JPH07152926A

JPH07152926A - ３次元像を陰影付けする方法

Info

Publication number: JPH07152926A
Application number: JP6178577A
Authority: JP
Inventors: Martin Ashton; アッシュトンマーティン
Original assignee: Videologic Ltd
Current assignee: Imagination Technologies Ltd
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1995-06-16
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: GB2281682B; GB2281682A; GB9315852D0; GB9414834D0; US5596685A; JP3759971B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高度に集積された低コストで高性能のリアル
タイム３次元グラフィックシステムを提供する。【構成】表示されるべき３次元像の各オブジェクト
は、１組の無限の面によって表される。像を表示すべき
スクリーンの各基礎領域は、これを通して３次元像へと
射線が投影される。この投影された射線と各面との交差
の位置が決定され、これらの位置から、交差面がその基
礎領域において見えるかどうか決定される。その決定の
結果に基づいて基礎領域が表示のために陰影付けされ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元像を陰影付け
（シェーディング）するシステムに係り、より詳細に
は、実質的にリアルタイムでこれを行うことのできるシ
ステムに係る。

【０００２】

【従来の技術】完全に隠れたリアルタイム３Ｄ像を発生
するための公知の最良のシステムは、Ｚバッファ又は深
度バッファ像高精度アルゴリズムである。これは、ソフ
トウェア又はハードウェアのいずれかで実施することが
でき、シリコン・グラフィックス社、イベンツ・アンド
・スサーランド社、及びヒューレット・パッカード社の
ような会社で製造されたシステムに使用される。

【０００３】Ｚバッファアルゴリズムは、像の各ピクセ
ルごとにカラー値を記憶するフレームバッファを必要と
する。これに加えて、各ピクセルごとにエントリを有す
るＺバッファを必要とする。これには、各ピクセルごと
にＺ値（深度値）が記憶される。３Ｄ表示を発生するた
めには、三角形のような多角形が任意の順序でフレーム
バッファにレンダリングされる。多角形の走査変換中
に、多角形上の点が、そのピクセルに対してバッファに
既に存在する点よりも観察者から離れない場合には、そ
の新たな点のカラー及びＺ値が古い値に取って代わる。
予めの分類は不要であり、オブジェクトとオブジェクト
の比較も不要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｚバッファ型のシステ
ムは、高レベルの集積及び性能を必要とする上に、非常
に高価である。又、リアルタイム性能を得るべき場合に
は、高性能のフレームバッファ及びＺバッファを使用す
る必要がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の好ましい実施例
は、高度に集積された低コストで高性能のリアルタイム
３次元グラフィックシステムを形成できるようにする。

【０００６】好ましくは、本発明は、コスト効率の良い
ＶＬＳＩ（超大規模集積）実施に非常に適した規模変更
可能な(scalable)通常のパイプライン構造で実施され
る。このような規模変更可能な解決策を用いることは、
３Ｄグラフィックレンダリングシステムを単一チップ上
に設けられることを意味する。

【０００７】システムを精巧にすることは、影（シャド
ー）、アンチエリアジング、ソフトな影、透明度、視野
深度の効果、動きのぼけ、カーブした面、及び構造上の
立体形状（ＣＳＧ）の直接実施をサポートできるように
する。これら特徴の幾つか、例えば、リアルタイムの影
発生は、Ｚバッファ技術を用いて実施することが非常に
困難であり、それ故、実際にそれらを実施する高性能シ
ステムは、ほとんどない。本発明による解決策は、影の
ような特徴を比較的単純なやり方で得られるようにす
る。

【０００８】本発明は、従来の多角形に基づくレンダリ
ング技術ではなく、３次元像をレンダリングするための
射線投射(ray casting) 技術の使用に基づくものであ
る。

【０００９】本発明の好ましい実施例において、オブジ
ェクトは、各々、データのセットとして記憶された１組
の面によって表される。像平面は、観察者と、見るべき
場面との間に存在すると考えられ、これは、複数の基礎
領域（ピクセル）で構成される。射線は、観察点からス
クリーンの基礎領域を経て見られるべき場面へと通過す
ると仮定され、その場面内のオブジェクトを表す種々の
面に交差する。これらの交差と、観察者からの距離とを
分析することにより、面が見えるかどうか、ひいては、
そのピクセルを特定のシェードでレンダリングしなけれ
ばならないかどうかを判断することができる。

【００１０】この解決策を用いるには、連続的に流れる
同様の計算を実行する必要がある。場面の各オブジェク
トに対する１組の面を各ピクセルにおいてテストし、そ
して目に見える最も近い面に指定されたシェードがその
ピクセルに与えられる。このような技術は、パイプライ
ン形態で実施することができる。これは、高度な集積化
を可能にし、性能／複雑さとコストとの間の妥協をなし
得るようにする。

