JPS63213079A

JPS63213079A - 画像生成装置

Info

Publication number: JPS63213079A
Application number: JP4599287A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamana; 山名　岳志; Yasuhito Suenaga; 末永　康仁
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-02-28
Filing date: 1987-02-28
Publication date: 1988-09-05

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】「産業上の利用分野」この発明は、３次元形状データ及びその形状の質感定義
データを使用して、頭髪や草原など、複雑な成分からな
る写実的なディジタル精細画像を生成するための簡便な
装置に関するものである。

「従来の技術」従来の画像生成装置では、多数の線分や三角片（パッチ
）等の成分画像の集合体として画像を生成している。こ
れらの装置は、線画像や面を主体とする画像の生成には
適しているが、頭髪や草原など、複雑な３次元形状と質
感とを有する画像の生成には　（１）３次元形状定義の
手間が膨大である、（２）計算量が天文学的になる、の
２つの欠点のために、適しておらず、精細な画像の生成
には事実上適用不可能であるという欠点があった。この
従来装置例を第２図に示す。この従来装置においては次
のように動作する。

（ａ）〔視線ベクトル発生器の動作〕視線ベクトル発生器１１は、視点メモリ１２に記憶され
ている視点座標、透視変換パラメータと、画像メモリの
解像度とを用いて、第３図に示すように画像メモリ１３
に対応した仮想スクリーン１４中の画素に対応する３次
元の視線ベクトル１５を順次発生し、これと、視点座標
を交点演算器１６に送る。

（ｂ）〔交点演算器の動作〕交点演算器１６は、視線ベクトル発生器１１から、視線
ベクトル１５と視点座標を１組送り込まれるごとに起動
し、第４図に示すように視線追跡木を生成し、輝度演算
器１７に送る。視線追跡木は光線追跡法と呼ばれる基本
的方法（例えば、参考文献（１）　Ｗｈｉｔｔｅｄ、　
Ｔ、　：　　”Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄｉｌｌｕｍｉｎ
ａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　５ｈａｄｅｄ　ｄｉ
ｓｐｌａｙ、　”Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ
　ＡＣＭ＋　２３＋　６．　（Ｊｕｎｅ　１９８０）、
ｐｐ。

３４３−３４９）で生成される。

以下では、光線追跡法に基づいて説明を行う。

以下■■■■■■■■■［相］■［相］の動作を行う。

この様子を第５図に示す。

■　与えられた視点Ｅと、視線ベクトル１５とを、内部
メモリに書き込む。動作の再帰レベルを１とし、内部メ
モリに記憶する。

■　内部メモリ中の視線ベクトル１５と、形状メモリ１
８中の３次元形状表面１９との交点のうちで、視点Ｅに
最も近い交点Ｐ１の座標を求める。

（内部メモリ中の視点の座標が、ある３次元形状の表面
上にある場合は、その表面上で、視点と一致する交点が
存在するが、この様な交点は対象から除外する。）交点
が存在しないならば、直前に動作の再帰レベルを増やし
た動作の直後（■または■）に動作を移す。ただし、動
作の再帰レベルがＯの時は、■に動作を移す。交点が存
在するならば、■に動作を移す。

■　■で求めた交点Ｐ１での、表面法線ベクトル２１を
、形状メモリ１８中の３次元形状データを用いて計算す
る。

■　■で求めた表面法線ベクトル２１と、内部メモリ中
の視線ベクトル１５とから、反射の法則を用いて視線ベ
クトルの反射方向を向く反射ベクトル２２を計算する。

■　交点の存在する３次元形状表面１９に対応する質感
データを質感メモリ２３から読み出す。

■　質感データ中には、反射率、透過率、屈折率などの
物体の光学的な特性を示すパラメータがある。透過率が
Ｏ以外であれば、屈折率と、屈折の法則を用いて、■で
求めた表面法線ベクトル２１から、内部メモリ中の視線
ベクトルの屈折方向を向く屈折ベクトル２４を求める。

