JPH01501179A - 迅速な画像発生用の遠近処理およびプロセッサ - 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】 迅速な画像発生用の遠近処理およびプロセッサ発明の技術的背景 この発明は、一般の画像生成に関するものであり、特に蓄積された画像データの コンピュータ処理を伴う画像生成システムに関するものである。

可視シミュレータ、フライトシミニレータおよび訓練装置のような多くの応用に おいて、連続運動の様子を生成するのに充分なフレーム速度で実際的な（写真の 品質に近い）画像または情景（シーン）を生成する必要がある。

ある型式の画像生成システムは、モノカラーの、スムースな影の付された、織地 状の多角形を有する風景を含む目的物の相互結合された平坦な多角形描写のデー タベースに基づいている。これらのシステムは動画状の画像を生成し、大部分が 手作業のデータベースはもしも実際の性質の真の複雑性を別の像発生技術は、ボ クセル（ｖｏｘｅｌ　）　（データベース描写素子）またはグリッド化された（ ｇｒｉｄｅｄ）データベースを含む。しかしながら、ある応用に対して所望され る画像品質およびフレーム速度に対して、１秒当り数百筒のボクセルが処理され なければならない。

この発明の主目的は、連続的な運動の様子を生成するために充分なフレーム速度 で実際的な画像または情景を発生させる方法および装置を提供することである。

別の目的は、連続的な運動の様子を生成するために充分なフレーム速度で実際的 な画像または情景を発生させるように効率的にボクセルまたはグリッド化された データベースを処理する方法および装置を提供することである。

さらに別の目的は、並列データ処理が効率的に利用される実際的な画像または情 景を発生させる方法および装置を提供することである。

発明の概要 この発明の１実施態様によれば、この発明は、ボクセルデータベースの使用によ り、表示スクリーンの画素に対するデータの形態で情景の画像データを提供する 。主シミニレ−ジョンシステムはシミューレートされた観察フィールド（ＦＯＶ ）を決定する表示スクリーンに関して観察者の眼の位置に対するようなデータを 提供し、ボクセルデータベースは地上座標位置を表わす複数の解像レベルのそれ ぞれに対する２次元グリッドに組織される。表示スクリーンは画素の行および列 から構成され、眼の点および所定の画素列を通って投影される平面は所定の線形 走査パスを定めるライン中のデータベースグリッドをさえぎる。この発明によれ ば、ボクセルデータベースはデータベース上の投影された画素寸法に比例したデ ータベース解像度で線形パスに沿って効率的に走査され、走査されたボクセルデ ータは連続する画素に対してデータに処理され、そのそれぞれの境界はデータベ ースの線形走査中で遭遇するデータベース表面上へ突出される。そのような高さ く渦状）の遠近法のような効果の補償は画素データの計算に続いて行われる。

この発明の利点の一つは、水平および垂直遠近法計算の分離がデータベースの内 容、更に詳しく言えば高さのデータベースの値（２）に関係なく線形にデータベ ースを走査することを可能にすることであり、したがって高い“パイプライン。

コンピュータ技術が可能であることである。この“バイブ″は多数の連続する処 理段中の処理を表わし、それ故、各クロックサイクルにおいて処理アルゴリズム の実質上全ての観点が連続するデータ要素に対して並列に処理される。

処理のさらに別の並列は適当なオーダーで線形データベース走査を処理すること によって、連続する走査の間の導出された画素データ中の真直ぐな先行関係を生 じる一方向性相互依存のみがあるという特徴によって達成される。これは多数の 走査が並列に処理されることを可能にし、構成されるべき第２の並列ディメンシ ョンを与える。したがって、これらの特徴の組合わせは、写真状の情景を生成す ることのできる充分な描写によるデータベースで動作する“実時間′情景発生装 置の実際的な構成を可能にする。

図面の簡単な説明 この発明の考察された特徴であるすぐれた特徴は特許請求の範囲に記載されてい る。この発明自身は、すなわち、組織および動作方法ならびに負荷的な目的およ びその効果は、添附図面を参照した以下の説明からもっともよく理解できるであ ろう。これらの添附図面において、同様な符号は同一の部分を表わす。これらの 図において、 第１図は、この発明の１実施例のプロセッサを伴ったシステムのブロック図であ る。

第２ａ図および第２ｂ図は、浅いピッチ角度で大地レベルに対して投影された表 示画素がどのよう′に基礎データベースボクセルに対するかを示す。

第３ａ図および第３ｂ図は、この発明を実現するための“パイプ′構造（コンピ ュータ技術）を機能モジュール的に示す。

第４図は、地球およびスクリーン座標系および眼の観察位置を示す。

第５図は、ボクセルデータベースの水平補間を説明するための図である。

第６図は、列パラメータ発生形態を示す。

第７図は、角度を回転することによる予め回転された画像フレームを示す。

第８図は、列開始および終端画素を示す。

第９図は、画素終端テストおよび画素実効可能性テスト状態を示す。

第１０図は、放射方向カラー積分を示す。

第１１図は、垂直遠近法補正を説明するための図である。

第１２図は、回転アンチ・アリアシングを示す。

まず、主としてこの発明の１実施例である第１図および第２図を参照すると、こ の発明は、大地座標位置を表わす２次元グリッド２４において組織されたボクセ ルデータベースの使用により表示スクリーン２２の画素２０のためのデータの形 態で情景（シーン）の画像データを与える。第１図には図面を簡単にするために 画素２０の６つの行おび列しか示されていないけれども、４８０　Ｘ４８０のよ うなずっと大きな数が多くの用途においてより一般的なものであることが理解で きるであろう。

画素は予め定められた位置をその上に有する表示スクリーン上の小さな区域であ る。ボクセルはデータベースグリッド中のそのベース位置によって位置されてお り、画素データを形成するために処理するための情報を含む。例えばカラーおよ び／または強度、および高さく２）が各ボクセルに関係している。データベース グリッド（第２ｂ図の２４参照）のＸ、　Ｙ平面中のボクセルの区域が各グリッ ド区域と関連する２値（高さ）を存すると考えられるとき、“ボリューム素子″ 、すなわちボクセルが得られる。また、２次元グリッドのほんの一部分だけが第 ２ｂ図に示されていることを認識すべきである。

