JP3181445B2 - 画像処理装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、３次元コンピュータ
グラフィックス処理を行う画像処理方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータグラフィック（Ｃ
Ｇ）を用いたゲームマシーン等が開発されているが、そ
の大半は２次元のＣＧシステムである。その理由として
は、３次元ＣＧの場合、モデル座標系で表現されたモデ
ル情報（基本となるモデル）をワールド座標系（周辺の
全体状況で表現した状態）へ座標変換を施し、さらにこ
の後、視点座標系（視点からみて前後関係をもった描画
状態）へ変換する必要があり、これらの処理には、大量
の積和計算が必要となるからである。さらに視点座標系
から表示座標系に変換するには、立体的な描画状態にす
るために、透視変換が必要となり、この変換には除算を
必要とするために、リアルタイム性を要求されるゲーム
ではこれらの処理を行うために非常に高速な演算処理装
置が必要となる。故に、このような装置は価格が上昇し
てしまい、３次元ＣＧを用いたゲームマシーンではアー
ケードゲーム等限られた所でしか用いられていない。

【０００３】図９は、従来のＣＧシステムの動作を説明
するために示したフローチャートである。モデル情報及
びワールド座標情報がモデル記憶部から読み出される
（ステップＳａ）。次にモデルをモデル座標系からワー
ルド座標系への変換を行う（ステップＳｂ）。さらにワ
ールド座標系から視点座標系への変換を行う（ステップ
Ｓｃ）。この後、スクリーン座標系への変換として、透
視変換およびクリッピング処理が施され（ステップＳ
ｄ）、この結果を基にモデルのポリゴン描画が行われる
（ステップＳｅ）。このこのポリゴン描画処理により得
られた結果がビデオメモリに書き込まれ、表示される
（ステップＡｆ、Ｓｇ）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、従来のリ
アルタイム３次元コンピュータグラフィックスでは、特
に透視変換処理においては、ポリゴン毎に除算を基本と
したの演算処理を行い、演算負荷が多大となる。このた
め高価な演算装置を使用しないと処理スピードが低下
し、高速な描画ができないという問題や、価格の上昇の
問題があった。

【０００５】そこでこの発明は、さほど高速演算能力が
高くなくてもリアルタイム３次元ＣＧを実現し、家庭用
ゲーム機等に有効な画像処理方法及び装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００６】この発明は上記の目的を達成するために、
ワールドマップ座標系においてポリゴンを描画する装置
において、ポリゴンからならるモデルのモデル情報を記
憶するとともにワールドマップ情報を記憶したモデル情
報記憶部と、前記ワールドマップ情報を用いて、前記ワ
ールドマップ座標系での前記モデルの位置を判定し、ク
リッピング処理により表示対象モデルを決定する位置判
定手段と、前記表示対象モデルのモデル座標系を表示座
標系に変換する表示座標変換手段と、前記表示対象モデ
ルのモデル座標系を表示座標系に変換された情報を基
に、前記表示対象モデルをテクスチャデータ（またはス
プライトデータ）としてポリゴン描画して一時記憶する
描画手段と、前記位置判定された前記表示対象モデルに
対応した、仮想キャンバスを設定し、かつこの仮想キャ
ンバスの頂点の座標を用いて透視変換し、透視変換され
た仮想キャンバスを作成する手段と、前記透視変換され
た仮想キャンバスに対して、描画手段で作成された前記
表示対象モデルのテクスチャデータ（またはスプライト
データ）を合わせ込み表示用メモリに格納する表示制御
手段とを備えるものである。

