JP3635037B2 - 画像の描画方法及びそれに用いるプログラム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータグラフィックス技術を利用してオブジェクトの影を正確に描くことが可能な画像の描画方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックス技術を利用してオブジェクトの影を表現する方法として、従来より、シャドーマッピングやシャドーボリュームと呼ばれる描画方法が用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のシャドーマッピングでは、影を生成するオブジェクトと、影が投影されるオブジェクトとの位置関係を考慮していないため、影を生成するオブジェクトよりも手前のオブジェクトにも影が投影されて不自然な画像が生成されることがあった。
【0004】
そこで、本発明はオブジェクトの前後関係を考慮した正確な影を描くことが可能な画像の描画方法及びその方法の実現に使用するコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【0006】
本発明の画像の描画方法は、コンピュータを利用して仮想3次元空間(1)にシーンを構築し、そのシーンを仮想カメラで撮影した画像を描画する方法であって、前記仮想3次元空間に配置されるオブジェクト(2,3,4)から影を生成する対象となる影生成オブジェクト(2)を特定し、コンピュータに設けられたメモリ(15)上に影テクスチャレンダリング用フレームバッファと影テクスチャレンダリング用Zバッファとを確保し、前記仮想カメラを光源から前記影生成オブジェクトに向けられたものに設定し、前記影生成オブジェクトの周囲の所定範囲に配置される被投影候補のオブジェクト(3,4)を前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに対して仮想的にレンダリングして各被投影候補のオブジェクトの前記視点からの奥行き情報を前記影テクスチャレンダリング用Zバッファに書き込むことにより、前記被投影候補のオブジェクトに関する前記仮想カメラの視点からの奥行き情報を取得し、その取得された奥行き情報を参照して、、前記影生成オブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに描画することにより、前記被投影候補のオブジェクトと前記影生成オブジェトとの前後関係からみて前記所定範囲に出現させるべき影のテクスチャ(5a)を生成し、その生成された影のテクスチャを前記所定範囲に前記影生成オブジェクト(2)と対応付けてマッピングするものである。
【0007】
本発明の描画方法によれば、影生成オブジェクトの周囲に配置されるオブジェクトの奥行き情報を参照して影のテクスチャを描いているから、影生成用オブジェクトと他のオブジェクトとの前後関係を考慮した正確な影の描画を行うことができる。例えば光源と影生成オブジェクトの間に配置されて遮蔽物として作用するオブジェクトによって隠される部分は影テクスチャとして描かないようにすれば、その遮蔽物上に背後の影が投影されるような不自然な描画が行われるおそれがなくなる。
【0008】
また、本発明の描画方法によれば、3次元画像を生成する際のZバッファ法を利用して被投影候補のオブジェクトの奥行き情報を簡単に取得することができる。また、Zバッファに記憶された奥行き情報から、被投影候補のオブジェクトと影生成用オブジェクトとの前後関係を判別して影生成用オブジェクトが隠される部分に関する影のテクスチャの描画を省略でき、影の描画処理の負荷を軽減できる。なお、上記から明らかなように、本発明の描画方法の好適な形態では、前記影生成オブジェクトよりも手前のオブジェクトによって影の生成が妨げられる部分を含まないように前記影のテクスチャを生成する。
【0009】
