JPH09231405A - 画像処理装置、およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 不自然さのないシェーディングを実現する。 【解決手段】 ポリゴン毎の幾何学的重心Ｇを求め、こ
のポリゴンの重心Ｇにおける法線ベクトルｎ_Gを、この
ポリゴンの各頂点Ｃ₁〜Ｃ₄における法線ベクトルｎ₁〜
ｎ₄に基づく配分により求め、各ポリゴンの重心からこ
の仮想空間に存在する点光源Ｌへ向かう光線の方向を示
す光源ベクトルｎ_Lを各々求め、各重心Ｇにおける法線
ベクトルｎ_Gと光源ベクトルｎ_Lとに基づいて、このポリ
ゴンのシェーディングを施す。さらに、重心Ｇから視点
へ向かう視点ベクトルｎ_IPと光源ベクトルｎ_Lとの内積
を求めて、逆光状態であるか否かを判定し、逆光状態で
ある場合に散乱光の強度を所定の特性に対応させて増減
する。順光であっても逆光であっても、室内のような環
境であっても、自然なシェーディングが行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるビデオゲ
ーム装置に用いる画像処理技術に係り、特に、シェーデ
ィング技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ・グラフィックス（ＣＧ）
技術の発達により、仮想的に設定した世界（仮想空間と
いう。）の画像を現実感豊かに表現できるようになっ
た。このコンピュータ・グラフィックスの技術を高速に
かつ経済的に利用しているのが、ビデオゲーム装置の技
術分野である。

【０００３】ビデオゲーム装置では、仮想空間の中の建
物や静物等の物体や人物等のキャラクタを、ポリゴンの
集合により表示する。仮想空間におけるポリゴンの位置
が定まり、この仮想空間を観察する視野変換のための視
点の位置が定まると、次に各物体の色を計算して画素に
色彩を付ける必要がある。このとき、光源からの光（直
接光という。）が当たっている部分を明るく表示し、影
になっている部分を暗い色に表示するいわゆるシェーデ
ィング（shading）という処理を行う。シェーディング
とは、物体を表示する画素の色彩を、各ポリゴンの法線
ベクトル、光源の位置や光源の色、視点の位置と視線の
方向、各物体間に相互に作用する環境光、反射光等を考
慮して、画素に色彩を付けるアルゴリズムをいう。な
お、本明細書でいう「色彩」は色相、彩度の他に輝度も
含めた意味に用いるものとする。また、「環境光（ambi
ent light）」とは、周囲の環境による散乱光、周囲の
物体の相互反射によって生ずる間接光をいい、「反射光
（reflection）」とは直接光の反射による光をいう。

【０００４】従来のビデオゲーム機では、光源は無限遠
方にあるもの、すなわち平行光線が入射するという条件
の下でシェーディングを行っていた。各物体を構成する
ポリゴンには、ポリゴンの面の向いている方向を示す法
線ベクトルが設定されている。この法線ベクトルと平行
光線の方向を示すベクトルとの内積をとると、このポリ
ゴンに与えるべき光の量が計算できる。したがって、内
積の計算により取得できた光の量に基づいて、各ポリゴ
ンを構成する画素の色彩を決定していけばよかった。

【０００５】また、直接光が当たらない部分では内積が
負になり、直接光のみを用いてシェーディングを施すと
影となる部分が真っ暗になる。このため、従来のビデオ
ゲーム装置では、視点と光源との関係を監視し、逆光状
態となる位置には視点が回り込むのを禁止していた。さ
らに、視点が逆光状態となることを許容する場合には、
物体の影となる部分に対して、別途環境光の強度を強く
していた。

【０００６】以上のシェーディング処理により、日中の
野外の事物をモデルとして仮想空間を構成した場合に
は、一応の現実感のある視覚的効果を演出することがで
きていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ビデオゲーム装置等で用いられていたシェーディングで
は、今日、ゲームプレイの種類が多岐に及ぶようになっ
た現状では以下に述べるような問題点が生じていた。

【０００８】その第一点として、従来の逆光による弊害
防止策では、観察者からみて表示が不自然、あるいは単
調になるという欠点があった。例えば、市街地をキャラ
クタが縦横に動き回るという舞台設定のゲーム装置の場
合、視点をキャラクタの動きに合わせて動かすと、光源
の方向が固定されているため、逆光状態が頻繁に生じる
ことになる。影となる部分に対し何の処理も施さない
と、図１０（Ａ）に示すように、暗くなった部分が潰れ
てメリハリのない画像になってしまう。これを防止すべ
く、完全な逆光になる度に反射光や環境光の強度を上げ
たとすると、突然ライトを照射したかのように急に明る
くなるため、その変化が不自然に感じられる。それだか
らといって、視点の移動する範囲を逆光にならない範囲
に制限すれば、画像の内容が変化に乏しい平面的な画像
となり、単調な感じを与えかねない。また、視点の動き
が拘束されるために、ゲームプレイのスピード感を殺し
てしまうおそれもある。

【０００９】その第二点として、仮想空間として、室内
や洞窟等の閉空間をモデルとして用いている場合に、従
来の平行光線を基準として行ったシェーディングでは、
不自然な陰影が形成されてしまう点が挙げられる。例え
ば、洞窟の内部でろうそくを囲むキャラクタを表示する
ようなモデルの場合、本来ならば、各物体やキャラクタ
はろうそくからの光に照らし出されるべきところであ
る。ところが、所定の平行光線を基準にシェーディング
を施すため、図１０（Ｂ）に示すように、一方向のみか
ら光が照射されたような陰影が物体に付加されてしま
う。

