JPH06195471A - 映像データを点標本化する方法、ビデオ映像フレームを形成する方法及び映像を表示する装置 - Google Patents

映像データを点標本化する方法、ビデオ映像フレームを形成する方法及び映像を表示する装置

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JPH06195471A
JPH06195471A JP5163887A JP16388793A JPH06195471A JP H06195471 A JPH06195471 A JP H06195471A JP 5163887 A JP5163887 A JP 5163887A JP 16388793 A JP16388793 A JP 16388793A JP H06195471 A JPH06195471 A JP H06195471A
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JP5163887A
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English (en)
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Robert L Cook
ロバート・エル・クック
Thomas K Porter
トーマス・ケー・ポーター
Loren C Carpenter
ローレン・シー・カーペンター
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PIKUSAA
Pixar
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PIKUSAA
Pixar
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Publication date
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
    • G06T15/50—Lighting effects
    • G06T15/503—Blending, e.g. for anti-aliasing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S345/00—Computer graphics processing and selective visual display systems
    • Y10S345/949—Animation processing method
    • Y10S345/952—Simulation

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンピュータグラフィックでエイリアスのな
い映像を得る。 【構成】 目的物光景の静的な及び時間的に変化する目
的物光景の視覚的特性を指定するコンピュータメモリデ
ータベースと、前記データベースの情報の標本化のため
にコンピュータメモリに結合され、目的物光景の全幅に
渡って疑似ランダムに配置された複数の点において目的
物光景の視覚的特性を決定する手段と、前記コンピュー
タメモリに結合され、前記複数の標本点を時間的に疑似
ランダムに分布させる手段とを有し、空間的にかつ時間
的にエイリアシングが減少した状態でモニタに映像を表
示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は全体としてコンピュータ
・グラフィックス技術に関するものであり、更に詳しく
いえば光景の映像を再構成する目的で光景情報を点標本
化する分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】広く実施されるようになってきているコ
ンピュータ・グラフィックスの１つの態様は、コンピュ
ータ・メモリに格納されている動く光景の情報から、そ
の光景の一連のビデオ映像フレームを発生することであ
る。光景のデータベースは光景の色のような視覚的特徴
の情報と、動きの情報とを含む。それから、ビデオフレ
ームの作製者がコンピュータを用いて、作製者が表示す
ることを希望する光景の図と動きを与えるようにして、
データベースから各ビデオフレームの信号を電子的に組
み立てる。
【０００３】各ビデオフレームのための電気信号は対象
物の光景のデータベースを電子的に標本化することによ
り発生されるのが普通である。発生される各ビデオフレ
ームごとに、標準のラスタ走査されるビデオモニタの各
ピクセルの色と輝度の少なくとも一方を表すために、別
々の組のデジタル信号が発生される。したがって、各ピ
クセルはビデオ表示の分解能の最小要素である。与えら
れたピクセルの場所における光景の特徴を決定するため
に、データベース情報を標本化することにより各ピクセ
ルの色と輝度の少なくとも一方が決定される。その標本
化は、ピクセルの領域のある部分にわたって光景情報を
平均することにより、またはより一般的には、ピクセル
内の１つまたはそれ以上の点における情報を、通常は周
期的にくり返すパターンのある形態で標本化することに
より一般に行われる。
【０００４】コンピュータ・グラフィックスの分野にお
ける最近の研究は、得られる映像の迫真性を高めること
に向けられている。対象物の構成、陰影、反射における
透明さなどを忠実に再現するという面で進歩が見られて
