JPH10510074A

JPH10510074A - 像構成

Info

Publication number: JPH10510074A
Application number: JP8518438A
Authority: JP
Inventors: ライグレイ，エイドリアン
Original assignee: アドバンスト・レンダリング・テクノロジー・リミテッド
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 1998-09-29
Also published as: GB2309145B; ATE170999T1; AU3987795A; GB9424273D0; EP0795164B1; GB2309145A; GB9708808D0; WO1996017326A1; US5933146A; DE69504704T2; EP0795164A1; DE69504704D1

Abstract

(57)【要約】架空のシーンの像を、シーンにおける複数の物体（１、２、１８）およびシーンの照明に関するデータから構成するための光線追跡方法であって、シーンにおける物体の表面を複数のサブセットに割当て、架空の観察位置（４、２１）から複数の直線経路（６、２０）を投射し、この経路すべてについてのデータをストアし、もしあるとするならばこの直線経路のうちいずれが選択されたサブセットまたは照明のゾーンにおける表面と交差するかを判断し、すべての経路がシーンにおける表面すべてに対し交差点（たとえば１２）についてテストされるまでその他のすべてのサブセットについて上記ステップを繰返すことを含む。この方法はまた、各経路について、どの交差点が観察位置に最も近いかを判断し、その交差点についての座標に関する、およびその交差点における物体の表面または照明のゾーンについてのデータをストアする。その交差点から架空の観察位置（４、２１）を通して経路に沿って通過する光の色の強度が次に計算およびストアされ、ストアされた強度および／または色は次にビジュアルディスプレイのための画像信号を生成するのに用いられる。複数の経路が、経路がその他のサブセットとの関連で検討される前に、所与の表面のサブセットに対し交差点についてテストされ、データベースから読出す必要があるサブセットの回数を減少させる。この方法は平行光線プロセッサを使用する装置において実行可能である。

Description

【発明の詳細な説明】像構成発明の分野本発明は架空のシーンの像を構成するための方法および装置に関する。本発明は特に、光線追跡のプロセスにより像を構成することに関する。発明の背景光線追跡は、たとえば１つ以上の局所的な光源または周辺光により照明される１つ以上の物体を含む架空のシーンの像をコンピュータが生成できるようにするための多数のプロセスの１つである。光線追跡プロセスでは、像を構成する各ピクセルについて、何らかの光線がシーンから、シーンに関しかつ架空の観察位置に関しピクセルの位置を定める座標を通して通過するかどうかが判断される。そのような光線が、観察位置に入射する光の架空の強度および色に寄与するものが次に計算される。この情報によってピクセルに対し必要とされる明るさおよび色が決定される。基本的な光線追跡法については、Communications of the ACM，26(6)，342-349(Whitted 1980)の、「陰のあるディスプレイのための改良された照明モデル（An Improved Illumina tion Model for Shaded Display)」と題された論文に述べられている。光線追跡によって、解像度の高い像を生成することが可能になり、かつ反射、屈折および光の散乱などの現象を表現することが可能になる。しかしながら、各光線の経路（および特性）を決定するためには多数の計算を行なわなければならず、その結果光線追跡法は非常に遅くなる傾向がある。発明の概要本発明の１つの局面に従い、可能な複数の観察位置から観察されかつ既知の態様で照明される複数の物体を含む架空のシーンの像を、物体の表面の座標、その表面上のすべての点の光学的特性、および特定的な照明についての情報から構成する方法が与えられる。この情報はコンピュータメモリにストアされる。上記方法は、Ａ．観察位置から複数の直線経路を投射し、これら経路すべてを表わすデータをストアすることと、Ｂ．物体のうち１つについて、もしあれば直線経路のうちどれが物体の表面または照明のゾーンと交差するかを判断し、交差する経路各々について、観察位置に最も近い交差点の座標を決定し、その交差点すべてをストアすることと、Ｃ．上記のステップＢをその他の物体について、またはその他の各物体について交互に繰返すことと、Ｄ．各経路について観察位置に最も近い交差点を決定し、これをその交差点での物体表面に関するデータとともにストアすることと、Ｅ．ストアされた表面データに対し、経路に沿い観察位置へと通過する光を上記の最も近い交差点各々について決定し、これを光の強度および位置データとしてストアすることと、Ｆ．ストアされた光の強度および位置データを読出してビジュアルディスプレイ上に画像信号ディスプレイを生成することとを含む。複数の直線経路すべてはサブセットにまたは各々のサブセットに交互に関係すると考えられるため、各々のサブセットにおける表面についての詳細は、その直線経路と表面との交差点すべてを決定するためには、メモリから一度引出す必要があるのみである。したかって、表面についての詳細をメモリから引出す必要がある回数、およびそれに関連する時間的な遅延は最小となり、その結果、光線追跡方法は、各々の表面を１つの経路につき少なくとも一度引出さねばならない既知の方法よりも高速で行なうことができる。この複数の直線経路はほんの数本かもしれないが、好ましくは像を構成するのに必要な直線経路すべてを構成するものである。好ましくは、各サブセットは物体それぞれの表面を含む。上記のステップＥは、交差点から二次的な１本以上の直線経路の組を投射することを含む。これは、交差点での物体表面の特性により、光が各々の二次経路により定められる方向に沿い界面に入射した場合最初の経路に沿い観察位置に少なくとも一部が導かれる場合に行なわれる。上記のステップＥはさらに、上記ステップＢおよびＣに従い二次経路と、上記交差点に最も近いその他の物体（または光源）との交差点を決定することと、二次経路の交差点についてのデータから、上記二次経路により定められる方向で最初の直線経路の交差点に入射する何らかの光の少なくとも強度を計算し、最初の経路の交差点での物体の表面特性に関する情報から、最初の経路に沿い観察位置に入射する光の少なくとも強度を計算することとを含む。この方法はこのようにして、別の物体から散乱あるいは反射するまたは別の物体を通して屈折する光の、物体の見かけに対する影響を考慮することができる。観察位置に入射する光の強度をより正確に決定することは、先の直線経路の組の選択された交差点から、二次直線経路と同じ態様で、１つ以上のさらなる直線経路の組を投射し、そのさらなる経路の組により定められる方向に沿い界面に入射する光の強度を決定することにより可能である。好ましくは、強度に加え、ピクセルから放出される何らかの光の色もまた決定される。これは、光を異なる色成分（たとえば赤、緑および青）の組合せであり、その相対的な大きさが光の色を規定するものであるとみなし、関連する界面での相互作用の、各成分に対する組合わされた効果を考慮することにより可能である。好ましくは、どの直線経路が選択された表面と交差するかを判断するプロセスは、各経路に対しその経路が上記表面を含む架空のエンベロープと交差するかどうかを判断し、その経路がエンベロープと交差しなければ、表面に関連するさらなる考察の対象から外すことを含む。このように、架空の物体のエンベロープを用いて、物体表面の正確な座標に関連して考慮する必要がある経路の数を減じることができる。この理由は、エンベロープと交差しない経路はエンベロープに含まれる表面と交差するはずがないからである。エンベロープに関連して考慮する必要がある経路の数は、どの経路が、複数のエンベロープを含むより大きなエンベロープと交差するのかを判断し、そのさらに大きなエンベロープと交差しない経路をその他のエンベロープに関する考察から外すことにより、減じることができる。もし経路の交差点での物体の表面特性により、そこに入射する光が多数の方向に拡散または散乱するというものであれば、その界面を起点とするさらなる多数の光線ベクトルが、交差する光線ベクトルにより定められる経路に沿い導かれ、入射する光線の可能な方向を正確に表わすのに必要であろう。この場合、ランダムに選択された方向を有するそのようなさらなる経路を１つのみ発生させることが好都合であろう。ランダムにそのようなさらなる経路を１つのみ発生させることにより、ピクセルが像の一部を構成するのに必要な強度の計算の正確度は低下するが、上記の特性を有する物体の領域において十分な数の交差点が生じれば、交差点で発生するさらなる経路のランダムな性質は、特にもし２つ以上の直線経路（平均で）が各ピクセルに対し観察位置から投射された場合、最終的な像におけるエイリアシンクの量を減じるのに使用されるスーパーサンプリング方法において起こるように、そのような不正確性を補償するものとなる傾向がある。本発明の他の局面に従って、可能な複数の観察位置のうち１つから観察される、複数の物体を含む架空のシーンの像を構成するための装置が提供される。