【００１０】この問題を解決するためには、単に各ポリ
ゴンの法線ベクトルと点光源からの光のベクトルとに基
づいてシェーディングを行えばよいとも考えられる。し
かし、近年のゲーム装置に用いられるポリゴンは、滑ら
かな濃淡づけ（スムーズシェーディング；smooth shadi
ng）の一方法として実用化されているフォン（Phong）
のシェーディングを用いている。フォンのシェーディン
グは、ポリゴンの各頂点毎に法線ベクトルを設けるもの
であるため、もしも、頂点毎に設けられたすべての法線
ベクトルに対し、点光源からの内積を演算するものとす
れば、処理時間がかかり、ＣＰＵの処理能力の多くを占
有してしまう。よって、実用的な性能を持ったシェーデ
ィングを低コストで実現することが難しい。

【００１１】そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、自
然なシェーディングを実現する画像処理装置およびその
方法を提供することを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の画像処
理装置は、少なくとも一つのポリゴンの各頂点に法線ベ
クトルを設定し、このポリゴンを構成する画素の色彩を
各法線ベクトルの配分（比例配分等の補間処理）により
求めるシェーディングを施す画像処理装置において、
(a) 各ポリゴン（三角形、四角形等の多角形）を代表
する代表点（例えば、幾何学的重心、任意の対角線の中
間点等）を求める代表点計算手段と、(b) 各ポリゴン
の代表点からこの仮想空間に存在する点光源から向かう
光線の方向を示す光源ベクトルを各々求める光源ベクト
ル計算手段と、(c) 光源ベクトル計算手段により計算
された各ポリゴンについての光源ベクトルに基づいて、
このポリゴンのシェーディングを施すシェーディング手
段とを備えて構成される。

【００１３】なお、滑らかな濃淡づけを行うスムーズシ
ェーディングと呼ばれる各種のシェーディングアルゴリ
ズムのうち、一つのポリゴンについて複数の法線ベクト
ルを設けるもの（例えば、フォンのシェーディング）で
あれば本発明を適用できる。

【００１４】請求項２に記載の画像処理装置は、代表点
が、各ポリゴンの幾何学的な重心である請求項１に記載
の画像処理装置である。

【００１５】請求項３に記載の画像処理装置は、仮想的
に設定した仮想空間を所定の視点（視野変換するための
基準点）から観察した画像を生成するために、少なくと
も一つのポリゴンに対しシェーディングを施す画像処理
装置において、(a) 各ポリゴンからの視点の方向を示
す視点ベクトルを算出する視点ベクトル算出手段と、
(b) 直接光の方向を示す光源ベクトルを算出する光源
ベクトル算出手段と、(c) 視点ベクトル算出手段が算
出した視点ベクトルと光源ベクトル算出手段が算出した
光源ベクトルとが所定の条件（両ベクトルの角度が９０
度であること、内積が正値でないこと、内積値が予め定
めた値以下であること等）に合致したか否かを比較する
比較手段と、(d) 比較手段による比較結果に基づい
て、この仮想空間を表現するシェーディングの状態（逆
光になる部分のポリゴンの色を変更する等、一定の視覚
的効果を奏するシェーディング処理）を変更するシェー
ディング変更手段と、を備えて構成される。

【００１６】請求項４に記載の画像処理装置は、比較手
段が、視点ベクトルと光源ベクトルとの内積が負値であ
ることを条件とする請求項３に記載の画像処理装置であ
る。

【００１７】請求項５に記載の画像処理装置は、シェー
ディング変更手段が、条件に合致した場合に、光源から
の直接光が照射されないポリゴンに対するシェーディン
グの状態を変更（例えば、かかるポリゴンの輝度を下げ
る等）する請求項３に記載の画像処理装置である。

【００１８】請求項６に記載の画像処理装置は、シェー
ディング変更手段が、条件に合致した場合に、仮想空間
の背景のシェーディングの状態を変更（背景画の輝度を
上げる、あるいは逆に下げる等）することこと請求項３
に記載の画像処理装置である。

【００１９】請求項７に記載の画像処理装置は、シェー
ディング変更手段が、条件に合致した場合に、予め定め
た特定のポリゴンの集合体（キャラクタ等）に対するシ
ェーディングの状態を変更する（集合体の輝度のみを上
げる等）こと請求項３に記載の画像処理装置である。

【００２０】請求項８に記載の画像処理装置は、シェー
ディング変更手段が、条件に合致した場合に、この仮想
空間全体にわたるシェーディングの状態を一様に変更す
る（例えば、サングラスをかけた如く全体の輝度を一様
に下げる）こと請求項３に記載の画像処理装置である。

【００２１】請求項９に記載の画像処理装置は、シェー
ディング変更手段が、輝度を変更することによりシェー
ディングの状態を変更する（輝度を上げるまたは下げ
る）こと請求項３乃至請求項８のいずれかに記載の画像
処理装置である。

【００２２】請求項１０に記載の画像処理装置は、シェ
ーディング変更手段が、色調（色相と彩度等）を変更す
ることによりシェーディングの状態を変更する（例え
ば、逆光時に色を変更し、カメラが色温度の変化の影響
を受けたような色に画素を変更する等）こと請求項３乃
至請求項８のいずれかに記載の画像処理装置である。

