JP4479003B2 - 画像処理 - Google Patents

Description

本発明は３次元空間に発光体のモデルを表示するための画像処理に関するものであり、特に発光体からの放射光やフレアの表現をよりリアルに行うことを可能にした画像処理技術に関するものである。

この種の関連技術として、例えば、３,４１５,４１６号公報に記載のゲーム装置が存在する。このゲーム装置は、三次元仮想空間で視点を移動して視野に入った場面を画像として表示するゲーム装置であって、前記視点の視野内に光源が存在するときに、前記画像にフレアを形成するためのフレア処理手段を含み、前記フレア処理手段は、前記視点の視線方向を表す視線ベクトルを得る視線ベクトル生成手段と、前記視点から光源の方向を表す光線ベクトルを得る手段と、前記視線ベクトルと前記光線ベクトルとの内積を計算する内積計算手段と、前記画像に前記内積に応じた強度のフレアを形成するフレア形成手段と、を含むことを特徴とするものであり、 三次元仮想空間内に仮想光源が存在するときに、光源の光線がカメラに向っていると、カメラレンズへの光線入射によるフレアを画面に発生させて、逆光の状態に応じたまぶしい画面をつくることができるようにしている。

従来この種の画像処理装置においては、コンピュータによって定義される３次元座標に太陽などの発光体の二次元モデルを定義し、これに太陽の中心映像やこれから放射される拡散光の絵を貼り付ける事が行われていた。物陰から太陽が露出した場合に見られる、発光体からの放射光が拡散する様子を、２次元の発光体モデルを線形に拡大することによって表現していたが、これでは発光体の中心の映像(円形の光源)も拡大されてしまい、中心像の鮮明度が低下するとともに、発光体の大きさが点から丸のように変化してしまい、発光体モデルの見た目の品質が低下するという問題がある。発光体から放射される拡散光の鮮明度が低下してもさほど影響は無いが、発光体自体（太陽、電球など）の鮮明さの低下は極力解消することが望ましい。

そこで、本発明は、３次元仮想空間上の発光体モデルを拡大しても、このような画像劣化のおそれが無いようにした画像処理技術を提供することを目的とするものである。

以上説明したように、本発明によれば、仮想三次元空間内に配置された画像モデルを、前記仮想三次元空間内に設定された視点の視点座標系における透視投影面上に透視投影して得られる二次元画像を生成する画像処理方法であって、前記仮想三次元空間に配置される発光体を、発光源座標から前記投影面に向かった方向に距離成分（大きさ、長さ、幅）を持ち、かつ、前記投影面側において前記方向に対して交差する方向に拡がった形状を持ったモデルによって構成し、当該オブジェクトに前記発光体の中心像とこれから放出される拡散光像とを描くように構成した。

本発明によれば、前記モデルが既述にように構成されているために、発光体モデルを拡大する場合には、前記モデルの視点から投影面側の終点までの大きさを増大させることにより、当該モデルの中心付近に配置された中心像をさほど拡大させず、中心像から放射される拡散光を拡大させることができる。したがって、よりリアルな発光体の像を形成することができる。

図１は本発明が適用されるゲーム装置のブロック構成を示すものである。ゲーム装置１００は、ゲームプログラムやデータ（映像・音楽データも含む）が格納されたプログラムデータ記憶装置または記憶媒体（光ディスクおよび光ディスクドライブ等も含む）１０１と、ゲームプログラムの実行や全体システムの制御および画像表示のための座標計算等を行うＣＰＵ１０２と、ＣＰＵ１０２が処理を行うのに必要なプログラムやデータが格納されるシステムメモリ１０３と、ゲーム装置１００を起動するときに必要なプログラムやデータが格納されているＢＯＯＴＲＯＭ１０４と、ゲーム装置１００の各ブロックや外部に接続される機器とのプログラムやデータの流れを制御するバスアービタ１０５とを備え、これらはバスにそれぞれ接続されている。

