JP2003115055A

JP2003115055A - 画像生成装置

Info

Publication number: JP2003115055A
Application number: JP2001310006A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Akisada; 浩和秋定; Hironori Goto; 裕典後藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】３次元仮想空間における視点から見た着目物
体方向を基準とする角度範囲、あるいは着目物***置に
基づいた空間領域に応じて各物体に対するクリッピング
やシェーディングの処理内容をダイナミックに切り替え
ることで、各物体のレンダリング手法を適切かつ効率良
く切り替えて設定でき、さらにコンピュータの計算負荷
を効果的に軽減することを可能にする画像生成装置の提
供を目的とする。【解決手段】３次元仮想空間に設定した物体、および
光源、視点に基づいて前記空間の情景（シーン）を表す
２次元画像を生成する画像生成装置であって、物体のモ
デルデータを作成するモデリング手段、前記モデルデー
タを視点の座標系に変換する座標変換手段、前記視点座
標系によるモデルデータを投影面に投影する投影変換手
段、前記視点からの着目物体方向を基準する角度範囲あ
るいは着目物***置に基づいた空間領域に応じて各物体
のレンダリング方法を切り替えるレンダリング手段、と
を具備することを特徴とする画像生成装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元空間におけ
る着目物体を基準とする角度範囲や空間領域に基づい
て、各物体のレンダリング方法を切り替える画像生成装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の画像生成システム、特に、３次元
仮想空間の情景（シーン）を示す２次元画像を生成する
３次元コンピュータグラフィックスシステム（３次元Ｃ
Ｇシステム）では、通常図２に示すような処理ステップ
を踏んで１枚の２次元画像の生成を行っている。

【０００３】以下、これらを概説する。なお一般的に図
中２０２〜２０５の処理ステップは、一括してレンダリ
ング処理と呼ばれる。

【０００４】・モデリングモデリングは、画像の中で表
現したい対象物の形、色、表面の性質などのデータをコ
ンピュータの中に作成する作業である。たとえば、人間
の顔の画像を作るのであれば、その表面の形がどうなっ
ているのか、顔のどの部分がどのような色をしているの
か、光の反射率はどうか、といったデータを作成し、あ
とのレンダリングで使えるような形式でコンピュータ内
に格納する。このようなデータの集まりを物体のモデル
という。たとえば、図１のような立方体の形状モデリン
グを行う場合、まず図３のように立方体のある１つの頂
点を原点としたモデリング座標系を考える。そして、こ
の座標系における立方体の８個の頂点の座標データ、お
よび面ループデータをたとえば図４のように決定する。
このようにして得られた一組の座標データと面ループデ
ータが対象物のモデルデータとなる。

【０００５】・レンダリングレンダリングは、モデルが
できあがった後で、その物体をある位置から見たときに
どのように見えるかを考え、その見え方にしたがった画
像を作成することをいう。したがって、レンダリングを
行うには、モデルの他に、見る位置（視点やカメラと呼
ぶ）や照明に関する条件を考える必要がある。レンダリ
ング作業を細分化すると、一般的には、投影変換、隠面
消去、シェーディング、テスクチャーマッピングに分か
れる。

【０００６】［投影変換］投影変換はモデルを表してい
る種々の座標値に対して、視点の位置から見たときに、
画面上のどの位置に見えるのかを計算して、画面上の座
標に変換することである。図５は、投影変換のための４
つの座標系を示した図である。

【０００７】投影変換を行う前段階として、モデル座標
を視点座標系によるデータに変換する必要がある。それ
にはまず、簡単にたとえば、モデリング座標系によるモ
デルの各頂点座標の各成分にワールド座標系における物
***置の各成分を加算してワールド座標系における物体
の各頂点座標を得る。次にこのワールド座標系で表され
た物体の各頂点座標を視点座標系のデータに変換する。
通常、この座標変換の表現には同次座標系が使われる。
同次座標系とは回転拡大縮小に加え平行移動も同じ計算
式で扱えるようにしたものである。ＸＹＺ三成分以外に
Ｗ（通常は１）の成分を追加したベクトルを用い、ベク
トル間の変換に４×４のマトリクスを用いる。変換前の
ベクトルを（ｘｙｚ）、変換後のベクトルを（ｘ’ｙ’
ｚ’）とすると同次座標系を用いた座標変換は、座標変
換行列を用いて、以下のように表現される。

【０００８】

【０００９】ここでａｉｊは回転、および拡大縮小を表
す成分、ｔ_x，ｔ_y，ｔ_zは平行移動を表す成分である。

【００１０】視点座標系におけるモデルデータが求まっ
たら、次に、投影変換を行う。投影変換を行うために、
空間に１つの投影面を設定する。簡単のため、図５で
は、ニアクリッピング面（後述）に投影面を設定してあ
る。投影変換には、大別して平行投影と透視投影の二種
類がある。ここで、視点座標系による点を（ｘ，ｙ，
ｚ）、透視投影変換後の座標を（ｘ’ｙ’）（投影面座
標系）とする。

【００１１】まず、平行投影は視点が無限遠にある場合
を指し、以下の変換式で表現される。

【００１２】

【００１３】また透視投影は、空間における点を、有限
の距離にある視点から見て投影面上に投影する操作をい
い、以下の変換式で示される。

【００１４】

【００１５】ここで、ｄは、視点（カメラ）と、投影面
（ニアクリッピング面）までの距離である。

【００１６】このような投影変換式を用い、空間に存在
する物体の３次元形状の各点に対し、視点と投影面の交
点を求める操作を行うことで図６のように投影面上に投
影図を得る。なお、投影変換の過程で、以下のクリッピ
ング処理が実行される。