【００２３】請求項１１に記載の画像処理方法は、少な
くとも一つのポリゴンの各頂点に法線ベクトルを設定
し、このポリゴンを構成する画素の色彩を各法線ベクト
ルの配分により求めるシェーディングを施す画像処理方
法において、(a) ポリゴン毎の幾何学的重心を求める
重心計算工程と、(b) 重心計算手段により求めたポリ
ゴンの重心における法線ベクトルを、このポリゴンの各
頂点における法線ベクトルに基づく配分により求める重
心ベクトル計算工程と、(c) 各ポリゴンの重心からこ
の仮想空間に存在する点光源へ向かう光線の方向を示す
光源ベクトルを各々求める光源ベクトル計算工程と、
(d) 各重心における法線ベクトルと光源ベクトル計算
手段により計算された光源ベクトルとに基づいて、この
ポリゴンのシェーディングを施すシェーディング工程と
を備えて構成される。

【００２４】請求項１２に記載の画像処理装置は、仮想
的に設定した仮想空間を所定の視点から観察した画像を
生成するために、少なくとも一つのポリゴンに対しシェ
ーディングを施す画像処理方法において、(a) 各ポリ
ゴンからの視点の方向を示す視点ベクトルを算出する視
点ベクトル算出工程と、(b) 直接光の方向を示す光源
ベクトルを算出する光源ベクトル算出工程と、(c) 視
点ベクトル算出手段が算出した視点ベクトルと光源ベク
トル算出手段が算出した光源ベクトルとの関係が所定の
条件に合致したか否かを比較する比較工程と、(d) 比
較工程による比較結果に基づいて、この仮想空間を表現
するシェーディングの状態を変更するシェーディング変
更工程とを備えて構成される。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して説明する。

【００２６】本実施の形態は、本発明の画像処理装置を
組み込んだビデオゲーム装置に関するものである。

【００２７】（Ｉ）構成の説明 図１に、本実施の形態のビデオゲーム装置のブロック図
を示す。本ビデオゲーム装置は、装置全体の制御を行う
ＣＰＵブロック１０、ゲーム画面の表示制御を行うビデ
オブロック１１、効果音等を生成するサウンドブロック
１２、ＣＤ−ＲＯＭの読出しを行うサブシステム１３等
により構成される。

【００２８】ＣＰＵブロックは、ＳＣＵ（System Contr
ol Unit）１００、メインＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０
２、ＲＯＭ１０３、サブＣＰＵ１０４、ＣＰＵバス１０
５等により構成される。このブロックが本発明の画像処
理の主体を担う。

【００２９】＜ＣＰＵブロックの構成＞ＣＰＵブロック
１０は、本発明の各種ベクトル計算手段およびシェーデ
ィング手段の一部として動作する。ＣＰＵブロック１０
は、ＳＣＵ（System Control Unit）１００、メインＣ
ＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、ＲＯＭ１０３、サブＣＰＵ
１０４、ＣＰＵバス１０５等により構成される。

【００３０】メインＣＰＵ１０１は、内部にＤＳＰ（Di
gital Signal Processor）を備え、コンピュータプログ
ラムを高速に実行できる。ＲＡＭ１０２には、ＣＤ−Ｒ
ＯＭを読出すサブシステム１３から転送された各種ポリ
ゴンの法線ベクトル情報が記憶される他、メインＣＰＵ
１０１のワークエリアとして使用される。ＲＯＭ１０３
には、装置の初期状態において行う初期化処理のための
イニシャルプログラムを格納される。ＳＣＵ１００は、
バス１０５、１０６、１０７を介して行われるデータの
転送を統括する。また、ＳＣＵ１００は、内部にＤＭＡ
コントローラを備え、ゲームの実行中に必要になる画像
データをビデオブロック１１内のＶＲＡＭへ転送する。

【００３１】パッド２ｂは、ユーザの情報入力手段とし
て作用し、操作に必要な各種ボタンが備えられている。
サブＣＰＵ１０４は、ＳＭＰＣ（System Manager & Per
ipheral Control）と呼ばれ、メインＣＰＵ１０１から
の要求に応じ、パッド２ｂからコネクタ２ａを介してデ
ータ（周辺データ）を収集する。メインＣＰＵ１０１
は、サブＣＰＵ１０４から転送された周辺データに基づ
いて、ディスプレイに表示する画像の移動等の処理を行
う。サブＣＰＵ１０４は、コネクタ２ａ（本体側端子）
に接続した周辺機器の種類を判定し、判定した周辺機器
の種類に応じた通信方式に従って、周辺データを収集す
る。

【００３２】＜ビデオブロックの構成＞ビデオブロック
１１は、本発明のシェーディング手段の一部として動作
し、ポリゴンにより表示する画像を生成するためのＶＤ
Ｐ（Ｖｉｄｅｏ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｏ
ｒ）１２０、背景画のための画像の合成、陰面処理、ク
リッピングを行うＶＤＰ１３０を備える。ＶＤＰ１２０
は、ＶＲＡＭ１２１およびフレームバッファ１２２、１
２３へ接続される。

【００３３】ディスプレイへ表示する仮想空間の画像
（以下「仮想画像」という。）を生成する際、表示に必
要なポリゴンデータがメインＣＰＵ１０１からＳＣＵ１
００を介してＶＤＰ１２０へ転送され、ＶＲＡＭ１２１
に書込まれる。ＶＲＡＭ１２１に書込まれたポリゴンデ
ータは、１画素あたり１６ビットまたは８ビットの色情
報を含む描画用データとして、描画用のフレームバッフ
ァ１２２または１２３へ格納される。格納された描画用
データは、ＶＤＰ１３０へ転送される。メインＣＰＵ１
０１は、ＳＣＵ１００を介して、描画を制御する制御情
報をＶＤＰ１３０へ供給する。ＶＤＰ１３０は、この制
御情報に従って描画用データを処理する。

