JP4664402B2 - 適応的サンプル距離フィールド生成方法及びその装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明によるコンピュータ化されたモデリングシステム100を示す。本モデリングシステムは、基礎として、エンタテイメント業界により使用されるためにアニメーション化することができるデジタル化モデルを表現するために、適応的にサンプリングされる距離フィールド(adaptively sampled distance field(ADF))10を使用する。ADFの基本データ構造は、引用をもって開示内容がすべて本明細書内に援用されたものとする、1999年8月6日付でFrisken他によって出願された、米国特許出願第09/370,091号「Detail-Directed Distance Fields」において述べられている。ADF10は、デジタル化モデルを表現するために使用される。それらはまた、モデルに対して作用するコンピュータ実現ツールを表現するためにも使用することができる。なお、それらツールは、マテリアルを追加することも削除することも可能であることに留意すべきである。
入力データ102は、BDTジェネレータ103に対する3次元(3D)モデルまたはレンジデータ131および生成パラメータ132と、エディタ104に対する編集パラメータ141と、エディタ104に対するツールパス142と、レンダラ105に対するレンダパラメータ151と、コンバータ106に対する変換パラメータ161と、を含む。BDTジェネレータ103は、キャッシュ133に格納される制限付き距離ツリー800に対して作用する。また、レンダラ105は、適応的レイキャスティングによって生成される画像タイル152を表現する中間データ構造に作用する。エディタ104およびアイドルプロセッサ110は、ツールパス142の中間段階を表現するスクリプト112に作用する。レンダラ105、コンバータ106および点ジェネレータ107は、レンダリングエンジン111によって処理される画像、点および三角形114に作用し、コンバータ106は、ADF10から三角形115を生成する。
入力データ102は、ユーザによりユーザインタフェース101を用いて指定される。ユーザは、BDTジェネレータ103に対するパラメータ132と、エディタ104に対するパラメータ141と、レンダラ104に対するパラメータ151と、コンバータ106に対するパラメータ161と、を設定する。また、ユーザは、システム100によって処理される3Dモデルまたはレンジデータと、ADF10に対する編集と、ADFが三角形115にいかにしておよびいつ変換されるかと、を選択する。
システム100の動作中、ユーザは、球およびボックス等の標準オブジェクト形状に対するCSG演算を使用して初期モデルを生成することにより開始するか、または標準3DモデルまたはレンジデータをADFに変換することにより開始することができる。そして、ユーザは、エディタおよび選択可能スカルプティングツールを使用してモデルをスカルプティングすることにより続行する。
システム100は、当業者には周知である、ファイル操作、動作アンドゥ、選択、形状平滑化、ナビゲーションおよびライティング(lighting)制御に対する対話式ソフトウェアを含む。本明細書では、説明は、ADF10の特性を活かすボリュメトリックデータと対話する本システムの一意の方法に焦点を当てる。
図2に示すように、システム100は、適応的サンプル距離フィールド10のいずれかの点202からモデル200のサーフェス204の最近傍点203までの距離値と方向201とを算出することができる。システム100は、この情報を使用して、入力手段、例えばマウスまたは距離関数によって操作される可能性のある、スカルプティングツール210のパス205および向きを案内する。システムは、ツールを、オブジェクトのサーフェスに追従させる。それはまた、任意に、モデルのサーフェス204に対して垂直であるツール210の主軸211方向付けることも可能である。オブジェクトはADFによって表され、ツールはADFまたは距離関数によって表されるため、サーフェスとツールとの間の距離と、サーフェスの向き、すなわちオブジェクトの距離フィールドの勾配の方向と、ツールの主軸と、を算出することが可能である。
スカルプティングは、ツールのパスに沿った別個の編集のセットにより達成することができる。しかしながら、図3aないし図3cに示すように、この手法は、非効率であってエラーをもたらす可能性があり、低速なツール移動の場合の冗長オーバラップ編集(図3a)と高速なツール移動の場合の断続編集(図3b)とをもたらす。ツールの形状が軸的に非対称である場合、ツールがツールのパスに対して斜めである時(図3c)編集は断続的で位置がずれる可能性がある。