いる。また、エイリアスの問題にも研究努力が注がれて
いる。従来の標本化技術は「エイリアス」映像、すなわ
ち、実物のように見えるが、コンピュータ・データベー
ス中で指定されていない映像、を有するビデオ映像フレ
ームを発生する傾向がある。これは、種々用いられてい
る点標本化技術により形成される映像の特徴として一般
に認識されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
全体的な目的は、得られるビデオ映像フレームの迫真性
を高め、対象とする光景のコンピュータ・データベース
表現から発生されるビデオ再生の完全性を高めることで
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、目的物光景の
時間的に変化する及び静的な視覚的特性を特定するコン
ピュータメモリに記憶したデータベースと、前記コンピ
ュータメモリに結合され、目的物光景の全幅に渡って疑
似ランダムに配置された複数の点の視覚的特性を決定す
るために前記データベースの情報を標本化する手段と、
前記コンピュータメモリに結合され、前記複数の標本点
を時間的に疑似ランダムに分布させる手段とを有して、
空間的にかつ時間的にエイリアスが減少した状態でモニ
タに映像を表示することを特徴とするものである。
【０００７】また本発明は、コンピュータシステムで映
像データを表すピクセルの特性情報を決定するために映
像データを点標本化する方法であり、ピクセルの少なく
とも一つの位置を含む複数の標本領域を選択し、前記標
本領域中の最小の領域の標本点の分布が非周期的である
ように前記領域内に標本点を決めることを特徴とするも
のである。
【０００８】さらに、本発明は、映像フレームに含ませ
る目的物がコンピュータデータベースに記憶された空間
的、視覚的特性を指定するデータとして表されており、
各ピクセルの特性情報を決定するためにそのコンピュー
タデータベースの情報にアクセスして、映像フレームを
形成するピクセル・アレイの各ピクセルの特性情報を独
立に制御して映像フレームを形成する方法であり、重複
しない複数の部分に前記ピクセルを空間的に分割し、前
記部分の中に各部分それぞれに基準点の位置を予め不規
則に配置し、前記映像フレーム内の各ピクセルの前記各
部分のそれぞれの基準点のオフセットを複数のオフセッ
ト点が不規則分布であるように決め、前記フレームの各
ピクセルの各オフセット点において特性情報を決め、各
ピクセル内のオフセット点の特性情報を結合させて各ピ
クセルの唯一の特性情報を決定するようにしたことを特
徴とするものである。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。まず、本発明の種々の面を実行するために適当な汎
用コンピュータ装置が示されている図１を参照する。共
通バス１１が中央処理装置（ＣＰＵ）１３と主メモリ１
５に接続される。バス１１にはキーボード１７と大容量
ディスクメモリ１９も接続される。コンピュータ装置と
しては市販されているＶＡＸ−１１／７８０コンピュー
タ装置またはクレイ（Ｃｒａｙ）大型コンピュータ装置
が適当である。フレーム・バッファ２１がバス１１から
出力情報を受け、その出力情報を別のバス２３を介して
標準カラーテレビジョン・モニタ２５、または発生され
た映像フレームをフィルムに直接書き込む別の周辺装置
２７へ与える。また、出力装置は標準型のビデオテープ
レコーダとすることもできる。
【００１０】図２は、図１に示すコンピュータ装置のメ
モリに格納されている光景の情報の構成を示す。そのよ
うな情報を格納するために多くのやり方がある。そのう
ちの１つが本発明に関連して示すために選択されてい
る。この技術は対象とする光景をいくつかの構成要素に
分解することを含む。それらの要素のことをここでは幾
何学的基本要素と呼ぶことにする。そのような幾何学的
基本要素の一例が、たとえば、図２に示されている破線
格子３３の中に示されている多角形３１である。その破
線格子３３は形成された表示のいくつかの隣接するピク
セルを示す。形成された表示は、一様であるべき各ピク
セル内の光景の色と輝度をもちろん示し、ピクセルの寸
法は表示の解像力素子寸法である。多角形はビデオフレ
ームで表すべき光景の部分を表す。
【００１１】各対象となる多角形についてコンピュータ
・メモリに格納されている情報は、特定の画質のビデオ
映像フレームを発生するために必要な膨大なものであ
る。それの位置は確かにその情報の一部でなければなら
ず、ｘ、ｙおよびｚ座標で表すと便利である。多角形の
各頂点のｘ、ｙおよびｚ座標は、多角形３１に関して図
２に示すように、構成すべきビデオフレームごとに格納
される。「ｘ」の数と「ｙ」の数は点の水平位置と垂直
位置をそれぞれ表し、「ｚ」の数は構成されるビデオ・
フレーム（映像平面）のそれのうしろへの距離を指定す
ることはもちろんである。
【００１２】１つの映像フレームの時間中に起こる対象
光景の動きを標本化できるようにするためには、そのよ
うな時間中のそれの動きの各多角形についての情報も格
納される。図２には、同じ多角形の第２の位置３１′も
示され、その多角形の頂点の座標がその多角形の最初の
位置の座標に対する増分変化として格納される。多角形
３１に対して示されている位置はなるべく、たとえば、
ビデオ・フレームの初めにおける位置とし、位置３１′
はビデオ・フレームの終わりの位置にする。その時間内
に多角形は形を変えることもできる。
【００１３】各対象物の表面多角形の位置がデータベー