この装置は、物体の表面の座標、その表面におけるすべての点の光学的特性、およびそのシーンに対する照明についての情報がストアされるメモリと、観察位置から複数の直線経路を投射するため、もしあればどの経路が各物体の表面と交差するかを決定するため、および観察位置に最も近い各経路の交差点を選択するための光線追跡手段と、その交差点での物体表面について、およびシーンの照明についてのデータから、その各々の経路に沿い観察位置へと通過する光の強度を決定するための計算手段と、ビジュアルディスプレイで表示するために上記強度を表わす画像信号を発生するための出力手段とを含み、光線追跡手段により選択された第１の物体に対するすべての交差点は、各々の物体との交差点の前に決定されるので、交差点は各物体について交互に決定される。好ましくは、光線追跡手段は、メモリに接続され、各プロセッサが像のそれぞれの部分に対し直線経路のそれぞれのグループを発生するように配置された複数のデータプロセッサを含み、各グループが選択された物体と交差する点は同時に決定される。この特徴は特に有利なものである。その理由は、物体に関する詳細はプロセッサによって同時にメモリから引出されるからである。こうすることにより、異なるプロセッサがいつ何時でも異なる物体についての情報を要求する場合に生じるであろう「ボトルネック」を回避するものである。好ましくは、各プロセッサは、光線追跡動作を行なうように特別に構成された専用チップを含む。こうして、各プロセッサが特定のソフトウェアと組合わされた汎用チップからなる場合と比べ、このプロセスをさらに高速で行なうことが可能になる。好ましくは、計算手段は、対数算術のプロセスにより、関連する交差点での架空の光線の相互作用の効果を組合せるようにされている。こうすることにより、このような組合せを行なうのに必要な、超高密度集積（ＶＬＳＩ）計算を比較的迅速に行なうことが可能になり、初期値を対数的に等価であるものに変換するのに必要なさらなる時間の補償をする。図面の簡単な説明本発明は添付の図面を参照して例示としてのみ以下で説明される。図１および２は、光線追跡方法の基本的原則を示す。図３は、先行技術による光線追跡の方法に含まれるステップを示すフローチャートである。図４は、本発明に従う方法に対する、対応するフローチャートである。図５および６は、本発明に従う方法におけるさらなる段を示す図である。図７および８は、これら段に含まれる種々のステップを示すフローチャートである。図９は、本発明に従う光線追跡装置のブロック図である。図１０は、図９に示される装置の一部を形成するチップの外から見た等角図である。図１１は、図１０に示されるチップのアーキテクチャを示すブロック図である。図１２−１５は、図１１に示される多数の構成要素のより詳細なブロック図である。図１６は、図１２−１５に示される構成要素の機能の略語表を表わす。図１７は、本発明の好ましい特徴を有する方法に関する光線ツリー図である。図１８は、図９に示される装置とともに使用するためのさらなる装置を示す。図１９は、図１８に示す装置により提供できるデータの例を図式的に示す。図２０および２１は、図９に示される装置がいかにして図１８に示される装置によって与えられるデータを使用するかを示す。図２２−２４は、各々本発明に従う３つの方法により構成される像を示す。詳細な説明図１を参照して、光線追跡プロセスを用いて、予め定められた観察位置４から観察した、物体１および２を含む架空のシーンの像を構成することができる。像は複数のピクセルから構成され、シーンに関連するピクセルのうち１つの位置が参照番号６で示されている。ピクセルはすべて、観察位置４とシーンとの間に置かれた像面８にある。図１に示された要素は初めデータの形式でコンピュータデータベースにあるが、面８および観察位置４はそれぞれ、最終的に像が表示されるスクリーン、およびシーンに関する観察者の位置に対応する。一次直線経路１０が観察位置４から投射され、ピクセル位置６を通過する。経路１０は無限の長さを有するものと考えることができる。経路１０と架空のシーンにおける物体またはその他の要素（光源など）との交差点すべてが比較され、位置４に最も近い交差点以外はすべて無視される。経路１０の場合、ポイント１２での、球形の物体１の表面との交差点が最も近いものである。データベースは、光と物体１との間に起こり得る種々の相互作用のシミュレーションを可能にする、物体１の視覚的に明らかな多数の特性についての情報を含む。その情報は、交差点１２を含む種々のポイントでの物体１の表面に対する法線の方向、およびその表面の種々のポイント（交差点１２を含む）での、何らかの光を反射するまたは散乱させる物体１の特質についての情報を含む。この例では、物体１は不透明であり、その結果入射する光を反射または散乱させるのみである。しかしながら、透明または半透明な物体の像を発生させることも可能であり、この場合、データベースはまた、そのような物体の光透過特性についての情報をストアする。二次経路１４が発生する。なぜならば経路１４により定められる経路に沿う方向で界面１２に入射する光は少なくとも部分的には経路１０に沿い反射、屈折または散乱するためである。経路１４と何らかのその他の物体／光源との交差点は、経路１０に対して行なったのと同じ方法で分析できるが、この場合交差点１２に最も近いもの以外の交差点は無視される。このプロセスが一次および二次経路しか考慮しないのであれば、必要とされるピクセル６の強度は、経路１０および１６に沿い進行し入来する想像上の光線の強度に対する交差点の影響を計算することにより決定される。したがって、明るい光源と経路１４との交差点が選択されるならば、比較的高い強度の値が初めに割当てられるであろう。しかしながら、物体１が光を非常に効果的に吸収するものであれば、強度は大幅に減少するであろう。さらに、経路１４がいかなる光源ともいかなる周囲光のゾーンとも交差しなければ、０の強度の値が割当てられるであろう。このようにこの場合は、ピクセルに対する最終的な強度の値は、経路の選択された交差点の割当てられた強度の値から決定される。同じ方法で、入来する光線の関連の色が（赤、青および緑の成分の相対的強度により表わすことができる）また決定される。架空の光線の強度および色は、ピクセル６により表示される必要な明るさおよび色を表わすものとなる。この計算がすべてのピクセルについて計算されれば、像を表示することができる。像は、たとえば陰極線管（ＣＲＴ）といった何らかの適切な手段によって、または感光性フィルムに焼き付けて表示することができる。図１に示す例では、物体１の表面は反射性があり、そのため１つの二次経路１４のみが界面１２で発生する。しかしながら、物体１の表面が凸凹であれば、入射する光は散乱する傾向があり、その結果、多数の方向のうち１つで界面１２に入射する光は、一次ベクトル１０により定められる経路に沿い導かれる可能性がある。この状態は図２に示されている。図２では、参照符号１６ａ−ｆは、球形で表面が滑らかでない物体１８と、観察位置２１を起点としピクセル２２を通過する経路２０との交差点で発生する起こり得る二次経路を示す。図２に示す配置では、経路１６ｅ−ｇはまた、光を散乱させる物体と交差し、図示されたプロセスは、それら二次経路の交差点からさらなる経路の組を投射するステップを含む。そのような経路の３つのグループが、２４、２６および２８で示されている。この方法のある変形では、各ピクセルに対する計算に必要とされる正確度次第で、同様なやり方でさらなる経路の組を発生させることができる。必要な計算の回数を減少させるための、本発明の方法の好ましい特徴は、初めの組のベクトルと光を散乱させる表面との界面で発生する可能性があるベクトルのうち１つのみを選択することである。したがってこの例では、ベクトル１６のうち１つのみがランダムに選択され、もし選択されたベクトルが１６ｅ−ｇである場合、関連する三次ベクトルのグループからベクトルが１つのみランダムに選択される。図３に示すフローチャートを参照して、既知の光線追跡方法では、各経路がシーンにおけるいずれかの物体と交差する点が、他の経路から独立して決定される。このように、この方法で使用される光線追跡回路は、各経路（このチャートでは「視線」として示されている）につき少なくとも一度すべての物体についての情報をデータベースから引出さなければならない。その結果、入れ子状になった物体プログラミングループ３０およびピクセルプログラミングループ３２として示されるように、物体についての情報を何度も引出す必要がある。図４を参照して、本発明に従う方法では、ボックス３４で示されるように、所与の組の経路（一次、二次、三次など）すべてが最初に投射される。回路はボックス３６に示されるように、所与のプリミティブについての詳細を引出し、どの経路がそのプリミティブと交差するのかを判断する（ボックス３８）。物体に関連し、何らかのその他の物体に関する詳細が呼出される前に、何らかの所与の組のすべての経路が考慮され、その結果物体についての詳細が引出される回数は、既知の方法におけるよりも少なくなる。これは、さらなるプリミティブについての情報の引出しを表わすループ４２内で、各経路に対する交差点についてのテストの繰返しを表わすループ４０が入れ子になっていることによって示される。光線追跡プロセスが終了すると、すべてのピクセルに対し必要な色および明るさを表わす出力信号が発生される（ブロック４４で示される）。