JP4319308B2 - ガス状物体表示回路 - Google Patents
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Description
[発明の属する技術分野]
本発明は雲、霧あるいは煙などのガス状物体をコンピュータグラフィックス映像として表現するハードウエア回路に関し、リアルタイムゲーム機器や仮想現実システムに応用される。
【0002】
[従来の技術]
雲、霧などのガス状物体を表現する従来のハードウエア技法の多くは、テキスチャーマッピングを用いる。これはあらかじめ雲などの映像を2次元パターンとして記憶して、これをスクリーンにマッピングするものである。霧などの表現も透視率を設定して2次元パターンと3次元物体とをアルファーブレンディングして表現する。これらの方法はガス物体が2次元パターンで定義されており、3次元空間での視点の移動にともない物体形状を任意の角度から眺めることや、ガス状物体が視点を横切る場合の変化を表現させることができない。また一部のレンダリング方法として乱数をベースに3次元ノイズを生成しこれを面定義物体と合成する方法が特願平7−201251および9−301422にて、前者はシェーディング方法が、後者は面定義物体との合成が提案されているが自然現象に沿った数式モデルと異なるシェーディングあるいは合成法のため、表現力に制約があった。
【0003】
[問題を解決するための手段]
本発明ではガス状物体の表示最小要素をプリミティブとし、プリミティブそれぞれを3次元座標値と密度で定義する。このプリミティブ密度は輝度や透過値のようにすでに可視化データに変換された値とは異なる。ガス状物体を構成する方法として本発明ではプリミティブの核となる幾何学的3次元点を設定し形状のフレーム(全体枠組み)を構築する。プリミティブはそれぞれの核毎に一様乱数を変数としたノイズ関数等によって発生する。密度はフレーム核およびプリミティブいずれにも付加されるが、単位空間当たりに存在する核およびプリミティブ数に対応して定義する方法がある。ガス状物体の輝度は主として太陽光源(輝度および光線方向)とプリミティブの密度に依存する。自然界においてはガス粒子に対する光線の乱反射による拡散と屈折による減衰で決定される。よってレンダリングにおいてもプリミティブ密度、光源輝度および光線方向でこの輝度を決定することが合理的である。本発明ではプリミティブの密度をプリミティブ毎にその座標値を用いて画像メモリに記憶する。3次元空間で重なり合うガス状物体を描画する場合、すでに画像メモリに密度が記憶された場所に新たな密度が重ね書きされることがある。この場合画像メモリに記憶される密度はそれらの加算値とする。この加算された密度は全てのレンダリングが終了しフィルタリングした後に輝度や透過度に変換する。一方、本発明では影付けに用いられている2パスzバッファと同様に二つのパスを設けて輝度を決定する。しかし従来の影付けでは多角形の内挿補間点が影か照射部かを決定する方法として、内挿補間点とシャドウポリゴンそれぞれのzの点座標値を比較する。本発明ではそれら方法とは異なりガス状物体のz軸上の分布範囲(最大、最小値)とその範囲内に存在する密度によって輝度を決定する。このためまず第一パスにおいては光源座標系でプリミティブ座標値を生成し、密度に関しては前記のように画像メモリの密度と加算する一方、z値に関しては光源に最も近いz最小値Z1minと、最も遠いz最大値Z1maxをプリミティブz値と画像メモリ内のz値とを比較して求め、最小最大値を記憶する。すべてのプリミティブをレンダリングした後、記憶された密度およびz値をフィルタリングす。次に第二パスにおいて視点座標系のプリミティブ座標値を求めると同時に光源座標系座標値に変換する。これは第一および第二パスいずれもプリミティブ座標値を光源座標系で定義し、第二パスにおいてこの光源座標系座標値を視点座標値に座標変換する方法のいずれでも良い。第二パスにおいて視点座標系におけるプリミティブのz値と密度を画像メモリに記憶する場合にもz値に関しては第一パス同様に視点座標でのz値の最小値Zgminおよび最大値Zgmaxを求める。第二パスではさらにプリミティブ座標点それぞれの光源軸上での補間密度dhを記憶する。密度d2およびz値の最小Zgminおよび最大値Zgmaxは第一パス同様に、密度は画像メモリのオーバーライト時は加算、z値は画像メモリ内の最小最大値との比較により求めるが、光源軸上の補間密度dhは次の手順で求める。第二パスにおいてプリミティブの光源座標系座標値を(L2x,L2y,L2z)とすると、これを視点座標値(Ex,Ey,Ez)に変換する。座標値(L2x,L2y)をアドレスとして第一パスの画像メモリに記憶された密度d1とz値の最小値Z1minおよび最大値Z1maxを読み出す。次にこれら値とL2zによってd1を(1)式により比例配分する。この値dhを第二の画像メモリの(Ex,Ey)アドレスに密度d2、z最小値Zgminあるいは最大値Zgmaxと同時に記憶する。