主シミュレーションシステム２Ｂは、表示スクリーン２２に対する観察者の眼の 点２８に関するデータをプロセッサ４０にを与え、このプロセッサ４０はこの発 明にしたがってボクセルデータベースを処理して表示スクリーン２２上の高品質 の画像の表示のための適切なフォーマットで画素データを出力する。主シミュレ ータシステム２６は、例えば訓練シミュレーション用においてはホストコンピュ ータ（図示せず）および操縦桿駆動航空モデル（図示せず）を備えていてもよい 。眼の地点および所定の画素列を通って投影される平面および所定の画素列は線 形走査バス（第６図参照）を定めるラインにおいてデータベースグリッドと交差 する。後で説明するように、ボクセルデータベースはデータベースグリッド上の 投影された画素の大きさに比例したデータベース解像度で線形バスに沿って効果 的に走査され、走査されたボクセルデータは連続する画素のためのデータに処理 される。第１０図に示すように、各画素の底部および頂部は、各画素とどのボク セルが関係するかを決定するためにデータベースの線形走査において交差したデ ータベース平面上へ投影される。

アルゴリズムと構成との相互作用 ボクセルデータベースのスクリーン座標への遠近法変換のためのアルゴリズムは プロセッサ４０の長い処理バイブラインを遮断する頻繁な相互依存なしに表示画 素に向かってデータベース要素の連続処理を許容するように構成されている。そ のとき大きな作業が生成され、全体が順次のサブプロセスで構成される。

バイブライン処理における各サブプロセスはさらにバイブライン化されたサブプ ロセスに分断される。

それ故、ハードウェアの構成において、バイブライン中の処理素子はその機能を 完了するために１クロツクサイクルより多くを必要とすることはなく、したがっ て各サイクルに処理されたデータ要素を通過できる。事実全ての処理要素は各サ イクルに正当なデータによってビジィ−であり、それは処理されるデータの流れ が大きく中断されることがなく、非常に高い効率でハードウェアが使用されるか らである。

大形のダイナミックデータベースメモリ７０（第３ａ図）がダイナミックＭＯＳ メモリによって構成され、それは所望の処理クロック時間より大きいサイクル時 間を有する。しかしながら、Ｘ＋　ｙ座標中のデータベースを横切ってアルゴリ ズムが走査を行なう通常の方法は非常に効率の高い挿間メモリデザイン構造に対 して行われる。したがって、大地座標位置を表わす２次元グリッドに組織された ボクセルデータベースの選択はこの挿間能力を最適なものとする。

ハードウェア構造中の大きさの考察 第２ａ図および第２ｂ図は大地のデータベースボクセルに表示画素がどのように 投影されるかを示している。第２ｂ図の実施例において、画素の色は大地のデー タベースの平面上の画素の足跡２９を構成する３個の完全なボクセルと、第１の ボクセルの大部分と、最後（５番目）のボクセルの小部分との積分である。

説明したシステムにおける支配的な大きさのパラメータはピッチ角値であり、よ り浅い（水平線に近い）角度で負荷マネージメント技術が使用されなければなら ない。したがっていくつかの方法で発生された情景の品質を低下させる。（最も 有効な負荷マネージメント法はより粗いボクセルを使用することであり、したが って画素当りのボクセルカウントを減少させることである。これは通常２までま たは４まででさえもファクターにおいて顕著ではない。別の選択は６０分の１秒 のインクレメントに情景発生速度を遅くすることであり、これも真直ぐ前方の低 い傾斜角度で非常に顕著ではない。）もしも例えば、負荷マネージメント要求さ れる前に水平下１１度のピッチ角までなることが所望されるならば、ボクセルは 平゛均で画素の幅の１．５倍であるから（ｘｉとｘ２との間に維持される。すな わちボクセルの大きさ／解像度は１画素幅よりも大きく２画素幅よりも小さく選 ばれる。）、投影された画素は長さで平均４ボクセルである。再び、例えば４８ ０　Ｘ４８０画素の表示装置では３３ｍ５の更新速度の画像、毎秒平均約８００ 万の画素が処理される。それ故４個の並列のボクセルパイプが必要であり、それ ぞれ毎秒約８００万ボクセルの実効平均速度での走行が所望の画素の生成に必要 である。

ボクセルデータベースからの実時間情景発生の処理は、観察内の全てのデータベ ース描写要素（ボクセル）のアクセスし、各可視ボクセル輝度値をその画素に対 する支配に比例して適切なスクリーン画素に積分することからなる。観察の傾斜 角と情景の内容に応じて、この手段は毎秒数千刃のボクセルにアクセスし処理し て表示を生成する。画素の足跡幅はボクセルデータの処理のための適切な階級レ ベルを決定し、それにより傾斜距離と無関係に処理されるボクセル数を維持する 。

画像発生アルゴリズムは情景発生処理を並列の同一プロセッサで実効できる多数 の同一の作業に分割する。このアルゴリズムはまた個々の作業の全ての段階に対 して長いパイプライン構造中の連続するデータ要素で同時に計算されることを可 能にする。したがって、このシステム構造はボクセルベースの情景発生に必要な 高い速度の計算を実行させる２次元における並列を利用する。

第３ａ図および第３ｂ図は、処理の後半のために単一のパイプに狭められた多重 パイプ形態としてのパイプ構造の前部を示している。特に、機能モジュール素子 ５０乃至５７は第３ａ図および第３ｂ図に４個のパイプ（並列処理チャンネル） を示すものとして図示されている。例えば、座標アドレス発生装置５０は４個の モジュール素子５０ａ　、　５０ｂ　、　５０ｃ　、　５０ｄからなるものとし て示され、それらのそれぞれは各プロセッサパイプとして動作する。ダイナミッ クデータベースメモリ７０は、多数のサブモジュールからなるものとして示され 、バッファ６７および６８はそれぞれ２個のサブモジュール（単一のパイプ形態 であるが）から構成されるものとして示されている。多重領域においてデータベ ース要素（ボクセル）は処理されて表示画素を生成する。その後データトラフィ ックはずっと小さい、画素が生成される点において予想できる数に減少し、単一 のパイプ構造は残りの処理の要求に合致させるのに充分なものである。

