determining the luminance I at the position (x, y) by the expression (12), the depth of the uneven surface or the depth can be expressed well. Accordingly, when calculating the luminance at each position on the uneven surface, first, the maximum value z _max and the minimum value z _min of the scalar value of the two-dimensional scalar field are obtained, and (9), (10), and ( The brightness is calculated according to equation (12).
[0037]
As described above, in this step, the luminance at the position (x, y) where the concavo-convex surface is present is determined by the unit normal vector at that position, the given ray conditions, and the reflection of the surface of the concavo-convex surface. It is calculated based on the conditions. At that time, the lower the altitude of the uneven surface, the lower the luminance, thereby simulating the attenuation of the illumination beam.
[0038]
In the above description, the diffuse reflectance d, the specular reflectance s, and the sharpness q of the specular reflection are uniform over the entire surface of the uneven surface. Of course, the value of can be set arbitrarily. In the above description, the direction of the line of sight is the direction facing the concave / convex surface, but any other direction can be set. In this case, when calculating the luminance, rendering processing, shading processing, etc. As such, a conventionally well-known method may be used.
[0039]
The brightness calculation in step S4 is performed for all positions (x, y), and the calculated brightness of each position is written in the corresponding position of the created image set in step S1 (step S5). As a result, an image obtained by observing, from a certain direction, a state in which light is irradiated from a direction on an uneven surface, such as an image having a rocky texture, is generated.
[0040]
Since the created image is obtained in the process of step S5, the obtained created image is output by an appropriate output device (step S6). The output device may be a printer, a film output device, a so-called direct printing plate machine that engraves directly on a printing cylinder, or any other appropriate device.
[0041]
As described above, according to this image generation method, an image obtained by observing, from a certain direction, a state in which light is irradiated from a direction on an uneven surface, such as an image having a rocky texture, is automatically obtained. The design and texture can be easily changed by appropriately changing the parameters that determine the two-dimensional scalar field, the ray conditions set in step S1 and the surface condition of the uneven surface. it can. Endlessness can also be easily performed in the process of generating a two-dimensional scalar field.
[0042]
The embodiment of the image generation method has been described above. Next, the embodiment of the image generation apparatus will be described.
[0043]
This image generating apparatus executes the processing of the above-described image generating method, and can be configured using a personal computer or a workstation, as shown schematically in FIG. In FIG. 5, 1 is an input device, 2 is a display device, 3 is an output device, 4 is a control device, 5 is a two-dimensional scalar field generator, 6 is a unit normal vector calculator, 7 is a luminance calculator, and 8 is The created image generation unit is shown.
[0044]
The input device 1 is composed of a keyboard or the like, and constitutes an interactive man-machine interface together with a display device 2 composed of a color CRT or the like. The output device 3 outputs the image generated by the created image generation unit 8 in a form according to the purpose of use. When outputting to a film, a film output machine is used. Further, it may be configured to output to an external storage device or a direct printing press, or may be a color printer.
[0045]
The control device 4 includes an appropriate processing unit, and includes a two-dimensional scalar field generation unit 5, a unit normal vector calculation unit 6, a luminance calculation unit 7, and a created image generation unit 8.
[0046]
Next, the operation will be described. First, the operator uses the input device 1 to create a created image size, unit light direction vector (l _x , l _y , l _z ), light source intensity L, diffuse reflectance d, specular reflectance s, specular reflection sharpness q, light attenuation. Enter a constant r. When these parameters are input, the created image generation unit 8 captures the created image size, and the luminance calculation unit 7 obtains the unit ray direction vector (l _x , l _y , l _z ), the light source intensity L, the diffuse reflectance d, The specular reflectance s, the sharpness q of the specular reflection, and the light attenuation constant r are taken in.
[0047]
Next, the operator instructs generation of a two-dimensional scalar field from the input device 1. At this time, it is natural to specify the size of the two-dimensional scalar field. As a result, the two-dimensional scalar field generation unit 5 generates a two-dimensional scalar field having a specified size. The two-dimensional scalar field generation unit 5 may generate a two-dimensional scalar field by a known method, for example, an appropriate method such as a two-dimensional fractal field generation method using a midpoint displacement method. Then, the two-dimensional scalar field generation unit 5 passes the generated two-dimensional scalar field to the unit normal vector calculation unit 6 and obtains the maximum value z _max and the minimum value z _min of the scalar value to obtain the maximum value z _max and the minimum value. The value z _min is passed to the luminance calculation unit 7. Further, the size of the two-dimensional scalar field designated at this time is passed to the created image generation unit 8.
[0048]
When a two-dimensional scalar field is passed, the unit normal vector calculation unit 6 treats the scalar value at each position of the two-dimensional scalar field as an altitude, and the above (1), (2), (6) to (8) ) To calculate the unit normal vector at each position. The unit normal vector at each position on the concavo-convex surface obtained by this calculation is passed to the luminance calculation unit 7.
[0049]
The luminance calculation unit 7 inputs the unit beam direction vector (l _x , l _y , l _z ), light source intensity L, diffuse reflectance d, specular reflectance s, specular reflection sharpness q, light attenuation constant r, and Based on the maximum value z _max and the minimum value z _min passed from the two-dimensional scalar field generation unit 5 and the unit normal vector at each position of the uneven surface passed from the unit normal vector calculation unit 6 The luminance I is calculated by calculating the expressions (9), (10), and (12) for each of the positions, and the result is passed to the created image generation unit 8.
[0050]
The created image generation unit 8 takes a one-to-one correspondence between positions from the size of the two-dimensional scalar field and the size of the created image, and writes the luminance of each position passed from the luminance calculation unit 7 to the corresponding position of the created image. .
[0051]
Since the created image is obtained by the above processing, the operator may instruct the output of the created image from the input device 1. As a result, the created image generation unit 8 transfers the generated image to the output device 3, and the image is output from the output device 3.
[0052]
As is apparent from the above description, according to the present invention, the design range of the printed building material can be greatly expanded, and the building material plate making can be rationalized. Further, the present invention can be used not only for the design of printed materials for building materials and packaging paper, but also for the design of natural objects in general using various images and computer graphics.
[0053]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications are possible. For example, in the above description, only the luminance of the uneven surface is obtained, but it is apparent that a desired hue and saturation can be determined for each position of the uneven surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart for explaining the flow of processing in an embodiment of an image generation method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the endlessness of a two-dimensional scalar field.
FIG. 3 is a diagram for explaining an uneven surface defined on a two-dimensional scalar field.
FIG. 4 is a diagram for explaining that it is necessary to consider the altitude of each position when calculating the luminance at each position of the unevenness.
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of an image generation apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Input device 2 ... Display apparatus 3 ... Output device 4 ... Control apparatus 5 ... Two-dimensional scalar field generation part 6 ... Unit normal vector calculation part 7 ... Luminance calculation part 8 ... Creation image generation part