図５−７は、ボックス３８により表わされる交差点テストに含まれる種々の段を示す。物体に関する情報を含むデータベースはまた、架空の球形で境を接するエンベロープについての情報を含み、エンベロープの座標によれば、各エンベロープがそれぞれの物体を１つ含む。図５は、シーンにおいて表現される多数の物体ならびに各物体に対する４６および４８などの境を接するエンベロープを示す。データベースはまた、架空の境を接するより大きなエンベロープの座標を含み、このエンベロープ各々は１つ以上の物体のエンベロープを含んでいる。そのようなさらに大きなエンベロープの例が、５０、５２、５４、５６および５８で示される。実際の物体の座標に関する経路について考慮する前に、このプロセスでは、物体を含む（しかし経路の起点は含まない）連続するエンベロープと経路とが交差するかどうかを判断する。経路がこのようなエンベロープすべてと交差しなければその経路は無視される。このようにして図６に示す例では、図６の面の真上のポイントから投射された一次経路が、エンベロープ４６に含まれる物体と交差するかどうかを判断するプロセスは、この経路がエンベロープ５０と交差するかどうかを判断する最初の段階を含む。交差点がなければ、この経路は、エンベロープ４６と交差するはずがないという理由で無視されるが、交差点がある場合は、この経路がまたエンベロープ５３と交差するかどうかという問題について検討が行なわれる。交差点があれば、物体の表面の実際の座標との関連でこの経路を検討する前に、エンベロープ５２そして次にエンベロープ４６についてこのプロセスが繰返される。図６の内部的なツリー表現は、物体のいずれかに関連して所与の一次経路を分析するときに生じる種々の選択肢を示す。図９を参照して、ブロック６０は、経路を発生し、交差点を判断し、必要とされるピクセル出力を計算する光線追跡装置を示す。この装置は多数の光線追跡ユニットを含み、例としては、表現されるシーンにおける物体についてのかつ境を接するエンベロープについての必要な情報を含むコンピュータメモリ（図示せず）に接続されるブロードキャストデータバス６６に並列して接続される６３および６４である。各光線追跡ユニットは、そのユニットに割当てられた多数のピクセルのために必要とされる出力を表わす出力信号を発生するように動作し、その出力信号は、すべての光線追跡プロセッサに、ならびにブロック６２で示されるフレームストアデバイスのメモリ７０およびビデオ出力信号発生器７２に並列に接続されるピクセル出力バス６８に沿い中継して送られる。デバイス６２は、装置６０および６２における他のユニットを制御するための主（またはホスト）プロセッサ７４を含む。ユニット７２は、光線追跡プロセッサの出力からの信号を、ＣＲＴディスプレイ７６に表示されるビデオ信号に変換する。図１０および１１を参照して、各光線追跡プロセッサユニットは、図１１に示す構造を有するＶＬＳＩ（超高密度集積）集積シリコンチップ７８を含む。チップ７８は、光線スタックメモリ８２に接続される種々のレジスタカウンタおよびメモリスタック８０、光線データメモリ８４、ならびに光線交差点メモリ８６を含む。メモリ８４および８６は、視線算出ユニット８８、再方向付け算出ユニット９０、交差点算出ユニット９２、および出力発生ユニット９６と情報を交換し、これらユニットはすべて、バスコネクタ９８および１００によりメモリ８４および８６に接続されている。ユニット８８および９２はまたバスコネクタ６６で接続される。視線算出ユニット８８は図１２に示され、発生される経路すべてでメモリ８６を初期化するのに用いられる。ユニット８８はまた、各経路に対するデカルト座標を決定し、そのために対数乗算、加算、除算および減算ユニットを用いる。対数ユニットの機能については、図１６に示される略語表で表わされている。ユニット８８は次に各経路の座標をメモリ８４に与える。シーンにおける表面および境を接するエンベロープの座標および特徴に関するデータがまた、バス６６およびユニット８８を介してメモリ８４に与えられる。メモリ８４はしたがって、プロセッサユニットが実行する次のプロセスのために必要なデータを含んでいる。図１３は、交差点算出ユニット９２をより詳細に示す。このユニットは表現されるシーンにおける、各経路と、境を接する体積（すなわちエンベロープ）および表面とのすべての交差点を決定し、そのためにまた対数算術を用いる。したがって、ベクトルの起点に最も近い物体表面との交差点以外の、物体表面との交差点は無視される。ユニット９２は、メモリ８４から、経路および物体表面または境を接するエンベロープ表面についての必要な座標データを獲得し、物体表面との交差点について最も近い交差点座標を、その交差点での物体表面の光学的特性についてのデータとともに、メモリ８６にストアする。座標がメモリ８４にストアされている経路は、ユニット８０により割当てられるアドレスという手段により識別される。交差点算出ユニットにより所与の経路が境を接するエンベロープと交差していることが発見されると、その経路に対するアドレスが光線スタックメモリ８２にストアされ、光線スタックメモリはそのエンベロープと交差する経路のリストをコンパイルする。光線スタックメモリは、そのアドレスを連続するメモリ場所にストアするため、アドレスはその後順序通りに読出される。そのエンベロープにおける物体がレンダリング（描画）されるとき、そのアドレスは光線スタックメモリ８２から読出され、メモリ８４および８６に対するインデックスに使用される。このようにして、境界のエンベロープと交差する経路のみが、その中の表面に関して考慮される。光線スタックメモリ８２は数個のアドレスリストを一度にストアし、このリストは隣接してストアされる。こうして前述のように物体のエンベロープを階層的に使用することができる。図１１に示されるプロセッサの種々のユニットの動作は、それらユニットに対し制御信号のシーケンスを発生するステートマシン８７によって制御される。このシーケンスは、プロセッサが実行する動作の予め定められたシーケンスによって決定され、各ユニットおよび各バスは適時活性化される。一旦所与の表面との交差点についてすべての一次経路がテストされると、別の表面についてのデータがプロセッサにブロードキャストされ、メモリ８４が更新され、シーンにおけるすべての物体表面および照明源との交差点について一次経路すべてがテストされるまで、上記のプロセスが繰返される。例示の再方向付けユニット９０は、図１４でより詳細に示されている。データベースが、すべての一次経路と、および物体表面と交差する各経路について最も近い交差点についてのメモリ８６にストアされたデータと比較されると、このユニットは対数算術手段によりさらなる二次経路を発生する。こうした経路各々について、ユニット９０はメモリ８６から、その経路の最も近い交差点の座標および表面特性についてのデータを受取り、二次経路を発生する。二次経路の座標はメモリ８４にストアされる。次に二次経路は、一次経路について行なわれた交差点テストと同じやり方で、境界のエンベロープおよび物体表面との交差点についてテストが行なわれる。データベース三次光線の次の通路は、同じやり方で二次経路から形成され、以降同様に行なわれる。経路を多数の光源に向けて、正反射し拡散しかつ屈折する方向に送るのに、より複雑な再方向付けユニットが必要である。この装置の変形例では、所与の経路についてユニット９２により検出される各交差点に対し、ユニット９０はさらなる再方向付けされる経路を発生する。もし交差点が経路の以前のいかなる交差点よりも経路の起点に近いことが発見されれば、再方向付けされた経路は交差点メモリ８６に書込まれ、そうでなければ経路は廃棄される。これには、経路が再方向付けられ次に時折廃棄されるときに、不必要な計算が含まれるが、メモリ８６に表面データをストアする必要はない。データベースに対しすべての一次経路がテストされた後、二次経路がメモリ８６からメモリ８４に複写される。後続のデータベースのパスにおいて、三次光線を二次光線から形成し、同様の動作を続けることができる。図１５は、出力発生ユニット９６をより詳細に示している。このユニットは光線メモリにおける交差点情報をピクセル強度および色に変換し、それらを示す出力信号を発生する。出力信号はバスコネクタ６８に沿ってビデオ出力７２に与えられ、ここでディスプレイ７６のためにビデオ信号に組み入れられる。各ピクセルについての強度の値は３つの色の成分すなわち赤、緑、および青を有し、これらは組合わされてピクセルの色を定める。使用中には、各光線追跡プロセッサユニットは、そのユニットに割当てられるピクセルのグループに対し必要とされる出力を計算し、光線追跡プロセッサユニットは同時に各物体との交差点を判断する。プロセッサユニットは、動作プロセスのパイプラインとして知られているものを提供する。これは、このユニットが異なる直線経路について異なるプロセスを同時に実行することを意味している。このようにしてたとえば、再方向付け算出ユニット９０が一次経路と表面とが交差する点での二次経路を発生しているときに、交差点算出ユニット９２は視線算出ユニット８８により発生される次の一次経路をテストしており、その間にユニット８８は第３の一次経路を発生している。この装置の方法について以下でさらに詳細に説明する。交差点についてテストするためには、一次経路の起点および方向が計算され、この情報は最も近い交差点に対する光線の交差距離を決定するのに用いられる。その交差点での物体の表面特性は、すべての物体をテストした後その交差点が最も近いということが判明した場合に、距離とともにストアされる。