JPH04337881A - 図形処理方法および装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコンピュータによる図形
処理方法および装置に関する。

【従来の技術】近年ハードウェアの進歩に伴い、コンピ
ュータによる高速な三次元画像表示が可能となってきた
が、物体を多角形の集合で表現して、その多角形単位に
形や色の見え方を計算し、画像を生成する基礎技術とし
て３種のシェーディング方式がある。

【０００２】コンスタント・シェーディングは物体を構
成する多角形集合に対し、各多角形毎に付与された法線
に基づき一回の色計算を行い、一多角形内をその色で表
現する方式であり、グーロ・シェーディングは各多角形
の頂点毎に付与された法線に基づき各頂点で一回ずつの
色計算を行い、一多角形内の色は頂点の色を補間して表
現する方式である。フォン・シェーディングは各多角形
の頂点毎に付与された法線を多角形内で補間して、各画
素に対応する多角形内の点毎に色計算を行う方式である
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】フォン・シェーディン
グは３種のシェーディング方式の中では最もハイライト
が美しく表現できる方式であるが、多角形内の画素に対
応する各点において色計算を行うため、他の２方式に較
べて膨大な処理時間がかかるという欠点がある。ここで
ハイライトとはなめらかな物体の表面や縁がキラリと光
るような光沢などいう。一回の色計算には平行光線に対
しては１６回、点光源に対しては約３０回の積和演算が
必要である。

【０００４】例えば１つの正方形が画面上に縦横１０画
素ずつの１００　画素で表示される場合、点光源に対し
てコンスタント・シェーディングでは約３０回、グーロ
・シェーディングでは１２０　回の積和演算で色計算が
済むが、フォン・シェーディングにおいては、３，００
０　回の積和演算が必要となる。実際には多角形の集合
で表される物体、世界には多角形が数百万以上定義され
ている場合も少なくなく、この演算量は膨大なものとな
る。

【０００５】ところで、色計算が必ず一定回数で済む三
次元画像表示法としてレイ・キャスティング法がある。 レイ・キャスティング法はレイの反射・屈折を計算しな
いレイ・トレーシング法であり、視点と表示すべき画素
を通る直線を想定し、その直線が視点に最も近い位置で
交差する多角形との交点において法線を求め色計算を行
い、画素の色とする方法である。図７はレイ・キャステ
ィング法の視点と表示すべき画素と表示すべき対象を示
す図である。レイ・キャスティング法においては表示し
たい画素の数だけ色計算を行えばよい。例えば１０２４
×１０２４の解像度の画像を生成するためには約１００
　万回の色計算を行えばよい。

【０００６】しかし、レイ・キャスティング法では想定
した直線と膨大な数の多角形の交差判定を行わなければ
ならないという欠点がある。世界を構成する多角形は想
定した直線と交差するとは限らないし、奥行き方向に順
番に並んでいる保障はないので、複数の多角形が想定し
た直線と交差した場合には、どの多角形が一番視点に近
いかを判定する必要があり、この作業にかなりの時間が
必要とされる。

【０００７】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、表示画面に表示する図形データを検出し、この図
形データについて図形処理する図形処理方法および装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明は３次元空間に定義された図形データに対して
所定の視点から見た状態を表示手段の各画素に色または
濃度の値を設定して表示する図形表示方法において、前
記表示手段の各画素に表示する図形データの認識番号を
前記各図形データごとに記憶し、この記憶した認識番号
の付いた図形データに対してのみ、視点とその認識番号
が格納されていた前記画素を通る直線との交点計算を行
い、その交点における法線を求めて、この画素の色また
は濃度を決定する。

【０００９】図１は本発明の図形処理装置の原理図であ
る。同図において、１は３次元空間に定義された図形デ
ータを格納する図形データ格納手段、２はこの図形デー
タを画面表示するよう図形処理する図形処理手段、３は
この処理された図形を表示する表示手段である。４は前
記図形処理手段が、前記表示手段の各画素に対して各画
素が表示すべき図形データの認識番号を定め、この各画
素に定められた認識番号を格納する認識番号格納手段で
ある。前記図形処理手段２は、前記認識番号格納手段４
から前記認識番号を読み出し、この認識番号の付いた図
形データを前記図形データ格納手段１より取り出し、こ
の図形データに対してのみ、視点とその認識番号が格納
されていた前記画素を通る直線との交点計算を行い、そ
の交点における法線を求めてこの画素の色または濃度を
決定する。

