JPS61237171A - 画像変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序でこの発明を説明する。

Ａ　産業上の利用分野 Ｂ　発明の概要 Ｃ従来の技術（第８図、第９図、第１０図）Ｄ　発明が
解決しようとする問題点 Ｅ　問題点を解決するための手段 （第１図及び第２図） Ｆ　作用 Ｇ　実施例 Ｇ１画像変換装置の構成の説明（第３図）Ｇ２シェーデ
ィング係数の求め方の説明（第４図〜第６図） Ｈ発明の効果 Ａ　産業上の利用分野 この発明は２次元的な原画像を３次元的な曲面を有する
画像に変換する装置に関する。

Ｂ　発明の概要 この発明は２次元的な原画を立体的な曲面を有する３次
元的画像に変換する場合に、その３次元画像に対して特
定の位置に光源を置いたとしてその３次元画像に陰影を
つけることによって立体感を増す効果をねらったもので
、そのため原画像のデータに対し、変換後の３次元画像
と光源との位置関係から求めたシェーディング係数によ
って重み付けして陰影を生じるようにしたものである。

Ｃ従来の技術 第８図Ａに示すように四辺形の紙に文字が描かれた平面
的原画を同図Ｂに示すように、その紙が円筒に巻き付け
られたような立体的な曲面を持つ３次元画像にデータ変
換によって画像変換する装置が知られている（特開昭５
８−２１９６６４号公報参照）第９図はこの画像変換装
置の一例で、（１）はマイクロコンビエータ等からなる
ホストのコンピュータ、（２）は大容量メモリ、（３）
は入出力装置である。

大容量メモ１月２）には、例えば前述した平面画像から
これを円筒に巻いたような３次元画像への変換プログラ
ム等が予め用意されて記憶されている。

そして、入出力装置（３）で、そのプログラムを読み出
す選択を行うと、ホストのコンピュータ（１）で大容量
メモ１月２）からそれを読み出し、そのプログラムが実
行され、次に述べるような画像変換のための必要な情報
の作成を行い、それをバッファメモリ（４）に蓄える。

ｉ！ｉｉ像変換処理は、画像が複数のブロックに分割さ
れ、そのブロック単位で画像変換されてなされるもので
、この場合、原画像ＩＭ１はｌブロックが８×８個の絵
素で構成され、６４Ｘ　９６ブロツクに分割される。一
方、変換画像ＩＭ２は１ブロツクが４×６個の絵素で構
成され、１２８　Ｘ　１２Ｂブロツクとされている。そ
して、原画像ＩＭ１の各ブロックの代表点ごとに３次元
方向すなわちＸ、　　Ｙ。

Ｚ（Ｚは深さ）の各方向に関する変換位置が前述のプロ
グラムに従って演算され、その演算結果がバッファメモ
リ（４）に蓄えられている。この場合、ブロック数が変
換の前後で異なるので変換後のブロックと入力画像のブ
ロックが全く対応するものではないが、第８図に示すよ
うに原画像ＩＭ１のあるブロックＢ１の代表点が変換画
像ＩＭ２のどのブロックに移るか（第８図例ではＢ２に
移る）によってその変換後のｉｌ！ｌｉ像が決まってく
る。

そして、その変換後の画像のデータがどのようにして得
られるかは次のようにして求められる。

すなわち、第１０図はその説明のための図で、同図Ａに
示すように原画像の４つのブロックの代表点ａ、ｂ、ｃ
、ｄに囲まれる中央のブロックの代表点ｐの周辺の代表
点による変換後の図形は同図Ｂのようにして求められる
。すなわち、先ず、点ａ、　　ｂ、　　ｃ、　　ｄの変
換後の位置が演算されて同図Ｂに示す点Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ
として求められる。同様に、点ｐの変換後の位置も点Ｐ
として求められる。

これら変換後の点Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄ及びＰは３次元的
な座標を有するもので、これによってどのような曲面が
形づくられるかが決定されることになる。そして、この
場合、その変換後の曲面を代表点の近傍で線形近似する
もので、このため次のようにする。

すなわち、点Ｐを含む近傍の面を線形近似する場合、第
１Ｏ図に示すようにこの面の方向は点Ａ。

Ｃを結ぶ線分ベクトルＫｌと点りとＢを結ぶ線分ベクト
ルＤＢとに平行な面として定義できる。すなわち第１０
図Ｂに示すようにベクトルＡＣに平行な単位ベクトルＰ
ＸとベクトルＤＢに平行な単位Ｐを含む平面が定義でき
る。そして、このような方法で各代表点の近傍の面を線
形近似して全体の変換曲面を求めるようにする。したが
ってＰｘ。