データベースの第２のパスにおいて二次経路を処理しなければならず、一方さらなるパスを用いて何らかの深さの光線ツリーが処理可能である。所望のパスすべてが完了すると、視線（すなわち一次経路に沿い進行する光）の色をディスプレイ装置に出力することができる。この方法においては、データベースは一度だけ（経路の各組に対し）ブロードキャストされ、像におけるすべての光線に対する経路は、１つの光線の経路を次を開始する前に完了するのではなく、ともに追跡される。反射または屈折の各レベルは、さらなるベクトルの組が発生されるときにデータベースの別のパスを必要とする。ブロードキャストデータバスはこのようにして非常に効率的に使用され、各要素は、シーンにおける光線から独立して、固定された（少ない）回数（光線が追跡されるレベルの数に等しい）ブロードキャストされる。装置６０のビデオ出力ポートはビデオレートで像データを搬送し、５１２ビットバス６８に接続される。データベースおよび制御ポートを５１２ビットバス６８または１２８ビットバス６６のいずれかに接続することが可能だが、このポートでのデータは非順次的な性質をもつ傾向があり、必要とされる帯域幅はより小さくなる（８Ｍバイトを上回るデータベースが２Ｎピクセルディスプレイで見える場合にはこれは生じない）。境を接する体積（たとえばエンベロープ４６）はブロードキャストバス６６で、その中に含まれる物体に先行して伝送される。この態様で、境を接する体積に入る光線についてのみ、物体のテストを行なうことができる。データベースの各プリミティブに一度だけアクセスして全体の像をレンダリングするためには、ピクセルごとにではなく（これにはデータベースにおける各要素に複数回アクセスする必要がある）、全体像が同時にレンダリングされる。光線追跡ハードウェアの内部状態はしたがって、全体像が要素ごとに伝えられるときに全体像の状態を含むことになる。その効果は、多くの単純なソフトウェア光線追跡装置（図３および４）において存在する内部および外部ループが交換されることである。全体像を一度にレンダリングするためには、レンダリングする側であるメモリ７０はすべてのピクセル（すなわち光線）の色を一度に保持しており、算出中その光線が参照する何らかの状態もまた保持している。境を接する体積は、物体、およびさらなる境を接する体積双方を含み、階層を生み出すことができる。実行される交差点テストの数は、非階層的な場合のように線形的であるのではなく、データベースサイズの関数として対数的になる。こうして大きなデータベースのレンダリングが可能となり、実際にはほとんどの物体が不明確にされる非常に大きなデータベースについては、レンダリング時間は事実上データベースサイズと無関係になる。境を接する体積の階層的配置の使用（図６）には、データベースをツリーとして構成することが含まれ、目に見える物体はリーフノードに相当し、ペアレントノードは、対応するリーフノードすべてのまわりに境界線を描く、目に見えない境を接する球体を含む。ツリー全体に対するルートノードはこうして、データベース全体を描く球体すなわち「世界球体」を特定する。レンダリング動作はツリーを横切るようになり、リーフノードすべてがブロードキャストされるまで、始めに世界球体（原点および半径）をブロードキャストし、次にドータ（娘）ノードを繰返しブロードキャストすることを含む。この横切る動作は深さ優先の態様で行なわれる。どの光線をさらに検討するかを決定する際に、境を接する球体情報を利用することにより最適化がもたらされる。ストアされた各光線ベクトルを、簡単なベクトル算術テストにより、現在ブロードキャストされている境を接する球体との交差点についてテストできる。光線ベクトルが境を接する球体と交差しなければ、このツリーの枝をさらに下るリーフノードいずれとも交差する可能性はない。交差点テストに落ちた経路は、サーチがツリーのこの部分を出るまで、再び考慮する必要はない。交差点テストの数はこのようにして大幅に減少される。この方法の全体的な効率は、ツリーの分岐要素およびその深さ、ならびに境を接する球体の投射される領域に依存する。光線の起点での境を接する球体の投射される領増が小さいほど、交差しない可能性が高く、不必要な境を接する球体−光線および物体光線テストを排除する。すべての光線が境を接する球体から外れていれば、ツリーをはるかに下ったノードのブロードキャストは不要である（データベースのその部分は最終的な像に何の影響もない）。ブロードキャストは、何らかの交差点がまだ可能である次のツリーのノードにジャンプする。レンダリングプロセスは、各光線追跡プロセッサの光線メモリを初期化することによって開始される。アンチエイリアシンクのない単純なケースにおいては、各ピクセルは１つの視線を生成する。光線メモリは、カメラ位置である起点、ピクセル位置から引出される方向および観察方向を備える構造（前述のとおり）、ならびに「無限」（表現可能な最大数）と設定される距離の値を保持する。ホストプロセッサ７４（すなわちブロードキャスティングエージェント）は次に、データベースのルートノードに対応する境を接している球体をブロードキャストする。すべての光線はこの球体に対する交差点について検査される。今までに発見されたよりも近い交差点を有する光線は、さらなる検討を行なうために光線（光線へのポインタ）のリストに配置される。ホストは次に（リストが空でないと仮定すれば）次のレベルへとツリーを下って移動し、次の境を接している球体をブロードキャストする。リストにおける交差しているすべての光線は新しいリストに転送される。ホストは、リーフノードに到達するかまたは現在のリストが空になるまで、ツリーを下方に移動し続ける。上記の事態が発生したとき、現在の光線リストは落とされ、（前のリストが現在のものになる）、ホストはツリーの上方へと次のまだ伝送されていないノードをブロードキャストし、（新しい）現在の光線リストについてのテストを行なう。この深さ優先探索は、ツリー全体を横断するまで継続され、その時点ですべての光線リストは廃棄されていることになる。こうして第１レベルの光線の交差点が発見されたことになる。ホストは、レンダラーにおけるすべての現在の光線リストがいつ空になるかを判断する。これは、各レンダラーチップにより出力され外部で論理和がとられる（ワイヤリングされたＯＲ配置を用いて）現在のリストが空でないかどうかを示す信号によって行なわれる。このようにして、ホストは、何らかのプロセッサが現在境を接している体積の拡大を必要としているかどうかを判断することができる。シェーディングおよび二次経路発生（本明細書では光線の再方向付けとされている）のプロセスの発生がここで可能となる。すべての光線は、関連する経路とともにストアされた交差点の色および他の表面特性に従う色の組を有している。交差点で生じる経路が１つのみであれば、その新しい経路の情報をそのペアレント経路と同じメモリ場所にストアできる。２つ以上の経路が生成されれば、データはすべて同じスクリーンのピクセルに対応するさらなるメモリ場所にストアされねばならない。レンダリングプロセスの終了時に、ピクセルの強度が、そのピクセルから引出されるすべての経路の総和として計算される。これらのシェーディング動作すべては、各々の光線について適切なデータがストアされていると仮定すれば、データベースを参照せずに行なうことができる。ブロードキャスティングエージェントは、光線ベクトルの再方向付けが完了するまでは、さらなる動作を行なう必要はない。ここで二次経路の追跡を行なうことが可能になる。ホストプロセッサは、再びルートノードからデータベースの探索を開始して、以前と同じステップを辿る。経路は前よりも広範囲にわたる方向に進行している（一次経路の方向の範囲は制限されている）ので、この段階においてより多くのデータベースにアクセスが行なわれる可能性がある。データベースの横断が完了すると、別のシェーディングプロセスが可能になる。シャドー経路すなわち光源に到達しない経路は黒に設定される。以前と同様に光線を再方向付けすることにより、さらなる反射、屈折およびシャドー経路が発生し得る。レンダリングは規定された制限までまたは追跡すべき光線がなくなるまでレベルごとに続けることができる（弱い光線はシェーディング段階中に廃棄される可能性がある）。最終的なシェーディングが完了すると、出力段階が発生する。すべての光線は、出力像に付加される最終的な強度を有する（最初は黒に設定されている）。光線が分割される（すなわち反射および屈折成分にされる）場合、最終のピクセルは、光線追跡アルゴリズムが要求する各経路からの光を含む。ホストプロセッサが実行するアルゴリズムは図４に示されている。ノードの各ドータ（娘）分岐を任意の順序で単純に横断することは、より遠くにある境を接する体積がより近い体積よりも前に探索されることがしばしばあることを意味している。理想的なのは、各光線に対し、より近い境を接する体積が、それよりも遠い境を接する体積よりも前に探索されることである。このようにして、より遠い境を接する体積における起こり得る最も近い交差点よりも近い交差点が発見されれば、そのより遠い境を接する体積ではより近い交差点が発見される可能性がないので拒否される。光線の起点の後ろにある境を接する体積はまた、拒否される。不運にも、ブロードキャストデータベースアルゴリズムは最適方法を妨げるものである。