JPWO2016092588A1 - 描画装置、および描画方法 - Google Patents

Abstract

３次元地形の各領域を２次元画像に投影して描画する描画装置において、各領域を視点位置に応じて異なる解像度で描画を行っても、境界部において不連続部が生じない画像を作成することを目的とする。このため、３次元地形の領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、領域を低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって前記領域の境界を構成する頂点の位置が高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように前記領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成するポリゴンメッシュ生成部と、低解像度ポリゴンメッシュおよび高解像度ポリゴンメッシュを記憶するポリゴンメッシュ記憶部と、与えられた視点位置に応じて低解像度ポリゴンメッシュまたは高解像度ポリゴンメッシュのいずれかを選択し、選択したポリゴンメッシュの頂点座標を２次元座標に投影変換する投影変換部と、を備える。

Description

本発明は、３次元地形情報と視点位置を与えて、与えた視点位置から見た２次元画像を生成する描画装置および描画方法に関する。

３次元地形を描画する手法として、形状を多角形の集まり（これをポリゴンメッシュと呼ぶ）で表現し、各多角形の頂点座標を投影変換した上で多角形の内側を所定の色で塗りつぶすことにより画像を生成する手法が知られている。３次元地形の描画では、遠くに見える地形は小さく描画し、近くに見える地形は大きく描画する。そこで、高解像度のポリゴンメッシュと低解像度のポリゴンメッシュを用意しておき、遠くの地形は低解像度のポリゴンメッシュ、近くの地形は高解像度のポリゴンメッシュに切り替えて描画する。このようにすれば生成される画像の解像度を維持しつつ多角形の数を削減することが可能となる。

このとき、高解像度のポリゴンメッシュと低解像度のポリゴンメッシュが隣接する場合に、その境界部に不連続が生じるという問題点がある。この問題点に対し特許文献１では境界部において、隣接領域のポリゴンメッシュの解像度に応じて特別なポリゴンパターンを適用することにより境界部に不連続が生じることを防ぐ方法が示されている。

特開平７−２７１９９９号公報

従来の描画装置は上記のように構成されていた。このような描画装置では、隣接領域のポリゴンメッシュの解像度に応じて境界部のポリゴンパターンを変更する必要がある。視点位置が変化するとそれに応じてポリゴンメッシュの解像度を変更することになり、その都度境界部のポリゴンパターンを変更する必要がある。
ところで、３次元地形の描画においては１秒間に行う描画処理の回数（フレームレート）を増やすことにより、視点位置に応じてなめらかに変化する映像を出力することができる。フレームレートを高めるためにはＧＰＵ（グラフィックス処理装置）が用いられる。このＧＰＵの性能を活かすためには、ＣＰＵ（中央処理装置）とＧＰＵの間での頂点データの転送回数を減らすことが効果的である。そこで、少なくともデータ量が比較的少ない低解像度のポリゴンメッシュについては予めＧＰＵにデータを転送しておくことにより頂点データの転送回数を減らすことができる。
ところが、視点位置の変化に応じてポリゴンパターンを変更する場合、ポリゴンパターンを変更するたびに頂点データをＣＰＵからＧＰＵに転送し直す必要があり、フレームレートを高めるのが難しくなるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、各領域を視点位置に応じて異なる解像度で描画を行っても、境界部において不連続な線や視覚的な不連続部が生じず、かつ、ポリゴンパターンを視点位置の変化に応じて修正する必要が無く、頂点データの転送量を減らしてフレームレートを高めることができる描画装置を得ることを目的とする。

この発明に係る描画装置は、
複数の領域で構成された３次元地形の前記領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、前記領域を前記高解像度ポリゴンメッシュよりも低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって、前記領域の境界を構成する頂点の位置が前記高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように前記領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成するポリゴンメッシュ生成部と、
前記ポリゴンメッシュ生成部で生成した前記低解像度ポリゴンメッシュおよび前記高解像度ポリゴンメッシュを記憶するポリゴンメッシュ記憶部と、
与えられた視点位置に応じて前記低解像度ポリゴンメッシュまたは前記高解像度ポリゴンメッシュのいずれかを選択し、選択したポリゴンメッシュの頂点座標を２次元座標に投影変換する投影変換部と、
を備えることを特徴とするものである。

