JP2004054599A - Image processing device and method - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image processing device and an image processing method, by which fur or the like can be drawn speedily with high quality without using a filter having special function. <P>SOLUTION: The image processing device is provided with a bristle preparing part 11 for preparing each of bristles as a polygonal line in configurations that nodes ND are connected in a bristle coordinate system based on the whole attributes of bristles, and for outputting model information S11 of bristles, a plate/map preparing part 12 for classifying the model information of bristles into different bundles, and for preparing the information(equation) of a plane from the classified information of bristles, and for preparing a plate and map from the classified model information and the information of the plane, a map holding part 13 for holding the map information, and a plotting part 14 for plotting the plate prepared by the plate/map preparing part 12 based on the map information held by the map holding part 13. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近接する複数の線状物体が比較的にまとまった方向に発生している毛皮等を表現する画像処理装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昨今のコンピュータシステムにおける演算速度の向上や描画機能の強化とも相俟って、コンピュータ資源を用いて図形や画像の作成や処理を行う「コンピュータ・グラフィックス（ＣＧ）」技術が盛んに研究・開発され、さらに実用化されている。
【０００３】
たとえば、３次元グラフィックスは、３次元オブジェクトが所定の光源によって照らされたときの光学現象を数学モデルで表現して、このモデルに基づいてオブジェクト表面に陰影や濃淡を付けたり、さらには模様を貼り付けたりして、よりリアルで３次元的な２次元高精細画像を生成するものである。
このようなコンピュータ・グラフィックスは、科学、工学、製造などの開発分野でのＣＡＤ／ＣＡＭ、その他の各種応用分野においてますます盛んに利用されるようになってきている。
【０００４】
３次元グラフィックスは、一般には、フロントエンドとして位置づけられる「ジオメトリ・サブシステム」と、バックエンドとして位置づけられる「ラスタ・サブシステム」とにより構成される。
【０００５】
ジオメトリ・サブシステムとは、ディスプレイ・スクリーン上に表示する３次元オブジェクトの位置や姿勢などの幾何学的な演算処理を行う過程のことである。
ジオメトリ・サブシステムでは、一般にオブジェクトは多数のポリゴンの集合体として扱われ、ポリゴン単位で、「座標変換」、「クリッピング」、「光源計算」などの幾何学的な演算処理が行われる。
【０００６】
一方、ラスタ・サブシステムは、オブジェクトを構成する各ピクセル（ｐｉｘｅｌ）を塗りつぶす過程のことである。
ラスタライズ処理は、たとえばポリゴンの頂点毎に求められた画像パラメータを基にして、ポリゴン内部に含まれるすべてのピクセルの画像パラメータを補間することによって実現される。
ここで言う画像パラメータには、いわゆるＲＧＢ形式などで表される色（描画色）データ、奥行き方向の距離を表すｚ値などがある。
また、最近の高精細な３次元グラフィックス処理では、遠近感を醸し出すためのｆ（ｆｏｇ：霧）や、物体表面の素材感や模様を表現してリアリティを与えるテクスチャｔ（ｔｅｘｔｕｒｅ）なども、画像パラメータの１つとして含まれている。
【０００７】
ここで、ポリゴンの頂点情報からポリゴン内部のピクセルを発生する処理では、よくＤＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）と呼ばれる線形補間手法を用いて実行される。
ＤＤＡプロセスでは、頂点情報からポリゴンの辺方向へのデータの傾きを求め、この傾きを用いて辺上のデータを算出した後、続いてラスタ走査方向（Ｘ方向）の傾きを算出し、この傾きから求めたパラメータの変化分を走査の開始点のパラメータ値に加えていくことで、内部のピクセルを発生していく。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、各ピクセルの描画色の計算、すなわち色計算には表面の材質が大きく影響を及ぼす。平坦で均質な素材の表面の色計算は比較的容易であるが、たとえば動物の毛皮などの色計算は容易ではない。何故ならば、表面形状が複雑で、毛の密度によっては皮膚の色の影響を受けたり、毛の流れによって色も変化するからである。
【０００９】
動物の毛皮を描画する最も基本的な方法として、毛を１本１本描画する方法がある。
しかしながら、この方法は、毛を１本１本描画するために必要な計算量が膨大となってしまうという根本的な問題がある。
さらに、毛は半透明物質として描画するため、プリミティブ単位あるいはピクセル単位で奥行き方向にソート（ｚソート）する必要がある。これにも膨大な計算量を要する。
【００１０】
Ｋａｊｉｙａは、３次元マップを用い視線方向にテクセルを走査することによって、毛皮の質感を表現できることを示した（Ｋａｊｉｙａ，Ｊ．Ｔ　ａｎｄ　Ｔｉｍｏｔｈｙ　Ｌ．　Ｋａｙ．Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　Ｆｕｒ　ｗｉｔｈ　Ｔｈｒｅｅ　Ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｘｔｕｒｅｓ，ＳＩＧＧＲＡＰＨ　８９，ｐｐ．２７１−２８０、参照）。
しかしながら、この方法は、視線方向のテクセルの走査に描画時間が多く必要である。また、３次元マップを保持するための大容量のメモリ領域が必要となる。
【００１１】
Ｇｏ１ｄｍａｎは、ダルメシアンのような非常に短い毛の生え方がポアソン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）分布に従うと仮定することによって、確率的な見え方を計算し、高速に毛皮の質感を描画する方法を開発した（Ｇｏｌｄｍａｎ，Ｄ．Ｂ．，　Ｆａｋｅ　Ｆｕｒ　Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ，ＳＩＧＧＲＡＰＨ　９７，ｐｐ．１２７−１３４　、参照）　　。
この方法は、視線方向のテクセルの走査が必要なく、大容量のメモリも必要がない。
しかしながら、この方法は、短い毛が１ピクセル中に十分に多く存在する場合にのみ有効であり、たとえばダルメシアンより長い毛であったり、１ピクセル中にそれほど多く毛が存在しないような場合には用いることができない。
【００１２】
Ｌｅｎｇｙｅｌは、毛皮を同心の複数の半透明層（以下、シェル（ｓｈｅｌｌ）という）として描画する方法を提案した（Ｌｅｎｇｙｅｌ，Ｅ．Ｊ．，　Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ　Ｆｕｒ，　Ｅｕｒｏｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　２０００，　ｐｐ．２４３−２５６　、および、Ｌｅｎｇｙｅｌ，Ｅ．Ｊ．，　Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ　Ｆｕｒ　ｏｖｅｒ　Ａｒｂｉｔｒａｒｙ　Ｓｕｒｆａｃｅｓ　，ＡＣＭ　２００１　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　３Ｄ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ（ｈｔｔｐ：／／ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ．ｃｏｍ／　〜ｊｄｌ／）　参照）。
これは、シェルを内側から複数回描画し、重ね合わせて行くことで、毛皮を高速に描画できる。各シェルの色計算には、事前に毛のモデルから作成した３次元マップを用いる。
【００１３】
彼らはまた、ｎＶｉｄｉａのＧｅＦｏｒｃｅにおける頂点シェーダ、ピクセルシェーダへの実装を行い、この方法が実際に、有効であることを示した。
