JPH08263695A - フォンシェーディング回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】簡易な回路で演算回路の誤差を少くする。 【構成】面の傾きを水平及び垂直の二、成分で定義し、
フォンシェーデングモデルに係る関数が、前記二成分に
関し一方が一定となるよう定義して関数項を別々に記憶
し、これらを演算して拡散光成分及び鏡面反射光成分を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は光源を考慮したコンピュータ・グラフィック
スのレンダリング技術の一つとして知られているフォン
シェーディングモデルのハードウェア化に関するもので
あり、コンピュータ・グラフィックス映像の高速生成装
置に利用されるものである。

【０００１】［従来の技術］従来、フォンシェーディン
グをハードウェアで実現する方法は特願平４−２５５３
１３に示されている。この方式は面の傾き（法線ベクタ
ー）と、光源からの入射角を視点座標軸に対して水平お
よび垂直角の２つの成分で定義し、それぞれの成分毎に
独立して拡散および鏡面反射を同時に、記憶素子内にお
いて求め、これら独立した傾き成分を平均値化によって
合成し、最終なデータを得ている。これら成分毎に拡散
および鏡面反射計算をそれぞれ１組の記億素子を用いて
得ることからＬＳＩ化に適した回路であった。一方、フ
ォンシェーディングのモデルでは求める反射光Ｉｐは拡
散成分と鏡面反射成分の和として定義されている。従来
は前述したようにこのＩｐを得るため水平成分Ｉｐｈと
垂直成分Ｉｐｖを成分毎に求めた。しかし、１つのテー
ブル内で拡散および鏡面反射成分を傾き成分毎に同時に
求め、これを平均化合成する方法は特定の傾き条件（一
方が０゜と他方が９０゜に近くなるような状態）では真
のフォンシェーディングモデルから得られる値に対して
誤差を生じる結果となっている。この発明はこの誤差を
最小化するための回路を提供することを目的としてい
る。

【０００２】［課題を解決するための手段］この発明で
は面の傾を水平および垂直の２つの成分ＮｈおよびＮｖ
で定義する一方、フォンシェーディングモデルから変数
が式内においてＮｈおよびＮｖそれぞれ独立して函数項
を構成するように新たな数式化モデルを導出し、この結
果、入力変数の範囲を１変数内とした記憶素子を用いて
各函数項を算出し、これらを乗算器および加算器を用い
て拡散項成分と鏡面反射光成分を求めるものである。こ
の数式モデルは次のように表される。光源入射角と面の
法線ベクトルとの角度θに対し方向余弦 ｃｏｓθは ｃｏｓθ＝ｃｏｓＮｖ｛ｃｏｓＬｖ ［ｃｏｓ（Ｌｈ−Ｎｈ）−１］｝ ＋ｃｏｓ（Ｌｖ−Ｎｖ） （１） となり、ここでＬｈおよびＬｖは光源からの入射角を視
点座標軸に対する水平Ｌｈおよび垂直角Ｌｖ成分で表し
たものである。また視点軸と反射角との差αに関して ｃｏｓα＝２ｃｏｓＮｈ・ｃｏｓＮｖ・ｃｏｓθ−ｃｏｓＬｈ・ｃｏｓＬｖ あるいは ｃｏｓα≒ （ｃｏｓθ＋ｃｏｓＮＨ・ｃｏｓＮｖ）／２ （２） となる。ここで光源からの光の入射角ＬｈおよびＬｖは
フレーム毎にユニークであり、回路構成上は一定値と見
なすことができるため、（１）および（２）式の各三角
函数項はそれぞれ１つの入力変数で成立している。すな
わち函数値をＲＯＭでテーブル化する場合、そのアドレ
スはＮｈあるいはＮｖなどの１つの変数範囲内に留ま
る。フォンシェーディングモデルによる反射光Ｉｐは拡
散係数をＩｄ、鏡面反射係数をＩｒ、反射率をｎとする
と Ｉｐ＝Ｉｄ・ｃｏｓθ＋Ｉｒ・ｃｏｓ^ｎα （３） で与えられ、（１）（２）および（３）式より三角函数
変換を記憶素子で行い、また乗算および加算回路を用い
た乗加算によってＩｐ値を容易に求めることができる。
（ｃｏｓα）^ｎもｃｏｓαをアドレスとする記憶素子に
よって変換する。この発明の特徴は（１）、（２）およ
び（３）式から明らかなように、曲面の法線を入力とし
て、フォンシェーディングモデルによる反射光Ｉｐが記
憶素子、乗算器および加算器によって各点毎に１クロッ
ク以内に求めることができることである。演算の遅延は
それぞれの回路素子のスイッチング速度のみであり、そ
れぞれの演算に複数のクロックを必要としない。

