JPH0916811A

JPH0916811A - ガス状物体表示回路

Info

Publication number: JPH0916811A
Application number: JP20125195A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Ikedo; 恒雄池戸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-03
Filing date: 1995-07-03
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】ガス状物体のコンピュータグラフィックス表示
に関して、ハードウェア演算回路によるリアルタイム高
速表示化【構成】ガウス乱数発生器３、プリミティブ発生器４、
によるガス状物体の要素生成と、パラメトリック曲線３
による形状定義で得られた物体をシェーディング回路
６、隠面消去８、平滑化フィルタリング９の各回路を通
して曲面定義物体と合成する回路

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は自然現象例えば霧、雲などのガス状の形状を
成す物体をコンピュータ・グラフィックスによって生成
し、動的に可視化するためのハードウェア回路とそのボ
リュームレンダリングに関するものである。

【０００１】［従来の技術］コンピュータ・グラフィッ
クスによって三次元物体を表示する多くの形状モデルは
曲面あるいはソリッドモデルであり、これらの面に対し
て光源あるいは物体間の反射や影を計算することによ
り、リアルな映像を生成している。これらの多くはレイ
トレーシングあるいはラディオシティ法と呼ばれるレン
ダリング技法が用いられる。この曲面モデル等の物体表
示法とは異なり、霧や雲などの自然現象を表現すること
は形状の複雑性、動的な変化、乱反射等の計算を必要と
することから多量の計算時間を要している。またこれら
ガス状物体を曲面モデルと三次元空間内で合成する処理
も必要である。このような観点から、今日までガス状物
体のハードウェアによるコンピュータ・グラフィックス
表示は例がなく、ソフトウェアによってのみ生成されて
いた。よって、このような映像のリアルタイム表示は存
在しなかった。この結果、現状までは仮想現実システム
においてウォークスルー（歩きながら仮想現実を体験す
る）に対応して、ガス状物体を動的に表示することは困
難であり、結局は、このようなイメージはあらかじめ記
憶されたカメラ映像による合成手法以外はなかった。し
かしこの方法では、視点がガス状物体に入り込むことは
原理上できないことになる。人間の視点の動きに伴って
変化するコンピュータ・グラフィックス演算によって生
成されたガス状物体と曲面モデル物体の合成をリアルタ
イムに表示するには速度の点からハードウェアが唯一の
方法となる。しかし、これには（１）不規則な形状およ
び動きモデルの生成（２）ハイライトおよび陰影の検出
（３）透過率とフィルタリング（４）曲面モデルとの合
成などの新しい演算が必要とされる。この発明は以上の
ように、従来ソフトウェア手法以外では困難とされたガ
ス状物体をハードウェアにより生成し、これによって仮
想現実システムにおいて動的な自然現象を表現すべく成
されたものであり、よりリアルな映像を得る回路および
そのプロセスを提供するものである。

