JPH0776990B2 - 迅速な画像発生用の遠近処理およびプロセッサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術的背景 この発明は、一般の画像生成に関するものであり、特に
蓄積された画像データのコンピュータ処理を伴う画像生
成システムに関するものである。

可視シミュレータ、フライトシミュレータおよび訓練装
置のような多くの応用において、連続運動の様子を生成
するのに充分なフレーム速度で実際的な（写真の品質に
近い）画像または背景（シーン）を生成する必要があ
る。

ある型式の画像生成システムは、モノカラーの、スムー
スな影の付された、織地状の多角形を有する風景を含む
目的物の相互結合された平坦な多角形描写のデータベー
スに基づいている。これらのシステムは動画状の画像を
生成し、大部分が手作業のデータベースはもしも実際の
性質の真の複雑性を再生しようとすれば生成に費用がか
かり、非常に大きなものとなる。

別の像発生技術は、ボクセル（voxel）（データベース
描写素子）またはグリッド化された（grided）データベ
ースを含む。しかしながら、ある応用に対して所望され
る画像品質およびフレーム速度に対して、１秒当り数百
万のボクセルが処理されなければならない。

この発明の主目的は、連続的な運動の様子を生成するた
めに充分なフレーム速度で実際的な画像または情景を発
生させる方法および装置を提供することである。

別の目的は、連続的な運動の様子を生成するために充分
なフレーム速度で実際的な画像または情景を発生させる
ように効率的にボクセルまたはグリッド化されたデータ
ベースを処理する方法および装置を提供することであ
る。

さらに別の目的は、並列データ処理が効率的に利用され
る実際的な画像または情景を発生させる方法および装置
を提供することである。

発明の概要 この発明は、ボクセルデータベースの使用により表示ス
クリーンの画素に対するデータの形態で情景の画像デー
タを提供する。すなわち、この発明は、画素の列および
行から構成される表示スクリーン用の情景の画素に対す
るデータの形態における画像データのコンピュータによ
る発生方法であって、大地座標位置を表す２次元グリッ
ド中へ組織されている高度および表面特徴に関するデー
タを含むボクセルデータベースを使用し、眼の位置と画
素列を通ってデータベースグリッドと線で交差する平面
を投影し、種々の画素列を通る平面に対してそのような
線に沿ってボクセルデータベースを走査する画像データ
のコンピュータによる発生方法において、複数の分解能
レベルにおいて前記ボクセルデータベースを提供し、前
記分解能レベルと関係するボクセル幅がスクリーンの画
素の投影された幅より少し大きいように前記走査過程が
進行するとき前記ボクセルデータベースの複数の分解能
レベル中から１つの分解能レベルを反復的に選択し、前
記走査されたボクセルデータを使用して特定の画素を形
成するために使用されたボクセルデータが前記ボクセル
データベース上へ前記特定の画素の投影内に位置されて
前記眼の位置から見ている情景の特徴を表すように連続
する画素を表すデータを導出することを特徴とする。主
シミュレーションシステムはシミューレートされた観察
フィールド（FOV）を決定する表示スクリーンに関して
観察者の眼の位置に対するようなデータを提供し、ボク
セルデータベースは地上座標位置を表わす複数の解像レ
ベルのそれぞれに対する２次元グリッドに組織される。
表示スクリーンは画素の行および列から構成され、眼の
点および所定の画素列を通って投影される平面は所定の
線形走査パスを定めるライン中のデータベースグリッド
をさえぎる。この発明によれば、ボクセルデータベース
はデータベース上の投影された画素寸法に比例したデー
タベース解像度で線形パスに沿って効率的に走査され、
走査されたボクセルデータは連続する画素に対してデー
タに処理され、そのそれぞれの境界はデータベースの線
形走査中で遭遇するデータベース表面上へ突出される。
そのような高さ（渦状）の遠近法のような効果の補償は
画素データの計算に続いて行われる。

この発明の利点の一つは、水平および垂直遠近法計算の
分離がデータベースの内容、更に詳しく言えば高さのデ
ータベースの値（ｚ）に関係なく線形にデータベースを
走査することを可能にすることであり、したがつて高い
“パイプラインコンピュータ技術が可能であることであ
る。この“パイプ""は多数の連続する処理段中の処理を
表わし、それ故、各クロックサイクルにおいて処理アル
ゴリズムの実質上全ての観点が連続するデータ要素に対
して並列に処理される。

処理のさらに別の並列は適当なオーダーで線形データベ
ース走査を処理することによって、連続する走査の間の
導出された画素データ中の真直ぐな先行関係を生じる一
方向性相互依存のみがあるという特徴によつて達成され
る。これは多数の走査が並列に処理されることを可能に
し、構成されるべき第２の並列ディメンションを与え
る。したがつて、これらの特徴の組合わせは、写真状の
情景を生成することのできる充分な描写によるデータベ
ースで動作する“実時間”情景発生装置の実際的な構成
を可能にする。

図面の簡単な説明 この発明の考察された特徴であるすぐれた特徴は特に請
求の範囲に記載されている。この発明自身は、すなわ
ち、組織および動作方法ならびに負荷的な目的およびそ
の効果は、添附図面を参照した以下の説明からもっとも
よく理解できるであろう。これらの添附図面において、
同様な符号は同一の部分を表わす。これらの図におい
て、 第１図は、この発明の１実施例のプロセッサを伴つたシ
ステムのブロック図である。