するものでこれを差分値と呼び として求めるようにしている。

バッファメモ１月４）には以上のように原画像ＩＭ１の
各ブロックの代表点に変換を施し、その変換後の位置を
求める演算及び差分値等の変換に必要な情報が書き込ま
れているものである。

そして、このバッファメモ１月４）からの情報が画像変
換装置（５）に供給されて端子（６）からの入力画像デ
ータがそのバッファメモ１月４）からの情報に従って変
換されて出力端子（７）に導出される。

この場合、画像変換回路（５）においては先ずバッファ
メモ１月４）からの情報を用いて変換処理すべき領域を
指定する。つまり、第８図Ａの原Ｗ！！ｉ像ＩＭｘ上の
ある領域Ｂ１が変換画像ＩＭ２上のどのような領域Ｂ２
に変化するかを先ず教える。そしてその領域に対して原
画像データの領域Ｂ１から出力画像の領域Ｂ２への変換
がなされる。すなわち、これはその処理領域内の全ての
絵素についての読み出しアドレスを、画像変換回路（５
）に設けられる入力バッファメモリと出カバソファメモ
リについて求め、入力バッファメモリにおいてその求め
られた読み出しアドレスに基づいて読み出しがなされ、
その読み出された絵素のデータが出力バッファメモリの
その求められたアドレスに書き込まれる。この求められ
たアドレスは変換後の位置に他ならない。

この場合に、背景と画像部分の輪郭等のようにその輪郭
部分のぎざりが目立つことを防止するため、画像のサン
プリング点位置にないサンプルを補間によって内挿する
処理も同時になされる。そしてその内挿されたデータも
出力バッファメモリに書き込まれる。

以上のことを概括的に説明すると、変換後の画像の１ブ
ロツクの２４個（４ｘ　６）の各絵素の原画像ＩＭｒ上
の対応点を画像変換回路（５）で先ず求め、これを大力
バッファメモリから読み出し、この読み出したサンプル
データを出カバソファメモリのその変換後のアドレス位
置に書き込むとともにこの読み出したデータから補間デ
ータを作成し、その補間データを出カバソファメモリに
書き込む。

この場合、２４個の絵素の１つ（代表点）に関して原画
像上の対応点（読み出しアドレス）が求められているの
で残りの絵素については隣接ブロックとの差分値を用い
て絵素間の差分値を求め、代表点に対してこの差分値を
順次加算することによって原画上の対応点を求めること
ができる。つまり、この処理は変換後の画像ＩＭ２の変
換データに対する逆変換を行って入力画像ＩＭＬ上の各
絵素の点を見つけ、それがサンプリング点と一致してい
ないときはそのサンプル点のデータを入力画像データか
ら補間により求めることになる。

以上のようにして２次元的平面画像から立体的な３次元
画像への変換ができる。

Ｄ　発明が解決しようとする問題点 以上のような画像変換装置は放送用の特殊効果装置とし
て用いられ、例えば本のページをめくるときの動作等の
特殊効果に用いられる。

また、コンピュータの出力装置でも出力データを３次元
的な曲面で表現し、直感的な理解を助けるようにするも
のもある。

ところで、これらの装置では立体感をいかに表現するか
が重要である。しかし原画の画像内容が自然画のような
不規則なものであったり、静止画のように動きが止まっ
てしまったときなど立体感が失われてしまうことが多々
ある。

すなわち、それは平面的な図形をそのまま立体的に画像
変換しただけであって実際のものは陰影が立体感を表現
する重要な要素になっているからである。

Ｅ　問題点を解決するための手段 第１図はこの発明装置の一例の構成を示すもので、第９
図の従来例と対応する部分には同一符号を付す。

この発明においては、ホストコンピュータ（１）におい
て大容量メモリ（２）から読み出したプログラムに従っ
て求められた出力画像から、その出力内像に対して特定
の位置に光源を設置したときにその画像に現れる陰影を
つけるための重み付け係数を求め、それをシェーディン
グ係数メモリ（８）にストアする。このシェーディング
係数メモリ（８）にストアされたシェーディング係数を
画像変換回路（５）に供給して、出力画像データは、そ
の重み付けされた陰影の施されたデータとして得るよう
にするものである。

この場合、画像がモノクロームのデータの場合にはシェ
ーディング係数によってその輝度レベルが可変され、ま
たカラー画像の場合にはシェーディング係数によってそ
の色相が陰影の度合によって変えられるようにされるも
のである。

