JPH0331977A - 画像生成方式 - 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】 ［概要］ 二次元又は三次元物体のモデルデータから実際の画像を
生成する画像生成方式に関し、汎用高速プロセッサによ
り高速の物体の描画表示を行なうことを目的とし、 同一の処理プログラムを格納した複数の汎用プロセッサ
を非同期の通信ネットワークを介して相互接続し、複数
プロセッサにモデルデータから画像データを生成までの
処理を分散して割り当て並列処理するように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、二次元又は三次元物体のモデルデータから実
際の画像データを生成した表示させる画像生成方式に関
する。

ＣＡＤやコンピュータアニメーション等において三次元
物体のモデルデータから実際の画像を高速に生成するこ
とが要求されているが、ハードウェア構成及びソフトウ
ェア開発を複雑化せず、また特定のハードウェアの性能
に制約されることなく高速処理を実現することが望まれ
る。

［従来の技術］ 第９図はグラフィックス表示を行なう従来の画像生成方
式の処理フロー図である。

第９図において、まずＦｌでアプリケーションプログラ
ムは、通常、Ｆ２に示すライブラリなどの形で提供され
るグラフィックスライブラリを通じて画像の描画・表示
の処理を行なう。

即ち、グラフィックスプログラムは、アプリケーション
プログラムからの描画要求に従ってＦ３に示すディスプ
レイリストと呼ばれるデータ構造を作り出す。

Ｆ３で作成されたディスプレイリスト内のデータは、Ｆ
３において表示のためにモデリング変換、ビューイング
変換、透視変換などの座標変換を施される。通常、複雑
な三次元物体は、多数の単純な図形（部品）を組み合わ
せることにより構成する。種々の部品は、それぞれのそ
の部品固有の座標系で定義されているので、これらを拡
大縮小したり回転したりしてワールド座標系に配置し、
望みの物体を組み立てることが必要である。このための
座標変換が、モデリング変換である。

このようにして組み立てた物体をワールド座標系の任意
の位置・方向から見たように表示するためには、ワール
ド座標系で記述された物体の座標を視点座標系へ変換す
る必要がある。これが、ビューイング変換である。

即ち、ビューイング変換ではワールド座標系内に視点と
視線の方向を設定し、これを基準とした視点座標系へ全
ての物体を座標変換する。

透視変換は、与えられた視点と視線方向から適当な投影
面へ投影する変換である。このビューイング変換によっ
て三次元の図形が投影面上の二次元の図形に変換される
。投影面上の座標系を表示座標系と呼ぶ。

Ｆ４で表示座標系に変換された図形データは、次のＦ５
クリッピング処理が行なわれる。クリッピング処理は、
投影面に投影された図形データから、与えられた表示領
域の内部に含まれる図形のみを切り出す処理である。

Ｆ５のクリッピング処理後、Ｆ６で個々の図形はフレー
ムバッファに図形として書き込まれる。

次にＦ７でフレームバッファに書き込まれた三次元図形
の隠面処理とシェーディングを行なう。隠面処理は前に
ある物体で隠されて見えなくなった面を表示しないよう
にする処理である。シェーディングは、三次元図形の面
の向きと光線の方向で決まる明度で面の陰影ずけをする
ことである。シェーディングの方法には、１つの面を同
じ明るさで塗り潰すコンスタントシェーディングと、１
つの面内で明るさや色を補間して塗り潰すスムースシェ
ーディングがある。リアルな画像を作るためには、スム
ースシェーディングを行なうことが望ましい。

このようにして作られた画像データは、最終的にＦ８で
ディスプレイ上でちらつきなく表示するために、毎秒３
０枚から７０枚程度の割合でフレームバッファから読み
出されてディスプレイに表示し続ける。

このようなグラフィックス処理による描画・表示は、通
常オペ−レータとの間の会話的な処理を通して行なわれ
、従ってオペレータの会話的な操作に追従できる程度の
応答速度が要求される。

また、あらゆる方向から見た三次元物体をディスプレイ
上に応答性良く表示するためには、全ての図形データを
ディスプレイリストから読出してから画像化するまでの
処理を一秒間に数十回行なわなければならない。

このため従来方式にあっては、座標変換やクリッピング
といった図形の処理や隠面処理、塗り潰し、シェーディ
ングといった画素の処理に専用プロセッサを使用して性
能向上を図っている。

