JPH05507166A - イメージ発生装置 - 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】 本発明は、イメージ発生装置に関するものであり、より具体的には、例えばフラ イトシミュレータのように、リアルタイムに情報を発生し、この情報がらイメー ジが表示のために導出するのに適したコンピュータイメージ発生装置に関するも のである。

フライトシミュレータに用いられるリアルタイムイメージ発生装置は、疑似飛行 操縦席にいるパイロットに見せるイメージをシミュレートするのに用いられる。

該システムにより作成されるイメージの予定される見る人、即ちシミュレータの 「パイロット」が、仮想的ウィンドウを通し、メインデータベース内の幾何学的 又その他に特徴属性データとして格納される情報によって定められる３次元（３ −Ｄ）の世界を見るものである。論点からウィンドウを通して描かれた線は、３ −Ｄの世界における点と交差する。その点の色及び濃度は、ウィンドウとその線 との交差する点でウィンドウ上に「ペイント」されねばならない。

表示されたイメージは、それぞれ色及び濃度からなる−続きの画素（ピクセル） から構成され、各ピクセルの色及び濃度は、格納されたデータが提示する３−Ｄ という画素が十分に早く更新されねばならないリアルタイムディスプレイにおい て、イメージの忠実性を維持するためには、１秒間当たりに何百万という演算処 理を実行することが必要である。

データベースに対する論点の位置は、シミュレートされた飛行機の飛行制御の操 作に対応して切り替わる。いかなる時点でも、シミュレータは、データベースの 座標系である世界空間座標における論点の位置を示す出力を作成すると共に、パ イロットの論点からビューウィンドウの中央を通り引かれるベクトル方向の景色 の表示の出力を作成する。データベースは、最終的なイメージに寄与し得る多く の図形の位！及び方向を同定するデータを格納する。イメージ発生装置は、与え られた論点から見ることのできるズ形、ビューウィンドウに対する図形の境界の 位！、及び、見ることができる図形の色及び濃度のような属性を計算する。ある 図形の他の図形によるえんべいは、考慮する必要があり、高品位システムにおい て、他の図形を中に有する半透明な図形の効果もまた考慮する必要がある。

データベースの内容は、シミュレータのパイロットの正面に位置するスクリーン 上に表示されるイメージの各ピクセルについての色及び濃度の情報を引き出すの に用いられる。各ピクセルの中央は、論点からスクリーンへ、そしてスクリーン を通り、概念的にデータベース内に定められたモデル表面上へ延びる一意的に予 め定められた仮想的視線上にある。このことが意味することは、データベースの 世界空間座標系は、論点座標を用いて論点空間座標系、即ち、論点を原点とする 座標系へ変換されねばならず、情報は、次に論点空間からスクリーン空間座標系 へ変換されねばならないことである。スクリーン空間座標系は、２次元であり、 ディスプレイスクリーンの中央にその原点を有する。これらの変換は、（スクリ ーン空間座標が既知である）各ピクセルの色及び濃度を定めるモデル化された図 形の表面エリアが定められることを可能とする。一旦、特定のピクセルに寄与す る図形が、同定された場合、それらの図形の色、濃度等の属性は、データベース から得ることができ、最終的に表示されるピクセルの色及び濃度を決定するため の適当な計算が実行される。

もし、高品位のイメージが得られるべきならば、最終的なピクセルの色及び濃度 は、各ピクセルに分散するサンプリング点において得られる寄与する図形の多数 のサンプルに基づかねばならない。イメージに寄与する各図形のためには、その 図形が、サンプリング点に対応するスクリーン空間内の各点を重複するか否かを 決定することが必要である。

多くの既知のＣＩＧシステムでは、世界空間モデルは、一連の多角形の図形とし て定義される。光点図形も、いくつかのシステムにおいて表示できる。多角形の 図形の場合、各多角形は、少なくともその頂点の世界空間座標によりデータベー ス内に記述され、これらの幾何学的な属性は、論点の位置及び方向を考慮してス クリーン空間座標へ変換されねばならない。これは、初期世界空間からビュ一点 字間への変換と、これに続くビュ一点字間からスクリーン空間への変換を含む。

これらの変換は、多量の計算演算であるが、現実的なイメージを表示することを 可能にする。光点図形の場合は、例えば、世界空間内の位置（光点中央の座標） 等によりデータベース内に記述できる。その位置は、スクリーン空間に変換され 、次に、その図形は、変換された位置を中心とし、論点からの距離であるレンジ の関数である半径を備えたスクリーン中央の円エリア上に表示できる。