【０００２】［課題を解決するための手段］ガス状物体
をハードウェアによって生成するには先に述べた幾らか
の特殊な演算が要求される。不規則な形状とその動きを
定義するモデルを本発明ではいまそれぞれ、物体および
動画モデルと呼ぶ。物体モデルは物体を定義するもので
あり、動画モデルは物体の動きを定義するものである。
本発明では物体モデルは物体を構成する要素（それをプ
リミティブと定義する）がその性質上不規則な分布と密
度をもつことからプリミティブはガウス乱数によってそ
の集合位置を与える。次にプリミティブの集合によって
構成される一つの塊をセグメントと定義し、物体はさら
にこのセグメントの集合によって一つの形状を成すこと
ができる。一方、セグメントの集合を定義（組合せ）す
るにはセグメントを構成するプリミティブそれぞれに一
つの参照点（原点）を与え、このそれぞれ異なる参照点
をもつセグメントの集合により物体を構成すれば参照点
を制御することにより物体を任意の形状に定義すること
ができる。この参照点は任意の点に定義可能であると共
に一元的に制御可能とするため自由曲線上の点として与
える。以上から本発明では物体モデル支援回路は二つの
回路、すなわち、ガウス乱数発生器とパラメトリックな
自由曲線発生器によって構成する。一方、ガウス乱数に
よって与えられた座標点にはプリミティブが位置付けさ
れるが、プリミティブの幾何学的シンボルはガス状物体
によって異なる。例えば霧であれば単にドットでも良い
が雪ならばさらに複雑な形が好ましい。実際の回路では
この形状をＲＡＭに記憶してそのプリミティブごとに読
み出してプリミティブ座標点にマッピングする。すなわ
ちガウス乱数によって与えられるプリミティブ座標点は
それぞれ一点であるが、この点に複数の座標点をもつ幾
何学形状がマップされる。こうして得られたガウス乱数
発生器によるプリミティブの座標値に自由曲面上の参照
点が加算されることにより、ガス状物体を構成するすべ
てのプリミティブの絶対座標値が決定される。一方、ガ
ス状物体の分布と密度、すなわちプリミティブの体積当
りの数と、広がりはガウス関数のパラメータで決定され
る。本発明によるガス状物体へのハイライテングはつぎ
のようなプロセスで決定する。ハイライテイングは光源
の方向とプリミティブの法線（ＮｏｒｍａｌＶｅｃｔ
ｏｒ）とからランバートあるいはフォンシェーディング
等の反射光を求めるシェーディングモデルのハードウェ
ア回路によって実現する。この場合、プリミティブの法
線を決定する手段として、本発明ではセグメントごとの
プリミティブに対して任意の法線参照点を三次元空間上
に定義して、この点と、プリミティブ座標点を結ぶ直線
上において参照点に相対する方向に法線を定義する。こ
の様に法線参照点を設定することにより、プリミティブ
には所定の方向の法線を定義することができ、セグメン
ト毎に法線参照点を与えられることによって、セグメン
ト群からなるガス状物体はその組合せによって複雑でラ
ンダムな法線をもつことができる。プリミティブ座標点
（ｘ，ｙ，ｚ）の法線がもつ水平および垂直方向の角度
はそれぞれＮｈ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／ｚ），Ｎｖ＝ａｒ
ｃｓｉｎ（ｙ／ｒ）で与えられる。ここでｒ＝ｒｏｏｔ
（ｘ^２＋ｙ^２＋Ｚ^２）である。これは下式のフォンシェ
ーデイングに用いられる。物体がそれぞれの点で法線を
もつことから、光源からの方向により、視点に入る反射
光や拡散光を求めることができ、局部的なハイライテイ
ングが可能となる。このために下式を用いる。ここでＩ
ｐ，Ｉｄ，Ｉｒ，θ，α，ｎ，Ｌｎ，Ｌｖはそれぞれ反
射光、拡散光係数、鏡面反射係数、光源入射角とプリミ
ティブ法線角との差、光源反射光と視点角との差、鏡面
反射係数、光源入射光水平および垂直角である。Ｉｐ＝Ｉｄｃｏｓθ＋Ｉｒｃｏｓ^ｎα ｃｏｓθ＝ｃｏｓＮｖ＋｛ｃｏｓＬｖ［ｃｏｓ（Ｌｈ−Ｎｈ）−１］｝＋ｃｏｓ（Ｌｖ−Ｎｖ）ｃｏｓα＝２ｃｏｓＮｈ×ｃｏｓＮｖ×ｃｏｓθ−ｃｏｓＬｈｃｏｓＬｖ一方、フォンシェーディングモデル等による乱数発生に
よるプリミティブのハイライテイングには幾つかの問題
点が発生する。一つはポリュームに対する反射光の急激
な変化であり、他はまだらな輝度模様である。前者は反
射光が視点に対し直角あるいはそれ以上となる領域で、
また後者は実際の自然とは比較にならない僅かなプリミ