バイブ長は、物理的素子間のデータバスのための共通インターフェイスプロトコ ールおよび共通制御システムを有する機能的なモジュールとして構成される。こ れは機能的な付加または変化の範囲に対する一つの構造を与える。このモジュー ル性はまた、迅速な故障検出／故障分離を可能にするモジュールベースで中央で アクセス可能なテスト入力および出力を有して機能が互いに物理的に分離される から、故障診断および保守過程において非常に大きな助けとなる。

並列パイプ構造はまた共通の構造を与えられた用途に経済的に適合させることを 可能にするようにハードウェアの要求に対するモジュール性をもたらす。また並 列の同一のパイプは、品質の低下した動作を行なうフエイ、ルソフト（ｆａｔ　 １ｓｏｆｔ）故障許容の能力を与え、したがって高いシステム利用性を確保でき る。

プロセッサの実行はフレームおよび列パラメータ発生装置４４を伴うパイプ制御 装置４２の完全な制御下にある。パイプ制御装置４２は作業リスト（走査列）お よび供給源の集積（パイププロセッサ）を有する。制御装置の仕事は表示（情報 ）のフレームの完成のために作業（その期間中に変化可能である）における供給 源のビジー状態を維持することである。

ダイナミックデータベースメモリ７０の前および後の接続（スイッチ）回路網７ ２および７４は全てのパイプが共通のデータベースメモリへのアクセスを共用す ることを可能にする。

メモリミは所要のメモリアクセス帯域幅を得るために多数の挿間されたサブモジ ュールから構成される。

直接観察区域のデータ決定、すなわち直接処理のための区域は、重要なゲーム区 域（すなわち画像／情景発生が所望される区域）のデータ決定を保持するデータ ベースメモリ８２から高速度データ伝送によりアクチブなデータベースランダム アクセスメモリ７０中のデートまで維持される。メモリ８２は例えば複数の磁気 ディスクメモリ装置から構成されることができる。この伝送はデータベース制御 装置４２の制御下に行われ、それはデータベースアクセス制御のために現在およ び推定された眼の点の計算を使用する。

アドレス発生装置５０は大地の座標のストリームを放射するためにアクチブなデ ータベース上に投影される画素列バスに対する初期条件の列パラメータ発生装置 ４４の出力を使用する。

これらは実メモリページおよびサブページアドレスに変換されて適当な階級レベ ルにおけるボクセルデータを得る。もしも蓄積された階級レベルが可視性プロセ ッサ５Ｂにより要求されるよりも低い（傾斜距離から計算された画素の足跡２９ により決定されるような）解像度であるならば、強度および／または色補間装置 ５４および２補間装置５５は低い解像度ボクセルのコーナーまでの距離を利用し 、新しい中間強度（および、または色）およびボクセルストリーム中に挿入され るＺ値を計算することにより適切なボクセルを発生する。もしもボクセルが目的 物参照物によってマークされるならば、パターンプロセッサ５３は参照された垂 直パターンにアクセスし、これらのボクセルをストリーム中に挿入する。最終的 には、表示画像列のための適当な大きさにされたボクセルのストリームが生成さ れる。可視性プロセッサ５６はこれらのストリームを処理してボクセル可視性を 決定し、画素足跡内の多重ボクセルの垂直強度の平均化を行なう。水平平均は適 当な階級を利用することの効果である。それは各階級は次に高い解像度階級のボ クセルの強度を平均することによって生成されるからである。個々の画素情報は それから単一パイプライン中に通遇し、そこにおいて、垂直遠近オフセット補正 が６０において全体の遠近補正のために追加され、ヘイズ（ｈａｚｅ）が挿入装 置６１において挿入され、ロール装置６２において眼の点の回転角度に対する計 算のため画像が回転される。垂直遠近の変位および回転計算は拡張された精度で 行われ、ピンポンバッファ６７中にサブ画素オフセット値と共に蓄積される。画 素が走査されるとき、１アンチ・アリアス（ａｎｔｉ−ａｌ　１ａｓ）に対する ４個の画素が前に計算されたオフセットに比例して捕間装置６８において行われ る。それから画像はマージ装置６４においてかぶせる特別の効果（雲のようなも の）、シンボル／グラフと混合され、表示装置３０（第１図）に供給さるために Ｄ／Ａ変換装置（ＤＡＣ）６５中でアナログ形態に変換される。

システムはパイプライン処理の初期の部分において適当な水平遠近を維持する。

データベースを通るバスを決定するとき、平面は眼の点と画素列を通って投影さ れる（第６図）。

バスはこの平面がベース面（データベースグリッド２４）と交差するラインであ る。全ての列の投影からのバスはそれらがデータベースを通って伸びるときに発 散する。したがって眼の点から遠いボクセルはスクリーン上に投影されたときよ り小さく、互いにより接近して現われる。これは真の水平遠近法を維持する真の 幾何学的投影である。この処理はまた、もしも観察スクリーンのピッチ角がゼロ に等しいならば正確な垂直遠近法を生成する。他のピッチ角に対しては、適当な 垂直遠近法は後の変位修正１壬よってスクリーン画素上ヘボクセルをマツプする アルゴリズムの特性によって維持される。データベース中において、全てのボク セル（２データ値）はベース平面に対して垂直に方位付られる。垂直遠近法なし に建物や煙突のような高い目標のエツジからなるボクセルはスクリーン上の単一 画素列上に投影される。したがって、もしも観察が２個の建物の間で真直ぐであ るならば、それらはスクリーンの上部と下部に同じ距離離れて現われる。表示画 像中の適当な垂直遠近法によって、建物の頂部は底部よりもさらに離れなければ ならない。この効果を得るために、建物の画像を構成する画素はスクリーン上で 実際に離して移動される（機能モジュール６０）。それらの移動はピッチ角、画 素に寄与するベース平面上のボクセルの高さ、およびスクリーン中心からの画素 列距離の関数である。