その理由は、考慮の対象となるすべてのベクトルに対して使用されるツリー探索順序は１つしかなく、最適性のためには異なるベクトルが異なる横断順序を必要とすることが多いからである。探索順序を改良する１つの方法は以下のとおりである。１）ツリーのルートノードに移動する。２）ノードを拡大させてドータ（娘）ノードを与える（恐らくは境を接する球体）。一次経路のみについては以下のとおりである。３）観察錐台との交差点について各々の境を接する体積をテストし、観察錐台の完全に外側に位置する、境を接する体積を拒否する（このステップは任意のものである）。４）カメラへの距離に基づきノードを順序正しく分類する（最も近いものが第１番目である）。５）順序正しい各々のノードに対し、ノードを（境を接する球体または物体）ブロードキャストし、ノードが境を接する球体であれば、ステップ２に進む（反復的に）。このアルゴリズムを用いることによって、単純なツリー横断の場合よりも、不必要な境を接する体積および物体について行なわれるテストはより少なくなる。達成される実際の改良点は、シーンに大いに依存する。たとえば、部屋内部からの観察がレンダリングされる場合、部屋のノードは、部屋の外側の何らかの物体を考慮する前に拡大される。この態様で、部屋の外側に関連するほとんどのデータベースは無視される。光線のキャスティングという簡単なケース（一次経路のみが発生される）では、視線のみが考慮され、観察錐台の外側にあるデータベースのいかなる部分も無視される。上記のアルゴリズムでは、光線の数個のリストの生成およびメンテナンスが要求される。そのための方法について以下で説明する。システムにおけるすべての経路は、光線メモリにおけるアドレスによって表現される。経路が境を接する球体に入ると、アドレスはスタック８０に押し出される。能動的な経路すべての検討が行なわれれば、能動的な経路の新しいリストが、スタックに押し出されたばかりの経路のリストによって与えられる。リンキングポインタがスタックに押し出されるため、リストが廃棄されたときには、スタックポインタが前のリストに移動することができる。能動的なリストを操作するこの方法は効果的であるということがわかっており、ハードウェアにおいて容易に実現され、この場合１つのＲＡＭ、ポインタレジスタ（次のリンクポインタに対し）、およびローディング可能なアップカウンタ（スタックポインタに対し）が必要とされる。メモリアクセスパターンは、最上部により近い場所への頻繁なアクセスを必要とするという非常に単純なものであることに注目すると興味深い。ハードウェアキャッシュ方法によって、ここで述べるポインタリストおよび実際の光線データ双方に対し大きなメモリを提供することが可能である。こうすることにより、サイクルタイム全体に影響を及ぼすことなく、光線データおよびポインタに対し、大きな比較的低速のメモリを使用して、大きなピクセルアレイのレンダリングを行なうことができる。このような特定的なキャッシュ方法は、スタックに基づくマイクロプロセッサ（Harris RTX 2 000（Harris 1990）など）のために使用されている。出力像における各ピクセルに対する強度および色は、考慮されたすべての大きさにおけるポイントサンプルの重み付けされた総和を計算することによって決定される。一次経路は、観察のジオメトリおよび出力ピクセルグリッドから通常の方法で決定されるが、アンチエイリアシンクのためにピクセル座標ＸおよびＹの値に、およびフィールドの深さについての観察位置に対し、オフセットが加えられる。経路はまた、移動しているフレームのシーケンスが計算されているならば、架空のフレーム時間からのオフセットでタイムスタンプがつけられる。一次経路は第１の交差点まで追跡され、このポイントで、表面からランダムな方向に交差点から出る１つの拡散経路が発生するか、屈折経路が発生するか、または正反射する光線が発生する。拡散方向は半球にわたり均一的に分布する可能性があり、交差点のジオメトリから決定されるファクタにより乗算される光線強度の値（入ってくるおよび出ていく方向、表面タイプおよび法線）、または特別な分布を選択することができ、拡散強度がより高い方向の可能性がより高くなる。この二次経路は次に、同じプロセスが発生する次の交差点まで追跡される。最終的にほとんどすべての光線経路（すなわち、一次経路により定められる経路および一次経路に関連する経路の後続の組）は、有限の強度の光源に達しその結果対応するピクセル強度に貢献することになり、または無限へと分岐しあるいは無限小の光源に達して強度に貢献しなくなる。経路により定められる光線は、関連のベクトルとともにストアされた時間のオフセットに対応するデータベースに対してテストされる。結果として生じる光線ツリーが図１７に示される。光線の最終の強度は、関連するピクセルの真の強度の見積りであると考えられるが、可能性のある経路すべてではなく光への経路１つのみが用いられ、光線ベクトルは多大なる強度の変更を受けやすいため、通常は非常に不正確なものである。多くのこのようなベクトルからデータを集めることにより、関連するすべての大きさにおけるサンプリングの効果を考慮して、真の強度の適切な推定が可能になる。採り上げたサンプル各々は、反射の各レベルで光線ベクトルを１つのみ考慮する必要があるため、メモリの扱いは非常に単純化される。メモリに光線ツリーをストアする必要は最早なく、各レベルでの反射力の現在の積を計算するだけで十分であり、実際分岐する光線ツリーは単純な交差点のリスト（すなわち分岐がない）となる。光線の伝搬は、経路が光源に入ったとき終了の可能性がある（有限の領域を有する必要がある）、または通常の光線追跡のように何らかの範囲に従って任意的に切り離すことができる。この場合、周囲の値を用いて、または黒を使用してこの特定的な経路の後に続く光がないことを示すことが可能である。対数算術シミュレーションおよび本明細書の説明において使用されているフォーマットは、基数を２とする対数の２０ビットの対数表現であり、２進小数点は、−３２．００００から＋３１．９９９８８の対数の値が表現されるようにされている。数の符号は残余のビット（ビット０）に置かれている。約−４×１０⁹と４×１０⁹との間のすべての数は、０周辺の小さなジャンプを除けば、５つの有効数字のほんの下まで表現することができる。特別なケースの数を減少させるために簡単なフォーマットが使用され、厳密な０および無限大は不要である。０が欠けていることにより観察されるアーティファクトはなく、数学的に必要ならば、最も小さな正の数が使用される（本明細書では「最小」と称される）。種々のスカラ演算は、この算術形式では以下のように実現される。乗算：対数を加算する（２の補数において）。オーバフローが発生すればＸＯＲ符号ビットを飽和させる。加算：符号が整合するとき…結果は、大きい方＋ｆ（大きい方−小さい方）であり、この場合ｆ（ｘ）＝ｌｏｇ（１＋２^-x）である。符号が異なるとき…上記のとおりであるが、ｆ（ｘ）＝ｌｏｇ（１−２^-x）である。減算：符号ビットを逆にして加算の手続きを利用する。平方：算術シフト左、オーバフローで飽和、符号ビット＝０。平方根：算術シフト右、符号ビット＝１であれば誤差を与える。除算：対数を減算、オーバフローであればＸＯＲ符号ビット飽和。逆数：２の補数。比較：符号が異なっていれば正の方が大きい。符号が同じであれば、対数の大きさを比較する。注：飽和手段は（最小）または（最大）を、オーバフローの方向次第でリターンする。この段階で別の演算、求積加算（Ｑａｄｄ）が導入される。この演算はｓｑｒｔ（ｘ²＋ｙ²）をリターンし、ベクトルの長さを計算するには有用であり、ＸＱａｄｄＹＱａｄｄＺまで評価する。この演算を導入する利点は、中間（ｘ²＋Ｙ²）は決して表現されず、そのため結果がオーバフローするのでなければ演算がオーバフローを引き起こすことがないことである。式を直接評価するには、余剰のビットを導入する必要があり、４つのファンクションユニットで表現されるであろう。直接実現化するには、単純な加算と同じ方法を使用することができるが、加算器への入力は常に正となるため、負の数を扱うという多大なオーバヘッドは生じない。効率的なアルゴリズムは単に対数表現を比較し、もし双方の数が負であれば結果を逆にすることであるため、比較はまた特別なファンクションユニットとして実現されることは注目すべきことである。加算および減算以外の共通の演算は、浮動小数点表現に比べて単純化されることがわかり、加算にはｌｏｇ（１＋２^-2）を決定する必要がある。この関数（ガウスの対数として知られている）はｘが大きくなる（ｘは常に正である）につれて迅速に０に減少し、タブ動作（補間ありまたはなし）、または恐らくは論理最適化ソフトウェアにより決定される小さな多段論理ネットワークにより実現できる。この簡潔な実現により、非常に多くの数のファンクションユニットを、あまり大きくないＶＬＳＩ構成要素にさえ配置することができる。オーバフローを検査する、簡単なパイプライン化された加算器または減算器で、乗算器および除算器を実現することができる。ブロック回路図（図１２−１５）で使用される最後のブロックは、空のパイプライン段である。これは単に信号を１クロックサイクルだけ遅延させ、時間的に段を整列させて対応するデータを計算するようにする。実現は、用いる技術に従い、単に静的または動的ラッチである。データベースにおける空間座標は、デカルト三重項（ｘ，ｙ，ｚ）により表わされる。これら座標の値は、スクリーン上の１つのピクセルに対応する精度で少なくとも保持されねばならず（表面にファセットができるように）、（アンチエイリアシンクおよび計算の中間生成物のためには）精度はより高いことが好ましい。