JPH0754554B2 - 表示処理方法 - Google Patents

表示処理方法

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JPH0754554B2
JPH0754554B2 JP61027952A JP2795286A JPH0754554B2 JP H0754554 B2 JPH0754554 B2 JP H0754554B2 JP 61027952 A JP61027952 A JP 61027952A JP 2795286 A JP2795286 A JP 2795286A JP H0754554 B2 JPH0754554 B2 JP H0754554B2
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隆義 ▲吉▼田
康 和宇慶
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、コンピュータグラフィックスの分野で、ハイ
ライト、テキスチャ及びシェーディング付けなどをふく
む表示処理方法に関する。
(従来の技術) コンピュータグラフィックスに於いて、3次元図形を表
示する場合、そのリアリティを出す為の重要な処理に、
シェーディング、ハイライト、及びテキスチャ、マッピ
ングなどがある。
これらに関する従来の技術として(1)「PIXEL」No−1
5,1983年11−12月,図形処理情報センター発行,「コン
ピュータ・グラフィックスの照明シミュレーションへの
応用」,頁82−99,及び(2)今宮淳美著,「コンピュ
ータグラフィックス」,昭和59年6月25日,日本コンピ
ュータ協会発行,頁587−601(16;濃淡づけモデル)が
発表されている。
シェーディング、ハイライト、テキスチャは各々次のご
とく定義される。
(1)シェーディングとは、人間が物体の表面を見た
時、表面上に見える微妙な濃淡,色の変化を表現する技
術であり、光が物体表面に当たった時に起こる現象をモ
デル化し、シミュレートする事に依って行なわれる。
(2)ハイライトとは、金属の様に表面の滑らかな物体
に光を照射した場合に起こる現象で物体の一部が強く光
る所をいう。
(3)テキスチャとは、物体の表面の肌目を表現するも
ので、ザラザラした感じとか、ツルツルした感じといっ
た物体の表面の質感を表わすものである。
シェーディングには大別してi)コンスタントシェーデ
ィング、ii)スムーズシェーディングの2つがある。以
下取扱うモデルは、ポリゴン(多角形)モデルである。
i)コンスタントシェーディング:ポリゴン近似された
モデルにシェーディング処理を行なう際、陰の部分とな
るポリゴンに対し、各ポリゴンの面毎に、各々一定の輝
度値を与え、全体として陰付け(シェーディング)を行
なう手法である。
ii)スムーズシェーディング;一つのポリゴンの内部の
輝度を補間し、滑らかな輝度変化を作り出すもので、2
つの代表的アルゴリズムがある((a);Gouraudのモデ
ル(b);Bui−Tuongのモデル)。
Gouraudのモデル;別名「輝度補間シェーディング」
と呼ばれ、第4図及び第5図に示すごとく次の4ステッ
プから成る。イ面の法線(▲▼,▲▼,▲
▼,▲▼)を計算する。ロ頂点を共有する全てのポ
リゴン小面の面法線ベクトルを平均()する事で頂
点法線を計算する。ハ シェーディング処理を行ないた
い所で、頂点法線ベクトルを使って頂点輝度(I1,I2,
I3)を計算する。ニ最後に各エッジで、次のスキャンラ
イン上のエッジ(Ia,Ib)の間での頂点輝度の線形補間
に依り、各ポリゴンに陰付けを行なう。
Bui−Tuongのモデル;別名「法線ベクトル補間」と呼
ばれ、が輝度補間するのに対し、法線ベクトルを補間
する。つまり、スキャンライン上のポリゴンの可視スパ
ンの輝度ではなく、上記と全く同じく計算される頂点
法線ベクトルからポリゴンのエッジ上の法線ベクトルを
