JPH0546782A

JPH0546782A - 図形表示装置

Info

Publication number: JPH0546782A
Application number: JP20198591A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Mima; 俊哉美間
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-08-12
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明ではＺバッファ法による描画システム
の構成要素を活用しつつ、レイトレーシングで行われて
いる反射や屈折による周辺物品の移り込みをも表示でき
る装置を提供することを技術的な目的とする。【構成】表示すべき物体を検索する視点（９）と、前
記視点（９）の位置及びその視野角を設定する視野設定
部（８）と、表示すべき物体の特性データと視野情報を
統括的に管理するデータ管理部（１）と、物体及び視点
（９）の位置を３次元座標軸上で決定する座標決定部
（３）と、前記視野角の範囲内と範囲外にある図形を判
別し、且つ視野角の範囲外にある図形を消去するクリッ
プ部（４）と、その結果残った図形が覆っている画素の
リストを作成する画素展開部（５）と、前記リスト上の
画素のうち視点（９）から見て不可視な位置にあるもの
を消去する隠面消去部（６）と、その結果残った全ての
画素に対しそれぞれの輝度を計算する輝度計算部（７）
とから構成される図形表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、図形表示装置に係り、
特に写り込みや透過が生じる物体の表示を高速に行う装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近では、計算機による図形表示、又は
コンピュータ・グラフィックの分野において、３次元物
体をリアルに表示する必要性が高まって来ている。

【０００３】そこで、滑らかな物体の表面に写り込む他
の物体の像や、透明な物体を通して見える背景の像など
を表示できるようにすることは表示のリアリティを高め
ていく上で重要な課題である。

【０００４】一般に、反射・透過等による写り込みを伴
う図形の表示は、レイトレーシング法という特殊な表示
技法によってのみ実現可能とされていた。レイトレーシ
ング法は、表示すべき物体の視点から見て可視な部分と
不可視な部分とを判別して、不可視な部分を消去する隠
面処理を行うと共に、前記隠面消去を行った像をリアル
に見せる、つまり質感表現を行うレンダリング処理を行
う方法である。

【０００５】前記レイトレーシング法は、３次元空間内
に視点と表示すべき物体と前記両者の間にスクリーンを
設置する。そこで、視点からスクリーンを通して見える
風景の画像を得るため、視点からスクリーンの各位置を
通る光線（レイ）が最初に物体と交差する交点を探索
し、その交点においての輝度を求める方法である。

【０００６】このとき、レイが最初に交差した物体が鏡
のように滑らかであれば、その交点での輝度は、その交
点の正反射方向から入射する光の輝度に大きく依存す
る。同様に前記の物体が透明な物体であれば、屈折方向
からの入射光の輝度に強く依存することになる。

【０００７】前記のような入射輝度は視点から眺めた場
合と同様に、前記レイの交差した交点から各々正反射方
向、屈折方向を眺めた時の輝度として求まる。以上のよ
うに、レイトレーシング法では、画像の生成をある点か
らしかるべき方向を眺めた時の点の輝度を求める処理を
用意し、前記処理を繰り返しを行うことにより、反射や
屈折といった高品位な画像生成が実現できるという利点
がある。

【０００８】しかし、レイトレーシング法による画像生
成では、速度が遅いという欠点があり、その原因は隣接
するレイは同じ物体と交差する確率が高いという、コヒ
ーレンスの特質を利用していないためである。

【０００９】そこで、レイトレーシング法の実用化は特
に高品位な画像の生成を必要とする場合に限り、通常の
画像表示においては、他の表示アルゴリズムを用いるこ
とが多い。

【００１０】特に、高速度表示の装置においては、Ｚバ
ッファ法という表示アルゴリズムが採用されている。こ
のＺバッファ法の手順構成を以下に示す。１）画像の解像度の大きさの配列（Ｚバッファ）を準備
する。Ｚバッファは背景までの距離で初期化を行う。