利点として、システム100は、後の処理のために編集中にスクリプト112に編集パスを記録する。スクリプトされたパスは、3つの重要な特徴を提供する。第1に、対話速度を達成するために、編集解像度とADFに対するツールの影響の範囲とを制限することができる。これが起こる場合、スクリプトされた編集パスは、より高い解像度での編集の遅延評価のため、およびアイドル時間処理中にADFに向けてツールの影響の範囲をさらに増大するために、使用される。第2に、スクリプトされたパスは、編集セッションの履歴を提供し、モデルが異なるメモリおよび処理パワーを有するシステムにおいて再生されることを可能にする。第3に、スクリプトされたパスは、ADFの格納された中間バージョンと結合され、システムが過度に記憶域を使用することなくマルチプルアンドゥを処理することを可能にする。好ましい実施の形態では、スクリプトは、ツールのパスのパラメータを定義するキャラクタストリングまたはバイナリデータの形態である。
システム100は、ツールの形状およびその機能(追加・削除)が、移動した時間/距離により、またはサーフェス上のその位置に従って、またはツールパスにおける記述に従って、変化することを可能にする。記述は、時間、距離、勾配、サーフェス複雑性およびセルジオメトリ等の多数のパラメータに基づいて形状と機能とを共に変更する手順とすることができる。
図4に示すように、ADF10がモデルのサーフェスから空間のいかなる点までの距離を表すため、システム100は、強化されたモデリングインタフェースを提供することができる。ツールは、オフセットサーフェス220に沿って移動するように制約されることが可能である。このため、システムは、ツールに対し、オリジナルサーフェスからの指定された深さ(内部オフセットサーフェス)または高さ(外部オフセットサーフェス)においてマテリアルを削除または追加させることができる。オフセットサーフェス上にツールを維持するための計算は、上述したように真のサーフェス上にツールを維持する程度に簡単である。
距離ベース制約は、多くのアプリケーションにおいて有用である。Lelerにより「Constraint programming languages, their specification and generation」、Addison-Wesley Publishing Company, 1988において定義されるように、制約は、2つ以上のオブジェクト間の所望の関係である。工業デザインは、しばしば、制約指向であると考えられる。設計の制約は、通常、可能な解決法の範囲における制限を示す。
図5は、システム100の距離ベースの制約を実現する手順500を示す。手順500に対する入力データは、モデル、ツール、マスクおよび/またはフォースフィールドのADF10と、制約501、例えばサーフェスからの所望の距離と、ツールの向きおよび位置のパラメータ502、例えばツールの主軸およびサーフェスとの所望の角度と、を含む。モデル、ツールおよび制約は、表示装置において入力装置503、例えばマウスにより操作される。
デジタルスカルプティングはデジタルモデル設計に対しパワフルで柔軟な手段を提供するが、制御頂点操作に利点がある場合もある。例えば、キャラクタの頬を膨らませるかまたは頬に皺を寄せるためには、スカルプティングツールを用いてマテリアルを追加または削除することにより頬の形状を変更するよりも、制御頂点のセットを編集する方が容易である可能性がある。
Frisken他は、ADFを生成する2つの方法を概説している。ボトムアップ方法は、完全に占められた(fully populated)八分木を生成し、セルの8つの子によって表される距離フィールドがセルのサンプリングされた距離値によって適切に近似される場合にセルを上方に合体させる。トップダウン方法は、モデルの距離関数から計算された距離を複数のテスト点におけるセルのサンプリングされた距離値から再構成される距離と比較する属性(predicate)テストをパスしないセルを、再帰的に細分する。
図8ないし図11に示すBDT生成方法は、通常、サーフェスセルを細分割するのみである。このサーフェス限定生成は、サーフェスセルにおける距離フィールドの正確な表現を確実にしながらメモリ要求を低減する。これは、サーフェスに隣接する領域を処理するためには十分である。