【００１４】
この方法では、Ｐｒａｕｎのラップドテクスチャ（ｌａｐｐｅｄ　ｔｅｘｔｕｒｅ）の手法（Ｐｒａｕｎ，Ｅ．，　Ｌａｐｐｅｄ　Ｔｅｘｔｒｕｒｅｓ，　ＳＩＧＧＲＡＰＨ　２０００，ｐｐ．４６５−４７０、参照）を用い、同しマップを縁り返し表面に貼り付けることで、必要なマップの総量を減らしている。
しかし、この方法では、依然として擬似的な３次元マップであり、シェルの数だけのマップはやはり必要となってしまうという問題がある。
【００１５】
また、シェルを用いた描画の本質的な問題として、エッジ近傍での画質の劣化がある。エッジ近傍では、毛の描画色か徐々に薄く見えるようになる。また、シェルの描画順がエッジ近傍では正しくないため、正しい色が得られない。
このエッジ近傍での画質上の問題点を、Ｌｅｎｇｙｅｌは皮膚上のメッシュの境界線上に、皮膚面に垂直にひれ状のプリミティブ（フィン：ｆｉｎ）を用いることで解決している。
フィン（ｆｉｎ）は、メッシュの境界上のどこにでも存在し、メッシュの境界がエッジに近い場合のみフィンを描画するようにしている。フィンの描画には、前述の３次元マップとは別のマップ（フィンテクスチャ（ｆｉｎ　　ｔｅｘｔｕｒｅ））を用いる。
【００１６】
Ｌｅｎｇｙｅｌは、メッシュの全ての境界線上に異なるフィンテクスチャを用意するのではなく、１種類のフィンテクスチャを使いまわすことで、必要なメモリ量を節約している。
しかしながら、Ｌｅｎｇｙｅｌが試みているのは、毛が全体的には皮膚面に対して垂直に立っている場合のみである。
この場合であれば、フィンテクスチャは１種類で済むが、たとえば毛が皮膚面に沿っているような場合には、視線と毛の方向との関係から様々なフィンテクスチャを選択する必要が生じる。
したがって、フィンテクスチャに必要なメモリ量は増大する。
【００１７】
また、フィンは半透明のプリミティブとして描画するため、正確な色計算のためには本来はｚソートを行わなければならないが、これについてＬｅｎｇｙｅｌは特に述べていない。
【００１８】
上記のような課題があるものの、シェルを用いた毛皮の描画は高速であり、単純形状の物体であれば、フィンの描画を除けば、半透明物体の重ねあわせに合うソーティングも必要ないという長所がある。
ところが、このシェルレンダリングでは毛の連続性を保てない。
【００１９】
毛の連続性を保つためには、フィルタを用いることが考えられる。この手法では。効果的に毛を描画できるが、フィルタを高速に実行する特別の機能を保持する必要がある。本機能を所持しないハードウェアでは、この処理は実装が困難である。
【００２０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、特別な機能を有するフィルタを用いることなく、毛皮等を高速にかつ質感高く描画することができる画像処理装置およびその方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点は、近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理装置であって、方向性をもって発生している近接する複数の線状物体を束なりとし、当該束なりに対応する板を作成する作成部と、所定のパラメータを基に上記作成部により作成された板を描画する描画部とを有する。
【００２２】
好適には、上記描画部は、上記作成部で作成した板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータに基づいて上記板の描画を行う。
【００２３】
好適には、上記作成部は、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類し、分類した複数の束なりのうち最も良く近似する束なりに基づいて板を作成する。
【００２４】
好適には、上記作成部は、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類するに際し、線状物に垂直な方向になるべく長く領域を取るように分類する。
【００２５】
好適には、上記作成部は、板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータを所定の軸に対して基準として作成し、かつ、当該作成に際し、線状物の生えている方向を上記所定の軸にほぼ平行に与えて作成し、上記描画部は、上記作成部で作成したマップデータに基づいて上記板の描画を行う。
【００２６】
本発明の第２の観点は、近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理装置であって、線状物のモデル情報を異なる束なりに分類し、分類した線状物の情報から、平面の情報を作成し、分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成する板／マップ作成部と、上記板／マップ作成部で作成したマップ情報を保持するマップ保持部と、板／マップ作成部により作成した板をマップ保持部に保持されているマップ情報に基づいて描画する描画部とを有する。
【００２７】
本発明の第３の観点は、近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理方法であって、方向性をもって発生している近接する複数の線状物体を束なりとし、当該束なりに対応する板を作成する第１のステップと、所定のパラメータを基に作成された板を描画する第２のステップとを有する。
【００２８】
本発明の第４の観点は、近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理方法であって、線状物のモデル情報を異なる束なりに分類する第１のステップと、分類した線状物の情報から、平面の情報を作成する第２のステップと、分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成する第３のステップと、上記第３のステップ作成したマップ情報を保持する第４のステップと、上記第３のステップで作成した板を上記第４のステップで保持した情報に基づいて描画する第５のステップとを有する。
【００２９】
本発明によれば、たとえば線状物のモデル情報が板／マップ作成部に供給される。
板／マップ作成部では、線状物のモデル情報を異なる束なりに分類される。分類した線状物の情報から、平面の情報が作成される。そして、分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成される。
板／マップ作成部で生成された板情報は、描画部に供給され、マップ情報はマップ保持部に供給され、保持される。
そして、描画部において、板／マップ作成部により作成した板がマップ保持部に保持されているマップ情報に基づいて描画される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る画像処理装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【００３２】
まず、本実施形態に係る画像処理装置１０の基本概念について説明する。
本画像処理装置１０は、２次元マップを用いた近接する複数の線状物体が比較的にまとまった方向に発生している毛皮の描画が可能である。
具体的には、画像処理装置１０は、毛の「束なり」を表現する板を複数枚描画することにより、毛皮を描画する。
図２に示すように、毛皮における毛は全てが独立に生えているのではなく、隣り合う毛同士は比較的まとまった方向に発生している。本実施形態においては、これを「束なり」と呼ぶことにする。
このような特徴は、毛髪などでは目立たず、毛皮に特有の現象である。
毛髪を１本１本ではなく、あるまとまった単位で描画するという手法は提案されている。しかしながら、毛髪の場合、毛がどの方向にまとまるといった特徴がないことから、十分に多くの毛をまとめた単位で描画することは困難である。
本実施形態においては、毛皮における毛が平面上に「束なり」を構成していることから、これら「束なり」を別々の板として描画することにより、毛皮の質感を損なわず、毛の情報をまとめた単位で描画することができるように構成されている。
この際、板を半透明の物体として描画するため、各板は正確に奥行き方向から順番にソーティングされる必要がある。これに対して、本実施形態においては、ピクセル単位でのソートが可能であること利用して対応している。これは既存ハードウェアでも十分に実現可能である。
【００３３】
図３は、図２に示した毛の束なりをそれぞれ板として表した図である。
本実施形態においては、板ＰＬＴを作成した後、図４に示すように、この板ＰＬＴに対して毛の色計算に必要な情報を投影する。その結果、板ＰＬＴそれぞれに対応して２次元のマップが作成できる。
マップには、毛の方向ベクトル、色、透過度といった情報が格納される。
なお、マップに格納する毛の情報は、各テクセルに対して一番上側の毛のみを格納することも可能であるが、これは必ずしもそうする必要はなく、各テクセルに対して複数の毛の情報の重み付け平均値を用いることもことも可能であり、有効である。
【００３４】
すなわち、本実施形態に係る画像処理装置１０は、３次元マップを用いず、単一の２次元マップを用いて描画する。
本画像処理装置１０では、このように、表現したい毛をなるべく分断しないようにサンプリングすることで、少ないメモリ容量で高画質な表現を可能としている。
【００３５】