【００１１】

【実施例】本発明はその種々の特徴について特許請求の
範囲に詳細に定められる。以下、添付図面を参照し、本
発明の実施例を詳細に説明する。

【００１２】図１は、３Ｄ像合成パイプライン２を示し
ており、像表面の操作が所定の１組のルールに基づいて
実行されて、個々の画素（ピクセル）にシェード（濃
淡）が割り当てられる。パイプライン２が作用する３次
元像データは、３Ｄデータベース４に記憶される。デー
タベースとパイプラインとの間には形状プロセッサ６が
設けられており、データベースからのデータを、パイプ
ラインによりレンダリングする前に、操作できるように
なっている。操作は、オブジェクトの回転、並進移動、
視点変更及びシェーディング計算のような機能を含むこ
とができる。ある形式のユーザ入力をこれに与えて、３
Ｄデータベースのリアルタイム対話操作を行うことがで
きる。形状プロセッサによってパイプラインに送られる
像は、パイプラインにより表示のためのピクセルデータ
に変換される面データである。

【００１３】図１のパイプラインプロセッサは、多角形
をベースとするレンダリングアルゴリズムではなくて、
射線トレースアルゴリズムに基づくものである。射線ト
レースアルゴリズムにおいては、表示されるべき各３次
元形状が、図２に示すようにオブジェクトの集合として
モデリングされる。これらは、図３に示すように、元の
形状の近似形を作るために何が必要とされるかに基づい
て互いに交差する。元のオブジェクトの凹所は、図４に
示すように、多数のブロックに分割される。

【００１４】各オブジェクトは、多数の表面のみで定め
られる。図２ないし４に示した例では、これらの面が全
て平らであるが、本システムは、カーブした面を取り扱
うに充分な融通性を有している。各オブジェクトの縁及
び頂点は、面の交差から暗黙のうちに定められ、従っ
て、縁及び頂点のデータを記憶する必要はない。

【００１５】場面のレンダリングを開始できる前に、そ
の場面の各面は、前方の面又は逆向きの面として分類さ
れる。これは、各面を定めるデータと共に記憶されるフ
ラグをセットすることによって行われる。前方の面は、
その面に直角な線が観察者を向くような状態を表す。逆
向きの面は、その反対である。

【００１６】射線トレース技術は、各オブジェクトを順
次取り上げそして観察者の目から像平面内の選択された
点（ピクセル）を通る射線がそのオブジェクトに定めら
れた全ての面に交差することをイメージすることによっ
て動作する。これが行われると、目から最も離れた前方
面の交差と、目に最も近い逆向き面の交差とが決定され
る。これが図５に示されている。

【００１７】図５において、射線１及び射線２の両方は
観察点８からスタートする。オブジェクトは、図５の断
面の平面において４つの面で定められる。観察点８から
最も離れた射線１の前方面の交差はＦ１であり、そして
観察点に最も近い逆向き面の交差はＲ１である。

【００１８】最も近い逆向き面の交差が、最も遠い前方
交差よりも観察点の近くにあるこの状態は、射線１がオ
ブジェクトに交差しないことを示す。それ故、この特定
のオブジェクトは、射線１が通過する像平面内のピクセ
ルにおいて見えない。一方、射線２は、その最も近い逆
向き交差Ｒ４が最も遠い前方面交差Ｆ３よりも観察点８
から離れている。これは、射線２が通過するピクセルに
おいて像平面内でオブジェクトが見えることを指示す
る。それ故、このピクセルには、その面に割り当てられ
たシェード（濃淡）が割り当てられる。このシェード
は、通常、面を定めるデータと共に記憶され、グレース
ケール値であってもよいし、全色システムの場合には
Ｒ、Ｇ、Ｂ値であってもよい。単一オブジェクトの特定
のピクセルにシェードを割り当てるこの技術は、ルール
間セット(inter-rule set)と称する。

【００１９】場面内の各オブジェクトに対してプロセス
が繰り返され、そして目に最も近いオブジェクトの目に
見える面であって、特定のピクセルを通過する射線に交
差する面がもしあれば、それはそのピクセルに対するシ
ェードを導出するように選択される。これをルール内セ
ット(intra-rule set)と称する。

【００２０】従って、特定のピクセルに適用されるシェ
ードは、目に見える面の特性及び向きから計算すること
ができる。射線が交差する目に見える面がない場合に
は、その射線が通過するピクセルに割り当てられたシェ
ードは、バックグランドシェードとなる。シェードは、
グレースケール値であってもよいし、全Ｒ、Ｇ、Ｂ値で
あってもよい。

【００２１】面と射線の交差を見つけるプロセスは、各
面を定めるデータからの非常に簡単な動作に簡略化する
ことができる。これは、以下に説明する。

【００２２】各面は、ベクトル形態で次のように表すこ
とができる。ｎ．ｘ＝ｋ但し、ｎ＝原点（通常は観察点）に向いた面に対する単
位直角ベクトルで、通常は原点からの角度のコサインと
して記憶される。ｋ＝面から原点への垂直距離である。ｘ＝面上の点（座標）である。