スに格納されるのに加えて、各対象物のある視覚的特徴
も格納される。それらの視覚的特徴には赤色、緑色およ
び青色の反射信号および透過信号と、反射による光拡散
の範囲と、表面透過による光分散の範囲と、それらに類
似の特徴とが含まれる。それらの特徴およびその他の特
徴の使用については、本発明の技術に関連して以下に説
明する。
【００１４】次に図３を参照して、映像フレームの各ピ
クセルの色と輝度の少なくとも一方を決定するために一
般に用いられている技術について説明する。コンピュー
タのデータベースに格納されている情報、この例では図
２に示されている多角形の情報であって、ある特定のピ
クセルにより占められている空間に存在する情報、がピ
クセル内の複数の点について決定される。多くの点を含
むピクセルが図３に示されている。これらの点は一つの
ピクセル内の標本点であり、座標の両方向に周期的に配
置されている。しかし、ピクセル当たり１個の標本点ま
たは非常に少数の標本点を使用するいくつかの技術もあ
る。そのような各標本点における対象光景の性質が決定
され、映像フレームのそのピクセルの色と輝度を決定す
るために、重みづけ平均化または重みづけのない平均化
のような何らかのやり方でそれらの決定の結果が組み合
わされる。
【００１５】図４は同様な周期的点標本化技術を示す
が、この場合には各場合に必ずしも全ての点標本がとら
れるわけではない。すなわち、図４に示す技術において
は、線３５で表されているように、ピクセルの対象光景
の変化が起こる領域においてのみ周期的標本化パターン
の全密度が採用される。したがって、この映像依存技術
は必要とする標本の数と処理時間を少なくする。
【００１６】しかし、それらの周期的標本化技術および
その他の周期的標本化技術で得られる再構成された映像
には、表示すべき実際の映像の「エイリアス」が含まれ
る。そのエイリアスをなくす技術を得るために多くの努
力が注がれており、それの１つは、技術のエイリアス効
果を無くすために、周期的なパターン点標本技術から得
たビデオ信号を処理することである。他の技術は、いく
つかの特殊な標本化応用に対して、非周期的な、震動さ
せられるやり方で標本化することを示唆している。本発
明の技術はそのような先行技術の改良および新規な応用
を含むものである。
【００１７】図５、図６および図７に３種類の疑似ラン
ダム標本化技術が示されている。それらの図には１つの
ピクセルが示されており、図示を簡単にするために、ピ
クセル当たりたった４個の点標本が示されている。しか
し、実際には、本発明の全ての面が利用されるものとす
ると、ピクセル当たり１６個、あるいは６４個もの点標
本を使用する。他の場合にはより少ない数、たとえばピ
クセル当たり１個というような数も使用できる。しか
し、いずれにしても、各ピクセル内においても及び映像
フレームの面全体にわたっても点標本のパターンは周期
的でなく、また長方形パターンや直線的な格子パターン
となることはない。さらに選択された各標本化パターン
は多数のピクセル領域にまたがることがあり、また１個
のピクセル内にのみ限定されることがある。しかし、こ
こで説明する例は、説明を簡単にするために、１個のピ
クセルの標本化領域を用いる。
【００１８】図５、図６および図７に示す各実施例は、
標本点の数、この場合には４個、に等しい数の重なり合
わない領域にピクセルをまず分けることにより、ピクセ
ル内の標本点の場所を決定する。各標本点はそのような
各領域内に限られ、それにより標本点が拡がらないよう
にする。ピクセルの４つの領域に番号４１、４３、４
５、４７がつけられる。それらの領域は矩形として示さ
れているが、他の形にすることもできる。
【００１９】図５に示す実施例においては、それら４つ
の各領域に対する標本点の場所が疑似ランダムに決定さ
れる。理想としては、それらの領域の場所を決定するた
めに用いる「ランダム」な数は全くランダムである方が
よいが、それらの数はコンピュータにより決定されるか
ら、定められた領域内の標本位置にはある程度の反復性
がある。しかし、多数の標本場所の分布はランダム分布
に一致する。各標本点のｘ、ｙ座標をコンピュータが発
生する最も一般的なやり方は、乱数の分布に対応する分
布の数のリストを有するメモリに格納されているルック
アップ表を使用することである。しかし、通常の技術は
コンピュータが数表を順次歩進することであり、数表の
長さは有限であるからある程度の反復は存在する。しか
し、数表の長さは非常に長くできるから、多数の標本点
に対しても反復が起こることはない。しかし、標本場所
の完全にランダムな選択と、そのようなコンピュータ・
ルックアップ表により制御される標本場所の選択を適切
に説明するために、ここでは標本場所を疑似ランダムと
呼ぶことにする。
【００２０】図５に示す技術の実現においては、与えら
れた映像フレーム内のあらゆるピクセルについて同じ標
本パターンが用いられる。しかし、隣合う２つのピクセ
ルが同じ標本パターンを持たないようにすることを含め
て、標本パターンの全ての周期性をなくすことが好まし
い。これは、乱数の十分に長いルックアップ表を用いる
ことにより行うことができる。同じパターンを有する２
つのピクセルが隣接しない（対角線方向の隣接も含む）
ような標本パターンを発生することが好ましい。これは
図６および図７に示す技術の結果である。
【００２１】次に図６を参照する。図示のピクセルの４
つの重なり合っていない各領域は一定場所、たとえば中
心、に基準点を有する。実際の各標本点場所は、コンピ
ュータにより、各基準点のｘ座標とｙ座標に正または負