均質の霧の視覚的効果をシミュレートできるＣＩＧシステムは、知られている。

この均質の霧とは、論点とモデルとの間の全空間を占める一定濃度の霧のことで ある。霧の効果は、シグマの項で記述され、時に「減衰係数」としてよばれる。

霧の透ｉＡ率（Ｔｆｏｇ）は、次のように表現できる。

Ｔｆｏｇ＝ｅ−” ここで、Ｓは、シグマであり、ｒは、霧を通る透過経路の長さを表し、ｅは、２ ゜７１８２８の値を持つ。

このように、透過率Ｔｆｏｇは、光が長さｒ１減衰係数Ｓの光路を通った後に残 る光束である。霧の透過率は、上記以外の方程式によりモデル化できるが、全て の場合に、霧の濃度を記述する項、及び、霧を通る透過経路の長さを記述する項 を含むことが必要である。霧の濃度を記述する項は、ここでは減衰係数もしくは シグマとして言及される。

このように、均質の霧をシミュレート可能なＣＩＧシステムにおいて、サンプリ ング点における図形の属性は、減衰係数及び光路長の関数である霧透過因子によ って変化される。ＣＩＧシステムは、次に、通常の加算法を用いて、１つのピク セルに寄与する全てのサンプリング点の霧変化効果の総計をめる。均質の霧のシ ミュレーションは、システムの計算食前を増加させる。しかし、本質的に要求さ れるものがＴｆｏｇにより導出された図形属性の簡単な変化の加算だけであるシ ステムにおいては特に、図形のレンジは、既に解っているので、増加された負荷 は、非常に大きなものではない。

このように、公知のＣＩＧシステムは、均質の霧の影響をシミュレートすること ができる。あいに（、実世界においては、霧は、希にしか均質ではなく、霧の非 均質性は、容易に明白で有益な可視的合図を供給する。例えば、霧は、谷もしく は低い位置にあるエリアを覆い、水平に発生する傾向があり、強力な可視的合図 を生成する。更に、例えば、霧は、「島状」でありうるため、不規則な霧の発生 は滑走路に沿って分布することがある。そのような霧を通る飛行機の飛行のシミ ュレーションは、本当に、強力な可視的合図を生じる。

瞬時の均質な霧の減衰係数を変化させることにより非均質な霧の可視的効果をシ ミュレートしようとする試みは知られている。例えば、減衰係数は、論点の高さ の、または他の変数の関数である。しかし、そのような試みは、偽の合図を結果 として生じるため、不十分であることが解った。

一連の半透明な図形として非均質の霧をモデル化し、それらの図形を処理するこ とは通常の方法で理論的に可能であろう。あいに（、不実の合図を避けるべきで あるなら、この方法は非常に多くの「霧の図形」を必要とする。例えば、１つの 「霧の図形」を通るシミュレートされた飛行機の通過は、その図形により描かれ た霧の突然の消滅といった結果を生じる。これは、霧が非常に多くの近接する図 形から形成されるため、１つの図形の消滅が視覚的にはっきりしない場合以外は 、視覚的にはっきりしている。実際には、許容できない計算負荷を課さなければ 、霧は、リアルタイムシステムにおける個々の図形によりシミュレートできない 。更には、非常に多（の個々の半透明の霧の図形を用いる発生の詳細なモデル化 は、モデルデータベースの製造に大きなコスト増をもたらすだろう。

本発明の目的は、上記概説された問題を未然に防ぎ、もしくは軽減することであ る。

本発明によると、スクリーン上に表示されるイメージにおける非均質な霧の効果 をシミュレートする方法であって、このイメージは、世界空間の論点の位置から 世界空間座標のデータベース内に定義されるモデルの出現を表現するように用意 され、このモデルは、予め定められた属性を各々備える複数の図形を用いて定義 され、 ａ、非均質の霧の構造は、予め定められた減衰係数を有する一連の平行な層とし て世界空間座標で定義され、 ｂ、定義された平行な層に対する論点の位置が、決定され、Ｃ，イメージに寄与 できる図形の上記の定義された平行な層に対する位置が、決定され、 ６０図形の論点からの距離が、決定され、ｅ、論点と図形間の減衰係数の平均値 が、論点と図形間に位置する上記の定義された平行の層から計算され、 ｆ、上記属性は、計算された距離及び計算された減衰係数の平均値の関数として 変化される方法が提供される。