いくつかの処理が特定の画素がスクリーン上でどれだけ遠く偏向されなければな らないかを計算するために使用される。

高いボクセル（大きな２値）はいくつかの画素上に投影されるから、個々の画素 に寄与するボクセル部分の高さは計算されなければならない。それから地球的距 離における偏向がその高さ、ピッチ、およびスクリーンの中心からの距離に基づ いて計算される。スクリーンの中心の左に対する画素は左に偏向され、−万有に 対する画素は右に偏向される。最後に、地球座標における偏向はスクリーン座標 中の偏向に写像（ｍａｐ　）され、画素は新しい列に割当てられる。列はピッチ 角が画像中の適当な隠蔽を確保するために下方にされ、上方ピッチのときと反対 にされるときスクリーンの中心から外方に計算される。

アルゴリズムが高いボクセルを上昇して進行する（２方向）と、それは各画素を 適当な列に偏向する。アルゴリズムの古くから遠くまでの走査は近くに偏向され た目標によってカバーされない遠くの情景でカバーされない区域を満たすことを 可能にする。もしもより近い目標物が列中に偏向されるならば、距離ボクセル上 で上位を取り、それらを閉じ込める。近い目標が遠いものを閉じ込めることを確 実にするために、画素が偏向されるとき、列は中心から外側へ側部へ計算される 。

各画素が計算されるとき偏向はあっても、なくてもよい。画素がその目的地列中 に配置される準備ができたとき、アルゴリズムは蓄積された充填値を検査して画 像がすでに満たされているか否かを決定する。アルゴリズムは中心から動作する から、すでに満たされている画素は内側列から偏向された画素によって満たされ なければならない。その内側の画素はより近いボクセルからでなければならない 。何故ならば、それは現在の画素よりもさらに偏向されたからである。それ故、 現在のボクセルから計算された画素が閉じ込められなければならず、現在のボク セルは隠されたものとして取扱われ、単に廃棄される。

満たされた値はまたプロフィルにおけるアンチ・アリアス・エツジに対して使用 される。画素が部分的にエツジによって満たされていることが検出されたとき、 それはこの部分的に満たされた値と共にフレームバッファ６７中に蓄積される。

後で走査において、背景ボクセルはこの位置に対して画素座標を発生し、それは 満たされた値のバランスを満たし、したかって強度を調整する。

特別の説明 この発明のシステムは、必要とされる“写真的”情景ディテールが示され、情景 発生プロセスにおいて助けられるデータベース表示を使用する。これは、基本的 にはそれぞれ高さおよび色／または強度（白黒システムに対しては輝度がただ１ つの値）および高さ情報の表現を有するグリッドの要素である。データベース生 成処理において、４個の隣接する要素（２ｘおよび２ｙ）の色および／または強 度値は積分され、それらの最大の高さの値はデータベースのより高い（より粗な ）レベルの階級を生成するために割当てられる。この積分はデータベース階級に おける多数のレベルを生成するために反復的に行われる。データベースを部分的 にのみ拡張するこのオフラインプロセスは区域に対する画素中の全体の大地の積 分に向かう第１のステップである。所定の眼の点から重要な地上点へ投影された 表示画素の幅にほぼ等しいボクセルを含むデータベース中の階級を選択すること によって、水平積分が行われる。アルゴリズムは次にデータベース中の重要な区 域の通常の走査を行なわせる。連続するデータベース要素の直線状走査は高度に 補間されたメモリの効率を最良のものとするように作用する。走査は眼の位置か らデータレベルに投影された（第６図参照）表示スクリーン画素の列の幅に等し い間隔で半径方向に遠ざかる方向に行われる。走査は画素よりも幾分大きいボク セルを与えるデータベース階級レベルで行われ、したがって全てのグリッドが観 察されることが確実にされる。走査が半径方向外側に進行するので、画素と対す る連続するボクセルは積分され、全グリッド積分を完了するように正規化される 。

ボクセル走査が半径方向外側に進行するので、可視ボクセルは垂直観察点角度が 増加する。したがって、固定された（表示フォーマット当り）ピッチ角境界にお いて、ボクセル輝度は連続的な画素行に寄与する。

多くの応用、特に狭い観察フィールド（ＦＯＶ）を有する場合における真の遠近 法に対する合理的な近似は、ベースグリッド平面中の走査されたボクセルの全て の直線を表示中の単一の画素列中へ落ちることを強制することである。後者の部 分は広い観察フィールド中の正確な遠近法のための垂直遠近補正を扱う。

上記のプロセスは水平がレベルであると仮定して行われる。

それから結果として得られた情景は任意の回転角を計算するために規準線を中心 に回転される。回転は画素境界から得られるよりも高い正確度で計算され、それ 故、後続するアンチ・アリアス装置が周囲のオフセットに貢献するものから新し い画素値を計算することができる。

追加的な情景処理はプロセス中の別の点で生じる。処理の前に、しかしデータベ ースメモリからのボクセルの検索の後に、ボクセル（任意選択として）はパター ン挿入段５２を通過し、そこでマークされたボクセルは選択された垂直パターン を呼出してボクセルストリーム中に挿入することができる。

これらは樹木、建物、車両等のような地上から突出する静止物を表わし、垂直デ ィメンションにおいて透明部分を含む多重色を有する。運動目標に対する任意選 択的な追加的な能力は、ウィンドウ区域の分類されたリストのヘッドに対する現 在の発生位置を整合するための座標位置走査発生装置中の手段によって与えられ る。各ウィンドウ区域は可動目標の足跡を表わす（すなわちウィンドウ座標が移 動される）。一致が生じたとき、並列処理によって静止パターン挿入段と同じメ カニズムで適切なパターンにアクセスするようにマークされたそのベース要素を 有する識別された目標の実際の回転されたベースが得られる。したがって、共通 の目標ベース記述が任意の方位におけるデータベース中の多くの場所において使 用されることができる。またそれは運動または静止状態の全ての他の目標を有す るパターンを共用する。