第（０図は従来の専用プロセッサを使用した高機能グラ
フィックスハードウェアの構成図である。

第１０図において、メインプロセッサ５０は、ディスプ
レイリストの生成、編集、グラフィックプロセッサ７０
へのデータ転送の他、外部との通信やシステム全体の制
御を行なう。このような処理を行なうメインプロセッサ
５０は他の部分と比較して処理内容が複雑であるが、高
速性はさほど要求されないので、汎用のマイクロプロセ
ッサが使用される。第９図のＦ３に示したディスプレイ
リストは、メインプロセッサ５０の主記憶６０」二に作
ることもあるし、それ専用のメモリを持つこともある。

グラフィックプロセッサ７０は、座標変換とクリッピン
グ、文字や図形の発生を行なう。

描画プロセッサ８０は、隠面処理やシェーディングの計
算を行ない、その結果の画素データをフレームバッファ
９０へ書き込む。

グラフィックプロセッサ７０と描画プロセッサ８０は、
比較的単純な処理を高速に実行する必要があるので、マ
イクロプログラム制御の専用プロセッサが使用される。

この場合メインプロセッサ５０のバスに直接接続する密
結合型にして、プロセッサ間のデータ転送時間が処理の
ボトルネックとならないようにする。勿論、メインプロ
セッサ５０とグラフィックプロセッサ６０間や、グラフ
ィックプロセッサ７０と描画プロセッサ８０間を直接高
速バスで接続してデータ転送速度をさらに向上させてい
る。

ビデオコントローラ１００は、デイスプレイエ８の表示
のためにフレームバッファ９０から画像データを読出し
、アナログビデオ信号に変換した後、ＬＵＴ　（ｌｉｎ
ｅ　ｕｎｉｔ）　１１０を介してディスブレス１８に供
給する。ディスブレス１８による高解像度の表示には、
極めて高速なデータ転送速度が要求される。このために
、ビデオコントローラ１００やフレームバッファ９０に
は、種々の工夫がなされている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の画像生成方式にあって
は、幾つもの複雑なハードウェアを必要とするので、開
発期間が長く開発コストが高いうえ、各プロセッサの性
能バランスをとるのが難しい。また各プロセッサ間のデ
ータ転送が性能向上のうえでネックになりやすい。この
ため超高性能なものを狙うと全てのプロセッサで何らか
の並列処理を行なわなければならず、システムはさらに
複雑化する問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、汎用高速プロセッサの使用により高速の物体描画
表示を行なう画像生成方式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図は本発明の原理説明図である。

第１図において、二次元又は三次元物体モデルデータか
ら実際の画像を生成する画像生成方式につき本発明にあ
っては、少なくとも画像メモリを備えた同一構成をもつ
複数のプロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎと；こ
の複数のプロセッサエレメント１０−ｔ〜１０−ｎ相互
間でデータ通信を可能とする通信ネットワーク１２と；
複数のプロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎの画像
メモリの内容を順次選択してディスプレイ１８等に出力
する表示出力手段１４と；を備え、ホスト１６からの指
令に基づきプロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎの
並列処理によりモデルデータから画像データを生成する
ように構成する。

ここでプロセッサエレメント１０−１〜１〇−ｎの各々
は、複数のプログラムを独立に実行するマルチタスク機
能を備え、具体的には、モデルデータから表示物体デー
タを算出する応用プログラムと、応用プログラムにより
得られた物体データの座標変換、微少多角形への分解、
クリッピング、スパン分解等の処理を行なうスパン分解
タスクと、スパン分解タスクから得られたスパンデータ
を所望のシェーディングモデルに基づいて画素データに
変換する塗り潰しタスクとの３つの処理プログラムを備
える。

更に、各プロセッサエレメント１０−１〜１０ｎの応用
プログラムは、算出された物体データがプロセッサエレ
メント全体に均等となるように通信ネットワーヘク１２
を通して他のプロセッサエレメントのスパン分解タスク
に送る。

また通信ネットワーク１２は、複数のプロセッサエレメ
ント１０−１〜１０−ｎ間で非同期なデータ通信を行な
わせる。

［作用］ このような構成を備えた本発明の画像生成方式によれば
、モデルデータを読込んでから実際の三次元物体の画像
データを生成するまで処理が多数の同一プロセッサエレ
メントの並列処理により高速で行なわれることとなり、
複数のプロセッサエレメントはハード的にもソフト的に
同一構成で良いことから、システム構成が容易であり、
簡単なシステム構成でより高速の描画。表示を行なうこ
とができる。