dh=d1・(L2z−Z1min)/(Z1max−Z1min) Z1min≦d1≦Z1max (1)
光源軸補間密度dhは第二パスにおいて視点軸上での重ね書きが生じた場合、画像メモリに記憶された値とd2のように加算するのではなく、Ez値に対する隠面消去法を用いてzの最小値〔視点に最も近い〕となるプリミティブ点での補間密度のみを記憶する。補間密度dhは第二パスの終了後、フィルタリングされ面定義物体と合成する時点で下記の式によって輝度lgに変換される。
lg=C・k0・exp(−k1・dh) (2)
ここでCは光源の輝度で3原色のそれぞれに(2)式が用いられる。k0およびk1はガス状物体の特性および拡散減衰率に依存する係数である。exp()指数関数である。(1)および(2)式より本発明では視点座標から見たプリミティブの所定の点における輝度は、その点を通過する光線軸上の密度および拡散率で決定される。
一方、面定義物体との合成は、第二パスで記憶されたガス状物体のz値の最小Zgminおよび最大Zgmax値、視点軸上の加算密度d2および(1)式の補間密度dhが用いられる。面定義物体とは多角形で形状が表現される表示物体で、多角形の頂点に座標値および属性を定義しこれを内挿補間して描画するもので画像メモリには隠面消去のためのz値(通常z値を記憶するメモリはzバッファと呼ばれる)と、輝度がそれぞれ記憶される。このうち一般の表示システムでは輝度のみがビデオ走査順により画像メモリから読み出されD/A変換を経てモニターに表示される。本発明では輝度とz値がメモリから同時に読み出される。ガス状物体の前記z値の最小および最大値、加算密度および補間密度も同様に面定義物体画像メモリに同期して走査順に読み出され、ガス状物体と面定義物体との合成を下式により行う。ここで面定義物体の輝度およびz値をそれぞれSおよびZs、視点軸密度をd2、合成された輝度をlpとする。
lp=α・S+(1−α)・lg (3)
ここで合成密度dmおよび透過率αは下式で与えられる。
(3)式のlgは(2)式で与えられる。
本発明では(3)および(4)式の処理は画像メモリのビデオ走査読み出しに同期して行う。よってこれらの処理は画素毎に比較演算される。(2)および(5)式はdhおよびdmをアドレスとするメモリテーブルを用いてそれぞれ輝度と透過率に変換する。
以上の説明ではメモリに記憶するz値は最大値と最小値としているが、一方を絶対値、他方を相対値(最大値と最小値間の距離)として記憶し、読み出し後に最大、最小値に変換することもできる。また(2)式には指数関数を用いているが、メモリテーブルにRAMを使用することにより底をe−10の範囲で設定することができる。
ガス状物体をプリミティブ点群として表現する場合、グラフィックスとして生成できる数は限られており数が少ないと点列としてのまだらな映像となる場合がある。これを避けるため本発明では第一および第二パスの処理終了後、フィルタリングを行う。
フィルタ対象は最大、最小z値と密度であるが、z値のフィルタリングは単純な空間フィルタリングができない。これは例えば3×3領域をリサンプリングする場合、この領域にはz値が含まれる点と、含まれない(プリミティブが存在しない)点のある可能性がありこれら全体を平均化するとプリミティブの存在し得ない場所に出現することになる。z値は幾何学的データであり、領域フィルタは適用できない。本発明ではz値に関してはサンプリング領域に含まれる有効z値のみを加算する一方、有効z値の存在する画素数で除算する平均化を図りこれをサンプリング点のz値とする。有効z値とは少なくとも1度は画像メモリに書かれた点のz値を意味する。密度に関しては領域内に含まれる全ての値の相関をとる。