【０００７】

【作用】上記の手段により、表示対象モデルを透視変換
する場合に、ポリゴン毎に透視変換を行う必要はなく、
仮想キャンバスに表示対象モデルを合わせ込み表示する
だけでよく、透視変換のための処理は、仮想キャンバス
の頂点だけでよく、演算処理回数は格段と少なくてよ
い。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１はこの発明の一実施例であり、図２はこの
発明の一実施例のおけるデータ処理を説明するためのフ
ローチャートである。モデル情報記憶部１１には、記憶
媒体としてＲＯＭカセット、ハードディスク、ＣＤ−Ｒ
ＯＭ等が用いられる。ここには、ポリゴンをベースにし
たモデル情報（各ポリゴンの頂点のモデル座標系での座
標位置、輝度、テクスチャ等）が記憶されている。さら
にまた、各モデルの絶対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の初期値を
格納したワールドマップ情報も格納されている。これら
のデータは、直接、画像処理部の情報格納部１２に格納
されるか、外部メモリ１３に一度格納された後、情報格
納部１２に格納される。なおワールドマップ情報は、モ
デル自身の移動も考慮できるように、動的に書換え可能
である。

【０００９】次に、前処理部１４は、情報格納部１２あ
るは外部メモリ１３のワールドマップ情報を用いて、各
モデルの最初の位置（視点からの座標）を求める。これ
により、各モデルはワールドマップ座標系の位置が決ま
る。次に、ワールドマップ座標系の各モデルの最初の座
標が求まると、モデル間の前後関係等が明確となる。ま
た、設定した視野において、基準となる座標位置からの
距離が設定した値より後方、或いは前方となる部分（モ
デルやその一部）が生じるが、このような部分は、クリ
ッピング窓が用意され、クリッピング処理され表示対象
から除かれる。

【００１０】さらに、前処理部１４は、選択されたモデ
ルをモデル座標系（ｘ，ｙ，ｚ）から視点座標系（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）に変換する。この変換は、以下に示す式（１）
のアフィン変換により行われる。

【００１１】

【数１】

【００１２】上記の式で得られた変換結果は、情報格納
部１２あるいは外部メモリ１３へ転送される。前処理部
１４で上記の処理が終了した後、各ポリゴン情報（式
（１）で得られた座標値、輝度、テクスチャ座標等）
は、上記の情報格納部１２あるいは外部メモリ１３から
描画処理部１５に転送される。

【００１３】次に、実際のモデルのデータは、描画処理
部１５により、ポリゴンのシェーディング、テクスチャ
マッピング等をＤＤＡ（デジタル ディファレンシャル
アリスメティック）を用いて処理する。つまり２次元
スクリーン上に表示するための描画処理を行なう。この
ポリゴン描画処理として得られたピクセルデータは、フ
レームメモリ１６のオフスクリーンエリアに２次元のテ
クスチャデータとして格納される。この２次元テクスチ
ャデータは、仮想キャンバスにモデルとして張り付ける
データである。まだこの状態では、奥行き感のない平面
的な描画状態のモデルである。

【００１４】一方、描画処理部１５がポリゴン描画処理
を行っている間に、前処理部１４ではワールドマップ情
報から表示対象モデルに対して、仮想キャンバスにポリ
ゴン描画処理で得られた２次元のテクスチャを張り付け
るための仮想キャンバス位置を算出する。この処理は以
下のように行われる。

【００１５】前処理部１４で座標変換されたモデルのポ
リゴンデータのうち、Ｘ，Ｙ方向の最大、最小値を求
め、その最大、最小値をもとに等倍の大きさの仮想キャ
ンバスをポリゴンをベースとして用意する。もしポリゴ
ンが３角形ベースの場合、２つのポリゴンを組み合わせ
ることにより仮想キャンバスを構成する。この仮想キャ
ンバスの座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は次の式（２）を用いて
表示座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）へ座標変換される。

【００１６】

【数２】

【００１７】上記の式（２）で求められた結果（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）をもとに、前処理部４０では透視変換が行われ
る。この透視変換は、後方クリッピングを行う際に求め
られた視点位置からモデルまでの距離Ｚ´を利用して、
仮想キャンバスの例えば４頂点に対して行う。この透視
変換が行われた変換結果は、情報格納部１２あるいは外
部メモリ１３へ転送される。この変換処理により、仮想
キャンバスは奥行き感が描画された状態になる。