画素の形成に続いて、ヘイズ挿入装置６１においてヘイズか距離および垂直観察 角の関数として発生される。雲は６８において共通データベースメモリ７０中の 別のデータベースで同じメカニズムで走査することによって挿入される。この別 のデータベースは地上が記載されるのと同じように３次元で雲のパターンを記述 する。雲のパターンは半透明のエツジを有するぼやけた雲を発生するために故意 に非常に粗くされている。

この粗いデータベースは非常に僅かのデータベースメモリを占有するだけであり 、雲の観察状態を組立てＳために小さなフレームバッファを必要とするに過ぎな い。それは大地の情景バッファの６４分の１の大きさに過ぎない。それは震の線 形解像度は大地の解像度の８分の１であるからである。雲のフレームバッファ８ ８につづいて補間段６６は粗い画素間の雲の情景をスムースにし、雲のデータが ミスされている地上画素中に６４において次第に溶は込ませる。画素範囲比較は 可視であることを決定するために使用される。

座標系 情景発生アルゴリズムの詳細を論じる前に、座標系について説明する。地球座標 とスクリーン座標とがある。画像が水平（ロール角−０）であると仮定すること によって簡単になる。これは通常の繁雑な３次元変換を行なう必要を回避する。

これについて以下詳細に説明する。ｘ、ｙ、ｚで表わされる地球座標系はボクセ ルデータベースを決定する。（Ｘ、Ｙ）はデータ位置の地図を作り、Ｚは高さで ある。ｊおよびｉで表わされるスクリーン座標は２次元座標であり、そこに最終 画像が表示される。変数ｊはスクリーンの列番号に対するものであり、ｉは画素 番号に対するものである。画像当り２Ｎの列があり、列当り２Ｎの画素がある。

ｊとｉは共に−ＮからＮ−１まで変化する。第４図は二つの座標系および眼の観 察位置（ＸＥ　、　ＹＥ　、　ＺＥ　）を示している。

データベース ボクセル型（グリッド化された）データベースは自然地形および人工構造物を描 くために使用され、空中写真をデジタル化することによって非常に細かいグリッ ドに生成される。

これはそれから対応するデジタル地形高度データ上に置かれる。ボクセル型式デ ータベースを使用するのは二つの理由からである。（１）もしも走査プロセスが 最小の論争点を有するメモリをアクセスできるようにメモリが組織されるならば （高い相互依存）、ハードウェア効率が改善され、（２）もしも空中写真からデ ータが生成され、地形構造の詳細が組込まれるならば自然地形構造が改善される 。各位置（Ｘ、　Ｙ）において、ボクセルブタペースは色および／または輝度情 報ならびにその位置における高さ値を含む。画素の色は画素に対するボクセルの 面積積分であることを触れておく。ボクセル積分の一部はデータベース処理時間 （すなわちオフライン処理として）においてデータベースにボクセルのいくつか の階級を加算することによって行われる。もとのデジタル化したデータによりス タートし、ボクセルの高い階級は４個の隣接するボクセル（ＸおよびＹの２個） の色を平均することによって生成される。この処理は２進階級中の多数のレベル を生成するために繰返される。最初にボクセル処理中にボクセルの大きさが投影 された画素の大きさに匹敵する階級レベルが選択される。これは水平に観察方向 を横切る方向における積分によって達成される。走査が進行すると、ボクセル傾 斜距離が２倍になるとき、投影された画素の幅も２倍になる。

この点でデータベース中の次に高いレベル（より粗いボクセル）へ切換えられ、 走査処理が続けられる。この階級レベルの切換えは距離が２倍になる都度束じる 。この動作は交差範囲および放射方向の両者における積分を与え、同時に距離に 無関係に処理負荷を維持する。負荷はピッチ角にのみ依存し、角が浅くなると共 に増加する。

データベースは全ての場所において全て所要の解像度レベルで処理される必要は ない。多くの区域において、高い解像度のディテールを与えることは不必要であ り、或いはそれは写真の制限またはメモリの制限によって利用されない可能性が ある。走査時におけるプロセッサは各ボクセルにアクセスしようとし、解像度の 階級は傾斜距離および投影された画素の大きさに適当している。もしも、これが 利用できないと、利用できる次に高い階級が選択される。解像度のずっと低い階 級が選択されることはないから、全体の水平強度積分は常に達成される。ボクセ ルは走査列の間に落ちてミスされることはない。

理想的ボクセルより大きなものに適合しタイルのようになる効果を避けるために 、水平補間処理がボクセル内の走査位置（第５図）′にしたがったボクセルの４ 個のコーナー強度値間の線形補間によって行われる。また、スムースな地形プロ フィルを得るために、この同じ機能はボクセルの４個のコーナーのＺ高さ値につ いても行われる。走行時間における多重データベースアクセスを避けるために、 これらの４個の強度値および高さ値は各ボクセルと共に蓄積される。不連続の場 所を除いて、これらのコーナー値は単に隣接するボクセル値のコピーであり、し たがって冗長である。データはこの冗長なしに圧縮されたフォーマットでメモリ ８２（第３ａ図）中に蓄積される。データがＲＡＭデータメモリ７０に転送され るとき“オン・ザ・フライ°に伸張される。

直接のオーバーヘッド空中写真から生成されたデータベースは建物や、橋や、断 崖等のような高さの不連続から生じる垂直縁における色情報を供給しない。これ らの垂直縁同じ地形位置における多重カラー高さ値に対応する。しかしながら、 対応するボクセルはただ一つの高さ値およびただ一つのカラー値を含むことがで きる。それ故データベース中に垂直縁が存在するときにはいつでも、分離したデ ータベースまたはパターンがそれに適合するために供給されなければならない。

このデータはまたデジタル化された写真から生成されてもよく、または合成的に 作製されてもよい。リアリズムを大きく損うことなく、同じパターンのデータ、 すなわち建物の窓のある壁１以上の垂直縁に対して使用できる。大地データベー スにおいて、もしもパターン化された目標が必要とされるならば、目標の足跡に おけるボクセルはパターンメモリにおける垂直パターンに対してそれぞれポイン ターで置換される。