■　視線追跡水の、交点に対応する節点データを内部メ
モリ中につくり、その中に交点Ｐ１の座標、反射ベクト
ル２２、屈折ベクトル２４、質感パラメータを書き込み
、■における内部メモリ中の視点已に対応する節点デー
タが、この新しく作った節点データを指し示すようにす
る。この様子を第４図に示す。

■　■で使用した内部メモリの視点の所に、■で求めた
交点Ｐ、を、内部メモリの視線ベクトル１５の所に反射
ベクトル２２を書き込んで、再帰レベルを１増やし、■
から動作を再帰的に繰り返す。

■　動作の再帰レベルを１減らす。

［相］　■で使用した内部メモリの視点Ｅの所に、■で
求めた交点Ｐ１を、内部メモリの視線ベクトル１５の所
に屈折ベクトル２４を書き込んで、再帰レベルを１増や
し、■から動作を轡帰的に繰り返す。

■　動作の再帰レベルを１減らす。

＠　内部メモリに生成された視線追跡水を輝度演算器１
７に送り込み、交点演算器１６の動作を終了する。（こ
こで、視線追跡水は、■で与えられた視線ベクトル１５
を、光学的に逆に追跡したときの記録を示していること
になる。）（Ｃ）〔輝度演算器の動作〕輝度演算器１７は、交点演算器１６から視線追跡水が送
り込まれるごとに起動され、次に述べる動作をする。

交点演算器１６から受は取った視線追跡水を根元からた
どって、参考文献〔１〕にもとすいて、視点から、視線
ベクトルの方向をみたとき、その方向からやってくる光
の強度を求める。この光の強度を、視線ベクトルに対応
した画素の画素値として画像メモリ１３中に書き込む。

この光の強度を求める際に、光源メモリ２５に記憶され
ている光源の種類、光強度、色、位置などを参照する。

この様に第２図に示した従来装置では３次元形状データ
と質感データがｌ対Ｉに対応しており、複雑な質感を持
つ形状を表現し、その画像を生成しようとするならば、
３次元形状のデータ量が膨大となり、それにともなって
交点計算の手間も膨大になる。

この従来装置例を改良したものとして、今までに、テク
スチャマツピング（例えば参考文献〔２〕Ｂ１１ｎｎ、
　Ｊ、　Ｆ、　ｅｔ　ａｌ、：　”Ｔｅｘｔｕｒｅ　ａ
ｎｄ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｍａｇｅｓ＋　”　Ｃｏｍｍｕ
ｎｉｃａｔｉｏｎｓｏｆ　ＡＣＭ、　１９．１０．　ｐ
ｐ、５４２−５４７．）や、異方性反射モデル（例えば
参考文献〔３〕大平：「異方性反射を考慮したＳＨＭＤ
ＩＮＧモデル」、電子通信学会画像工学研究会、　ＩＥ
　８２−８０．　（Ｊａｎ、　１９８０））等の導入が
提案されている。このうち、テクスチャマツピングの適
用装置を第６図に示す。この装置は次のように動作する
。

（ａｌ　　視線ベクトル発生器１１、輝度演算器１７の
動作は第２図に示した従来の装置と同じである。

■）交点演算器１６において、先の従来装置では、交点
の存在する形状に１対１対応した質感を質感メモリ２３
から読み出していたが、ここでは、質感の読み出し部分
に新しい装置、つまり交点・テクスチャ座標変換器２６
を設けて、形状と質感を１対多対応させる。この装置の
動作を第７図及び　　　　　　′第８図に示し、変更部
分の動作を以下■■に説明する。

（前　提）３次元形状定義に対応して、その表面上に定義した２次
元の座標系（第７図、第８図では、（ｕ＋■）と表わさ
れている）が、形状メモリ１８の中に記憶されている。