本システムでは、スカルプティングは、局所的編集プロセスを使用してADF10に対して実行される。Frisken他によって述べられているような従来技術によるADF処理技術と比較して、本発明によるBDTの使用により、20(factor of 20)だけ編集時間を縮小し、2(factor of 2)だけセルおよび距離値に対するメモリ要求を低減する。これら進歩により、デスクトップおよび携帯型コンピュータシステムにおいて高詳細スカルプティングの実行が可能になる。
上述したように、ADF10は、モデルおよびツール距離フィールドに対しCSG演算を施すことによってスカルプティングされる。例えば、Frisken他による正・内部および負・外部の符号付き距離値の変換に続いて、差分スカルプティングツールの場合の点pにおけるスカルプティングされた距離は、dist(p)=min(distmodel(p),−disttool(p))として表すことができ、加算ツールの場合のpにおけるスカルプティングされた距離は、dist(p)=max(distmodel(p)、disttool(p))である。min/max演算子を使用することにより、図12aおよび図12bに示すように、ADFのスカルプティングされたサーフェスから遠隔の点において、ADF10の不正確な距離値がもたらされる可能性がある。
各セルコーナ頂点を「自由(free)」または「固定(fixed)」としてマークする。本発明の1つの実施の形態では、コーナは、隣接するサーフェスセルと共有されるコーナである場合にのみ固定であり、そうでない場合は自由である。本発明の他の実施の形態では、コーナは、隣接するサーフェスセルかまたは処理済みセルと共有されるコーナである場合には固定であり、そうでない場合は自由である。そして、各コーナに関連する付加された距離値の数を確定する。付加された距離値は、それがあるコーナに接続されたエッジ上にある場合はそのコーナと関連し、コーナとエッジの中間点との間のいずれかにある。次に、関連する距離の最大数を有するコーナCを確定する。そして、セルを指定された解像度で一様にサンプリングされたグリッドに分割する。好ましい実施の形態では、グリッドを表現するために要求されるメモリは、CPUのキャッシュに適合し、それによりパフォーマンスが最大化される。最後に、コーナCから伝搬されセルの自由コーナのみを訂正するレギュラグリッドに対しユークリッド距離変換を実行する。Cuisenaireによる「Ditance Transformations: Fast Algorithms and Applications to Medical Image Processing」, Ph.D.thesis、Universite Catholique de Louvain, 1999を参照のこと。
各自由コーナに対し最近傍の新たに付加された距離Dを算出する。そして、各自由コーナCに対し、最近傍の新たに付加された距離Dに対するユークリッド距離Nを算出する。Cの距離が距離Dおよび距離Nによって画定される範囲外にある場合、Cの距離をこの範囲に設定する。
方法2と同様に、しかしながら各自由コーナに対して最近傍の新たに付加された距離を使用する代りに、各自由コーナを訂正するために新たに付加された距離のすべてを使用する。
エッジに沿った距離の外挿かまたは距離フィールドを通しての距離の外挿を使用して、すべての自由コーナにおいて訂正された距離を導出するために新たに付加された距離を使用する。
本発明の1つの実施の形態では、ステップ1701は、内部/外部セルをすべて選択する。本発明の他の実施の形態では、ステップ1701は、サーフェスから指定された距離内の内部/外部セルのみを選択する。本発明のさらに他の実施の形態では、ステップ1701は、サーフェスセルに隣接する近傍である内部/外部セルのみを選択する。本発明のさらに他の実施の形態では、ステップ1701は、指定された領域内の内部/外部セルのみを選択し、この場合、その領域は、ユーザからの入力、例えばマウスイベントによって指定される位置によって画定される。いくつかのアプリケーションでは、内部または外部のセルの一方だけが訂正を必要とする。それらの場合、本発明は、ステップ1701を、指定されたセルタイプ、すなわち内部または外部のみを選択するように制限する。