始点から終点へと補間する。
以上のシェーディング技法は、基本的に、ポリゴン近似
された物体の各々のポリゴンに対し、そのポリゴンの
色、赤,緑,青(以下R,G,B)の個々に対してシェーデ
ィング処理演算を行なう。以下に、シェーディング,ハ
イライト,テキスチャの演算内容を第6図のPhongのモ
デルに説明する。
E=RpId+RpIpscosα+W(α)Ips(cosθ)………
(1) ここで、Rp:物体表面の色、Id:周囲の散乱光、Ips:点光
源、W(α):物体特有の反射計数(入射角αの関数で
ある)。尚、Rp,Id,Ips,W(α)はいずれも光の波長を
パラメータとした分布として考えるのが物理現象的には
合理的であり、(1)式で求められる注目点の色Eも同
様である。
しかし、これは非常に複雑である事より、通常は、R,G,
Bの3要素から成るベクトルとして扱う。
例えば(1)式の第一項は各要素毎の内積で、 RI =(Rp・redId・red,Rp・greenId・green,Rp・blueId・blue) …
…(3) (3)式の様に求める事が出来る。
次に、(1)式の各項の意味を第6図を例に説明する。
第1項は、周囲に一様に散乱している光によるものであ
り、物体表面の向きによらず一様である。第2項と第3
項は特定の光源(光が方向性をもつ)に対して決まる部
分であり、第2項は光源の方向Iと表面の向き(法線ベ
クトル)Npとの関係(各α)により、第3項は光源方向
Iと視点方向Vの2等分方向Hと表面の向きNpとの関係
(角θ)によりそれぞれ変化する。第2項は、物体表面
に於ける拡散反射光を、第3項は鏡面反射光を意味して
おり、紙,布,石膏などの光沢の無い(完全拡散に近
い)物質の質感には第2項が、又金属などの光沢のある
(鏡面反射に近い)物質の質感には第3項がそれぞれ寄
与する。nはハイライトの強さ(光沢感)を制御する変
数であり、nを大きくするにつれてハイライト部分が小
さなスポットに収束し、より強い光沢感(金属的質感)
が得られる。
以上の様にして、シェーディング,ハイライト,テキス
チャの処理が行なわれる。
(発明が解決しようとする問題点) しかし、上記の各アルゴリズムでは、カラー図形を処理
する場合、1個1個の各ピクセル(画素)に対して、各
色の成分、赤,緑,青(以下R,G,B)の補間を行い、さ
らにシェーディング,ハイライト,テキスチャ処理の為
に、各成分に対し、(1)式又は(3)式の演算を必要
とする。これは膨大な演算量となる。従来の方式では、
以上の処理をソフトウェアに依り実現している為、演算
時間もかなり必要とする欠点があった。
本発明はこの欠点を改善して演算量を軽減した表示処理
方法を提供することを目的とする。
(問題点を解決するための手段) 前記目的を達成するための本発明の特徴は、ピクセル毎
のカラー情報(r,g,b)、輝度値(I)、テキスチャア
ドレス情報(U,V)、法線ベクトル(Nx,Ny)、制御情報
(Cs)をフレームバッファに記憶し、前記テキスチャア
ドレス情報(U,V)に対応する(r′,b′,g′)情報を
テキスチャテーブル7を索引することにより与え、該情
報(r′,b′,g′)およびカラー情報(r,g,b)の各々
の一方を第1のセレクタ10−1により選択し、該第1の
セレクタ10−1の出力と輝度値(I)との積を乗算器8
により与え、該乗算器8の出力及び前記第1のセレクタ
10−1の一方を第2のセレクタ10−2により選択し、入
力情報の法線ベクトル(Nx,Ny)を入力としてハイライ
トテーブル6を索引してハイライト情報を与え、該ハイ
ライト情報をゲート11により開閉し、前記第2のセレク
タ10−2の出力と前記ゲート11の出力とを加算器9によ
り加算し、前記制御情報(Cs)を入力として制御部12
は、前記第1のセレクタ10−1、第2のセレクタ10−2
及びゲート11を制御し、シェーディング処理、テキスチ
ャ処理、及びハイライト処理の有無を制御し、前記加算
