JP4348728B2 - 3次元構造体の2次元写像を作成するための方法及び装置 - Google Patents
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Description
「このヴァーチャルな3次元世界にヴァーチャルなカメラを設置し、この世界が写真撮影される場合に、この写真はどう見えるのか?」
この問題の解決のためには多数の方法が既に公知である。最も公知の方法のうちの一つは光線追跡方法(英語ではレイトレーシング Ray Tracing)である。これは発明者の知識によれば最初1968年にArthur Appel: " Some Techniques for Shading Maschine Renderings of Solids", Proceedings of "AFIPS 1968 Spring Joint Computer Conference", Volume 32, Page 37-45によって発表され、それ以来多数の研究者によって発展してきた。
・1つ又は複数のオブジェクト、この又はこれらのオブジェクトのジオメトリは様々なやり方で明細に指定することができる
1.例えば三角形、球体又は平行6面体のような単純な幾何学的基本物体
2.数学的関数(例えば統合又は共通分(intersection))により合成される基本 物体
3.数学的関数により記述される物体、例えばスプライン面
4.データセットによって記述される物体、例えば核スピントモグラフからのデー タ
・例えば、「オブジェクトは青い」、「オブジェクトはガラス製である」、「オブジェクトは鏡面を有する」のようなオブジェクトのマテリアル特性の記述。この場合、マテリアル特性の記述は数値パラメータ又は定義された計算ルールによっても行われる。
・ツリーノード:ツリーにおける各ノードは3次元空間における軸平行な分岐レベルの位置を記述する。
A カメラ光線発生:光線のパケットが発生され、これらの光線はヴァーチャルなカメラから出発して3次元世界のジオメトリと交差される。
B ツリー縦断:光線の空間的配向に応じて3次元世界のジオメトリに対するツリーデータ構造が葉又はプレイスホルダに到達するまでたどられる。このためにツリーノード及びプレイスホルダがメモリから読み出され、計算が実施される。プレイスホルダに到達した場合には、代替オブジェクトの相応の指示シーケンスが実行される。この場合、プレイスホルダはオブジェクトによって代替される。このオブジェクトは複雑でもよい。この場合には2つの選択肢が使用できる。まず最初に指示シーケンスが完全に実行され、次いでツリーの新しい構造に相応して本発明の方法が継続されるか、又は、指示シーケンスが非同期で実行され、本発明の方法が直接プレイスホルダの代理によって継続され、代替オブジェクトの指示シーケンスが完全に処理された場合にこの処理の結果によって代替される。
http://graphics.cs.uni-
sb.de/Publications/2001/InteractiveRenderingWithCoherentRayTracing.pdf に記述されているように、個々の光線が光線のパケットにまとめられる。
・RGS:作業ステップA,F及びGのための複数の機能ユニットを含み、これらをサブユニットのマネジメントのためのユニットの分だけ拡張する、
マスタ:スレーブ機能ユニットの作業を調整する、
スレーブ:作業ステップA,F及びGのためのユニットを含む、
MemInt:外部メモリへのスレーブユニットのアクセスを調整する、
・RTC:作業ステップB、C、D及びEのための複数の機能ユニットを含む、
トラヴァーサル(traversal):作業ステップB及びEを含む機能ユニット、
リスト:作業ステップCのための機能ユニット、
インターセクション:作業ステップDのための機能ユニット、
・RTC−MI:外部メモリユニットへのRTCユニットの全てのアクセスを調整及び制御する、
T−SR:Tキャッシュへのトラヴァーサルユニットのアクセスを調整する、
Tキャッシュ:前のトラヴァーサルアクセスに関して記録をつくり、前の結果を再利用することによって、新たなアクセスを回避しようとする、
L−SR:Lキャッシュへのリストユニットのアクセスを調整する、
Lキャッシュ:リストアクセスにおけるTキャッシュと類似のもの、
I−SR:Iキャッシュへのインターセクションユニットのアクセスを調整する、
Iキャッシュ:インターセクションアクセスにおけるTキャッシュと類似のもの、
M−SR:外部メモリへのキャッシュユニットのアクセスを調整する、
MemCtrl:アクセス権限のある外部メモリへのアクセスを転送する。
図1はレイトレーシング方法の基礎を明確に示すための例であり、
図2はレイトレーシング方法の実施のための例であり、
図3は概念的定義を明確に示すための図示であり、
図4はプレイスホルダの使用を説明するための図示であり、