【００２３】線即ち射線は、ベクトル形態で次のように
表される。ｐ１＋Ｕ（ｐ２−ｐ１）但し、ｐ１＝ベースベクトル、即ち原点から観察点まで
の距離である。ｐ２＝像平面上のピクセルの中心における射線上の点で
ある。Ｕ＝射線に沿ってどれほど遠くで点ｘにおいて交差が生
じるかの尺度である。それ故、ｎ（Ｐ１＋ｕ（ｐ２−ｐ１））＝ｋ、及びｕ＝（ｋ−ｎ．ｐ１）／ｎ．（ｐ２−ｐ１）パラメータｕは、交差する面の後方では負であり、ｐ１
とｐ２との間で０ないし１の範囲であり、そして像平面
の前方の点については１より大きい。従って、パラメー
タｕは、観察者から像平面上の点を経て所与の面までの
距離の尺度を与える。これは、像平面上の各ピクセルに
射線を通すときにピクセルごとの分割を必要とする。し
かしながら、このパラメータの逆数１／ｕは、分割を必
要とせず、依然として面までの距離の尺度を与える。こ
の場合に、これは、面までの距離が無限に向かうにつれ
て０に近づく。この距離の逆の尺度を通常は深度と称し
ている。それ故、次の式を用いて各ピクセルにおける各
面の深度を比較することにより、各ピクセルにおいてど
の面が見えるかを見つけることができる。１／ｕ＝ｎ（ｐ２−ｐ１）／（ｋ−ｎ．ｐ１）この式においてベクトルを拡張すると、次の結果が得ら
れる。１／ｕ＝（ｎ１.(ｘｓ−ｘｅ）＋ｎ２.(ｙｓ−ｙｅ）＋
ｎ３.(ｚｓ−ｚｅ））／（ｋ−（ｎ１．ｘｅ＋ｎ２．ｙ
ｅ＋ｎ３．ｚｅ））但し、ｘｓ、ｙｓ、ｚｓは、像平面交差座標であり、そ
してｘｅ、ｙｅ、ｚｅは目点の座標である。

【００２４】目点である投影の中心が像平面の中心でも
ある場合には、上記式は次のように簡略化される。１／ｕ＝（ｎ１．ｘｓ＋ｎ２．ｙｓ＋ｎ３.(ｚｓ−ｚ
ｅ))／（ｋ−ｎ３．ｚｅ）これは、次のようなより一般的な形態に有理化すること
ができる。１／ｕ＝Ａ．ｘｓ＋Ｂ．ｙｓ＋ＣＡ、Ｂ、Ｃは、特定の場面における各面の定数であり、
従って、上記の式を用いて、各射線上の各面への距離を
導出することができる。

【００２５】ｘｓ及びｙｓは、この式を用いて各面への
距離を計算すべき像平面内のピクセルの座標である。

【００２６】像は、通常は、像平面をラスタ形態で走査
することにより構成され、従って、特定の面について
は、スタート深度が計算された後に、像平面において水
平方向に進行するときにＡだけ増加しそして垂直方向に
進行するときにＢだけ増加することにより、各ピクセル
の深度を計算することができる。前記したように、各面
の深度は、像平面内の各ピクセルごとに計算しなければ
ならない。これは、相当の数の計算である。しかしなが
ら、水平に隣接するピクセル間の深度計算は単一の加算
しか必要とせずそして多数のピクセルを並列に動作させ
ることができるので、非常に効率的なアーキテクチャを
案出することができる。シャドー及び透明なオブジェク
トも処理することのできる１つの考えられるアーキテク
チャを、図４について説明する。

【００２７】本発明を実施するプロセッサの内部のコア
は、パイプライン構成された一連の同じセルで構成され
る。セルの典型的な個数は３２ないし６４である。２つ
のこのようなセルが図６に示されている。各セルは単一
のピクセルについて機能し、そして隣接するセルは隣接
ピクセルについて機能する。即ち、セルＮは、ピクセル
（ｘ，ｙ）を処理し、セルＮ＋１は、ピクセル（ｘ＋
１，ｙ）を処理し、そしてセルＮ＋２は、ピクセル（ｘ
＋２，ｙ）を処理する。

【００２８】これは、図６に示すように、セルの上部に
よって達成される。特定の面に対して、パラメータＡが
各サイクルの始めにレジスタ１０に入れられ、そしてＡ
ｘｓ＋Ｂｙｓ＋Ｃを表す深度パラメータが各サイクルの
始めにレジスタ１２に入れられる。これら２つの値は加
算器１４において合成され、水平に隣接するピクセルに
対する新たな深度パラメータ２Ａｘｓ＋Ｂｙ＋Ｃを生
じ、これは、次のセルのレジスタ１２に入れられる。
又、パラメータＡは、次のセルの対応するレジスタ１０
にも入れられる。次のセルにおけるレジスタ１０及び１
２の値は、対応する加算器１４において合成され、その
出力は、パイプラインの次のセルのレジスタ１２への入
力を形成する。