また、本発明のプログラムは、仮想3次元空間(1)にシーンを構築し、そのシーンを仮想カメラで撮影した画像を描画する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記仮想3次元空間に配置されるオブジェクト(2,3,4)から影を生成する対象となる影生成オブジェクト(2)を特定する手順と、コンピュータに設けられたメモリ(15)上に影テクスチャレンダリング用フレームバッファと影テクスチャレンダリング用Zバッファとを確保する手順と、前記仮想カメラを光源から前記影生成オブジェクトに向けられたものに設定する手順と、前記影生成オブジェクトの周囲の所定範囲に配置される被投影候補のオブジェクト(3,4)を前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに対して仮想的にレンダリングして各被投影候補のオブジェクトの前記視点からの奥行き情報を前記影テクスチャレンダリング用Zバッファに書き込むことにより、、前記被投影候補のオブジェクトに関する前記仮想カメラの視点からの奥行き情報を取得する手順と、その取得された奥行き情報を参照して、前記影生成オブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに描画することにより、前記被投影候補のオブジェクトと前記影生成オブジェトとの前後関係からみて前記所定範囲に出現させるべき影のテクスチャ(5a)を生成する手順と、その生成された影のテクスチャを前記所定範囲に前記影生成オブジェクトと対応付けてマッピングする手順と、をコンピュータに実行させるように構成されたものである。
【0010】
このプログラムをコンピュータで読み取って実行することにより、本発明の画像の描画方法を実施することができる。
【0011】
なお、本発明のプログラムは、上述した描画方法の好ましい態様を備えることができる。すなわち、本発明のプログラムは、前記影生成オブジェクトよりも手前のオブジェクトによって影の生成が妨げられる部分を含まないように前記影のテクスチャを生成するように構成されてもよい。
【0012】
さらに、本発明のプログラムは記憶媒体に記録されて使用者に提供されてもよいし、有線又は無線の伝送媒体に乗せて使用者に提供されてもよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
まず、図1により本発明による描画処理の概念を説明する。図1(a)は仮想3次元空間1に構築されたシーンの一例を簡略化して示している。仮想3次元空間1にはX,Y,Zの三軸直交座標系であるワールド座標系が設定され、そこには様々なオブジェクト2,3,4…が配置される。なお、オブジェクト4は床面を想定したものである。さらに、仮想3次元空間1には光源やカメラが設定されるが、それらの図示は省略した。こうしたシーンの構築が終わると、各オブジェクトを構成するポリゴンの頂点座標について、ワールド座標系から視点座標系への座標変換が行われ、その視点座標系に基づいて仮想スクリーン(不図示)への投影が行われてポリゴンの頂点がスクリーン座標系の2次元座標に変換される。この後、テクスチャマッピング等のレンダリング処理が行われて3次元画像が生成される。
【0014】
以上のような画像処理において、例えばオブジェクト2の影5を表現する手法としてシャドーマッピング法が使用されている。シャドーマッピング法は、オブジェクト2に生じるべき影をオフスクリーン、つまりシーンをレンダリングするバッファとは別に用意されたバッファ上にてレンダリングして影のテクスチャを生成し、そのテクスチャを仮想スクリーンにレンダリングされた2次元画像上にオブジェクト2と対応付けてマッピングして影5を生成するというものである。
【0015】
しかし、従来のシャドーマッピング法では、オブジェクト2と、その近傍に位置する他のオブジェクト3との前後関係を考慮せず、オブジェクト2の全体形状に対応する影をテクスチャとして描いている。そのため、図1に示したように、影5のテクスチャには、視点6からみてオブジェクト3から外れた位置に投影されるべき部分5aのみならず、オブジェクト3に隠されて本来であれば現れるべきではない部分5bまでが含まれる。こうした影テクスチャ5を単純にマッピングすれば、オブジェクト3上にも影5が出現するという不自然な画像が描画される。こうした不自然な描画を避けるため、本実施形態では以下に述べる方法で影を伴った画像を描画することとした。
【0016】