【００１８】上記のように仮想キャンバスの座標変換、
透視変換、さらにはモデルのテクスチャデータ化が終了
した後は、仮想キャンバスの座標値が表示制御部１７に
転送される。表示制御部１７では、仮想キャンバス座標
値をもとに、対象となるモデルの２次元テクスチャデー
タに対してテクスチャＤＤＡによりテクスチャパタンを
変形し、仮想キャンバス上にテクスチャマッピングを行
い、合わせてフレームメモリ１６のオンスクリーンエリ
アの仮想キャンバス座標に書き込む。これにより、立体
描写の仮想キャンバスの中にテクスチャ化されたモデル
が立体描写されて表現されることになる。

【００１９】フレームメモリ１６に書き込まれたデータ
は、表示制御部１７により制御されて表示部１８に表示
される。図２は、上記の装置の画像処理経過を示すフロ
ーチャートである。

【００２０】図３、図４は、上記の装置の画像処理例を
イメージ的に示す説明図である。今、図３に示すよう
な、画像を作成するものとする。この画像は、通路の壁
に窓があり、その前の机から花瓶が落ちている状態であ
る。このような絵画を作るには、モデル情報記憶部１１
からワールドマップ情報を読み込み（ステップＳ１）、
さらに自分の視点位置を求める（ステップＳ２）。次
に、描画対象となるモデルを後方クリップ処理で決定し
（ステップＳ３）、対応するモデル情報（窓モデル１０
１、机モデル１０２、花瓶モデル１０３、通路を作成す
るための壁モデル１０４）を読み込む。次にこのモデル
情報であるモデル座標系から表示座標系（視点座標系）
への座標変換を行う（ステップＳ４）。この変換は、表
示系（モデルを実際に見る方向）への座標変換である。
図の例では机モデル１０２、花瓶モデル１０３は、視点
位置によるモデルの回転移動が行われた場合を示す。

【００２１】次に描画処理部１５において各モデルのポ
リゴン描画が行われる（ステップＳ５）。このポリゴン
描画は、ポリゴンの座標系、輝度情報からピクセルデー
タに変換を行うもので、この実施例ではさらにモデルの
テクスチャ化を行い、２次元スクリーンに表示できるよ
うに座標変換される。このようにテクスチャ化された各
モデルは、フレームメモリ１６のオフスクリーンエリア
に格納される（ステップＳ６）。

【００２２】一方、モデルのポリゴン描画処理に平行し
て仮想キャンバスが用意される（ステップＳ７）。仮想
キャンバスとは、上記したモデルを張り付けるための仮
想の面であり、モデルを位置させるための平面を意味す
る。この平面は、実際の表示アドレス上に座標変換され
る。この変換では、伸縮等の処理が行われる。次に、仮
想キャンバスの透視変換も行なわれる（ステップＳ８，
Ｓ９）。この様に透視変換された仮想キャンバス上に、
すでに処理済のテクスチャがマッピングされ、この画像
データが、フレームメモリ１６の所定位置に書き込まれ
る（ステップＳ１０、Ｓ１１）。このテクスチャマッピ
ングのときにテクスチャＤＤＡが行なわれる。図４の例
であると、窓モデル１１１のテクスチャの場合、仮想キ
ャンバスに張り付けられて、仮想キャンバスが透視変換
され、テクスチャＤＤＡにより窓モデル１１１がマッピ
ングされると、奥行き感のある立体窓モデル１３１のよ
うに表現されることになる。また、花瓶モデル１１３の
テクスチャの場合、仮想キャンバスに張り付けられて、
仮想キャンバスが透視変換され、テクスチャＤＤＡによ
り花瓶モデル１１３がマッピングされると、奥行き感の
ある立体花瓶モデル１３３のように表現されることにな
る。