【００２９】種々のオブジェクトを定める面はリストと
して記憶され、順次に処理される。これらの面は、それ
が定めるオブジェクトに関してグループ分けされ、そし
て全ての前方面がそのグループのスタート時の基礎とな
り、その後に逆向きの面が続くというような順序にされ
る。これを以下に示す。オブジェクトＮ＋１の面Ｍ＋９逆向き面オブジェクトＮ＋１の面Ｍ＋８逆向き面オブジェクトＮ＋１の面Ｍ＋７前方面オブジェクトＮ＋１の面Ｍ＋６前方面オブジェクトＮの面Ｍ＋５逆向き面オブジェクトＮの面Ｍ＋４逆向き面オブジェクトＮの面Ｍ＋３逆向き面オブジェクトＮの面Ｍ＋２前方面オブジェクトＮの面Ｍ＋１前方面オブジェクトＮの面Ｍ前方面

【００３０】各面を定めるパラメータＡ、Ｂ及びＣは、
他の面のアトリビュートを含むオペレーションコードと
共に記憶される。これらの１つは、面を陰影付けするた
めにルックアップテーブルのインデックスとして使用さ
れる面タグである。或いは、このタグは、その面に対す
る実際のＲ、Ｇ、Ｂ値を含むこともできる。オペレーシ
ョンコードの更に別の情報がプロセッサによって使用さ
れて、各面で何を行うべきかが判断される。コードに含
まれる情報の形式は、次の通りである。新たなオブジェクトのスタート前方又は逆向きの面全場面に対する面データの開始全場面に対する面データの終了シャドーオブジェクト透明オブジェクト

【００３１】この情報は、セルのレジスタ２８へ送られ
て記憶される制御信号によって表される。そこから必要
に応じてアクセスされる。

【００３２】新たなオブジェクトのスタートにおいて、
処理されているピクセルに対しそのオブジェクトの第１
の面の深度が深度内レジスタ１８に記憶される。面のシ
ェードのような面タグデータは、タグ内レジスタ２２に
記憶される。それと同時に、手前のオブジェクトからの
手前の深度内の値が深度間レジスタ１６の値と比較さ
れ、このレジスタは、処理されているピクセルに対し処
理された目に見える面の深度を記憶する。深度内の値が
そのピクセルに対する深度間よりも大きい場合には、深
度内レジスタの値が深度間レジスタ１６に転送される。
従って、システムは、オブジェクトの面の処理の終了と
共に、そのオブジェクトの最も近い目に見える面を、そ
の特定のピクセルに対して場面内でそれまでに検出され
ている最も近い目に見える面と比較する。必要に応じ
て、レジスタ１６が更新される。

【００３３】深度内の値を深度間の値と比較するため
に、ＭＵＸ２４を用いて、レジスタ１６の出力が比較器
２６の入力の一方へと切り換えられ、その他方の入力は
レジスタ１８の出力を受け取る。

【００３４】単一のオブジェクトの面が処理されている
間に、ＭＵＸ２４はレジスタ２８に入れられた制御信号
によって制御されて、レジスタ１２及びレジスタ１８を
比較器２６の入力に接続する。前方面に対し、現在の面
深度が深度内の値より大きい場合には、深度内抵抗が同
一に保たれる。逆向き面の場合には、逆の動作が生じ
る。従って、オブジェクトの処理の始めに、深度内レジ
スタは、その手前のオブジェクトから目までの最も近い
面を含んでいる。全てのオブジェクトが処理された後
に、タグ内及び深度内レジスタは、セルが機能している
ピクセルに対し目までの最も近い面を定めるデータを含
む。

【００３５】ルール発生器３０は、目に見えるより近い
面が検出されたときに深度間レジスタ１６及びタグ間レ
ジスタ３２に対して更新を行うのに使用される。

【００３６】幾つかのオブジェクトをシャドーボリュー
ムとしてフラグを立てることによりシステムによって影
がレンダリングされる。シャドーボリュームは、点光源
から照射されるオブジェクトのシルエットエッジによっ
てスイープされるスペースの領域である。このボリュー
ム内のオブジェクトは、影に入ると考えられる。

【００３７】シャドーオブジェクトは、立体オブジェク
トと同様に処理される。全てのシャドー及び非シャドー
オブジェクトが処理されたときには、ピクセルに指定さ
れた面が影に入るかどうかを決定することは簡単であ
る。これは、その面の位置をシャドーオブジェクトの最
も遠い前方面及び最も近い逆向き面と比較しそして目に
見える面がその範囲内にあるかどうかチェックすること
により行われる。もしそうであれば、その面に関連した
フラグがセットされて、その陰影付けの効果をシュミレ
ーションするためにそのシェード又はカラーの変更を行
う必要があることを指示する。システムは、２つ以上の
点光源からの照射、ひいては、２つ以上の影シェードを
取り扱うに充分な融通性をもたせることができる。