本実施形態に係る画像処理は、描画前処理および描画時処理から構成される。描画前処理は毛のモデル作成や板およびマップ作成処理を含み、描画前に一度だけ行う。描画時処理は描画前に作成されたマップを用いて、リアルタイムで行う処理である。
以下に、本実施形態に係る画像処理装置１０の具体的な構成および処理内容について詳述する。
【００３６】
本画像処理装置１０は、図１に示すように、毛作成部１１、板／マップ作成部１２、マップ保持部１３、描画部１４、および描画色およびｚ値を保持するメモリ１５を有している。
描画前処理は毛作成部１１、板／マップ作成部１２、およびマップ保持部１３で行われ、描画後処理は、描画部１４、およびメモリ１５により行われる。
【００３７】
毛作成部１１は、毛の全体的な属性をもとに、図５に示すような、毛座標系において符号１−０，１−１，・・で示す毛の１本１本を折れ線として作成し、毛のモデル情報Ｓ１１として板／マップ作成部１２に供給する。
図５の例は、毛を２本だけ作成した状態を示している。各毛１−０，１−１は、丸で示した複数（図５の例では４）の節点ＮＤ００〜ＮＤ０３，ＮＤ１０〜ＮＤ１３を結合した折れ線で表現されている。
毛の属性は、基本的に先端部と末端部、すなわち一番先端の節点ＮＤ００，ＮＤ１０と、一番末端の節点ＮＤ０３，ＮＤ１３に対する属性として与える。そして、中間に存在する節点ＮＤ０１，ＮＤ０２、ＮＤ１１，ＮＤ１２の属性は、先端と末端の節点間を均等に補間して求める。
したがって、本実施形態においては、節点間の距離は、１本の毛においては同じとなっている。
【００３８】
板／マップ作成部１２は、毛作成部１１によりモデルとして与えられた毛の情報から板および色計算用のマップを作成し、作成した板情報Ｓ１２ａを描画部１４に供給し、マップ情報Ｓ１２ｂをマップ保持部１３に供給する。
【００３９】
図６は、板／マップ作成部１２の具体的な構成例を示すブロック図である。
【００４０】
この板／マップ作成部１２は、図６に示すように、束なり作成部１２１、平面作成部１２２、および投影部１２３を有している。
【００４１】
束なり作成部１２１は、毛作成部１１により与えられた毛のモデル情報を、異なる束なりに分類し、分類した束なり毎の毛のモデル情報を信号Ｓ１２１として平面作成部１２２および投影部１２３に出力する。
平面作成部１２２は、束なり作成部１２１において束なりに分類された毛の情報から、平面の情報（方程式）を作成し、信号Ｓ１２２として投影部１２３に出力する。
投影部１２３は、モデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成し、板情報Ｓ１２ａを描画部１４に供給し、マップ情報Ｓ１２ｂをマップ保持部１３に供給する。
【００４２】
以下に、板／マップ作成部１２の具体的な処理手順について詳述する。
【００４３】
毛作成部１１で作成される毛は、図５に示すように、仮想的に皮膚面を表現したｘｙｚ空間に、折れ線で定義され、ｘ−ｙ平面を仮想的な皮膚面とする。
この場合、折れ線の節点の座標それぞれにｘ，ｙ，ｚ座標が定義される。以下ではｉ番目の毛のｊ番目の節点ＮＤをｐ〔ｉ〕〔ｊ〕＝（ｘ〔ｉ〕〔ｊ〕，ｙ〔ｉ〕〔ｊ〕，ｚ〔ｉ〕〔ｊ〕）と記述することとする。なお、根元の節点番号をｊ＝０とする。根元は皮膚面に接していると考えられるので、ｚ座標は０である。
【００４４】
毛の束なりは、それぞれの毛に束なりの番号を与えることにより作成する。同一の束なりの番号を与えられた毛は、同一の束なりを構成する。すなわち、グループ化を行う。
毛の束なりは、以下の数１に示すような手順で作成する。
【００４５】
【数１】

【００４６】
数１に示す処理によれば、代表点は、束なりの数だけ平面に形成する。また、ランダムなｘ，ｙ座標を選択する場合には、たとえば乱数を用いる。
そして、毛を全部カウントして、最も近い代表点を持つ束なりを選択する。
【００４７】
ここでｄｉｓｔａｎｃｅは、単純なユークリッド距離であってもかまわないが、毛に垂直な方向により多く毛を集めるような距離を用いると、集めた毛の束なりが板状になり、より効果的である。
たとえば、下記の数２のように計算することができる。
図７は、この毛に垂直な方向により多く毛を集めるような距離を用いて集めた毛の束なりが板状になる様子を示す図である。
図７において、ここでｐは根元の位置、Ｒｅｐは代表点の位置である。
また、＜ｔ＞は毛の生えている方向ベクトル、＜ｇ＞はｐからＲｅｐへと向かうベクトルである。ａ，ｂはそれぞれ定数であり、ａがｂよりも大きいときに毛に垂直な方向により多くの毛が集められる。すなわち、ａ＞＞ｂの場合に、楕円のように横長に方向性を持たせることができる。
【００４８】
【数２】

【００４９】
そして、束なりを集めた後、それぞれを最も良く近似できる板を作成する。
平面の方程式は数３で表されるものとする。
【００５０】
【数３】
ａｘ＋ｂｙ＋ｚ＋ｄ＝０
【００５１】
ここで、平面がｚ軸に平行な場合は、この式で表現できないが、実用上は毛は皮膚に沿っていることから問題を生じない。以下ではａ，ｂ，ｃ，ｄを求める。
たとえば、好ましい平面を、毛に含まれる全ての節点とｚ軸に垂直な方向との距離の２乗和が最小になるものとすると、数３を得る。これは一般的な最小２乗法を、平面の方程式を求めるために用いたものである。
なお、ｘ〔ｉ〕，ｙ〔ｉ〕，ｚ〔ｉ〕はそれぞれ、束なりに含まれる節点のｘ，ｙ，ｚ座標を列挙したものとする。またＮは束なりに含まれる全部の節点の数とする。また、ｔは転置を示す。
【００５２】
【数４】
（（Σｘ〔ｉ〕^２　　Σｘ〔ｉ〕ｙ〔ｊ〕，Σｘ〔ｉ〕）
（Σｘ〔ｉ〕ｙ〔ｉ〕，Σｙ〔ｉ〕^２　，Σｙ〔ｉ〕）
（Σｘ〔ｉ〕，　Σｙ〔ｉ〕，　Ｎ））^ｔ　＊（ａ，ｂ，ｄ）^ｔ
＝（−Σｘ〔ｉ〕ｚ〔ｉ〕，−Σｙ〔ｉ〕ｚ〔ｉ〕，−Σｚ〔ｉ〕）^ｔ
【００５３】
数３をａ，ｂ，ｄについて、たとえばガウス法などを用いて解くことにより、平面の方程式を求めることができる。
この方程式をそのまま用いることは可能だが、たとえば図８のように板同士が重なる場合に、画質の劣化を伴う場合がある。
そこでａ，ｂについて、複数の板ＰＬＴにおけるａ，ｂの平均値（ａ´，ｂ´）とすることで、各板の傾きを同じとすることが有効である。
この際、数３におけるｄを、数４のように再度計算し直す。
【００５４】
【数５】
ｄ´＝−（ａ´ｘ〔ｉ〕＋ｂ´ｙ〔ｉ〕＋ｚ〔ｉ〕）／Ｎ
【００５５】
ここで定義できた平面に対して、束なりに属する毛の情報を、ある一定の方向から図４のようにして投影することによりマップを作成する。典型的には平面の垂直方向から投影する。
毛の情報としては、色計算に必要な情報であり、毛の方向ベクトル、毛の色、毛の透過度などがある。
【００５６】
図９は、平面に毛の情報を投影した様子を示す図である。
図９に示すように、情報が投影された部分を全て包含するような、平面上のある矩形領域（図中の点線で示された領域）を求め、これを最終的な板ＰＬＴとする。
なお、マップのｓ，ｔ軸は任意に決定できるが、ｓ軸あるいはｔ軸のいずれかが毛の方向と平行であるように選ぶことで、必要なマップの総量を減らすことができる。
【００５７】
図１０（Ａ）はｔ軸を毛にほぼ並行に与えた場合を示し、図１０（Ｂ）は斜めに与えた場合を示す図である。
図１０（Ａ）にようにｔ軸を毛にほぼ並行に与えた場合の方が、図１０（Ｂ）のように斜めに与えた場合に比べて、毛の情報をより有効に格納できる。
【００５８】
ここで、板／マップ作成部１２におけるマップ作成の具体的な方法の手順について、図１１に関連付けて説明する。
【００５９】
たとえば各板毎にｍａｐ＿ｈｅｉｇｈｔ×ｍａｐ＿ｗｉｄｔｈのサイズのマップを用意する。
マップには、ｈ_{（ｔｅｘ）}　（毛の高さ）、ｖａｌｉｄ（毛の存在するかどうかのフラグ）、Ｔ_{（ｔｅｘ）}　（テクスチャ座標系における毛の方向ベクトル）、Ｋｄ，Ｋｓ（拡散（ｄｉｆｆｕｓｅ）／鏡面（ｓｐｅｃｕｌａｒ）の反射率（ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ））、ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ（ｓｐｅｃｕｌａｒ　　ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ）、ｃｏｖ（ｃｏｖｅｒａｇｅ）を格納する。
【００６０】
マップは、図１１に示すように、毛１をｈ軸方向から投射して作成する。同じテクセル上に複数の毛が存在する場合には、最も上の毛の情報をテクセルに格納する。
【００６１】
以下、作成手順の詳細を記述する。
【００６２】
最初にｍａｐの全領域についてｖａｌｉｄを０とする（毛が存在しない）。また、ｈ_{（ｔｅｘ）}　を０とする（一番低い）。
続いて、求めた各節点のテクスチャ座標Ｐ_{（ｔｅｘ）}　（＝（ｓ_{（ｔｅｘ）}　，ｔ_{（ｔｅｘ）}　，ｈ_{（ｔｅｘ）}　））を用いて線分をマップ上に描画する。なお以下でｉ番目の節点の位置をＰ_ｉ　（＝（ｓ_ｉ　，ｔ_ｉ　，ｈ_ｉ　））と記述する。
【００６３】
折れ線はｉ＝０〜（節点数−２）について、ｉ番目の節点と（ｉ＋１）番目の節点の間の線分を描画する。まず、ｉ番目の節点と、（ｉ＋１）番目の節点のマップ上のテクセル座標（ｕ，ｖ）を数５のように求める。
【００６４】
【数６】
ｕ_ｉ　　　＝　　ｍａｐ＿ｗｉｄｔｈ　　　　＊　　　　ｓ_ｉ
ｖ_ｉ　　＝　　　　ｍａｐ＿ｈｅｉｇｈｔ　　＊　　　　ｔ_ｉ
ｕ_ｉ　＋_１　＝　　　　ｍａｐ＿ｗｉｄｔｈ　　　　＊　　　　ｓ_ｉ　＋_１
ｖ_ｉ　＋_１　＝　ｍａｐ＿ｈｅｉｇｈｔ　　＊　　ｔ_ｉ　＋_１
【００６５】
線分の端点（すなわちｉ番目の節点と（ｉ＋１）番目の節点）での毛の方向ベクトルＴは以下のように計算する。