第2a図および第2b図は、浅いピッチ角度で大地レベルに
対して投影された表示画素がどのように基礎データベー
スボクセルに対するかを示す。

第3a図および第3b図は、この発明を実現するための“パ
イプ”構造（コンピュータ技術）を機能モジュール的に
示す。

第４図は、地球およびスクリーン座標系および眼の観察
位置を示す。

第５図は、ボクセルデータベースの水平補間を説明する
ための図である。

第６図は、列パラメータ発生形態を示す。

第７図は、角度を回転することによる予め回転された画
像フレームを示す。

第８図は、列開始および終端画素を示す。

第９図は、画素終端テストおよび画素実効可能性テスト
状態を示す。

第10図は、放射方向カラー積分を示す。

第11図は、垂直遠近法補正を説明するための図である。

第12図は、回転アンチ・アリアシングを示す。

好ましい実施例の説明 序論 まず、主としてこの発明の１実施例である第１図および
第２図を参照すると、この発明は、大地座標位置を表わ
す２次元グリッド24において組織されたボクセルデータ
ベースの使用により表示スクリーン22の画素20のための
データの形態で情景（シーン）の画像データを与える。
第１図には図面を簡単にするために画素20の６つの行お
よび列しか示されていないけれども、480×480のような
ずつと大きな数が多くの用途においてより一般的なもの
であることが理解できるであろう。画素は予め定められ
た位置をその上に有する表示スクリーン上の小さな区域
である。ボクセルはデータベースグリッド中のそのベー
ス位置によつて位置されており、画素データを形成する
ために処理するための情報を含む。例えばカラーおよび
／または強度、および高さ（ｚ）が各ボクセルに関係し
ている。データベースグリッド（第2b図の24参照）のX,
Y平面中のボクセルの区域が各グリッド区域と関連する
ｚ値（高さ）を有すると考えられるとき、“ボリューム
素子”、すなわちボクセルが得られる。また、２次元グ
リッドのほんの一部分だけが第2b図に示されていること
を認識すべきである。

主シミュレーションシステム26は、表示スクリーン22に
対する観察者の眼の点28に関するデータをプロセッサ40
にを与え、このプロセッサ40はこの発明にしたがつてボ
クセルデータベースを処理して表示スクリーン22上の高
品質の画像の表示のための適切なフォーマットで画素デ
ータを出力する。主シミュレータシステム26は、例えば
訓練シミュレーション用においてはホストコンピュータ
（図示せず）および操縦桿駆動航空モデル（図示せず）
を備えていてもよい。眼の地点および所定の画素列を通
って投影される平面および所定の画素列は線形走査パス
（第６図参照）を定めるラインにおいてデータベースグ
リッドと交差する。後で説明するように、ボクセルデー
タベースはデータベースグリッド上の投影された画素の
大きさに比例したデータベース解像度で線形パスに沿っ
て効果的に走査され、走査されたボクセルデータは連続
する画素のためのデータに処理される。第10図に示すよ
うに、各画素の底部および頂部は、各画素とどのボクセ
ルが関係するかを決定するためにデータベースの線形走
査において交差したデータベース平面上へ投影される。

アルゴリズムと構成との相互作用 ボクセルデータベースのスクリーン座標への遠近法変換
のためのアルゴリズムはプロセッサ40の長い処理パイプ
ラインを遮断する頻繁な相互依存なしに表示画素に向か
ってデータベース要素の連続処理を許容するように構成
されている。そのとき大きな作業が生成され、全体が順
次のサブプロセスで構成される。

パイプライン処理における各サブプロセスはさらにパイ
プライン化されたサブプロセスに分断される。

それ故、ハードウエアの構成において、パイプライン中
の処理素子はその機能を完了するために１クロックサイ
クルにより多くを必要とすることはなく、したがつて各
サイクルに処理されたデータ要素を通過できる。事実全
ての処理要素は各サイクルに正当なデータによつてビジ
ィーであり、それは処理されるデータの流れが大きく中
断されることがなく、非常に高い効率でハードウエアが
使用されるからである。

大形のダイナミックデータベースメモリ70（第3a図）が
ダイナミックMOSメモリによつて構成され、それは所望
の処理クロック時間より大きいサイクル時間を有する。
しかしながら、x,y座標中のデータベースを横切ってア
ルゴリズムが走査を行なう通常の方法は非常に効率の高
い挿間メモリデザイン構造に対して行われる。したがつ
て、大地座標位置を表わす２次元グリッドに組織された
ボクセルデータベースの選択はこの挿間能力を最適なも
のとする。

ハートウエア構造中の大きさの考察 第2a図および第2b図は大地のデータベースボクセルに表
示画素がどのように投影されるかを示している。第2b図
の実施例において、画素の色は大地のデータベースの平
面上の画素の足跡29を構成する３個の完全なボクセル
と、第１のボクセルの大部分と、最後（５番目）のボク
セルの小部分との積分である。

説明したシステムにおける支配的な大きさのパラメータ
はピッチ角度であり、より浅い（水平線に近い）角度で
負荷マネージメント技術が使用されなければならない。
しがつていくつかの方法で発生された情景の品質を低下
させる。（最も有効な負荷マネージメント法はより粗い
ボクセルを使用することであり、したがつて画素当りの
ボクセルカウントを減少させることである。これは通常
２までまたは４まででさえもファクターにおいて顕著で
はない。別の選択は60分の１秒のインクレメントに情景
発生速度を遅くすることであり、これも真直ぐ前方の低
い傾斜角度で非常に顕著ではない。）もしも例えば、負
荷マネージメント要求される前に水平下11度のピッチ角
までなることが所望されるならば、ボクセルは平均で画
素の幅の1.5倍であるから（x1とx2との間に維持され
る。すなわちボクセルの大きさ／解像度は１画素幅より
も大きく２画素幅よりも小さく選ばれる。）、投影され
た画素は長さで平均４ボクセルである。再び、例えば48
0×480画素の表示装置では33msの更新速度の画像、毎秒
平均約800万の画素が処理される。それ故４個の並列の
ボクセルパイプが必要であり、それぞれ毎秒約800万ボ
クセルの実効平均速度での走行が所望の画素の生成に必
要である。

概観の説明 ボクセルデータべースからの実時間情景発生の処理は、
観察内の全てのデータベース描写要素（ボクセル）のア
クセスし、各可視ボクセル輝度値をその画素に対する支
配に比例して適切なスクリーン画素に積分することから
なる。観察の傾斜角と情景の内容に応じて、この手段は
毎秒数千万のボクセルにアクセスし処理して表示を生成
する。画素の足跡幅はボクセルデータの処理のための適
切な階級レベルを決定し、それにより傾斜距離と無関係
に処理されるボクセル数を維持する。