この場合に、シェーディング係数は例えば第２図に示す
ような方法によって求めることができる。

すなわち第２図において四角形で示す部分は出力画像デ
ータの内の少なくとも３個のサンプルを含む平面で近似
した立体画像の曲面の部分を示すもので、各平面に対し
て法線ベクトル＆を求めると共に、この面の光源（この
光源は特定の位置に設置される）の方向に向かうベクト
ルａを求める。

そして、このベクトルこと法線ベクトルの単位ベクトル
ｉとの、例えば内積によってシェーディング係数を求め
る。そして１つの平面に含まれる絵素に対して同じシェ
ーディング係数を施すようにする。

もちろん、１つ１つの絵素についてシェーディング係数
を求めてもよい。

Ｆ　作用 重み付けされた画像データによってディスプレイ画面上
に表示された画像は、設定された位置の光源に対して陰
影を付加された状態の３次元画像となる。

したがってスチル両像であっても、また自然画のような
ものであっても立体感が表現されるものである。

Ｇ　実施例 ０１画像変換装置の説明 第３図はこの発明装置の一実施例を示すものである。

同図において、（１１）はマイクロコンピュータ等から
なる第１のマイクロプロセッサである。また（１２）は
大容量メモリとしてのディスクメモリで、前述したよう
に、これには平面図形から立体図形への変換プログラム
が記憶されている。

また、第１のマイクロプロセッサ（１１）に対しては入
力装置としてのキーボード（１３）、ジョイスティック
（１４）及び出力装置としてのＣＲＴディスプレイ　（
１５）が接続されている。

先ず、キーボード（１３）においてキー操作により画像
変換の種類が指定される。例えば円筒面に巻き付けたよ
うな立体画像に平面画像を変換するような画像変換が指
定される。

この指定された画像変換に対応するコンピュータプログ
ラムが、ディスクメモリ　（１２）よりマイクロプロセ
ッサ（１１）のメインメモリ（ＩＩＭ）に対して読み出
され、これがＣＲＴディスプレイ（１５）に表示される
。

次にジョイスティック（１４）のレバーの位置から変換
後の画像位置、向き等が計算され、コンピュータプログ
ラム中のパラメータが変更される。

この変更されたプログラムがＤＭＡコントローラ（１６
）によって第２のマイクロプロセッサ（マイコン）（１
７）のプログラムメモリ　（１７Ｍ）に転送される。マ
イクロプロセッサ（１７）は転送されたプログラムを実
行する。そのプログラムの実行によって前述したブロッ
ク単位の変換位置、隣接ブロック間の線形近似による変
換後の差分値及びその逆演算の逆差分値が計算され、こ
れらの情報がバッファメモリ　（１８）に蓄えられる。

すなわち、この例においても原画像ＩＭｚのブロック毎
に代表点が定められ、その代表点の変換位置が演算され
、その変換位置から線形近似によりその変換点近傍のデ
ータが決められ、その変換点近傍の領域に相当する原画
像データのアドレス位置が求められ、そのアドレスを変
換することによって画像変換を行うものである。

なお、この場合、３次元画像を表示するには視点から見
・えない部分を表示しないようにする必要があるため、
ブロック単位の変換位置の内でＺ方向（深さ方向）の情
報からブロック毎の処理順序を示すポインタを作り、こ
れをバッファメモリ（１８）のテーブルに書き込んでお
き、このポインタからブロック単位での浅い方から深い
方に向かう処理順序でデータ変換を行うようにしている
（この方法に付いては前記特開昭５８−２１９６６４号
公報参照）。

こうして、バッファメモリ　（１８）に得られた情報は
、第１の専用ハードウェア（１９）に供給される。この
ハードウェア（１９）では、上述のようなポインタによ
って深さの浅い方から順に処理を始めブロック単位の変
換位置と差分値から１つの人カブロックの変換後の範囲
を求める。そして、この範囲をカバーする出力ブロック
（４Ｘ６−２４絵素）を見つけ、逆差分値を使って各々
の出力ブロックについて代表点の原画像ＩＭｚ上の対応
点を求める。こうして得られた情報はデータ変換用ハー
ドウェア（２０）を介して画像変換用の第２の専用ハー
ドウェア（３０）に供給される。

また（２１）はシェーディング係数メモリで、マイクロ
プロセッサ（１７）の変換後の画像データの情報から、
予め設定された光源に対して各画像データが位置する面
の光の反射の度合いを表すシェーディング係数、すなわ
ち陰影の情報の重み付け係数が作成されてこのメモリ　
（２１）に蓄えられている。