【００３４】ＶＤＰ１３０はＶＲＡＭ１３１に接続さ
れ、表示画面全体を上下左右に移動させたり、回転させ
たりするスクロール機能と、多数の表示画面の表示順序
を決定するプライオリティ機能を備える。ＶＤＰ１３０
は、描画用データをメモリ１３２を介してエンコーダ１
６０へ出力する。エンコーダ１６０は、この描画用デー
タをビデオ信号のフォーマットに変換し、Ｄ／Ａ変換を
行ってビデオ信号として出力する。モニタ装置５は、ビ
デオ信号に基づいて画像を表示する。

【００３５】特に、本ビデオブロック１１は、ＣＰＵ１
００が指定し転送したポリゴンデータに対し、ＣＰＵが
指定したシェーディングアルゴリズムに基づいてシェー
ディングを施す。シェーディングには、光源からの直接
光、物体の表面で散乱射されて生ずる散乱光および影の
部分を明るく見せるための環境光等の光の要素が必要で
ある。ＣＰＵ１００は、本発明の逆光判定に基づいて、
ポリゴンの各々に直接光、散乱光および環境光の光量が
いくら必要かを指定する。ビデオブロック１１は、この
光量情報に基づいて、本発明の重心計算によるシェーデ
ィングを施す。

【００３６】＜その他のブロックの構成＞サウンドブロ
ック１２は、ＰＣＭ方式またはＦＭ方式による音声合成
を行うＤＳＰ１４０と、ＤＳＰ１４０を制御等するＣＰ
Ｕ１４１とにより構成される。ＤＳＰ１４０によって生
成された音声データは、Ｄ／Ａ変換器１７０により２チ
ャンネルの信号に変換された後にスピーカ５ａおよび５
ｂへ出力される。

【００３７】サブシステム１３は、ＣＤ−ＲＯＭドライ
ブ等を搭載し、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体によって供給
されるアプリケーションソフトの読み込み、動画の再生
等を行う機能を備える。

【００３８】＜機能ブロックの構成＞図２に、本ビデオ
ゲーム装置の機能ブロック図を示す。メモリ１０２は、
各種ポリゴンデータを格納する。重心計算回路１００１
は、ポリゴンの各々について、頂点座標を基にポリゴン
の重心座標を計算する。光源ベクトル計算回路１００２
は、重心計算回路１００１の計算した重心座標およびメ
モリ１０２に格納された点光源の座標に基づいて、光源
ベクトルを計算する。視点ベクトル計算回路１００３
は、重心計算回路１００１の計算した重心座標とメモリ
１０２に格納された視点の座標に基づいて、視点ベクト
ルを計算する。比較回路１００４は、光源ベクトルと視
点ベクトルとの内積を計算し、その内積値を出力する。
シェーディング変更回路１００５は、内積値の正負等に
基づいて、予め割り当てられた補正特性で、散乱光等の
光量の増減を行う。シェーディング回路１００６は、光
源ベクトル計算回路１００２の計算した光源ベクトルと
シェーディング変更回路１００５の計算した散乱光等の
強度に基づいて、ポリゴンにシェーディングを施す。本
機能ブロックは、モニタ装置５を除いて、ＣＰＵブロッ
ク１０およびビデオブロック１１の動作により実現す
る。

【００３９】（ＩＩ）動作の説明 ＜シェーディング処理＞次に、本発明の第１のポイント
に関する動作原理を図４を参照して説明する。図４は、
四角形のポリゴンを例にシェーディングの方法を説明す
るものである。

【００４０】画像を構成する際に、その基礎となるのが
同図に示すようなポリゴンであり、ポリゴンを複数集め
て適当な位置に表示すると、キャラクタや建物等の任意
の形状の画像を生成することができる。通常のキャラク
タや建物等の物体は、複数のポリゴンを集めて部品を作
り、更にこの部品を複数組み合わせて作り出す。このと
き、各ポリゴンに一つの法線ベクトルのみ設けてシェー
ディングを施すと、ポリゴンの境界が目立ち、質感を損
ねる。そこで、小さい平面（ポリゴン）の集合を曲面へ
近似させて表示するのがスムーズシェーディングといわ
れる方法である。スムーズシェーディングには種々の手
法が存在する。従来はグーロー（Ｇｏｕｒａｕｄ）シェ
ーディングという手法が用いられていた。グーローシェ
ーディングは、ポリゴンの頂点の輝度を線形補間して、
ポリゴン内の面に滑らかな質感を与える。しかし、グー
ローシェーディングでは、二つのポリゴンが急な角度を
なしている部分に境界が目立つという欠点がる。そのた
め、用いられているのが解決すべき課題で述べたフォン
のシェーディングである。フォンのシェーディングは、
前述したように、輝度の補間をする代わりに、各頂点の
法線ベクトルを用いて、走査線上の各点の法線ベクトル
を求め、その後に各点の光の強さを求める方法である。
本形態では、フォンのシェーディングをさらに応用した
ものである。