【００１１】２）オブジェクト空間の図形を視点から見
た座標系に変換する。３）各図形に対して、その図形が覆っている画素の一覧
を作成する。４）作成した画素の一覧の各々について、その（ｘ，
ｙ）座標と同じ座標のＺバッファの値と比較する。その
結果により視点に近いと判定される場合は、図形がその
画素の位置で（この時点までは）可視であるから、その
画面のその座標の色を図形の色で、Ｚバッファのその座
標の値をその図形の奥行き値で更新する。

【００１２】以上の手順において、画素の一覧作成にコ
ヒーレンスの特質を利用できるため、高速に画像の表示
が行える。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レイが最初に
交差した物体が反射、透過を生じる物体である場合は、
新たにその反射方向、又は屈折方向へレイを伸ばし、そ
こからレイが最初に交差する物体を検索しなくてはなら
ないが、Ｚバッファ法においては一度交点を求めてから
さらに交差する物体を検索するのに必要な図形情報を参
照する手段を持たない。

【００１４】さらに、反射又は屈折によってレイが複雑
な方向に拡散してしまい、その任意方向の交差判定は、
レイトレーシング法によってのみ行われており、Ｚバッ
ファ法によって行われていないことから、Ｚバッファ法
においては反射又は屈折による写り込みを実現すること
が不可能とされていた。

【００１５】そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてな
されたものであり、Ｚバッファ法による画像表示システ
ムの構成要素を活用し、かつレイトレーシング法におい
て行われている反射又は屈折による周辺物体の写り込み
をも表示できる方式を提供することを技術的課題とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記課題を
解決するために以下の様にした。これを図１の原理図に
基いて説明する。

【００１７】描画すべき物体の物理的データをもとに、
任意の視点９から見た場合の前記物体を描画する図形表
示装置において、物体の物理的データを予め記憶してい
る物理的データ記憶部２と、表示すべき物体に視野角の
範囲内において直線状の検視線を当てて点単位で前記物
体を検索する視点９と、前記視点９の位置及び視野角を
設定する視野設定部８と、前記物理的データ記憶部２か
ら表示すべき物体の特性データと前記視野設定部８から
の視野情報を読み出して管理するデータ管理部１と、前
記データ管理部１からのデータにより図形の位置を３次
元座標軸上で決定する座標決定部３と、前記３次元座標
軸上の座標位置において前記視野角の範囲内にある図形
と視野角の範囲外にある図形とを判別して視野角の範囲
外にある図形を消去するクリップ部４と、その結果残っ
た図形が覆っている画素のリストを作成する画素展開部
５と、前記リスト上の画素が視点９から見て可視な位置
にあるか否かを判別して不可視な位置にあるものを消去
する隠面消去部６と、前記視野角内の図形に覆われた全
ての画素に対しそれぞれの輝度を計算する輝度計算部７
とを備え、前記輝度計算部７は、前記図形が反射・屈折
による写り込み又は透過を生じる物体の場合に、光源か
らの寄与による輝度と、周辺物体からの反射、透過の寄
与による輝度を算出し、その結果に基いて前記物体の輝
度を算出することを特徴とする図形表示装置とした。

【００１８】ここで、前記隠面消去部６は、前記クリッ
プ部４の結果残った図形の内、視点９からの検視線が物
体と複数回交差する場合に、最も視点９側にある交点の
識別し、その交点以外の交点を消去することにより隠面
の消去を行う。

【００１９】また、前記視野設定部８は、表示すべき物
体が反射、透過を生じる物理的特性を持つ場合に、前記
検視線と物体との最初の交点に視点９の位置を移動さ
せ、前記交点から反射、透過方向へ再び検視線を送出し
て周辺物体の探索し、この視野情報を再帰的に輝度計算
部７へ通知するようにした。

【００２０】

【作用】本発明によれば、表示すべき物体が反射や透過
による写り込みを生じる物理的特性を持つ場合に、視野
設定部は、視点から送出した検視線が物体と最初に交差
する交点に視点の位置を移動させる。

【００２１】このとき、視点は、前記物体の物理的デー
タに従って、その反射方向または透過方向へ再び検視線
の送出を行う。これにより得られた視野情報は、データ
管理部に通知され、データ管理部では、前記視野情報と
物理的データに基いて、クリップ部以下の処理を再帰的
に行う。