この発明によれば、境界部において視覚的な不連続部が生じず、高速に処理を行うことができる描画装置を得られるという効果がある。

この発明の実施の形態１による描画装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による描画装置を用いた３次元地形表示システムを示す構成図である。 ３次元地形情報を説明する図である。 ポリゴンメッシュの生成について説明する図である。 ポリゴンメッシュの例を示す図である。 ポリゴンメッシュの例を示す図である。 ポリゴンメッシュの例を示す図である。 平滑化の処理について説明する図である。 ポリゴンメッシュの例を示す図である。 この発明の実施の形態１による描画装置の処理内容を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による描画装置の構成を示した図である。図１において、１は描画装置、２はポリゴンメッシュ生成部、３はポリゴンメッシュ記憶部、４は投影変換部、５は塗りつぶし部、６は画像出力部、７は平滑化部である。

図２は図１の描画装置を用いた３次元地形表示システムの構成例を示した図である。図２において、８は補助記憶装置、９は入力装置、１０は表示装置、１１は中央処理装置（ＣＰＵ）、１２は主記憶装置、１３はグラフィックス処理装置（ＧＰＵ）である。

図２のシステムの各構成要素について以下説明する。
１は図１に示す描画装置であり、ここでは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いて描画装置１を構成した例を示す。システムは、描画装置１を構成するＰＣ本体に、補助記憶装置８、入力装置９、および表示装置１０を接続して構成する。ＰＣは、内部に中央処理装置（ＣＰＵ）１１および主記憶装置１２、グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）１３を備える。図２では、図１に示した描画装置の各構成要素を、ＰＣ本体内における各装置のいずれか、もしくは各装置同士の連携として実現させている。

補助記憶装置８は、３次元地形情報を記憶する。描画装置１は、この補助記憶装置８から情報を読み出して利用する。
入力装置９は、例えばマウス、キーボード等を用いて構成される。この入力装置９を用いてユーザの指示を入力する。ユーザが視点位置の移動をマウスやキーボード等を用いて指示すると、システムはそれに応じて投影変換方法を変更する。
表示装置１０は、描画装置１によって得られた描画結果を画面上に表示する。

次にこのシステムにおける描画装置１の処理の流れについて図１を用いて説明する。
ポリゴンメッシュ生成部２は、補助記憶装置８から読み出した３次元地形情報に対して、例えば一定間隔の緯線と経線で区切られた各領域について、それぞれ低解像度と高解像度の２種類のポリゴンメッシュを生成する。

図３は３次元地形情報を表す図である。３次元地形情報は例えば図３に示すように緯度、経度に基づいて格子状に点をとり、各点の標高値を記述することにより与えられる。図４はポリゴンメッシュの生成を説明する図である。ポリゴンメッシュ生成部２は、図３に示した４つの格子点Ｈ１１、Ｈ１２、Ｈ２１、Ｈ２２で囲まれた領域を、例えば図４に示すように２つの三角形で表す。これを別の領域でも同様に繰り返すことにより、ある領域に対して、地形の形状を多角形の集まりで表現したものであるポリゴンメッシュを生成する。
図４では４つの格子点で囲まれた領域を、２つの三角形で表す例を示したが、これに限らず、４つの格子点で囲まれた領域を、１つの四角形で表すこともできる。

図５はポリゴンメッシュの例を示す図である。図５（ａ）は高解像度のポリゴンメッシュの例、図５（ｂ）は低解像度のポリゴンメッシュの例である。図５（ｂ）に示すように、低解像度のポリゴンメッシュは、その周辺部のみをメッシュを細分化して高解像度化している。

すなわち、ポリゴンメッシュ生成部２は、複数の領域で構成された３次元地形の領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、領域を高解像度ポリゴンメッシュよりも低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって、領域の境界を構成する頂点の位置が高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成する。

図６はポリゴンメッシュを隣接配置した例を示す図である。図６（ａ）は高解像度のポリゴンメッシュと低解像度のポリゴンメッシュとを隣接配置した例である。図５（ｂ）に示したように、低解像度のポリゴンメッシュの周辺部のメッシュを細分化して高解像度化したことにより、図６（ａ）に示すように高解像度と低解像度のポリゴンメッシュが隣接する場合でも境界線上の頂点は一致し、不連続にはならない。
一方、図６（ｂ）は低解像度のポリゴンメッシュ同士を隣接配置した例である。このように低解像度と低解像度のポリゴンメッシュが隣接する場合でも境界線上の頂点は一致し、不連続にはならない。しかし、境界部の一部のみに高解像度の部分が出現するため、視覚的には不連続な部分が生じてしまう。この不連続性は後述する平滑化の処理により回避する。