画像発生アルゴリズムは情景発生処理を並列の同一プロ
セッサで実効できる多数の同一の作業に分割する。この
アルゴリズムはまた個々の作業の全ての段階に対して長
いパイプライン構造中の連続するデータ要素で同時に計
算されることを可能にする。したがつて、このシステム
構造はボクセルベースの情景発生に必要な高い速度の計
算を実行させる２次元における並列を利用する。

第3a図および第3b図は、処理の後半のために単一のパイ
プに狭められた多重パイプ形態としてのパイプ構造の前
部を示している。特に、機能モジュール素子50乃至57は
第3a図および第3b図に４個のパイプ（並列処理チャンネ
ル）を示すものとして図示されている。例えば、座標ア
ドレス発生装置50は４個のモジュール素子50a,50b,50c,
50dからなるものとして示され、それらのそれぞれ各プ
ロセッサパイプとして動作する。ダイナミックデータベ
ースメモリ70は、多数のサブモジュールからなるものと
して示され、バッファ67および68はそれぞれ２個のサブ
モジュール（単一のパイプ形態であるが）から構成され
るものとして示されている。多重領域においてデータベ
ース要素（ボクセル）は処理されて表示画素を生成す
る。その後データトラフィックはずつと小さい、画素が
生成される点において予想できる数に減少し、単一のパ
イプ構造は残りの処理の要求に合致させるのに充分なも
のである。

パイプ長は、物理的素子間のデータパスのための共通イ
ンターフェイスプロトコールおよび共通制御システムを
有する機能的なモジュールとして構成される。これは機
能的な付加または変化の範囲に対する一つの構造を与え
る。このモジュール性はまた、迅速な故障検出／故障分
離を可能にするモジュールベースで中央でアクセス可能
なテスト入力および出力を有して機能が互いに物理的に
分離されるから、故障診断および保守過程において非常
に大きな助けとなる。

並列パイプ構造はまた共通の構造を与えられた用途に経
済的に適合させることを可能にするようにハードウエア
の要求に対するモジュール性をもたらす。また並列の同
一のパイプは、品質の低下した動作を行なうフェイルソ
フト（failsoft）故障許容の能力を与え、したがつて高
いシステム利用性を確保できる。

プロセッサの実行はフレームおよび列パラメータ発生装
置44を伴うパイプ制御装置42の完全な制御下にある。パ
イプ制御装置42は作業リスト（走査列）および供給源の
集積（パイププロセッサ）を有する。制御装置の仕事は
表示（情報）のフレームの完成のために作業（その期間
中に変化可能である）における供給源のビジー状態を維
持することである。

ダイナミックデータベースメモリ70の前および後の接続
（スイッチ）回路網72および74は全てのパイプが共通の
データベースメモリへのアクセスを共用することを可能
にする。メモリミは所要のメモリアクセス帯域幅を得る
ために多数の挿間されたサブモジュールから構成され
る。

直接観察区域のデータ決定、すなわち直接処理のための
区域は、重要なゲーム区域（すなわち画像／情景発生が
所望される区域）のデータ決定を保持するデータベース
メモリ82から高速度データ伝送によりアクチブなデータ
ベースランダムアクセスメモリ70中のデートまで維持さ
れる。メモリ82は例えば複数の磁気ディスクメモリ装置
から構成されることができる。この伝送はデータベース
制御装置42の制御下に行われ、それはデータベースアク
セス制御のために現在および推定された眼の点の計算を
使用する。

アドレス発生装置50は大地の座標のストリームを放射す
るためにアクチブなデータベース上に投影される画素列
パスに対する初期条件の列パラメータ発生装置44の出力
を使用する。これらは実メモリページおよびサブページ
アドレスに変換されて適当な階級レベルにおけるボクセ
ルデータを得る。もしも蓄積された階級レベルが可視性
プロセッサ56により要求されるよりも低い（傾斜距離か
ら計算された画素の足跡29により決定されるような）解
像度であるならば、強度および／または色補間装置54お
よびｚ補間装置55は低い解像度ボクセルのコーナーまで
の距離を利用し、新しい中間強度（および、または色）
およびボクセルストリーム中に挿入されるｚ値を計算す
ることにより適切なボクセルを発生する。もしもボクセ
ルが目的物参照物によつてマークされるならば、パター
ンプロセッサ53は参照された垂直パターンにアクセス
し、これらのボクセルをストリーム中に挿入する。最終
的には、表示画像列のための適当な大きさにされたボク
セルのストリームが生成される。可視性プロセッサ56は
これらのストリームを処理してボクセル可視性を決定
し、画素足跡内の多重ボクセルの垂直強度の平均化を行
なう。水平平均は適当な階級を利用することの効果であ
る。それは各階級は次に高い解像度階級のボクセルの強
度を平均することによつて生成されるからである。個々
の画素情報はそれから単一パイプライン中に通過し、そ
こにおいて、垂直遠近オフセット補正が60において全体
の遠近補正のために追加され、雲の状態等をシミュレー
トするヘイズ（haze）が挿入装置61において挿入され、
ロール装置62において眼の点の回転角度に対する計算の
ため画像が回転される。垂直遠近の変位および回転計算
は拡張された精度で行われ、ピンポンバッファ67中にサ
ブ画素オフセット値と共に蓄積される。画素が走査され
るとき、１アンチ・アリアス（anti-alias）に対する４
個の画素が前に計算されたオフセットに比例して補間装
置68において行われる。それから画像はマージ装置64に
おいてかぶせる特別の効果（雲のようなもの）、シンボ
ル／グラフと混合され、表示装置30（第１図）に供給さ
れるためにD/A変換位置（DAC）65中でアナログ形態に変
換される。