視点の位置とは無関係に同一の物体に対してそのプリミティブの数を一定数で生成すると、透視変換時では遠方になるにしたがって画像メモリ上での密度が高くなり近傍と遠方では異なる表示効果となる。これを避けるにはz値に反比例して、遠方になるにしたがってプリミティブ数を低減するか、密度を低下する必要がある。本発明では透視変換関数、例えばj・h/(z−h)を密度に乗算することで対応する。ここでzはプリミティブのz軸上の値、hは視点から投影面までの距離、jは係数である。また局所的なガス状物体のフェードインアウトを表示する方法として本発明ではプリミティブ数の増減ではなく、ライフタイム値を前記形状フレームの核毎に定義し、これをそれぞれのプリミティブの密度に乗算する。この乗算はフレーム核とプリミティブの密度の加算値(前記dhやdg)が画像メモリに記憶される時点で行われる。フレーム核のライフタイム値は時間とともに変化する値でこの値が変化する毎に映像をリフレシュする。この結果、ガス状物体の部分的発生と消滅がプリミティブの密度や発生数とは独立して制御できる。以下具体的な実施例を用いて説明する。
【0004】
[実施例]
図1は本発明のガス状物体表示回路を示す。図1は時間経過を含む構成図を示すもので、上段は第一パス、中段が第二パス、下段がビデオ読み出し時(第三パス)の回路構成となる。パス毎のプロセスは互いに独立しており、プロセスに対応して回路構成が変化することを示す。よって上段と中段には同一の回路番号があるが、これは第一および第二パスのそれぞれのプロセスで共有して使用されるものを示す。
図1において第一パスではプリミティブ発生器1は光源座標系のプリミティブ座標値(L1x,L1y,L1z)および密度d1を発生する。z値L1zは画像メモリ4にそれまでに記憶されたz値の最小Z1minおよび最大値Z1maxとz値比較器2でそれぞれ比較し、それら値よりも大きいかあるいは小さい場合には該当する画像メモリに新たな値として置き換える。密度d1はバッファ4に記憶された密度と演算器3において加算され画像メモリ4に書きこまれる。演算器3では乗算器と加算器で構成され、密度をスケーリングするライフタイム値Lfがプリミティブ発生器1から与えられる。画像メモリ4は密度d1、最小Z1minおよび最大Z1maxのz値を記憶するバッファで、例えばそれぞれ画素当たり8ビット、32ビット、32ビットで構成する。全てのプリミティブがレンダリングされた後、密度はフィルタ回路5において例えば4×4サンプリング領域のスプライン相関が画像メモリ全域に対してビデオ走査順に読み出され行われる一方、z値はその領域内の有効データのみを用いて平均化を行う。有効データとは少なくとも一回以上z値が書かれた点を意味し、その有効z値と有効点数で除算した平均化を図る。
第二パスにおいてプリミティブ発生器は第一パス同様に光源座標系座標値(L2x,L2y,L2z)と密度d2を出力する。この光源系座標値は座標変換回路6において視点座標系座標値(Ex,Ey,Ez)に変換する。(L2x,L2y)はメモリ4のアドレスとして与え、第一パスで記憶しフィルタリングされた密度d1、Z1minおよびZ1maxを読み出す。この読み出された値とL2zとから(1)式の演算が補間回路7で行われる。回路7で得られた補間密度dhを第二の画像メモリ8のアドレス(Ex,Ey)に記憶する。一方、プリミティブ発生器からの密度d2はアドレス(Ex,Ey)で画像メモリ8に記憶されるが、オバーライトされる場合はすでに記憶された密度dgと演算器3にて累積した後記憶される。この際ライフタイム値Lfと透視変換関数値Psが密度に乗算される。Ez値は視点軸上の最小Zgmin、最大Zgmax値を比較しながらアドレス(Ex,Ey)で画像メモリ8に記憶する。第二パスが終了すると第一パス同様にフィルタリングをフィルタ5にて行う。dgおよびdhについては4×4領域での相関フィルタを、z値については有効データのみの平均化をメモリ全体で行う。こうして補間密度dh、視点軸上密度dg、z最小Zgminおよび最大Zgmax値が画像メモリ8に記憶される。
面定義物体はガス状物体のレンダリングとは独立して行われるが、その終了後、画像メモリ11には輝度S(通常は3原色)とそのZs値が記憶される。画像メモリ8と11の内容はビデオ走査信号に同期して順次読み出される。ここで補間密度dhは輝度変換回路9にて、また密度dgはz値の位置関係を検出する比較器12により制御される透視率変換回路10にて輝度lgおよび透視率αをそれぞれ得る。z値比較回路12および透視率変換回路10では前記(4)および(5)式を演算する。これらから合成回路13にて前記(3)式の処理が行われ面定義物体とガス状物体の画素毎の合成がビデオ走査順に完了する。
