JPH01118968A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、３次元２値画像の距離画像からシェーディ
ング画像を得るのに好適な画像処理装置に関する。

（従来の技術） 近年、ＣＴなどからの断層画像から３次元画像（３次元
２値画像）を構築する試みが行なわれている。そして、
この種の３次元２値画像を表示画面上に立体感を持たせ
て表示するために、成る方向から光線を照射したときの
物体（３次元２値画像で示される物体）の表面の輝度を
計算し、いわゆるシェーディング画像を求めることが行
なわれている。しかし、輝度の計算量は膨大であり、し
たがって１つのシェーディング画像を得るのに、長時間
を要する問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 上記したように従来は、３次元２値画像の距離画像から
シェーディング画像を高速に求めることは困難であった
。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものでその目的は
、３次元２値画像の距離画像からシェーディング画像を
求める処理が、２次元の濃淡画像処理により簡単且つ高
速に行なえる画像処理装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明は、３次元空間上の任意の平面の各点から３次
元２値画像で示される物体までの距離を濃淡画像データ
として表わした距離画像にそれぞれ第１．第２の空間フ
ィルタリング処理を施し、同距離画像の各点についてそ
の点とそれぞれＸ。

ｙ方向に隣接する点の濃度の差を示す画像データを求め
ることにより、それぞれｘ、ｙ方向の微分画像を得、ｘ
、ｙ方向微分画像の各点の画像データまたはその圧縮デ
ータである第１．第２微分画像データが同一点同士で連
結された法線画像データを求めることにより法線画像を
得るようにしたものである。この発明は更に、上記法線
画像のデータ変換に供されるデータ変換テーブルを用意
し、同テーブルの各エントリに、任意方向から光線を照
射した場合の３次元物体の表面の輝度を示す輝度データ
であって、対応エントリアドレス値に一致する法線画像
データを成す第１および第２微分画像データを用いて計
算される輝度データを設定し、このデータ変換テーブル
を用いて上記法線画像の各点の法線画像データをデータ
変換することにより、シェーディング画像を得るように
したものである。

（作用） 上記の構成によれば、３次元２値画像の距離画像からシ
ェーディング画像を求めるまでの画像処理が２次元の濃
淡画像を対象として行なえるため、２次元画像プロセッ
サが適用でき、したがって処理の高速化が可能となる。

（実施例） 第２図はこの発明の一実施例に係る画像処理装置のブロ
ック構成を示す。同図において、１１は装置全体を制御
するＣＰＵ、１２は主メモリである。

１３は画像等を表示するＣＲＴモニタ、１４はＣＲＴモ
ニタ１３の表示コントローラである。１５−１．１５−
２゜・・・１５−７は例えば８ビツトの階調を持つ２次
元のフレームメモリ、１Ｂは２次元の８ビツト画像プロ
セッサ（画像処理プロセッサ）、１７はデータ変換テー
ブル格納等に供されるテーブルメモリである。この実施
例において、画像プロセッサ１６は、■３×３（ビット
）のテーブルを用いて空間フィルタリング処理を行なう
機能（結果は符号付きの８ビツトの濃淡画像データとし
て求められる）、■テーブルメモリ１７（に格納されて
データ変換テーブル）に従って画像を変換する機能、■
２つの画像間の画素毎に演算（ここでは論理和演算）を
行ない、結果を新たな画像とする機能等を有している。

１８はＣＰＵＩＩが表示コントローラ１４、フレームメ
モリ１５−１〜１５−７、画像プロセッサ１Ｂおよびテ
ーブルメモリ１７を制御するのに供される制御バス、１
９は表示コントローラ１４、フレームメモリ１５−１〜
１５−７、画像プロセッサ１６およびテーブルメモリ１
７間の画像データ転送に供される画像バスモある。

次に、第２図の構成の動作を、３次元２値画像の距離画
像からシェーディング画像を得る場合について、第１図
の流れ図を参照して説明する。

まず、３次元２値画像の８ビツト距離画像が、フレーム
メモリ１５−１に格納されているものとする。

この距離画像は、第３図に示すように３次元２値画像２
１で示される３次元物体２２に対して３次元空間内の任
意の平面２３が与えられたとき、平面２３上の各点から
物体２２の表面までの垂直方向の距離（ｄ）を８ビツト
の濃淡画像データとして表わしたものである。この際、
平面２３上の各点から３次元２値画像２１の各画素まで
の垂直方向の距離の最小値は０、最大値は２５５として
扱われる。また、平面２３上の点からの垂線が物体２２
と交わらない場合には、その点の画像データ（画像濃度
）として、最大値（ここでは２５５）が用いられる。な
お、３次元２値画像から距離画像を求める方式について
は、この発明に直接関係しないために説明を省略する。