システムはパイプライン処理の初期の部分において適当
な水平遠近を維持する。データベースを通るパスを決定
するとき、平面は眼の点と画素列を通って投影される
（第６図）。パスはこの平面がベース面（データベース
グリッド24）と交差するラインである。全ての列の投影
からのパスはそれらがデータベースを通って伸びるとき
に発散する。したがつて眼の点から遠いボクセルはスク
リーン上に投影されたときより小さく、互いにより接近
して現われる。これは真の水平遠近法を維持する真の幾
何学的投影である。この処理はまた、もしも観察スクリ
ーンのピッチ角がゼロに等しいならば正確な垂直遠近法
を生成する。他のピッチ角に対しては、適当な垂直遠近
法は後の変位修正によつてスクリーン画素上へボクセル
をマップするアルゴリズムの特性によつて維持される。
データベース中において、全てのボクセル（ｚデータ
値）はベース平面に対して垂直に方位付けられる。垂直
遠近法なしに建物の煙突のような高い目標のエッジから
なるボクセルはスクリーン上の単一画素列上に投影され
る。したがつて、もしも観察が２個の建物の間で真直ぐ
であるならば、それらはスクリーンの上部と下部に同じ
距離離れて現われる。表示画像中の適当な垂直遠近法に
よつて、建物の頂部は底部よりもさらに離れなければな
らない。この効果を得るために、建物の画像を構成する
画素はスクリーン上で実際に離して移動される（機能モ
ジュール60）。それらの移動はピッチ角、画素に寄与す
るベース平面上のボクセルの高さ、およびスクリーン中
心から画素列距離の関数である。

いくつかの処理が特定の画素がスクリーン上でどれだけ
遠く偏向されなければならないかを計算するために使用
される。高いボクセル（大きなｚ値）はいくつかの画素
上に投影されるから、個々の画素に寄与するボクセル部
分の高さは計算されなければならない。それから地球的
距離における偏向がその高さ、ピッチ、およびスクリー
ンの中心からの距離に基づいて計算される。スクリーン
の中心の左に対する画素は左に偏向され、一方右に対す
る画素は右に偏向される。最後に、地球座標における偏
向はスクリーン座標中の偏向に写像（map）され、画素
は新しい列に割当てられる。列はピッチ角が画像中の適
当な隠蔽を確保するために下方にされ、上方ピッチのと
きと反対にされるときスクリーンの中心から外方に計算
される。

アルゴリズムが高いボクセルを上昇して進行する（ｚ方
向）と、それは各画素を適当な列に偏向する。アルゴリ
ズムの近くから遠くまでの走査は近くに偏向された目標
によつてカバーされない遠くの情景でカバーされない区
域を満たすことを可能にする。もしもより近い目標物が
列中に偏向されるならば、距離ボクセル上で上位を取
り、それらを閉じ込める。近い目標が遠いものを閉じ込
めることを確実にするために、画素が偏向されるとき、
列は中心から外側へ側部へ計算される。各画素が計算さ
れるとき偏向はあつても、なくてもよい。画素がその目
的地列中に配置される準備ができたとき、アルゴリズム
は蓄積された充填値を検査して画像がすでに満たされて
いるか否かを決定する。アルゴリズムは中心から動作す
るから、すでに満たされている画素は内側列から偏向さ
れた画素によつて満たされなければならない。その内側
の画素はより近いボルセルからでなければならない。何
故ならば、それは現在の画表よりもさらに偏向されたか
らである。これ故、現在のボクセルから計算された画素
が閉じ込められなければならず、現在のボクセルは隠さ
れたものとして取扱われ、単に廃棄される。

満たされた値はまたプロフィルにおけるアンチ・アリア
ス・エッジに対して使用される。画素が部分的にエッジ
によつて満たされていることが検出されたとき、それは
この部分的に満たされた値と共にフレームバッファ67中
に蓄積される。後で走査において、背景ボクセルはこの
位置に対して画素座標を発生し、それは満たされた値の
パランスを満たし、したがつて強度を調整する。

特別の説明 この発明のシステムは、必要とされる“写真的”情景デ
ィテールが示され、情景発生プロセスにおいて助けられ
るデータベース表示を使用する。これは、基本的にはそ
れぞれ高さおよび色／または強度（白黒システムに対し
ては輝度がただ１つの値）および高さ情報の表現を有す
るグリッドの要素である。データベース生成処理におい
て、４個の隣接する要素（2xおよび2y）の色および／ま
たは強度値は積分され、それらの最大の高さの値はデー
タベースのより高い（より粗な）レベルの階級を生成す
るために割当てられる。この積分はデータベース階級に
おける多数のレベルを生成するために反復的に行われ
る。データベースを部分的にのみ拡張するこのオフライ
ンプロセスは区域に対する画素中の全体の大地の積分に
向かう第１のステップである。所定の眼の点から重要な
地上点へ投影された表示画素の幅にほぼ等しいボクセル
を含むデータベース中の階級を選択することによつて、
水平積分が行われる。アルゴリズムは次にデータベース
中の重要な区域の通常の走査を行なわせる。連続するデ
ータベース要素の直線状走査は高度に補間されたメモリ
の効率を最良のものとするように作用する。走査は眼の
位置からデータレベルに投影された（第６図参照）表示
スクリーン画素の列の幅に等しい間隔で半径方向に遠ざ
かる方向に行われる。走査は画素よりも幾分大きいボク
セルを与えるデータベース階級レベルで行われ、したが
つて全てのグリッドが観察されることが確実にされる。
走査が半径方向外側に進行するので、画素と対する連続
するボクセルは積分され、全グリッド積分を完了するよ
うに正規化される。

ボクセル走査が半径方向外側に進行するので、可視ボク
セルは垂直観察点角度が増加する。したがつて、固定さ
れた（表示フォーマット当り）ピッチ角境界において、
ボクセル輝度は連続的な画素行に寄与する。

多くの応用、特に狭い観察フィールド（FOV）を有する
場合における真の遠近法に対する合理的な近似は、ベー
スグリッド平面中の走査されたボクセルの全ての直線を
表示中の単一の画素列中へ落ちることを強制することで
ある。後者の部分は広い観察フィールド中の正確な遠近
法のための垂直遠近補正を扱う。

上記のプロセスは水平がレベルであると仮定して行われ
る。それから結果として得られた情景は任意の回転角を
計算するために視準線を中心に回転される。回転は画素
境界から得られるよりも高い正確度で計算され、それ
故、後続するアンチ・アリアス装置が周囲のオフセット
に貢献するものから新しい画素値を計算することができ
る。