バスにはレンダリングプロセッサ１０６が接続され、プログラムデータ記憶装置または記憶媒体１０１から読み出した映像（ムービ）データや、遊戯者の操作やゲーム進行に応じたて生成すべき画像は、レンダリングプロセッサ１０６によってディスプレィモニタ１１０に表示される。レンダリングプロセッサ１０６が画像生成を行うのに必要なグラフィックデータ等はグラフィックメモリ（フレームバッファ）１０７に格納されている。

バスにはサウンドプロセッサ１０８が接続され、プログラムデータ記憶装置または記憶媒体１０１から読み出した音楽データや、遊戯者の操作やゲーム進行に応じて生成すべき効果音や音声は、サウンドプロセッサ１０８によってスピーカ１１１から出力される。サウンドプロセッサ１０８が効果音や音声を生成するために必要なサウンドデータ等はサウンドメモリ１０９に格納される。

ゲーム装置１００にはモデム１１２が接続され、ＬＡＮアダプタや通を通じて、他のゲーム装置１００やネットワークサーバと通信を行い得る。さらにゲーム装置１００にはゲームの途中経過の情報やモデムを通じて入出力されるプログラムデータを記録しておくバックアップメモリ１１３（ディスク記憶媒体や記憶装置も含まれる）と、操作者の操作に従ってゲーム装置１００および外部に接続される機器を制御するための情報をゲーム装置１００に入力するコントローラ１１４が接続されている。ＣＰＵとレンダリングプロセッセによって画像演算処理ユニットが構成される。ＣＰＵはゲームプログラムやゲームデータに基づいて後述する画像処理を実行する。

図２は図１のゲーム装置のＣＰＵによって、コンピュータハードウエア資源に構築される仮想空間において、発光体(太陽)のモデルを定義し、このモデルが多角錐型のモデルによって構成された状態を示す図であり、このモデルを斜め方向から表現している。符号１０はこのモデルは、複数のポリゴン１１が組み立てられた多角錐形状から構成されている。符号１６はこのモデルの始点(先端)であり、ここを光源の位置座標としている。符号１８はこのモデルの終点（終端、末端）である。符号１２は仮想空間に定義されたカメラ視点であり、図３に示すように、視点の視点座標系における透視投影面上に透視投影して、発光体モデルの二次元画像が表示される。図２において、符号１８Ａで示される短冊状のモデル(フレアモデル)には、図６に示すようにフレア像のテクスチャ１９が貼り付けられる。図６はフレアモデルの投影像を示している。

図２において、符号１４は投影面であり、この投影面は視点から光源座標に向かった視方向２０に対して直角に位置している。発光体のモデルは、視方向２０に対して径が拡がった形態を呈しており、その径は始点から終点に向かって放射状に拡大されている。図２の角錐モデルの内集面に発光体の絵(テクスチャ)を貼り付けられている。このテクスチャは、中心像と中心像から放射状に拡散する拡散光から構成される。図４は、このテクスチャの構造を示し、符号３０は太陽自体すなわち熱源であり、符号３２は拡散光である。３１はフレア像を示している。図４のテクスチャ４００が図５に示すように、図３の角錐モデル１０の内周面に貼り付けられる。モデル１０に臨む始点１２によって透視変換された、二次元投影像では、符号４０２の矢印で示される範囲に熱源に相当する中心像が示され、符号４０４で示される範囲に拡散光が示される。

図２に示す発光体のモデルは、光源の位置座標(始点)１６から投影面１４に向けて、即ち、視方向２０に距離成分（Z成分）持っており、このＺ成分の値は発光体モデルの目的とする状態に合わせて変更できるようになっている。図７は、モデル１０のＺ値が拡大された状態であり、図８はその投影像を示している。図８に示すように、透視変換により、中心像のテクスチャが表示される４０２の領域(図３、５参照)は、Ｚ値の拡大前の図３の４０２の領域とほぼ同じサイズであってあまり拡大されず、その領域の解像度が維持されるのに対して、拡散光が表現される周辺部４０４は高速に拡大される。この時投影面いっぱいに拡散光が描画されるために、例えば、視点１２が移動して物陰から太陽が急に露出した状態など太陽からの急で強い拡散光の出現を再現する場合に、図７及び８に示す処理が採用される。一方、例えば、太陽の露出度が小さい場合や曇天のように太陽からの拡散光が弱い状態を再現する場合には、図７に比較して図２のようにモデル１０のＺ値が小さく設定される。この状態では、図３に示すように、図８と比較して太陽の投影像の投影面における割合は小さく表現される。