好ましくは、定義された平行な層に対する論点の位！は、論点から平行な層の原 点への方向を示すベクトル、及び平行な層に垂直な軸を示すベクトルの内積から 決定される。

好ましくは、論点と図形との間の減衰係数の平均値は、平行な層に垂直な方向に ある論点からの一連の距離の各々に対する平均の減衰係数を計算して格納し、平 行な層に垂直な方向において図形の論点からの距離を計算し、そして計算された 論点から図形までの距離に対応する上記の格納された平均減衰係数を保持するこ とによって計算される。

非均質な霧の構造は、平行に等間隔で並べられた一連のサンプル平面のそれぞれ での減衰係数にそれぞれが対応する一連のサンプル減衰係数により定義でき、非 均質な霧の構造は、論点とそれぞれのりサンプル平面との間の平均減衰係数に各 々対応する一連の平均減衰係数により論点に対して再定義され、上肥りサンプル 平面は、上記サンプル平面に対して平行でかつ等間隔の位置にあり、リサンプル 平面の１つは、論点を通過し、そして、リサンプルされた各平均減衰係数は、論 点からの平均減衰係数の関係するりサンプル平面の距離に対応するアドレスに格 納される。

好ましくは、平均減衰係数は、図形をはさむ２つのりサンプル平面に対応して索 引され、もう一つの平均減衰係数は、上記２つのりサンプル平面に対する図形の 位置を参照して索引された係数を内挿することにより計算される。

スクリーン空間は、複数のピクセルを各々覆う複数のセルに分割でき、各図形に 対し、リサンプル平面のアドレスは、論点からセルの角を通って描かれる線と、 図形により区画される平面との交点として定義される点について計算され、図形 上の一連のサンプリング点及び図形の一連のエリアの各々に対するりサンプル平 面のアドレスは、セルの角のりサンプル平面のアドレスから内挿によって計算で きる。

本発明はさらに、スクリーン上に表示されたイメージにおける非均質の霧の効果 をシミュレートする装置であって、このイメージは、世界空間の論点の位置から 世界空間座標内のデータベースにおいて定義されるモデルの出現を表現すように 用意され、このモデルは、予め定められた属性を各々備える複数の図形を用いて 定義され、 ａ、予め定められた減衰係数を有する一連の平行な層として世界空間座標におけ る非均質の霧の構造を定義する手段と、ｂ　論点の定義された平行な層に対する 位置を決定するための手段と、Ｃイメージに寄与できる図形の上記の定義された 平行な層に対する位置を決定する手段と、 ｄ　論点から図形までの距離を計算する手段と、ｅ　論点と図形との間に位！す る上記の定義された平行な層から、論点と図形との間の減衰計数の平均値を計算 する手段と、ｆ　計算された距離と計算された減衰係数の平均値の関数として上 記属性を変化する手段からなる装置を提供する。

本発明のこの特徴は、イメージ発生装置に許容できない計算負荷を課することな く非常に現実的な手法により非均質霧効果をシミュレートする能力を提供する。

例えば、谷もしくは他の低い位置にあるエリアにおける霧のくぼみは、低ＬＸ位 ！にあるエリア内を除き霧が発生しないような高さにある水平な層によってシミ ュレートされる。滑走路に沿って離れて位置する島状の霧は、垂直の層によりシ ミュレートできる。山を突き抜けている雲の層は、現実的及び経済的にシミュレ ートできる。このように、種々の効果は、経済的な方法により達成することがで きる。

本発明の実施例は、例を用いて、以下に添付する図形を参照して説明される。

図１は、本発明によるＣＩＧシステムの基本的な構成の図式的な図である。

図２は、図１に一般的に示される種類のシステムにおいて用いられる適当な変換 エンジンの略図である。

図３は、本発明の実施例のスクリーン空間の様々なサブエリア間の相互関係を示 す。

図４は、図１を参照して概要の記載された表示エンジンの基本構成の該略図であ る。

図５は、本発明の上記の実施例の論点からの図形への距離の計算を示す図である 。

図６は、本発明に従ってモデル化された非均質な霧の層を示す図である。

図７及び８は、論点に対する霧の構造のりサンプリングを示す図である。

図９は、一般的な項における平均シグマ値の計算を示す図である。

図１０は、本発明による非均質の霧の処理装置の構造の概略図である。

図１を参照すると、図１は、フライトシミュレータで用いられる本発明の実施例 の基本的な機能構成要素を示す。シミユレータは、地表の世界空間モデルに対す るシミュレートされた飛行機の位置及び属性を示す出力を発生するホストコンピ ュータ１を備える。表示されるイメージは、シミュレートされた飛行機内の機上 観察者にとってのモデル表面の外見である。記載された実施例において、イメー ジは、投影バックスクリーン上に投影される。機上観察者は、大きな回転楕円体 のミラー内の投影バックスクリーンの反射を観察する。しかし、別の表示システ ムも使用できることが理解されるであろう。