図2は本実施形態に従って描画された画像の一例を示している。この画像には柱を挟んで前後に2体のキャラクタが描かれる。柱やキャラクタ、床面等はすべて仮想3次元空間に配置されたオブジェクトであり、光源は画像の手前に設定されている。こうしたシーンでは、柱の背後のキャラクタのほぼ右半分が柱に隠れて視点から見えないが、そのキャラクタの全身を対象として影のテクスチャを生成してそのままマッピングすると、柱の側面にその影が出現する。そこで、本実施形態では各キャラクタを影生成用オブジェクトとして特定し、それと柱や床との前後関係を調べて柱に隠れる部分は影のテクスチャそのものを描画しないこととした。こうして描かれた影のテクスチャを図3に示す。この図から明らかなように、柱の手前のキャラクタについては全身の影がテクスチャ5として生成されているのに対して、柱の背後のキャラクタについては柱に隠れていない部分の影のみがテクスチャ5aとして生成されている。
【0017】
次に、以上のような描画方法を実現する具体的な手順を図4及び図5を参照して説明する。本発明の画像の描画方法は様々な分野の3次元画像処理において利用できるものであるが、以下では一例としてコンピュータを利用したゲーム機にて本発明の描画方法を実施する例を説明する。
【0018】
図4はコンピュータを利用したゲーム機の典型的な制御系のブロック図である。周知のように、コンピュータとしてのゲーム機10は、記憶媒体(例えばDVD−ROM)25に記録されたゲーム用プログラムに従って所定のゲームを実行するものであり、マイクロプロセッサを主体として構成されたCPU11と、そのCPU11に対する主記憶装置としてのROM12及びRAM13と、CPU11からの指示に基づいて画像処理及び音声処理に適した処理を行なう画像処理装置14及びサウンド処理装置16と、記憶媒体からデータ等を読み取るための記憶媒体読取装置18とを有している。ROM12には、ゲーム機10の全体の動作制御に必要なプログラムとしてのオペレーティングシステムが書き込まれる。RAM13には記憶媒体としてのDVD−ROM25から読み取ったゲーム用のプログラムやデータが必要に応じて書き込まれる。
【0019】
画像処理装置14はCPU11からの指示に従ってバッファメモリ15上に所定の画像をレンダリングしたり、そのレンダリングされた画像データを所定のビデオ再生信号に変換して所定のタイミングでモニタ19に出力する。ゲーム機によっては、画像処理装置14に高度な3次元演算を実行するグラフィックスアクセラレータ機能が搭載されることもあり、CPU11及び画像処理装置14によってそれぞれどのような処理を負担するかはハードウエアの構成に依存して大きく相違する。そこで、本実施形態では、CPU11及び画像処理装置14を一体のコンピュータとみなして説明を続ける。バッファメモリ15は画像処理装置14に描画専用のメモリとして設けられた例を示しているが、メインメモリとしてのRAM13上にバッファメモリが確保されてもよい。
【0020】
サウンド処理装置16は、DVD−ROM25から読み出された音声、楽音等のデータや音源データ等を再生してスピーカ20から出力させる。読取装置18は、CPU11からの指示に従ってDVD−ROM25上に記録されたプログラムやデータを読み取り、その読み取った内容に対応した信号を出力する。DVD−ROM25には、本発明に係る画像の表現方法の実施に必要なプログラムやデータが記録されている。モニタ19には家庭用のテレビ受像機が、スピーカ20にはそのテレビ受像機の内蔵スピーカが一般に使用される。さらに、CPU11にはバス24を介して入力装置22及び外部記憶装置23がそれぞれ接続される。外部記憶装置23は例えば不揮発性の半導体メモリ、ハードディスク、光磁気ディスク等の書換えが可能な記憶装置である。このような構成はあくまで一例であり、本発明の画像の生成方法が適用されるコンピュータの構成は適宜変更されてよい。
【0021】
記憶媒体としてのDVD−ROM25に記録されるプログラムには、上述した方法により影を含んだシーンを構築してその画像を生成するために必要な手順を記述したモジュールが含まれる。また、DVD−ROM25に記録されるデータには、上述した方法を実現するために必要なデータとして、各種のオブジェクトを構成するポリゴンモデルのデータや各種のテクスチャのデータが含まれる。
【0022】