器9の出力に表示出力を得ることにある。
(作 用) 前記構成において、本発明では、従来の技術の演算量を
軽減する為にR,G,Bの各色の補間をするのではなく、輝
度だけを補間する方法を採用する。この輝度というの
は、(1)式において、点光源の輝度Ips及び周囲の散
乱光Idがいずれも白色である時、I=Id+Ips・cosαの
値を指す。この共通の輝度値Iを物体表面の色Rp=(r,
g,b)の各成分に乗ずればよい。本発明ではこのI値を
フレームバッファに記憶する必要があるので、記憶容量
を削減するためにこのような白色光源及び白色周囲光の
前提を置いている。シェーディング処理を行なう際に、
予め求めた輝度値Iをフレームバッファに書き込み、DA
変換する直前に原色r,g,bと輝度値Iを読み出し乗算を
行い、RGB値を求める回路と、ハイライト処理の為に予
め求めた法線ベクトルNxNyをアドレスとして使いハイラ
イトを求めるテーブル(6)と、テキスチャのパターン
を記憶したテーブル(7)によりテキスチャを生成する
回路を設け、シェーディング,ハイライト,テキスチャ
のリアリティ処理を行なう。制御部(12)は、第1のセ
レクタ(10−1)の制御によりテキスチャ処理の有無を
制御し、第2のセレクタ(10−2)の制御によりシェー
ディング処理の有無を制御し、ゲート(11)の制御によ
りハイライト処理の有無を制御する。
(実施例) 第1図は、本発明の実施例である。例として、一つのポ
リゴンにシェーディング,ハイライト,テキスチャ処理
を施す処理過程を説明する。先ず第5図に示す様に原色
r,g,bをもつポリゴン(この場合三角形)を考える。各
頂点V1V2V3は、x,y,z座標以外に輝度値I1I2I3をそれぞ
れ持つ。この頂点データを使って三角形内部とエッジの
輝度値を次式に依って補間する。
上記3式に依り各ピクセルの輝度補間を行い、得られた
結果をr,g,bと共にフレームバッファに書き込む。従っ
て各ピクセルは三角形の色の属性r,g,b以外に補間によ
って求められた輝度値Iの情報をそれぞれがもつ事にな
る。次にCRT4の上へ表示する為にフレームバッファ1か
ら各ピクセルの情報を読み出し、リアル画像生成部2で
以下の処理を行い、シェーディング,ハイライト,テキ
スチャを生成する。なおフレームバッファ1は色の属性
(r,g,b),輝度値(I),法線ベクトル(Nx,Ny),テ
キスチャアドレス情報(U,V),及び制御情報Csを格納
するものとする。
シェーディング処理は R=r×I,G=g×I,B=b×I ……(7) により行なわれる。ここで(r,g,b)及びIの各値はフ
レームバッファ1から与えられ、乗算は乗算器8により
行なわれる。
ハイライト処理は法線ベクトルが視線方向と光源方向の
2等分線の方向に一致する付近に生じる正反射強度分布
をあらかじめテーブル(HLUT)6に記憶し、フレームバ
ッファに格納される法線ベクトル(Nx,Ny)をアドレス
としてテーブル6を索引することにより行なわれる。ハ
イライト処理の結果は加算器9により元のピクセルに重
畳される。テーブル(HLUT)6の内容の例を第2図に示
す。
テキスチャ処理は、第3図に示すごときパターンを格納
するテーブル(TLUT)7を用いて行なう。あらかじめフ
レームバッファ1に記憶されるテキスチャアドレス情報
(U,V)をアドレスとしてテーブル7を索引し、その出
力に(r′,g′,b′)を与える。
制御部12はシェーディング処理,ハイライト処理及びテ
キスチャ処理の有無を制御する。テキスチャ処理の有無
は第1のセレクタ(10−1)の制御により行なわれ、該
セレクタがフレームバッファ1からの(r,g,b)を選択
するときは、テキスチャ処理は行なわれず、前記セレク
タがテーブル7からの(r′,g′,b′)を選択したとき
にテキスチャ処理が行なわれる。シェーディング処理の
有無は第2のセレクタ(10−2)が、第1のセレクタ