の乱数を加えることにより決定される。それらのオフセ
ット数は、たとえばコンピュータの乱数ルックアップ表
からランダムに決定されるから、ある非常に多数のピク
セルに対してパターンの反復が起こることはない。
【００２２】同じオフセット技術の別の応用は、図７に
示すように、図５と図６に示す技術を組み合わせること
である。この技術は、基準点が隣接するピクセル領域の
中間に固定されるのではなくて分布しているから、図５
の技術に類似しており、図６に示す技術とは異なる。図
７に示す実施例の基準点パターンは各ピクセルごとに同
じにできるが、実際の点標本場所は、各基準点の座標に
正または負のｘ、ｙ座標オフセット増分を加えることに
より決定される。便宜上、図７の各基準点の周囲の破線
輪郭により示されているように、最大のオフセットに制
限が加えられる。しかし、図６の実施例における標本点
は、ピクセルの領域のそれぞれの部分のどこにも配置で
きる。
【００２３】１つの標本点が含まれる重なり合わない領
域を最初に定めることにより、標本点の集合化が避けら
れる。４個の各標本点を全ピクセルの中のどこにでも位
置させることができるものとすると、それらの特定の場
所のランダムな選択により、２個またはそれ以上の標本
点が一緒になる機会がある。ある範囲の潜在的な点標本
場所を重なり合わない領域内にするように定めることで
これを行えるが、領域をわずかに重なることを認めると
いうようにこの特定の技術をいくらか変更するか、その
他の変更も明らかに存在し得る。標本点のくっつき合い
がたまには起こるようにして標本点が選択されるものと
すると、特定の用途においては問題は起こらないことも
ある。
【００２４】図５〜図７を参照して説明した各技術によ
り、従来の周期的な標本の分布で得る映像よりもエイリ
アスの少ない映像をコンピュータのデータベースから得
ることができる。映像フレームの各ピクセルに対して同
じパターンが反復されるような図５に示す技術はある程
度の改良を示すものであるが、図６、図７に示す技術は
エイリアスを減少させることでは更に大きい改良であ
る。図７に示す技術は、ノイズが少ないという利点も有
するから、３つの技術のうちで最も良いものであること
が観察されている。
【００２５】次に、エイリアスされた映像をどのように
して得て、表示できるかの例を示す図８を参照する。図
８（Ａ）は「小割板」５１、５３、５５、５７、５９の
「柵」状の映像である。この映像は、簡単のために一次
元でのみ示されている点６１、６３、６５、６７、６９
の周期的な分布により標本化される。標本点の周期は映
像の周期的な輝度変化の周期より長いから、それらの変
化の全てが忠実に再現されるものではない。図８（Ｂ）
は図８（Ａ）の標本から発生されるビデオ表示の映像を
示すもので、領域７１はある輝度にあり、領域７３は別
の輝度にある。もちろん、図８（Ｂ）の映像は図８
（Ａ）の映像の忠実な再生ではない。しかし、３つの標
本点が映像の同じ輝度を持つ位置に一致し、他の２つは
他の輝度を有する部分に一致するから、画像の変化の詳
細を忠実に再生することができない。図８（Ｃ）のカー
ブは図８（Ａ）の映像の輝度変化を表し、図８（Ｄ）の
カーブは標本化関数であり、図８（Ｅ）のカーブは図８
（Ｂ）の得られた映像のカーブを示す。
【００２６】そのようなエイリアス映像を形成すること
を避けるために提案された１つの方法は、細部を捕らえ
ることができるように、標本点の数を増加することであ
る。すなわち、周知のナイキスト限界（Ｎｙｑｕｉｓｔ
ｌｉｍｉｔｓ）を拡げるために標本の数を増加する。
しかし、そのために余分の標本点を使用するとコンピュ
ータによる処理が複雑となり、問題を実際に解決するこ
とができず、それの外観を多少減ずるだけである。しか
し、どれほど多くの標本が用いられたとしても、エイリ
アスを生ずるある程度の状況が常に存在し、とくに光景
が変化する場合にはそうである。この場合には、図８
（Ａ）に示す柵は広い領域にわたって明滅する白黒映像
として示されることになるが、これは非常に望ましくな
い結果である。
【００２７】次に図９を参照する。この図には標本点の
ランダムに分布されているパターンの効果が示されてい
る。図９（Ａ）は、図８（Ａ）と同様に、コンピュータ
のデータベース内の同じ「柵」映像をとる。しかし、図
９（Ｂ）に示す得られた映像が、全部白または黒である
広い領域ではなくて灰色として見えるように、図９
（Ａ）の標本点は非周期的に分布される。図９（Ｂ）の
映像は、図８（Ｂ）に示すような広い白と黒の領域を有
するのとは異なって、白と黒の部分が交互に現れるから
灰色に見える。更に、図９（Ａ）の点標本は「柵」映像
に対して走査されるから、フイルムの粒子ノイズに類似
するいくらかのノイズを含む視覚効果が生ずるが、広い
面積の白または黒の明滅よりも見苦しさはかなり減少す
る。ノイズレベルは単位面積当たりの標本の数により制
御される。
【００２８】図１０および図１１はそれぞれ周期的な点
標本化と推計学的な点標本化の効果を周波数領域で示す
ものである。図１０と図１１においてはカーブ（Ａ）は
同じであり、空間領域において正弦波であるように選択
された元の信号である。しかし、図１０（Ｂ）が空間的
に周期的な標本化パターンの周波数分布を示し、図１１
（Ｂ）は理想的な推計学的標本化パターンの周波数分布
を示すから、カーブ（Ｂ）は互いに異なる。両方の場合
に、標本化周波数は元の信号のナイキスト限界より低く
とられるから、元の信号を忠実に再生できない。しか
し、図１０と図１１のカーブを比較することにより、ラ
