JPH02245992A - 図形シェーディング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ＩＩＩ要〕 物体を表現する各図形が仮想的な光源や視点との位置や
向きの関係より、どのような色にて描画されるべきであ
るかを決定する図形シェーディング装置に関し、 色の変化が実際に即した、より自然な陰影付は処理を行
なうことを目的とし、 表示する三次元図形の物体の表面形状を多角形近似部に
より多角形の集合で近似し、該多角形の各々の頂点にお
ける面の向きを表わす法線ベクトルと視点データ及び光
源データとに基づいて色算出部により各頂点の色を偉出
し、その頂点の色より線ヤ福間して多角形内部の色を求
め、算出した該多角形の各頂点及び内部の色に基づいて
表示すべき画像信号を生成する画像信号生成手段とより
なる構成の図形シェーディング装置において、前記色算
出部により算出された多角形の各頂点での色を比較し、
その比較結果が予め設定した値より小なるときはその多
角形の各頂点の色のデータをそのまま萌記画像信号生成
手段へ選択出力し、前記比較結果が前記予め設定した値
より大なるときは、小なる色の差を示す比較結果が得ら
れるまで前記多角形近似部によりその多角形を更に細か
な複数の多角形に分割することを繰り返させるように１
ｌＪｔｌＵする比較部を具備するよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は図形シェーディング装置に係り、特に物体を表
現する各図形が仮想的な光源や視点との位置や向きの関
係より、どのような色にて描画されるべきであるかを決
定する図形シェーディング装置に関する。

図形表示装置、いわゆるグラフィック表示装置において
は、従来より三次元図形を描画する技術が開発されてき
たが、特に近年では単に図形の輪郭を三次元に描画する
だけでなく、周囲の環境の設定による、より写実的な描
画を行なおうとする技術が盛んに提案されている。

その一つの例として、光源を設定し、図形と視点との位
置や向きの関係より図形の色をＳ１算して表示図形に陰
影付けを行なうシェーディング技術がある。このシェー
ディング技術を適用した図形シェーディング装置によれ
ば、光源の方向を向いている部分は明るく、そうでない
部分は暗く表示図形を表示（陰影表示）でき、立体感の
ある表現ｄ可能となる。

〔従来の技術〕

従来の図形シェーディング装置は、まず陰影付けを行な
おうとする図形である物体の形状データから演算を行な
って、その物体の表面形状を多角形の集合で近似する。

多角形の各頂点には、その位置でのもとの曲面の向きを
、第６図にＮ＋。

Ｎ２　、Ｎ３及びＮ４で示す如き法線ベクトルという形
で夫々付加する。

そして、このようにして近似した各多角形の各頂点の色
を第７図に示したライティング５１算の原理に基づいて
算出する（なお、本明細書において「色］とは表示装置
に入力される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の三原色
信号の各々が表わす各々の色をいう。） 第７図において、色計算を行なう頂点Ｐにおける、面の
単位法線ベクトルをＮ、点Ｐから点光源３０へ向かう単
位ベクトルをＬ１点Ｐから視点３１へ向かう単位ベクト
ルをＥとし、また単位ベクトルしとＥの方向を２等分す
る単位ベクトルをＨとすると、これらの各ベクトルに基
づいて公知のベクトルの内積の関数演算によって視点３
１における鏡面反射光の強度（色）を求めることができ
る。

上記の多角形の各頂点の色をこ１算した後は、各頂点の
色を線型補間して多角形の内部の色を演算算出する。こ
のようにして求められた多角形の各頂点及び内部の色の
データは公知の手段で画像信号に変換された後、表示装
置に供給されて表示される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、多角形内部の各点では本来その点での光源や
視点の位置関係により、色が複雑に変化する。いま、第
８図に示すように、破線３３で示した物体表面の一部が
、頂点Ｐ＋　、Ｐｚ　、Ｐ３及びＰ４を有する実線で丞
す多角形（一部）３４で近似され、それに対して光源３
５から光が照射されたものとする。