［実施例コ 第２図は本発明の一実施例を示した実施例構成図である
。

第１図において、１０−１〜１０−ｎはプロセッサエレ
メント（ＰＥ）、１２は通信ネットワーク、１４は表示
出力手段としてのデータマルチプレクサ、１８はホスト
計算機、２０はプロセッサエレメント１０−１＝１０−
ｎ毎に設けられた画像メモリである。

［並列計算機の構成コ ここで、並列計算機システムを構成するプロセッサエレ
メント１０−１〜１０−ｎとして、この実施例にあって
は、ＭＩＭＤ型（マルチ・インストラクションストリー
ム・マルチ・データストリーム型）の汎用並列計算機を
使用する。更にアーキテクチャを特定しなければ、第２
図の実施例の並列計算機システムは少なくとも次の条件
を満たすものであればよい。■通信ネットワーク１２を
介して、任意のプロセッサエレメント間で非同期な通信
が行なえること；■各プロセッサエレメント１ｏ−１〜
１〇−ｎで複数のプログラムが独立に実行できること（
マルチタスク処理）；■各プロセッサエレメント１０−
１〜１０−ｎに画像メモリ２０とその出力ポートを備え
ること；■ホスト計算機１６からデータ転送や制御が行
なえること； さらに、各プロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎの
出力ポートのデータをマルチプレクスして出力するハー
ドウェアとしてのデータマルチプレクサ１４が必要であ
る。

［プロセッサエレメントの処理の分担］各プロセツサエ
レメント１０−１〜１０−ｎでは、第３図に示すように
、応用プログラム２２、スパン分解タスク２４．及び塗
り潰しタスク２６が平行して動作する。

応用プログラム２２は、表示しようとする三次元物体の
モデルデータに基づく適当な演算により表示したい物体
データを作り出す。この物体データが第９図のＦ３に示
したディスプレイリストに対応する。

スパン分解タスク２４は、応用プログラム２２が作り出
した物体データを適当な視点からのデータに座標変換し
、微小な三角形の集合に分解し、ディスプレイの表示範
囲でクリッピング処理を行ない、三角形をさらにスパン
に分解する。

塗り潰しタスク２６は、スパンデータを適当なシェーデ
ィングモデルに基づいて画素に変換する。

更に詳細に説明すると次のようになる。

［応用プログラム２２］ 科学技術計算等の計算部分を並列処理し、計算結果から
三次元表示すべき物体データを生み出す。

これらの物体データは通信ネットワーク１２を経由して
複数のプロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎの全体
に均等になるように各プロセッサエレメント１０−１〜
１０−ｎのスパン分解タスク２４へ送られる。例えば、
計算結果から全てのプロセッサエレメントがほぼ同じく
らいのデータを生成するならば、通信ネットワーク１２
を使わないで自分のスパン分解タスク２４のみにデータ
を送る。データ生成量に大きなばらつきが有りそうな場
合は、データの送り先をプロセッサニレメン）１０−１
〜１０−ｎまで順番に変えれば良い。

［スパン分解タスク２４］ 応用プログラム２２が生成した物体データを表示の基本
要素である三角形板（四角形板でも良い）に分解する。

この分解処理は、応用プログラム２２がどのようなデー
タを生み出すかで処理が異なる。基本要素（三角形、四
角形等）に分解された物体データは、視点の位置に従っ
て座標変換が行なわれる。

グラフィックス処理における座標変換は、二次元図形の
場合は第４図（ａ）に示す３×３マトリクス演算、三次
元図形の場合は同図（ｂ）に示す４×４のマトリクスの
演算に帰着する。マトリクスＡの部分は図形の回転を、
Ｂの部分は投影を、Ｃの部分は並行移動を、Ｄの部分は
全体のスケーリングを表すパラメータである。図形を構
成する全ての点の座標について、このマトリクスを掛け
て座標変換が行なわれる。

次に、座標変換後の図形がディスプレイの表示範囲内に
存在するかどうかをチエツクするクリッピング処理を行
なう。クリッピング処理は、第５図に示すように、表示
領域２８からはみ出した線分や図形を切り取る処理であ
る。

次に個々の三角形を塗り潰しタスク２６が必要とするス
パンデータに分解する。三角形の各頂点には、その点の
色や輝度が与えられているので、その値を補間して個々
のスパンデータを計算する。