影を含んだ画像を生成するためのプログラムモジュールは、各フレームの画像データを生成する処理において、本発明に従って影を表現する必要がある場合に呼び出されてCPU11により実行される。なお、影テクスチャの生成に拘わる部分以外の処理には公知の技術をそのまま利用することができ、本明細書ではそれらの説明を省略する。
【0023】
図5は影を含んだ画像を描画するためにゲーム機のコンピュータが実行する処理の手順を示すフローチャートである。影のテクスチャを利用した画像を描画する場合には、まず次のフレームで描画すべきシーンに含まれる各種のオブジェクトから、影生成用のオブジェクトを特定する(ステップS1)。次に、バッファメモリ15上に設定されたフレームバッファ及びZバッファをそれぞれ影テクスチャのレンダリング用のバッファとして設定する(ステップS2)。その後、仮想3次元空間に配置されるカメラを光源から影生成用オブジェクトに向けられたものに設定する(ステップS3)。これは、光源からの影生成用オブジェクトとその他のオブジェクトとの前後関係を正しく判断するためである。このときの仮想カメラの位置を表現するマトリクスは、後に影テクスチャをマッピングする際のUV変換において参照される。
【0024】
カメラの設定後は、影テクスチャレンダリング用のフレームバッファ及びZバッファをそれぞれ初期化する(ステップS4)。続いて、影テクスチャが投影される候補のオブジェクトをテクスチャバッファに仮想的にレンダリングし、それぞれのオブジェクトの仮想カメラからの奥行き(距離)に従ってZバッファを更新する(ステップS5)。仮想的としたのは、バッファ上に実際にオブジェクトを描画するのではなく、レンダリング処理を利用してZバッファのみを更新するためである。影テクスチャが投影される候補(被投影候補)のオブジェクトは、影生成用オブジェクトの周辺の所定範囲に含まれる全てのオブジェクトとしてよい。所定範囲は、例えば仮想3次元空間における仮想カメラの撮影範囲に限定してもよいし、影生成用オブジェクトの周囲の撮影範囲よりもさらに絞られた範囲に限定してもよい。
【0025】
以上の処理により、影が投影される候補としてのオブジェクトの奥行き情報がZバッファに記憶される。このZバッファが記憶する奥行き情報を参照して影生成用オブジェクトを影テクスチャレンダリング用バッファにレンダリングする(ステップS6)。このとき、影生成用オブジェクトと光源との間に被投影候補のオブジェクトが存在している部分についてはZバッファにより奥行きの浅い方が優先されるので、影生成用オブジェクトは描画されない。しかも、被投影候補のオブジェクトは先に述べたようにバッファにはレンダリングされない。このような処理により、図3に示したように部分的な影テクスチャを生成することができる。生成された影テクスチャは例えばバッファメモリ15のオフスクリーン領域に一時的に記憶される。
【0026】
この後、フレームバッファ及びZバッファをそれぞれ通常の描画用に設定し(ステップS7)、カメラを通常のカメラに戻す(ステップS8)。つまり、カメラの視点及び撮影方向を次フレームに対応したものに戻す。この後、戻されたカメラの視点及び撮影方向に基づいて、次フレームのシーンをフレームバッファ上に描画する(ステップS9)。この場合において、影生成用オブジェクトに関しては、先に生成された影テクスチャをカメラの視点及び撮影方向に対応したUV変換を行いながらマッピングする。これにより、正しく影が表現された画像が生成される。
【0027】
その後、未処理の影生成用オブジェクトが存在するか否か判別し(ステップS10)、あればステップS1へ処理を戻す。ステップS10にて未処理の影生成用オブジェクトが存在しないと判断された場合に図5の処理を終える。
【0028】
以上の実施形態はあくまで本発明の一例であり、本発明は種々の形態で実施してよい。例えば、被投影候補のオブジェクトの奥行き情報は他の方法で取得してもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の画像の描画方法によれば、影生成オブジェクトの周囲に配置されるオブジェクトの奥行き情報を参照して影のテクスチャを描いているから、影生成用オブジェクトと他のオブジェクトとの前後関係を考慮した正確な影の描画を行うことができる。例えば光源と影生成オブジェクトの間に配置されて遮蔽物として作用するオブジェクトによって隠される部分は影テクスチャとして描かないようにすれば、その遮蔽物上に背後の影が投影されるような不自然な描画が行われるおそれがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態において仮想3次元空間に構築されたシーンの一例を示す図。