ンダムな分布の非エイリアス効果が示されていることが
わかる。映像の空間的な標本化分布は、そのような分布
の無限平面にわたるフーリエ変換がポアツソンディスク
分布に近似するようになるべく選択する。そのような分
布の主な特徴には零周波数における非常に高いレベル
と、ある周波数まで（正と負）ほぼ零の大きさと、高い
周波数におけるほぼ一定の大きさとが含まれる。零周波
数を除き、周波数領域における標本化関数（図１１
（Ｂ））はほぼ連続である。周波数領域におけるそのよ
うな分布により空間位置の希望のランダム性が得られ、
標本点がかたまることが避けられる。図５〜図７に関し
て説明した技術はそのような分布を近似するものであ
る。
【００２９】図１０および図１１に示す分布（Ｃ）はそ
れらの各例における標本化された信号、すなわち、カー
ブ（Ａ）の信号にカーブ（Ｂ）の標本化分布を畳み込ん
だ結果である。図１０に示す周期的な空間的標本化の例
においては、図１０（Ｂ）の各標本化スパイクが図１０
（Ａ）の信号の各スパイクと個々に畳み込まれるから、
いくつかの余分なスパイクが得られる。図１０（Ａ）に
示す信号の周波数は図１０（Ｂ）の標本化関数の周波数
より高いから、図１０（Ｃ）に示す標本化された信号は
元の信号の忠実な再現ではない。図１０（Ｃ）に示す標
本化された信号が表示される時には実際に、図１０
（Ｄ）に示す高域除去特性に類似する特性を有する低域
フイルタを通される。このようにして得られた標本化さ
れた信号を図１０（Ｅ）に示す。これは図１０（Ｃ）の
信号のうち、図１０（Ｄ）に示すフイルタ関数の通過帯
域内の部分である。図１０（Ｅ）に示されている信号
は、標本化された元の信号のエイリアス映像にほとん
ど、または全く類似しないエイリアス映像を再構成しか
ねない。
【００３０】図１１（Ｃ）に示す標本化された信号は図
１１（Ａ）に示す元の信号に一致していない。しかし、
図１１（Ｄ）に示すフイルタ特性を乗じて得られる図１
１（Ｅ）の標本化された信号はフイルタの周波数範囲内
で一定である。これは白色ノイズをもたらすが、存在し
ない映像を再生することよりはるかに好ましい。図５〜
図７を参照して説明した技術は、標本化されている映像
情報の内容に応答して標本化パターンを修正する、いわ
ゆる適応標本化を行う標本化装置においても利用でき
る。たとえば、映像が変化するか、それを要求している
標本化領域のある部分内の細部が変化すると、標本点の
パターンをそのような領域部分において縮小して繰り返
すことができる。
【００３１】本発明の別の面に従って、ビデオ技術また
はフイルム技術において存在するような迫真的な動きの
ぼけを付加するために、時間による類似の標本化技術が
採用される。まず、図５〜図７のピクセル例が、点標本
を空間的に位置させるために用いられる特定の技術とは
無関係に、４つの異なる時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４に
おいてとられる４つの各標本を有することが示されてい
る図１２を参照する。それらの時刻は、それらの技術が
シミュレートしようとしている、ビデオフレーム獲得の
ための典型的なシャッタ開放に一致する時間内に含まれ
るように選択される。したがって、コンピュータのデー
タベース内に示されている１つのフレームの持続時間中
に対象物が動くものとすると、データベースの情報から
得られる標本から再構成されたフレームの結果映像が同
様に動きのぶれを示す。
【００３２】一時的なエイリアスを小さくするか、ほと
んどなくすために、フレーム期間中の標本の時間的な分
布が疑似ランダム的に決定される。４つの各標本点のた
めの境界として重なり合わない４つの時間が与えられて
いる時間線を示す図１３を参照する。それらの各期間中
の各標本に対する時間の疑似ランダム選択は、図１３に
示されているようなものである。図１３に示す時間分布
と同じ時間分布を、構成されている映像フレームの各ピ
クセルに対して使用できるが、望ましい反エイリアスを
最大にするためには、少なくとも隣接する各ピクセルに
ついては標本化時刻は異なることが望ましい。フラッシ
ュ光のように、標本化速度より速く光景が変化する場合
には、一時的なエイリアスが起こることがある。図１３
に示す時間分布は、図５を参照して説明した空間的な分
布と同じ考慮を含むことがわかるであろう。
【００３３】同様に、図１４および図１５は、図６およ
び図７を参照して説明した空間的標本化と同様にして行
われる、疑似ランダムな一時的標本化を示す。図１４に
おいて、各標本化を行うために指定された時間の中心か
らずれて疑似ランダム的に各標本化時刻は決定される。
図１５において、各標本の時間内に、各標本に対して基
準時刻が疑似ランダムに決定され、それから、その基準
時刻からある限度内で疑似ランダムに決定される値だけ
ずれて、各標本に対する実際の時刻が決定される。各場
合に、標本の時間的な分布は、標本の空間的な分布に対
して図１１（Ｂ）を参照して先に述べたやり方と同じや
り方で、前記時間的な分布のフーリエ変換がボアソン・
ディスク分布をなるべく近似するようなものである。
【００３４】各標本のために用意された時間間隔は、常
に重なり合わないようにする必要はない。重なり合う時
間間隔の例を図１６に示す。正確な時刻は図１４または
図１５に示す技術を用いて選択される。しかし、図１６
に示すものとの違いは、映像フレームの時間間隔の中間
部において標本が重みづけられる確率が高くなることで
ある。これは、シャッタの完全開放中に起こる被写体の