光源３５がスポットライトをモデルした場合、円筒形の
フラップ３６をシミュレートするため、光軸からある程
度離れた方向には光をカットする。

これにより、従来装置で各頂点Ｐ１〜Ｐ４の色を求め、
更に各頂点間を線型補１コして多角形内部の色を求める
と、得られた色は明るさで表わすと第９図に実線Ｉで示
す如く変化する。

しかし、本来の色の変化は第９図に破線■で示す如く複
雑に変化し、かつ、第８図に示した物体表面３３の点Ｐ
ｓより図中、右側の頂点Ｐ８及びＰ４を含む部分には光
は当たらないはずである。

ところが、従来装置では頂点Ｐ１〜Ｐ４の４点でサンプ
ルした色だけをもとにして、他の部分の色を線型補間し
て算出しているため、第９図に実線■で示す如（本来の
色の変化■に比べてかなり異なったものとなってしまっ
ていた。すなわら、滑らかに変化するはずの頂点Ｐ＋　
、Ｐ２及び点Ｐｓを結ぶ部分の色の変化が直線的に補間
するためにＰ２にて色の変化の不連続が生じ、一方、ス
ポットライトのエツジによるＰｓでの色の急激な変化が
失われている。

また、第１０図に示す如く、多角形４０１〜４０９の集
合で近似される二次元図形の表面に、破線■で示す楕円
部分に光が照射されたものとすると、従来装置では多角
形の各頂点間を線型補間しているために、金属の光沢を
示すハイライトやスポットライトのエツジが破線■で示
すようになるところが、太い実線■で示す如く近似した
多角形の形になってしまい、本来の色の変化と大きく異
なってしまっていた。

他方、上記の多角形の単位面積当りの数を増大すること
により、色の変化が実際の色の変化に、より近似した高
品質の表示画像が得られるが、処叩演算凹が飛躍的に増
大してしまうという問題があった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、色の変化が
実際に即した、より自然な陰影付は処理を行なうことが
できる図形シェーディング装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理構成図を示す。同図中、１１は多
角形近似部、１２は色算出部、１３は画像信号生成手段
で、本発明はこれらからなる図形シェーディング装置に
おいて、比較部１４を設けた点に特徴を有する。

ここで、上記の多角形近似部１１は表示する三次元又は
二次元図形の物体の表面形状を多角形の集合で近似する
。また、色算出部１２は多角形の各々の頂点における面
の向きを表わす法線ベクトル、視点データ、光源データ
に基づいて各頂点の色を算出する。画像信号生成手段１
３は上記多角形の各頂点の色を線型補間して多角形の内
部の色を算出し、これらの色のデータから表示すべき画
像信号を生成する。

更に、上記の比較部１４は色算出部１２により桿出され
た多角形の各頂点での色を比較し、その比較結果が予め
設定した値より小なるときはその多角形の各頂点の色の
データをそのまま選択出力するが、予め設定した値より
大なるときは多角形近似部１１をＩｌｌ　Ｗ　してその
多角形を更に細かな複数の多角形に分割することを予め
設定した値より小なる色の差の比較結果が得られるまで
繰り返させる。

〔作用〕

本発明においては、色算出部１２により従来と同様にし
て４算して得られた多角形の各頂点の色のうち、一つの
多角形の各頂点の色を比較部１４により比較し、予め設
定した値より大きな色の差を示す比較結果が得られた場
合（色の変化が大きい場合）は、その一つの多角形を更
に複数の多角形に細分化するように多角形近似１！１ｓ
１１を！ＩＪｗＪする。

これにより、新しく発生した複数の多角形の夫々につい
て色算出部１２が再度各頂点の色を算出し、比較部１４
へ入力する。比較部１４は新しく発生した複数の多角形
についても順次各々の頂点の色を比較し、既に計算した
頂点の色と合わせて色の変化分を調べ、更に分割が必要
かどうかを判定する。