【００１７】［クリッピング］投影変換の際、視点前方
のすべてのものを描くと、不必要な計算時間をとる場合
があるので作画領域を決めることも必要である。この作
画領域はビューボリューム（視野空間）と呼ばれ、ビュ
ーボリュームの境界の中で視点（カメラ）から最も近い
面をニアクリッピング面、遠い面をファークリッピング
面という。クリッピングとは、このビューボリュームの
内部の図形データを選択して外部の図形データを削除
し、さらにはビューボリューム枠と交差している図形が
あれば交点座標を求めてビューボリューム内部の図形情
報だけを取り出す手法のことをいう。

【００１８】たとえば、図７（ａ）（ｂ）のように、３
次元空間上に２つの面（面１と面２）を考えた場合、面
１を構成する３頂点はいずれもビューボリュームの外側
にあるため、この面は描画の対象から速やかに排除（ク
リッピング）される。また面２は、ビューボリュームと
交差しているため、交点座標（Ｃ１、Ｃ２）を求めてか
ら、投影面に投影を行う（ただし、投影後の各頂点には
ライティングの値やＺバッファ法（後述）で用いるＺ値
を保持する必要があるためＣ１、Ｃ２の座標は３次元空
間上で求める必要がある）。

【００１９】こうして、領域内に表示すべき図形だけを
選択することにより、データ量を減らし、余分な対象物
を表現することなしに意図した図形を短時間で表示でき
る。

【００２０】スクリーン座標系に変換されたポリゴン
を、さらに２次元画像のピクセルの列に変換していく。
この処理をスキャン変換（ＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｓｉ
ｏｎ）、またはラスタライズ（Ｒａｓｔｅｒｉｚｅ）と
いう。スキャン変換の基本的な考え方は、最終的な出力
画像のピクセル（普通はその中心）に対応するスクリー
ン（投影面）上の点（サンプル・ポイント）を考え、ポ
リゴン内部に含まれるサンプル・ポイントを探し出し、
それに対応するピクセルをその点における輝度値（下記
のシェーディング処理で求められる）で塗りつぶしてい
くことである。

【００２１】なお、このスキャン変換（ラスタライズ）
の過程で、隠面消去、クリッピング、シェーディング、
テスクチャーマッピングなどが行われる。これらの各処
理について、以下で説明する。

【００２２】［隠面消去］隠面消去によって、モデルの
中で、現在の視点の位置から考えて、どの部分が見え、
どの部分が見えないかを判断する。隠面消去は、サーフ
ェスモデルやソリツドモデルで表現された３次元形状を
色づけして表現する場合、形状モデルの透視変換を行っ
て、視線方向に近い立体形状の面に隠れて見えない面や
形状の裏側になる面を削除して、実際に見える面や面の
一部だけを表示する機能のことをいう。隠面消去に関し
ていくつかの手法が開発されている。

【００２３】まず、奥行きの比較を面単位に行うのがＺ
ソート法（デプス・ソート法）である。Ｚソート法は、
最も単純で高速な方法で、早くからハードウェア化もさ
れているが、ポリゴンどうしが相貫していたり、ポリゴ
ンの順番が一意に定まらないなど、簡単にソーティング
ができない場合も多＜、間違って表示がされてしまうと
いう欠点もある。

【００２４】次にＺバッファ法は、ポリゴンを表現する
ピクセル単位に前後関係を処理するもので、正確な隠面
消去ができる。欠点としては、全画素にわたるＺバッフ
ァ用の比較的大きなメモリを必要とすることと、透過処
理やアンチエイリアシングができないことである。

【００２５】その他の隠面消去アルゴリズムとしては、
画面の走査単位に前後関係を処理するスキャンライン法
などが挙げられるが、ここでの説明は省略する。

【００２６】［シェーディング］シェーディング（Ｓｈ
ａｄｉｎｇ）は、コンピュータ内の形状モデルを写実的
に表示する技術の一つで、視線、光源位置、面の傾きな
どの考慮に入れて陰影を計算して物体の表面の色や明る
さを決定する手法であり、一般的には陰影付けと呼ばれ
る。

【００２７】シェーディング処理を行う際の基本となる
のがシェーディングモデルである。シェーディングモデ
ルとは、ある物質に光源から光が投射されると物質の表
面では光り、一部は反射され、残りが屈折、透過すると
いう物理現象をモデル化したものをいう。以下に述べる
シェーディングを行うときには、この現象を単純化して
モデル化を行い、物体表面上の輝度を決定する。一般的
には、無限遠にある光源（平行光線）のときは、物体上
のある１点Ｐの明るさＬは、拡散反射光（Ｄｉｆｆｕｓ
ｅｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ：Ｌｄ）、鏡面反射光（Ｓｐ
ｅｃｕｌａｒｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：Ｌｓ）、透過光
（ＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＬｉｇｈｔ：Ｌｂ）、環境
光（ＡｍｂｉｅｎｔＬｉｇｈｔ：Ｌｅ）の４つの要素
の和として決定することが多い（図８参照）。

【００２８】Ｌ＝Ｌｄ＋Ｌｓ＋Ｌｂ＋Ｌｅ（式−６）ポリゴン（物体を構成する面）にシェーディングする場
合、最も簡単かつ高速なのが各ポリゴンに対し１回だけ
シェーディングの計算をし、ポリゴン全体をその色にし
てしまう方法である。この方法は、コンスタントシェー
ディング（またはフラットシェーディング）と呼ばれ、
各ポリゴンの法線ベクトルと（式−６）を用いて計算し
た輝度値を、そのポリゴンの内部のすべての画素に設定
する。