【００１０】また、前記図形処理手段２は、前記図形デ
ータの色または濃度情報を前記認識番号で定義し、前記
表示手段３の各画素の色または濃度を定める自身の有す
る機能を用いて、前記各画素の認識番号を定めるように
する。

【００１１】また、前記認識番号を図形処理対象となる
物体ごと、またはこの物体を表現する多角体ごとに設定
するようにする。

【００１２】

【作用】上記構成により、まず表示手段３に表示される
図形データが認識番号格納手段４に格納され、次にこの
格納された認識番号の付いた図形データに対してのみ、
視点とその認識番号が格納されていた前記画素を通る直
線との交点を求め、その交点において色または濃度を決
定すればよいので、高速に図形処理することが可能とな
る。

【００１３】また、認識番号格納手段４に格納される認
識番号を定めるのに、認識番号を図形データの色または
濃度情報として用いることにより、表示手段３の各画素
の色または濃度を定める図形処理手段２の有する機能を
利用できるので、表示手段３の各画素の表示する図形の
認識番号を選定するのに別の装置を必要としない。

【００１４】認識番号を付ける単位としては、用途とか
規模に応じて図形処理の対象となる物体ごとに、または
この物体を表現する多角形ごとに付けられる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図２は本実施例の構成を示すブロック図である。 同図において、１０はＣＰＵであり、後述する物体／多
角形データ格納領域２０、ＩＤ（認識番号）−物体／多
角形対応テーブル３０、視点情報格納領域４０、光源情
報格納領域５０よりのデータを用いて画像格納領域６０
に画像を生成する。

【００１６】物体／多角形データ格納領域２０は、描画
の対象となる多角形から構成された複数物体により構成
される世界の形状データ、色や材質などの質感データが
格納されている。ＩＤ−物体／多角形対応テーブル３０
は、後述するＩＤ発生部７２で生成したＩＤと物体／多
角形データ格納領域内の物体あるいは多角形との対応関
係が格納されている。視点情報格納領域４０は、描画に
必要な視点に関する情報が格納されている。光源情報格
納領域５０は、描画に必要な光源に関する情報が格納さ
れている。 画像格納領域６０は描画された画像が格納する。

【００１７】コンスタント・シェーディング部７０は、
描画の対象となる多角形から構成された複数物体により
構成される世界の形状を色の代りにＩＤを用いて描画す
る。物体／多角形読出部７１は、コンスタント・シェー
ディング部７０に起動がかかると、物体／多角形データ
格納領域２０から多角形の情報を順番に読み出し、ＩＤ
発生部７２に転送する。また物体／多角形データ格納領
域２０から多角形を全て読み出した場合に、終了情報を
転送する。 終了情報はＩＤ発生部７２、後述するモデリング変換部
７３、ビュー変換部７４、クリッピン部７５、ワークス
テーション変換部７６、描画部７７へ順次転送され、描
画の終りを通知する。

【００１８】ＩＤ発生部７２は、物体／多角形読出部７
１から多角形の情報が転送されると、物体あるいは多角
形単位ごとに固有のＩＤを生成し、対応関係をＩＤ−物
体／多角形対応テーブル４０に格納するとともに、多角
形の情報のうちの色情報をＩＤに置き換え、モデリング
変換部７３に転送する。モデリング変換部７３は、ＩＤ
発生部７２から多角形情報が転送されると、モデリング
空間上で定義された多角形の頂点座標を世界座標に変換
し、ビュー変換部７４に転送する。

【００１９】ビュー変換部７４は、モデリング変換部７
３から多角形の情報が転送されると、視点情報格納領域
４０から視点の情報を読み出し、視点中心の正規化され
た座標に変換し、クリッピング部７５に転送する。クリ
ッピング部７５は、ビュー変換部７４から多角形の情報
が転送されると、実際に画面に表示される多角形を計算
して、ワークステーション変換部７６へ転送する。ワー
クステーション変換部７６はクリッピング部７５から多
角形のデータが転送されると、視点中心の正規化された
座標で定義された多角形の頂点座標をデバイスに依存し
た座標に変換し、面塗り部７７へ転送する。面塗り部７
７は、ワークステーション変換部７６から多角形のデー
タが転送されると、画像格納領域６０の多角形に対応す
る領域のうち、各画素のデバイスに依存した座標に変換
された視点からの距離が、以前にその画素に対応した図
形データの距離より近い部分を多角形の色（この場合Ｉ
Ｄ）で塗りつぶす。