【００２３】次に、このシステムの特徴である透視変換
について説明する。透視変換を行う場合、従来はモデル
を構成するポリゴンのすべてを用いて透視変換まで処理
を行っている。しかしこのシステムでは、仮想キャンバ
スの透視変換値を少なくとも４頂点で求め、仮想キャン
バスを透視変換し、これに合致するように、対象となる
テクスチァモデルをマッピングするようにしている。よ
って、モデル自体をポリゴン単位で透視変換する必要は
ない。以下、この透視変換処理について説明する。図５
に示すように、円筒形のモデル２００が存在してした場
合、このモデルは、多数の三角形のポリゴンから構成さ
れている。具体的には、各ポリゴンの３つの頂点の座標
データ群からなる。ここで透視変換を行う場合には、奥
行き方向のデータｚが用いられる。従来であると各頂点
の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と奥行きデータｚを用いて、Ｘ´
＝Ｘ／ｚ、Ｙ´＝Ｙ／ｚ、Ｚ´＝１／Ｚなる演算によ
り、各ポリゴン単位の座標が求められている。しかし、
このシステムでは、例えば、図のようにモデル２００の
ほぼ全体像を囲む位置にある４つの頂点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ
３、Ｚ３の仮想キャンバスが用意され、その座標（Ｘ1
、Ｙ1 、Ｚ1 ）（Ｘ2 、Ｙ2 、Ｚ2 ）（Ｘ3 、Ｙ3 、
Ｚ3 ）（Ｘ4 、Ｙ4 、Ｚ4 ）を取りだし、これらの座標
の透視変換を行うものである。この透視変換を行った
後、残りの位置については、前方の座標データと後方の
座標データ間の座標データは直線で近似される。次に、
この仮想キャンバス上のテクスチャＤＤＡ処理により、
平面的なテクスチャモデルを合わせ込むものである。

【００２４】この様にすると、透視変換のための演算処
理ステップ数は、従来に比べて格段と低減され、モデル
の透視変換を高速で行うことができる。上記の説明で
は、１つのモデルが４つの頂点内に治まるものとして説
明したが、これに限るものでは無く、さらに区切って透
視変換を行うようにしても良い。例えば図６に示すよう
な、変形した花瓶モデル２１０をさらに開口側から見た
状態に透視変換する場合、その軸方向へ複数のブロック
２１１、２１２、２１３に区切り、これらのブロックの
各頂点の座標を透視変換して、透視変換した座標を求め
るようにしてもよい。

【００２５】図７はこの発明の第２の実施例である。先
の第１の実施例ではモデルを２次元テクスチャとして扱
った。この第２の実施例では２次元テクスチャの代わり
に従来ゲーム機器等で使用されいるスプライトを利用し
た場合について説明する。また図８は、上記の装置の画
像処理経過を示すフローチャートである。

【００２６】ポリゴンをベースにしたモデル情報（各ポ
リゴンの頂点のモデル座標系での座標位置、輝度、テク
スチャ等）は、ＲＯＭカセットや、ハードディスク、Ｃ
Ｄ−ＲＯＭ等のモデル情報記憶部２１に記憶されてい
る。さらに各モデルの絶対値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の初期値を
格納したワールドマップも格納されている。これらのデ
ータは、直接、画像処理部の情報格納部２２に格納され
るか、あるいは外部メモリ２３に一度格納された後、情
報格納部２２に格納される（図８のステップＳ１）。ま
ず最初に、前処理部２４は、情報格納部２２あるいは外
部メモリ２３から読み出されたワールドマップ情報を用
いて、モデルの位置（座標）を求める（図８のステップ
Ｓ２）。これにより、モデルの表示される部分や位置が
明確になるので後方クリッピング、前方クリッピング等
の処理が行われる。この処理も前処理部２４において行
われる。これにより実際に表示されるモデルが決定され
る（図８のステップＳ３）。このように選択されたモデ
ルは、そのモデル座標（ｘ，ｙ，ｚ）から視点座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）へ次のアフィン変換式（３）により変換
される（図８のステップＳ４）。