【００４１】図４では、破線でポリゴンの形状を示し、
実線で近似すべき曲面を示す。

【００４２】一のポリゴンを表示するために、ポリゴン
データを用いる。ポリゴンデータは、このポリゴンの各
頂点の相対座標（Ｘ₁、Ｘ₂、Ｘ₃、Ｘ₄) を備える。さら
にスムーズシェーディングを行うためには、頂点の相対
座標の他に法線ベクトル（ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ₄）を設定
する必要がある。法線ベクトルとは、ある物体の画像を
複数のポリゴンにより表示した場合に、各頂点を基点す
る曲面の法線に平行なベクトルである。フォンのシェー
ディングは、ポリゴン内部の画素を表示する際に、各頂
点の法線ベクトルを比例配分して画素上の法線ベクトル
を計算し、その法線ベクトルと光の放射方向を示す光源
ベクトルに基づいて、画素の色彩を決定するものであ
る。例えば、同図の点Ｐにおける法線ベクトルを求める
には、画像の走査線平面とポリゴンの辺との交点を求め
（Ｘ_AとＸ_B）、Ａ点およびＢ点における法線ベクトルｎ
_A、ｎ_Bおよび重心Ｇの座標を以下の比例配分の計算で求
める。

【００４３】 ｎ_A＝〔ｎ₂×（Ｘ₄−Ｘ_A）＋ｎ₄×（Ｘ_A−Ｘ₂）〕／（Ｘ₄−Ｘ₂） …(1) ｎ_B＝〔ｎ₃×（Ｘ_B−Ｘ₄）＋ｎ₄×（Ｘ₃−Ｘ_B）〕／（Ｘ₃−Ｘ₄） …(2) Ｘ_G＝（Ｘ₁＋Ｘ₂＋Ｘ₃＋Ｘ₄）／頂点数（四角形ポリゴンでは４） …(3) 一方、光源Ｌの位置Ｘ_Lはプログラム自体から与えられ
ているので、重心Ｇから光源Ｌへ向かう光源ベクトルｎ
_Lは容易に求められる。したがって、点Ｐにおける直接
光の光量を求めたければ、光源ベクトルｎ_Lと法線ベク
トルｎ_Pとの内積を計算すればよい。

【００４４】 光量＝ｎ_P・ｎ_L＝｜ｎ_P｜×｜ｎ_L｜×ｃｏｓθ このことは、このポリゴンの重心からの光源ベクトルと
平行な光線が、このポリゴンへ一様に照射されているも
のと仮定しシェーディングを施すことを意味する。ポリ
ゴンは微小な面積の多角形であるため、この仮定は妥当
であり、また、この仮定により光源ベクトルが定まりさ
えすれば、従来と同様に光源ベクトルを固定させて計算
すればよい。以上の処理により、例えば、図５に示すよ
うに、仮想空間に設けられた点光源Ｌからの光の向き
は、ポリゴンの重心各々に対して指向することになるの
で、全体として観察すれば、極めて自然な光線状態が設
定できる。

【００４５】＜シェーディング状態の変更＞さらに本発
明のもう一つのポイントに関する動作原理を、図６を参
照して説明する。として、ポリゴンが逆光状態であるか
否かを判定し、光源ベクトルの示す光量や、散乱光およ
び環境光の光量を変える点が挙げられる。

【００４６】まず、仮想画像の視点はプログラムから与
えられるので、物体ＯＢを構成するポリゴンの重心から
視点へ向かう視点ベクトルｎ_IPが上記の方法によって求
められる。ポリゴンが逆光であるか否かは、この視点ベ
クトルｎ_IPと光源ベクトルｎ_Lとの内積を計算し、正値
となるか負値となるかにより判定する。視点の位置
Ｐ_A、Ｐ_BおよびＰ_Cの変化に応じ（同図（Ａ）参照）、
光源ベクトルｎ_Lと視点ベクトルｎ_IPとの内積、すなわ
ち両ベクトルのなす角度の余弦が変化する（同図（Ｂ）
参照）。両ベクトルのなす角度が９０度であるとき（視
点Ｐ_B）内積は０になる。それよりも角度が狭くなると
（視点Ｐ_A）内積が正値になり、それよりも角度が広く
なると（視点Ｐ_C）内積が負値になる。例えば９０度以
内であれば順光状態、９０度より大きければ逆光状態と
定めれば、内積の正負のみで正逆光の判定が行える。

【００４７】同図（Ｃ）は、内積による逆光判定の結果
に応じて、ポリゴンに与える散乱光の光量を調整する最
も標準的な特性の例である。この同図（Ｃ）は、内積値
の減少に伴い、光量をサインカーブに従って増加させて
いる。この特性によれば、内積値をそのまま反転して散
乱光の増量に使えるメリットがある。

【００４８】＜処理の流れ＞図３に、本発明のシェーデ
ィングを説明するフローチャートを示す。同図のフロー
チャートは、ポリゴン単位のシェーディングアルゴリズ
ムを示している。この処理は同期期間毎に視野に入るす
べてのポリゴンについて行われることになる。

【００４９】本ビデオゲーム装置は、ＣＤ−ＲＯＭから
読出され、ＲＡＭ１０２に格納されたプログラムに従っ
て動作する。仮想画像は、毎回の垂直同期期間にＣＰＵ
ブロック１０およびビデオブロック１１の相互作用によ
って、ポリゴンの画素データを書き換えることで生成さ
れる。以下説明するのは、毎回の垂直同期期間の度に行
われる処理のうち、一つのポリゴンのシェーディングを
説明したものである。

【００５０】まず最初のポリゴンデータを入力し（ステ
ップＳ１）、このポリゴンについての重心Ｇの座標を計
算する（ステップＳ２）。重心Ｇの座標Ｘ_Gが算出され
ると、この重心Ｇの座標Ｘ_Gと点光源Ｌの座標Ｘ_Lとに基
づいて光源ベクトルｎ_Lを計算する（ステップＳ３）。
また、視点の座標と重心Ｇの座標Ｘ_Gとに基づいて、視
線ベクトルｎ_IPを計算する（ステップＳ４）。