Claims

Using the scalar value at each position of the two-dimensional scalar field as the altitude, the unit normal vector at each position is obtained from the relationship between the position altitude of the unevenness and the surrounding altitude, the line-of-sight condition, the ray condition, and the two-dimensional An image generation method for determining the luminance at each position of the unevenness by determining the condition of the surface of the unevenness on the scalar field,
The light beam is a parallel light beam, and the brightness at each position of the two-dimensional scalar field is reduced by a scalar value at that position, the diffuse reflection component at the position, the specular reflection component, and the brightness at a position at a low altitude. A ray attenuation constant that determines whether to perform the determination, a maximum scalar value in the two-dimensional scalar field, and a minimum scalar value in the two-dimensional scalar field. Image generation method.

Input means for setting the conditions of the light beam, the surface condition of the unevenness, and the like;
A two-dimensional scalar field generator for generating a two-dimensional scalar field;
A unit that calculates the unit normal vector at each position from the relationship between the elevation of each position of the unevenness and the surrounding elevation, treating the scalar value at each position of the two-dimensional scalar field generated by the two-dimensional scalar field generation unit as the elevation. A normal vector calculation unit;
Luminance calculation that calculates the luminance at each position on the uneven surface based on the light ray condition set by the input means, the uneven surface condition, and the unit normal vector at each position obtained by the unit normal vector calculation unit And
An image generation apparatus comprising: an image generation unit that generates an image by writing the luminance value of each position calculated by the luminance calculation unit in a corresponding position of the generated image;
The light beam set by the input means is a parallel light beam, and the luminance calculation unit calculates the luminance at each position of the two-dimensional scalar field, the scalar value at that position, the diffuse reflection component at that position, the specular reflection component, and the altitude. Using a ray attenuation constant that determines how much the luminance at the low position is lower than the high position, the maximum scalar value in the two-dimensional scalar field, and the minimum scalar value in the two-dimensional scalar field determining Te <br/> that the image generating apparatus according to claim.