【００２０】レイ・キャスティング部８０は、コンスタ
ント・シェーディング部７０で画像格納領域６０に格納
された色の代わりにＩＤを用いて描画された多角形の情
報を元にフォン・シェーディングを行う。ピクセル情報
読出部８１は、画像格納領域６０に格納されているピク
セルの情報（つまりＩＤ）を順次読み出しつつ、視点情
報格納領域４０に格納されている視点の情報を読み出し
、対応するレイの情報を計算し、読み出したピクセルの
位置情報とともに物体／多角形読出部８２に転送する。

【００２１】ピクセルの位置情報は、物体／多角形読出
部８２、交点計算部８３、色計算部８４、ピクセル情報
書込部８５に順次転送される。また、ピクセルを全て読
み出した場合は、終了情報をピクセルの位置情報と同様
に後段に転送する。物体／多角形読出部８２は、ピクセ
ル情報読出部８１からレイの情報が転送されると、物体
／多角形データ格納領域２０から対応する物体／多角形
の情報をＩＤ−物体／多角形対応テーブル３０を参照し
て読み出し、レイの情報とともに交点計算部８３に転送
する。

【００２２】交点計算部８３は、物体／多角形読出部８
２から物体／多角形の情報とレイの情報が転送されると
、そのレイと交差する物体／多角形中の交点を算出し、
その点における法線や質感情報とレイの情報を色計算８
４に転送する。色計算部８４は交点計算すべき点の法線
、質感情報とレイの情報が転送されると、その点におけ
る色を計算し、ピクセル情報書込部８５に転送する。ピ
クセル情報書込部８５は、ピクセル情報読出部８１から
転送されるピクセルの位置に対応する画像格納領域６０
のピクセル位置に、色計算部８４で計算された色を格納
する。

【００２３】このように物体単位あるいは多角形単位に
ＩＤを付け、物体、多角形の色としてそのＩＤをコンス
タント・シェーディングで画像として表現したので、レ
イ・キャスティング法における交差判定が不要となる。 その物体ＩＤに属する多角形集合のみ交点計算を行うか
、あるいはその多角形ＩＤに対応する多角形とのみ交点
計算を行えばよい。ここに用いるコンスタント・シェー
ディングでは、生成した画像はどの物体あるいは多角形
が視点に一番近いかを表現しているだけでよいため、光
源の影響を考慮する必要がなく、１回の色計算も必要と
しない。

【００２４】ここで、コンスタント・シェーディング部
７０の処理について図３〜図５を用いて詳細に説明する
。 図３は幾何変換処理説明図であり、図４は図３の動作フ
ロー図である。モデリング変換は座標系の変換で、直方
体と４角錐はそれぞれの座標系で表わされており（これ
をモデリング座標系（ＭＣ）という）、この両図形をに
組合せて一体にした場合、共通の座標系として世界座標
系（ＷＣ）に変換される。

【００２５】次に色計算を行う。陰影付けが必要な図形
要素については、光源や視点の位置などの情報を用いて
、頂点の色を算出する。その他の図形要素はそのまま通
過する。本発明はこの色計算において、色計算の代りに
物体またはこの物体を表現する多角形を同定する識別番
号（Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｕｍｂｅｒ　）
を色として定義する。

【００２６】図５は色をＩＤで表わす説明図である。４
角錐と直方体が視点に対して（ａ），（ｃ）に示すよう
に配置された場合、図７に示すスクリーン上の画素の値
を表わしたのが（ｂ）と（ｄ）である。（ｂ）は４角錐
の色を５０、ＩＤ＝１とし、直方体の色を２０、ＩＤ＝
２とした場合の色を表わし、（ｄ）はこの色をＩＤで置
き換えた場合を示す。