【００２９】しかし、これでは曲面を滑らかに表現でき
ないので、スムーズシェーディングと呼ばれる方法が開
発された。これには２通りの方法がある。１つば、各頂
点の輝度の線形内挿により、各スキャンライン上のピク
セルの輝度を求めるグローシェーディング（Ｇｏｕｒａ
ｕｄＳｈａｄｉｎｇ）という方法である（図１０
（ａ））。グローシェーディングでは、三角形の各頂点
の輝度１₁、１₂、１₃から、線形内挿式を用いて、三角
形内部のすべての画素点の輝度を決定する。まず、図の
１本のスキャンラインと三角形の交点ｌ_a、ｌ_bは次式で
与えられる。

【００３０】

【００３１】これより、スキャンライン上の点Ｐの輝度
ｌ_pは次式で求められる。

【００３２】

【００３３】ただし、各頂点の輝度たとえばｌ₁は、次
のように求める。まず図９に示すように、その頂点を構
成する各面の向きを求め、次式のように、その平均値Ｎ
_vを求めて、その点での向きを求める。

【００３４】Ｎ_v＝（Ｎ₁＋Ｎ₂＋Ｎ₃＋Ｎ₄）／４（式−１０）ただし、Ｎ_iは、各三角形の法線方向とする。次に（式
−６）を用いて輝度ｌ₁を求める。これにより、各画素
点の滑らかに変化する輝度が求まり、スムーズシェーデ
ィング処理が施されることになる。この方法は高速に計
算ができ、リアルタイムレンダリングする場合などでよ
く使われるが、ハイライトがきれいにつかないなどの問
題がある。

【００３５】そこで次に考えられたのがフォン・シェー
ディング（ＰｈｏｎｇＳｈａｄｉｎｇ）と呼ばれる方
法で、各頂点の法線方向の向きの内挿からスキャンライ
ン上の各国素の法線方向を求め、（式−６）にしたがっ
て、その点の輝度を求めるものである。すなわち、スキ
ャンラインと三角形の２つの交点における法線の方向Ｖ
_a、Ｖ_bを３つの頂点の方項Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃から線形内挿
で求め、さらにスキャンライン上の点の法線方向Ｖ_pを
Ｖ_aとＶ_bの線形内挿で求める（図１０（ｂ））。フォン
・シェーディングでは特に金属面などのハイライトがよ
りリアルに表現されるが、ポリゴン内部に生成されたす
べての法線ベクトルについて輝度計算を行うのでグロー
シェーディングに比べて演算量が多くなるという欠点が
ある。

【００３６】［テスクチャーマッピング］シェーディン
グの４つのパラメータ（鏡面反射光、環境光、拡散反射
光、透過光）を操作して表現できる質感は、金属やプラ
スチック、石膏などに限定される。もっと身近にあるい
ろいろな素材、例えば木や布地、大理石などのように、
「柄」がないとどうしても表現できないものにテスクチ
ャーマッピング（ＴｅｘｔｕｒｅＭａｐｐｉｎｇ）が
使用される。図１１に、パースペクティブコーディネー
ト（投射コーディネート）を利用した方法を示す。これ
は、ある点からマップデータをオブジェクトに投射する
ように写像する方法である。

【００３７】具体的にはテスクチャーマッピングは、上
記のシェーディング処理の中にテスクチャー画像への画
素参照処理を入れることによって実現される。参照する
画素の指定はポリゴンの各頂点に、元のテスクチャー画
像の２次元座標（ＵＶ座標）を割り当て、ラスタライズ
処理時にこのＵＶ座標を補間し、元のテスクチャー画像
の参照すべき画素を決める。この時必要であれば参照画
素に前記のシェーディング処理を施しポリゴン内部の一
画素の値を決める。画素の参照方法には単純に元のテス
クチャー画像の一画素を取り出す場合（ポイントサンプ
リング）と複数の画素を参照しそれらを平均化して一画
素を決める方法（フィルタリング）がある。ポイントサ
ンプリングでは、元のテスクチャー画像の面積がレンダ
リングするポリゴンの面積より小さい場合、テスクチャ
ー画像の一画素が拡大され画素の不連続な境界が現われ
画像を粗くする。フィルタリングを行うことによって画
素の不連続化を除去し滑らかな画像を得ることができ
る。以上、ＵＶ座標の補完方法に正確な補間を行い、画
素参照にフィルタリングを行った場合、ラスタライズ時
の計算量が増大する。

【００３８】以上、従来の３次元ＣＧシステムでの一般
的な画像生成手法について概説したが、このような処理
は比較的計算量が大きく、実現するコンピュータもそれ
なりの計算速度を持ったものが必要とされてきた。

【００３９】約７〜８年前までは、上記のような３次元
ＣＧを導入したシステムは業務用のものがほとんどで、
グラフィックスワークステーション（ＧＷＳ）と呼ばれ
るハイエンドなコンピュータの上でしか利用できなかっ
た。そのため利用できるユーザも限られていた。しか
し、ここ数年は状況が大きく変化した。飛躍的なコンピ
ュータ技術の進歩により安価で高速なＣＰＵ（中央演算
装置）等のデバイスが大量生産されるようになったた
め、パーソナルコンピュータ用の３次元ＣＧソフトウェ
アの数は急激に増加し、他方で３次元ＣＧを用いた高性
能の家庭用ゲーム装置も登場した。そして、そのいずれ
もが比較的安価な値段で手に入るようになったため、３
次元ＣＧを利用したハードウェア｜ソフトウェアは広く
一般のユーザにも浸透するようになってきている。