【００２２】そして、輝度計算部は、光源からの寄与に
よる輝度と、周辺物体の寄与による輝度を算出して、前
記交点における輝度を正確に計算することができる。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例を図に基いて説明する。図２
は、本実施例における図形表示装置の構成図である。

【００２４】視点９は、視野角の範囲内において、直線
状の検視線を送出し、前記視野角の範囲内にある物体を
点単位で検索する。物理的データ記憶部２は、表示すべ
き物体の図形情報、前記物体の反射率、屈折率等の物理
的データを記憶する装置である。

【００２５】データ管理部１は、前記物理的データを管
理し、且つ検視線と物体との交点情報による再帰計算を
管理する。座標決定部３は、最初の視点９位置から見た
場合の視野角内部を描画する際と、交点へ視点９を移動
した後に視点９から見た場合の視野角内部を描画する際
とで、それぞれ別々の座標変換行列を用いて、３次元座
標軸上において、物体の位置座標を決定する。

【００２６】クリップ部４は、視野角の範囲内にある物
体と、視野角の範囲外にある物体との判別を行い、視野
角の範囲外にある物体を消去する。画素展開部５は、前
記クリップ部４の行った処理の結果残った物体を画素の
大きさまで展開する。

【００２７】隠面消去部６は、視点９からみて、前記画
素が可視であるか否かの判別を行う。すなわち、一本の
検視線が物体と複数回交差する場合に、視点９から一番
近い距離にある交点の判別を行い、その交点以外の交点
を消去する。

【００２８】輝度計算部７は、物理的データ記憶部２か
らの情報により、視点９からの検視線と物体の交差する
交点における反射率、又は透過率を計算し、入射する光
の輝度と掛け合わせて、前記交点の輝度を計算する。

【００２９】視野設定部８は、表示すべき物体が写り込
みを生じる場合に、前記交点へ視点９の位置を移動さ
せ、交点から反射、又は透過方向への視野を十分狭い視
野角にて設定する。

【００３０】また、本実施例においては、表示すべき物
体が写り込みを生じる場合に、以下の情報を格納するス
タック１０を輝度計算部７に設けた。１）反射／透過方向のいずれかを示すフラグ２）光源からの反射／透過により寄与される輝度３）正反射方向からの反射率４）透過方向からの反射率次に、本実施例における図形表示装置の動作過程につい
て図３に基いて説明する。

【００３１】視野設定部８は、視点９の位置及び視野角
を設定し、この情報（以下視野情報と記す）をデータ管
理部１に通知する。ステップ２０１において、前記デー
タ管理部１は、視野設定部８からの視野情報と共に物理
的データ記憶部２より表示すべき物体の物理的データを
読み込む。そして、前記の両データを座標決定部３に通
知する。

【００３２】ステップ２０２において、座標決定部３
は、前記視野情報と物理的データとに基いて前記視点９
と表示すべき物体との位置関係を３次元座標軸上で決定
する。ステップ２０３において、クリップ部４は、設定
された視野角の範囲内にある物体と、範囲外にある物体
とを判別して、範囲外にある物体についてはステップ２
１０において消去する。

【００３３】ステップ２０４において、画素展開部５
は、ステップ２０３、２１０の処理により残った物体が
覆う全ての画素をリストアップする。ステップ２０５に
おいて、前記リストアップされた画素が視点９から見て
可視な位置にあるか、不可視な位置にあるのかを判別
し、不可視な位置にある画素についてはステップ２１１
において消去する。

【００３４】ここで、図４に基いて隠面消去の過程を説
明する。３次元軸上に位置決めされた視点９と物体１１
において、視点９は視野設定部８により視野角θを設定
されているものである。

【００３５】視点９は、視野角の範囲内において直線状
の検視線（図中Ｌ）を送出して視野角θの範囲内にある
物体１１を探索する。図中において検視線Ｌは、点ａ、
ｂにおいて物体１１と交差する。