【００６６】
【数７】
Ｔ_ｉ　＝Ｐ_ｉ　＋_１　−Ｐ_ｉ
Ｔ_ｉ　＋_１　＝Ｔ_ｉ
【００６７】
ＴおよびＫｄ，Ｋｓ，ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ，ｈ（Ｐの３番目の要素）およびｗｉｄｔｈが端点で求まっている。両端での値をもとに（ｕ_ｉ　，ｖ_ｉ　），（ｕ_ｉ　＋_１　，ｖ_ｉ　＋_１　）の間を結ぶ線分上のＴ，Ｋｄ，Ｋｓ，ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ，ｈ，ｗｉｄｔｈを線形補間により求める。
【００６８】
次にＴ，Ｋｄ，Ｋｓ，ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ，ｈの値をマップ上に描画する。線分の途中での値は、両端の値を補間して求める。ただし書き込むのは、ｈの値がテクセルに書き込まれているｈの値以上の場合とする。値を書き込んだ場合は、該当するテクセルのｖａｌｉｄを１（毛が存在する）とする。
【００６９】
この際、通常のラインアンチエイリアスの手法で、各テクセルのカバレッジｃｏｖを求める。更に、各テクセルでのｗｉｄｔｈ値を考慮して、以下のようにカバレッジを算出する。
【００７０】
【数８】
ｃｏｖ＝ｍｉｎ（ｃｏｖ＊ｗｉｄｔｈ，　１．０）
【００７１】
また、マップについて、有効なテクセルを調べ、その最大なところまでを新しマップサイズとする。これにより、マップのサイズを小さくすることができる。
【００７２】
マップ保持部１３は、たとえばＳＲＡＭ等のメモリにより構成され、板／マップ作成部１２で作成され、各種パラメータや高さ情報、透過度情報が付加された２次元マップを保持し、保持したマップ情報を描画部１４に出力する。
マップ保持部１３は、たとえば与えられたマップ番号、テクスチャ座標に従ってテクセルの内容を出力する。
【００７３】
上記までは、通常リアルタイムで実行する必要はなく、描画前に時間をかけて行えばよい種類の描画前処理である。
【００７４】
描画部１４は、板／マップ作成部１２による板をマップ保持部１３に保持されているマップ情報に基づいて描画する。
これにより、毛皮の質感を表現することが可能となる。
【００７５】
前述した通り、板は皮膚面を仮想化した空間に作成しているため、これを実際に描画する際は、板の各頂点をオブジェクトが存在する空間に変換する必要がある。
仮想的な空間の原点が、オブジェクト空間の０点に存在するとする。またこの点において皮膚の法線ベクトル＜ｎ＞、ｓ，ｔ方向のベクトル＜ｓ＞，＜ｔ＞のように与えられるとすると、数８のように各頂点のオブジェクト空間での座標ｖは計算できる。
【００７６】
【数９】
Ｖ＝０＋ｘ＊＜ｓ＞＋ｙ＋＜ｔ＞＋ｚ＋＜ｎ＞
【００７７】
以上のようにして、毛の束なりから板を作成し、これを描画することにより、毛皮の質感を良好に表現することができる。
【００７８】
以下に、描画部１４の描画処理についてさらに説明する。
【００７９】
メモリ１５は、たとえばフレームバッファと同サイズの５種類のバッファを持つ。具体的には、色バッファ（ＣＢＵＦ）、深さバッファ（ＤＢＵＦ）、色バッファ２（ＣＢＵＦ２）、深さバッファ２（ＤＢＵＦ２）、最近傍バッファ（ＮＥＡＲＥＳＴ）である。
【００８０】
描画部１４は、はじめに、以下のようにバッファを全てのピクセルについて初期化する。
色バッファＣＢＵＦ，ＣＢＵＦ２を背景色に、深さバッファＤＢＵＦ、ＤＢＵＦ２、および最近傍バッファＮＥＡＲＥＳＴを最遠方の値に初期化する。
【００８１】
繰り返し回数が０回目の場合は、以下のようにして、最近傍バッファＮＥＡＲＥＳＴにピクセル毎の最も視点に近い場合のｚ値を格納する。
【００８２】
【数１０】

【００８３】
いずれの繰り返し回数であっても、以下のような条件で色バッファＣＢＵＦ２，深さバッファＤＢＵＦ２を更新する。
【００８４】
【数１１】

【００８５】
シーン内の全ての板の描画が完了したならば、色バッファＣＢＵＦ２，深さバッファＤＢＵＦ２に内容を色バッファＣＢＵＦ，深さバッファＤＢＵＦへとコピーし、深さバッファＤＢＵＦ２を最遠方の値とする。
全ての描画ピクセルについて、最近傍バッファＮＥＡＲＥＳＴと深さバッファが一致したならば、完了フラグをｔｒｕｅ（真）とする。
一致しないならば、完了フラグはｆａｌｓｅである。
繰り返し描画を終了したときに、最終的な描画色は色バッファＣＢＵＦに格納される。
【００８６】
次に、図１の構成の画像処理装置の動作を説明する。
【００８７】
まず、描画前処理として、毛作成部１１において、毛の全体的な属性をもとに、毛座標系において節点ＮＤを接続した形態で毛の１本１本が折れ線として作成され、毛のモデル情報Ｓ１１として板／マップ作成部１２に供給される。
【００８８】
板／マップ作成部１２においては、毛作成部１１により与えられた毛のモデル情報が束なり作成部１２１に入力される。
束なり作成部１２においては、毛のモデル情報が異なる束なりに分類される。分類された束なり毎の毛のモデル情報が信号Ｓ１２１として束なり作成部１２１から平面作成部１２２および投影部１２３に供給される。
平面作成部１２２では、束なり作成部１２１において束なりに分類された毛の情報から、平面の情報（方程式）が作成され、信号Ｓ１２２として投影部１２３に出力される。
投影部１２３は、モデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成し、板情報Ｓ１２ａを描画部１４に供給し、マップ情報Ｓ１２ｂをマップ保持部１３に供給する。
【００８９】
このように、毛のモデル情報Ｓ１１が供給された板／マップ作成部１２においては、与えられた毛の情報から板およびマップが作成され、作成した板情報Ｓ１２ａが描画部１４に供給され、マップ情報Ｓ１２ｂがマップ保持部１３に供給される。
なお、生成した２次元マップには、シェルの描画時に必要なパラメータ（Ｋｄ、Ｋｓ、Ｋａ、Ｔｔ、ｃｏｖ、ｓｈｉｎｉｎｅｓｓ）、高さ（ｈ）情報等が含まれている。
【００９０】
そして、描画部１４において、板／マップ作成部１２による板がマップ保持部１３に保持されているマップ情報に基づいて描画される。
このとき、板は皮膚面を仮想化した空間に作成しているため、これを実際に描画する際は、板の各頂点がオブジェクトが存在する空間に変換される。
以上のようにして、毛の束なりから板を作成し、これを描画することにより、毛皮の質感を良好に表現することができる。
【００９１】
以上説明したように、本実施形態によれば、毛の全体的な属性をもとに、毛座標系において節点ＮＤを接続した形態で毛の１本１本が折れ線として作成し、毛のモデル情報Ｓ１１を出力する毛作成部１１と、毛のモデル情報を異なる束なりに分類し、分類した毛の情報から、平面の情報（方程式）を作成し、分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成する板／マップ作成部１２と、マップ情報を保持するマップ保持部１３と、板／マップ作成部１２による板をマップ保持部１３に保持されているマップ情報に基づいて描画する描画部１４とを設けたので、特別な機能を有するフィルタを用いることなく、毛皮を高速に描画することができ、毛皮の質感を良好に表現することができる利点がある。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特別な機能を有するフィルタを用いることなく、毛皮を高速に描画することができる。
また、ハードウェアの増大を防止できることはもとより、毛皮の質感を高精度に表現することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像処理装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本実施形態に係る毛の「束なり」について説明するための図である。
【図３】図２に示した毛の束なりをそれぞれ板として表した図である。
【図４】２次元のマップの作成概念を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係る毛作成部の毛のモデル作成方法を説明するための図である。
【図６】本実施形態に係る板／マップ作成部の具体的な構成例を示すブロック図である。
【図７】毛に垂直な方向により多く毛を集めるような距離を用いて集めた毛の束なりが板状になる様子を示す図である。
【図８】板同士が重なった状態を示し、画質の劣化を伴う場合があることを説明するための図である。
【図９】平面に毛の情報を投影した様子を示す図である。
【図１０】（Ａ）はｔ軸を毛にほぼ並行に与えた場合を示す図、（Ｂ）は斜めに与えた場合を示す図である。
【図１１】本実施形態に係るマップ作成の具体的な手順を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…画像処理装置、１１…毛作成部、１２…板／マップ作成部、１２１…束なり作成部、１２２…平面作成部、１２３…投影部、１３…マップ保持部、１４…描画部、１５…メモリ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image processing apparatus and a method for expressing fur or the like in which a plurality of linear objects approaching each other in a relatively unified direction.