この実施例では、フレームメモリ１５−１に格納されて
いる距離画像からシェーディング画像を求めるために、
まず距離画像から以下に述べるＸ方向微分画像並びにＸ
方向微分画像を求める処理が行なわれる。ｘ、Ｘ方向の
微分画像は、距離画像の各点（画素）について、その点
とＸ＋Ｙ方向に隣接する点の濃度の差を符号付きの８ビ
ツト濃淡画像データ（ｘ＋　　Ｘ方向微分画像データ）
としてそれぞれ表わしたものである。距離画像とｘ、Ｘ
方向微分画像との関係を第４図に示す。第４図から明ら
かなように、距離画像の任意点Ｐ　（ｘ、ｙ）の距離画
像データ（の示す濃度）をｄ　（ｘ、ｙ）、点ＰのＸ方
向隣接点（ｘ＋１．ｙ）の距離画像データ（の示す濃度
）をｄ　（ｘ＋１．７）　、点ＰのＸ方向隣接点（ｘ、
ｙ＋１）の距離画像データ（の示す濃度）をｄ　（ｘ、
ｙ＋１）とすると、Ｘ方向微分画像データｆＸ並びにｙ
方向微分画像データｆｙは、 ｆｘ　−ｄ　（ｘ＋１．ｙ）　−ｄ　（ｘ、ｙ）ｆｙ　
−ｄ　（ｘ、ｙ＋１）−ｄ　（ｘ、ｙ）となる。そこで
、ここでは、Ｘ方向微分画像データ（ｆｘ　）を求める
のに第５図に示す３×３ビツトの空間フィルタリングテ
ーブル（以下、Ｘ方向微分テーブルと称する）を用い、
Ｘ方向微分画像データ（ｆｙ　）を求めるのに第６図に
示す３×３ビツトの空間フィルタリングテーブル（以下
、Ｘ方向微分テーブルと称する）を用いるようにしてい
る。

■　さてＣＰＵＩＩは、距離画像からＸ方向微分画像を
求めるために、テーブルメモリ１７に第５図に示した３
Ｘ３ビツトのＸ方向微分テーブルを制御バス１８経由で
設定し、画像プロセッサ１Ｂを起動する。

■　　画像プロセッサ１６は、フレームメモリ１５−１
内の距離画像に対し、テーブルメモリ１７に設定されて
いる３Ｘ３ビツトのＸ方向微分テーブルによる空間フィ
ルタリング処理（ＦＬＴ）を施し、距離画像の各点（画
素）毎に、その点とＸ方向に隣接する点の濃度の差を符
号（Ｓ）付きの８ビツト濃淡画像データとして求め、フ
レームメモリ１５−２内の対応点の位置に格納する処理
を行なう。

このフレームメモリ１５−２に格納される画像データは
、該光点における距離画像のＸ方向の微分値（Ｘ方向微
分画像データ）を示し、したがってフレームメモリ１５
−２には距離画像に対するＸ方向の微分画像が求められ
ることになる。

■　画像プロセッサｔｅは、フレームメモリ１５−２に
Ｘ方向微分画像を求めると、その旨をＣＰＵＩＩに通知
する。ＣＰＵＩＩは、画像プロセッサ１Ｂからの通知を
受取ると、テーブルメモリＩＴに今度は第６図に示した
３×３ビツトのＸ方向微分テーブルを制御バス１８経由
で設定し、画像プロセッサ１Ｂを再度起動する。

■　画像プロセッサ１６は、フレームメモリ１５−１内
の距離画像に対し、テーブルメモリ１７に新たに設定さ
れた３×３ビツトのＸ方向微分テーブルによる空間フィ
ルタリング処理（ＦＬＴ）を施し、距離画像の各点（画
素）毎に、その点とＸ方向に隣接する点の濃度の差を符
号（Ｓ）付きの８ビツト濃淡画像データとして求め、フ
レームメモリ１５−３内の対応点の位置に格納する処理
を行なう。