実時間画像発生において、毎回の画像（すなわちフレーム）は、眼の位置：Ｘ、 、ＹＥ、ＺＥ％姿勢：Ｒ（ロール）、Ｐ（ピッチ）、Ｙ（ヨー；ｙａ警）および ＦＯＶ　（視野）によってユニークに特徴付られる。通常視野ＦＯＶは画像のシ ーケンスに対して固定される。ＸＥ、Ｙ、、ｚＥＳＲ，Ｐ、Ｙだけがフレームに よって変化する。主シミュレーションシステム２６の一部である（第１図）外部 源、すなわち操縦桿駆動航空モデル（図示せず）から毎１／３０秒に６個のパラ メータを受ける。

列パラメータ 画像パラメータを受けた後、アルゴリズムは各列に対する走査パラメータを計算 する。それは各列を完了するとき列処理パイプに前進される。第６図はどのよう にしてパラメータが決定されるかを示している。もしもスクリーンにおいて互い に平行である全ての列がスクリーンから大地平面（Ｚ−０）に投影されるならば 、投影はピッチ角度が９０度に等しい場合を除いてはもはや平行ではない。これ らの投影は放射方向外方に無限大まで、最低点（ＸＥ、ＹＥ、Ｏ）を通り水平線 に平行な線に沿って交差するように内方に無限大まで延在する。交差点（各投影 に対して一つ）は大地走査のためのスタート点である。第６図は列ｊに対するス タート点（Ｘｓｔｊ　）を示す。特別の場合は、ピッチ角がゼロの場合に生じ、 その場合には全ての走査は最低点（ＸＥ、ＹＥ、Ｏ）においてスタートする。

列走査のだめのスタート点が計算されることができる前に、決定し、計算しなけ ればならない他のいくつかのパラメータがある。第１に発生される画像はゼロロ ール角に対するものである。真の最終画像を生成するための回転は、このもとの 画像が組立てられた後で行われる。これは、予め回転された画像が発生されなけ ればならないことを意味する。すなわち、予め回転された画像においては、最終 の回転が画像の縁に平行なグリッドを有する方形フォーマット中に出力画像を置 くようにグリッドラインは画像の縁に対して回転される。第７図において、傾斜 した方形ＡＢＣＤは発生されるべき実際の画像であるが、発生された列は縁Ａ＝ Ｄ−およびＢ″Ｃ′に平行である。列の数およびフレームＡＢＣＤ中のその長さ はロール角（Ｒ）に応じて変化することが認められる。もしも、゛最終の画像の 解像度が５１２　Ｘ５１２であるならば、Ｒが４５度に等しい時には列中の画素 の最大数は７２４であり、最小数は端部における１である。Ｒ−０のとき全ての 列は５１２個の画素を有する。

もしも出力画像が所定のＦＯＶ角を有するならば、第７図からフレームＡ″Ｂ＝ Ｃ″Ｄ′に対するＦＯＶ−はＦＯＶに等しいか、または大きいことが認められる 。これは明白な視野と呼ばれる。

画素列ｊに対しては、中央付観察方向ＥＧとフレーム方向ＥＯとの間の角として 定められた対応する角Ｖｊがある（第７図参照）。

一度ＦＯＶ″およびＶｊが計算されると、スタート点（Ｘｓｔｊ　、　Ｙｓｔｊ 　）が計算できる（第６図参照）。これが成されると、Ｘ方向のインクレメント Ｘｊ　、Ｙ方向のインクレメントＹｊ１距離におけるＲｊが計算される。ボクセ ルをミスすることを避けるために走査は各ステップで一つの小さい方の軸グリッ ドライン（適当なグリッド解像度において）を横切る。すなわち走査ラインの主 軸がＸであるならば（走査ラインとＸ軸との間の角が４５度よりも小さい）、Ｘ ｊは１に設定される。他方、Ｙｊは１に設定される。走査ラインの方位を発見す るために、フレーム観察方向（第８図参照）に垂直の方向に沿って大地に投影さ れた角Ｖｊである他の角αｊが計算される必要がある。小さい方の軸のインクレ メントは大地平面上のこの走査ラインと主軸との間の角度のタンジェントに等し い。ＸｊとＹｊは座標走査発生装置によって後で適当な階級レベルに縮尺される 。

列走査において、画素に対するボクセルの全てのカラー（または輝度）値を画素 中に積分することが所望される。それ故、画素は垂直に計算された列内に境界さ れ、そのため積分のスタートおよびストップ点が決定される。画素の境界（ｊ、 ｉ）はθｊ、１およびθｊ、ｉ＋１である。θｊ、ｉは画素（ｊ、ｊ）の観察方 向と眼の位置を通る水平平面との間の角（第３図参照）である。

列走査の終りは計算されたβｊ、ｉ中で数えられたインクレメントの数がＬｊ＋ Ｍｊを越えたときに決定される。ここでＬｊは中央行より上の画素の数であり、 Ｍｊは下の画素の数である。

列処理パイプ ボクセルアドレス発生装置５０ アルゴリズムのこの部分の基本的機能はＸ５ｔｊ　、　ＹｓｔｊおよびＸｊ、Ｙ ｊを使用して走査ラインに沿ったボクセルアドレスを発生させることである。発 生されたアドレスはボクセルの適当な階級レベルの解像度であることに注意すべ きである。物理的なメモリ（第３ａ図の８２）において、ボクセルは１２８　Ｘ １２８ボクセル（１６にワード）の“ページ”中に蓄積される。各ページはペー ジ中のボクセルの解像度階級に比例した大きさの地球座標スペースの区域を表わ す。１フツトの解像度においてボクセルの１ページは実際のワードページの１２ ８　Ｘ１２８フイートを表わす。これらのページはそれらの階級数およびベース 座標位置によってメモリ制御装置８０により参照され、観察区域の足跡が大地を 横切って移動するときデータベースＲＡＭ７０中にダイナミックに負荷される。

列走査装置による実地球座標の発生に続いて、変換装置５１が実メモリ８２が所 望の階級および座標位置を表わすページを含んでいるかを見るために正当なペー ジの表をチェックする。もしもそうでなければ、次によく利用されるものを発見 する。実際のページの物理的ベースアドレスが得られ、ページ内の個々のボクセ ルアドレスを追加される。この結果得られたアドレスはマルチプレクサ／デマル チプレクサスイッチ７２を介して多重共通データベースメモリモジュール７０へ 送られる。メモリモジュール７０はアドレスされたボクセルにアクセスし、それ をスイッチ７４を介して処理のために解像要求パイプへ送る。