ティブ数により、プリミティブがまばらに拡散し、それ
ぞれが強調されるためである。本発明では前者に対して
は視点入射角の範囲を±９０゜ではなく、さらに広く設
定する方法で、また後者は（前者にも有効だが）平滑化
フィルタリングを用いて、このような表示現象を軽減す
ることとした。つぎの問題はガス状物体とポリゴン定義
モデルとの合成方法である。ポリゴン定義物体とは面定
義によってプリミティブが表現され、物体が多面体で構
成されたものである。本発明ではガス状物体とポリゴン
定義物体とを合成するために透過率を予め計算する。こ
の方法として、ガス状物体を画像メモリに記憶する際、
Ｚ−バッファ方式の隠面（プリミティブ）消去法を行
う。すなわち、画像メモリには常に視点に最も近いプリ
ミティブだけが記憶される。この際、すでに同一場所に
記憶されたプリミティブが存在した場合、そのプリミテ
ィブのＺ値（視点からの距離）が比較され、視点に近い
ものが画像メモリに記憶される。よって、プリミティブ
を画像メモリに書き込む際、すでにプリミティブが存在
し、オーバラップする場合はその数を計数することによ
って、ガス状物体を構成するプリミティブの視点軸に対
する三次元空間上の密度が分かる。すなわち、オーバラ
ップ数が多い場合、単位面積（ＸＹ面）当りのプリミテ
ィブ数が多いことになり、高密度分布となる。高密度分
布ではポリゴン定義物体の前にガス状物体が存在する場
合透過率は低下することになる。本発明では隠面消去動
作の際にすべてのプリミティブについて、そのオーバラ
ップ数を計数し、この数値を記憶する。このプリミティ
ブの密度は当然、ガウス関数の密度パラメータによって
も近似予測可能ではあるが、本発明は視点座表系におけ
る画像メモリ上で実際のオーバラップ数を求めることと
した。ポリゴン定義物体もガス状物体もまずそれぞれが
個別に隠面消去により、イメージを生成する。よってそ
れぞれはイメージ（カラーあるいは輝度）情報とＺ値の
二種類のデータを画像メモリ上にもつ。ガス状物体で
は、それに加えて、オーバラップ数をそれぞれのプリミ
ティブ（画素）に対してもつことになる。ガス状物体と
ポリゴン定義物体の描画がそれぞれ終了すると、それぞ
れの画像メモリから、イメージとＺ値が表示装置のため
の走査手順に乗っ取り順次、読み出される。この二つの
データの合成はポリゴン定義物体とガス状物体とをそれ
ぞれのもつＺ値で比較し、視点に近い方を選択する隠面
消去法を用いる。この際本発明では、ガス状物体がポリ
ゴン定義物体より視点に近い場合には、透過率を考慮し
たカラーブレンディング（混合）を行う。一方、ガス状
物体は有限のプリミティブ数からなり、これらを単純に
ポリゴン定義物体と合成すると、密度の疎な曲面状にガ
ス状物体のスポット上の模様ができることがある。これ
は合成時に隠面消去を加えたためガス状物体が散在した
状態でわずかに残っているためでそれが強調される結果
である。このスポット状をなくすためには平滑化フィル
タリングが必要である。このシステムではガス状物体が
画像メモリからシリアルデータとして読み出された時点
で３×３の平滑化フィルタリングを行う。このフィルタ
リングは輝度、Ｚ値およびオーバラップ数それぞれに対
して加えられる。輝度のフィルタリグは前記シェーディ
ングの際のまだらな輝度分布を軽減する。平滑化フィル
タリング後のガス状物体とその属性はポリゴン定義物体
と合成されることになる。合成は隠面消去と透過処理に
よって行う。もし、ガス状プリミティブが曲面より視点
に近いのであれば、透過率を考慮したカラーブレンディ
ングを行う。この透過率は前記のオーバラップ数によっ
て決定される。視点に対し曲面より遠い位置にある場合
にはガス状物体は削除される。一方、ポリゴン定義物体
がガス状物体空間内に位置する場合、ガス状プリミティ
ブのあるものは削除、あるものは表示される。この状態
においては所定のプリミティブのオーバラップ数が正し
くならない。通常、プリミティブのＺ位置と曲面定義物
体のＺ位置の差（距離）ΔＺが小さくなれば、透過率は
高くなり、大きくなるほど、オーバラップ数による透過
率に近づく。ガウス乱数による特性からプリミティブの
分布範囲は限定されており、この結果、カラーブレンデ
ィングに用いる透過率はオーバラップ数とΔＺの函数と
なる。以上のプロセスを経て、ガス状物体と曲面定義物
体の合成が可能となる。