追加的な情景処理はプロセス中の別の点で生じる。処理
の前に、しかしデータベースメモリからのボクセルの検
索の後に、ボクセル（任意選択として）はパターン挿入
段52を通過し、そこでマークされたボクセルは選択され
た垂直パターンを呼出してボクセルストリーム中に挿入
することができる。これらは樹木、建物、車両等のよう
な地上から突出する静止物を表わし、垂直ディメンショ
ンにおいて透明部分を含む多重色を有する。運動目標に
対する任意選択的な追加的な能力は、ウインドウ区域の
分類されたリストのヘッドに対する現在の発生位置を整
合するための座標位置走査発生装置中の手段によつて与
えられる。各ウインドウ区域は可動目標の足跡を表わす
（すなわちウインドウ座標が移動される）。一致が生じ
たとき、並列処理によつて静止パターン挿入段と同じメ
カニズムで適切なパターンにアクセスするようにマーク
されたそのベース要素を有する識別された目標の実際の
回転されたベースが得られる。したがつて、共通の目標
ベース記述が任意の方位におけるデータベース中の多く
の場所において使用されることができる。またそれは運
動または静止状態の全ての他の目標を有するパターンを
共用する。

画素の形成に続いて、ヘイズ挿入装置61においてヘイズ
が距離および垂直観察角の関数として発生される。雲は
68において共通データベースメモリ70中の別のデータベ
ースで同じメカニズムで走査することによつて挿入され
る。この別のデータベースは地上が記載されるのと同じ
ように３次元で雲のパターンを記述する。雲のパターン
は半透明のエッジを有するぼやけた雲を発生するために
故意に非常に粗くされている。この粗いデータベースは
非常に僅かのデータベースメモリを占有するだけであ
り、雲の観察状態を組立てるために小さなフレームバッ
ファを必要とするに過ぎない。それは大地の情景バッフ
ァの64分の１の大きさに過ぎない。それは雲の線形解像
度は大地の解像度の８分の１であるからである。雲のフ
レームバッファ68につづいて補間段66は粗い画素間の雲
の情景をスムースにし、雲のデータがミスされている地
上画素中に64において次第に溶け込ませる。画素範囲比
較は可視であることを決定するために使用される。

座標系 情景発生アルゴリズムの詳細を論じる前に、座標系につ
いて説明する。地球座標とスクリーン座標とがある。画
像が水平（ロール角＝０）であると仮定することによつ
て簡単になる。これは通常の繁雑な３次元変換を行なう
必要を回避する。これについて以下詳細に説明する。X,
Y,Zで表わされる地球座標系はボクセルデータベースを
決定する。（X,Y）はデータ位置の地図を作り、Ｚは高
さである。ｊおよびｉで表わされるスクリーン座標は２
次元座標であり、そこに最終画像が表示される。変数ｊ
はスクリーンの列番号に対するものであり、ｉは画素番
号に対するものである。画像当り2Nの列があり、列当り
2Nの画素がある。ｊとｉは共に−ＮからＮ−１まで変化
する。第４図は二つの座標系および眼の観察位置（X_E，
Y_E，Z_E）を示している。

データベース ボクセル型（グリッド化された）データベースは自然地
形および人口構造物を描くために使用され、空中写真を
デジタル化することによつて非常に細かいグリッドに生
成される。これはそれから対応するデジタル地形高度デ
ータ上に置かれる。ボクセル型式データベースを使用す
るのは二つの理由からである。（１）もしも走査プロセ
スが最小の論争点を有するメモリをアクセスできるよう
にメモリが組織されるならば（高い相互依存）、ハード
ウエア効率が改善され、（２）もしも空中写真からデー
タが生成され、地形構造の詳細が組込まれるならば自然
地形構造が改善される。各位置（X,Y）において、ボク
セルデータベースは色および／または輝度情報ならびに
その位置における高さ値を含む。画素の色は画素に対す
るボクセルの面積積分であることを触れておく。ボクセ
ル積分の一部はデータベース処理時間（すなわちオフラ
イン処理として）においてデータベースにボクセルのい
くつかの階級を加算することによつて行われる。もとの
デジタル化したデータによりスタートし、ボクセルの高
い階級は４個の隣接するボクセル（ＸおよびＹの２個）
の色を平均することによつて生成される。この処理は２
進階級中の多数のレベルを生成するために繰返される。
最初にボクセル処理中にボクセルの大きさが投影された
画素の大きさに匹敵する階級レベルが選択される。これ
は水平に観察方向を横切る方向における積分によつて達
成される。走査が進行すると、ボクセル傾斜距離が２倍
になるとき、投影された画素の幅も２倍になる。この点
でデータベース中の次に高いレベル（より粗いボクセ
ル）へ切換えられ、走査処理が続けられる。この階級レ
ベルの切換えは距離が２倍になる都度生じる。この動作
は交差範囲および放射方向の両者における積分を与え、
同時に距離に無関係に処理負荷を維持する。負荷はピッ
チ角にのみ依存し、角が浅くなると共に増加する。

データベースは全ての場所において全ての所要の解像度
レベルで処理される必要はない。多くの区域において、
高い解像度のデイテールを与えることは不必要であり、
或いはそれは写真の制限またはメモリの制限によつて利
用されない可能性がある。走査時におけるプロセッサは
各ボクセルにアクセスしようとし、解像度の階級は傾斜
距離および投影された画素の大きさに適当している。も
しも、これが利用できないと、利用できる次に高い階級
が選択される。解像度のずつと低い階級が選択されるこ
とはないから、全体の水平強度積分は常に達成される。
ボクセルは走査列の間に落ちてミスされることはない。

理想的ボクセルより大きなものに適合しタイルのように
なる効果を避けるために、水平補間処理がボクセル内の
走査位置（第５図）にしたがつたボクセルの４個のコー
ナー強度値間の線形補間によつて行われる。また、スム
ースな地形プロフィルを得るために、この同じ機能はボ
クセルの４個のコーナーのＺ高さ値についても行われ
る。走行時間における多重データベースアクセスを避け
るために、これらの４個の強度値および高さ値は各ボク
セルと共に蓄積される。不連続の場所を除いて、これら
のコーナー値は単に隣接するボクセル値のコピーであ
り、したがつて冗長である。データはこの冗長なしに圧
縮されたフォーマットでメモリ82（第3a図）中に蓄積さ
れる。データがRAMデータメモリ70に転送されるときに
データは圧縮された状態から伸長される。