【００５１】ステップＳ５において、前記したように、
光源ベクトルｎ_Lと視線ベクトルｎ_IPとの内積を計算
し、正負を判定する（ステップＳ５）。内積が正値、す
なわち順光状態のとき（ステップＳ５；順光）、散乱光
の強度を通常のレベルに設定してフォンのシェーディン
グを行う（ステップＳ６）。

【００５２】内積が負値、すなわち逆光状態のとき（ス
テップＳ５；逆光）、さらに最逆光状態であるか否かを
検査する（ステップＳ７）。最逆光とは、光源ベクトル
と視線ベクトルとの角度がほぼ１８０度の完全な逆光状
態となることをいう。シェーディング変更のモードによ
っては、この状態のときに特別に散乱光の強度の変更を
行う。これについては、後述の変更例の中で説明する。

【００５３】さて、最逆光状態でない場合（ステップＳ
７；ＮＯ）、例えば、図６（Ｃ）の散乱光の強度の増加
特性に対応して散乱光の増減を行う逆光シェーディング
を施す（ステップＳ８）。最逆光状態である場合（ステ
ップＳ７；ＹＥＳ）であっても最逆光処理を行わないモ
ードであるとき（ステップＳ９；ＮＯ）は、逆光シェー
ディングを行う（ステップＳ８）。最逆光処理を行うモ
ードであるとき（ステップＳ９；ＹＥＳ）は最逆光シェ
ーディングを行う（ステップＳ１０）。

【００５４】ステップＳ１１において、他にシェーディ
ングすべきポリゴンが存在するか否かを検査し、存在す
る場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）次のポリゴンデー
タを入力する（ステップＳ１２）。すべてのポリゴンの
シェーディングが終了したら（ステップＳ１１；ＮＯ）
この同期期間におけるシェーディング処理を終了する。

【００５５】以上のフローチャートに従って、仮想空間
内の物体であって視野に入る物体のポリゴンのシェーデ
ィングを行えば、好適なシェーディングを施した物体の
画像が得られる。図７（Ａ）は、建物のような方形の物
体に本発明のシェーディングを施した場合の例示であ
る。面の向く方向に応じ散乱光の強度を調整するので、
影となる部分は、逆光状態でありながら程よい陰影を維
持する。また、洞窟内でろうそくを灯す場合には、ろう
そくを点光源として光源ベクトルが正しく計算されるの
で、同図（Ｂ）に示すように、自然な陰影を有する画像
が生成できる。

【００５６】なお、視点ベクトルや光源ベクトルはポリ
ゴン側を基点として計算したが、これと反対方向を向く
ものでもよい。但し、内積の符号が反転するので注意を
要する。

【００５７】（ＩＩＩ）本実施の形態の利点 本実施の形態によれば、以下の利点を有する。

【００５８】i) 重心と点光源との間の光源ベクトルを
求め、これに基づきシェーディングを施すので、シェー
ディングに必要な演算時間を少なくし、かつ自然な光の
状態でシェーディングが行える。

【００５９】ii) 視点ベクトルと光源ベクトルとのなす
角度の内積値により、逆光状態を簡単に判定できる。

【００６０】iii)逆光状態における散乱光の増加も内積
値に比例して行うので、処理手順が少なく、処理の高速
化に適する。

【００６１】（ＩＶ)その他の変形例 本発明は、上記各形態に拘らず種々に変形できる。

【００６２】＜シェーディングについて＞ i) 上記形態では、四角形のポリゴンを用いていたが、
これにこだわるものではない。すなわち、他の多角形の
ポリゴンであっても、式(3) に正しい頂点数と座標を入
力すれば、ポリゴンの重心を求めることができる。重心
が求められれば、その重心から点光源へ向かうベクトル
を計算するのみで、このポリゴンにシェーディングを施
すのに適した光線状態を計算できる。

【００６３】ii) 上記形態では、ポリゴンのすべての頂
点の座標を用いて幾何学的重心を求めていたが、必ずし
も重心を求めなければならないものでもない。すなわ
ち、本発明で重心を求めた目的は、各ポリゴンを代表す
る一点を求めることにある。他の方法で代表する一点を
求めることができれば、式(3) にいう重心の計算は必ず
しも必要ない。例えば、ポリゴンの任意の対角線につい
てその中間点を求めるだけでもよい。ポリゴンを代表す
る一点として不自然でない点を、簡単な計算で求めるこ
とができれば、処理の高速化を望めるというメリットも
ある。

【００６４】＜シェーディング状態の変更について＞上
記形態では、内積が負値になった時点からサインカーブ
で散乱光の光量を強めていたが、他の方法で散乱光の光
量を変化させてもよい。

【００６５】i) 例えば、図６（Ｄ）は直線的に散乱光
の光量を増加させる特性例である。同図（Ｅ）は二次曲
線等の非線形曲線で増加させる特性例である。ゲームプ
ログラムの内容に応じて、視覚的に最も自然な印象を与
え得る特性を選択すればよい。

【００６６】ii) 同図（Ｆ）は内積値０とは異なる条件
を設定して散乱光の調整を行う特性例である。内積値
は、単調減少（または単調増加）をするのみなので、予
め所定の内積値を被比較値として設定しておけば、内積
値の正負によらずシェーディング状態を変更するタイミ
ングを調整できる。

【００６７】iii)さらに同図（Ｇ）では一切の内積の判
定を行わず、余弦特性を反転させた特性で、徐々に散乱
光の光量を増加する例である。この例では判定を行わな
い点と、散乱光の増加特性に不連続点が生じないため自
然であるというメリットがある。