【図2】本発明に従って描画される画像の具体例を示す図。
【図3】図2の画像に対応して生成される影のテクスチャの例を示す図。
【図4】本発明を実施するためのコンピュータの一例であるゲーム機のブロック図。
【図5】図4のゲーム機により実行される影を含んだ画像の描画処理の手順を示す図。
【符号の説明】
1 仮想3次元空間
2 影生成用オブジェクト
3,4 被投影候補のオブジェクト
5 影テクスチャ
6 視点
Claims (4)
- コンピュータを利用して仮想3次元空間にシーンを構築し、そのシーンを仮想カメラで撮影した画像を描画する方法であって、
前記仮想3次元空間に配置されるオブジェクトから影を生成する対象となる影生成オブジェクトを特定し、コンピュータに設けられたメモリ上に影テクスチャレンダリング用フレームバッファと影テクスチャレンダリング用Zバッファとを確保し、前記仮想カメラを光源から前記影生成オブジェクトに向けられたものに設定し、前記影生成オブジェクトの周囲の所定範囲に配置される被投影候補のオブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに対して仮想的にレンダリングして各被投影候補のオブジェクトの前記視点からの奥行き情報を前記影テクスチャレンダリング用Zバッファに書き込むことにより、前記被投影候補のオブジェクトに関する前記仮想カメラの視点からの奥行き情報を取得し、その取得された奥行き情報を参照して、前記影生成オブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに描画することにより、前記被投影候補のオブジェクトと前記影生成オブジェトとの前後関係からみて前記所定範囲に出現させるべき影のテクスチャを生成し、その生成された影のテクスチャを前記所定範囲に前記影生成オブジェクトと対応付けてマッピングすることを特徴とする画像の描画方法。 - 前記影生成オブジェクトよりも手前のオブジェクトによって影の生成が妨げられる部分を含まないように前記影のテクスチャを生成することを特徴とする請求項1に記載の画像の描画方法。
- 仮想3次元空間にシーンを構築し、そのシーンを仮想カメラで撮影した画像を描画する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記仮想3次元空間に配置されるオブジェクトから影を生成する対象となる影生成オブジェクトを特定する手順と、
コンピュータに設けられたメモリ上に影テクスチャレンダリング用フレームバッファと影テクスチャレンダリング用Zバッファとを確保する手順と、
前記仮想カメラを光源から前記影生成オブジェクトに向けられたものに設定する手順と、
前記影生成オブジェクトの周囲の所定範囲に配置される被投影候補のオブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに対して仮想的にレンダリングして各被投影候補のオブジェクトの前記視点からの奥行き情報を前記影テクスチャレンダリング用Zバッファに書き込むことにより、前記被投影候補のオブジェクトに関する前記仮想カメラの視点からの奥行き情報を取得する手順と、
その取得された奥行き情報を参照して、前記影生成オブジェクトを前記影テクスチャレンダリング用フレームバッファに描画することにより、前記被投影候補のオブジェクトと前記影生成オブジェトとの前後関係からみて前記所定範囲に出現させるべき影のテクスチャを生成する手順と、
その生成された影のテクスチャを前記所定範囲に前記影生成オブジェクトと対応付けてマッピングする手順と、
をコンピュータに実行させるように構成されたことを特徴とする画像描画用のプログラム。 - 前記影生成オブジェクトよりも手前のオブジェクトによって影の生成が妨げられる部分を含まないように前記影のテクスチャを生成するように構成されたことを特徴とする請求項3に記載の画像描画用プログラム。
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