【０００３】［実施例］本発明に係わるガス状物体発生
回路例を図１に示す。図１においてガス状物体は物体モ
デラー１によって定義される。モデラー１はガウス乱数
発生器２によるプリミティブ座標点の生成と、これらプ
リミティブからなるセグメントおよびセグメントを集合
した物体の参照点を与えるパラメトリック自由曲線発生
器３を制御する。プリミティブ座標点に対し、それぞれ
プリミティブ形状はＲＡＭ４から読み出されマッピング
される。ＲＡＭ４には一つのプリミティブ座標点に対し
て一つあるいは複数の座標点で構成される形状が登録さ
れている。図２は本発明に係わる乱数発生回路とプリミ
ティブ形状発生回路を示す。２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは
図１のガウス乱数発生器内のブロック図であり、それぞ
れ乱数発生器（通常シフトレジスタと排他的論理和ゲー
トで構成する）、ガウス関数テーブル、乗算器および加
算器である。Ｎｘ，ｙ，ｚおよびＭｘ，ｙ，ｚは三次元
空間内での密度および分布を定義する。４は図１のプリ
ミティブ形状を記憶するＲＡＭであり、４ａはパラメト
リック曲線発生器３からの参照点を加算する加算器であ
る。こうして得られたデバイス座標系のプリミティブ形
状は、図１の法線計算回路５において、モデラー１から
与えられたセグメント毎の法線参照点とプリミティブ座
標点とから、そのプリミティブのもつ法線が求められ
る。それぞれのプリミティブの法線が決定された後シェ
ーディング回路６にて反射光を求め、このデータはＲＡ
Ｍ４の後の加算結果の座標値によってアドレスされる画
像メモリ７に記憶される。この画像メモリ７に対するデ
ータの書き込みの際、隠面消去およびオーバラップ書き
込み回数が隠面消去回路８で計数される。画像メモリ７
に記憶された輝度、Ｚ値およびオーバラップ数は表示装
置のビディオ周波数に同期して走査手順で読み出され
る。このデータは平滑化フィルター回路９に入力する。
フィルター回路９では少なくとも３つの走査上のデータ
を記憶するＲＡＭを有し、順次データを更新記憶する。
またフィルター回路９には３×３の平均化マトリックス
を構成する複数の乗算器および加算器をもち、ＲＡＭか
らのデータを平均化する。こうして得られた輝度、Ｚ値
およびオーバラップ値は曲面定義物体との合成回路１０
に出力される。図３は本発明に係わるイメージ合成回路
１０の内部構成を示す。図３においてポリゴン定義物体
は図１０ポリゴン定義物体用描画プロセッサ１１におい
て画素に展開され、この画素はガス状物体同様、画像メ
モリに記憶された後、表示装置のビディオ周波数に同期
して直列信号として読み出され、イメージ合成回路１０
に与えられる。このデータは図３のＡ入力に加えられ、
シフトレジスタ１０ａに順次ロードされる。一方、ガス
状データは入力Ｂに入り、このデータもシフトレジスタ
１０ｂおよび１０ｃにロードされる。画像メモリーから
読み出されるデータは、ポリゴン定義物体では画素（色
情報）とそのＺ値である。またガス状データは輝度、Ｚ
値およびオーバラップ値である。通常これらはＺ値およ
び画素の順で一定の割合でシリアルに読み出される。本
発明例では２５６画素毎にＺ値と画素を出力する。また
一般にこれらデータは画素２４ビット、Ｚ値２４ビッ
ト、輝度８ビット、オーバラップ値８〜１６ビットで表
現するため、曲面定義描画プロセッサ１１（図１）から
のデータは２４ビット、ガス状データも２４ビット以内
で一つのビディオデータを構成する。図３においてそれ
ぞれの入力ＡおよびＢから受信するＺ値がまず比較回路
１０ｄで比較され、この結果はシフトレジスタ１０ｅに
順次記憶される。この後（例えば２５６個のＺ値の比較
後）、シフトレジスタ１０ａの画素データはマルチプレ
クサ１０ｈあるいは乗算器１０ｇに出力される。一方Ｚ
値のロードおよび出力後、シフトレジスタ１０ｂには輝
度、また１０ｃにはオーバラップ数が記憶される。この
輝度は乗算器１０ｆに加えられ、またオーバラップ数は
オーバラップ逆数と所定の係数の乗算値を登録したメモ
リー１０ｊを経たのち、乗算器１０ｆに加えられ透過率
を決定する。この透過率は乗算器１０ｇに加えられ、曲
面定義物体画素と乗算が行われる。マルチプレクサ１０
ｈでは、もしシフトレジスタ１０ｅに記憶された比較結
果がＡ入力を選択（視点に近い）するものであれば１０
ｈのａ入力を、その逆であれば透過率が加えられた１０
ｇからのデータを受けたｂを選択する。以上のような処
理を得て、合成出力Ｃに出力される。このイメージ合成
回路はビディオ走査周波数に同期して処理され順次入出
力が行われる。以上のように本発明はプリミティブの発
生からポリゴン定義物体との合成までをパイプライン構
造によって処理し、ガス状物体のリアルタイム描画を可
能とした。本発明においてガウス関数テーブルをＲＡＭ
で構成することにより、他の分布関数が設定できる。ま
た、ガス状物体とポリゴン定義物体の合成方法として図
３の構造が示されているが、これら物体を物理的に同一
の画像メモリあるいは同一のグラフィックプロセッサが
管理する画像メモリに記憶し、ガス状物体を平滑化フィ
ルタリングした後、透過率を加えた合成方法がビットブ
ロックトランスファーとＡＬＵ（数値計算回路）によっ
ても可能である。しかし、いずれも合成までのプロセス
が本方式と変わらないかぎり本発明の範囲を逸脱するも
のではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス状物体表示回路