【００３６】ここでは、前記交点ｂは、視点９から不可
視な位置にあるので、隠面消去部６により消去される。
また、図３中のステップ２０６において、表示すべき物
体が反射、又は透過を生じる特性を持つもか否かの判別
を行う。この判別は、物理的データ記憶部２から読み出
したデータに基いて行う。

【００３７】そして、前記物体が反射、又は透過を生じ
る特性を持たない場合は、ステップ２１２において輝度
計算部７に設けたスタック１０に格納されている情報に
基いて交点の輝度を（すなわち、画素の輝度）を算出
し、この結果を前記画素に書き込んで物体の図形表示を
行う。ここで、元々輝度を計算すべき物体が反射、また
は透過を生じないならばスタック１０には情報は何も格
納されておらず、光源の寄与による輝度のみを計算し
て、画像表示を行う。

【００３８】一方、前記物体が反射、又は透過を生じる
特性を持つ場合は、ステップ２０７において、光源から
の寄与による輝度のみを計算し、この計算結果をスタッ
ク１０に格納する。

【００３９】則ち、前記計算過程において、反射、又は
屈折の写り込み特性をもつ物体の場合は、輝度が確定し
ない。この場合において、入射する光の輝度値を仮定し
て、輝度値を計算する。

【００４０】前記の計算処理は、以下に示す計算式によ
り行う。輝度値＝光源からの反射（又は透過）分＋正反射方向か
らの反射率×正反射方向からの入射光＋透過方向からの
透過率からの入射光・・・・式１前記式１のうち、第一項はすぐに確定するが、第二、第
三項は反射、又は透過方向からの入射輝度、すなわち反
射／透過していった先の物体の輝度が確定しない限りは
確定しない。そこで、視点からの検視線が物体に交差す
る度に式１中の第三項の計算結果を別々に保持し、値が
確定するまでスタック１０に格納するようにした。

【００４１】そして、光は、反射、又は屈折を繰り返す
うちにいずれ反射、又は屈折による写り込みの無い物体
に交差するので、その時点で輝度を確定し、表示すべき
画素の色となる。

【００４２】本実施例では、前記式１の第二項及び第三
項を求めるに際して、視野設定部８は輝度を計算すべき
画素の位置（すなわち、検視線と物体との交点の位置）
に視点９を移動させる。前記視点９には、十分狭い視野
角を設定し、この視野情報をデータ管理部１に通知す
る。

【００４３】ここで、前記視野設定部８の動作過程を図
４に基いて説明する。検視線Ｌが物体と最初に交差する
交点ａの輝度を求める場合に、物体１１が例えば反射特
性を持つ場合は、視野設定部８は式１の計算終了後に視
点９を前記交点ａの位置に移動させる。さらに、視野設
定部８は、視点９に十分狭い視野角を設定する。又、視
野の方向は、物理的データ記憶部２に記憶された反射特
性データに基いて設定する。

【００４４】再び図３のフローチャートに戻って本装置
の動作過程を説明する。ステップ２０９の処理後、ステ
ップ２０１に戻り、以下の処理過程をデータ管理部１に
より制御する。

【００４５】前記データ管理部１は、視野情報と物理的
データ記憶部２からのデータをクリップ部４に通知し、
上記と同様の動作を視点からの検視線Ｌが反射、また
は、透過を生じない物体と交差するまで、図３中のステ
ップ２０７〜ステップ２０５の動作を繰り返し、ステッ
プ２０６においては、反射、又は透過方向の物体がさら
に反射、又は透過特性を持つか否かの判別を行い、前記
特性を持たなければステップ２１２に進み、前回スタッ
ク１０に格納した情報と共に、以下の計算を行う。輝度値＝光源からの反射／透過分＋正反射方向からの反
射率×正反射方向からの入射光＋透過方向からの透過率
×透過方向からの入射光のうち、例えば、ここでは透過方向からの入射光を計算
しているとすると、次の式のように展開できる。輝度値＝光源からの反射／透過分＋正反射方向からの反
射率×正反射方向からの入射光＋透過方向からの透過率
×［光源からの反射／透過分正反射方向からの反射率
×正反射方向からの入射光、透過方向からの透過率×透
過方向からの入射光］また、この時点でも輝度が確定しない場合、すなわち、
反射、又は透過方向の物体が反射、又は透過特性を持つ
場合には、光源からの寄与分、正反射方向からの反射
率、透過方向からの反射率をそれぞれスタック１０に格
納し、処理を継続する。