[0002]
[Prior art]
The computer graphics (CG) technology, which creates and processes graphics and images using computer resources, has been actively researched and developed in conjunction with the recent increase in computational speed and the enhancement of drawing functions in computer systems. It has been put to practical use.
[0003]
For example, three-dimensional graphics expresses an optical phenomenon when a three-dimensional object is illuminated by a predetermined light source by using a mathematical model, and based on this model, shades, shades, and even patterns on the object surface. By pasting, a more realistic three-dimensional two-dimensional high-definition image is generated.
Such computer graphics have been increasingly used in CAD / CAM and other various application fields in development fields such as science, engineering, and manufacturing.
[0004]
The three-dimensional graphics generally includes a “geometry subsystem” positioned as a front end and a “raster subsystem” positioned as a back end.
[0005]
The geometry subsystem is a process of performing a geometric operation such as a position and a posture of a three-dimensional object displayed on a display screen.
In the geometry subsystem, an object is generally treated as an aggregate of a large number of polygons, and geometric calculation processing such as “coordinate conversion”, “clipping”, and “light source calculation” is performed in units of polygons.
[0006]
On the other hand, the raster subsystem is a process of painting each pixel constituting an object.
The rasterizing process is realized by, for example, interpolating the image parameters of all the pixels included in the polygon based on the image parameters obtained for each vertex of the polygon.
The image parameters referred to here include color (rendering color) data expressed in a so-called RGB format and the like, z values indicating a distance in the depth direction, and the like.
In recent high-definition three-dimensional graphics processing, f (fog: fog) for creating perspective and texture t (texture) for expressing reality by expressing the texture and pattern of the surface of an object, It is included as one of the image parameters.
[0007]
Here, the process of generating pixels inside the polygon from the vertex information of the polygon is often performed using a linear interpolation method called DDA (Digital @ Differential @ Analyzer).
In the DDA process, the inclination of data in the direction of the side of the polygon is obtained from the vertex information, the data on the side is calculated using this inclination, and then the inclination in the raster scanning direction (X direction) is calculated. The internal pixel is generated by adding the parameter change obtained from the above to the parameter value of the scanning start point.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the calculation of the drawing color of each pixel, that is, the color calculation has a great influence on the surface material. The color calculation of the surface of a flat and homogeneous material is relatively easy, but the color calculation of eg animal fur is not easy. This is because the surface shape is complicated, the skin color is affected by the hair density, and the color is also changed by the hair flow.
[0009]
As the most basic method of drawing animal fur, there is a method of drawing hair one by one.
However, this method has a fundamental problem that the amount of calculation required to draw hair one by one becomes enormous.
Further, since hair is drawn as a translucent substance, it is necessary to sort (z-sort) in the depth direction in primitive units or pixel units. This also requires a huge amount of calculation.
[0010]
Kajiya has shown that the texture of fur can be expressed by scanning a texel in the direction of the line of sight using a three-dimensional map (Kajiya, J. T. And Timothy L. Kay. Rendering Fur Full with The Three Dimensions, IG 271-280).
However, this method requires a long drawing time for scanning the texel in the line of sight. Further, a large-capacity memory area for holding the three-dimensional map is required.
[0011]
Goldman has developed a method of calculating a stochastic appearance and rapidly drawing the texture of fur by assuming that a very short hair growth like Dalmatian follows a Poisson distribution (Goldman). , DB, {Fake Fur Rendering, SIGGRAPH 97, pp. 127-134}.
This method does not require scanning of texels in the line of sight, and does not require a large-capacity memory.
However, this method is effective only when there are sufficiently many short hairs in one pixel, and is used, for example, when the hair is longer than Dalmatian or when there is not much hair in one pixel. I can't.
[0012]
Lengyel proposed a method of drawing fur as a plurality of concentric translucent layers (hereinafter, referred to as shells) (Lengyel, EJ, Real-Time Fur, Eurographics Rendering Workshop 2000, pp. 243--). 256, and Lengiel, EJ, Real-Time Fur over Arbitrary Surfaces, ACM 2001 Symposium on Interactive 3D Graphics (http://research.micros.com/).
This means that the fur can be drawn at high speed by drawing the shell several times from the inside and superimposing them. For calculating the color of each shell, a three-dimensional map created in advance from a hair model is used.
[0013]
They also implemented an implementation on the vertex shader, pixel shader in nVidia's GeForce, and showed that this method was indeed valid.
[0014]
In this method, a method of Praun's wrapped texture (wrapped texture) (see Praun, E., {Lapped Textures, $ SIGGRAPH} 2000, pp. 465-470) is used, and the same map is attached to the wrapped surface. And reduce the total amount of maps needed.
However, this method still has a problem in that the map is still a pseudo three-dimensional map, and maps as many as the number of shells are still required.
[0015]
Further, as an essential problem of drawing using a shell, there is deterioration in image quality near an edge. In the vicinity of the edge, the drawing color of the hair becomes gradually faint. Further, since the drawing order of the shell is not correct near the edge, a correct color cannot be obtained.
Lengiel solves the problem of the image quality near the edge by using a fin-shaped primitive (fin: fin) perpendicular to the skin surface on the boundary of the mesh on the skin.
Fins are present anywhere on the boundary of the mesh, and are drawn only when the boundary of the mesh is close to the edge. In drawing the fins, a map (fin texture (fin @ texture)) different from the above-described three-dimensional map is used.
[0016]
Lengiel saves the required amount of memory by reusing one type of fin texture instead of preparing different fin textures on every boundary of the mesh.
However, Lengyel attempts only when the hair is generally standing perpendicular to the skin surface.
In this case, only one type of fin texture is needed. For example, when the hair is along the skin surface, various fin textures need to be selected from the relationship between the line of sight and the direction of the hair.
Therefore, the amount of memory required for the fin texture increases.
[0017]
In addition, since fins are drawn as translucent primitives, z-sorting must be performed for accurate color calculation, but Lengyel does not particularly mention this.
[0018]
Despite the problems described above, fur drawing using a shell is fast, and for objects with simple shapes, there is no need for sorting that matches the superimposition of translucent objects, except for drawing fins. There is.
However, the continuity of the hair cannot be maintained in this shell rendering.
[0019]
In order to maintain hair continuity, it is conceivable to use a filter. In this technique. Although it can draw hair effectively, it needs to retain special features that make the filter run faster. This processing is difficult to implement on hardware that does not have this function.
[0020]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an image processing apparatus and method capable of drawing fur and the like with high speed and high quality without using a filter having a special function. To provide.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is an image processing apparatus for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated in a directional manner, wherein the linear objects are generated in a directional manner. It has a creating unit that forms a plurality of adjacent linear objects into a bundle and creates a plate corresponding to the bundle, and a drawing unit that draws the plate created by the creating unit based on predetermined parameters.
[0022]
Preferably, the drawing section draws the board based on map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the board created by the creating section.
[0023]
Preferably, the creation unit classifies the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles, and creates a board based on the best approximation among the plurality of classified bundles.
[0024]
Preferably, when the information of the linear object given as the model is classified into a plurality of bundles, the creating unit classifies the information so as to take an area as long as possible in a direction perpendicular to the linear object.
[0025]
Preferably, the creating unit creates map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the plate as a reference with respect to a predetermined axis, and, at the time of the creation, generates linear objects. The drawing unit draws the board based on the map data created by the creating unit.
[0026]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an image processing apparatus for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated with a direction, classifying the model information of the linear objects into different bundles, A board / map creating unit that creates plane information from the classified linear object information, and creates a board and a map from the classified model information and plane information, and the map information created by the board / map creating unit. And a drawing unit that draws the board created by the board / map creating unit based on the map information held in the map holding unit.
[0027]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an image processing method for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated in a directional manner, wherein the plurality of adjacent linear objects are generated in a directional manner. As a bundle, a first step of creating a board corresponding to the bundle, and a second step of drawing the board created based on predetermined parameters.
[0028]
A fourth aspect of the present invention is an image processing method for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated with a direction, and a method for classifying linear model information into different bundles. Step 1, a second step of creating plane information from the classified linear object information, a third step of creating a board and a map from the classified model information and plane information, The method includes a fourth step of holding the map information created in the third step, and a fifth step of drawing the board created in the third step based on the information held in the fourth step.
[0029]
According to the present invention, for example, model information of a linear object is supplied to the board / map creating unit.
In the plate / map creating unit, the model information of the linear object is classified into different bundles. Plane information is created from the classified linear object information. Then, a board and a map are created from the classified model information and plane information.
The board information generated by the board / map creation unit is supplied to the drawing unit, and the map information is supplied to the map holding unit and held.