色の変化が大きい多角形については、比較部１４は更に
複数の多角形に分割するように多角形近似部１１を１ｌ
ＪＩＩＩする。以下、同様にして分割及び頂点の邑の計
算を続け、比較結果が予め設定した値より小なる色の差
を示すようになったとぎは、そこまで計算した頂点の色
のデータを画像信号生成手段１３へ供給し、ここでその
色のデータを用いて多角形の内部の色を線型補１ｍさせ
る。

従って、本発明によれば、多角形の各頂点の色同士は予
め設定した値より小さな色の変化を示すこととなり、か
つ、色の変化が激しい所は多角形が細分化されるので、
従来に比べ色の変化の激しい部分の画像がより実際に即
したものとなる。

また、本発明ではψ位面積当りの多角形数を従来に比べ
て一律的に増加させるものではなく、色の変化が激しい
所だけ、多角形を適応的に分割することができる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例のブロック図を示す。

同図中、第１図と同一構成部分には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。第２図において、１６は物体形状デ
ータで多角形近似部１１に入力される。１７は視点デー
タ、１８は光源データで、これらは色算出部１２に入力
され、多角形近似部１１からの多角形の頂点での法線ベ
クトルと共に、第７図と共に説明した原理に基づいて色
算出部１２で多角形の頂点の色を計算させる。

１９は画素展開部、２０はフレームバッファ部で、これ
らは画像信号生成手段１３を構成している。画素展開部
１９は債述する陰極線管（ＣＲｒ）２１の画面の画素の
大きさに、比較部１４よりの多角形を展開する。その際
、各画素の色は多角形の頂点の色をもとにして線型補間
により求める。

フレームバッフ７部２０は画素展開部１９からの画素デ
ータ（これは、Ｒ，Ｇ、Ｂの各々についである）を−フ
レーム分蓄積した後、それをＤ／Ａ変換器でアナログ画
像信号に変換してＣＲＴ２１へ供給する。これにより、
ＣＲＴ２１にはカラー静止画像である物体（三次元又は
二次元図形）が表示され、かつ、その物体は陰影付けさ
れた写実的な画像として表示される。

本実施例によれば、前記した第８図に示す如き光照射が
行なわれる三次元図形の物体を表示したときの色の変化
は、第３図に実線Ｖで示す如くになり、同図に破線■（
第９図中の■と同じ）で示される本来の色の変化に極め
て近似したものとすることができる。

次に、第１０図に示した多角形４０１〜４０９の集合で
近似される二次元図形の表面に、破線■で示したエツジ
を有するスポットライトを照射した場合の本実施例の作
用動作について説明する。

簡単のために、上記多角形４０＋〜４０ｓのうち一つの
多角形４０６に着目して説明するに、第４図（Ａ）に示
す多角形４０ｇの４つの頂点Ｐｎ〜ＰＩのうちＰＩ３と
ＰＩ４は光が照射されており、ＰｗとＰＩ２には光が照
射されていないから、Ｐａ〜ＰＩ４の色（明るさ）の変
化が設定値より大となる。そこで、比較８Ｂ１４のｌ１
ｌ−出力に基づいて多角形近似部１１が上記の多角形４
０６を細分化し、第４図（Ｂ）に示す如く４つの多角形
４１１〜４１４に分割する。

これらの多角形４１１〜４１４のうち多角形４１１と４
１２は光が照射されている部分とされていない部分が略
同じ程度であり、多角形４１１の頂点Ｐａ　、　Ｐ２１
　、　Ｐ２２　、　Ｐ２４の色の差が大で、また多角形
４１２の頂点Ｐ２４．Ｐ２２．Ｐ２３．Ｐ１２の色の差
も大である。これに対し、多角形４１３及び４１４には
光が全面に及び人なる割合で当っており、頂点Ｐ２１．
Ｐ２２．Ｐ３．ＰＩ３の色の差、並びに頂点Ｐ２２．Ｐ
２５．Ｐ２１及びＰＩ４の色の差は設定値より小である
。