合成は以上のようにそれぞれの画像メモリをビデオモニターに表示する時点で行うこともできるし、実時間上の問題が少なければ、回路9,10,12,13の機能あるいはハードウエアをもつプロセッサを設け、それぞれの画像メモリから所定のデータを読み出し、演算後再度メモリ(例えば画像メモリ11)に書きこむ方法も可能である。
図2は図1における比較器2の詳細図を示す。z値の最小Z1minおよび最大Z1max値は画像メモリ4のそれぞれ独立した領域に記憶する。これらは座標値(L1x,L1y)でアドレシングして同時に読み出し、プリミティブ発生器1からのz値(Z1s)と減算器2aおよび2bにて比較し、Z1sがより小さいあるいは大きい場合はその符号を受ける制御回路2cにより該当するマルチプレクサ2dあるいは2eにてZ1sを選択する。Z1sが最小,最大値の間にある場合にはメモリの最小および最大値がライトバックされる。図3は本発明の透視率変換回路10および比較器12の詳細回路を示す。透視率変換回路10は画像メモリ8からのZgminおよびZgmaxの差分値を減算器10aで求めた後、メモリテーブル10cによりその逆数を求める。またZgminと、面定義物体の画像メモリ11からのz値Zsとの差分値を減算器10bで求め、この値と前記逆数を10dにて乗算する。この乗算結果をさらに密度dgと10eにて乗算して前記の(4)式のZgmin≦Zs≦Zgmax時の密度を得る。マルチプレクサ10fではこの値と、dgおよびゼロ値のいずれかを(4)式にしたがって選択する。このマルチプレクサ10fの選択は比較器12で決定される。比較回路12では面定義物体のz値ZsとZgminおよびZgmaxとをそれぞれ減算器12aおよび12bで比較し、それぞれの符号をマルチプレクサ制御回路12cに加え前記(4)式の条件を判定し、マルチプレクサ10fのガス状物体プリミティブの入力密度を選択する。選択された密度はメモリテーブルからなる透視率変換メモリテーブル回路10gを通して透視率αを得る。メモリテーブルに記憶する値は(5)式に基づく。メモリテーブルはRAMで構成する。
図4は本発明のガス状物体および面定義物体との合成回路13の詳細図を示す。回路は(3)式に基づき処理される。乗算器13aでは面定義物体の輝度Sと図3のメモリテーブル10gからの透視率αをそれぞれ乗算し、また減算器13dにて1−αの減算をした後、輝度変換回路9で得られたガスプリミティブの輝度lgと乗算器13bにて乗算し、この結果と前記13aの結果を加算器13cにて加算して合成輝度lpを得る。
【0005】
[発明の効果]
ガス状物体を3次元プリミティブとしてレンダリングすることにより視点に連動した映像表現や、視点が物体に入り込む場合の映像表現ができシュミレーションなどの仮想現実システムへの適用でリアリティーのある表示効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のガス状物体表示回路
【符号の説明】
1:プリミティブ発生器 2:z値比較器
3:演算器 4:第一の画像メモリ
5:フィルタ回路 6:座標変換回路
7:補間回路 8:第二の画像メモリ
9:輝度変換回路 10:透視率変換回路
11:面定義物体画像メモリ 12:z値比較器
13:合成回路
【図2】 本発明のz値比較回路
【符号の説明】
2a,2b:減算器 2c:マルチプレクサ制御回路
2d,2e:マルチプレクサ 4:画像メモリ
【図3】 本発明の透視率変換回路
【符号の説明】
10a,10b:減算器 10c:メモリテーブル
10d,10e:乗算器 10f:マルチプレクサ
10g:透視率変換メモリテーブル回路
12a,12b:減算器 12c:マルチプレクサ制御回路
【図4】 本発明の面定義およびガス状物体合成回路
【符号の説明】
13a,13b:乗算器 13c:加算器
13d:減算器 9:輝度変換回路
Claims (4)
- ガス状物体のコンピュータグラフィックス表示回路に関し、ガス状物体を構成する最小の表示単位(プリミティブ)を3次元座標値および密度で定義する手段と、
前記座標値のうち、xおよびy値をアドレスとしてプリミティブ毎にz値および密度を画像メモリに記憶するとともに、この画像メモリに新たなプリミティブを重ね書きする際、新たなz値と前記画像メモリに記憶されたz値とを比較して、それまでに書きこまれたzの最大値と最小値をそれぞれ記憶する手段と、
前記画像メモリに記憶された密度と新たに書きこまれる密度とをそれぞれを加算する手段をもつガス状物体表示回路において、