このフレームメモリ１５−３に格納される画像データは
、該光点における距離画像のｙ方向の微分値（Ｘ方向微
分画像データ・）を示し、したがってフレームメモリ１
５−２には距離画像に対するｙ方向の微分画像が求めら
れることになる。

■　画像プロセッサ１６は、フレームメモリ１５−３に
Ｘ方向微分画像を求めると、その旨をＣＰＵＩＩに通知
する。ＣＰＵＩＩは、画像プロセッサ１６からの通知を
受取ると、フレームメモリ１５−２内のＸ方向微分画像
並びにフレームメモリ１５−３内のＸ方向微分画像に対
するデータ変換（Ｄ　ＣＶ）を画像プロセッサ１６に指
示する。これにより画像プロセッサ１６は、まずフレー
ムメモリ１５−２内のＸ方向微分画像の各点の符号付き
８ビツト画像データ（Ｘ方向微分画像データ）を、同デ
ータの上位４ビツトが下位４ビツトとなり、この４ビツ
トの上位に４ビツトのオール“０°データが付加された
新たな８ビツト画像データ（４ビツト圧縮された微分画
像データ）にデータ変換し、フレームメモリ１５−４内
の対応点の位置に格納する処理を行なう。この結果、フ
レームメモリ１５−４内に、Ｘ方向微分画像の各点の画
像データが４ビツト圧縮された新たなＸ方向微分画像が
求められる。なお、上記のデータ変換には、２５６のエ
ントリを有し、各エントリに、そのエントリアドレス（
８ビツト）を右に４ビツトシフトして上位４ビツトを“
０″とすることにより得られる変換データが設定された
データ変換テーブルが用いられる。

次に画像プロセッサ１６は、フレームメモリ１５−３内
のＸ方向微分画像の各点の符号付き８ビツト画像データ
（Ｘ方向微分画像データ）を、同データの上位４ビツト
が上位４ビツトとなり、この４ビツトの下位に４ビツト
のオール“０”データが付加された新たな８ビツト画像
データ（４ビツト圧縮された微分画像データ）にデータ
変換し、フレームメモリ１５−５内の対応点の位置に格
納する処理を行なう。この結果、フレームメモリ１５−
５内に、Ｘ方向微分画像の各点の画像データが４ビツト
圧縮された新たなＸ方向微分画像が求められる。

なお、上記のデータ変換には、２５６のエントリを有し
、各エントリに、そのエントリアドレス（８ビツト）を
左に４ビツトシフトして下位４ビツトを“０”とするこ
とにより得られる変換データが設定されたデータ変換テ
ーブルが用いられる。

画像プロセッサ１６は、以上のデータ変換を行なうと、
フレームメモリ１５−４内の圧縮されたＸ方向微分画像
およびフレームメモリ１５−５内の圧縮されたＸ方向微
分画像の各点の８ビツト画像データについて、同一点同
士で論理和（ＯＲ）をとり、その論理和結果（圧縮され
たＸ方向微分画像の画像データの有効部分である下位４
ビツトと圧縮されたＸ方向微分画像の画像データの有効
部分である上位４ビツトとの連結結果）である８ビツト
画像データ（以下、法線画像データと称する）をフレー
ムメモリ１５−６内の対応点の位置に格納する処理を行
なう。この結果、フレームメモリ１５−６内に、圧縮さ
れたＸ方向微分画像成分および圧縮されたＸ方向微分画
像成分を含む新たな画像（以下、法線画像と称する）が
求められる。

以上のｘ、Ｘ方向微分画像の画像データ、圧縮されたＸ
ＩＭ方向微分画像の画像データおよび法線画像の画像デ
ータの関係を、第７図に示す。

なお、画像プロセッサ１６が例えば１２ビツト処理可能
であれば、ｘ、Ｘ方向微分画像データを６ビツトに圧縮
して連結するだけでよく、この場合には４ビツトに圧縮
する場合に比べて高精度となる。