従って、比較部１４の上記の比較結果に基づぎ、多角形
近似部１１は更に多角形４１鵞及び４１２の夫々につい
てだけ第４図（Ｃ）に４２＋〜４２４及び４３１〜４３
４で示す如くに新たな多角形に分割する。

以下、上記と同様にして、最終的には第４図（Ｄ）に示
す如く、多角形４２１が多角形４４１〜４４４に分割さ
れ、かつ、多角形４３３が多角形４５１〜４５４に分割
される。

このようにして得られた多角形４１３，４１４゜４２２
〜４２４．４３＋　、４３２．４３４．４４ｔ〜４４４
．４５＋〜４５４の各頂点の色に基づいて、多角形の内
部の色が線型補間により求められ、これによりハイライ
トやスポットのエツジが、第４図（Ｄ＞に太い実線■で
示す如くにされた画素データが得られる。

他の多角形４０１〜４０ｓ　、４０ｙ〜４０９も同様の
処理が行なわれ、これにより多角形４０＋〜４０９の集
合で近似された前記二次元図形の場合は、本実施例によ
れば第５図に示す如き各多角形の集合で近似されること
になり、これによりハイライトやスポットライトのエツ
ジは同図に太い実線■で示す如くになり、従来に比べて
本来のエツジ（破線■で示す）に極めて近似した高品質
の画像が得られる。なお、第５図中、第４図及び第１０
図と同一構成部分には同一符号を付しである。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、色の変化の激しい部分の
画像をより実際に即したものとすることができるため、
従来に比べより自然で写実的な隙彰付けが施された高品
質の画像を得ることができ、また多角形を適応的に分割
しているため、多角形を一律的に極めて細分化した場合
に比べ処理演算量の増加を最小限に抑えることができる
等の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、 第２図は本発明の一実施例のブロック図、第３図は本発
明装置による三次元図形の色の変化図、 第４図は第２図に示す実施例の多角形分割動作説明図、 第５図は本発明装置による二次元図形の色の変化図、 第６図は多角形近似の説明図、 第７図はライティング計算の原即図、 第８図は物体表面への光照射を示す模式図、第９図は従
来装置による三次元図形の色の変化図、 第１０図は従来装置による二次元図形の色の変化図であ
る。 図において、 １１は多角形近似部、 １２は色算出部、 １３は画像信号生成手段、 １４は比較部、 １９はＩ！ｉ素ｇ開部、 ２０はフレームバッファ部 を示す。 Ｐ５　　　Ｐ３ 本発明装置による三次元図形の色の変化口笛３図 特許出願人　富　士　通　株式会社 本発明装置による二次元図形の色の変化図第５図 第２図の多角形分割動作説明図 第４図 第 図 １へ 第７　図 Ｉｓ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 表示する三次元図形の物体の表面形状を多角形近似部（
   １１）により多角形の集合で近似し、該多角形の各々の
   頂点における面の向きを表わす法線ベクトルと視点デー
   タ及び光源データとに基づいて色算出部（１２）により
   各頂点の色を算出し、その頂点の色より線型補間して多
   角形内部の色を求め、算出した該多角形の各頂点及び内
   部の色に基づいて表示すべき画像信号を生成する画像信
   号生成手段（１３）とよりなる構成の図形シェーディン
   グ装置において、 前記色算出部（１２）により算出された多角形の各頂点
   での色を比較し、その比較結果が予め設定した値より小
   なるときはその多角形の各頂点の色のデータをそのまま
   前記画像信号生成手段（１３）へ選択出力し、前記比較
   結果が前記予め設定した値より大なるときは、小なる色
   の差を示す比較結果が得られるまで前記多角形近似部（
   １１）によりその多角形を更に細かな複数の多角形に分
   割することを繰り返させるように制御する比較部（１４
   ）を具備することを特徴とする図形シェーディング装置
   。