訂正のために内部/外部セルを選択する上に列挙した同様の基準を、いずれの内部/外部セルがBDF生成中に属性(predicate)テストをパスするよう強制されるかの選択に適用することができる。属性テストは、セルの再構成方法が正確に距離フィールドを表すか否かを確定する。Frisken他を参照のこと。本発明の1つの実施の形態では、BDTジェネレータは、内部/外部セルが属性テストをパスすることを要求しない(サーフェス制限生成)。本発明の他の実施の形態では、BDTジェネレータは、サーフェスからの指定された距離内の内部/外部セルに対し属性テストにパスするよう強制する(制限付きサーフェス生成)。本発明のさらに他の実施の形態では、BDTジェネレータは、指定された領域内にある内部/外部セルに対し、その領域がユーザからの入力(例えば、マウスイベントの位置)によって画定される場合に、属性テストをパスするように強制する。
高速グローバルレンダリング
本発明によるシステム100はまた、標準ハードウェアおよびソフトウェア実現レンダリングエンジンと統合され得るように、ADF10を三角形および点モデルに変換する方法も含む。NVIDIA GeForce2等の現行の標準ハードウェアの場合、これら変換方法は、ADFの真に対話的な操作を提供する。三角形の場合、ADFは、多くのコンピュータシステムで利用可能なハードウェア三角形ラスタ化を利用して、OpenGLレンダリングエンジン111を使用してレンダリングすることができる三角形モデルに変換される。ADFを三角形に変換する方法は後述する。
本発明は、システム資源に応じて、スカルプティングされた領域の画像を局所的に更新するために2つの方法を使用する。すなわち、ハードウェアレンダリングによる局所的三角形生成と、ソフトウェアベースレンダリングのための適応的レイキャスティングと、である。点生成は、局所的編集に対しては十分に高速であるが、点モデルは、三角形またはレイキャスティングのように画像の微細なスカルプティングされた詳細を表現しない。従って、点モデルは、高速局所レンダリングには利用されない。
ハードウェアレンダリングに対しADF10が三角形モデルに変換され、ADFと三角形モデルとを共に保持するために十分なメモリがある場合、本システムは、スカルプティング中にこれらモデルを局所的に更新することができる。局所的更新を可能にするために、三角形は、それらが生成されるもとのセルに従ってインデクスされる。セルがスカルプティングによって影響される場合、スカルプティングプロセス中に、進行中に、その関連する三角形は削除され、新たな三角形が生成される。この方法は非常に高速であるが、動的三角形モデルを保持するためのメモリと共に三角形インデクシングのためのセル毎の追加のメモリが必要となる。
システム100は、スカルプティングされたサーフェスの高品質レンダリングのためのレイキャスティングを提供する。この方法がスカルプティング中に使用される場合、画像は、ツールによって影響される領域内で局所的に更新される。
デジタルモデル設計に対し新規なデータ表現を使用するいかなるスカルプティングシステムも、現行のレンダリングパイプラインと統合することができない限り、製作システムに対し無用である。これらパイプラインは、特にアニメーションスタジオにおいて広範囲に亙る可能性がある。そのため、システム100は、三角形モデル、陰関数、CSGモデル、ベジエパッチおよび走査データを含むいくつかの標準タイプの表現からモデルを入力し、三角形モデルを出力する。上記表現のほとんどをADFに変換することは、Frisken他によって述べられている。
走査データを三角形モデルに変換するために利用可能ないくつかの商用システムがある。ADFをシステムに取入れる1つの手法は、走査データを三角形モデルに変換した後、その三角形モデルをADF10に変換する、というものである。しかしながら、経験から、走査データからの変換によってもたらされる三角形モデルはしばしば、問題があり、穴を含み、裏返された三角形であり、サーフェスにオーバラップすることが分かる。その代りに、本システムは、走査データから直接ADF10を生成する。
また、本システム100は、レンダリングと、制御点ベース編集と、現行のアニメーションパイプラインに統合することができる出力モデルへの変換と、のためにADF10を三角形化する新しい方法も提供する。三角形化方法は、ADFの八分木等、適応グリッドでサンプリングされる陰関数から一貫した三角形モデルを位相的に作成する。本方法は非常に高速であり、リアルタイムに三角形モデルを作成することができる。本方法をADFデータ構造と共に使用することにより、後述するようなLODモデルを作成することができる。
第2に、以下の制約を使用して位相的に一貫した「隙間の無い(watertight)メッシュを作成することにより、三角形を形成するように隣接するセルの頂点が接続される。すなわち、
(1)すべての三角形は、共通のエッジを共有する3つの隣接するセルの頂点によって接続され、そのため三角形はセルエッジに関連付けられ、