【００４０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
このような３次元ＣＧシステムには、以下のような問題
があった。

【００４１】従来の一般的な３次元ＣＧシステムでは、
３次元仮想空間に複数の物体を設定した場合、通常、各
物体に対して、一様に、高品位なクリッピング処理やシ
ェーディング処理でレンダリングを施し２次元画像を生
成していた。この場合は言うまでもなくコンピュータの
計算負荷は大きくなり、リアルタイムで複雑な形状のモ
デルを複数レンダリングして表示する時などに、映像が
スムーズに移行しない場合があった。

【００４２】これを避けるために、システムによって
は、複数の物体の中のある着目物体のみを高品位にクリ
ッピングやシェーディングしてレンダリングし、それ以
外の物体に関しては、ワイヤーフレームや占有領域を示
す直方体等により簡略化してレンダリングするものがあ
った。しかしこの際、たとえ視点や物体が移動した場合
でも、着目物体以外の物体は、その位置や方向に関わら
ず常に簡略化表示となるため、シーン変化の中で着目物
体とその周囲に存在する物体の様子が明確に把握できな
いという問題があった。

【００４３】本発明の請求項１に係る発明では、３次元
仮想空間における視点からの着目物体方向に基づいた角
度範囲に各物体が含まれるか否かに応じて各物体に対す
るクリッピングやシェーディングの処理内容をダイナミ
ックに切り替えることで、各物体のレンダリング手法を
適切かつ効率よく切り替えて設定できるようになり、さ
らにコンピュータの計算負荷を効果的に軽減することを
可能にする。

【００４４】本発明の請求項２に係る発明では、３次元
仮想空間における着目物体に基づいた空間領域に各物体
が含まれるか否かに応じて各物体に対するクリッピング
やシェーディングの処理内容をダイナミックに切り替え
ることで、各物体のレンダリング手法を適切かつ効率よ
く切り替えて設定できるようになり、さらにコンピュー
タの計算負荷を効果的に軽減することを可能とする。

【００４５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に係る発明は、３次元仮想空間に
おける視点からの着目物体方向に基づいた角度範囲に各
物体が含まれるか否かに応じて各物体に対するクリッピ
ングやシェーディングの処理内容をダイナミックに切り
替える手段を有することで、各物体のレンダリング手法
を適切かつ効率よく切り替えて設定できるようになり、
さらにコンピュータの計算負荷を軽減するように動作す
る。

【００４６】上記目的を達成するため、本発明の請求項
２に係る発明は、３次元仮想空間における着目物体に基
づいた空間領域に各物体が含まれるか否かに応じて各物
体に対するクリッピングやシェーディングの処理内容を
ダイナミックに切り替える手段を有することで、各物体
のレンダリング手法を適切かつ効率よく切り替えて設定
できるようになり、さらにコンピュータの計算負荷を軽
減するように動作する。

【００４７】なお、さらに詳細に説明すれば、本発明は
下記の構成によって前記課題を解決できた。

【００４８】（１）３次元仮想空間に設定した物体、お
よび光源、視点に基づいて前記空間の情景（シーン）を
表す２次元画像を生成する画像生成装置であって、物体
のモデルデータを作成するモデリング手段、前記モデル
データを視点の座標系に変換する座標変換手段、前記視
点座標系によるモデルデータを投影面に投影する投影変
換手段、前記視点からの着目物体方向を基準する角度範
囲に基づいて各物体のレンダリング方法を切り替えるレ
ンダリング手段、とを具備することを特徴とする画像生
成装置。

【００４９】（２）３次元仮想空間に設定した物体、光
源、および視点に基づいて前記空間の情景（シーン）を
表す２次元画像を生成する画像生成装置であって、物体
のモデルデータを作成するモデリング手段、前記モデル
データを視点の座標系に変換する座標変換手段、前記視
点座標系によるモデルデータを投影面に投影する投影変
換手段、着目物***置に基づく空間領域に基づいて各物
体のレンダリング方法を切り替えるレンダリング手段、
とを具備することを特徴とする画像生成装置。

【００５０】（３）物体のモデルデータを投影面に写像
する投影変換手段、前記視点に基づいたビューボリュー
ム（作画領域）に基づいて描画に不必要な物体の面を排
除するクリッピング手段、物体を構成する面の奥行き比
較をして最も手前にある面を表示する隠面消去手段、物
体表面の陰影付けを行うシェーディング手段、物体表面
に２次元画像を写像するテスクチャーマッピング手段か
ら構成されることを特徴とする前記（１）記載の画像生
成装置。

【００５１】（４）前記視点からの着目物体方向を基準
とする角度範囲に基づいて各物体のクリッピング手段の
内容を変化させることを特徴とする前記（１）記載の画
像生成装置。

【００５２】（５）前記視点からの着目物体方向を基準
とする角度範囲に基づいて各物体のシェーディング手段
の内容を変化させることを特徴とする前記（１）記載の
画像生成装置。

【００５３】（６）前記視点からの着目物体方向を基準
とする角度範囲に基づいて各物体のテスクチャーマッピ
ング手段の内容を変化させることを特徴とする前記
（１）記載の画像生成装置。