その範囲は、データベースにおいて保持されるまたは中間生成物に必要とされる距離の範囲を扱うのに十分である。方向ベクトル（表面の法線など）の表現上の要件は、空間座標のものとは僅かに異なっている。長さは常に単一であるため、いかなる座標の値も決して１を超えることはなく、範囲についての要求は緩和される。表現における誤差は、方向とは関係なくおよそ一定であることが理想的である。したがって、小さな数を正確に表現することには利点はない。以前のように、ベクトルの方向は、目の角度的な解像度に少なくとも対応する角度的な正確度に保たれる。対数の分数部分はしたがって１１ビットを有さねばならない。範囲についての要求は、対数が、４ビットを必要とする、−１０から０の数を保持しなければならないことを意味している。したがって完璧な表現は以前のとおり１６ビット（値の符号を含め）であるが、対数の符号は欠けている（対数は常に負である）。色の成分を表現することは、像に加えられるさらなる雑音をほとんどないに等しいものにするのに十分な解像度を与えるのに十分である。ここでは、目は若干のパーセンテージの変化まで強度の変化を解像できるので、対数表現は特に効果的である。ケンブリッジアドバンストフレームストア(Cambridge Advanced Fram estore)などのディスプレイ回路は、８ビットの強度の精度を表示する。物体の色の入力表現には、この点についての改良は不要であるが、なぜならば、変化が出力を少なくとも１量子だけ変化させるのに十分であれば目に見える効果のみが観察されるからである。内部の計算は少なくともこの解像度まで行なわれ、目立つ劣化は防止される。表現のこの範囲は、必要とされる少なくとも最も暗い出力から明るさの出力まで少なくとも強度を維持することができる（すなわち出力バッファにおいて０−２５５）。ここで使用されるディスプレイは、フレームストアにおいて６４の変化に対し強度をおよそ２倍にする（これは、１００という均一的な強度と同程度に明るい値０と１６４とを有するストライプのあるパターンを観察することによりわかるであろう）。この結果は、実際の強度の値の対数（基数２）は、２５６ステップを伴う、約（たとえば）０から４にまたがり、これは２ビットが２進小数点の左にあり、６つが右にある対数システム表現である。この８ビットをディスプレイに書込むことができる。必要であれば、より高い精度およびより大きな範囲は、ビットを左または右それぞれに加えることにより達成できる。対数的計算ユニットを相互にリンキングするための方法は、単にクロックされたラッチを介することである。各々のクロックパルスで、新しいデータを計算ユニットの入力側のラッチに導入し、一方では以前のデータが段を進行する。計算に以前の段よりも前の段からのデータが必要である場合、データを既知のサイクル数の間保持する、さらなるラッチを挿入することができる。計算上の遅延はこのようにして一定になり、段の数によってもたらされる。光線追跡装置に存在する主要な内部ブロックが図１１に示されている。ここで与えられるデータ構造は、システムを通る幅の広いデータバスで直接表現される。種々の計算ユニットおよびメモリがバスに接続され、バスタイミングおよび制御機能は、簡単なステートマシンにより与えられる。視線計算ユニット８８は、追跡される一次経路すべてで光線／交差点メモリを初期化する責任がある。これには、観察の詳細、ピクセルの数、分布する光線の数などでの初期化が必要である。光線交差点ユニット９２は、境を接する球体またはプリミティブ要素タイプを表わす外部から与えられるデータで、内部バスを通る経路についての距離（交差点ラムダパラメータ）を決定する責任がある。再方向付け計算ユニット９０は、光線追跡の次のレベルのための新しい経路を発生する。これは、メモリ８４における各々の経路を通して順次的にスキャンし、起点を発見された何らかの交差点に移動させることによって可能である。経路の方向は関連する交差点データから計算される。出力発生ユニット６８は、光線／光線交差点メモリと外部システムとの間のインタフェースである。１ピクセル幅の経路の必要性を示唆したデータレートは、非常に高いクロックレートをサポートできると仮定すれば、外部回路には十分であろう。光線メモリは、ユニット８８が発生するデータで初期化される。外部インタフェースは、観察する視点、見る方向、およびスクリーンｘおよびｙ方向についての観察パラメータを、すべてデカルト３ベクトルとして特定する。このインタフェースはまた、ｘスクリーン座標およびｙスクリーン座標の最大値を、各ピクセルを発生させる一次経路の数とともに与える。これらは、必要数の経路の発生を可能にする種々のカウンタにローディングされる値である。複数のユニットを備えるシステムでは、ホストプロセッサは各インタフェースを個別に（簡単なイネーブルラインを介して）アドレスできる。このようにして、異なる光線追跡プロセッサは、異なる観察条件、恐らくは異なるピクセル、スクリーン領域または観察点を処理できる。各一次経路に対する初期光線強度（明るさ）もまたローディングされる。レンダリングされる観察についての詳細をローディングして、ユニット８８は高速なシーケンスに必要なすべてのベクトルを発生させ、結果としての光線の詳細を光線メモリに書込むことができる。ユニット８８は７段のパイプラインからなるため、メモリの書込は７サイクルだけ遅延され、ベクトルが正しい場所に書込まれることが確実とされる。ベクトルメモリがチップの外部にあれば、このレートはメモリのサイクルタイムにより、および恐らくはインタフェース幅により制限されるであろう（チップは外部の１つの光線につき数回の転送を必要として、外部データラインの多重通信を行なってもよい。光線メモリ交差点構造は、ラムダ（交差点の距離）を表現可能な最大数に設定し、交差点の表面の色を（０，０，０）に設定することにより初期化される。５７６×７６８ピクセルのスクリーンについての典型的なレンダリングでは、１ピクセルにつき約５サンプルと仮定すれば、約２００００００の一次経路が発生するであろう。これに対する初期化時間（０．０２秒）はしたがって、フレーム時間未満であろう（１００ＭＨｚの内部動作レートと仮定、高いがサブミクロンＣＭＯＳプロセスについてはありそうである）。光線追跡器状態マシンは次に、光線スタックメモリ８２を初期化し、レンダリングの次の段が進行する。光線交差点ユニット−内部的詳細初期化が行なわれると、ホストはエレメントごとに、深さ優先の態様でルートノードからデータベースツリーのブロードキャストを開始する。光線交差点ユニット９２は、光線メモリから経路の仕様を読出し、交差点についてホストによりブロードキャストされたエレメントをテストし、新しい交差点ラムダおよび表面法線の値を形成する。これらの値は、物体のヒットが発見されれば、光線メモリにストアされる。ユニット９２は、プリミティブタイプを読出し、ブロードキャストデータを、上記の構造の１つとして解釈する。境を接する球体の場合、計算は単に、経路および経路の起点と球体の起点とを結合するベクトルに適用される二乗されたベクトルクロス積である（すなわちベクトルの差）。この値は球体の半径と比較される。境を接する球体が交差していれば、（より近い）交差点の距離が、経路とともにストアされたものと比較される。交差点ユニットは、交差点が近ければステートマシンに信号を送り、境を接する球体に含まれている物体に対し起こり得る物体のヒットを示す。この信号により、経路（ポインタ）はスタックされ、境を接する球体の内容についての情報のブロードキャストの準備が整う（すなわちデータベースツリーはさらにこの分岐を辿る）。プロセッサはこうして、ホストはツリーを辿って探索を続けなければならないことを示す信号（境を接する体積の拡大要求）を出力するが、その理由は、データベースのその部分に入る経路がいくつかあるからである。ブロードキャストされている物体の面の場合、交差点のテストは、表面の法線と経路配置ベクトルの面とのドット積を要求するもので、簡単である。この距離は、経路のその他の交差点とともにストアされた距離と比較される。新しい交差点がより近ければ（それでもなお正である）、光線交差点ユニットは、交差点が発見されており、新しい交差点データが、経路とともにストアされた古いデータの代わりにストアされることを示す。すべての経路について光線データベースが比較されると、各経路とともにストアされた交差点は、経路の実際の物理的な交差点を表わすことになる。与えられた経路（二次、三次経路など）に対しさらなる追跡が要求されれば、さらなる経路の各々は、反射または屈折のプロセスにより導かれるか、または定められた光線の強度が大きくないためまたは経路が物体にヒットしないために削除されるかもしれない。さらに追跡を行なうことが要求されなければ、光線メモリがスキャンされ出力ピクセルが発生する。再方向付けユニット９０の目的は、光線メモリにストアされた情報に従い、新しい経路の起点、強度および方向を計算することである。このプロセスは６つの段のパイプラインからなる。新しい経路の起点は単に、古い経路の起点プラス起点の方向に沿うラムダユニットである。新しい光線の色は、表面により与えられた色により乗算された古い色である。表面により与えられた色は単に表面の拡散の色である可能性があるが、余剰のシリコンを用いれば、より現実的なシステムを構築することができる。