そして、この例においては、入力画像のカラービデオ信
号として輝度信号Ｙ及び色差信号Ｕ、　Ｖのコンポーネ
ント信号が用いられ、これらがＡ／Ｄコンバータ（３１
）によりデジタル化され、データ変更回路（３２）に供
給される。このデータ変更回路（３２）においては、後
述もするように、シェーディング係数メモリ　（２１）
からの各データに対して、画像変換された後の画像から
求められたシェーディング係数が、その出力画像部分に
対応する入力データに対して掛は合わされて、重み付け
され、結果として陰影の施された出力画像が得られるよ
うにされる。

このデータ変更回路（３２）を通じた３つの出力はデジ
タルフィルタ（３３）に供給される。このデジタルフィ
ルタ（３３）はバッツァメモリ　（１８）の出力によっ
て通過帯域が制御される。すなわち画像変換処理が縮小
の場合には画像の細かい所がつぶれてしまうのでノイズ
が増加しないように信号帯域を狭くされ、また、原画像
の中でも拡大される領域と縮小される領域とが混在する
場合には、それに応じてこのフィルタの通過帯域が切り
換えられるように制御されるものである。

このデジタルフィルタ（３３）の出力は画像変換用ハー
ドウェア（３０）に供給される。

この画像変換用ハードウェア（３０）は入力フレームメ
モリ　（３４）と、内挿処理回路（３５）と、出力フレ
ームメモリ　（３６）と、読み出し書き込みアドレスコ
ントロール回路（３７）からなっている。

そしてデータ変換ハードウェア（２０）からの変換デー
タがアドレスコントロール回路（３７）に（Ａ給されて
、入力フレームメモリ　（３４）のアドレスと出力フレ
ームメモリ　（３６）のアドレスをコントロールすると
共に、内挿処理回路（３５）において内挿処理すべきサ
ンプル点の位置のデータについては内挿するように制御
される。

すなわち、フィルタ（３３）を通じた画像データは入力
フレームメモリ　（３４）に一時スドアされる。

そして、前述のようにポインタからブロック単位で浅い
方から深い方に向って処理が順次なされるとき、出力の
ブロックに対応する入力のサンプルがアドレスコントロ
ール回路（３７）によって読み出され、内挿処理回路（
３５）に供給され、出力データのサンプルのうちサンプ
ル点とサンプル点の間に来るようなデータの場合にはそ
のデータが入力画像データより補間されて作成され、そ
れが７ドレスコントロ一ル回路（３７）からのその出力
画像位置となるブロックのアドレスに書き込まれる。

こうして出力フレームメモリ　（３６）には、プロ。

り毎に変換された立体画像のデータが書き込まれること
になり、これが順次読み出されて、その出力がフィルタ
（３８）を介してＤ／Ａコンバータ（３９）に供給され
、これより輝度信号Ｙ、色差信号Ｕ及びＶが取り出され
、これが図示しないがＣＲＴディスプレイに供給されて
、変換画像がその画面に映出されるようになされる。

Ｇ２シェーディング係数の作り方の説明第４図は上述し
た画像変換処理のフローチャートで、これはシェーディ
ング係数の作成も考慮したものである。

すなわち、まず変換出力画像の１ブロツク（４Ｘ６＝２
４絵素）の平面を考える（ステップ（Ｌｏｔ　）　）。

この場合の１ブロツクの平面は、前述したようにポイン
タによって深さの浅い方から順にその出力ブロックを考
えるものである。

次に、そのブロックが表側にあるか裏側にあるかのフラ
グを立てる（ステップ（１０２））。

すなわち、第５図に示すように円筒状に紙面を巻き付け
た場合、その表側の面と裏側の面が見える状態になる。

そして、この場合、陰影を考えると表側の面と裏側の面
を考える必要があるので、そのフラグを立てることにす
る。そして、表側の面のブロックに対してはフラグ″１
″、裏側の面のブロックに対してはフラグ−１”を立て
る（第５図Ａ参照）。

次に、その考えたブロック平面の法線ベクトルｉを求め
る（第２図参照、ステップ（１０３））。

次に、そのブロックは表のブロックか裏のブロックか判
別する（ステップ（１０４））。そしてそのブロックが
存在するのが表側のときは、ステップ（１０５）に進み
、表側の法線ベクトルとされる。

また、ブロックが裏側に存在するときは裏側の法線ベク
トルとされる（ステップ（１０６））。すなわち、第５
図Ｂは表側の法線方向を表す単位ベクトルであるが、こ
のベクトルとフラグとを掛は合わせて第５図Ｃに示すよ
うな、表側及び裏側の法線ベクトルとされる。