また、画像プロセッサ１６が例えば１６ビツト処理可能
であれば、ｘｒＹ方向微分画像データをそのまま連結し
て法線画像データとすればよい。

ここで、Ｘ１３’微分画像データから成る画像データを
法線画像データと呼ぶ理由について第８図を参照して説
明する。第８図においてＶは距離画像の任意点Ｐ　（ｘ
、ｙ）に対応する物体表面の点Ｐ１での法線ベクトル、
Ｘ′は点Ｐ１から点ＰのＸ方向隣接点（ｘ＋１．ｙ）に
対応する物体表面の点Ｐ２へのベクトル、ｙ′は同じく
ｙ方向隣接点（ｘ、　　ｙ　＋　ｌ　）に対応する物体
表面の点Ｐ３へのベクトルである。この場合、法線ベク
トルＶは、点ＰにおけるＸ方向微分値（Ｘ方向微分画像
データ値）をｆＸ、点ＰにおけるＸ方向微分値（Ｘ方向
微分画像データ値）を特徴とする特許のように表わされ
る。即ち法線ベクトルＶは、ｆｘ、　　ｆｙを用いて表
わされる。そこで、このｆＸ、ｆ７を持つ画像データ（
ここではそれぞれ圧縮された４ビツトのｆＸ、　　ｆｙ
から成る８ビツト画像データ）を、法線画像データと呼
ぶようにしたものである。

■　画像プロセッサ１６は、上記のデータ変換によりフ
レームメモリ１５−６内に法線画像を求めると、その旨
をＣＰＵ１１に通知する。ＣＰＵＩＩは、画像プロセッ
サＩＢからの通知を受取ると、法線画像をデータ変換し
てシェーディング画像を求めるためのデータ変換テーブ
ルを作成する。このテーブル作成について、以下に詳述
する。

平行光線の面上での拡散反射は、周知のように光線ベク
トルＬ（予め与えられる光の向きによって決まる）と面
の法線ベクトルＶの余弦に比例する。したがって、第９
図に示すようにＬとＶの間の角度をθとすると、面の明
るさ（輝度）Ｂは、次のように表わされる。

Ｂ−ｋｅＣＯ８（π−θ）＋α ＝−ｋｅｃｏｓθ＋α −Ｖ ｍ−に□＋α ＩＬＩ　・ＩＶＩ ｋ、αは定数 ここで、 を用いると、上記Ｂは となる。ここで、 とすると、上記Ｂは Ｂ−にやｂ＋α のように表わされる。ｋ、αは定数であるため、Ｂはｂ
の値で決定される。さて、ここでは、面の明るさを８ビ
ツトの濃淡画像データ値（輝度データ値）Ｂで表現し、
ｂが最小値ｂ　ｌ１ｉｎをとる場合にＢ−０となり、ｂ
が最大値ｂＩｆｉａｘをとる場合にＢ−２５５となるよ
うにしている。したがって、このＢは次式 を用いることにより求められる。そこで、ＣＰＵＩｆは
、まずｆｙ、ｆｘ　　（４ビツト）の全ての組合わせ（
オール“０２からオール′１１までの２５６通り）につ
いてｂ値を計算し、この計算で求められた各す値毎に対
応する百値を計算し、各Ｂ値が対応するｆｙ、ｆｘの組
合わせ値に一致するエントリアドレスで示されるエント
リに設定されたデータ変換テーブルを作成する。

ＣＰＵＩＩは、上記のデータ変換テーブルを作成すると
、同テーブルをテーブルメモリ１７に設定し、しかる後
に画像プロセッサ１６を起動する。これにより画像プロ
セッサＩＢは、フレームメモリ１５−６内の法線画像の
各点の（ｆｙ、ｆｘから成る）画像データをテーブルメ
モリ１７（内のデータ変換テーブル）のアドレス（エン
トリアドレス）として同メモリ１７（内のデータ変換テ
ーブル）を参照し、その内容である８ビツト輝度データ
（Ｂ）を得てフレームメモリ１５−７の対応点の位置に
格納する処理、即ち法線画像データを輝度データに変換
するデータ変換処理を行なう。この結果、フレームメモ
リ１５−７内に、シェーディング画像が求められる。明
らかなように、光線の方向を変化させて陰影の様子を変
えることも、光線方向を決めるＩＸ、　　１ｙ＋　　ｌ
ｚを変えてｂ値を計算し、対応するデータ変換テーブル
を作成してデータ変換を行なうことで、リアルタイムに
行なうことができる。