前記フレアモデル１８Ａ(図２)は、発光体モデルの一部を成すものであり、既述のように短冊状に限らず、角錐型になっても良い。なお、フレアは拡散光の全周に渡って形成されるのではなく、所定の方向に表示できるようにすれば十分であるので、既述のようにフレアモデルを短冊状に形成した。フレアモデルのＺ値も発光体の本体モデル１０と同様に、変更可能である。このフレアを置く目的は、発光体が障害物から露出し始めた場合や、障害物に隠れ始めた場合に、フレア像を表現して演出効果高めるためである。

発光体モデル１０やフレアモデル１８ＡのＺ値は、発光体の露出度によって調整されることになる。図９は太陽５０が山(障害物)５２に隠れている状態を示しており、図１０は太陽５０がビル５４に隠れている状態を示している。隠れ度（特許請求の範囲に記載の「食分」に相当する。）（ｒ）は、太陽５０に対して定義された複数の参照点５３が障害物によってどの程度隠れているかによって決められる。

図９の例では、１７個の参照点のうち４個が障害物によって隠れているためにｒ＝４／１７となり、図１０の例では１０個の参照点が隠れているためにＲ＝１０／１７となる。太陽の位置は、次のようにして定まる。３次元座標空間における太陽の方向はほぼ決まっているために、投影面上の太陽の２次元位置が決まる。同時に投影面上の障害物の位置も決まっている。図９及び図１０のように、太陽の参照点の位置も決まり、この参照点５３のＺバッファ値と障害物５２のＺバッファ値を比較し、障害物に隠れた参照点の数をカウントする。

前記発光体の錐型モデルの視方向の大きさであるＺ値と隠れ度は関連したパラメータとし、図２のモデルでは、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標値の比が〔1,1、（1-ｒ）²〕で定義され、Ｚ値とｒとの関係が図１１に示す特性（Ｚ＝ａ・（1/ｒ））によって定義される。したがって、隠れ度が大きいほどＺ値が小さくなる。Ｚ値が小さくなると、図３に示すように、画面上の太陽の見え方(拡散光の描画範囲)は小さいものとなる。反対に、隠れ度が小さくなると、Ｚ値は大きくなり、太陽の拡散光の描画範囲は大きくなる。隠れ度が大きい場合には、光源からの拡散光自体も薄く表現されなければならないために、透明度のパラメータを採用する。すなわち、隠れ度が大きいほど発光体の透明度を上げるようにしている。図１２は透明度ａとｒの関係がａ＝ｒの関係にあることを示している。隠れ度が小さいほど発光体の透明度を下げ、発光体が濃く描画されることを示している。

レンズフレアモデル（図２の１８Ａ）についてもｒに応じてＺ値や透明度を変化させることが適用されるが、図１３に示すように、Ｚ値は基準サイズの４−５倍の範囲で変化し、隠れ度ｒが大きくなるにしたがって、図１４に示すように、フレアモデルモデルがＺ方向に伸びる。透明度は図１５のようにｒ＝０．５を境に段階的に変化する。ｒが増大すると透明度が下がり（０にならなくても良い）、更にｒが増大すると透明度が上がる」ことが重要であるので、必ずしも０．５でなくても良い。）
これは、太陽が障害物に出たり入ったりする瞬間にフレアモデルが描画される。フレアモデルでは、Ｘ，Ｙ，Ｚの座標比が〔１，１、ｒ＋４〕、ａ＝２｜０．５−ｒ｜で定義される。図２に示すように、フレアモデル１８Ａは発光体モデル１０より突出し、発光体の拡散光に対して強調されて描画される。