動きが、開放時や閉鎖時の被写体の動きより映像のぶれ
に対する影響が強い比較的ゆっくり開閉する写真のシャ
ッタをシミュレート下ものである。特定のピクセルの標
本の時間分布を決定するためにどの技術を使用するかと
いうこととは無関係に、与えられた映像フレームの全て
のピクセルの全ての標本が必要とする時間間隔は、図１
３〜図１６の時間線により表されている同じ時間間隔で
ある。
【００３５】次に、コンピュータのデータベース内の対
象である光景の多角形を、前記空間的標本化技術および
時間的標本化技術により標本化する方法が示されている
図１７を参照する。一例として、ビデオ平面（映像平
面）上に映像を形成するために一緒に組み合わされる多
数のピクセルの１つとして、ピクセル８１が示されてい
る。光線８３と８５が、ピクセル８１内の２個の各標本
点から映像平面の背後へ投写される。それらの標本点の
空間内の場所が前記技術の１つにより決定されている。
それらの標本点の個々の光線は、通常は映像平面に対し
て垂直に、投写されて、選択された標本化時刻に光線が
交差する最も近い多角形を決定する。そのような光線追
跡技術について多くの研究が行われており、それらの技
術には標本点のｘ、ｙ座標のコンピュータによる多数の
分類と、各標本をとるために指定された時刻に、コンピ
ュータ・ベース内の多角形の点のｘ、ｙ座標と前記標本
点のｘ、ｙ座標の一致とが含まれる。通常は、各ｘ、ｙ
標本場所には２個以上の多角形が存在するから、コンピ
ュータは多角形の「ｚ」情報から、どれが映像平面に最
も近いかを決定する。そして、それがその点における光
景の視覚情報（色など）を与えるものである。それか
ら、与えられたピクセルの各標本に対して決定された全
ての視覚特徴が何らかのやり方で平均化されて、そのフ
レーム中に表示するためにそのピクセルに対する１つの
視覚特徴を形成する。
【００３６】ほとんどのコンピュータ・グラフィックス
技術は、あたかもピンホールカメラを通じて見るかのよ
うに、各フレームに対するピントの合った全光景を示
す。もちろん、これはカメラと、視野の深さが限られて
いるレンズとの実在の世界を正確に表すものではない。
視野の深さは、図１８に示されている光線追跡技術によ
り考慮に入れることができる。１つのピクセル８７は２
個の標本点を有し、それらの標本点からの光線８９、９
１が映像平面の背後へ延びる。図１８に示す視野の深さ
技術は前記した空間的標本化技術および時間的標本化技
術とは独立しているが、得られる映像フレームの迫真性
を最高にするためには、視野の深さ技術にそれら２つの
標本化技術を組み合わせて使用することが好ましい。
【００３７】図１８に例として示す光線８９、９１は、
図１７に示す光線とは異なり、映像表面の背後から直接
延びず、模擬されたレンズ９３の位置９５、９７でレン
ズ９３と交差する。レンズを出た光線は再び一点に向か
って進む。すなわち、それらの光線は、模擬された光学
装置を構成する結果として、その光学装置の焦点面９９
を、映像平面上に存在するパターンと同じパターンで透
過する。それから標本点光線８９、９１が多角形１０
１、１０３とそれぞれ交わる。破線で描かれている円錐
１０５内に含まれる多角形のみが、光学装置の特性によ
り決定されるピクセル８７の標本点からの光線と交わ
る。焦点面９９に近い多角形が、ピンとがあった像とな
り、焦点面から離れている多角形がぼけた像となる。こ
の技術のコンピュータ・ソフトウェアによる実現におい
ては、多角形のｘ、ｙ座標を、焦点面９９からのｚ座標
の距離と、前記光学装置の特性とに依存する量だけずら
し、図１７に示すのと類似のやり方で標本化を続行する
ことが好ましいことが見出されている。
【００３８】しかし、どのようなやり方が実行されよう
とも、データベースに格納されているデータを標本化す
ることにより映像が最初に形成された時に、形成された
映像にかなりの迫真性をこの技術は付加するという利点
が得られる。標本の光線と模擬されているレンズ９３と
の交差は、そのレンズの定められている全開口面にわた
って行われる。エイリアスを更に減少させるために、光
線とレンズの交差点９５、９７などの位置は、各標本点
の空間的な場所と時間的な位置の前記疑似ランダム決定
と同様にして行われる。
【００３９】従来のコンピュータ・グラフィックス技術
を使用することから得られる他の非現実的な効果は鋭い
陰影、光沢のある反射であり、もし、対象物が半透明で
あると、その半透明の対象物を鮮明な映像として表す。
もちろん、これは物体が光拡散性であり及び光源が点光
源ではない実在の世界ではありえないが、従来は計算が
複雑になるのを避けるため簡単な仮定によるアルゴリズ
ムを使用したからである。本発明分配技術は、これらの
実際の条件を加えるために前述した説明と同様のやり方
で、それらの現実的な映像を得るための作業を行うこと
ができる。次に図１９を参照する。１本の光線１１１が
映像平面（図示せず）上の１つの光線１１１が映像平面
（図示せず）上の１つの標本から引かれ、光源の特性
と、データベースにおいて指定されている物体表面の特
徴とにより指定されるやり方で光景と交差する。図１９
を参照して説明した技術は前記技術とは独立している
が、それらの技術の全てを一緒に組み合わせることによ
って迫真性が最高となることはもちろんである。図１９
を参照して述べるべきことが、特定の映像フレームの各
標本点に起こる。
【００４０】光線１１１は、諸特徴がコンピュータのデ
ータベースに格納されているような多角形の１つにより
指定されるように、光景の表面１１３に交差することが