また距離画像を求める方向を変えることで、即ち第３図
に示す平面２３を変えることで、任意方向からのシェー
ディング画像が求められることも明らかである。

なお、Ｘ方向微分画像を求めるのに用いるＸ方向微分テ
ーブル（空間フィルタリングテーブル）としては、第５
図に示すテーブルに限らず、例えば第１０図（ａ）、（
ｂ）に示すテーブルでも適用可能である。同様に、ｙ方
向微分画像を求めるのに用いるｙ方向微分テーブル（空
間フィルタリングテーブル）としては、第６図に示すテ
ーブルに限らず、例えば第１１図（ａ）、（ｂ）に示す
テーブルでも適用可能である。また、前記実施例では、
距離画像、Ｘ方向微分画像、ｙ方向微分画像、法線画像
およびシェーディング画像などの各種画像を、それぞれ
異なるフレームメモリに格納するものとして説明したが
これに限るものではない。例えば、Ｘ方向微分画像格納
に使用したフレームメモリに法線画像を格納し、ｙ方向
微分画像の格納に使用したフレームメモリにシェーディ
ング画像を格納することも可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、３次元２値画像
の距離画像からシェーディング画像を求めるまでの画像
処理を２次元の濃淡画像を対象として行なうことができ
るので、この画像処理に２次元画像プロセッサを適用す
ることが可能となり、処理の高速化を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に直接関係するシェーディング画像取
得処・理の一実施例を示す流れ図、第２図は第１図の処
理を実現する画像処理装置のブロック構成図、第３図は
３次元２値画像の距離画像を説明する図、第４図は距離
画像の任意点のｘ、　　ｙ方向の微分値（微分画像）を
説明する図、第５図はＸ方向微分画像を求めるのに用い
られるＸ方向微分テーブルの一例を示す図、第６図はｙ
方向微分画像を求めるのに用いられるｙ方向微分テーブ
ルの一例を示す図、第７図はＸ＋Ｙ方向微分画像の画像
データ、圧縮されたＸ、ｙ方向微分画像の画像データお
よび法線画像の画像データの関係を示す図、第８図は法
線ベクトルを説明する図、第９図は平行光線の面上での
拡散反射を説明する図、第１０図は第５図のＸ方向微分
テーブルに代えて使用可能な微分テーブルを示す図、第
１１図は第６図のｙ方向微分テーブルに代えて使用可能
な微分テーブルを示す図である。 １１・・・ＣＰ　Ｕ、　１５−１〜１５−７・・・フレ
ームメモリ、１Ｂ・・・（２次元）画像プロセッサ、１
７・・・テーブルメモリ。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 ｗ＆２図 第３図 第５図　　　ｔｓ６図 第７図 第８図 「 第９図 第１０図　　　第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ３次元空間上の任意の平面の各点から３次元２値画像で
   示される物体までの距離を濃淡画像データとして表わし
   た距離画像に第１の空間フィルタリング処理を施し、同
   距離画像の各点についてその点とｘ方向に隣接する点の
   濃度の差を示す画像データを求めることによりｘ方向の
   微分画像を得る第１画像処理手段と、 上記距離画像に第２の空間フィルタリング処理を施し、
   同距離画像の各点についてその点とｙ方向に隣接する点
   の濃度の差を示す画像データを求めることによりｙ方向
   の微分画像を得る第２画像処理手段と、 上記第１画像処理手段によって求められた上記ｘ方向微
   分画像の各点の画像データまたはその圧縮データである
   第１微分画像データと上記第２画像処理手段によって求
   められた上記ｙ方向微分画像の各点の画像データまたは
   その圧縮データである第２微分画像データとが同一点同
   士で連結された法線画像データを求めることにより法線
   画像を得る第３画像処理手段と、 上記法線画像のデータ変換に供されるデータ変換テーブ
   ルであって、各エントリには、任意方向から光線を照射
   した場合の上記３次元物体の表面の輝度を示す輝度デー
   タであって、対応エントリアドレス値に一致する上記法
   線画像データを成す上記第１および第２微分画像データ
   を用いて計算された輝度データが設定されているデータ
   変換テーブルと、 上記第３画像処理手段によって求められた上記法線画像
   の各点の法線画像データを、上記データ変換テーブルを
   用いて対応する輝度データに変換することにより、シェ
   ーディング画像を求める第４画像処理手段と、 を具備することを特徴とする画像処理装置。