JPH04367083A - 画像生成装置 - 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、３次元物体の形状情報
をコンピュータ等を用いて２次元の表示面上に投影する
ことにより視覚化する画像生成装置に関し、特に２つ以
上の物体が重なった場合についても、短時間で高品質な
画像を生成できる画像生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、種々のシステムにより作成さ
れた３次元物体の形状情報を視覚化するために、３次元
物体の形状情報を２次元の表示面上に投影し、２次元画
像を作成する方法が用いられている。これらの画像を生
成する際に、２つ以上の物体が存在し、表示面に近い物
体が遠くの物体を覆い隠すような場合、近くの物体はそ
のまま表示し、遠くにある物体については一部乃至全部
を表示しないような処理を施す必要があり、この処理は
隠面処理と呼ばれている。隠面処理の方法には通常２つ
の方法が広く使われている。一つは、Ｚバッファとよば
れる表示面に対する物体の奥行き情報テーブルを用いる
方法で、３次元物体をある視点を基準として２次元の表
示面上に投影した際、この表示面の各ピクセルに対応す
る３次元物体の微細面までの距離（奥行き）を比較し、
表示面に一番近い微細面の奥行き情報をＺバッファに書
き込むものである。物体を表示する際には、微細面の奥
行き情報とＺバッファの奥行き情報を比較し、表示する
かしないかを決定する。もう１つの方法は、光線追跡法
（レイ・トレーシング）と呼ばれるもので、視点と表示
面の各ピクセルを結ぶ直線（光線）を追跡して、表示す
る物体を決定する。Ｚバッファ法は、比較的簡単なアル
ゴリズムであり、多くのグラフィック・システムにおい
てハードウェア或いはファームウェアとして実現されて
いて、非常に計算時間が早いという利点がある。また光
線追跡法は、光の反射や屈折も考慮にいれているため、
他の物体の映り込みなどを表現することができるという
利点をもっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た隠面処理において、Ｚバッファ法では物体の映り込み
など高度な光のモデルのシミュレーションは行わず、ま
た、光線追跡法の場合、表示面のすべての画素について
光線追従を行う必要があるので多大な計算時間が必要に
なるという問題点がある。しかも、Ｚバッファ法では表
示面上のピクセルと３次元物体上の微細面とが１対１に
対応付けされており、その奥行き情報に基づいて最も手
前の微細面のみの表示しか行えず、また光線追跡法にお
いても各ピクセルについて一本しか光線追跡を行わない
。従ってひとつのピクセルに２つ以上の物体が投影され
る物体と物体の境界部（或いは物体と背景）においては
、１つのピクセルが実際に投影される物体の一部の情報
しか表示できずジャギー（段差）が発生してしまうとい
う問題点がある。本発明は、上述の問題点を解決するた
めになされたものであり、短時間の演算で高品質な画像
を生成できるとともに、境界部にジャギーの発生しない
画像生成装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述のような
問題点を解決するためになされたものであり、複数の３
次元物体の形状情報、属性情報及び光源情報が入力され
る入力手段ａと、該３次元物体が投影される表示面上の
各ピクセルごとに３次元物体との距離を計算する奥行き
演算手段ｂと、該表示面上の各ピクセルごとに３次元物
体の投影面の及ぼす寄与率を計算する寄与率演算手段ｃ
と、前記表示面の各ピクセルに対応する３次元物体の微
細面の表示色を属性情報と光源情報から計算すると共に
、前記寄与率に基づいて前記表示面の各ピクセルの表示
色を決定する第１の表示色演算手段ｄと、前記３次元物
体の微細面について反射・屈折の属性情報の有無を判別
し、反射・屈折の属性情報を有する微細面については光
線追跡法により反射・屈折光を計算する第２の表示色演
算手段ｅと、前記２つの表示色演算手段により得られた
結果を合わせて各ピクセルの表示色を決定し２次元の画
像データとして出力する出力手段ｆを備えたことを特徴
とする画像生成装置により、前記課題を解決せんとして
いる。