まず決定される。光景の表面のこの部分が反射性である
とすると、反射光線１１５が光景の別の表面１１７に交
差するまでその反射光線１１５は進む。その表面１１７
は、完成された映像フレームにおいては、光景の表面１
１３内の反射として観察できる。しかし、コンピュータ
のデータベースに格納されているのは、破線輪郭１１９
により示され、図２０に別々に示されている、表面１１
３の拡散光である。表面１１３の特徴が鏡のような反射
性であるとすると、起こり得る光線反射角の拡がりはほ
ぼ１に限られる。しかし、ほとんどの物体はある程度の
拡がりを有し、それらに入射する光を散乱させる。した
がって、各標本点の光線は、１つの可能な反射角を選択
するようにして進ませられ、それにより、後続の光線が
図２０に示されている他の可能な角度の１つにおいて表
面１１３から反射されるから、拡散反射面から真に迫っ
たぼけた反射となる。実際の拡散反射面の場合のよう
に、図１９および図２０に示すようにして可能な光線反
射角が１つの向きに重みづけられる。また、前と同様
に、任意に与えられた光線１１５によりとられる特定の
向きが可能な反射角から疑似ランダム的に選択される。
【００４１】また、表面１１３の部分が半透明であると
すると、その表面部分を光線１２１が透過する角度の決
定に上記と同じ考慮が払われる。その特定の角度に対し
て可能な屈折角度がコンピュータのデータベースに格納
されていると仮定すると、それらの角度の分布が図１９
に参照符号１２３で示されるとともに、図２１にも示さ
れている可能な屈折角の拡がりは、半透明がどのように
拡散するかに依存することはもちろんである。たとえ
ば、平面ガラスは、単一の角度ではないまでも、非常に
狭い屈折角範囲を有する。与えられた標本点に対して、
可能な屈折角から光線１２１が疑似ランダム的に選択さ
れると、光景のうち、光線１２１が交差し、かつ表面１
１３の部分を通じて部分的に見ることができる別の部分
を決定できる。
【００４２】鋭い陰影を避けるために、光景を照明する
光源１２７の迫真性特徴が考慮に入れられる。図１９お
よび図２２に示すように、光源１２７は有限の拡がり寸
法を有し、したがって、本発明のコンピュータ・グラフ
ィックス技術でしばしば仮定しているような点光源では
ない。光景に、表面１３１の部分のように、陰を表面１
１３につける他の部分があるかどうかを調べるために、
光線１２９が表面１１３から光源１２７へ反射される。
図１９に示すように、光線１２９はそのような陰を検出
しないが、図２２に示すような他の可能な光線はその向
きが対象物１３１の方向のものもあり、その光線を選択
した場合には表面１１３は光源１２７によっては証明さ
れない。光線１２９の特定の向きは、図２２に破線で示
されているように、光源１２７に対して指定されている
それらの可能な方向から疑似ランダムに選択される。図
１９に示す例においては、光線のいくらかが表面１３１
に交わり、ある光線は交差しないから、得られた映像フ
レームにはソフトで迫真的な陰影がつく結果となる。
【００４３】図１９の表面１１７、１２５のような光線
が交差する第２の表面も反射性と透過性を有することが
できる。それらの反射された映像または透明な映像が、
構成されて得られた映像に何らの差異も生じないほど輝
度が低くなるまで、この作業を続ける。
【００４４】次に図２３を参照して、本発明の一部であ
る前記技術の広い範囲の例について説明する。その技術
は物体の重心を決定するために使用できる。これは、コ
ンピュータ支援設計（ＣＡＤ）の途中で決定すべきこと
が望ましい何かの例である。図２３に示す物体１４１の
表面は、破線輪郭で物体中を延びていることが示されて
いる標本点の疑似ランダムな分布により決定される。こ
の標本化の疑似ランダムな性質により、測定は実際の物
体１４１に対して行われるのであって、それのエイリア
スな映像に対して行われないものであることが確保され
る。
【００４５】疑似ランダム標本化技術と関連させて用い
る方法の紹介が本願の発明者により、雑誌「コンピュー
タ・グラフィックス（Ｃｏｎｐｕｔｏｒ Ｇｒａｐｈｈ
ｉｃｓ）」、１９８４年７月号、第１８巻第３号、１３
７〜１４５ページ所載の「ディストリビューテッド・レ
イ・トレーシング（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＲａｙＴ
ｒａｃｉｎｇ）」と題する論文に行われている。その論
文には、本発明の種々の面を用いて発生された映像の写
真も含まれている。図１２〜図１６を参照して説明した
ように、動きの不鮮明な結果がその論文の図３、図６お
よび図８に示されている。本発明の図１８を参照して説
明した技術により、コンピュータを用いて発生されたあ
る深さの視野を有する映像がその論文の図４および図５
に示されている。その論文の図７は、図１９〜図２２を
参照して説明した本発明の陰影技術と反射技術を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の種々の面を実施するのに適当なコンピ
ュータ装置の概略ブロック図である。
【図２】図１のコンピュータ・メモリに格納される対象
となる光景の１つの可能な態様を示す。
【図３】従来の点標本化技術を示す。
【図４】従来の他の点標本化技術を示す。
【図５】本発明の疑似ランダム空間的標本化技術の実施
例を示す。
【図６】本発明の疑似ランダム空間的標本化技術の他の
実施例を示す。
【図７】本発明の疑似ランダム空間的標本化技術のさら
に別の実施例を示す。