【００６８】iv) 以上の各特性を用いた場合には、逆光
時に影となる部分が完全に黒くなることがない（図８
（Ａ）参照）。しかし、ゲームプログラムの内容によっ
ては、特定の物体の散乱光の状態を他の物体の散乱光の
状態と異ならせた方が、好ましい視覚的効果を奏する場
合もある。例えば、図８（Ｂ）に示すように、逆光時
に、キャラクタＣのみの散乱光を上げ、他の物体の散乱
光の強度を下げることが考えられる。このように調整す
れば、キャラクタＣについてはその表情を認識すること
ができる一方、他の物体の影となる部分を黒くして、逆
光をさらに逆光らしく演出することもできる。

【００６９】v) さらに、図６（Ｈ）に示すような散乱
光の増加特性を用いると、別の視覚的効果を奏する。こ
の特性によれば、逆光状態が徐々に強まると（両ベクト
ルの角度が広くなるに連れ）散乱光が増加する（準逆
光）が、完全なる逆光状態（両ベクトルのなす角度が１
８０度付近）となる場合には、急に散乱光を減ずる特性
を示す。このような特性では、例えば、図９（Ａ）に示
すように、準逆光状態では、船の影となる部分が黒くな
ることなく認識できるが、太陽が視野に入って船が完全
に逆光となると、影となる部分が完全に黒くなる。この
ため、船をシルエットとして浮かび上がらせるという演
出効果が期待できる。すなわち、影の部分を認識する必
要があるか、また視覚的効果をどのように演出するかに
応じて、散乱光の増加特性を調整すればよい。

【００７０】vi) さらに、上記各形態では、散乱光の光
量を変化させていたが、環境光の強度を変えてもよい。
また、逆光時に散乱光の光量を変化させるのではなく、
背景となる空の光量を上げてもよい。空の光量を上げる
ことによっても、相対的に逆光となる影の部分の黒さを
際立たせることができる。

【００７１】vii)また、影となる部分または背景の部分
のポリゴンの色調（色相、彩度）を変化させてもよい。
通常のビデオカメラ等では、逆光になった場合に色温度
が上昇するので、画像の色彩のバランスが崩れることが
ある。そこで、この減少を積極的に利用し、逆光となっ
た場合の色調を変更することで、逆光状態を演出するこ
とができる。

【００７２】viii)物体毎のポリゴンの光量等を変化さ
せる代わりに、画像全体の光量を一律に下げてもよい。
逆光時に人が眩しいと感ずるときサングラスを掛ける。
このことを画像に再現すべく、逆光時に画像全体の光量
を落とすことで、サングラスを掛けたかのような効果を
奏することもできる。

【００７３】

【発明の効果】請求項１、請求項２および請求項１１に
記載の発明によれば、仮想空間内の光源が点光源であ
り、シェーディングアルゴリズムがフォンのシェーディ
ング等のポリゴン当たり複数の法線ベクトルを設けたも
のであっても、光源の位置から発せられた光に基づく正
しいシェーディングが高速に行える。

【００７４】請求項３乃至請求項請求項１０、および請
求項１２に記載の発明によれば、逆光状態であるか否か
を簡単に判定し、光源ベクトルと視点ベクトルとの角度
に対応したシェーディングが行える。したがって、逆光
であっても影の部分の立体感を損ねることなく表示でき
る。

【００７５】特に、請求項４に記載の発明によれば、視
点ベクトルと光源ベクトルとの内積の正負により逆光を
判定するので、判定が高速に行える他、計算した内積値
を逆光状態のための散乱光の強度の増加量とすることが
できる。

【００７６】特に、請求項５に記載の発明では、逆光状
態により陰影を作る物体等を構成するポリゴンに対して
シェーディング状態を変更するので、影となる部分を自
然に明るくすることができる。

【００７７】請求項６に記載の発明によれば、逆光によ
り背景のシェーディング状態を変更するので、逆光であ
ることを強調した演出が行える。

【００７８】請求項７に記載の発明によれば、逆光によ
りキャラクタ等特定のポリゴンの集合体のシェーディン
グを変更するので、特定のキャラクタ等のみの逆光状態
を強調できる。

【００７９】請求項８に記載の発明によれば、仮想空間
全体のシェーディング状態が一様に変更するので、サン
グラスをかけたかのような映像効果を奏することができ
る。

【００８０】請求項９に記載の発明によれば、逆光によ
り、輝度、すなわち、光の強度を調節できるので、光量
が欲しい場合は明るくし、逆光らしく見せたい場合は暗
くすることができる。

【００８１】請求項１０に記載の発明によれば、逆光に
より、色調を変更するので、色温度が変わったかのよう
な映像効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な実施の形態であるビデオゲーム
装置のブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態における機能ブロック図で
ある。

【図３】本発明のシェーディング処理を説明するフロー
チャートである。

【図４】本発明のシェーディングを説明する図である。

【図５】本発明の複数のポリゴンに対する光源ベクトル
を示す図である。

【図６】逆光状態における内積値と散乱光の光量の補正
特性を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態においてシェーディングを
施した画像の例である。