【００３８】図６の回路において、シャドーオブジェク
トは、全ての前方面が処理された後に、深度内レジスタ
１８が深度間レジスタ１６と比較されるという点で、若
干異なるように取り扱われる。深度内の値が深度間の値
よりも大きい場合には、タグ間レジスタ３２においてフ
ラグがセットされる。全ての逆向き面が処理された後
に、深度内の値が深度間の値と再び比較される。深度内
の値が深度間の値より大きい場合は、フラグがクリアさ
れる。影を投げることのできる各光源ごとに１つのフラ
グが設けられる。全てのシャドーオブジェクトを処理し
た後に、いずれかのシャドーフラグがセットされた場合
には、そのピクセルの面のカラーが、影の状態をシュミ
レーションするように変更される。これら全ての動作
は、図６のルール発生器によって行われる。これは、全
ての制御信号を受信し、そして充分な選択ロジックを介
して、更新のためにレジスタを選択的にイネーブルす
る。

【００３９】システムは、透明度、特に吸収透明度を取
り扱うことができる。これは、光線が透明なオブジェク
トを通過するときに特定の波長においてエネルギーを失
い、これにより、光線の色を変化させるような状態であ
る。

【００４０】吸収効果は、あるオブジェクトを透明であ
るとフラグを立てることにより刺激される。これらは、
不透明なオブジェクトの後に処理される。透明なオブジ
ェクトは、通常のルール内セットによって処理される。
特定のピクセルに対し、そのピクセルにおける目に見え
る面の前に透明オブジェクトが現れた場合には、この状
態を指示するためにフラグがセットされる。フラグがセ
ットされた場合には、そのピクセルの面の色が、透明度
をシュミレーションするように変更される。透明なオブ
ジェクトの厚みを導出し、そのピクセルの色に対して更
に別の適当な変更を行うように更に別のソフトウェアを
設けることができる。

【００４１】この方法は、全く透明なオブジェクトに対
して使用される。しかしながら、オブジェクトの１つの
面を目に見えないようにすることができ、例えば、チュ
ーブにすることができる。従って、閉じていない凸状の
体積が形成される。この形式の構成を作るために、オブ
ジェクトが処理された後に、逆向き面が再び通過され
る。前方面がピクセルにおいて目に見えるものであり、
そして目に見えないフラグをセットした場合には、その
深度及びタグ値が、観察点に最も近い逆向き面と置き換
えられる。これは、次いで、全ての更に別の動作に対し
前方面として分類される。逆向き面も目に見えない場合
に、その面は逆向き面のままとされ、深度動作において
それ以上の部分を持たない。従って、開放端円筒が形成
される。

【００４２】図６の回路において、透明なオブジェクト
が処理されたときに、内部ルールは同じままである。し
かしながら、透明の深度内の値が深度間レジスタに対し
て比較されるときには、深度間の値は常に同じままであ
る。透明な深度内の値が深度間の値より大きい場合に
は、タグ内においてフラグがセットされる。次いで、こ
れを用いて、後で色を変更し、透明度をシュミレーショ
ンすることができる。

【００４３】図７は、４０で示された図６の複数のセル
を含む簡単なプロセッサを示している。全部でＭ個のセ
ルがカスケード構成にされ、典型的にＭは３２に等し
い。メモリ４２は、表示されるべき像の各面を表す値
Ａ、Ｂ及びＣを記憶する。レジスタ４４は、処理される
べき像の各ブロックの始めにＸ及びＹの値を記憶する。

【００４４】処理の始めに、表示されるべき第１オブジ
ェクトの第１面の値Ａ、Ｂ及びＣがメモリからの出力に
供給される。値Ａは、乗算器４６において初期Ｘ座標即
ちブロックの第１ピクセルによって乗算され、そして加
算器４８の入力として送られる。それに対応する値Ｂ
は、乗算器５０において処理されるべきピクセルの第１
行のＹの値によって乗算され、その出力は加算器４８の
別の入力を形成し、そして値Ｃは、加算器４８の入力に
直接送られる。

【００４５】加算器の出力は、第１ピクセルにおける第
１面の深度値を表す。これは、第１のセル４０に供給さ
れる。

【００４６】第１のセル４０において、深度間及び深度
内レジスタ１６及び１８は、どちらも最初は０にセット
され、従って、この初期深度値は両方のレジスタに対し
て読み取られる。又、パラメータＡは、セル４０に直接
的にも供給され、そこで、加算器１４において初期深度
値と合成される。