(2)三角形は、そのエッジが距離フィールドのゼロ交差を有する、すなわちサーフェスがエッジと交差する場合にのみ、エッジに関連付けられる。
第3に、三角形のすべてが形成された後、距離値に等しい単一ステップサイズで、三角形の頂点がセルのサーフェスに向かって、すなわちADF勾配の方向に移動される。
Claims (9)
- 記憶装置に格納された適応的サンプル距離フィールドの1の層で細分割する候補セルを選定する選定工程と、
前記層の所定のレベル深さまで候補セルを細分割したときの細分割セルの情報を配列としてアクセスする記憶装置上の制限付き距離ツリーに前記候補セルの距離値を算出した結果を格納する距離値計算格納工程と、
前記候補セルを再帰的に前記適応的サンプル距離フィールドの細分割セルヘ細分割して前記細分割セルの対応する距離値を計算して前記制限付き距離ツリーに前記距離値を格納することを前記レベル深さまで繰り返す細分割工程と、
前記制限付き距離ツリーに格納された前記細分割セルの前記距離値を前記適応的サンプル距離フィールドの対応するセルに付加して前記適応的サンプル距離フィールドを生成する生成工程と、
前記選定工程、前記格納工程、前記細分割工程及び前記生成工程を終了条件まで繰返す繰返し工程と
を備えた適応的サンプル距離フィールド生成方法。 - 細分割工程の細分割は、細分割セルの距離値が誤差評価値によって当該細分割セルの細分割を終了することを特徴とする請求項1に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- 繰返し工程の終了条件は、全ての細分割セルの細分割が終了して候補セルが無いことであることを特徴とする請求項2に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- 適応的サンプル距離フィールドは、隙間の無い配列データとしてメインメモリに格納され、制限付き距離ツリーの配列としてアクセスできる記憶領域は、前記隙間の無いアレイの記憶領域よりも小さいことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- 制限付き距離ツリーは、距離値の有効性ビットを有し、細分割工程は、前記制限付き距離ツリーに前記距離値を計算すると前記有効性ビットを有効とし、前記有効性ビットの有効の場合には計算を行わないことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- セルのタイプを候補セルと細分割されたセルとに関連付け、前記セルのタイプは、内部、外部およびサーフェスセルを含み、少なくとも前記サーフェスセルに対して細分割工程を実行することを特徴とする請求項1に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- セルのタイプを侯補セルと細分割されたセルとに関連付け、前記セルのタイプは、内部、外部およびサーフェスセルを含み、サーフェスセル、所定の距離内に存在する内部セル及び外部セルに対して細分割工程を実行することを特徴とする請求項1に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- 制限付き距離ツリーは、ハードウェアキャッシュに格納されることを特徴とする請求項1に記載の適応的サンプル距離フィールド生成方法。
- 適応的サンプル距離フィールドを格納する適応的サンプル距離フィールド記憶手段と、
前記適応的サンプル距離フィールドの1の層で細分割する候補セルを選定する選定手段と、
前記層の所定のレベル深さまで候補セルを細分割したときの細分割セルの情報を配列としてアクセスする制限付き距離ツリーを記憶する制限付き距離ツリー記憶手段と、
前記候補セルの距離値を計算し、前記制限付き距離ツリー記憶手段に前記距離値を格納する距離値計算手段と、
前記候補セルを再帰的に前記適応的サンプル距離フィールドの細分割セルヘ細分割し、前記細分割セルについて前記距離値計算手段を実行する細分割手段と、
前記制限付き距離ツリーに格納された前記細分割セルの前記距離値を前記適応的サンプル距離フィールドの対応するセルに付加して前記適応的サンプル距離フィールドを生成する生成手段と、
前記選定手段、前記距離値計算手段、前記細分割手段及び前記生成手段を終了条件まで繰返す繰返し手段と
を備えた適応的サンプル距離フィールド生成装置。
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