次に、ポリゴンメッシュ記憶部３は、上記で生成した低解像度および高解像度のポリゴンメッシュのデータを、図２のＣＰＵ１１からＧＰＵ１３に転送しＧＰＵ１３の記憶領域に記憶させる。ＧＰＵ１３の記憶容量が限られている場合は低解像度のポリゴンメッシュだけをＧＰＵ１３に記憶させる。高解像度のポリゴンメッシュはＣＰＵ１１の記憶領域に記憶させておき、視点位置の変化に応じて必要となったポリゴンメッシュだけをＧＰＵ１３に転送して記憶させるようにする。

投影変換部４では、得られたポリゴンメッシュの各頂点座標に、視点位置に応じて決まる投影変換行列を適用することにより２次元座標に投影されたポリゴンメッシュを得る。
ここで、描画対象の各領域について高解像度のポリゴンメッシュを利用するか、低解像度のポリゴンメッシュを利用するかを決定する。この決定は、例えば予め定めた距離と、現在の視点位置から領域までの距離とを比較し、後者が長い場合は低解像度のポリゴンメッシュを利用し、後者が短い場合は高解像度のポリゴンメッシュを利用するようにする。

次に、選択したポリゴンメッシュデータに対して後述する平滑化の処理を行う。平滑化の処理を行うのは、当該領域のポリゴンメッシュが低解像度であり、隣接するいずれかの領域のポリゴンメッシュが同じく低解像度である場合である。
前述の通り、低解像度のポリゴンメッシュの周辺部は高解像度化されているため、低解像度のポリゴンメッシュが隣接する場合、境界部に高解像度な領域ができ、視覚的に不連続な領域が出現することになる。平滑化の処理を行うことによりこの不連続な領域の出現を回避することができる。

塗りつぶし部５では、投影変換の結果得られた頂点が囲む多角形の内側の領域を所定の色で塗りつぶす処理を行う。

画像出力部６は、得られた描画結果をフレームバッファと呼ばれる記憶装置に書き込み、その画像を映像ケーブルなどを介して表示装置１０に転送する。この画像は表示装置１０により表示される。

次に、平滑化部７の処理について説明する。
図７、図８は、平滑化部７での平滑化の処理について説明する図である。図７において、矢印で示した頂点（一部のみ表示）はポリゴンメッシュ生成の処理で周辺部を高解像度化した際に追加された頂点である。平滑化部７は、必要に応じて、この頂点に対しての平滑化の処理をする。

具体的には、図８のような処理を行う。図８（ａ）は平滑化処理を行う前のポリゴンメッシュの一部を表す。図の下辺の真ん中の点（中点）が追加された頂点である。追加された頂点の標高値は、その座標自身における標高値である。このため、図の下辺の両端の点と、この中点とを結ぶ線は、中点において折れ曲がっており、直線的にはならない。

そこで、この追加された頂点の座標の標高値を、図８（ｂ）に示すように、隣接する２つの頂点の座標での値を補間して得られる標高値に変更する。これにより、図の下辺が、中点で折れ曲がらずに、直線的な辺になる。したがって、図８（ｃ）に示すように、この中点を削除し、頂点を追加する前の状態にデータを戻すことができる。

このとき、図８（ｃ）の上側に示すように、図に示す領域全体を１つの四角形として表すこともできる。図８（ｃ）の下側に示すように、図に示す領域全体を２つの三角形として表すこともできる。したがって隣接する領域の状態に応じて、どちらを用いるかを選ぶことができる。

図９は、以上の平滑化の処理を行った後での、低解像度のポリゴンメッシュ同士を隣接配置した例である。図６（ｂ）と比較すると、隣接境界部に視覚的に不連続な高解像度な領域ができることなく、視覚的に連続なポリゴンメッシュとすることができることが分かる。

なお、平滑化の処理は、ＧＰＵ１３内で投影変換の前に行うことができる。このため平滑化の際に、頂点データをその都度ＣＰＵから転送し直す必要がなく、高速な処理を行うことができる。また表示のフレームレートを高めることができる。