【００４６】輝度が確定したならば、その輝度を代入す
る。以上の過程を経て本装置は、図形表示を行う。

【００４７】

【発明の効果】従って、本発明によれば、Ｚバッファ法
による描画システムの構成要素を活用しつつ、レイトレ
ーシング法で行われている反射や屈折による周辺物体の
移り込みをも表示できる。すなわち、検視線の交差判定
を行うため、一度求めた交点の位置、交差の方向、面の
向きなどの情報を一旦スタックに記憶し、さらにその交
点から反射方向、又は透過方向において検視線と交差す
る図形を探索することができる。

【００４８】さらに、反射や屈折により検視線が複雑な
方向へ拡散してしまうが、十分絞った視野を設定して、
その視野に掛かる物体をクリッピングして、クリッピン
グの結果残った物体の内最も手前にある物体の識別をＺ
バッファ法の隠面消去により行うことでレイの方向の物
体の検索がスムース且つ迅速に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図

【図２】本実施例における図形表示装置の構成図

【図３】本実施例における図形表示装置の動作過程を示
したフローチャート

【図４】本実施例における隠面消去過程および視点の再
帰設定過程を示した図

【符号の説明】

１・・データ管理部２・・物理的データ記憶部３・・座標決定部４・・クリップ部５・・画素展開部６・・隠面消去部７・・輝度計算部８・・視野設定部９・・視点１０・・スタック１１・・物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】描画すべき物体の物理的データをもと
に、任意の視点から見た場合の前記物体を描画する図形
表示装置において、物体の物理的データを予め記憶している物理的データ記
憶部（２）と、表示すべき物体に視野角の範囲内におい
て直線状の検視線を当てて点単位で前記物体を検索する
視点（９）と、前記視点（９）の位置及び視野角を設定
する視野設定部（８）と、前記物理的データ記憶部
（２）から表示すべき物体の特性データと前記視野設定
部（８）からの視野情報を読み出して管理するデータ管
理部（１）と、前記データ管理部（１）からのデータに
より図形の位置を３次元座標軸上で決定する座標決定部
（３）と、前記３次元座標軸上の座標位置において前記
視野角の範囲内にある図形と視野角の範囲外にある図形
とを判別して視野角の範囲外にある図形を消去するクリ
ップ部（４）と、その結果残った図形が覆っている画素
のリストを作成する画素展開部（５）と、前記リスト上
の画素が視点（９）から見て可視な位置にあるか否かを
判別して不可視な位置にある画素を消去する隠面消去部
（６）と、前記視野角内にある図形に覆われた全ての画
素に対しそれぞれの輝度を計算する輝度計算部（７）と
を備え、前記輝度計算部（７）は、前記図形が反射・屈折による
写り込み又は透過を生じる物体の場合に、光源からの寄
与による輝度と、周辺物体からの反射、透過の寄与によ
る輝度を算出し、その結果に基いて前記物体の輝度を算
出することを特徴とする図形表示装置。
【請求項２】前記隠面消去部（６）は、前記クリップ
部（４）の結果残った図形の内、視点（９）からの検視
線が物体と複数回交差する場合に、最も視点（９）側に
ある交点の識別し、その交点以外の交点を消去すること
を特徴とする請求項１記載の図形表示装置。
【請求項３】前記視野設定部（８）は、表示すべき物
体が反射、透過を生じる物理的特性を持つ場合に、前記
検視線と物体との最初の交点に視点（９）の位置を移動
させ、前記交点から反射、透過方向へ再び検視線を送出
して周辺物体の探索し、この視野情報を再帰的に輝度計
算部（７）へ通知することを特徴とする請求項１記載の
図形表示装置。