【００５４】（７）物体のモデルデータを前記投影面に
写像する投影変換手段、前記視点に基づいたビューボリ
ューム（作画領域）に基づいて描画に不必要な物体の面
を排除するクリッピング手段、物体を構成する面の奥行
き比較をして最も手前にある面を表示する隠面消去手
段、物体表面の陰影付けを行うシェーディング手段、物
体表面に２次元画像を写像するテスクチャーマッピング
手段から構成されることを特徴とする前記（２）記載の
画像生成装置。

【００５５】（８）着目物***置に基づく空間領域に基
づいて各物体のクリッピング手段の内容を変化させるこ
とを特徴とする前記（２）記載の画像生成装置。

【００５６】（９）着目物***置に基づく空間領域に基
づいて各物体のシェーディング手段の内容を変化させる
ことを特徴とする前記（２）記載の画像生成装置。

【００５７】（１０）着目物***置に基づく空間領域に
基づいて各物体のテスクチャーマッピング手段の内容を
変化させることを特徴とする前記（２）記載の画像生成
装置。

【００５８】

【発明の実施の形態】（実施例１）本実施例は、請求項
１記載の画像生成装置に関するものである。

【００５９】図１は、本実施例におけるシステム構成を
示した図である。

【００６０】図において、１０２は物体のモデルデー
タ、視点条件等の初期値の入力を行うためのデータ入力
装置であり、たとえばキーボードが用いられる。

【００６１】１０３は画像生成処理の開始・終了等を指
示するコマンド入力装置であり、たとえばマウスが用い
られる。

【００６２】１０４は、モデル、視点、照明のデータ等
を格納するファイル装置であり不揮発性のメモリが用い
られる。

【００６３】１０５は、モデル・視点・照明の各値を用
いた投影変換、クリッピング、隠面消去、シェーディン
グの各レンダリング処理、および各種変数の更新等を行
う演算装置である。

【００６４】１０６は、装置の起動中に物体のモデルデ
ータ、視点条件、照明条件等の各種データを格納するメ
モリ装置である。

【００６５】１０７は制御装置１０１からのユーザヘの
指示や、入力したデータ等を表示するためのデータ表示
装置１０７であり、たとえばＴＦＴ液晶モニタが用いら
れる。

【００６６】１０８は、レンダリング後の画像のピクセ
ル値を格納するビデオメモリ装置である。

【００６７】１０９は、ビデオメモリ装置１０８上の画
像の表示を行う画像表示装置１０９であり、たとえばＣ
ＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ：陰極線管）
モニタが用いられる。

【００６８】１０１は制御装置１０１であり、データ入
力装置１０２、コマンド入力装置１０３、ファイル装置
１０４、演算装置１０５、メモリ装置１０６、データ表
示装置１０７、および画像表示装置１０８を制御するも
のである。

【００６９】画像生成システム起動後、まず、ファイル
装置１０４に格納された複数のモデル（頂点データおよ
び面ループデータ）、視点、光源の各初期データをメモ
リ装置１０６ヘロードする。次に、システムのユーザは
着目物体の識別番号をデータ入力装置１０２であるキー
ボードから入力する。入力が終わると、システムは画像
生成処理のループを開始する。

【００７０】画像生成処理ループの最初でシステムは、
その時点の各物体の基準位置と着目物体用画角（視点位
置からの着目物体方向に基づく角度範囲を意味する）に
基づいて、各物体に対し、通常表示物体、簡易表示物体
のいずれかに分類する。次にシステムはこの分類結果を
利用して、各物体のレンダリングを行う。すなわち、通
常表示物体に分類された物体に対しては通常のクリッピ
ングとシェーディングにてレンダリングを、また簡易表
示物体に分類された物体に対してはクリッピングとシェ
ーディングを簡略化してレンダリングを実施し、その過
程でビデオメモリ装置１０８へ表示画像を構成する各画
素のラスタライズ（画素値の代入）を行う。ビデオメモ
リ装置１０８へ格納された表示画像は、画像表示装置１
０９から出力され、表示が行われる。なお、非表示物体
に分類された物体のレンダリングは行われない。

【００７１】次にシステムは、各物体と視点の位置を更
新する。すなわち、各物体または視点の方向ベクトルが
示す方向に微小距離△ｄだけ移動する。ただし、物体ま
たは視点の位置が移動可能領域外となった場合、この移
動可能空間を越えないように、適切に物体または視点の
位置と方向を新しく決める（本実施例では、この移動可
能領域として、原点を中心とする半径Ｒの球領域を考え
る）。

【００７２】画像生成処理ループの最後で、システム
は、ユーザからの画像生成処理終了のコマンドの有無を
判断し、もしあれば画像生成処理を終了し、なければル
ープの最初に戻る。

【００７３】以上のように構成された画像生成システム
が実行する画像生成処理について、データの流れにした
がって処理内容を説明する。

【００７４】図１５は、本実施例における画像生成装置
の処理を説明したフローチャートである。図のように構
成された画像生成装置が実行する制御の概要を以下、デ
ータの流れにしたがって説明する。

【００７５】ステップＳ１画像生成システム起動後、まず、物体データの初期化を
行う。

【００７６】まず、制御装置１０１は、ファイル装置１
０４に格納された頂点データと面ループデータで構成さ
れるモデルデータ（たとえば図４のもの）をメモリ装置
１０６における物体用データリスト（図１２に示す物体
０〜物体９の１０個の物体用データで構成される）の各
モデルデータ領域ヘロードする。また、テスクチャーマ
ッピング時に参照するテスクチャー画像（たとえば図１
１のもの）をファイル装置１０４からロードし、物体デ
ータリストにおける各テスクチャー画像データ領域へ格
納する。なお、テスクチャー画像はあらかじめ各物体用
のものがペイントシステム等で作成され、ファイル装置
１０４に格納されているものとする。