Then, the drawing unit draws the board created by the board / map creation unit based on the map information held in the map holding unit.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the image processing apparatus according to the present invention.
[0032]
First, a basic concept of the image processing apparatus 10 according to the present embodiment will be described.
The image processing apparatus 10 is capable of drawing fur in which a plurality of adjacent linear objects are generated in a relatively unified direction using a two-dimensional map.
Specifically, the image processing apparatus 10 draws the fur by drawing a plurality of boards expressing the “bundle” of the hair.
As shown in FIG. 2, not all the hairs on the fur grow independently, but adjacent hairs are generated in a relatively cohesive direction. In the present embodiment, this is referred to as "bundle".
Such a feature is inconspicuous in hair and the like, and is a phenomenon peculiar to fur.
There has been proposed a method of drawing hair in a certain unit instead of one by one. However, in the case of hair, it is difficult to draw a sufficiently large number of hairs in a unit because there is no feature that the hairs are arranged in any direction.
In the present embodiment, since the hairs of the fur constitute a "bundle" on a plane, by drawing these "bundles" as separate plates, the texture of the fur is not impaired, Is configured to be able to be drawn in a unit in which
At this time, in order to draw the boards as translucent objects, the boards need to be sorted accurately and sequentially from the depth direction. In the present embodiment, on the other hand, the fact that sorting can be performed on a pixel basis is used to cope with the situation. This can be realized sufficiently with existing hardware.
[0033]
FIG. 3 is a diagram showing the bundle of hairs shown in FIG. 2 as plates.
In the present embodiment, after the plate PLT is created, information necessary for hair color calculation is projected on the plate PLT as shown in FIG. As a result, a two-dimensional map can be created corresponding to each plate PLT.
The map stores information such as the direction vector, color, and transparency of hair.
In addition, the hair information stored in the map may store only the top hair for each texel, but this is not necessarily necessary, and a plurality of hairs may be stored for each texel. It is also possible to use a weighted average value of information, which is effective.
[0034]
That is, the image processing apparatus 10 according to the present embodiment draws using a single two-dimensional map without using a three-dimensional map.
In this way, the image processing apparatus 10 enables high-quality image expression with a small memory capacity by sampling the hair to be expressed as little as possible.
[0035]
The image processing according to the present embodiment includes pre-drawing processing and drawing-time processing. The pre-drawing process includes hair model creation, board and map creation processing, and is performed only once before drawing. The drawing process is a process performed in real time using a map created before drawing.
Hereinafter, a specific configuration and processing contents of the image processing apparatus 10 according to the present embodiment will be described in detail.
[0036]
As shown in FIG. 1, the image processing apparatus 10 includes a hair creating unit 11, a board / map creating unit 12, a map holding unit 13, a drawing unit 14, and a memory 15 that holds drawing colors and z values. I have.
The pre-drawing process is performed by the bristle creator 11, the board / map creator 12, and the map holding unit 13, and the post-drawing process is performed by the drawing unit 14 and the memory 15.
[0037]
Based on the overall attributes of the hair, the hair creating unit 11 uses the hairs 1-0, 1-1,... In the hair coordinate system as broken lines as shown in FIG. It is created and supplied to the board / map creation unit 12 as hair model information S11.
The example of FIG. 5 shows a state in which only two hairs are created. Each hair 1-0, 1-1 is represented by a polygonal line connecting a plurality of (4 in the example of FIG. 5) nodes ND00 to ND03, ND10 to ND13 indicated by circles.
The attributes of the hairs are basically given as attributes for the distal end and the distal end, that is, the foremost nodes ND00 and ND10 and the foremost nodes ND03 and ND13. Then, the attributes of the nodes ND01, ND02, ND11, and ND12 existing in the middle are obtained by evenly interpolating between the leading and trailing nodes.
Therefore, in the present embodiment, the distance between the nodes is the same for one hair.
[0038]
The board / map creation unit 12 creates a board and a color calculation map from the hair information given as a model by the hair creation unit 11, supplies the created board information S12a to the drawing unit 14, and converts the map information S12b. It is supplied to the map holding unit 13.
[0039]
FIG. 6 is a block diagram illustrating a specific configuration example of the board / map creation unit 12.
[0040]
As shown in FIG. 6, the board / map creating unit 12 includes a bundle creating unit 121, a plane creating unit 122, and a projecting unit 123.
[0041]
The bundle creation unit 121 classifies the hair model information provided by the hair creation unit 11 into different bundles, and uses the model information of the hair for each classified bundle as a signal S121 as the plane creation unit 122 and the projection unit 123. Output to
The plane creating unit 122 creates plane information (equation) from the hair information classified in the bundle by the bundle creating unit 121 and outputs the information to the projection unit 123 as a signal S122.
The projection unit 123 creates a board and a map from the model information and the plane information, supplies the board information S12a to the drawing unit 14, and supplies the map information S12b to the map holding unit 13.
[0042]
Hereinafter, a specific processing procedure of the board / map creating unit 12 will be described in detail.
[0043]
As shown in FIG. 5, the hair created by the hair creation unit 11 is defined by a polygonal line in an xyz space that virtually represents the skin surface, and the xy plane is a virtual skin surface.
In this case, x, y, and z coordinates are defined for each of the coordinates of the nodes of the polygonal line. Hereinafter, the j-th node ND of the i-th hair is described as p [i] [j] = (x [i] [j], y [i] [j], z [i] [j]). And It is assumed that the root node number is j = 0. Since the root is considered to be in contact with the skin surface, the z coordinate is zero.
[0044]
Hair bundles are created by giving each hair a bundle number. Hairs that have been given the same bundle number constitute the same bundle. That is, grouping is performed.
The bundle of hairs is created by the procedure as shown in the following Expression 1.
[0045]
(Equation 1)

[0046]
According to the processing shown in Expression 1, the representative points are formed on the plane by the number of bundles. When selecting random x and y coordinates, for example, random numbers are used.
Then, all the hairs are counted, and a bundle having the closest representative point is selected.
[0047]
Here, the distance may be a simple Euclidean distance. However, if a distance that collects more hair in the direction perpendicular to the hair is used, the bundle of collected hair becomes a plate shape, which is more effective. is there.
For example, it can be calculated as in Equation 2 below.
FIG. 7 is a diagram showing a state in which a bundle of hairs collected using a distance that collects more hairs in a direction perpendicular to the hairs becomes a plate shape.
In FIG. 7, p is a root position, and Rep is a position of a representative point.
<T> is a direction vector where hairs grow, and <g> is a vector from p to Rep. a and b are constants, and when a is larger than b, more hair is collected in the direction perpendicular to the hair. That is, in the case of a >> b, it is possible to give a direction to a horizontally long shape like an ellipse.
[0048]
(Equation 2)

[0049]
After collecting the bundles, a plate that can best approximate each of them is created.
The equation of the plane is represented by Equation 3.
[0050]
(Equation 3)
ax + by + z + d = 0
[0051]
Here, when the plane is parallel to the z-axis, it cannot be expressed by this equation, but in practice, there is no problem because the hair is along the skin. Hereinafter, a, b, c, and d are obtained.
For example, assuming that the preferred plane is such that the sum of the squares of the distances between all nodes included in the hair and the direction perpendicular to the z-axis is minimized, Equation 3 is obtained. This uses a general least-squares method to obtain a plane equation.
Note that x [i], y [i], and z [i] are lists of the x, y, and z coordinates of the nodes included in the bundle. N is the number of all nodes included in the bundle. Also, t indicates transposition.
[0052]
(Equation 4)
((Σx [i]²Σx [i] y [j], Σx [i])
(Σx [i] y [i], Σy [i]², Σy [i])
(Σx [i], Σy [i], N))^t* (A, b, d)^t
= (-Σx [i] z [i], -Σy [i] z [i], -Σz [i])^t
[0053]
By solving Equation 3 for a, b, and d using, for example, a Gaussian method, a plane equation can be obtained.
Although this equation can be used as it is, for example, when the plates are overlapped as shown in FIG. 8, the image quality may be deteriorated.
Therefore, it is effective to make the inclination of each plate the same by setting a and b to the average value (a ′, b ′) of a and b in a plurality of plates PLT.
At this time, d in Equation 3 is calculated again as in Equation 4.
[0054]
(Equation 5)
d '=-(a'x [i] + b'y [i] + z [i]) / N
[0055]
A map is created by projecting information on hairs belonging to a bundle from a certain direction as shown in FIG. 4 onto the plane defined here. Typically, the projection is performed from the vertical direction of the plane.
Hair information is information necessary for color calculation, and includes a hair direction vector, hair color, and hair transparency.
[0056]
FIG. 9 is a diagram showing a state in which hair information is projected on a plane.