図5はジオメトリ変更指示シーケンスの例であり、
図6は四角形、三角形及び円から成る簡単な世界のツリー構造であり、
図7は装置における機能グループの図示である。
光線R1は分岐レベルN1と比較される。この場合、この光線が分岐レベルを左から右へと横切ることが検出され、すなわちまず最初に左半分、そしてその後で世界の右半分を検査する。右半分も場合によっては重要でありうることは記憶されているが、もちろん左半分における評価から開始して辺E1を介してそこでノードN2による計算が続行される。この場合、光線に対して2つのオブジェクト、すなわち三角形及び円を含む葉V1を有する半分だけが重要であることが検出される。今や、光線R1はこれらのオブジェクトと交差され、この場合この光線がこれらのオブジェクトのどちらにも当たらないことが検出される。それゆえ、上記の記憶に従って、予め書き留められたN1の右半分が継続される。辺E2を介してノードN3による評価が続行される。光線R1はまず最初に左半分に入り、次に右半分に入る。左半分では葉V2はオブジェクトを含まず、この結果、光線R1はオブジェクトとは交差される必要はない。その代わりに、予め書き留められた右半分による評価が行われる。ここには葉V3が存在し、この葉V3はスターを含む。R1とスターとの交差は交点を供給し、これによってR1に対する計算が終了される。
図6には四角形、円及び三角形を有する簡単な世界が図示されている。必要な光線・オブジェクト交差の量を限定するためにここでもツリー構造が発生されるべきである。この場合、1つのオブジェクトを2つの半分に分割しないようなこの世界を左半分及び右半分に分割する分岐レベルが決定できないことは明白である。この例ではレベルは世界を四角形を有する半分と円を有する半分に分割し、この場合、三角形が2つの半分に分割される。別の側面からみれば、ここではこの分割を遂行したほうがよいことも明白となる。すなわち、この世界の左半分だけ又は右半分だけを縦断する光線は4つのオブジェクトだけと交差し、これに対してこの世界が分割されない場合には7個のオブジェクト・光線交差を計算しなくてはならない。葉にオブジェクト自体が格納されるならば、左側の葉に全ての四角形及び三角形が、右側の葉には全ての円と三角形が格納されなければならない。よって、三角形を2回格納しなければならない。これに対して葉におけるオブジェクトに対するリファレンスのみを格納する場合には、単純に左及び右の葉がこの三角形をリファレンシングし、この三角形のデータが一度だけメモリに格納される。
N1〜N3 ノード
V1〜V3 葉
E1〜E6 辺
UI ヴァーチャルカメラに対するパラメータ
RAM メモリモジュール
FB 固有メモリ
CAM ヴァーチャルカメラ
O1〜O4 オブジェクト
P1〜P3 地点
LS 光源
L1〜L3 光線
P1 プレイスホルダ
P、P’、P” 頂点
A 建物
B プレイスホルダ、建物
Claims (6)
- 3次元世界の2次元写像の決定のための方法であって、
2次元写像は少なくとも幾何学的な記述、3次元世界の空間的分割のためのツリー構造及びこの世界の全てのオブジェクトのマテリアル特性によって明細に指定されている、3次元世界の2次元写像の決定のための方法において、
レイトレーシング方法が使用され、複数の光線が離散光線のパケットにまとめられ、データ構造の離散光線の各パケットとの関連付けが実施され、各光線へのデータ構造の状態に適した割り当てが格納され、パケットに割り当てられたデータ構造において状態に適した割り当てが格納されている場合にはパケットに対して操作を実行する作業ステップにおいてこの操作がパケットの各光線に実施されることによって、以下に記述される複数の離散光線のこのパケット乃至はこれらのパケット全てが使用され、当該光線はこの操作に関与し、光線の個々のパケットに対して次々と処理される以下のような作業ステップにレイトレーシング方法が区分けされ、これらの作業ステップとはすなわち、
A カメラ光線発生:光線のパケットが発生され、これらの光線はヴァーチャルなカメラから出発して3次元世界のジオメトリと交差され、
B ツリー縦断:光線の空間的配向に相応して3次元世界のジオメトリに対するツリーデータ構造が葉又はプレイスホルダに到達するまでたどられ、この途中でツリーノード及びプレイスホルダがメモリから読み出され、計算が実施され、プレイスホルダに到達した場合には、このプレイスホルダがオブジェクトによって代替されることよって代替オブジェクトの相応の指示シーケンスが行われ、このオブジェクトは複雑でもよく、プレイスホルダの存在する場合には2つの選択肢が使用でき、すなわち、
・まず最初に指示シーケンスが完全に実行され、次いでツリーの新しい構造に相応して前記方法が継続されるか、又は、
・指示シーケンスが非同期で実行され、前記方法が直接プレイスホルダの代理によって継続され、代替オブジェクトの指示シーケンスが完全に処理された場合にこの処理の結果によって代替され、