図１６は、既述のＣＰＵがゲームプログラムを実行することによって実行される画像処理動作を示すブロック図である。ステップ１６Ａでは、図９，１０に示すように、隠れ度ｒを演算する。ステップ１６Ｂでは、発光体モデルについてＺ値と透明度の演算を行う。ステップ１６Ｃでは、フレアモデルについてＺ値と透明度の演算を行う。ステップ１６Ｄでは、発光体モデル及びフレアモデルの描画を行う。

今、視点が移動して、発光体が障害物から徐々に露出し、露出の度合いが進むにしたがって、図３から図８に変化、すなわち、拡散光の画面上のサイズが大きくなる。太陽が５０％露出する瞬間に図１５に示すように、鮮明なフレア像が描画される。さらに太陽が露出する過程で拡散光のサイズは増えるが、フレア像は徐々に消失していく。

以上説明したように、本実施形態では、既述の錐型モデルを発光体に適応する旨説明してきたが、これに限らず、発光体以外の、中心部が拡大されなく、その周辺部が拡大されるべきオブジェクトにも既述の錐型モデルを適用することができる。

本発明によれば、レンズフレア一つ一つの位置・光源計算を行わず、錐型のオブジェクトを利用して太陽（発光体）とレンズフレアを表現することができる。太陽が視野に入った瞬間に円錐を縮めて明るく表示し、そこから円錐を伸ばして透明にして明るさを下げていく。視点の移動に応じて、錐型モデルをＺ方向を軸にして回転させても良い。これによりよりリアルのレンズフレアが表現できる。複数のレンズフレアの表現が一つのオブジェクトによって再現できるために、ＣＰＵに対する計算負荷が少ない。

本発明に係わる画像処理が適用されるゲーム機のハードウエアブロック図である。 ３次元仮想空間に定義された発光体モデルを複数のポリゴンから構成した錐型モデルによって形成した状態を示す図である。 図２のモデルの投影変換像である。 発光体を示す図である。 錐型モデル内周面に発光体のテクスチャを貼り付けた状態を示す、当該発光体モデルの側面図である。 フレアのモデルを説明する、当該フレアモデルの斜視図である。 仮想３次元座標系において、発光体モデルのサイズが拡大された状態を示す当該発光体モデルの斜視図である。 図７の投影像である。 太陽モデルが遮蔽物によって覆われた状態を示す図である。 その第２の状態を示す図である。 太陽モデルが遮蔽物によって覆われる度合い（食分）ｒと発光体モデルのＺ方向のサイズ(Ｚ)との関係を示す図である。 ｒ値と発光体モデルの透明度（ａ）との関係を示す特性図である。 フレアモデルのｒ値とＺ値との関係を示す特性図。 フレアモデルのｚ値が拡大された状態に係わる、当該フレアモデルの斜視図。 フレアモデルのｒ値と透明度（ａ）との関係を示す特性図である。 ゲーム装置の動作フローチャートである。

Claims (3)

1. 仮想三次元空間内に配置された画像モデルを、前記仮想三次元空間内に設定された視点の視点座標系における透視投影面上に透視投影して得られる二次元画像を画像処理回路により生成する画像処理方法であって、
   前記画像処理回路は、
   前記仮想三次元空間に配置される発光体を、発光源座標から前記投影面に向かった方向に距離成分を持ち、かつ、前記投影面側において前記方向に放射状に拡がる形状を形作る面からなるモデルによって構成し、
   当該オブジェクトに前記発光体の中心像とこれから放出される拡散光像とを描くようにし、
   前記発光体が、前記視点側に位置する障害物により、隠れる割合を示す食分に応じて、前記モデルの始点より終点までの距離を変化させるようにした画像処理方法。
2. 前記画像処理回路は、前記食分に応じて、前記オブジェクトの透明度を変化させてなる請求項１記載の画像処理方法。
3. 請求項１記載の画像処理の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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