スパンデータは、スパンの開始位置、スパンの長さ、開
始位置の色情報、スパン方向での色の変化率、奥行き方
向の変化率から構成される。

このようにして計算されたスパンデータは塗り潰しタス
ク２６へ送られる。

［塗り潰しタスク２６］ 塗り潰しタスク２６では、第６図のように１画面分の画
像データ３０をライン分割して複数のプロセッサエレメ
ント１０・−１〜１０−ｎの各々が担当する領域に分け
る。この場合、表示のための読出しが横方向ならば、プ
ロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎは図示のように
縦ラインによる分割領域を割付け、一方、表示読出しが
縦方向ならば、横ラインによる分割領域を割付ける。

尚、画像データ２８の割付けは固定とする。

例えばｎ台のプロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎ
が画像を担当する場合は、プロセッサエレメント１０−
１はｔライン目、プロセッサエレメント１０−２は２ラ
イン目、・・・プロセッサエレメント１０−ｎはｎライ
ン目を担当する。ｎ十１ライン目は、再びプロセッサエ
レメント１０−ｔが担当する。

従って、スパン分解タスク２４は、この領域割付けから
自分の生成したスパンデータを送る先を容易に知ること
ができる。塗り潰しタスク２６は、スパン分解タスク２
４からのスパンデータからシェーディングモデルに従っ
て画素の輝度値補間と画像メモリの塗り潰しを第８図に
示すように行なう。

第７図（ａ）は３つの図形データ３２．　３４゜３６を
プロセッサエレメント１０−１．１０−２゜１０−３の
各々に分配した状態を示し、各プロセッサエレメント１
０−１〜１０−３は分配された図形３２〜２６をスパン
分解し、スパン分解により得られたスパンデータを画素
を担当するプロセッサエレメントに送る。

第７図（ｂ）はプロセッサエレメント１０−１の画像メ
モリ２０の塗り潰しを示し、破線で示す割付は領域につ
き、図形３２については自分のスパンデータを使用し、
画像３４についてはプロセッサエレメント１０−２から
送られたスパンデータを使用し、更に図形３６について
はプロセッサエレメント１０−３から送られたスパンデ
ータを使用する。

第８図（ａ）にグーロシエーディングによる補間方法を
示し、また同図（ｂ）にフォンシェーディングによる補
間の方法を示す。

三次元図形の明度は、その面の向きと光源の方向、視点
の位置などから求められる。

第８図（ａ）のグーローシェーディングは、１つの図形
の内部の明度を、その図形の各頂点Ｐの明度Ｉの線型補
間で求める方法である。即ち、各頂点Ｐ。−Ｐ、の明度
Ｉ。−Ｉ３からスキャンラインとエツジの交点Ｐ。ｌ＋
　　Ｐ（１２Ｉ　　Ｐ’ｏ３の明度Ｉ。１゜Ｉ　０２＋
　　１０３を求め、更に明度１０１と１０２の間、１０
２と１゜３の間を線形に補間する。

一方、第８図（ｂ）のフォンシェーディングでは、明度
を求めたい点Ｐの法線ベクトルＮをその図形の各頂点の
法線ベクトルを線形補間することにより求め、その法線
ベクトルからその点の明度を計算する。即ち、各頂点Ｐ
Ｏ〜Ｐ３の法線ベクトルＮ０−Ｎ３からスキャンライン
とエツジの交点Ｐ　Ｏ１＋　　Ｐ　Ｏ’：’＋　　Ｐ　
０３での法線ベクトルＮ　Ｏ１＋　　Ｎ　０２＋ＮＯＩ
を求め、更にベクトルＮ。１とＮ。２の間、Ｎｏ２とＮ
。３の間を線形に補間して求めた法線ベクトルＮ８をを
使用してその位置の明度！、を求める。

グーローシェーディングは、１つの面内で明度の変化率
は一定であり変化しないので、適当な初期値に変化率を
順次積算していくインクリメンタルな方法で明度を補間
していくことができる。

隠面処理は、２バツフアアルゴリズム等で行なう。Ｚバ
ッファアルゴリズムは、画像データの各画素に対応させ
て、その画素の視点からの距離を記憶するメモリ（２バ
ツフア）を使用して隠面処理を行なうものである。まず
、図形の描画を始める前に、Ｚバッファをクリヤ（無限
遠の値にセット）する。画素を書き込む場合には、書き
込む画素のＺの値と２バツフア内のＺの値を比較する。