【０００５】

【作用】本発明による画像生成装置は、複数の３次元物
体の形状情報、属性情報及び光源情報が入力手段ａに入
力される。奥行き演算手段ｂは３次元物体が投影される
表示面上の各ピクセルごとに３次元物体への距離（奥行
き）を計算する。また寄与率演算手段ｃは３次元物体が
投影される表示面上の各ピクセルごとに３次元物体の投
影面の及ぼす寄与率、即ち各ピクセルの面積に対する３
次元物体の投影面積比を求める。第１の表示色演算手段
ｄは、表示面の各ピクセルに対応する３次元物体の微細
面の表示色を属性情報と光源情報から計算すると共に、
前記計算した寄与率に基づいて表示面の各ピクセルの表
示色を決定する。次いで第２の表示色演算手段ｅは、３
次元物体の微細面について反射・屈折の属性情報の有無
を判別し、反射・屈折の属性情報を有する微細面につい
ては光線追跡法により反射・屈折光を計算して反射、屈
折光を計算する。こうして得られた２つ表示色演算手段
からのデータを合わて各ピクセルの表示色が決定され出
力手段ｆによって２次元の画像データとして出力される
。なお、前記「課題を解決するための手段」及び「作用
」の項において、図１に示す構成に限定される趣旨でな
いことは勿論である。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明
する。図２は本発明による画像生成装置を含むシステム
構成例を示すブロック図であり、符号１はコンピュータ
等からなる３次元物体の形状情報及び属性情報を作成で
きる形状情報作成手段である。符号２はコンピュータ等
からなる演算処理手段、符号３は本発明の画像生成処理
のアルゴリズムを実行するための演算処理機構等からな
る画像生成手段である。形状情報作成手段１は、３次元
物体の形状情報及び属性情報を作成する手段であり、既
知の３次元ＣＡＤや、３次元モデリング・システム、３
次元形状測定装置を利用することができる。これらの手
段で形状情報を入力するとともに、物体の色や反射率（
半透明体の場合は屈折率）等の物体固有の情報である属
性情報も入力する。

【０００７】形状情報作成手段１によって作成された形
状情報及び属性情報は、演算処理手段２に入力される。 既知のシステムである形状情報作成手段１は、システム
によって形状情報の表現形式、所謂フォーマットが異な
る。そこで、演算処理手段２において、画像生成手段３
に適するフォーマットに変換する。変換された形状情報
及び属性情報は画像生成手段３に渡される。その際、画
像生成に必要となる個々の物体の位置情報、光源情報、
視点情報なども同時に入力される。画像生成手段３では
、３次元物体を視覚化するために、渡された形状情報等
から後述するアルゴリズムに基づいて２次元の画像情報
を生成し表示する。

【０００８】画像生成手段３の構成について、図３によ
り更に詳しく説明する。符号４は本発明のアルゴリズム
を実行する演算処理装置、符号５は形状情報等を記憶す
る形状情報メモリ、符号６は３次元物体の奥行き情報を
格納するためのＺバッファ、符号７は表示物体の境界部
の境界情報である寄与率を格納する寄与率バッファ、符
号８は表示物体の光線追跡情報を格納する光線追跡バッ
ファ、符号９は表示する画像情報を格納するフレーム・
バッファ、符号１０はフレーム・バッファ９の画像情報
をディスプレイ表示用の信号に変換する画像表示装置、
符号１１は画像を表示するためのディスプレイ装置であ
る。

【０００９】次に図４に示すフローチャートに従って本
発明の作用について説明する。 （１）形状情報の入力 先ず形状情報作成手段１によって３次元物体の形状情報
を作成する（ステップＳＰ１）。この形状情報作成手段
１は前記のように既知の種々のシステムを利用すること
ができる。これらのシステムにおいては、図５に示すよ
うに３次元物体の表面を、パッチと呼ばれる四角形平面
の集合を用いて近似している。形状情報は、このパッチ
の各頂点の三次元座標値を示す頂点情報、頂点と頂点の
連結関係を示す辺情報、パッチを構成する全ての辺を表
す面情報から成り立っている。全てのシステムにおいて
形状情報それ自体は同じであるといえる。物体の色（例
えばＲ、Ｇ、Ｂの値）や表面特性（物体の反射率、屈折
率等）などの属性情報も同時に指定する。これらの属性
情報は基本的にはパッチ単位で持たせることができる。

【００１０】（２）フォーマットの変換形状情報の表現
の形式、即ちフォーマットは個々のシステムによって異
なる場合が多い。そこで、演算処理手段２を用いて同一
のフォーマット、つまり画像生成手段３にて処理し得る
フォーマットに変換する（ステップＳＰ２）。変換され
た形状情報は、画像生成手段３に入力される。また、こ
の段階において画像生成に必要な３次元物体の位置情報
、視点情報、光源情報なども入力される。位置情報は、
先に形状情報を入力した３次元物体をどの位置に配置す
るかを定義するものであり、視点情報は、観察者の視点
の位置、方向及び視野を定義するものである。また、光
源情報は、光源の位置、種類（点光源、面光源等の種別
）、色、強さ等を定義するものである。これらの情報は
、形状情報メモリ５に一旦格納される。