質感テクスチャメモリ２７中の質感テクスチャは、３次
元形状と１対１対応しており、さらに、２次元座標（ｕ
、　　■）と質感とを対応付でいる。

■　交点・テクスチャ座標変換器２６は、交点Ｐの３次
元座標（第７図、第８図では、（ＰＸ、Ｐｙ。

Ｐ、）と表されている）を形状表面上の２次元の座標Ｐ
、、、Ｐｖに変換し、質感テクスチャメモリ２７に送り
込む。

■　質感テクスチャメモリ２７は、２次元座標Ｐ、、Ｐ
ｖを受は取ると、３次元形状に対応する質感テクスチャ
を選び出し、その中から、２次元座標Ｐ、、Ｐｖに対応
した質感パラメータを交点演算器１６に出力する。

この様に、第６図に示した従来装置は、１つの形状表面
の場所によって質感を変化させることができる。しかし
テクスチャマツピングでは、質感すなわち、色や反射率
、屈折率だけを３次元形状表面上の場所によって変化さ
せるのみであり、前述の複雑な画像を生成するためには
不十分であった。

前述した従来提案されている異方性反射モデルとは、３
次元形状表面上に、ある方向性を持たせ、光の入射方向
と表面の方向とのなす角度によって反射率を変化させる
方法で、物体表面に一様な方向性をもった傷がついてい
る場合には有効である。

この装置を第９図に示す。この提案されている装置は次
のように動作する。

（ａ）　　視線ベクトル発生器１１、輝度演算器１７の
動作は第２図に示した従来装置と同じである。

山）　交点演算器１６において、第２図に示した従来装
置では、交点の存在する形状に１対１対応した質感パラ
メータを質感メモリ２３から読み出していたが、ここで
は、質感のうち、反射率を求めるために、異方性反射特
性メモリ２８と、異方性・反射率変換器２９とを加える
。

（ｅ）　　異方性反射特性メモリ２８には、３次元形状
と１対１対応した異方性反射特性が記憶されている。交
点演算器１６は、異方性反射特性メモリ２８から、３次
元形状に対応した異方性反射特性を読み出す。

（ｄ）〔異方性・反射率変換器の動作〕異方性反射特性
を数値で表現する方法、およびそれを反射率に変換する
方法はいくつかあるが、簡単に説明すると、３次元形状
表面上での異方性の方向と、異方性の度合の２つのパラ
メータにわけられる。異方性の方向というのは、３次元
形状表面に平行なベクトルで表される。異方性の度合　
　　゛というのは、角度の関数である。この変換器２９
は、反射ベクトルの形状表面に平行な成分と異方性の方
向ベクトルのなす角度の関数で交点での反射率を求め、
交点演算器１６に送る。

ｔｅｌ　　交点演算器１６は、質感中の反射率の代わり
に、異方性・反射率変換器２９から受は取った反射率を
用いて動作する。

このように、第９図に示した装置では、３次元形状表面
上に一様な異方性反射特性を持った画像を生成するため
には有効であるが、反射率や、異方性反射特性が複雑に
変化する画像を生成するためには、第２図に示した従来
装置と同じ理由で全く不適当であった。