【図８】図３および図４に示す先行技術の空間エイリア
スを示す。
【図９】本発明の疑似ランダム点標本化技術により達成
された改良を示す。
【図１０】周期的に標本化された信号のフーリエ変換を
示す。
【図１１】疑似ランダム的に標本化された信号のフーリ
エ変換を示す。
【図１２】点標本の時間的分布を全体的に示す。
【図１３】本発明の疑似ランダムな時間的標本化の実施
例を示す。
【図１４】本発明の疑似ランダムな時間的標本化の他の
実施例を示す。
【図１５】本発明の疑似ランダムな時間的標本化のさら
に他の実施例を示す。
【図１６】本発明の疑似ランダムな時間的標本化のさら
に他の実施例を示す。
【図１７】映像平面上における標本点の与えられた分布
によるコンピュータ・データベース標本化を全体として
示す。
【図１８】ある視野の深さを有する映像を与える標本化
技術を示す。
【図１９】反射の効果と、屈折の効果と、光源分布の効
果を含む１つの標本のための光線追跡の例を示す。
【図２０】図１９に示す例の別の詳細を示す。
【図２１】図１９に示す例の別の詳細を示す。
【図２２】図１９に示す例の別の詳細を示す。
【図２３】本発明の全体的な面の更に別の応用を示す。
【符号の説明】
１１・・・・共通バス、１３・・・・ＣＰＵ、１５・・
・・主メモリ、１７・・・・キーボード、１９・・・・
ディスクメモリ、２１・・・・フレームバッファ、２５
・・・・ＣＲＴ、２７・・・・フイルム書込み器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・ケー・ポーター アメリカ合衆国 94930 カリフォルニア 州・フエアフアクス・ヒルサイド ドライ ブ・107 (72)発明者 ローレン・シー・カーペンター アメリカ合衆国 94947 カリフォルニア 州・ノヴアトクエヴァ ヴイスタ・82

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 目的物光景の時間的に変化する及び静的
    な視覚的特性を特定するコンピュータメモリに記憶した
    データベースと、 前記コンピュータメモリに結合され、目的物光景の全幅
    に渡って疑似ランダムに配置された複数の点の視覚的特
    性を決定するために前記データベースの情報を標本化す
    る手段と、 前記コンピュータメモリに結合され、前記複数の標本点
    を時間的に疑似ランダムに分布させる手段とを有し、空
    間的にかつ時間的にエイリアスが減少した状態でモニタ
    に映像を表示することを特徴とする電気信号を形成して
    目的物光景の映像を表示する装置。
  2. 【請求項２】 コンピュータシステムで映像データを表
    すピクセルの特性情報を決定するために映像データを点
    標本化する方法において、 ピクセルの少なくとも一つの位置を含む複数の標本領域
    を選択し、 前記標本領域中の最小の領域の標本点の分布が非周期的
    であるように前記領域内に標本点を決めることを特徴と
    する映像データを点標本化する方法。
  3. 【請求項３】 コンピュータシステムで映像データを表
    すピクセルの特性情報を決定するために映像データを点
    標本化する方法において、 ピクセル内の少なくとも一つの位置を含む複数の標本部
    分を選択し、 前記標本部分中の最小の部分の標本点の分布が非長方形
    でかつ非直線であるように前記領域内に標本点を決める
    ことを特徴とする映像データを点標本化する方法。
  4. 【請求項４】 コンピュータシステムで映像データを表
    すピクセルの特性情報を決定するために映像データを点
    標本化する方法において、 ピクセル内の少なくとも一つの位置を含む複数の標本部
    分を選択し、 前記標本部分内で格子パターンを決めて規則的に離され
    た第１の数の標本点の位置を決め、 前記格子パターン内で非規則的に分布するよう配置し
    た、前記第１の数より少ない第２の数の選択された標本
    点の位置で点標本化することを特徴とする映像データを
    点標本化する方法。
  5. 【請求項５】 映像フレームに含ませる目的物がコンピ
    ュータデータベースに記憶された空間的、視覚的特性を
    指定するデータとして表されており、各ピクセルの特性
    情報を決定するためにそのコンピュータデータベースの
    情報にアクセスして、映像フレームを形成するピクセル
    ・アレイの各ピクセルの特性情報を独立に制御して映像
    フレームを形成する方法において、 重複しない複数の部分に前記ピクセルを空間的に分割
    し、 前記部分の中に各部分それぞれに基準点の位置を予め不
    規則に配置し、 前記映像フレーム内の各ピクセルの前記各部分のそれぞ
    れの基準点のオフセットを複数のオフセット点が不規則
    分布であるように決め、 前記フレームの各ピクセルの各オフセット点において特
    性情報を決め、 各ピクセル内のオフセット点の特性情報を結合させて各
    ピクセルの唯一の特性情報を決定することを特徴とする
    ビデオ映像フレームを形成する方法。
JP5163887A 1985-06-19 1993-06-10 映像データを点標本化する方法、ビデオ映像フレームを形成する方法及び映像を表示する装置 Pending JPH06195471A (ja)

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