【００７７】また、各物体の初期位置として３次元仮想
空間における移動可能領域内の位置がランダムに計算さ
れ、物体データリスト中の各位置データ領域へ設定され
る。ただし本実施例では、この移動可能領域として３次
元空間の原点を中心とする半径２５．０（上記Ｒ）の球
領域を考えるが、本発明はこれに限ったものではない。

【００７８】また、各物体の初期方向として３次元正規
化ベクトル（正規化ベクトルとは、長さが１のベクトル
を意味する）がランダムに計算され、物体用データリス
トの各方向データ領域へ設定される。

【００７９】ステップＳ２ここでは、視点条件の初期化
を行う。

【００８０】すなわち制御装置１０１は、ファイル装置
１０４内の視点用データファイルから、図１３に示すデ
ータ組、例えば、視点位置（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）：(10.0，5.0，8.0) 視点方向（ｃｄｘ，ｃｄｙ，ｃｄｚ）：(1.0，1.0，0.0) 角（α，β）：（４π／１６，３π／１６）ニアとファーの各クリッピング面までの距離（distN，distF）：(1.0，100.0) 着目物体用視角（α’，β’）：（４π／３２，３π／３２）をロードし、メモリ装置１０６に設定を行う。

【００８１】ここで、α、β、α’、β’は、図１６に
おける以下の角度を指すものとする。

【００８２】α ＝ ∠ＫＰＭ β ＝ ∠ＬＰＮ α’＝ ∠ＦＰＨ β’＝ ∠ＥＰＧステップＳ３ここでは、光源条件の初期化を行う。

【００８３】すなわち制御装置１０１は、ファイル装置
１０４内の光源用データファイルから、図１４に示すデ
ータ組、例えば以下のような値をロードし、メモリ装置
１０６に設定を行う。

【００８４】光源向き（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）：（−1.0，−1.0，−1.0）光源強度Ｉ： 10.0 ただし本実施例では、平行光源（無限遠に設定した光
源）を考えているため、光源位置は存在しない。

【００８５】ステップＳ４次に、制御装置１０１はデータ表示装置１０７である液
晶ディスプレイに注目物体の識別番号を入力を促すメッ
セージ注目物体の識別番号を入力してください＞＞＞を表示する。この状態でユーザは、着目物体の識別番号
をデータ入力装置１０２であるキーボードから入力す
る。入力された識別番号は、メモリ装置１０６内の変数
ｔａｒｇｅｔＩＤへ代入される。

【００８６】ユーザによる着目物体の識別番号の入力が
終わると、制御装置１０１は次ステップからの画像生成
処理のループを開始する。

【００８７】ステップＳ５画像生成処理ループの最初では、各物体のレンダリング
方式の設定を行う。

【００８８】図１６は、各物体のレンダリング方式の設
定方法を示したものである。

【００８９】制御装置１０１の命令で演算装置１０５
は、図のように視点から着目物***置（識別番号ｔａｒ
ｇｅｔＩＤを持つ物体の位置）への方向を中心とした左
右α’かつ上下β’の角度範囲に含まれる物体に対して
はこの物体のレンダリングモード変数ｒｍｏｄｅｉへ０
（通常レンダリングの意）を代入し、含まれない物体に
対しては同変数へ１（簡易レンダリングの意）を代入す
る。

【００９０】ステップＳ６ここでは、物体のレンダリングモード変数ｒｍｏｄｅｉ
を利用して、各物体のレンダリングを行う。

【００９１】すなわち、制御装置１０１の命令により演
算装置１０５は、メモリ装置１０５における各物体のレ
ンダリングモード変数ｒｍｏｄｅｉの値に応じて、以下
のようにレンダリング手法を切り替えて、ビデオメモリ
装置１０８上に各物体を構成するポリゴンの展開（ラス
タライズ）を行う。

【００９２】物体のｒｍｏｄｅｉが０の場合物体のレンダリング（クリッピング、シェーディング、
テスクチャーマッピング）を次の通常手法で行う。

【００９３】・クリッピング：物体を構成する各ポリゴ
ンのクリッピングを通常手法で行う。

【００９４】・シェーディング：スムーズシェーディン
グを行う。

【００９５】・テスクチャーマッピング：実行する。

【００９６】物体のｒｍｏｄｅｉが１の場合物体のレンダリング（クリッピング、シェーディング、
テスクチャーマッピング）を次の簡易手法で行う。

【００９７】・クリッピング：ビューボリュームに各物
***置（物体の基準位置）が含まれる場合は、物体を構
成する各ポリゴンのクリッピングを通常手法で行う。ま
た含まれない場合は、物体を構成するすべてのポリゴン
をレンダリング対象から排除する。この結果、簡易レン
ダリング指定の物体に関しては、物***置（物体の基準
位置）がビューボリュームの外にある場合は、たとえそ
の物体の一部がビューボリュームと交差していても描画
しないように動作する。

【００９８】・シェーディング：フラツトシェーディン
グを行う。

【００９９】・テスクチャーマッピング：実行しない。

【０１００】ただし、このレンダリング処理において、
当然のことながらビューボリュームと全く交差しない物
体（図１６における３０６非レンダリング物体）に関し
ては描画は実行されない。