パターンメモリおよび処理 各ボクセルのためのデータはパターンフラグビットを含む。

もしも、このフラグが送られないならば、ボクセルは通常の大地ボクセルであり 、それはページに関係するベース２に対して４コーナーの２値を含む。不連続を 除いて、これらの２およびカラーは隣接コーナーのまさにコピーである。パター ンフラグが設定されるならば、このボクセル４＝多重２値およびカラーを有し、 垂直パターンが必要とされる。ボクセルデータは今度はアクセスすべき適当なパ ターンを指示するインデックスを含む。これらのパターンは共用パターンメモリ ５３から検索され、同じＸ、Ｙ位置で一方が他方の上で変化する高さの連続する ボクセルとしてボクセル流中に挿入される。

機能モジュール５４はデータベースメモリをバイパスするアドレス発生装置から のバス７５中に設けられたＸ、Ｙオフセット値の拡張された解像度対を使用して （ボクセル中へ）ボクセルの４個のコーナー間に強度および／またはカラー、お よびＺ値を補間する。

ボクセル処理 次の装置のパイプラインモジュール５６において、二つの直接テストが行われる 。すなわち、カラー積分のための決定をするの°を助けるための、（１）画素エ ンドテストと、（２）画素可視テストである。画素エンドテストはボクセルが現 在の画素境界の外側にあるか否かを決定することである。

第９図は両方の状態の例を示す。この装置はデータベース中で取られるステップ 数によって計算される大地距離Ｒｇおよび各ステップの大きさく解像度の大きさ ）およびボクセル表面角θ）・を計算するためのボクセルＺ値を利用する。画素 テストにおいて、θＹは画素境界角θｊ１に対して比較され、このθｊ１は規準 線ピッチに対して固定される。可視テストは現在のθ）・を前に決定された可視 ボクセル角に対して比較する。

これらの二つのテストの後、ボクセルが画素境界内で可視であれば、ボクセルの カラーが画素中に積分される。

放射方向のカラー積分は第１０図に示されている。陰をつけられたボクセルのカ ラーは全て画素ｌ中に積分されなければならない。率直な構成は陰をつけられた ボクセルのカラーの全てを単に合計して正規化することである。これは情景がざ らざらした地表であるときには一般に適当であるが、情景が輝いた背景に対した 暗い建物であるときには建物の縁はぎざぎざで現われ、動画的な運動をする。こ れを補正するために、ボクセルに対する画素の角部分が計算され、それからカラ ーがこの割合いで重みを付けられる。反対に画素境界と重なるボクセルは覆われ た各画素の量に比例する画素に分配される。

垂直遠近法 画素が形成された後、広い視野および平坦なスクリーン投影に対しての任意の選 択として、垂直遠近法補正段６０が設けられる。垂直遠近法補正は他の列に対す る画像スクリーン上の変位に対応するＰとＰ′との間（第１この）の変位ｄであ り。この変位はピッチ角、ゼロ基準からのボクセルの高さ、およびスクリーン中 心からの距離の関数である。第１１図から次のように計算される。

ｄ−Ｚｐ　ｓｉｎ　Ｐ　ｔａｎＶｊ　（１）ここで、ＺＰはベース上のボクセル の高さである。Ｐはスクリーンの法線のピッチ角であり、Ｖｊは中心列からの列 ヨー（ｙａν）角である。ピッチ角が大きいほどボクセルは高くなり、或いは中 心列から遠ざかり、変位が大きくなる。ゼロピッチ角の観察では画像の中心列か らの偏向もない。式（１）は地球スペース単位における変位を計算する。スクリ ーン装置中の対応する偏向を発見するために、変位ｄがスクリーン上に戻して保 護される。次の式は偏向後の列数を与える・ｊＮ−ｊＭ十（ｊｏ　ｊＭ）　Ｘ （ｄ　十Ｒｓ　ｓｉｎ　Ｖｊ　）　／Ｒｓ　ｓｉｎ　ＶｊここでＲｓは観察位置 から変位されるボクセル上の点までの傾斜距離であり、ｊＮ、ｊｏ、ｊｈ＋は対 応する新しい、古い、および中間の列番号である。

また、ＺＰ　（高いボクセル上の中間画素点）は直接に利用できない。すなわち 、 ＺＰ　−ＺＥ　−ＲＳ　ｓｉｎθ これらの式を組合わせ、ｊＭ−０とすると、ｊＮ＝　（ｊｏ　ｓｉｎ　Ｐ／ｃｏ ｓ　ｖｊ　）　ｘ（ＺＥ　／Ｒ５−５ｊｎθ）＋ｊＯ ここで、ＺＥ−眼の点の高さ ＺＰ−問題としている点の高さ Ｒｓ−問題としている点までの傾斜距離θ　−問題としている点に対するヒツチ 角この形態は変位された列値を導出するために使用される。

何故ならば第１の項は全ての列に対して一定であり、列パラメータ発生装置４４ （第３ａ図）によって供給されることができ、Ｒｓは他の目的に対して各点に対 して導出されることができ、θはテーブルからの垂直画素角であり、ＺＥは全フ レームに対するフレームパラメータ定数であるからである。

ヘイズ（ｈａｚｅ）挿入装置６１ ヘイズ効果は画素内容の傾斜距離および水平に対する画素のピッチ角に依存する 。それは回転が行われる同じパイプラインにおいて計算される。ヘイズ機能は次 のものによって記載される。

Ｉｏｕｔ’−Ｉｏｒｉｇ（１−Ｈ）　＋ＩＨ（Ｈ）（カラー）　−出力強度 Ｈ−ｆ　（Ｒｓ　、　Ｖｉｓθ） −ヘイズ不透明、０と１の間に制限される。

ＩＨ−へイズの強度（カラー） Ｖｉｓ−強度がもとの半分であり 半ヘイズである距離 Ｒｓ−画素内容に対する傾斜距離 θ　一画素のピッチ角 回転装置６２ 回転の計算は直線的な計算によって行われる。