【００２７】図３，４に戻り、ビュー変換はＷＣ上の図
形をビュー変換行列を介して正規化投影座標系（ＮＰＣ
）に変換する。この変換は、通常見る位置や方向を様々
に変化させるのに用いる。クリッピングは、実際に表示
すべき領域が指定されると、その枠で図形を切り取り、
枠内の部分のみを転送する。多角形の場合、出力される
頂点データに境界フラグが付加される。ワークステーシ
ョン変換は、クリッピングの済んだＮＰＣ上の図形をワ
ークステーション変換係数を介して装置座標系（ＤＣ）
に変換する。

【００２８】コンスタント・シェーディングやグーロ・
シェーディングはハードウェア化が容易であるため、Ｚ
バッファ隠面消去法を用いた高速なハードウェアが提供
されており、その資源を活用することで一層の高速化も
図れる。

【００２９】図６はＺバッファ法の原理を簡単な具体例
で示した図である。（ａ）は表示図形ＡのＺ値で、図７
において視点を原点とした場合の表示図形Ａまでの距離
（つまり奥行）を装置座標系に変換した値である。 （ｂ）はこの表示図形Ａを表わすスクリーン上の画素の
値（色）である。（ｃ）はこの表示図形Ａがなかったと
きのスクリーン全体画素のＺ値を表わす。（ｄ）は（ｃ
）に対応した画素の値（色）を示す。（ｅ）は（ａ）に
示す表示図形Ａを（ｃ）で示す画面で表わしたときの合
成値で（ａ）の２と４は（ｃ）の同じ位置の６、４より
視点に近いので、視点に近い値で更新した結果である。 （ｆ）は（ｅ）に対応して（ｂ）に示す画素４、６で更
新した結果を示す。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
、表示手段の各画素に表示される図形データの認識番号
を各画素ごとに記憶し、この記憶された認識番号の付い
た画素と視点を通る直線と、その認識番号を持つ図形デ
ータとの交点を計算し、その交点における法線を求めて
、この画素の色または濃度を決定するので、計算量が少
なくなり高速図形処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の実施例の構成を示すブロック図である
。

【図３】幾何変換処理説明図である。

【図４】幾何変換処理フロー図である。

【図５】色をＩＤで表わす説明図である。

【図６】Ｚバッファ法の例を説明する図である。

【図７】レイ・キャスティング法を説明する図である。

【符号の説明】

１０　　ＣＰＵ ２０　　物体／多角形データ格納領域 ３０　　ＩＤ−物体／多角形対応テーブル４０　　視点
情報格納領域 ５０　　光源情報格納領域 ６０　　画像格納領域 ７０　　コンスタント・シェーディング部８０　　レイ
・キャスティング部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　３次元空間に定義された図形データに
   対して所定の視点から見た状態を表示手段の各画素に色
   または濃度の値を設定して表示する図形表示方法におい
   て、前記表示手段の各画素に、表示した前記図形データ
   ごとに付与された認識番号を記憶し、この記憶した認識
   番号の付いた図形データにおける法線を求めて、この画
   素の色または濃度を決定することを特徴とする図形処理
   方法。
2. 【請求項２】　　３次元空間に定義された図形データを
   格納する図形データ格納手段（１）と、この図形データ
   を画面表示するよう図形処理する図形処理手段（２）と
   、この処理された図形を表示する表示手段（３）と、前
   記図形処理手段（２）が、前記表示手段（３）の各画素
   に対して各画素が表示すべき図形データの認識番号を定
   め、この各画素に定められた認識番号を格納する認識番
   号格納手段（４）とを備え、前記図形処理手段（２）が
   、前記認識番号格納手段（４）から前記認識番号を読み
   出し、この認識番号の付いた図形データを前記図形デー
   タ格納手段（１）より取り出し、この図形データに対し
   てのみ、視点とその認識番号が格納されていた前記画素
   を通る直線との交点計算を行い、その交点における法線
   を求めて、この図形データの色または濃度を決定するこ
   とを特徴とする図形処理装置。
3. 【請求項３】　　前記図形処理手段（２）は、前記図形
   データの色または濃度情報を前記認識番号で定義し、前
   記表示手段（３）の各図形データの色または濃度を定め
   る前記図形処理手段（２）の有する機能を用いて、前記
   各画素の認識番号を定めるようにしたことを特徴とする
   請求項２記載の図形処理装置。
4. 【請求項４】　　前記認識番号を図形処理対象となる物
   体ごと、またはこの物体を表現する多角体ごとに設定し
   たことを特徴とする請求項２または３記載の図形処理装
   置。