システムマネージャ（ＳＭ）２は、飛行機の位置及び姿勢を記述するホストコン ピュータ１の出力を受け取り、シミュレートされた飛行機の位置及び姿勢が与え られた機上観察者の論点から認識可能なモデルの部分に相当するモデル記述デー タをデータベースからダウンロードする。イメージは、多くのラスク走査線とし て投影される。カリグラフィック光点は、従来の技術を用いてイメージフレーム に重畳できる。

モデル記述データは、モデル作成中に予め定められるが、予め定められた原点を 用いて１組の世界空間座標に関連する項で、例えば、建物、飛行場についてモデ ル映像の図形（ｆｅａｔｕｒｅ）を記述するものである。モデルは種々の異なる タイプの図形、例えば、直線の辺からなる多角形、そして円の光点等がある。モ デルの大半の個々の図形が、一部を形成する物体を参照して定められ、次にこれ らの物体がモデル内の他の物体を参照して定められるように、モデル記述データ は、階層的に配列される。このように、モデル世界は、一般に、「物体空間」内 で、即ち、建物のような物体に関する原点及び軸を持つ座標系を参照して図形を 定める。

次に、その物体の座標系は、直接または、１以上の物体を通して世界空間座標に 関連付けられる。「世界空間座標」という用語は、ここでは、メインデータベー スの座標系の直接的な関連、１以上の「物体空間」を通してのメインデータベー スの座標系の間接的な関連の双方を含む意味に用いる。

抽出されたモデル記述データは、２つの主な機能、即ち、データベースもしくは 世界空間座標系から、機上観察者もしくは論点座標系へのモデル図形データの幾 何学的な変換と、３−Ｄ論点座標系から２−Ｄスクリーン空間座標系への遠近画 法（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ）の変換とを実行する変換エンジン（ＴＥ）３へ通 過される。

そのような変換を達成するために用いる技術は、周知であり、従って、ここでは 詳細な記述は行わない。

ＴＥ３は、スクリーン座標でのモデル記述データを表示エンジン（ＲＥ）４へ伝 送する。ＲＥ４は、ＴＥ３から受け取ったモデル図形の幾何学的属性データ（例 えば、サイズや位置）と、モデル図形の非幾何学的な属性データ（例えば、色や 半透明）を用いて、表示されるイメージの各画素の最終的な色を作成する多くの 機能を実行する。非幾何学的属性データを表わすデータは、ＲＥＪ内のフレーム 記憶装置ヘロードされる。フレーム記憶装置は、最終的な表示内の各画素に関す る格納アドレスを持つ。フレーム記憶装置の内容は、最終的なイメージを作成す る表示装置５にダウンロードされる。このように、システムは、４つの生なバイ ブラインステージからなる。即ち、１つのイメージフレームは、表示中であり、 次に表示されるフレームは、ＲＥ４内に格納中であり、表示されるその次のフレ ームは、ＴＥ３において処理中であり、表示されるさらに次のフレームは、３Ｍ ２において処理中である。各ステージでは、二重バッファ記憶装置により、他の 隣接するステージから分離されている。フレームスワップ信号は、全ての二重バ ッファ記憶装置が、−斉にスワップさせるように生成される。このように、１つ のフレームに関するデータは、フレームスワップ信号によりバイブラインを通り 効果的に「クロック」される。

図２は、図１のＴＥ３をより詳しく示す。ＴＥは、前に３Ｍ２からチャンネル能 動データベース（ＣＡＤＢ）６へ読み出されたデータを処理する。ＣＡＤＢ６の 内容は、論点から認知可能な範囲内にあるメインデータベース内の全てのデータ に対応する。ＣＡＤＢ６は、メモリ７と、コントロール回路８からなり、コント ロール回路８は、メモリから物体プロセッサアレー９へのデータの読み出しを制 御し、物体プロセッサ９は、次にコントロール入力をコントロール回路８に出力 する。メモリ７は、全能動データベースを保持し、コントロール回路８は、処理 する物体データを選択する。物体プロセッサアレー９は、一群のそれぞれのボー ド１１上に配列された個々の物体プロセッサ１０からなる。これらのプロセッサ は、ＴＥ３の主な計算器素子を形成する。