C 葉の読み込み:メモリからこの葉の中に存在するオブジェクト及びプレイスホルダの全てのリファレンスが読み込まれ、場合によっては実行され、
D 全てのオブジェクトとの交差:作業ステップCで明細に指定された全てのオブジェクトが読み込まれ、光線のパケットと交差され、変換がオブジェクトに対して明細に指定されている場合にはこのオブジェクトとの交差の計算の前にこの変換が適用され、ジオメトリ変更指示シーケンスがオブジェクトに対して明細に指定されている場合にはこのオブジェクトとの交差の計算の前にジオメトリ変更指示シーケンスが適用され、交差されるべきオブジェクトが縦断されなければならない独自のツリー構造を有する複雑なオブジェクトである場合には作業ステップB〜Fがこの複雑なオブジェクトに適応されて実行されることによってこの交差されるべきオブジェクトと交差され、
E 交差評価:光線のパケットに対して有効な交点が存在するかどうかが検査され、まだ十分な量の有効な交点がもとめられなかった場合には、以前の結果を使用して作業ステップBを継続することによって光線交差において問題となるツリーのまだ検査されていないエレメントに対して可能な光線交差がもとめられ、十分な量の光線交差がもとめられた場合にはステップFの実行に移り、
F オブジェクト特性の決定:前の作業ステップの結果の評価において、有効な交点がある場合にはこれらの有効な交点を計算するために使用したオブジェクトのデータがメモリから読み出され、計算の結果がステップGに流れ込み、相応の結果において値がメモリに新たに計算され、光線と交差した1つ又は複数のオブジェクトに対してマテリアル変更指示シーケンスが明細に指定されており、このオブジェクトのマテリアル特性が作業ステップF又はGにおいて重要である場合には、これらの指示シーケンスが作業ステップFの計算の前に実行され、
G 後続光線発生:ステップFにおいて1つ又は複数の更なる光線が3次元世界のジオメトリと交差されなければならないことが計算されたならば、このステップにおいて光線の相応のパケットがもとめられ、前記方法の経過が作業ステップBにおいて改めて開始され、さもなければ、2次元写像の形成のためにさらに別のカメラ光線が発生されなければならない場合には再びステップAから開始される
ことを特徴とする、3次元世界の2次元写像の決定のための方法。 - 作業ステップGで発生される光線は更に別の作業ステップによって新たなパケットにまとめられ、全ての新しく発生された光線が集められ、ソートされ、離散光線の新しいパケットに統合されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- それぞれ光線のパケットがスレッドとして見なされることによって、マルチスレッディング方法が使用されることを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。
- 3次元世界のデータの量は、1つの時点にこれらのデータのうちの一部分だけがメモリに保持されるように管理されることを特徴とする請求項1〜3のうちの1項記載の方法。
- 個々の作業ステップは独立した機能グループによって表されることを特徴とする、請求項1〜4のうちの1項記載の方法を実施するための装置。
- 以下のような作業ステップが機能グループにまとめられる、すなわち、
・RGS:作業ステップA,F及びGのための複数の機能ユニットを含み、これらをサブユニットのマネジメントのためのユニットの分だけ拡張する、
マスタ:スレーブ機能ユニットの作業を調整する、
スレーブ:作業ステップA,F及びGのためのユニットを含む、
MemInt:外部メモリへのスレーブユニットのアクセスを調整する、
・RTC:作業ステップB、C、D及びEのための複数の機能ユニットを含む、
トラヴァーサル:作業ステップB及びEを含む機能ユニット、
リスト:作業ステップCのための機能ユニット、
インターセクション:作業ステップDのための機能ユニット、
・RTC−MI:外部メモリユニットへのRTCユニットの全てのアクセスを調整及び制御する、
T−SR:Tキャッシュへのトラヴァーサルユニットのアクセスを調整する、
Tキャッシュ:前のトラヴァーサルアクセスに関して記録をつくり、前の結果を再利用することによって、新たなアクセスを回避しようとする、
L−SR:Lキャッシュへのリストユニットのアクセスを調整する、
Lキャッシュ:リストアクセスにおけるTキャッシュと類似のもの、
I−SR:Iキャッシュへのインターセクションユニットのアクセスを調整する、
Iキャッシュ:インターセクションアクセスにおけるTキャッシュと類似のもの、
M−SR:外部メモリへのキャッシュユニットのアクセスを調整する、
MemCtrl:アクセス権限のある外部メモリへのアクセスを転送する
ことを特徴とする請求項1〜4のうちの1項記載の方法を実施するための装置。
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