次に、このブロックに対して設定された位置にある光源
の方向のベクトルａを求める（ステップ（１０７））。

そして、その法線ベクトルｉと方向ベクトルａの内積ｉ
−ａを求める（ステップ（１０８））。そして、この内
積の値に応じてシェーディング係数を求め、シェーディ
ング係数メモリ　（２１）にその値をストアする（ステ
ップ（１０９））。

次に、その出力ブロックに含まれる対応入力データサン
プルがＡ／Ｄコンバータより得られるとき、マイクロプ
ロセッサ（１７）によってそのシェーディング係数がこ
のメモリ　（２１）より読み出され、その値がデータ変
更回路（３２）に供給されて、前述のように輝度信号の
場合にはその輝度レベルが、色信号の場合にはその色相
が変えられて、陰影のついたデータとされる（ステップ
（１１１）　）　。

こうして出力画像の各ブロックに含まれるべき入力デー
タが予め陰影のためのシェーディング係数によって重み
付けされ、その重み付けされたデータが画像変換用ハー
ドウェア（３０）においてデータ変換されて、前述のよ
うにアドレス変換及び内挿処理等がなされる（ステップ
（１１２）　）　。

なお、この場合、シェーディング係数は表側及び裏側共
に、そのもっとも明るい部分よりも更に明るい、あるい
はもっとも影がついて暗くなる部分より更に暗くなるよ
うに内積が求められることがあるが、シェーディク係数
、は内積に対し第６図に示すようにその最大値及び最小
値が求められ、その最大値及び最小値を越えるとき、そ
のシェーディング係数を一定値としていわばリミッタを
かけるようにされている。したがって、明るい部分がギ
ラついてしまったり、暗い部分で真暗になってしまって
絵がつぶれてしまうようなことがなくなる。

こうして、第７図に示すように設定された位置の光酋に
対して、図のように陰影が施された変換ＩＩ！像が得ら
れることになる。

以上の例の場合には、出力３次元画像にういて、光源に
対して陰影がどのように現れるかによって６を算したシ
ェーディング係数を、その出力画像に変換をされる出力
点に相当する入力サンプルについて、そのシェーディン
グ係数で重み付け処理したので、画像変換用専用ハード
ウェア（３０）において内挿処理等によって滑らかな画
像として作成された出力画像の陰影は、自然な影として
現れ、良好なものとなる。

もちろん、出力フレームメモリ　（３６）に貯えられた
画像データに対してシェーディング係数を用いて重み付
け処理して陰影を施すようにしてもよい。

Ｈ発明の効果 この発明によれば、３次元の出力画像について光源を何
れかの位置に設置して考え、その光源について現れる陰
影のための重み付け係数をサンプル点が含まれる平面の
法線ベクトルと光源の方向の方向ベクトルに基づいて求
め、それによって出力画像に陰影を施すようにしたので
、２次元平面画像を３次元的画像に変換した場合に、そ
れが自然画であっても、また静止した図形であっても、
立体感を損うことなく表示することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明装置の基本的構成のブロック図、第２
図はシェーディング係数の求め方の説明に供する図、１
８８３図はこの発明装置の一例のブロック図、第４図は
この発明装置の要部の一例のフローチャート、第５図〜
第７図はその説明のための図、第８図は画像変換を説明
するための図、第９図は従来の画像変換装置の一例のブ
ロック図、第１Ｏ図はその画像変換処理の説明のための
図である。 （１１はホストのコンピュータ、（２）はプログラム用
の大容量メモリ、（３）は入出力装置、（５）及び（３
０）は画像変換回路、（２１）はシェーディング係数メ
モリ、（３４）は入力フレームメモリ、（３６）は小筒
１図 ブΩッ７　ｆｌ）　ｃた珠ｔｎ間１ゑ図第２図 ｍａｎ　１１．−４　　　　　　　　　　ｍａｉｌ、・
ａ第８図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力画像を幾何学的に変形して３次元曲面を有する出力
   画像に変換する装置において、 上記出力画像の少なくとも近接する３画素を含む面の法
   線ベクトルを求めるとともに、上記３画素を含む面より
   予め設定された光源に向かう方向ベクトルを求め、これ
   ら２つのベクトルから上記３画素を含む面に上記光源の
   存在により生じる陰影のための重み付け係数が求められ
   、この重み付け係数によって画像データに重み付けが施
   され、これにより陰影が付けられた出力画像が得られる
   ようになされた画像変換装置。