【０００３】［実施例］前記の（１）（２）および
（３）式に基づくこの発明に関するフォシェーディング
回路を１図に示す。回路の入力変数はそれぞれ水平およ
び垂直角で定義される曲面の傾きＮｈおよびＮｖであ
り、記憶素子１〜４、乗算器５ａ、５ｂおよび加算器６
ａ、６ｂを用いて（３）式に示すそれぞれの方向余弦ｃ
ｏｓθおよびｃｏｓαを生成する。記憶素子１にはｃｏ
ｓＬｖ［ｃｏｓ（Ｌｈ−Ｎｈ）−１］が、また記憶素子
２および４にはそれぞれｃｏｓＮｖとｃｏｓＮｈが、ま
た記憶素子３にはｃｏｓ（Ｌｖ−Ｎｖ）を記憶する。記
憶素子２および４はＲＯＭ（Ｒｅａｄ ｏｎｌｙ Ｍｅ
ｍｏｒｙ）１、および３はＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃ
ｃｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）で通常構成する。三角函数の変
数から明らかなようにそれぞれは面の傾き成分Ｎｈおび
Ｎｖの一方のみとし、他はコンスタントである。このこ
とは三角函数用ＲＡＭあるいはＲＯＭの容量は１つの入
力変数の取り得る範囲となり、小容量化が可能となる。
１図において、（２）式のハードウェア化によって加算
器６ａの出力にてｃｏｓθがまた加算器６ｂにおいてｃ
ｏｓαが得られる。図中の１／２は結線の１ビットシフ
トダウンを意味する。拡散成分は乗算器５ｃにて係数Ｉ
ｄとｃｏｓθとの乗算、一方鏡面反射成分は鏡面反射率
ｎを用いたｃｏｓ^ｎαを生成する記憶素子ＲＡＭ７を経
たのち乗算器５ｄにて反射係数Ｉｒとの乗算によって得
る。以上から（３）式に基づきＩｄ・ｃｏｓθとＩｒ・
ｃｏｓ^ｎαとを加算器６ｃにて加算して最終輝度Ｉｐを
得ることができる。

【０００４】［発明の効果］この本発明により演算誤差
の少ないフォン・シェーディングモデルのハードウェア
回路が構成できる。この結果、リアルタイムでハイライ
ティング効果のある３次元物体の表示が可能となり、コ
ンピュータ・グラフィックスによるバーチャル・リアリ
ティの実現技術に重要な役割をもつ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフォンシェーディング回路

【符号の説明】

１ ｃｏｓＬｖ［ｃｏｓ（Ｌｈ−Ｎｈ）−１］記憶素子 ２ ｃｏｓＮｖ記憶憶素子 ３ ｃｏｓ（Ｌｖ−Ｎｖ）記憶素子 ４ ｃｏｓＮｈ記憶素子 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ乗算器 ６ａ，６ｂ，６ｃ加算器 ７ｃｏｓ^ｎα記憶素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 曲面状の法線ベクターおよび光源入射角をそれぞれ視点
   座標軸に対する水平および垂直角で定義し、そのうち面
   の法線ベクターを入力変数として、拡散および鏡面反射
   光を求めるフォンシェーディング回路において、水平お
   よび垂直角のそれぞれの入力変数毎に独立した記憶素子
   を用いて面の傾きと入射角、および視点軸と反射角の方
   向余弦をそれぞれ求めこれから拡散光成分と鏡面反射光
   成分を得る手段としてそれぞれ鏡面反射成分は記憶素子
   からなる鏡面反射率変換回路を経たのち鏡面反射係数
   と、また拡散光は拡散係数とそれぞれ乗算し、これら２
   つの成分を加算して反射光を得るフォンシェーディング
   回路。