【０１０１】このステップにてビデオメモリ装置１０８
上に作成された２次元画像は画像表示装置１０９へ渡さ
れ、表示が行われる。

【０１０２】生成画像の例として、図１６に示した３次
元空間の情景をレンダリングした２次元画像を図１７に
示す。

【０１０３】この図において、着目物体の周囲に配置さ
れた４つの物体はスムーズシェーディングとテスクチャ
ーマッピングが施され、その他の物体はフラットシェー
ディングのみ施されている。

【０１０４】ステップＳ７ここでは、各物体と視点の位置を更新する。

【０１０５】すなわち、制御装置１０１の命令により演
算装置１０５は、現時点の各物体の位置を物体の方向ベ
クトルが示す方向へ微小距離△ｄだけ移動する。同様に
現時点の視点位置を、視点の方向ベクトルが示す方向に
微小距離△ｆだけ移動する。ただし、物体（または視
点）の位置が、上記球状の移動可能領域の外となってい
る場合、新しい位置を領域境界上の最寄りの座標に設定
する。またこの際、物体（または視点）の新しい方向
を、適切に、すなわち球状領域の内側を向くようにラン
ダムに設定する。

【０１０６】ステップＳ８画像生成処理ループの最後で、制御装置１０１はユーザ
によるコマンド入力装置１０３への画像生成処理終了の
指示の有無を判断し、もしあれば画像生成処理を終了
し、なければステップＳ５に戻る。

【０１０７】（実施例２）本実施例は、請求項２記載の
画像生成装置に関するものである。

【０１０８】本実施例におけるシステム構成は、実施例
１の場合と同様に、図１で示される。

【０１０９】本実施例における画像生成処理のフローは
実施例１と同様に図１５で示されるが、３次元仮想空間
内の着目物***置を中心とする球領域に基づいて、物体
の分類を行っている点が異なる。これにともない、処理
フローにおけるステップＳ２とステップＳ５の処理内容
が、それぞれ以下のステップＳ２’とステップＳ５’の
ように変更される。

【０１１０】ステップＳ２’ ここでは、視点条件の初期化を行う。

【０１１１】すなわち制御装置１０１は、ファイル装置
１０４内の視点用データファイルから、図１８に示すデ
ータ組、例えば、視点位置（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）：（10.0，5.0，8.0）視点方向（ｃｄｘ，ｃｄｙ，ｃｄｚ）：（1.0，1.0，0.0）視角（α，β）：（４π／１６，３π／１６）ニアとファーの各クリッピング面までの距離(distN，distF)：(1.0,100.0) 着目物体用球領域半径targetR：5.0 をロードし、メモリ装置１０６における視点用データ組
の各データ領域に対し設定を行う。

【０１１２】ここで、α、βは、図１９における以下の
角度を指すものとする。

【０１１３】α ＝ ∠ＫＰＭ β ＝ ∠ＬＰＮステップＳ５’ 画像生成処理ループの最初では、各物体のレンダリング
方式の設定を行う。

【０１１４】図１９は、各物体のレンダリング方式の設
定方法を示したものである。

【０１１５】すなわち制御装置１０１の命令で演算装置
１０５は、図のように着目物体（識別番号ｔａｒｇｅｔ
ＩＤを持つ物体）の位置を中心とする半径ｔａｒｇｅｔ
Ｒの球境域内に含まれる物体に対してはこの物体のレン
ダリングモード変数ｒｍｏｄｅｉへ０（通常表示の意）
を代入し、含まれない物体に対しては同変数へ１（簡易
表示の意）を代入する。

【０１１６】本実施例における画像生成処理の過程で生
成される２次元画像の一例を図２０に示す。なおこの図
の画像は、図１９に示した３次元空間の情景をレンダリ
ングしたものである。図２０において、着目物体の周囲
に配置された４つの物体はスムーズシェーディングとテ
スクチャーマッピングが施され、その他の物体はフラツ
トシェーディングのみ施されている。なお、図１９の３
次元空間における物体と視点の配置は図１６の場合と全
く同じにしてあるが、生成される２次元画像のレンダリ
ング内容が異なっている。

【０１１７】すなわち、図１７の２次元画像と比較し
て、図２０では画像中の各物体の占有領域は同一である
が、通常レンダリングと簡易レンダリングの各対象物体
が異なっている。

【０１１８】

【発明の効果】以上に説明したように、本出願請求項１
に係る発明によれば、３次元仮想空間における視点から
の着目物体方向に基づいた角度範囲に基づいて各物体に
対するクリッピングやシェーディングのレンダリング処
理内容をダイナミックに切り替える手段を有すること
で、生成される２次元画像上で、着目物体およびその周
囲に配置される物体は高品位に、またその他の物体は簡
易的に表示できるようになり、コンピュータの計算負荷
を効率的に軽減するように動作するようになった。

【０１１９】さらには、着目物体とその周囲の物体を強
調して表示できるという、付加的な効果もある。

【０１２０】また本出願請求項２に係る発明によれば、
３次元仮想空間における着目物体に基づいた空間領域に
基づいて各物体に対するクリッピングやシェーディング
のレンダリング処理内容をダイナミックに切り替える手
段を有することで、生成される２次元画像上で、着目物
体およびその周囲に配置される物体は高品位に、またそ
の他の物体は簡易的に表示できるようになり、コンピュ
ータの計算負荷を効率的に軽減するように動作するよう
になった。

【０１２１】さらには、着目物体とその周囲の物体を強
調して表示できるという、付加的な効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１および２のシステム構成を示した図