【図８】本発明のシェーディングを施した他の画像の例
である。

【図９】完全な逆光状態において施したシェーディング
の画像の例である。

【図１０】従来のシェーディングに起因する不都合を説
明する図である。

【符号の説明】

１…ＣＤ、２ａ…コネクタ、２ｂ…パッド、２ｃ…ケー
ブル、５…ディスプレイ、５ａ、５ｂ…スピーカ、１０
…ＣＰＵブロック、１１…ビデオブロック、１２…サウ
ンドブロック、１３…サブシステム、１００…ＳＣＵ、
１０１…メインＣＰＵ、１０２…ＲＡＭ、１０３…ＲＯ
Ｍ、１０４…サブＣＰＵ、１２０、１３０…ＶＤＰ、１
２１、１３１…ＶＲＡＭ、１２２、１２３…フレームバ
ッファ、１３２…メモリ、１４０…ＤＳＰ、１４１…Ｃ
ＰＵ、１６０…エンコーダ、１７０…Ｄ／Ａ変換器、１
００１…重心計算回路、１００２…光源ベクトル計算回
路、１００３…視点ベクトル計算回路、１００４…比較
回路、１００５…シェーディング変更回路、１００６…
シェーディング回路

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一つのポリゴンの各頂点に法
   線ベクトルを設定し、このポリゴンを構成する画素の色
   彩を各法線ベクトルの配分により求めるシェーディング
   を施す画像処理装置において、 各前記ポリゴンを代表する代表点を求める代表点計算手
   段と、 各前記ポリゴンの前記代表点からこの仮想空間に存在す
   る点光源へ向かう光線の方向を示す光源ベクトルを各々
   求める光源ベクトル計算手段と、 前記光源ベクトル計算手段により計算された各前記ポリ
   ゴンについての光源ベクトルに基づいて、当該ポリゴン
   のシェーディングを施すシェーディング手段とを備えた
   ことを特徴とする画像処理装置。
2. 【請求項２】 前記代表点は、各前記ポリゴンの幾何学
   的な重心であることを特徴とする請求項１に記載の画像
   処理装置。
3. 【請求項３】 仮想的に設定した仮想空間を所定の視点
   から観察した画像を生成するために、少なくとも一つの
   ポリゴンに対しシェーディングを施す画像処理装置にお
   いて、 各前記ポリゴンからの前記視点の方向を示す視点ベクト
   ルを算出する視点ベクトル算出手段と、 直接光の方向を示す光源ベクトルを算出する光源ベクト
   ル算出手段と、 前記視点ベクトル算出手段が算出した前記視点ベクトル
   と前記光源ベクトル算出手段が算出した前記光源ベクト
   ルとが所定の条件に合致したか否かを比較する比較手段
   と、 前記比較手段による比較結果に基づいて、この仮想空間
   を表現するシェーディングの状態を変更するシェーディ
   ング変更手段とを備えたことを特徴とする画像処理装
   置。
4. 【請求項４】 前記比較手段は、前記視点ベクトルと前
   記光源ベクトルとの内積が負値であることを前記条件と
   する請求項３に記載の画像処理装置。
5. 【請求項５】 前記シェーディング変更手段は、前記条
   件に合致した場合に、前記光源からの直接光が照射され
   ないポリゴンに対するシェーディングの状態を変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像処理装置。
6. 【請求項６】 前記シェーディング変更手段は、前記条
   件に合致した場合に、前記仮想空間の背景のシェーディ
   ングの状態を変更することを特徴とすることを特徴とす
   る請求項３に記載の画像処理装置。
7. 【請求項７】 前記シェーディング変更手段は、前記条
   件に合致した場合に、予め定めた特定のポリゴンの集合
   体に対するシェーディングの状態を変更することを特徴
   とする請求項３に記載の画像処理装置。
8. 【請求項８】 前記シェーディング変更手段は、前記条
   件に合致した場合に、この仮想空間全体にわたるシェー
   ディングの状態を一様に変更することを特徴とする請求
   項３に記載の画像処理装置。
9. 【請求項９】 前記シェーディング変更手段は、輝度を
   変更することにより前記シェーディングの状態を変更す
   ることを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれかに
   記載の画像処理装置。
10. 【請求項１０】 前記シェーディング変更手段は、色調
    を変更することにより前記シェーディングの状態を変更
    することを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれか
    に記載の画像処理装置。
11. 【請求項１１】 少なくとも一つのポリゴンの各頂点に
    法線ベクトルを設定し、このポリゴンを構成する画素の
    色彩を各法線ベクトルの配分により求めるシェーディン
    グを施す画像処理方法において、 前記ポリゴン毎の幾何学的重心を求める重心計算工程
    と、 前記重心計算手段により求めた前記ポリゴンの重心にお
    ける法線ベクトルを、このポリゴンの各頂点における法
    線ベクトルに基づく配分により求める重心ベクトル計算
    工程と、 各前記ポリゴンの重心からこの仮想空間に存在する点光
    源へ向かう光線の方向を示す光源ベクトルを各々求める
    光源ベクトル計算工程と、 各前記重心における法線ベクトルと前記光源ベクトル計
    算手段により計算された光源ベクトルとに基づいて、当
    該ポリゴンのシェーディングを施すシェーディング工程
    とを備えたことを特徴とする画像処理方法。
12. 【請求項１２】 仮想的に設定した仮想空間を所定の視
    点から観察した画像を生成するために、少なくとも一つ
    のポリゴンに対しシェーディングを施す画像処理方法に
    おいて、 各前記ポリゴンからの前記視線の方向を示す視点ベクト
    ルを算出する視点ベクトル算出工程と、 直接光の方向を示す光源ベクトルを算出する光源ベクト
    ル算出工程と、 前記視点ベクトル算出手段が算出した前記視点ベクトル
    と前記光源ベクトル算出手段が算出した前記光源ベクト
    ルとの関係が所定の条件に合致した場合に、この仮想空
    間を表現するシェーディングの状態を変更するシェーデ
    ィング変更工程とを備えたことを特徴とする画像処理方
    法。