直接のオーバーヘッド空中写真から生成されたデータベ
ースは建物や、橋や、断崖等のような高さの不連続から
生じる垂直縁における色情報を供給しない。これらの垂
直縁同じ地形位置における多重カラー高さ値に対応す
る。しかしながら、対応するボクセルはただ一つの高さ
値およびただ一つのカラー値を含むことができる。それ
故データベース中に垂直縁が存在するときにはいつで
も、分離したデータベースまたはパターンがそれに適合
するために供給されなければならない。このデータはま
たデジタル化された写真から生成されてもよく、または
合成的に作製されてもよい。リアリズムを大きく損うこ
となく、同じパターンのデータ、すなわち建物の窓のあ
る壁１以上の垂直縁に対して使用できる。大地データベ
ースにおいて、もしもパターン化された目標が必要とさ
れるならば、目標の足跡におけるボクセルはパターンメ
モリにおける垂直パターンに対してそれぞれポインター
で置換される。

画像プロセッサにより行われる計算 フレームパラメータ 実時間画像発生において、毎回の画像（すなわちフレー
ム）は、眼の位置：X_E，Y_E，Z_E、姿勢:R（ロール）,P
（ピッチ）,Y（ヨー:yaw）およびFOV（視野）によつて
ユニークに特徴付られる。通常視野FOVは画像のシーケ
ンスに対して固定される。X_E，Y_E，Z_E、R,P,Yだけがフ
レームによつて変化する。主シミュレーションシステム
26の一部である（第１図）外部源、すなわち操縦桿駆動
航空モデル（図示せず）から毎1/30秒に６個のパラメー
タを受ける。

列パラメータ 画像パラメータを受けた後、アルゴリズムは各列に対す
る走査パラメータを計算する。それは各列を完了すると
き列処理パイプに前進される。第６図はどのようにして
パラメータが決定されるかを示している。もしもスクリ
ーンにおいて互いに平行である全ての列がスクリーンか
ら大地平面（Ｚ＝０）に投影されるならば、投影はピッ
チ角度が90度に等しい場合を除いてはもはや平行ではな
い。これらの投影は放射方向外方に無限大まで、最低点
（X_E，Y_E,0）を通り水平線に平行な線に沿って交差する
ように内方に無限大まで延在する。交差点（各投影に対
して一つ）は大地走査のためのスタート点である。第６
図は列ｊに対するスタート点（Xstj）を示す。特別の場
合は、ピッチ角がゼロの場合に生じ、その場合には全て
の走査は最低点（X_E，Y_E,0）においてスタートする。

列走査のためのスタート点が計算されることができる前
に、決定し、計算しなければならない他のいくつかのパ
ラメータがある。第１に発生される画像はゼロロール角
に対するものである。真の最終画像を生成するための回
転は、このもとの画像が組立てられた後で行われる。こ
れは、予め回転された画像が発生されなければならない
ことを意味する。すなわち、予め回転された画像におい
ては、最終の回転が画像の縁に平行なグリッドを有する
方形フォーマット中に出力画像を置くようにグリッドラ
インは画像の縁に対して回転される。第７図において、
傾斜した方形ABCDは発生されるべき実際の画像である
が、発生された列は縁Ａ′Ｄ′およびＢ′Ｃ′に平行で
ある。列の数およびフレームABCD中のその長さはロール
角（Ｒ）に応じて変化することが認められる。もしも、
最終の画像の解像度が512×512であるならば、Ｒが45度
に等しい時には列中の画素の最大数は724であり、最小
数は端部における１である。Ｒ＝０のとき全ての列は51
2個の画素を有する。

もしも出力画像か所定のFOV角を有するならば、第７図
からフレームＡ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′に対するFOV′はFOVに等
しいか、または大きいことが認められる。これは明白な
視野と呼ばれる。

画素列ｊに対しては、中央行観察方向EGとフレーム方向
EOとの間の角として定められた対応する角Vjがある（第
７図参照）。

一度FCV′およびVjが計算されると、スタート点（Xstj,
Ystj）が計算できる（第６図参照）。これが成される
と、Ｘ方向のインクレメントXj、Ｙ方向のインクレメン
トYj、距離におけるRjが計算される。ボクセルをミスす
ることを避けるために走査は各ステップで一つの小さい
方の軸グリッドライン（適当なグリッド解像度におい
て）を横切る。すなわち走査ラインの主軸がＸであるな
らば（走査ラインとＸ軸との間の角が45度よりも小さ
い）、Xjは１に設定される。他方、Yjは１に設定され
る。走査ラインの方位を発見するために、フレーム観察
方向（第８図参照）に垂直の方向に沿って大地に投影さ
れた角Vjである他の角αｊか計算される必要がある。小
さい方の軸のインクレメントは大地平面上のこの走査ラ
インと主軸との間の角度のタンジェントに等しい。Xjと
Yjは座標走査発生装置によつて後で適当な階級レベルに
縮尺される。

列走査において、画素に対するボクセルの全てのカラー
（または輝度）値を画素中に積分することが所望され
る。それ故、画素は垂直に計算された列内に境界され、
そのため積分のスタートおよびストップ点が決定され
る。画素の境界（j,i）はθj,iおよびθj,i＋１であ
る。θj,iの画素（j,i）の観察方向と眼の位置を通る水
平平面との間の角（第３図参照）である。

列走査の終りは計算されたβj,i中で数えられたインク
レメントの数がLj＋Mjを越えたときに決定される。ここ
でLjは中央行より上の画素の数であり、Mjは下の画素の
数である。