【００４７】次のクロックサイクルに、パラメータＡ
は、第２のセルのレジスタ１０に送られ、そして加算器
１４によって供給される更新された深度値がレジスタ１
２に送られる。それと同時に、処理されているオブジェ
クトの次の面に対するパラメータＡ、Ｂ及びＣが乗算器
４６及び５０によって加算器４８に供給され、そしてそ
こから深度値が第１セルに供給され、このセルは、第２
面の深度を第１面の深度と比較し、そして深度内レジス
タ１８に記憶されている現在値との比較に基づくと共
に、その新たな面及び既存の面が前方面であるか逆向き
面であるかに基づいて、深度内レジスタ１８に記憶され
た値を更新する。レジスタが更新された場合には、面ア
トリビュートを記憶するタグ内レジスタ２２も更新され
る。

【００４８】オブジェクトに対する面のリストの終わり
に、深度内レジスタの値が深度間レジスタの値と比較さ
れ、後者のレジスタをより近い目に見える面で更新すべ
きかどうか調べる。

【００４９】このプロセスは、オブジェクトの全ての面
がセル４０のアレーに通されるまでこれらの面に対して
続けられる。オブジェクトの最後の面がメモリ４２によ
って送られてしまうと、次のオブジェクトの第１面が送
られる。従って、セル４０に送られる面の連鎖に途切れ
はない。

【００５０】全てのオブジェクトの全ての面が処理され
ると、レジスタ４４のＸ部分は、プロセッサ内のセルの
数であるＭだけ増加され、例えば、３２だけ増加され
る。次いで、オブジェクトの全リストが、セルの新たな
ブロックに対して再び逐次処理される。このプロセス
は、ピクセルのライン全体が処理されるまで続けられ、
その点において、レジスタ４４のＹ部分が１だけ増加さ
れそしてＸ部分が、処理されるべきデータの次のライン
の開始を表すその初期値にリセットされる。レジスタ４
４のＸ及びＹ部分を増加するための接続は、図７には示
さない。

【００５１】出力画像の質を向上するためにシステムに
対して種々の拡張を行うことができる。これらについ
て、以下に説明する。

【００５２】アンチエリアジングアンチエリアジングは、マルチパス技術を用いて非常に
簡単に得ることができる。この方法では、各オブジェク
トは何回も処理される。オブジェクトが処理されるたび
に、その位置がピクセル以下の量だけ変更され、ピクセ
ルカラーがパスの上に蓄積される。パスの終わりに、最
終カラー値がパスの回数で除算される。行われるパスの
回数は、必要とされる最終的な像の質に基づく。例え
ば、１／２ピクセル精度が要求される場合には、４回の
パスが行われ、そのたびに半ピクセル増分だけオブジェ
クトが移動される。従って、射線はピクセルの各四半分
を通して効率的に投影され、その結果が平均化される。

【００５３】ソフトシャドーソフトシャドーは、点光源ではない光を用いることによ
って生じ、従って、面上の点は、光の一部分のみを見
る。半影に対応する部分的に不鮮明な光を見ることから
本影に対応する完全な暗黒を見ることへの移行は、影に
ソフトな縁を生じさせ、影の縁のアンチエリアジングが
必要とされる。この効果は、シャドーボリュームを形成
するのに使用される光の点をパス間で移動するようなマ
ルチパス技術によってシュミレーションすることができ
る。その結果がパス間で累積され、最終的なカラー値
が、行ったパスの回数で除算される。

【００５４】視野の深度カメラからの距離の関数としてオブジェクトの焦点が合
ったりぼけたりする視野の深度は、人間の目の視野では
なくて、カメラの視野を模擬するものである。この効果
も、マルチパス解決策を用いて達成することができる。
これを行うために、Ａ及びＢのパラメータがパス間で若
干変更され、前記のように結果が累積される。

【００５５】動きのぼけ動きのぼけは、カメラと場面との間の相対的な動きの効
果を模擬するものであり、一時的なアンチエリアジング
の実用的な方法である。この効果は、マルチパス解決策
によっても形成される。ぼけさせるべきオブジェクトは
パス間に移動され、前記の場合と同様に結果が累積され
る。

【００５６】カーブした面順方向微分技術を用いることによりカーブした面を処理
するようにアルゴリズムを拡張することができる。各面
に関連した３つのパラメータのみをもつのではなく、こ
こでは、例えば、二次及び三次導関数があって、これら
も累積される。これは、二次及び三次曲線面を再現する
ことができ、従って、よりリアルな像を形成することが
できる。

【００５７】構造上の立体形状ルール発生器、並びに前方及び逆向きの両方の深度を記
憶する特別なレジスタへと拡張すると、ＣＳＧブールプ
リミティブの幾つかを実施することができる。これは、
例えば、２つのオブジェクトを互いに差し引きすること
ができる。従って、オブジェクトから小さな立体を差し
引くことにより穴をもつオブジェクトを形成することが
できる。