【００２７】

【数３】

【００２８】上記の式で得られた変換結果は、情報格納
部２２あるいは外部メモリ２３へ転送される。次に、前
処理部２４で上記の処理が終了した後、各ポリゴン情報
（式（１）で得られた座標値、輝度、テクスチャ座標
等）は、上記の情報格納部２２あるいは外部メモリ２３
から描画処理部２５に転送される。描画処理部２５で
は、ポリゴンのシェーディング、テクスチャマッピング
等をＤＤＡを用いて行う（図８のステップＳ５）。この
ポリゴン描画結果として得られたピクセルデータは、指
定されたスプライトサイズに分割され（図８のステップ
Ｓ６）、スプライト番号が付けられ、このスプライト番
号はスプライトコントロールテーブル２７に登録され、
ピクセルデータは、フレームメモリ２６のオフスクリー
ンエリアもしくはスプライトメモリ２８に格納される
（図８のステップＳ７）。

【００２９】一方、描画処理部２５がポリゴン描画処理
を行っている間に、前処理部２４では、ポリゴン描画処
理により得られた表示対象モデルに対するスプライトを
描画する位置を、ワールドマップから算出する（図８の
ステップＳ８）。以下この処理を説明する。

【００３０】前処理部２４で座標変換されたモデルのポ
リゴンデータのうち、Ｘ，Ｙ方向の最大、最小値を求
め、その最大、最小値をもとに仮想キャンバスをスプラ
イトサイズに合わせてポリゴンベースで用意する。ここ
で１つの仮想キャンバスは、１つのスプライトに対応す
るため仮想キャンバス数は、スプライトサイズで分割し
た数に等しい。もしポリゴンが三角形ベースの場合、２
つのポリゴンを組み合わせることにより仮想キャンバス
が構成される。この仮想キャンバスの座標値（ｘ，ｙ，
ｚ）は、次の式（４）を用いて表示座標系（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）へ座標変換される（図８のステップＳ９）。

【００３１】

【数４】

【００３２】式（４）で求められた結果（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
に基づいて、前処理部２４では、後方クリッピングを行
う際に求められた基準位置からモデルまでの距離Ｚ´を
利用してスプライトコントローラ（表示制御部）２９に
転送するスプライトの伸張、伸縮率を算出し、これを式
（４）で求められた結果（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と合わせて、情
報格納部２２あるいは外部メモリ２３に転送する。次
に、仮想キャンバスの４頂点に対して前処理部２４で透
視変換処理が行われる（図８のステップＳ１０）。表示
制御を行うスプライトコントローラ（表示制御部）２９
では、座標データ等をコントローラ内部のコントロール
データメモリに格納し、コントロールデータとスプライ
トコントロールテーブル２７にしたがって、スプライト
データをフレームメモリ２６もしくはスプライトメモリ
１８から読み出し表示を行う（図８のステップＳ１１、
Ｓ１２）。

【００３３】上記したように、この実施例によると、各
ポリゴン毎に透視変換を行うのではなく、テクスチャデ
ータあるいはスプライトデータとしてモデル全体を扱う
ために、透視変換処理を行うのは仮想キャンバスの４頂
点分となり、処理速度を極めて高速にすることができ
る。この効果は、モデルを構成するポリゴン数が多いほ
ど顕著になる。

【００３４】この発明は上記の実施例に限定されるもの
ではない。例えば、第１の実施例の場合、表示コントロ
ール部を描画処理部の一部として構成しても良い。また
第２の実施例の場合、仮想キャンバスは、モデル１つに
キャンバス１個を対応させて、モデル内のスプライト毎
の伸張、伸張率は補間した値を用いても良い。さらにま
た、上記の説明では４つの頂点における透視変換を行っ
ているが、これに限らず少なくとも３つの頂点であって
もよい。

【００３５】さらにまた、上記の説明では、テクスチャ
データ（オフスクリーンエリアに格納されている）を透
視変換された仮想キャンバスに合わせ込み表示するとし
ている。ここで、仮想キャンバスを再度計算しなおし
て、別の条件による透視変換を行い、再度テクスチャデ
ータを合わせ込み表示するようにすることにより、仮想
キャンバスを透視変換処理するだけで、種々の視点位置
から見た立体描画されたモデルを見ることができる。

【００３６】上記したように、このシステムによると、
３次元ＧＣにおいて、ＣＧ画像を生成する際、表示モデ
ルをモデル座標系から表示座標系にアフィン変換を用い
て直接座標変換を行う。この結果は、矩形テクスチァデ
ータとして登録しておく。