列処理パイプ ボクセルアドレス発生装置50 アルゴリズムのこの部分の基本的機能はXstj,Ystjおよ
びXj,Yjを使用して走査ラインに沿ったボクセルアドレ
スを発生されることである。発生されたアドレスはボク
セルの適当な階級レベルの解像度であることに注意すべ
きである。物理的なメモリ（第3a図の82）において、ボ
クセルは128×128ボクセル（16Kワード）の“ページ”
中に蓄積される。各ページはページ中のボクセルの解像
度階級に比例した大きさの地球座標スペースの区域を表
わす。１フットの解像度においてボクセルの１ページは
実際のワードページの128×128フィートを表わす。これ
らのページはそれらの階級数およびベース座標位置によ
つてメモリ制御装置80により参照され、観察区域の足跡
が大地を横切つて移動するときデータベースRAM70中に
ダイナミックに負荷される。列走査装置による実地球座
標の発生に続いて、変換装置51が実メモリ82が所望の階
級および座標位置を表わすページを含んでいるかを見る
ために正当なページの表をチェックする。もしもそうで
なければ、次によく利用されるものを発見する。実際の
ページの物理的ベースアドレスが得られ、ページ内の個
々のボクセルアドレスを追加される。この結果得られた
アドレスはマルチプレクサ／デマルチプレクサスイッチ
72を介して多重共通データベースメモリモジュール70へ
送られる。メモリモジュール70はアドレスされたボクセ
ルにアクセスし、それをスイッチ74を介して処理のため
に解像要求パイプへ送る。

パターンメモリおよび処理 各ボクセルのためのデータはパターンフラグビツトを含
む。もしも、このフラグが送られないならば、ボクセル
は通常の大地ボクセルであり、それはページに関係する
ベースｚに対して４コーナーのｚ値を含む。不連続を除
いて、これらのｚおよびカラーは隣接コーナーのまさに
コピーである。パターンフラグが設定されるならば、こ
のボクセルは多重ｚ値およびカラーを有し、垂直パター
ンが必要とされる。ボクセルデータは今度はアクセスす
べき適当なパターンを指示するメイデックスを含む。こ
れらのパターンは共用パターンメモリ53から検索され、
同じX,Y位置で一方が他方の上で変化する高さの連続す
るボクセルとしてボクセル流中に挿入される。

機能モジュール54はデータベースメモリをバイパスする
アドレス発生装置からのパス75中に設けられたX,Yオフ
セット値の拡張された解像度対を使用して（ボクセル中
へ）ボクセルの４個のコーナー間に強度および／または
カラー、およびｚ値を補間する。

ボクセル処理 次の装置のパイプラインモジュール56において、二つの
直接テストが行われる。すなわち、カラー積分のための
決定をするのを助けるための、（１）画素エンドテスト
と、（２）画素可能テストである。画素エンドテストは
ボクセルが現在の画素境界の外側にあるか否かを決定す
ることである。第９図は両方の状態の例を示す。この装
置はデータベース中で取られるステップ数によつて計算
される大地距離Rgおよび各ステップの大きさ（解像度の
大きさ）およびボクセル表面角θ_Ｙを計算するためのボ
クセルｚ値を利用する。画素テストにおいて、θ_Ｙは画
素境界角θ_jiに対して比較され、このθ_jiは視準線ピッ
チに対して固定される。可視テストは現在のθ_Ｙを前に
決定された可視ボグセル角に対して比較する。

これらの二つのテストの後、ボクセルが画素境界内で可
視であれば、ボクセルのカラーが画素中に積分される。

放射方向のカラー積分は第10図に示されている。陰をつ
けられたボクセルのカラーは全て画素ｉ中に積分されな
ければならない。率直な構成は陰をつけられたボクセル
のカラーの全てを単に合計して正規化することである。
これは情景がざらざらした地表であるときには一般に適
当であるが、情景が輝いた背景に対した暗い建物である
ときには建物の縁はぎざぎざで現われ、動画的な運動を
する。これを補正するために、ボクセルに対する画素の
角部分が計算され、それからカラーがこの割合いで重み
を付けられる。反対に画素境界と重なるボクセルは覆わ
れた各画素の量に比例する画素に分配される。

垂直遠近法 画素が形成された後、広い視野および平坦なスクリーン
投影に対しての任意の選択として、垂直遠近法補正段60
が設けられる。垂直遠近法補正は他の列に対する画像ス
クリーン上の変位に対応するＰとＰ′との間（第１こ
の）の変位ｄであり。この変位はピッチ角、ゼロ基準か
らのボクセルの高さ、およびスクリーン中心からの距離
の関数である。第11図から次のように計算される。

ｄ＝Z_P sin P tanVj（１） ここで、Z_Pはベース上のボクセルの高さである。Ｐはス
クリーンの法線のピッチ角であり、Vjは中心列からの列
ヨー（yaw）角である。ピッチ角が大きいほどボクセル
は高くなり、或いは中心列から遠ざかり、変位が大きく
なる。ゼロピッチ角の観察では画像の中心列からの偏向
もない。式（１）は地球スペース単位における変位を計
算する。スクリーン装置中の対応する偏向を発見するた
めに、変化ｄがスクリーン上に戻して保護される。次の
式は偏向後の列数を与える。

j_N＝j_M＋（j_O−j_M）×（ｄ＋Rs sin Vj）/Rs sin Vj ここでRsは観察位置から変位されるボクセル上の点まで
の傾斜距離であり、j_N，j_O，j_Mは対応する新しい、古
い、および中間の列番号である。

また、Z_P（高いボクセル上の中間画素点）は直接に利用
できない。すなわち、 Z_P＝Z_E−Rs sin θ これらの式を組合わせ、j_M＝０とすると、 j_N＝（j_O sin P/cos Vj）×（Z_E／R_S−sin θ）＋j_O ここで、Z_E＝眼の点の高さ Z_P＝問題としている点の高さ R_S＝問題としている点までの傾斜距離 θ＝問題としている点に対するヒッチ角 この形態は変位された列値を導出するために使用され
る。何故ならば第１の項は全ての列に対して一定であ
り、列パラメータ発生装置44（第3a図）によつて供給さ
れることができ、R_Sは他の目的に対して各点に対して導
出されることができ、θはテーブルからの垂直画素角で
あり、Z_Eは全フレームに対するフレームパラメータ定数
であるからである。