「問題点を解決するための手段」この発明によれば、ディジタル演算によって画像を生成
するための装置において、生成された画像を格納するための画像メモリと、３次元
形状の形状と位置を記憶するための形状メモリと、その
３次元形状の質感（色２反射率、屈折率、透過率など）
を記憶するための質感メモリと、上記３次元形状の異方
性反射特性を記憶するための異方性反射特性メモリと、
上記３次元形状の各位置の質感のテクスチャ情報を記憶
するための質感テクスチャメモリと、上記３次元形状の
各位置の異方性反射特性のテクスチャを記憶するための
異方性反射テクスチャメモリと、上記３次元形状の表面
上の点を３次元空間座標系から、３次元形状表面に対応
した２次元のテクスチャ座標系に変換する交点・テクス
チャ座標変換手段と、異方性反射特性のパラメータを実
際の反射率に変換する異方性・反射率変換手段と、光源
の情報を記憶するための光源メモリと、視点の座標、透
視変換パラメータを記憶するための視点メモリと、視線
を発生するための視線ベクトル発生器と、その視線と、
上記３次元形状との交点を計算するための交点演算器と
、輝度を計算するための輝度演算器とを有し、上記視点メモリの内容を用いて、上記視線ベクトル発生
器により上記画像メモリ中の画素に対応する視線ベクト
ルを順次発生し、この視線ベクトルと、上記形状メモリ
の３次元形状データと、上記質感メモリの内容と上記異
方性反射特性メモリの内容を上記異方性・反射率変換手
段を通して変換した反射率と、上記交点・テクスチャ座
標変換手段を用いて読み出した上記質感テクスチャメモ
リの内容と、上記交点・テクスチャ座標変換手段を用い
て読み出した上記異方性反射テクスチャメモリの内容を
上記異方性・反射率変換手段を通して変換した反射率と
を上記交点演算器に与え、視線ベクトルを光学的に逆方
向に追跡する演算を行い、この交点演算器の出力と上記光源メモリの内容を上記輝
度演算器に与え、演算することによって、上記視線ベク
トルに対応した画素の輝度を求め、それを順次画像メモ
リに書き込む。

この発明では、先に従来の技術で説明してきたような欠
点を除去するため、上記３次元形状をより簡略化した形
で表現すると共に、テクスチャマツピングと異方性反射
モデルの双方の利点を組合せた形で利用して画像生成を
行うことを特徴とし、従来の装置における膨大な３次元
形状定義の手間と天文学的な計算量を実用的な値にまで
減らし、簡便かつ実用的な装置による複雑な画像の生成
を可能とするものである。

「実施例」第１図はこの発明の実施例を示し、第２図、第６図、第
９図と対応する部分には同一符号を付けである。この発
明では交点・テクスチャ座標変換器３１、異方性反射率
テクスチャメモリ３２、異方性・反射率変換器３３が設
けられる。

以下、この装置の動作について説明する。

（ａｌ　　視線ベクトル発生器１１、輝度演算器１７、
交点・テクスチャ座標変換器２６、異方性・反射率変換
器２９の動作は、従来と同じである。質感メモリ２３中
の質感は、３次元形状と１対１対応しており、この点で
は従来と同じである。但しこの質感メモリ２３の質感中
には従来の、色、反射率、屈折率、透過率などのほかに
、この形状がテクスチャマツピングの対象になるかどう
かを示す情報、異方性反射モデルを適用するかどうかの
情報、異方性反射特性マツピングの対象になるかどうか
を示す情報が与えられている。

（ｂ）〔交点演算器の動作〕交点演算器において、従来の装置と違う点は、質感、及
び異方性反射特性の取得における動作である。

交点演算器１６が、質感と異方性反射特性を得る動作は
以下■■■■■による。

■　質感メモリ２３から３次元形状に対応する質感を読
出す。

■　この質感が、テクスチャマツピングを指示している
ならば、第１図（ｂｌの装置と同様に、交点・テクスチ
ャ座標変換器２６を用いて、質感テクスチャメモリ２７
から質感を読み出す。

（以下、特に述べない限り、たんに質感というときは、
■で質感が読み出されたならば、■の質感を、そうでな
ければ、■の質感を示す）■　■で得た質感が、異方性
反射モデルと、異方性反射特性マツピングの両方を指示
しているならば、第１図（ｂ）の装置で質感を読み出す
方法と同様に、交点・テクスチャ座標変換器３１を用い
て、異方性反射テクスチャメモリ３２に異方性反射特性
を出力させ、これを第１図（Ｃ）の装置と同様に、異方
性・反射率変換器３３を用いて反射率に変換し、反射率
を得る。質感中の反射率を、この反射率で置き換える。

■　■で得た質感が、異方性反射モ、デルを指示し、異
方性反射特性マツピングを指示していない時は、第１図
（Ｃ）の装置と全く同様に異方性反射特性メモリ２８か
ら異方性反射特性を読み出し、異方性・反射率変換器２
９を用いて、反射率に変換する。