新しい経路の方向は、反射、屈折、拡散またはシャドー光線が発生されるかどうか次第である。上記の単純化を用いれば、シャドー光線はなく、すべての照明はエリア光源によるものである。正反射および拡散反射の概念が、ランダムな配置を、表面の正反射の係数に依存する大きさの正反射の方向に加えることによって組合わされる。この単純化は、ただ２つのタイプの再方向付けすなわち反射および屈折が必要になる。このプロセスでは、各光線メモリ場所を読出し、後に多数のクロックサイクルそれを読出すことが必要である。完全なスキャンには、視線計算ユニットによって行なわれる初期化プロセスの２倍の長さがかかる、または５７６×７６８の、５倍スーパーサンプリングされるケースでは、約０．０４秒である。再方向付けは一次および二次光線レンダリングの間に必要とされ、各々のさらなるレベルについてもう一度必要である。光線伝搬が３つのレベルの場合（２回の反射）、再方向付けは、レンダリング時間に約０．０８秒を加算する。出力ユニット６８は、光線メモリにおける交差点情報をピクセル強度に変換する。ユニットはメモリを通して順次的にカウントし、交差点強度で光線強度を乗算し、光線経路について出力ピクセルに対し強度についての貢献を行なう。この貢献は、そのピクセルに対する光線が含められ外部インタフェースにＲＧＢフォーマットで強度を出力するまで、累算器（なおも対数算術を用いる）において総和がとられる。ＲＧＢフォーマットへの変換は単に、対数表現の中央の８ビットを取り入れることにより行なわれる。１未満の数は０の出力をもたらし、数の対数が０未満でありＭＳＢセットを与えるか、または値の符号ビットがセットされて負の強度を示す（すべての物体が正の強度を有するならば起こるべきではないことである）。出力範囲（２５６以上）を超える値は、２５５の出力を生じさせる。どのビットを使用するかについての選択で、出力ガンマが決定される。光線追跡ユニットから完全な像を出力する時間は、光線メモリ時間およびインタフェース時間の遅い方によって与えられる。高いスーパーサンプリングファクタについては、光線メモリは各出力ＲＧＢの値について何度もサイクルされねばならず、そのサイクルタイムが優先するであろう。装置６０は、シーンにおけるすべての視線を初期化することにより開始される。各レンダラーチップは、光線の合計数の小数部を保持している。最初の境を接するボリュームを処理するときには、レンダラーチップは同時に終了し、各光線をテストするのに２つのクロックサイクルをとり、各チップにより考慮される光線の数は同じである。後続の境を接するボリュームのブロードキャストは、各プロセッサが考慮する光線の数が減少しているためテストに使用する時間はより短い。以前に終了していたプロセッサは、すべてのチップがすべての光線のテストを行なうまでプロセスを続けることができない。したがっていずれかのレベルで各チップが取扱う光線の数が大きく変化するようになれば、このアーキテクチャは非効率的となる。この事態が発生する頻度は、チップの数、光線の数、およびこれらのシーンにおける分布次第である。プロセッサの数が増大するに従い、ｙ軸における同様の分割を行なうことが有利となるだろう。必要であれば、異なるプロセッサにおける同じピクセルの異なるスーパーサンプルを処理することが可能である。各プロセッサにおける一次光線交差点は非常に相関しており、各々が考慮する光線の数は事実上同一である。二次および後続の光線の光路に対し、光線の方向の分布はさらにランダムになる（特に分布された光線追跡による拡散照明の場合）。負荷分散の問題はしたがって、最初の光線の分布とは全く関係のないものになる。この負荷分散の詳細な分析は複雑であり、実際のデータベースのコンテクストにおいて検討されるべきものであるが、簡単な分析によって何らかのアイディアを得ることが可能である。データベースの階層をさらに進んで境を接するボリュームをテストするためには、すべてのプロセッサはほぼ同じ負荷を有しているが、その理由としては同じ数の光線で開始するからである。各プロセッサにおいて考慮される光線の数が少なくなると、分布はよりアンバランスになるが、処理時間は短縮される。ツリーをさらに進み、数本の光線のみが処理されているところでは、次のデータベースエレメントをブロードキャストするのに要する時間は、エレメントを処理する時間に匹敵するものになり、レンダリングはブロードキャストレートによって制限されるようになる。こうした状況下では、プロセッサの不平衡の効果は無視できる。負荷分散が問題となる場合は、データベースの予めのブロードキャストのある量の蓄積を可能にする、各チップにおける小さなバッファを考案することができる。現在のエレメントの処理を終了したプロセッサは、即時階層を辿って次のエレメントについて開始する。これはまた、ホストプロセッサによるエレメントのブロードキャストのタイミング外である。像によっては、たとえば絵などの表面パターン、または表面の色、正反射性、正反射力、屈折率、放射率あるいは方向における変化といった複雑な表面特徴を有する物体を含み得る。この特徴は、プロセッサが発生する直線経路に対してテストされねばならないであろうが、プロセッサのメモリ８４にはストアできない。なぜならこのメモリは表面全体についてのすべての特徴をストアするには容量が不十分であるためである。図１８は、テクスチャマップの形式でこのような詳細をストアするのに使用できる各プロセッサのためのさらなる構成要素を示す。図１８に示す構成要素は、図１１に示した交差点算出ユニット９２を変形したものに組み入れられ、図１９の経路１５２などの直線経路と表面１５４との交差点の座標を受取るように配置されるテクスチャアドレス算出ユニット１５０を含む。この座標は、領域１５６を有する表面１５４の面にあるパラメータＵおよびＶによって表わされ、これに対する種々の表面についての詳細は、アドレス算出ユニット１５０に接続されるテクスチャメモリユニット１０１におけるテクスチャマップとしてストアされる。交差点算出ユニットは、所与の交差点のデカルト座標を、ユニット５０に与える前に、パラメータＵおよびＶにより表わされる座標に変換し、ユニット５０は次に、交差点が領域１５６内にあるかどうかを判断し、もしあれば、ユニット１０１に例としてポイント１５８という交差点での表面１５６についての詳細を与えるように指示する。その交差点に対しユニット１０１が提供したデータは次に、交差点算出ユニット９２が、これら表面特性が、この経路に沿いこの交差点から導かれる何らかの光に与える効果を計算するのに使用され、かつ再方向付け算出ユニット９０がさらなる経路を発生させるのに使用される。領域１５６と交差しない経路１６０などの経路は、ユニット１０１に表面データの発生を促さない。経路と領域１５６との交差点すべてが決定されると、ユニット１５０および１０１は、表面１５４または別の表面の異なる領域でのさらなるテクスチャマップのためのデータで重ね書きすることができる。表面の所与の領域についての詳細の量があまりにも多すぎてメモリ１０１に保持することができない場合、図２０に示すように、表面を複数の領域に分割することができる。図２０では、領域１５６についての詳細は、領域１から４各々について１つ、４つのテクスチャマップに含まれる。これらテクスチャマップは１６０、１６２、１６４および１６８という参照番号が付され、各々は交互にメモリにローディングされる。この場合、テクスチャアドレス算出ユニットは、表面１５４と交差する経路について２つのレベルのテストを行なう。第１のレベルは、表面１５４に交差する経路のうちいずれが、現在メモリユニット１０１にローディングされたテクスチャマップを含む領域において交差するかが判断される。このような領域とまさに交差する経路は次にテストされて、どれが実際にテクスチャマップにおける物体に交差するかが判断される。このようにして、ユニット１５０は、テクスチャマップの正確な座標に関連して必要な交差点のテストの数を減少させる。図２１はこの方法を発展させたものを示し、表面１５４の領域各々は、領域２．３などのサブ領域に分割される。この場合、ユニットは３つのレベルで経路をテストし、始めに経路が問題のテクスチャマップを含む領域にあるかどうかが判断され、次にテクスチャマップを含むサブ領域での表面１５４と交差しない経路が廃棄され、こうしてテクスチャマップの正確な座標に関連して考慮する必要がある経路の数を減少させる。より具体的には、このプロセスは以下のステップを含む。Ａ）物体全体に対するテクスチャデータが現在の最適なデータの組であると考える。Ｂ）現在の光学的特性（すなわちテクスチャデータ）の組からのデータを必要とする直線経路の組が空であるかどうかを判断する。空であれば、終了する。Ｃ）現在の光学的特性の組が、テクスチャのメモリユニットに書込むのに十分小さいかどうかを判断する。小ければ、ステップＧに進み終了する。Ｄ）現在の光学的特性の組のサブセットを選択する。Ｅ）光学的特性の各々のサブセット（またはサブセットのグループ）について交互に、照明の計算のために光学的特性の上記サブセット（または複数のサブセット）を必要とする現在の直線経路の組のサブセット（またはサブセットのグループ）を決定し、現在の光学的特性の組としてこの光学的特性のサブセット（または複数のサブセット）で、および直線経路の現在の組としてこの直線経路のサブセットで、ステップＢから開始する。Ｆ）終了。Ｇ）現在の光学的特性の組をテクスチャメモリユニットに書込む。Ｈ）現在の直線経路の組について照明の計算を実行する。