ヘイズ（haze）挿入装置61 雲の状態をシミュレートするためのヘイズ効果の付与は
雲の３次元パターンや雲の縁部における透明度の変化等
の状態をシミュレートするデータを使用して行われる
が、これは眼の位置から画像内容までの傾斜距離および
水平に対するピッチ角度に応じて定められる。それは回
転が行われる同じパイプラインにおいて計算される。ヘ
イズ機能は次のものによつて記載される。

Iout＝Iorig（１−Ｈ）＋I_H（Ｈ）（カラー）＝出力強
度 Ｈ＝ｆ（R_S,Visθ） ＝ヘイズ不透明、０と１の間に制限される。

I_H＝ヘイズの強度（カラー） Vis＝強度がもとの半分であり 半ヘイズである距離 R_S＝画素内容に対する傾斜距離 θ＝画素のピッチ角 回転装置62 回転の計算は直線的な計算によつて行われる。

X_O＝X₁ cos R＋Y₁ sin R Y_O＝Y₁ cos R−X₁ sin R ここで、Ｒはロール角であり、 X₁，Y₁は最初の座標であり、 X₀，Y₀は最後の出力座標である。

回転、アンチ・アリアスおよびビデオ出力 画像の予めの回転により、計算されたグリッド化された
画素は出力画像に対する画素と同じではない。計算され
た画素は予め回転されたグリッドに対して修正される。
同じ任意の量の回転後、これらの画素は最終の表示フォ
ーマット中で走査されたグリッド上に規制的に落ちるの
ではなく、これらの画素の間の位置に落ちる。もしも任
意に走査グリッド構造上に移動して戻されるならば、強
いアリアス（別名）効果が生じるであろう。

回転中に、新しい画素位置が例えばｘおよびｙの両者に
おいての正確度の余分の２個のビツトによつて計算され
る。画素のホーム位置からのオフセツトを表わすこれら
のビツトはこのピンポン２重出力バツファ69中の画素の
カラーおよび／または強度値と共に蓄積される。１フレ
ームがこれらのバッファの一つにおいて形成された後、
他のバッファが次のフレームの構成に使用されている間
に出力画素のための走査に使用される。バッファは出力
ビデオを生成するために走査されるけれども、２個の隣
接する行は実際には同時に走査されてアンチ・アリアス
アルゴリズムを得るために必要な情報が得られる。

第12図は、アンチ・アリアス回転がそれに対して行われ
るべき回転された画像中のグリッド点Ａ、および表示座
標x,yへＲだけ回転されたもとの画像中の４個の画素で
あるC₁，C₂，C₃，C₄を示している。これら４個の画素カ
ラー値は、Ａからのオフセットに逆比例して重み付られ
て距離d₁，d₂，d₃，d₄にしたがつてＡにおける次の画素
中に積分される（一つの単一出力グリッドに対する寄与
するものの数は常に４ではないことに注意されたい）。
それは回転角に依存する。寄与するものの数は最大５で
あるが、２になることもある。

以上迅速な絵のような画像発生のための新しい改善され
た遠近画法処理およびプロセッサについて説明した。こ
こで行った説明は主として特定の実施例についてである
が、この発明はそれに限定されるものではないことを認
識すべきである。したがつて当業者によつて行われる全
ての変形、変更、または等価的な装置は以下の請求の範
囲に記載された技術的範囲に含まれるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤング・チヤオ，ケイ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90701 カーリトス，イースト・イースト マン・ストリート 12040

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画素の列および行から構成される表示スク
   リーン用の情景の画素に対するデータの形態における画
   像データのコンピュータによる発生方法であって、大地
   座標位置を表す２次元グリッド中へ組織されている高度
   および表面特徴に関するデータを含むボクセルデータベ
   ースを使用し、眼の位置と画素列を通ってデータベース
   グリッドと線で交差する平面を投影し、種々の画素列を
   通る平面に対してそのような線に沿ってボクセルデータ
   ベースを走査する画像データのコンピュータによる発生
   方法において、 複数の分解能レベルにおいて前記ボクセルデータベース
   を提供し、 前記分解能レベルと関係するボクセル幅がスクリーンの
   画素の投影された幅より少し大きいように前記走査過程
   が進行するとき前記ボクセルデータベースの複数の分解
   能レベル中から１つの分解能レベルを反復的に選択し、 前記走査されたボクセルデータを使用して特定の画素を
   形成するために使用されたボクセルデータが前記ボクセ
   ルデータベース上へ前記特定の画素の投影内に位置され
   て前記眼の位置から見ている情景の特徴を表すように連
   続する画素を表すデータを導出することを特徴とする画
   像データのコンピュータによる発生方法。
2. 【請求項２】情景の垂直遠近法をシミュレートするよう
   に表示スクリーン上に前記ボクセルデータから導出され
   た画素データを表示するために相対的位置に移動させる
   請求の範囲第１記載の方法。
3. 【請求項３】表示スクリーンの回転した方向に応じて表
   示スクリーン上の画素データの表示の位置を相対的に回
   転させる請求の範囲１記載の方法。
4. 【請求項４】複数のそれぞれ並列の処理チャンネルのた
   めに走査されたボクセルデータを同時に処理し、表示ス
   クリーンに対する予め定められたフォーマット上へ複数
   のチャンネルからの画素データを組合わせる請求の範囲
   １記載の方法。
5. 【請求項５】予め定められたフォーマット上への複数の
   チャンネルからの画素データの組合わせは、情景の垂直
   遠近法をシミュレートするように表示スクリーン上に前
   記画素データを表示するために相対的位置を移動させる
   ことを含む請求の範囲４記載の方法。
6. 【請求項６】予め定められたフォーマットへの画素デー
   タの組合わせは、表示スクリーンの回転方位を補償する
   ように表示スクリーン上の前記画素データの表示のため
   の相対的位置の回転を含む請求の範囲４記載の方法。
7. 【請求項７】予め定められたフォーマットへの画素デー
   タの組合わせは、情景の垂直遠近法をシミュレートする
   ように表示スクリーン上に前記画素データを表示するた
   めの相対的位置の移動と、表示スクリーンの回転した方
   向に対して補償するように表示スクリーン上の前記画素
   データの表示のための相対的位置の回転とを含む請求の
   範囲４記載の方法。