【００３７】一方、矩形テクスチャデータの頂点に対し
て、各頂点からの視点までの距離を求め、１／Ｚのオペ
レーションによるテクスチャ変形による透視変換を行う
ものである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
さほど高速演算能力が高くなくても３次元ＣＧを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す図。

【図２】図１の装置の動作を説明するためのフローチャ
ート。

【図３】図１の装置の画像処理結果の一例を示す図。

【図４】図１の装置の画像処理の途中経過の例を説明す
るためにした図。

【図５】図１の装置の透視変換処理の例を示す図。

【図６】図１の装置の仮想キャンバスの他の例を説明す
るための図。

【図７】この発明の他の実施例を示す図。

【図８】図７の装置の動作を説明するためのフローチャ
ート。

【図９】従来のコンピュータグラフィックスシステムの
動作を説明するために示したフローチャート。

【符号の説明】

１１、２１…モデル情報記憶部、１２、２２…情報格納
部、１３、２３…外部メモリ、１４、２４…前処理部、
１５、２５…描画処理部、１６、２６…フレームメモ
リ、１７、２９…表示制御部、１８、３０…表示部、２
７…スプライトコントロールテーブル、２８…スプライ
トメモリ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワールドマップ座標系においてポリゴン
   を描画する装置において、 ポリゴンからならるモデルのモデル情報を記憶するとと
   もにワールドマップ情報を記憶したモデル情報記憶部
   と、前記 ワールドマップ情報を用いて、前記ワールドマップ
   座標系での前記モデルの位置を判定し、クリッピング処
   理により表示対象モデルを決定する位置判定手段と、 前記表示対象モデルのモデル座標系を表示座標系に変換
   する表示座標変換手段と、 前記表示対象モデルのモデル座標系を表示座標系に変換
   された情報を基に、前記表示対象モデルをテクスチャデ
   ータ（またはスプライトデータ）としてポリゴン描画し
   て一時記憶する描画手段と、前記位置判定された 前記表示対象モデルに対応した、仮
   想キャンバスを設定し、かつこの仮想キャンバスの頂点
   の座標を用いて透視変換し、透視変換された仮想キャン
   バスを作成する手段と、 前記透視変換された仮想キャンバスに対して、描画手段
   で作成された前記表示対象モデルのテクスチャデータ
   （またはスプライトデータ）を合わせ込み表示用メモリ
   に格納する表示制御手段とを具備したことを特徴とする
   描画処理装置。
2. 【請求項２】 ワールドマップ座標系においてポリゴン
   を描画する方法において、 情報記憶部に記憶されているポリゴンからなるモデルの
   モデル情報及びワールドマップ情報を用いて、前記モデ
   ルの位置を判定し、クリッピング処理により表示対象モ
   デルを決定する工程と、 前記表示対象モデルのモデル座標系を表示座標系に変換
   する表示座標工程と、 前記表示座標変換工程で表示座標系に変換された座標情
   報を基に、前記表示対象モデルのデータをテクスチャデ
   ータ（またはスプライトデータ）としてポリゴン描画し
   て、表示メモリのオフスクリーンエリアに一時記憶する
   工程と、前記位置判定された 前記表示対象モデルに合致した、仮
   想キャンバスを設定し、かつこの仮想キャンバスの頂点
   の座標を用いて透視変換し、透視変換された仮想キャン
   バスを作成する工程と、 前記透視変換された仮想キャンバスに対して、前記オフ
   スクリーンエリアの前記表示対象モデルのテクスチャ
   （またはスプライトデータ）を合わせ込み表示用メモリ
   に格納する工程とを具備したことを特徴とする描画処理
   方法。
3. 【請求項３】 前記仮想キャンバスを透視変換するため
   の各頂点の透視変換値（１／Ｚ）は、前記ワールドマッ
   プ情報から前記表示対象モデルの表示位置を判定する位
   置判定手段で得られた奥行き情報（Ｚ）が用いられてい
   ることを特徴とする請求項1記載の画像処理装置。