Ｘ□−Ｘ１ｃｏｓ　Ｒ＋Ｙ１　ｓｆｎ　ＲＹ（、−Ｙｌ　ｃｏｓ　Ｒ−Ｘｌ　ｓ ｉｎ　Ｒここで、Ｒはロール角であり、 ｘｌ、ｙ］は最初の座標であり、 Ｘｏ、Ｙｏは最終の出力座標である。

回転、アンチ・アリアスおよびビデオ出力画像の予めの回転により、計算された グリッド化された画素は出力画像に対する画素と同じではない。計算された画素 は予め回転されたグリッドに対して修正される。同じ任意の量の回転後、これら の画素は最終の表示フォーマット中で走査されたグリッド上に規則的に落ちるの ではなく、これらの画素の間の位置に落ちる。もしも任意に走査グリッド構造上 に移動して戻されるならば、強いアリアス（別名）効果が生じるであろう。

回転中に、新しい画素位置が例えばＸおよびｙの両者においての正確度の余分の ２個のビットによって計算される。画素のホーム位置からのオフセットを表わす これらのビットはこのピンポン２重出力バッフ７６９中の画素のカラーおよび／ または強度値と共に蓄積される。１フレームがこれらのバッファの一つにおいて 形成された後、他のバッファが次のフレームの構成に使用されている間に出力画 素のための走査に使用される。バッファは出力ビデオを生成するために走査され るけれども、２個の隣接する行は実際には同時に走査されてアンチ・アリアスア ルゴリズムを得るために必要な情報が得られる。

第１２図は、アンチ・アリアス回転がそれに対して行われるべき回転された画像 中のグリッド点Ａ１および表示座標ｘ、ｙへＲだけ回転されたもとの画像中の４ 個の画素であるＣＩ　、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を示している。これらの４個の画素カ ラー値は、Ａからのオフセットに逆比例して重み付られて距離ｄ２．ｄ２．ｄ３ ．ｄ４にしたがってＡにおける次の画素中に積分される（一つの単一出力グリッ ドに対する寄与するものの数は常に４ではないことに注意されたい）。それは回 転角に依存する。寄与するものの数は最大５であるが、２になることもある。

以上迅速な絵のような画像発生のための新しい改善された遠近画法処理およびプ ロセッサについて説明した。ここで行なった説明は主として特定の実施例につい てであるが、この発明はそれに限定されるものではないことを認識すべきである 。したがって当業者によって行われる全ての変形、変更、または等価的な装置は 以下の請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれるべきものである。

特表千１−５０１１７９　（１０） 国際調査報告　ａｓ　２！７０２７ｉｌ、、

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．大地座標位置を表わす２次元グリッド中へ組織されたボクセルデータベース の使用により表示スクリーンの画素に対するデータの形態における情景の画像デ ータのコンピュータによる発生方法において、 データベース上に投影された画素の大きさに比例するデータベース解像度で線形 バスに沿ってボクセルデータベースを実効的に走査し、 所定の画素と関係するボクセルデータの各境界がボクセルデータベース可視表面 上への画素の投影によつて決定されるように連続する画素に対して走査されたボ クセルデータをデータに処理することを特徴とする方法。
2. ２．情景の垂直遠近法の関数として表示スクリーン上の画素データの表示のため の相対位置を変換する請求の範囲１記載の方法。
3. ３．表示スクリーンが眼の点から見た画素の行および列を含み、眼の点と画素列 を通つて投影された平面がデータベースグリッドと線で交差し、ボクセルデータ ベースの実効的な走査は種々の画素列を通る平面に対する線に沿っている請求の 範囲１記載の方法。
4. ４．前記線形バスは連続する走査の間の導出された画素データ中で一つ方向での み相互依存性を与えるように予め定められた順序で走査される請求の範囲１記載 の方法。
5. ５．表示スクリーンの回転方位の関数として表示スクリーン上の前記画素データ の表示のための相対位置の回転を有する請求の範囲１記載の方法。
6. ６．複数のそれぞれ並列の処理チャンネルのために走査されたボクセルデータを 同時に処理し、表示スクリーンに対する予め定められたフォーマット上へ複数の チャンネルからの画素データを組合わせる請求の範囲３記載の方法。
7. ７．予め定められたフォーマット上への複数のチャンネルからの画素データの組 合わせは、情景の垂直遠近法の関数として表示スクリーン上に前記画素データの 表示のために相対位置を変換することを含む請求の範囲６記載の方法。
8. ８．予め定められたフォーマットへの画素データの組合わせは、表示スクリーン の回転方位の関数として表示スクリーン上の前記画素データの表示のための相対 位置の回転を含む請求の範囲６記載の方法。
9. ９．大地座標位置を表わす２次元グリッド中へ組織されたボクセルデータベース の使用により眼の点から見た表示スクリーンのデータ画素の行および列の形態に おける情景の画像データのコンピュータによる発生方法において、データベース 上に投影された画素の大きさに比例するデータベース解像度で線形バスに沿って ボクセルデータベースを実効的に走査し、眼の点および各画素列を通る平面とボ クセルデータベースグリッドとの交差によつて各線形走査バスを決定し、 所定の画素と関係するボクセルデータの各境界がデータベースの線形走査におい て遭遇するデータベース表面位置上への画素の投影によつて決定されるように連 続する画素に対して走査されたボクセルデータをデータに処理し、複数のそれぞ れ並列の処理チャンネルの中の複数の画素列のために走査されたボクセルデータ を同時に処理し、表示スクリーンに対する予め定められたフォーマットへ複数の チャンネルからの画素データを組合わせることを特徴とする方法。
10. １０．予め定められたフォーマットヘの画素データの組合わせは、情景の垂直遠 近法の関数として表示スクリーン上の前記画素データの表示のための相対位置の 変換と、表示スクリーンの回転方位の関数として表示スクリーン上の前記画素デ ータの表示のるための相対位置の回転とを含むことを含む請求の範囲９記載の方 法。