As shown in FIG. 9, a certain rectangular area on the plane (an area shown by a dotted line in the figure) that includes all the portions where the information is projected is obtained, and this is set as a final plate PLT.
Although the s and t axes of the map can be determined arbitrarily, the total amount of the necessary map can be reduced by selecting either the s axis or the t axis so as to be parallel to the direction of the hair.
[0057]
FIG. 10A shows a case where the t-axis is given to the hair substantially in parallel, and FIG. 10B shows a case where the t-axis is given diagonally.
Hair information can be stored more effectively when the t-axis is given to the hair almost in parallel as shown in FIG. 10A than when it is given diagonally as shown in FIG. 10B.
[0058]
Here, a procedure of a specific method of creating a map in the board / map creating unit 12 will be described with reference to FIG.
[0059]
For example, a map having a size of map_height × map_width is prepared for each board.
The map contains h_(Tex)(Hair height), valid (hair presence flag), T_(Tex)(Hair direction vector in the texture coordinate system), Kd, Ks (diffuse / specular reflectance), shiness (specular sineness), and cov (coverage) are stored.
[0060]
The map is created by projecting the hair 1 from the h-axis direction, as shown in FIG. If a plurality of hairs exist on the same texel, the information of the top hair is stored in the texel.
[0061]
The details of the creation procedure are described below.
[0062]
First, the valid is set to 0 (there is no hair) for the entire region of the map. Also, h_(Tex)Is set to 0 (lowest).
Subsequently, the obtained texture coordinates P of each node are obtained._(Tex)(= (S_(Tex), T_(Tex), H_(Tex)線) Draw a line segment on the map using In the following, the position of the i-th node is P_i(= (S_i, T_i, H_i)).
[0063]
The polygonal line draws a line segment between the i-th node and the (i + 1) -th node for i = 0 to (number of nodes -2). First, texel coordinates (u, v) on the map of the i-th node and the (i + 1) -th node are obtained as shown in Expression 5.
[0064]
(Equation 6)
u_i= Map_width * s_i
v_i= Map_height * t_i
u_i+₁= Map_width * s_i+₁
v_i+₁= Map_height * t_i+₁
[0065]
The direction vector T of the hair at the end point of the line segment (that is, the i-th node and the (i + 1) -th node) is calculated as follows.
[0066]
(Equation 7)
T_i= P_i+₁-P_i
T_i+₁= T_i
[0067]
T and Kd, Ks, shininess, h (the third element of P), and width are obtained at the end points. Based on the values at both ends (u_i, V_i), (U_i+₁, V_i+₁The values of T, Kd, Ks, sineness, h, and width on the line segment connecting) are obtained by linear interpolation.
[0068]
Next, the values of T, Kd, Ks, shininess, and h are drawn on the map. The value in the middle of the line segment is obtained by interpolating the values at both ends. However, writing is performed when the value of h is equal to or greater than the value of h written in the texel. When a value is written, the valid of the corresponding texel is set to 1 (hair is present).
[0069]
At this time, the coverage cov of each texel is obtained by a normal line anti-aliasing technique. Further, taking into consideration the width value of each texel, the coverage is calculated as follows.
[0070]
(Equation 8)
cov = min (cov * width, $ 1.0)
[0071]
In addition, valid texels are checked for the map, and up to the maximum value is set as a new map size. Thus, the size of the map can be reduced.
[0072]
The map holding unit 13 is configured by a memory such as an SRAM, for example, and holds a two-dimensional map created by the board / map creating unit 12 and added with various parameters, height information, and transparency information. Is output to the drawing unit 14.
The map holding unit 13 outputs the contents of the texel according to, for example, the given map number and texture coordinates.
[0073]
Until the above, it is usually not necessary to execute the processing in real time, and it is a kind of pre-drawing processing that can be performed over time before drawing.
[0074]
The drawing unit 14 draws the board by the board / map creation unit 12 based on the map information held in the map holding unit 13.
This makes it possible to express the texture of the fur.
[0075]
As described above, since the board is created in a space in which the skin surface is virtualized, it is necessary to convert each vertex of the board into a space where the object exists when actually drawing the board.
It is assumed that the origin of the virtual space exists at zero point in the object space. Further, at this point, if the skin normal vector <n> and the vectors in the s, t directions <s>, <t> are given, the coordinates v of each vertex in the object space are calculated as shown in Expression 8. it can.
[0076]
(Equation 9)
V = 0 + x * <s> + y + <t> + z + <n>
[0077]
As described above, by creating a board from a bundle of hairs and drawing the board, the texture of the fur can be expressed well.
[0078]
Hereinafter, the drawing process of the drawing unit 14 will be further described.
[0079]
The memory 15 has, for example, five types of buffers having the same size as the frame buffer. Specifically, there are a color buffer (CBUF), a depth buffer (DBUF), a color buffer 2 (CBUF2), a depth buffer 2 (DBUF2), and a nearest buffer (NEEAREST).
[0080]
The drawing unit 14 first initializes a buffer for all pixels as follows.
The color buffers CBUF and CBUF2 are initialized to the background color, and the depth buffers DBUF and DBUF2 and the nearest buffer NEEAREST are initialized to the farthest value.
[0081]
When the number of repetitions is 0, the z value of the pixel closest to the viewpoint is stored in the nearest buffer NEEAREST as follows.
[0082]
(Equation 10)

[0083]
Regardless of the number of repetitions, the color buffer CBUF2 and the depth buffer DBUF2 are updated under the following conditions.
[0084]
[Equation 11]

[0085]
When drawing of all the boards in the scene is completed, the contents are copied to the color buffer CBUF2 and the depth buffer DBUF2 to the color buffer CBUF2 and the depth buffer DBUF2, and the depth buffer DBUF2 is set to the farthest value.
If the nearest buffer NEEAREST matches the depth buffer for all the drawing pixels, the completion flag is set to true (true).
If they do not match, the completion flag is false.
When the repetitive drawing is completed, the final drawing color is stored in the color buffer CBUF.
[0086]
Next, the operation of the image processing apparatus having the configuration shown in FIG. 1 will be described.
[0087]
First, as a pre-drawing process, in the hair creation unit 11, each hair is created as a polygonal line in a form in which the nodes ND are connected in the hair coordinate system based on the overall attributes of the hair, and a hair model is created. The information is supplied to the board / map creation unit 12 as information S11.
[0088]
In the board / map creation unit 12, the hair model information given by the hair creation unit 11 is bundled and input to the creation unit 121.
In the bundle creating unit 12, the hair model information is classified into different bundles. The classified hair model information for each bundle is supplied as a signal S121 from the bundle creation unit 121 to the plane creation unit 122 and the projection unit 123.
The plane creating unit 122 creates plane information (equation) from the hair information classified into the bundle by the bundle creating unit 121 and outputs the information to the projection unit 123 as a signal S122.
The projection unit 123 creates a board and a map from the model information and the plane information, supplies the board information S12a to the drawing unit 14, and supplies the map information S12b to the map holding unit 13.
[0089]
As described above, in the board / map creating unit 12 to which the hair model information S11 is supplied, a board and a map are created from the given hair information, and the created board information S12a is supplied to the drawing unit 14, and the map is created. The information S12b is supplied to the map holding unit 13.
Note that the generated two-dimensional map includes parameters (Kd, Ks, Ka, Tt, cov, and sineness) necessary for drawing the shell, height (h) information, and the like.
[0090]
Then, the drawing unit 14 draws the board by the board / map creation unit 12 based on the map information held in the map holding unit 13.
At this time, since the board is created in a space in which the skin surface is virtualized, when this is actually drawn, each vertex of the board is converted into a space in which the object exists.
As described above, by creating a board from a bundle of hairs and drawing the board, the texture of the fur can be expressed well.
[0091]
As described above, according to the present embodiment, based on the overall attributes of the hair, each hair is created as a polygonal line in a form in which the nodes ND are connected in the hair coordinate system, and the hair model is created. The hair creation unit 11 that outputs the information S11 and the hair model information are classified into different bundles, plane information (equation) is created from the classified hair information, and the classified model information and the plane information are A board / map creation unit 12 for creating a board and a map, a map holding unit 13 for holding map information, and a board by the board / map creation unit 12 are drawn based on the map information held in the map holding unit 13. Since the drawing unit 14 is provided, there is an advantage that the fur can be drawn at high speed without using a filter having a special function, and the texture of the fur can be expressed well.
[0092]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, fur can be drawn at high speed without using a filter having a special function.
Further, there is an advantage that not only an increase in hardware can be prevented, but also the texture of fur can be expressed with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an image processing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for describing “bundling” of hair according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing the bundle of hairs shown in FIG. 2 as plates.
FIG. 4 is a diagram for explaining a concept of creating a two-dimensional map.