【図２】３次元ＣＧにおける一般的な２次元画像生成
の流れを示した図

【図３】モデリング座標系における３次元物体を示し
た図

【図４】モデルデータの例を示した図

【図５】投影変換のための４つの座標系を示した図

【図６】投影変換を示した図

【図７】レンダリングにおけるクリッピング処理を示
した図で、（ａ）はクリッピング処理状態の斜面図、
（ｂ）は（ａ）のクリッピング処理の投影面の正面図

【図８】シェーディングモデルについて示した図

【図９】頂点の向きの求め方を示した図

【図１０】スムーズシェーディングの方法について示
した図

【図１１】パースペクティブコーディネートによるテ
スクチャーマッピング処理について示した図

【図１２】物体データリストについて示した図

【図１３】本発明実施例１における視点データ組につ
いて示した図

【図１４】光源データ組について示した図

【図１５】実施例１および２のフローチャートを示し
た図

【図１６】本発明実施例１における物体に対するレン
ダリング方法の決定方法について示した図

【図１７】本発明実施例１における生成画像の一例を
示した図

【図１８】本発明実施例２における視点データ組につ
いて示した図

【図１９】本発明実施例２における物体に対するレン
ダリング方法の決定方法について示した図

【図２０】本発明実施例２における生成画像の一例を
示した図

【符号の説明】

１０１制御装置１０２データ入力装置１０３コマンド入力装置１０４ファイル装置１０５演算装置１０６メモリ装置１０７データ表示装置１０８ビデオメモリ装置１０９画像表示装置３０１視点３０２着目物体３０３視点から見た着目物体の方向を基準とする角度
範囲３０４通常レンダリング対象物体３０５簡易レンダリング対象物体３０６非レンダリング物体３０７投影面（ニアクリッピング面）３０８視軸３０９視点から見た着目物体の方向４０１着目物体４０２通常レンダリング物体４０３簡易レンダリング物体５０１視点５０２着目物体５０３着目物体を中心とする球状領域５０４通常レンダリング対象物体５０５簡易レンダリング対象物体５０６非レンダリング物体５０７投影面（ニアクリッピング面）５０７視軸６０１着目物体６０２通常レンダリング物体６０３簡易レンダリング物体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5B050 AA03 BA09 BA11 BA18 EA07 EA28 EA29 EA30 FA02 5B080 BA01 BA03 BA05 BA07 GA11 GA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３次元仮想空間に設定した物体、および
光源、視点に基づいて前記空間の情景（シーン）を表す
２次元画像を生成する画像生成装置であって、物体のモ
デルデータを作成するモデリング手段、前記モデルデー
タを視点の座標系に変換する座標変換手段、前記視点座
標系によるモデルデータを投影面に投影する投影変換手
段、前記視点からの着目物体方向を基準する角度範囲に
基づいて各物体のレンダリング方法を切り替えるレンダ
リング手段、とを具備することを特徴とする画像生成装
置。
【請求項２】３次元仮想空間に設定した物体、光源、
および視点に基づいて前記空間の情景（シーン）を表す
２次元画像を生成する画像生成装置であって、物体のモ
デルデータを作成するモデリング手段、前記モデルデー
タを視点の座標系に変換する座標変換手段、前記視点座
標系によるモデルデータを投影面に投影する投影変換手
段、着目物***置に基づく空間領域に基づいて各物体の
レンダリング方法を切り替えるレンダリング手段、とを
具備することを特徴とする画像生成装置。
【請求項３】物体のモデルデータを投影面に写像する
投影変換手段、前記視点に基づいたビューボリューム
（作画領域）に基づいて描画に不必要な物体の面を排除
するクリッピング手段、物体を構成する面の奥行き比較
をして最も手前にある面を表示する隠面消去手段、物体
表面の陰影付けを行うシェーディング手段、物体表面に
２次元画像を写像するテスクチャーマッピング手段から
構成されることを特徴とする請求項１記載の画像生成装
置。
【請求項４】前記視点からの着目物体方向を基準とす
る角度範囲に基づいて各物体のクリッピング手段の内容
を変化させることを特徴とする請求項１記載の画像生成
装置。
【請求項５】前記視点からの着目物体方向を基準とす
る角度範囲に基づいて各物体のシェーディング手段の内
容を変化させることを特徴とする請求項１記載の画像生
成装置。
【請求項６】前記視点からの着目物体方向を基準とす
る角度範囲に基づいて各物体のテスクチャーマッピング
手段の内容を変化させることを特徴とする請求項１記載
の画像生成装置。
【請求項７】物体のモデルデータを前記投影面に写像
する投影変換手段、前記視点に基づいたビューボリュー
ム（作画領域）に基づいて描画に不必要な物体の面を排
除するクリッピング手段、物体を構成する面の奥行き比
較をして最も手前にある面を表示する隠面消去手段、物
体表面の陰影付けを行うシェーディング手段、物体表面
に２次元画像を写像するテスクチャーマッピング手段か
ら構成されることを特徴とする請求項２記載の画像生成
装置。
【請求項８】着目物***置に基づく空間領域に基づい
て各物体のクリッピング手段の内容を変化させることを
特徴とする請求項２記載の画像生成装置。
【請求項９】着目物***置に基づく空間領域に基づい
て各物体のシェーディング手段の内容を変化させること
を特徴とする請求項２記載の画像生成装置。
【請求項１０】着目物***置に基づく空間領域に基づ
いて各物体のテスクチャーマッピング手段の内容を変化
させることを特徴とする請求項２記載の画像生成装置。