【００１１】（３）Ｚバッファによる隠面処理フォーマ
ットが変換され、画像生成手段３に入力された各種デー
タを用いＺバッファ法によって隠面処理を行う（ステッ
プＳＰ３）。Ｚバッファ６は、画像表示用のフレーム・
バッファ９に対応するバッファであり、現在表示されて
いる画像についてディスプレイ１１の各ピクセルに対応
する３次元物体の微細面の奥行き情報が格納されている
。ここで、微細面とは３次元物体を表示面に投影した際
の、表示面の各ピクセル（画素）に対応する３次元物体
の面をいう。新たに物体を表示する際は、３次元物体を
構成するパッチをディスプレイ１１の表示面に投影しそ
のパッチが占めるピクセルを求める。次に、各ピクセル
に対応するＺバッファ６の奥行き情報を参照して、各ピ
クセルに対応するパッチの微細面が現在表示面のピクセ
ルに表示されている微細面よりも手前にあるかどうかを
判定し、後述する表示色演算を行ってフレーム・バッフ
ァ９及びＺバッファ６の値を書き換えるピクセルを特定
する。すべてのパッチについて、この操作を行うことで
隠面処理を行うことができる。

【００１２】（４）寄与率の計算及び光線追跡を行うピ
クセルの特定 本発明で用いられるＺバッファ６には、図６に示すよう
に寄与率フラグ及び光線追従ポインタが付加されている
。通常は、Ｚ値には表示されている微細面の奥行き情報
が格納されているが、表示面のピクセルに物体の境界部
が投影されている場合は、寄与率フラグ（境界部にある
ピクセルには例えばビット１をたてる）がセットされ、
寄与率バッファ７に必要な情報が書き込まれる（ステッ
プＳＰ４）。図９に示すように、物体の境界部にあるピ
クセルについては二つ以上の物体（又は物体と背景）の
表示色をうまく混ぜ合わせて表示する必要がある。その
ために、物体を表示面に投影させた際に、表示面の各ピ
クセルごとに投影される微細面の寄与率をもとめ、図７
に示すように寄与率バッファ７に手前の物体の寄与率及
び各々の微細面の表示色と奥行き情報を書き込む。３以
上の物体が寄与している場合は、寄与率バッファ７の２
つ以上の項をリスト式に連結して各物体の寄与率をセッ
トする。この際、Ｚバッファ６と寄与率バッファ７との
対応は、Ｚバッファ６のＺ値のエリアには寄与率バッフ
ァ７へのアドレス・ポインタをセットすることで行う。 また、寄与率の求め方はピクセルの面積に対する投影さ
れた３次元物体の微細面の面積比によって計算する。し
たがって例えばあるピクセル全体に一つの微細面が投影
される場合、この微細面の寄与率は１となる。 一方、各ピクセルに表示される３次元物体の微細面につ
いて反射、屈折の属性情報が有る場合にはＺバッファ６
に光線追跡バッフア８への光線追跡ポインタがセットさ
れ、反射、屈折の属性情報が無い場合にはデフォルト値
−１がセットされる（ステップＳＰ５）。光線追跡ポイ
ンタがセットされた場合には、図８に示すように、対応
する光線追跡バッフア８に光線追跡を行うのに必要な情
報即ち追跡方向と、反射率または屈折率が格納される。 ここで、表示面のピクセルが物体の境界部である場合、
ステップＳＰ４で求めた寄与率を参考に光線追跡を行う
微細面を決定する。これは一つのピクセルについて一本
の光線しか光線追跡を行わないため、複数の微細面のう
ち、どの微細面に対して光線追跡を行うかを決定するも
のである。一つのピクセルに投影される微細面のうち、
反射、屈折の属性情報を有する微細面がひとつの場合は
その微細面に対して光線追従を行えばよく、複数ある場
合は寄与率の最も大きい微細面について光線追跡を行う
こととする。

【００１３】（５）３次元物体の表示色の決定ステップ
ＳＰ３とステップＳＰ４により書き直しが決定されたピ
クセルについて、ピクセルに投影される３次元物体の微
細面の表示色の計算を行う（ステップＳＰ６）。これは
、公知であるフォンの陰影付け等のアルゴリズムに基づ
き物体の属性情報及び光源情報に基づいて表示色を決定
し、この結果がフレーム・バッファ９に書き直されると
ともに、この微細面の奥行き情報もＺバッファ６に書き
直される。この際、寄与率フラグや光線追跡ポインタが
セットされている場合は、これをクリアする。Ｚバッフ
ァ６に寄与率フラグが付与されている場合は、寄与率バ
ッファ７を参照して複数の微細面についての表示色を求
め、寄与率に応じて表示色を混ぜ合わせ、そのピクセル
についての表示色を決定する（ステップＳＰ７）。寄与
率による表示色は、本出願人による特願平１−３２１０
６７号に記載した方法等を用いることができ、前の物体
の寄与率をαとすると、下記の計算で簡単に求めること
ができる。 （表示色）＝α（前物体の表示色）＋（１−α）（後物
体の表示色）