FIG. 5 is a diagram for explaining a hair model creation method of the hair creation unit according to the embodiment.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a specific configuration example of a board / map creation unit according to the embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a state in which bundles of hairs collected using a distance that collects more hairs in a direction perpendicular to the hairs become plate-shaped.
FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the plates are overlapped with each other and explaining that the image quality may be degraded.
FIG. 9 is a diagram showing a state in which hair information is projected on a plane.
FIG. 10 (A) is a diagram showing a case where the t-axis is given to hair substantially in parallel, and FIG. 10 (B) is a diagram showing a case where the t-axis is given diagonally.
FIG. 11 is a diagram for explaining a specific procedure of map creation according to the embodiment;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image processing apparatus, 11 ... Hair creation part, 12 ... Board / map creation part, 121 ... Bundle creation part, 122 ... Plane creation part, 123 ... Projection part, 13 ... Map holding part, 14 ... Drawing part, 15 …memory.

Claims (18)

近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理装置であって、
方向性をもって発生している近接する複数の線状物体を束なりとし、当該束なりに対応する板を作成する作成部と、
所定のパラメータを基に上記作成部により作成された板を描画する描画部と
を有する画像処理装置。An image processing apparatus for expressing an object in which a plurality of linear objects in proximity are generated with directionality,
A creating unit that creates a bundle of a plurality of adjacent linear objects that are generated with directionality, and creates a plate corresponding to the bundle,
An image processing apparatus comprising: a drawing unit that draws a board created by the creation unit based on predetermined parameters. 上記描画部は、上記作成部で作成した板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータに基づいて上記板の描画を行う
請求項１記載の画像処理装置。The image processing apparatus according to claim 1, wherein the drawing unit draws the board based on map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the board created by the creating unit. 上記作成部は、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類し、分類した複数の束なりのうち最も良く近似する束なりに基づいて板を作成する
請求項１記載の画像処理装置。2. The method according to claim 1, wherein the creating unit classifies the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles, and creates a plate based on the best approximation among the classified bundles. 3. Image processing device. 上記作成部は、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類するに際し、線状物に垂直な方向になるべく長く領域を取るように分類する
請求項３記載の画像処理装置。4. The image processing apparatus according to claim 3, wherein the creating unit classifies the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles so as to take an area as long as possible in a direction perpendicular to the linear object. . 上記作成部は、板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータを所定の軸に対して基準として作成し、かつ、当該作成に際し、線状物の生えている方向を上記所定の軸にほぼ平行に与えて作成し、
上記描画部は、上記作成部で作成したマップデータに基づいて上記板の描画を行う
請求項１記載の画像処理装置。The creation unit creates map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to a plate as a reference with respect to a predetermined axis, and, at the time of the creation, determines a direction in which the linear objects are grown. Create by giving almost parallel to the predetermined axis,
The image processing apparatus according to claim 1, wherein the drawing unit draws the board based on the map data created by the creation unit. 近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理装置であって、
線状物のモデル情報を異なる束なりに分類し、分類した線状物の情報から、平面の情報を作成し、分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成する板／マップ作成部と、
上記板／マップ作成部で作成したマップ情報を保持するマップ保持部と、
板／マップ作成部により作成した板をマップ保持部に保持されているマップ情報に基づいて描画する描画部と
を有する画像処理装置。An image processing apparatus for expressing an object in which a plurality of linear objects in proximity are generated with directionality,
Plate / map creation for classifying model information of linear objects into different bundles, creating plane information from the classified linear object information, and creating plates and maps from the classified model information and plane information Department and
A map holding unit that holds the map information created by the board / map creating unit;
An image processing apparatus comprising: a drawing unit configured to draw a plate created by a plate / map creation unit based on map information held in a map holding unit. 上記板／マップ作成部は、分類した複数の束なりのうち最も良く近似する束なりに基づいて板を作成する
請求項６記載の画像処理装置。The image processing apparatus according to claim 6, wherein the board / map creating unit creates a board based on a bundle that best approximates the plurality of sorted bundles. 上記板／マップ作成部は、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類するに際し、線状物に垂直な方向になるべく長く領域を取るように分類する
請求項７記載の画像処理装置。8. The plate / map creating unit according to claim 7, wherein when classifying the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles, the plate / map creating unit classifies the information so as to take an area as long as possible in a direction perpendicular to the linear object. Image processing device. 上記板／マップ作成部は、板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータを所定の軸に対して基準として作成し、かつ、当該作成に際し、線状物の生えている方向を上記所定の軸にほぼ平行に与えて作成する
請求項６記載の画像処理装置。The board / map creating unit creates map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the board based on a predetermined axis, and at the time of the creation, linear objects are formed. 7. The image processing apparatus according to claim 6, wherein the image is created by giving a direction substantially parallel to the predetermined axis. 近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理方法であって、
方向性をもって発生している近接する複数の線状物体を束なりとし、当該束なりに対応する板を作成する第１のステップと、
所定のパラメータを基に作成された板を描画する第２のステップと
を有する画像処理方法。An image processing method for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated with directionality,
A first step of forming a plurality of adjacent linear objects generated with directionality into a bundle and creating a plate corresponding to the bundle;
A second step of drawing a board created based on predetermined parameters. 上記第２のステップにおいては、上記第１のステップで作成した板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータに基づいて上記板の描画を行う
請求項１０記載の画像処理方法。11. The image processing method according to claim 10, wherein, in the second step, the board is drawn based on map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the board created in the first step. . 上記第１のステップにおいては、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類し、分類した複数の束なりのうち最も良く近似する束なりに基づいて板を作成する
請求項１０記載の画像処理方法。In the first step, the information of the linear object given as a model is classified into a plurality of bundles, and a plate is created based on the best approximation among the plurality of classified bundles. 10. The image processing method according to 10. 上記第１のステップにおいては、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類するに際し、線状物に垂直な方向になるべく長く領域を取るように分類する
請求項１２記載の画像処理方法。13. The method according to claim 12, wherein in the first step, when classifying the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles, the information is classified so as to take an area as long as possible in a direction perpendicular to the linear object. Image processing method. 上記第１のステップにおいては、板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータを所定の軸に対して基準として作成し、かつ、当該作成に際し、線状物の生えている方向を上記所定の軸にほぼ平行に与えて作成し、
上記第２のステップにおいては、上記第１のステップで作成したマップデータに基づいて上記板の描画を行う
請求項１０記載の画像処理方法。In the first step, map data including information on linear objects belonging to a bundle corresponding to the plate is created with reference to a predetermined axis, and, at the time of the creation, linear objects are formed. Create by giving the direction almost parallel to the above-mentioned predetermined axis,
The image processing method according to claim 10, wherein in the second step, the board is drawn based on the map data created in the first step. 近接する複数の線状物体が方向性をもって発生している対象物を表現する画像処理方法であって、
線状物のモデル情報を異なる束なりに分類する第１のステップと、
分類した線状物の情報から、平面の情報を作成する第２のステップと、
分類したモデル情報と平面の情報から、板およびマップを作成する第３のステップと、
上記第３のステップ作成したマップ情報を保持する第４のステップと、
上記第３のステップで作成した板を上記第４のステップで保持した情報に基づいて描画する第５のステップと
を有する画像処理方法。An image processing method for expressing an object in which a plurality of adjacent linear objects are generated with directionality,
A first step of classifying the linear model information into different bundles;
A second step of creating plane information from the classified linear object information;
A third step of creating a board and a map from the classified model information and plane information;
A fourth step of holding the map information created in the third step,
A step of drawing the board created in the third step based on the information held in the fourth step. 上記第３のステップにおいては、分類した複数の束なりのうち最も良く近似する束なりに基づいて板を作成する
請求項１５記載の画像処理方法。16. The image processing method according to claim 15, wherein, in the third step, a board is created based on a bundle that best approximates the plurality of classified bundles. 上記第１のステップにおいては、モデルとして与えられた線状物の情報を複数の束なりに分類するに際し、線状物に垂直な方向になるべく長く領域を取るように分類する
請求項１６記載の画像処理方法。17. The method according to claim 16, wherein in the first step, when classifying the information of the linear object given as the model into a plurality of bundles, the linear object is classified so as to take an area as long as possible in a direction perpendicular to the linear object. Image processing method. 上記第３のステップにおいては、板に対応する束なりに属する線状物の情報を含むマップデータを所定の軸に対して基準として作成し、かつ、当該作成に際し、線状物の生えている方向を上記所定の軸にほぼ平行に与えて作成する
請求項１５記載の画像処理方法。In the third step, map data including information on linear objects belonging to the bundle corresponding to the plate is created with reference to a predetermined axis, and, at the time of the creation, linear objects are formed. 16. The image processing method according to claim 15, wherein the image is created by giving a direction substantially parallel to the predetermined axis.

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