Ｉ）この光学的特性の組を終了し、残余のサブセットについて継続する。上記の方法は好都合にも、本明細書で説明する像発生装置において照明計算を開始するホストプロセッサで再帰的サブルーチンという手段によって実現し得る。テクスチャデータのサブセットを選択するとき、上記のテクスチャデータを、２つまたは３つのパラメータの値の特定的な範囲によって境界を定められる４つまたは８つの領域に分割するのが好都合である。この態様で象限の階層が選択される。図２２は、一次経路のみが使用されている光線追跡方法によって生み出される像を示す。この場合、シーンにおける表面のすべての点は、これらの点から受取った光を表わす値が割当てられている。このように、目に見えるこれら表面は実際、光を発するものとして扱われる。図示のように、この方法により、物体の相対的な位置を表示することができるが、一方の物体が他方の物体に入射する光に与える影響についての情報は明らかにされない。図２３では、一次および二次経路が使用され、シーンは図２３の面から外れて位置決めされた架空の単一の光源によって照明される。この場合、シーンにおける表面のいくつかはまた、光を発するものとして扱われるため、影の領域は完全に黒として示されるわけではない。影および表面の輝きは明らかであるが、植物、机および椅子の後方に配置された鏡においては反射は見受けられない。しかしながら、三次的な経路の組を使用した場合、こうした反射が図２４に示すように可視になる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．可能な複数の観察位置のうち１つから観察され、既知の態様で照明される、複数の物体を含む架空のシーンの像を、物体を定める表面の組の座標についての、これら表面のすべての点の光学的特性についての、および特定的な照明についての情報から構成する方法であって、この情報はコンピュータメモリにストアされ、前記方法は、Ａ．表面を、１つ以上の表面を各々が含む複数のサブセットに割当てるステップと、Ｂ．観察位置から複数の直線経路を投射し、前記経路すべてを表わすデータをストアするステップと、Ｃ．サブセットのうち１つについて、もしあるならば、直線経路のうちどれがそのサブセットにおけるいずれかの表面と、または照明のゾーンと交差するのかを判断し、その交差点の座標を決定するステップと、Ｄ．上記ステップＣをその他のサブセットまたはその他の各サブセットについて交互に繰返すステップと、Ｅ．表面または照明のゾーンと交差する各々の経路について、観察位置に最も近い交差点を決定し、その交差点をその交差点での物体の表面または照明のゾーンについてのデータとともにストアするステップと、Ｆ．最も近い交差点各々について、その交差点から観察位置へと経路に沿って通過するであろう光を決定し、その光を光の強度および位置データとしてストアするステップと、Ｇ．ストアされた光の強度および位置データを読出し、可視のディスプレイのための画像信号を生成するステップとを含む、像を構成する方法。２．前記複数の直線経路の数は、像全体を構成するのに十分である、請求項１に記載の方法。３．ステップＦは、表面との最も近い交差点各々に対し、前記最も近い交差点により定められる起点から、１つ以上の二次直線経路の組を発生させることを含み、これはもしその起点での表面の特性により各々の二次経路に沿い入射する光が前記観察位置に導かれるというようなものである場合に行なわれ、ステップＦはさらに各々の二次経路が他の表面または照明のゾーンとの前記起点に最も近い交差点を、ステップＣおよびＤに従い決定し、各々の二次経路に沿い起点に入射する光の少なくとも強度を計算し、起点での表面の特性から、起点から観察位置に入射する光の少なくとも強度を計算することを含む、請求項１に記載の方法。４．ステップＦは、二次直線経路と同じ方法で、前の直線経路の組の選択された交差点により定められる起点から、さらなる直線経路の１つ以上の組を発生させ、前記さらなる経路の組により定められる方向に沿いその起点に入射する光の強度を決定するステップを含む、請求項３に記載の方法。５．どの直線経路が選択された表面に交差するかを判断するステップは、各々の経路が、前記表面を含む架空のエンベロープと交差するかどうかを判断し、エンベロープと交差しないならば、表面に関するさらなる考察の対象からその経路を外すステップを含む、上記請求項のうちいずれか１つに記載の方法。６．エンベロープに関連して考慮しなければならない経路の数は、前記エンベロープを含むより大きなエンベロープにどの経路が交差するかを判断し、前記より大きなエンベロープと交差しない経路を、エンベロープに関連する考察の対象から外す、請求項５に記載の方法。７．前記起点での物体の表面特性により、入射する光が複数の方向に拡散または散乱し、複数のさらなる経路各々からの光が前記前の経路に沿い導かれる場合、そのようなさらなる経路１つのみがランダムに発生される、請求項３に記載の方法。８．可能な複数の観察位置の１つから観察される複数の物体を含む架空のシーンの像を構成するための装置であって、物体の表面の座標についての、その表面上のすべての点についての光学的特性についての、およびそのシーンに対する照明についての情報がストアされるメモリ手段を含み、座標データは１つ以上の物体の表面についてのデータを各々が含むサブセットに配置され、前記装置はさらに、もしあれば経路のうちいずれが各物体の表面または照明のゾーンと交差するかを決定するため、かつ観察位置に最も近い各経路の交差点を選択するために、複数の直線経路を観察位置から投射するための光線追跡手段と、前記交差点での物体表面についての、およびシーンの照明についてのデータから、前記経路各々に沿い観察位置へと通過する光の少なくとも強度を決定するための算出手段と、可視のディスプレイに表示するために前記強度を表わす画像信号を発生させるための出力手段とを含み、光線追跡手段により選択された１つ以上の物体表面の第１のサブセットに対するすべての交差点は、各々のサブセットとの交差点の前に決定されるため、交差点は各サブセットについて交互に決定される、像を構成するための装置。９．光線追跡手段は、すべてメモリに接続される複数のデータプロセッサを含み、その配置によれば、各プロセッサは像のそれぞれの部分に対し直線経路のそれぞれのグループを発生し、メモリはプロセッサへ各サブセットを交互にブロードキャストし、選択されたサブセットの各々の表面との各グループの交差点は同時に決定される、請求項８に記載の装置。１０．各プロセッサは光線追跡動作を実行するように特別に構成された専用チップを含む、請求項９に記載の装置。１１．各プロセッサは、同時にそれぞれのグループにおいて異なる経路について異なる動作を行なうように配置されている、請求項１０に記載の装置。１２．算出手段は、対数算術のプロセスにより関連の界面での架空の光線の相互作用の効果を組合せるように配置されている、請求項８から１１のいずれか１つに記載の装置。１３．光線追跡手段は、対数計算により各直線経路の座標の対数表現を生み出し、交差点について各経路をテストし、最も近い交差点の座標を決定するように動作する、請求項８から１２のいずれか１つに記載の装置。１４．各光線追跡プロセッサは、１つまたは複数の表面を含む架空のエンベロープと、それぞれの直線経路のグループとの交差点をテストするように配置されその表面について交差点についてのテストが行なわれ、装置は、エンベロープと交差する経路を識別するデータをストアするための蓄積手段を有するため、この経路についてプロセッサによりさらなる交差点テストを次に行なうことができる、請求項９から１２のいずれか１つに記載の装置。１５．蓄積手段はまた、前記エンベロープの座標をストアするように配置され、前記メモリ手段の一部を含む、請求項１４に記載の装置。１６．前記プロセッサはまた算出手段を組み入れているため、各プロセッサはまた、経路の各々に沿い観察位置へと進行する光の強度を計算するように動作できる、請求項９に記載の装置。１７．各プロセッサはメモリ手段に接続されるそれぞれのテクスチャメモリユニットを含むかまたはこのユニットに接続され、このユニットは、計算手段によりアクセスするためのマップの境界により定められる領域内のシーンにおける１つまたは複数の表面の表面特性のテクスチャマップを、計算手段がアクセスして前記領域における表面と交差する直線経路に関し光の強度および／または色を計算できるように一時的にストアするように動作する、請求項１６に記載の装置。１８．メモリ手段は、各テクスチャストアに現在ストアされている何らかのテクスチャマップを重ね書きし、計算手段がシーンの異なる領域における表面に交差する直線経路に関し光の強度および／または色を計算できるように動作できる、請求項１７に記載の装置。１９．プロセッサは、表面を１つ以上の領域に分割し、どの経路がマップの少なくとも一部の座標を含む領域と交差するかを決定し、その経路のうちどれがマップの座標によって定められる領域と交差するかを決定することにより、どの経路が表面のテクスチャマップと交差するかを判断するように動作できる、請求項１７または１８に記載の装置。２０．二次直線経路の各々の組または直線経路のさらなる組は、前の直線経路の交差点が発見されたとき、かつ前の経路のその起点に最も近い交差点の前に、または観察位置が決定されたときに発生し、前記最も近い交差点から発生しない二次またはさらなる経路の各々の組は後に廃棄される、請求項３または４に記載の方法。