【００１４】（６）反射、屈折光の計算と最終表示色の
決定 全ての微細面についての表示色をもとめた後（ステップ
ＳＰ８）、Ｚバッファ６に光線追跡ポインタがセットさ
れているピクセルについて、光線追跡バッフア８の情報
に基づいて光線追跡を行い、反射、屈折光を求める（ス
テップＳＰ９）。一つのピクセルに複数の３次元物体の
微細面が投影される場合は、前述したように、複数の微
細面の内、その寄与率に応じて光線追跡を行う微細面を
決定し、その微細面についての反射、屈折の属性情報に
基づいて光線追跡法（レイ・トレーシング）の手法を用
いて光線追跡を行う。光線追跡を行ったピクセルについ
ては、先のステップＳＰ６で決定した表示色に反射、屈
折光を加えて最終的な表示色を演算する（ステップＳＰ
１０）。こうして決定された表示色が、画像表示装置１
０にてディスプレイ１１に表示するためのデータに変換
されて、ディスプレイ１１にて表示され、必要に応じて
ハードコピーとして出力される（ステップＳＰ１１）。 尚、本実施例では表示色の決定にフォンの陰影付けの手
法を用いたが、これに限定されるものではなく、Ｔｏｒ
ｒａｎｃｅ−Ｓｐａｒｒｏｗモデル等によっても同様の
処理を行うことができる。また、反射、屈折の属性情報
とは透過等の概念も含むものであり、種々の表面特性を
定義することができる。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、複数
の３次元物体の形状情報、属性情報及び光源情報が入力
される入力手段と、該３次元物体が投影される表示面上
の各ピクセルごとに３次元物体との距離を計算する奥行
き演算手段と、該表示面上の各ピクセルごとに３次元物
体の投影面の及ぼす寄与率を計算する寄与率演算手段と
、前記表示面の各ピクセルに対応する３次元物体の微細
面の表示色を属性情報と光源情報から計算すると共に、
前記寄与率に基づいて前記表示面の各ピクセルの表示色
を決定する第１の表示色演算手段と、前記３次元物体の
微細面について反射・屈折の属性情報の有無を判別し、
反射・屈折の属性情報を有する微細面については光線追
跡法により反射・屈折光を計算する第２の表示色演算手
段と、前記２つの表示色演算手段により得られた結果を
合わせて各ピクセルの表示色を決定し２次元の画像デー
タとして出力する出力手段とから構成したので、３次元
物体を表示面に投影する場合に、物体の映り込みなど高
度な光のモデルのシミュレーションを短時間で行うこと
ができる。また、物体の境界部においてもジャギーのな
い滑らかな境界ををもつ高品質の画像を生成することが
できる。更に、本発明では、画像生成を２つの段階に分
けたことにより、第１段階の処理で作業者が全体画像に
ついての大まかなイメージを確認することができ、問題
のない場合に光線追跡法による画像を作成できるので、
作業が行い易いという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の画像生成装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の画像生成装置を含むシステム構成を示
す図である。

【図３】本発明の画像生成装置の構成を示す図である。

【図４】本発明の作用を示すフローチャートである。

【図５】３次元物体の構成を示す説明図である。

【図６】本発明の画像生成装置のＺバッファの説明図で
ある。

【図７】本発明の画像生成装置の寄与率バッファの説明
図である。

【図８】本発明の画像生成装置の光線追跡バッファの説
明図である。

【図９】物体の境界部が投影された表示面の説明図であ
る。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　画像情報作成手段２　　　　　
　　　　　演算処理手段 ３　　　　　　　　　　画像生成手段 ４　　　　　　　　　　演算処理装置 ５　　　　　　　　　　形状情報記憶メモリ６　　　　
　　　　　　Ｚバッファ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の３次元物体の形状情報、属性情報及
   び光源情報が入力される入力手段と、該３次元物体が投
   影される表示面上の各ピクセルごとに３次元物体との距
   離を計算する奥行き演算手段と、該表示面上の各ピクセ
   ルごとに３次元物体の投影面の及ぼす寄与率を計算する
   寄与率演算手段と、前記表示面の各ピクセルに対応する
   ３次元物体の微細面の表示色を属性情報と光源情報から
   計算すると共に、前記寄与率に基づいて前記表示面の各
   ピクセルの表示色を決定する第１の表示色演算手段と、
   前記３次元物体の微細面について反射・屈折の属性情報
   の有無を判別し、反射・屈折の属性情報を有する微細面
   については光線追跡法により反射・屈折光を計算する第
   ２の表示色演算手段と、前記２つの表示色演算手段によ
   り得られた結果を合わせて各ピクセルの表示色を決定し
   ２次元の画像データとして出力する出力手段を備えたこ
   とを特徴とする画像生成装置。