これを受は取り、質感中の反射率をこの反射率で置き換
える。

■　質感を用いて従来の装置と同様に動作を進める。

なお、交点・テクスチャ座標変換器２６．３１は１つで
兼用してもよく、同様に異方性・反射率変換器２９．３
３も１つで兼用することもできる。

「発明の効果」以上説明したように、自然物に良くみられる異方性反射
特性が形状表面で複雑に変化するようなものの画像を生
成する際に、従来の装置と比較して、作成に手間のかか
る３次元形状定義の総数を現実的な量までに減らし、作
成容易な２次元上の異方性反射特性テクスチャに置き換
えること、計算時間及び、メモリの総量が少くなるなど
の利点がある。また３次元形状と視線ベクトルとの交点
を求めるための演算量が多いが、従来は複雑な反射、色
を表現するためそれに対応して各形状を用意して交点を
計算するため、演算量が多くなった。

しかし、この発明では、各位置に応じて質感（例えば異
方性反射）を変化させることができるので形状の数が少
なくて済み、形状との交点を求める演算量も少なくなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
従来装置を示すブロック図、第３図は視線ベクトルを説
明するための図、第４図は視線追跡水の例を示す図、第
５図は視線ベクトル、交点、゛法線ベクトル、反射ベク
トル、屈折ベクトルの関係例を示す図、第６図は質感テ
クスチャメモリを用いる従来装置を示すブロック図、第
７図は交点・　　　の３次元座標を示す図、第８図は３
次元座標と、変換２次元座標との関係例を示す図、第９
図は異方性反射特性メモリを用いる従来装置を示すブロ
ック図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ディジタル演算によって画像を生成するための装
置において、生成された画像を格納するための画像メモリと、３次元
形状の形状と位置を記憶するための形状メモリと、その形状メモリに記憶された３次元形状と対応した質感
（色、反射率、屈折率、透過率など）を記憶するための
質感メモリと、上記形状メモリに記憶された３次元形状の異方性反射特
性を記憶するための異方性反射特性メモリと、３次元形状の各位置の質感のテクスチャ情報を記憶する
ための質感テクスチャメモリと、上記３次元形状の各位置の異方性反射特性のテクスチャ
を記憶するための異方性反射テクスチャメモリと、上記３次元形状の表面上の点を３次元空間座標系から、
３次元形状表面に対応した２次元のテクスチャ座標系に
変換する交点・テクスチャ座標変換手段と、異方性反射特性のパラメータを実際の反射率に変換する
異方性・反射率変換手段と、光源の情報を記憶するための光源メモリと、視点の座標
、透視変換パラメータを記憶するための視点メモリと、その視点メモリの視点より各画素に対する視線を発生す
るための視線ベクトル発生器と、その発生した視線と、上記３次元形状との交点を計算す
るための交点演算器と、輝度を計算するための輝度演算器と、を有し、上記視点メモリの内容を用いて、上記視線ベクトル発生
器により上記画像メモリ中の画素に対応する視線ベクト
ルを順次発生し、この視線ベクトルと、上記形状メモリの３次元形状デー
タと、上記質感メモリに記憶されている質感と、上記異
方性反射特性メモリの内容を異方性・反射率変換手段を
通して変換した反射率と、上記交点・テクスチャ座標変
換手段を用いて読み出した上記質感テクスチャメモリの
質感と、上記交点・テクスチャ座標変換手段を用いて読
み出した上記異方性反射テクスチャメモリの内容を上記
異方性・反射率変換手段を通して変換した反射率とを上
記交点演算器に与え、視線ベクトルを光学的に逆方向に
追跡する演算を行い、この交点演算器の出力と上記光源メモリの内容を上記輝
度演算器に与え、演算することによって、上記視線ベク
トルに対応した画素の輝度を求め、それを順次画像メモ
リに書き込むことを特徴とする画像生成装置。