図１０は、以上の動作をフローチャートに示した図である。

実施の形態１の描画装置は以上のように構成される。
この構成によれば、ポリゴンメッシュ生成部２は、低解像度のポリゴンメッシュの周辺部を高解像度化し、隣接するポリゴンメッシュとの境界を構成する頂点が一致するように、低解像度と高解像度のポリゴンメッシュを生成し、平滑化部７は低解像度のポリゴンメッシュが他の低解像度のポリゴンメッシュと隣接する場合に境界を構成する頂点の座標を平滑化するので、視点位置を変更するたびにポリゴンメッシュ記憶部３に記憶したポリゴンメッシュを変更することなく、領域の境界部に不連続な領域が出現しない、という効果がある。

以上のように、本発明にかかる描画装置は、３次元地形情報と視点位置を与えて、与えた視点位置から見た画像を生成する装置等に適用できる。

１ 描画装置、２ ポリゴンメッシュ生成部、３ ポリゴンメッシュ記憶部、４ 投影変換部、５ 塗りつぶし部、６ 画像出力部、７ 平滑化部、８ 補助記憶装置、９ 入力装置、１０ 表示装置、１１ 中央処理装置（ＣＰＵ）、１２ 主記憶装置、１３ グラフィックス処理装置（ＧＰＵ）。

この発明に係る描画装置は、
複数の領域で構成された３次元地形の前記領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、前記領域を前記高解像度ポリゴンメッシュよりも低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって、前記領域の境界を構成する頂点の位置が前記高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように前記領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成するポリゴンメッシュ生成部と、
前記ポリゴンメッシュ生成部で生成した前記低解像度ポリゴンメッシュおよび前記高解像度ポリゴンメッシュを記憶するポリゴンメッシュ記憶部と、
与えられた視点位置に応じて前記低解像度ポリゴンメッシュまたは前記高解像度ポリゴンメッシュのいずれかを選択し、選択したポリゴンメッシュの頂点座標を２次元座標に投影変換する投影変換部と、
前記投影変換部が隣接するポリゴンメッシュとして前記低解像度ポリゴンメッシュ同士を選択したとき、隣接する前記低解像度ポリゴンメッシュの互いに隣接する境界を構成する頂点座標を、隣接する前記頂点座標を補間して得られる頂点座標に補正する平滑化部と、
を備えることを特徴とするものである。

Claims (4)

1. 複数の領域で構成された３次元地形の前記領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、前記領域を前記高解像度ポリゴンメッシュよりも低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって、前記領域の境界を構成する頂点の位置が前記高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように前記領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成するポリゴンメッシュ生成部と、
   前記ポリゴンメッシュ生成部で生成した前記低解像度ポリゴンメッシュおよび前記高解像度ポリゴンメッシュを記憶するポリゴンメッシュ記憶部と、
   与えられた視点位置に応じて前記低解像度ポリゴンメッシュまたは前記高解像度ポリゴンメッシュのいずれかを選択し、選択したポリゴンメッシュの頂点座標を２次元座標に投影変換する投影変換部と、
   を備えることを特徴とする描画装置。
2. 前記投影変換部が隣接するポリゴンメッシュとして前記低解像度ポリゴンメッシュ同士を選択したとき、隣接する前記低解像度ポリゴンメッシュの互いに隣接する境界を構成する頂点座標を、隣接する前記頂点座標を補間して得られる頂点座標に補正する平滑化部、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の描画装置。
3. 前記投影変換部で得られた頂点座標で囲まれた多角形の内部を所定の色で塗りつぶした画像を作成する塗りつぶし部と、
   前記塗りつぶし部で得られた画像を表示装置に出力する画像出力部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の描画装置。
4. 複数の領域で構成された３次元地形の前記領域を高解像度で表現した高解像度ポリゴンメッシュ、および、前記領域を前記高解像度ポリゴンメッシュよりも低解像度で表現した低解像度ポリゴンメッシュであって、前記領域の境界を構成する頂点の位置が前記高解像度ポリゴンメッシュの頂点の位置と一致するように前記領域の周辺部を高解像度化した低解像度ポリゴンメッシュを生成するポリゴンメッシュ生成ステップと、
   前記ポリゴンメッシュ生成ステップで生成した前記低解像度ポリゴンメッシュおよび前記高解像度ポリゴンメッシュを記憶するポリゴンメッシュ記憶ステップと、
   与えられた視点位置に応じて前記低解像度ポリゴンメッシュまたは前記高解像度ポリゴンメッシュのいずれかを選択し、選択したポリゴンメッシュの頂点座標を２次元座標に投影変換する投影変換ステップと、
   を備えることを特徴とする描画方法。

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