その結果、書き込む画素が書かれていた画素よりも手前
にあれば、その画素は見えるものと判断して画像メモリ
に書き込む。そうでない場合は、その画素は見えないも
のとして無視する。

［画像の表示］ 各プロセッサエレメント１０−１〜１０−ｎの各々に設
けられた画像メモリ２０の内容は、順次出力ボートから
出力される。出力ポートからのデータは、データマルチ
プレクサ１４でディスプレイ１８のリフレッシュ速度に
見合うように多重化されて、ディスプレイ１８に表示さ
れる。画像データの続出速度は固定であるため、容易に
多重化が行なえる。

［発明の効果〕 以上説明してきたように本発明によれば、特殊なハード
ウェアを用いる代わりに、高性能の並列計算機を用いて
高速な三次元図形描画、表示が可能となハードウェア及
びソフトウェアを複雑化することなく高速の描画・表示
ができる。

また計算自体のほかに、描画処理も並列化することによ
り並列接続された計算機の利用効率を向上できる。

更に画像データの表示も並列に読出しされるデータを多
重化するだけで高解像度ディスプレイに対応できるデー
タ転送速度を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図； 第２図は本発明の実施例構成図； 第３図は本発明のプロセッサ処理プログラム構成図； 第４図は本発明のマトリクスによる座標変換説明図； 第５図は本発明のクリッピング処理説明図；第６図は本
発明のプロセッサエレメント画像データ割付図・ 第７図は本発明の塗潰し処理説明図； 第８図は本発明のスムースシェーディング処理説明図； 第９図は従来方式の処理フロー図； 第１０図は従来方式の構成図である。 図中、 １０−１〜１０−ｎ　：プロセッサエレメント（ＰＥ）
】２：通信ネットワーク １４：表示出力手段（データマルチプレクサ）１６：ホ
スト（ホスト計算機） １８：ディスプレイ ２０：画像メモリ ２２：応用プログラム ２４・スパン分解タスク ２６：塗り潰しタスク ２８：表示領域 ３０：画像データ ３２゜ ３４゜ ３６：図形

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）二次元又は三次元物体のモデルデータから実際の
   画像を生成する画像生成方式に於いて、少なくとも画像
   メモリを備えた同一構成をもつ複数のプロセッサエレメ
   ント（１０−１〜１０−ｎ）と；該複数のプロセッサエ
   レメント（１０−１〜１０−ｎ）相互間でのデータ通信
   を可能とする通信ネットワー（１２）と； 前記複数のプロセッサエレメント（１０−１〜１０−ｎ
   ）の画像メモリの内容を順次選択してディスプレイ（１
   ８）等に出力する表示出力手段（１４）と；を備え、ホ
   スト（１６）からの指令に基づき前記プロセッサエレメ
   ント（１０−１〜１０−ｎ）の並列処理によりモデルデ
   ータから画像データを生成することを特徴とする画像生
   成方式。
2. （２）前記プロセッサエレメント（１０−１〜１０−ｎ
   ）の各々は、複数のプログラムを独立に実行するマルチ
   タスク機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の画
   像生成方式。
3. （３）前記プロセッサエレメント（１０−１〜１０−ｎ
   ）の各々は、モデルデータから表示物体データを算出す
   る応用プログラムと、該応用プログラムにより得られた
   物体データの座標変換、微少多角形への分解、クリッピ
   ング、スパン分解等の処理を行なうスパン分解タスクと
   、該スパン分解タスクから得られたスパンデータを所望
   のシェーディングモデルに基づいて画素データに変換す
   る塗り潰しタスクとの３つの処理プログラムを備えたこ
   とを特徴とする請求項１記載の画像生成方式。
4. （４）前記プロセッサエレメント（１０−１〜１０−ｎ
   ）の各応用プログラムは、算出された物体データが全体
   に均等になるように前記通信ネットワーク（１２）を介
   して他のプロセッサエレメントのスパン分解タスクに送
   ることを特徴とする請求項３記載の画像生成方式。
5. （５）前記通信ネットワーク（１２）は、前記複数のプ
   ロセッサエレメント（１０−１〜１０−ｎ）間で非同期
   なデータ通信を行なうことを特徴とする請求項１記載の
   画像生成方式。