(10−1)の出力を選択するか、乗算器8の出力を選択
するかにより行なわれる。ハイライト処理の有無は、ゲ
ート11の制御により、ハイライトテーブル6の出力を加
算器9に印加するか否かにより行なわれる。
尚、リアル画像生成部2の乗算器は、r,g,b,Iのビット
数が比較的少ない場合、ROMや加算器の組み合わせで代
行できる。
(発明の効果) 最後に本発明に特有の効果を列挙する。
(1)RAM,加算器,乗算器(又はROM etc.)等の簡単な
ハードウェアで構成できる。
(2)シェーディング処理を簡略化し、フレームバッフ
ァの後段でハードウェア処理する事で高速処理が可能で
ある。
(3)様々なシェーディングアルゴリズムに適応可能で
ある。
(4)テキスチャ用のTLUTの内容を書き換える事で様々
なパターンの模様が表示できる。
(5)HLUTとTLUTの内容を書き換える事で、様々な質感
をもった物体が表示できる。
(6)後処理によって、輝度値Iのみを書き換え、影付
けも可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す図、第2図はハイライト
用ルックアップテーブル(HLUT)の内容の一例を示す
図、第3図はテキスチャ用ルックアップテーブル(TLU
T)の内容の一例を示す図、第4図は頂点法線の求め方
を示す図、第5図はポリゴンのエッジと内部の輝度補間
の説明図、第6図は物体に対する光源と視点との関係を
示す図、第7図は本発明の方式の概略図である。 1……フレームバッファ(メモリ)、 2……リアル画像生成部(RIG)、 3……D/A変換器(DAC)、 4……CRTディスプレイ、 5……中央演算装置(CPU)、 6……ハイライト用ルックアップテーブル(HLUT)、 7……テキスチャ用ルックアップテーブル(TLUT)、 8……乗算器、9……加算器、10……セレクタ、 10−1……テキスチャデータセレクタ(TSEL)、 10−2……シェーディングセレクタ(SSEL)、 11……ゲート、12……制御部。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピクセル毎のカラー情報(r,g,b)、輝度
    値(I)、テキスチャアドレス情報(U,V)法線ベクト
    ル(Nx,Ny)、制御情報(Cs)をフレームバッファに記
    憶し、 前記テキスチャアドレス情報(U,V)に対応する(r′,
    b′,g′)情報をテキスチャテーブル(7)を索引する
    ことにより与え、 該情報(r′,b′,g′)およびカラー情報(r,g,b)の
    各々の一方を第1のセレクタ(10−1)により選択し、 該第1のセレクタ(10−1)の出力と輝度値(I)との
    積を乗算器(8)により与え、 該乗算器(8)の出力及び前記第1のセレクタ(10−
    1)の一方を第2のセレクタ(10−2)により選択し、 入力情報の法線ベクトル(Nx,Ny)を入力としてハイラ
    イトテーブル(6)を索引してハイライト情報を与え、 該ハイライト情報をゲート(11)により開閉し、 前記第2のセレクタ(10−2)の出力と前記ゲート(1
    1)の出力とを加算器(9)により加算し、 前記制御情報(Cs)を入力として制御部(12)は、前記
    第1のセレクタ(10−1)、第2のセレクタ(10−2)
    及びゲート(11)を制御し、シェーディング処理、テキ
    スチャ処理、及びハイライト処理の有無を制御し、 前記加算器(9)の出力に表示出力を得ることを特徴と
    する表示処理方法。
  2. 【請求項2】前記乗算器(8)がROMと加算器により実
    現されることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    表示処理方法。
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