【００５８】目点交差目点を直接通るように面を方向付けする状態では、ゼロ
で除算する状態、即ちシルエットの縁において生じる状
態が存在する。従って、面は、正の無限大から単一ピク
セルを横切って負の無限大へと進まねばならない。これ
は、ここに述べるシステムでは不可能であるから、この
状態を避けるように面を擾乱しなければならない。しか
しながら、このような擾乱は、この面により形成された
シルエットの縁が動くように見えることになり、像のリ
アルさを低減する。

【００５９】面にフラグを立ててそれが目点を通ること
を指示することにより、この問題を取り除くことができ
る。フラグがアサートされそして面が正の深度を有する
ときには、システムによって許容された最大値に深度が
セットされる。フラグがアサートされそして面が負の深
度を有するときには、システムにより許容された最小深
度値に深度がセットされる。従って、面は、１つのピク
セルにおいて最大深度から最小深度へ進むことができ
る。

【００６０】性能の向上ここに提案するアーキテクチャの性能は、セルの個数を
増加することによって非常に容易に向上させることがで
きる。上記例では３２個のセルが使用された。しかしな
がら、２５６個又はそれ以上のセルが使用できない理由
はない。セルの総数は、使用すべき技術が与えられた場
合、コストと性能との間の妥協となる。又、ここに提案
した多数の装置を互いにカスケード構成にして性能を向
上させることも非常に容易である。これは、多数の装置
をパイプライン構成にするか又は並列に動作させるか或
いはその両方の組み合わせによって行うことができる。

【００６１】上記と組み合わせることのできる更に別の
方法は、その場面にもはや必要ないことが検出されたと
きにオブジェクトを廃棄することである。これに必要な
ことは、視野がオブジェクト内に入ったときにセットさ
れそして視野がもはやオブジェクトにないときにクリア
されるフラグを設けることだけである。フラグがクリア
されると、そのオブジェクトは、そのラスタ線に対する
処理においてそれ以上の部分を担わない。

【００６２】システムアーキテクチャ本発明のアーキテクチャを用いたシステムが図８に示さ
れている。このシステムは汎用マイクロプロセッサ５２
を備え、これはゲームポートのようなインターフェイス
と通信する。マイクロプロセッサ５２は、３２ビットバ
スを経て本発明による複数のプロセッサ５４と通信す
る。バスが接続された第１プロセッサは、２つのバスを
経て、場面の全ての面座標が記憶されたパラメータ記憶
及びメインメモリへも接続される。これは、異なる場面
に関するデータで更新することのできるランダムアクセ
スメモリである。

【００６３】各プロセッサ５４のメインコアは、図６及
び７について説明したセルのアレーであり、図９に更に
詳細に示されている。

【００６４】図９には、パラメータ記憶及びメインメモ
リと、マイクロプロセッサ５２のプロセッサポートとに
インターフェイスするメモリコントローラ５６が示され
ている。セルアレー４０、乗算器４６及び５０、加算器
４８は、図７に示されたものに対応し、Ｘ及びＹのスタ
ート値はコントロールレジスタ５８によって供給され
る。又、コントロールレジスタ５８は、メモリコントロ
ーラにも制御信号を供給し、これは、次いで、適当な制
御信号を面アトリビュートと共にセル４０に供給する。

【００６５】先入れ先出し（ＦＩＦＯ）レジスタ６０
は、マルチプレクサ６２を経てセル４０の出力に接続さ
れ、そして処理された値を累積するのに使用され、従っ
て、プロセッサの出力をセルから減結合する。ピクセル
アキュムレータ６４は、上記の種々のマルチパス技術を
実施できるように設けられている。

【００６６】図９の出力は、ピクセルデータをフレーム
バッファに供給するための高性能バスに接続することも
できるし、或いはデジタル／アナログコンバータに直結
されてディスプレイユニットに供給することもできる。
このユニットへの入力は、ジョイスティック、ＲＯＭカ
ートリッジ及び他のゲーム入力装置にインターフェイス
するゲーム型ポートであってもよいし、或いはＩＢＭ
ＰＣバスインターフェイスのようなホストコンピュータ
インターフェイスであってもよい。

【００６７】メモリコントローラ５７は、プロセッサポ
ートから送られる信号に応答して、処理されている場面
において回転や並進移動等の機能を実行できる。

【００６８】図９に示す回路は全て単一のチップで供給
することができる。或いは又、この回路の一部分のみを
単一のチップに設けることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシステムの概略ブロック図であ
る。