【符号の説明】

１モデラー２ガウス乱数発生器３パラメトリック自由曲線発生器４ＲＡＭ５法線計算回路６シェーディング回路７画像メモリー８隠面消去回路９フィルター回路１０イメージ合成回路１１曲面定義物体用描画プロセッサ

【図２】本発明の乱数およびプリミティブ形状発生回路

【符号の説明】

２ａガウス乱数発生器２ｂガウス函数テーブル２ｃ乗算器２ｄ加算器

【図３】本発明のイメージ合成回路

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｅシフトレジスタ１０ｄ比較器１０ｆ，１０ｇ乗算器１０ｈマルチプレクサ１０ｊメモリー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス状の自然現象物体をコンピュータグラ
フィック技法で生成表現するハードウェア回路に関し、
その物体を構成する最小表示単位をプリミティブ、プリ
ミティブの集合をセグメントと定義し、プリミティブは
密度および分布函数をもつ乱数発生回路によって３次元
空間内のプリミティブ座標を決定し、一方、パラメトリ
ックな自由曲線発生回路を設け、この曲線上の所定の点
を前記プリミティブの参照点として与え、この一つの参
照点に含まれるプリミティブ群を一つのセグメントとす
る。上記データ構造において、ガス状物体を自由曲線の
形状とその線上に与えられた所定の複数の参照点をもつ
それぞれのセグメントを集合して構成する第一の手段
と、このそれぞれのセグメントにはそのセグメントを構
成するプリミティブに対し、法線を定義する少なくとも
一つ以上の法線参照点を与え、光源入射角とこの法線と
から反射光を求めるシェーディング回路を設けて、プリ
ミティブの反射輝度を求める第二の手段と、またプリミ
ティブが視点軸上で重なるとき、視点に最も近い輝度お
よびＺ値を選択するとともに、その重なり数を計数し
て、前記輝度情報と共にこれら情報を画像メモリに記憶
する一方、この画像メモリから読み出された輝度、Ｚ値
および重なり数を平滑化フィルタリングして得た情報を
ガス状物体の画像データとする第三の手段を合わせもつ
ガス状物体表示回路
【請求項２】請求項１において得られた画像データと、
ポリゴン定義物体との合成において、ポリゴン定義物体
のもつカラー情報とＺ値のうち、Ｚ値を比較してガス状
物体のもつＺ値が視点に対し、ポリゴン定義物体より遠
方の場合はガス状物体を削除、近い場合は、ポリゴン定
義物体とガス状物体とのカラー混合を行う方法におい
て、平滑化されたガス状物体の輝度と重なり数の逆数と
の積に比例する透過率を求め、この透過率によって、ガ
ス状物体とポリゴン定義物体を合成するガス状物体表示
回路
【請求項３】請求項１において、ガス状物体の動きを制
御する方法に関し、請求項１のパラメトリック自由曲線
に対して、第二のパラメトリックな自由曲線を設け、一
つのガス状物体に対しこの自由曲線上の所定の一点をそ
の参照点として与え、複数のガス状物体を連結するとと
もに、請求項１の乱数発生回路の密度および分布函数、
あるいは第一の自由曲線または第二の自由曲線の制御点
をそれぞれ別途あるいは同時に変更することにより、物
体の動的な変化および動きを表現するガス状物体表示回
路