ガス状物体のレンダリングを第一および第二の処理(パス)に分け、第一パスでは光源を投影中心とする3次元光源座標系でプリミティブを定義しこれを第一の画像メモリに記憶した後、第二パスにおいては視点を投影中心とした3次元視点座標系でプリミティブを定義し、プリミティブ密度、最大および最小のz値を第二の画像メモリに記憶するとともに、視点座標系座標値それぞれに対応する光源系座標値を同時に求め、この第二パスで得た光源座標系座標点のz値と、前記第一パスにおいて第一の画像メモリに記憶された最大および最小のz値とから視点座標系におけるプリミティブ座標点での光源軸上の補間密度を決定しこの補間密度を第二の画像メモリに記憶する際、視点に最も近い値を選択し記憶する第一の手段と、
第一および第二パスそれぞれの処理が終了した後、第一パスでは最大および最小のz値および密度を、また第二パスでは視点座標系z値、密度および前記光源軸補間密度をそれぞれフィルタリングする手段として、画像メモリの少なくとも3×3の画素領域をサンプリング領域として走査順に読み出すとともに、それぞれのパスで記憶されたz値はサンプリング領域に含まれる有効値のみを用いて平均化する一方、視点座標系密度および補間密度はサンプリング領域全ての相関フィルタリングを行うとともに、フィルタリングされたこれら密度を、自然対数を底とする関数値とすることにより視点および光源軸上のプリミティブの透過度をそれぞれ決定する第二の手段をもつガス状物体表示回路。 - ガス状物体と面定義物体とはそれぞれ独立にレンダリングしてそれぞれの画像メモリに記憶した後、3次元空間内で合成する手段として、請求項1の回路において決定した補間密度から得た透過度をスカラー値として光源色と乗算して視点座標系のプリミティブの輝度を得る第一の手段と、
視点座標系プリミティブがもつz値の最大および最小値と、面定義物体のz値との差分値を求めるとともにこの差分値と前記視点座標系での密度とから、面定義物体前面に存在するプリミティブ密度を決定する第二の手段と、
この面定義物体前面のプリミティブ密度を、自然対数を底とする関数とすることにより面定義物体とガス状物体間の透過度を求める第三の手段と、
この透過度、前記プリミティブの輝度および面定義物体が持つ輝度とをそれぞれ用いてガス状物体と面定義物体を合成する第四の手段をもつガス状物体表示回路。 - ガス状物体のコンピュータグラフィックス表示回路に関し、ガス状物体を構成する最小の表示単位(プリミティブ)を3次元座標値および密度で定義する手段と、
前記座標値のうち、xおよびy値をアドレスとしてプリミティブ毎にz値および密度を画像メモリに記憶するとともに、この画像メモリに新たなプリミティブを重ね書きする際、新たなz値と前記画像メモリに記憶されたz値とを比較して、それまでに書きこまれたzの最大値と最小値をそれぞれ記憶する手段と、
前記画像メモリに記憶された密度と新たに書きこまれる密度とをそれぞれを加算する手段をもつガス状物体表示回路において、
透視投影が行われている場合、プリミティブz値と、視点から投影面までの距離を変数とした透視関数を定義し、この関数から得られる値を前記プリミティブに与えられた密度のスカラー値としてガス状物体が視点から離れれば離れるほど密度値を減少する手段をもつガス状物体表示回路。 - ガス状物体のコンピュータグラフィックス表示回路に関し、ガス状物体を構成する最小の表示単位(プリミティブ)を3次元座標値および密度で定義する手段と、
前記座標値のうち、xおよびy値をアドレスとしてプリミティブ毎にz値および密度を画像メモリに記憶するとともに、この画像メモリに新たなプリミティブを重ね書きする際、新たなz値と前記画像メモリに記憶されたz値とを比較して、それまでに書きこまれたzの最大値と最小値をそれぞれ記憶する手段と、
前記画像メモリに記憶された密度と新たに書きこまれる密度とをそれぞれを加算する手段をもつガス状物体表示回路において、
ガス状物体は複数の3次元格子点からなる幾何学形状によって定義されるとともに、前記プリミティブ座標値はこの格子点毎に乱数を変数とする任意関数により生成される手段と、それぞれの格子点には密度とライフタイム(Life−time)値を定義し、それぞれのプリミティブのもつ密度とそれぞれの格子点がもつ密度とをそれぞれ加算する一方、ライフタイム値はこの加算された密度に乗算してプリミティブの出現および消滅効果を得る手段をもつガス状物体表示回路。
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