【図２】本発明の実施例により操作及びレンダリングさ
れる形状を示す図である。

【図３】本発明の実施例により操作及びレンダリングさ
れる形状を示す図である。

【図４】本発明の実施例により操作及びレンダリングさ
れる形状を示す図である。

【図５】オブジェクトの２本の射線／面の交差の断面図
で、本発明の実施例を示す図である。

【図６】本発明によるパイプラインプロセッサの２つの
セルを示す図である。

【図７】本発明によるプロセッサのブロック図である。

【図８】本発明によるプロセッサを用いたシステムを示
す図である。

【図９】図８のプロセッサのアーキテクチャーを示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

２３次元（３Ｄ）像合成パイプライン４３Ｄデータベース６形状プロセッサ８観察点１０、１２レジスタ１４加算器１６深度間レジスタ１８深度内レジスタ２２タグ内レジスタ２４ＭＵＸ２６比較器３０ルール発生器３２タグ間レジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スクリーン上に表示するための３次元像
を陰影付けする方法において、射線を３次元像へと投影
するディスプレイの各基礎領域に対し１群の無限面によ
り像の各オブジェクトを表し；射線が各面に交差する位
置を決定し；交差する面がその基礎領域において見える
かどうかを決定し；そしてその決定の結果に基づいて表
示のために基礎領域を陰影付けするという段階を備えた
ことを特徴とする方法。
【請求項２】各面は、前方を向いた面又は逆方向を向
いた面として指定され、そしてこれら前方及び逆方向を
向いた面との交差の相対的な位置を用いて、面が見える
かどうかを決定する請求項１に記載のスクリーン上に表
示するための３次元像を陰影付けする方法。
【請求項３】最も遠い前方を向いた面の交差が最も遠
い逆方向を向いた面の交差よりも射線の投影点に近い場
合には基礎領域が見える請求項２に記載のスクリーン上
に表示するための３次元像を陰影付けする方法。
【請求項４】各基礎領域に対し、像内のオブジェクト
を表す面のグループを通して射線が順次に投影される請
求項１ないし３のいずれかに記載のスクリーン上に表示
するための３次元像を陰影付けする方法。
【請求項５】各基礎領域に対し、オブジェクトを表す
各グループの面の各面を順次に通して射線が投影される
請求項４に記載のスクリーン上に表示するための３次元
像を陰影付けする方法。
【請求項６】オブジェクトを表す１群の面中の最も近
い目に見える面を、その手前の全てのグループの面から
の最も近い目に見える面と比較し、そしてその比較結果
に基づいて基礎領域を陰影付けする請求項４又は５に記
載のスクリーン上に表示するための３次元像を陰影付け
する方法。
【請求項７】オブジェクトをシャドーオブジェクトと
して指定し、各基礎領域を通過する各射線においてシャ
ドーオブジェクトの境界を決定し、そしてその基礎領域
において見える面がそのシャドーオブジェクトの境界内
にある場合には変更したシェードで基礎領域を陰影付け
するという段階を更に備えた請求項１ないし６のいずれ
かに記載のスクリーン上に表示するための３次元像を陰
影付けする方法。
【請求項８】オブジェクトを透明オブジェクトとして
指定し、そして基礎領域において見える面が像の透明オ
ブジェクトの後方にある場合には基礎領域に付与される
シェードを変更するという段階を更に備えた請求項１な
いし７のいずれかに記載のスクリーン上に表示するため
の３次元像を陰影付けする方法。
【請求項９】スクリーン上に表示するための３次元像
を陰影付けする装置において、像の各オブジェクトを表
す１群の無限面を画成するデータを供給する手段と、デ
ィスプレイの各基礎領域に対し各面の深度値を像平面か
らのその面の距離に基づいて発生する手段と、面がその
基礎領域において見えるかどうかを決定する手段と、そ
の決定の結果に基づいてその基礎領域を陰影付けする手
段とを備えたことを特徴とする装置。
【請求項１０】各面は、前方に向いた面又は逆方向に
向いた面として指定され、そしてこれら前方及び逆方向
に向いた面の相対的な深度を使用して、面が基礎領域に
おいて見えるかどうかを決定する請求項９に記載のスク
リーン上に表示するための３次元像を陰影付けする装
置。
【請求項１１】各基礎領域に対し像において見える面
の相対的な深度を比較し、そしてその比較結果に基づい
て基礎領域を陰影付けするための手段を備えた請求項９
又は１０に記載のスクリーン上に表示するための３次元
像を陰影付けする装置。
【請求項１２】上記深度値を発生する手段は、像の各
基礎領域に対して各オブジェクトの各面の深度値を順次
に発生する請求項９、１０又は１１に記載のスクリーン
上に表示するための３次元像を陰影付けする装置。
【請求項１３】単一の集積回路に設けられた請求項
９、１０、１１又は１２に記載のスクリーン上に表示す
るための３次元像を陰影付けする装置。
【請求項１４】表示のための３次元像を陰影付けする
方法において、像の各オブジェクトを表す１群の無限面
を定めるデータを供給し、ディスプレイの各基礎領域に
対し、各面の深度値を像平面からのその面の距離に基づ
いて発生し、面がその基礎領域において見えるかどうか
を決定し、そしてその決定結果に基づいてその基礎領域
を陰影付けするという段階を備えたことを特徴とする方
法。