物体プロセッサアレー９の共通の出力１２は、スキャンコンバータ記憶装置１５ の出力を出す論理回路１４を内蔵するスキャンコンバータ１３へ送られる。属性 記憶装！１６は、スキャンコンバータ１３を介して入力を受け取る。記憶装置１ ５及び１６は、ＴＥ３の出力を表示エンジンＲＥ４に供給する。

物体プロセッサ１０は、種々の機能を発揮する。即ち、効果的な方法で、物体プ ロ：ツサへのデータの展開を制御し、余りに距離が大きいため論点から見ること のできない全ての物体の放棄を行う範囲抽出処理を実行し、論点に対するビュー ウィンドウ即ちスクリーンの位置により与えられる視界の全く外にある全ての物 体の放棄をおこなう視界選別処理を実行する。全ての図形がこの処理で選別され るのではないため、幾何学的属性を処理する必要がある。この処理は一連の基本 的な手順からなる。この手順は、背面除去（論点に面していないため論点から見 ることのできない全ての図形を選別する）と、平面方程式属性計算（見ることの 可能な各図形の論点空間内の平面の係数を用いる）と、視界選別処理（ビューウ ィンドウにより描画される視界の完全を外の全ての図形を選別する）とからなる 。これらの手順は、本発明に直接関連せず、このため、これ以上、詳しく説明し ない。物体処理装置１０は、非均質の霧のノミュレーションのために要求された データを変換する。これについて以下に詳細に説明する。

表示スクリーンの細分化 表示されたイメージは、重ならず、かつ、全スクリーンにわたるピクセルの規則 的な配列から構成されている。各ピクセルは、均一な色及び濃度のエリアとして 、ラスク走査方式の表示装置により投影される。図３は、スクリーンの種々の細 分の４つの図を示し、左端の図は、他の３つの図の１／４のスケールである。

図３において、参照番号１７で示される斜線エリアは、各１つのピクセルに対応 する。スクリーンは、それぞれ長方形のピクセルの配列、図では４×４の配列を 含むサブエリアもしくはセルに分割される。図３の参照番号１８は、１つのセル の境界を示す。隣接するセルは、重ならない。それぞれのセル及び該セルの周囲 にピクセル半分の幅を加算した境界線で覆われる疑似セルが、各セルに重畳され る。図３の破線１９は、疑似セルの境界線に相当する。このように、隣接する疑 似セルは、相互に重なり合う。各疑似セルは、例えば４×４配列からなる疑似ピ クセルのような隣接する疑似ピクセルの規則的な配列に分割される。図３の斜線 エリア２０は、各々が１つの疑似ビクセルに相当する。疑似セルに重ねられるの が、スーパーセルであり、各々スパーセルが、図示されている疑似セルの４×４ 配列のように疑似セルの各直行配列を覆う。このように隣接するスーツく−セル は、互いに重なり合う。破線２］は、スーパーセル境界線を表示し、斜線エリア ２２は、スーパーセルに含まれる１つの疑似セルを表示する。このように、各ス ーパーセルは、１６個の疑似セルを覆い、それら１６個の疑似セルは、１６個の セルと共に、それらの１６個のセルの辺の周辺にピクセルの半分の幅を加算した 境界線で覆われるものである。隣接するスーパーセルのために、隣接する疑似セ ル及び隣接する疑似ピクセルは、アンチ・エイリアスを達成するために、重複さ せることが必要である。

例示された４×４のピクセルからなるセル及び４×４の疑似セルからなるスーパ ーセルの場合について、１０２４Ｘ１０２４のピクセルからなる表示エリアを仮 定すると、６４Ｘ６４のスーパーセル及び２５６Ｘ２５６の疑似セルが存在する 。

スキャンコンバータ 物体プロセッサによりスキャンコンバータ（図２）へ送られる各図形について、 スキャンコンバータは、該図形により少なくとも部分的に重ねられる全スーパー セルを同定する。スキャンコンバータは、各図形に識別名（ＩＤ）を割り当て、 図形により影響を受けるスーパーセルを探し、図形のｒＤをスキャンコンバータ 記憶装置１５（以下、スーパーセル記憶装置という。）に通す。

表示エンジン 図１のＲＥ４は、図４にその概要が記されている。図４は、図２のスーパーセル 記憶装！１５及び属性記憶装置１６を示す。スーパーセル記憶装！及び属性記憶 装置が、共に二重バッファであり、両記憶装置の内容はフレーム信号の開示の受 信に対応して読み出される。スーパーセル記憶装置の内容は、スーパーセルによ り出力端子２３に読み出され、属性記憶装置１６の出力端子２５から幾何学的属 性データも受け取るブレソーター２４へ入力される。ブレソーター及び属性記憶 装置は、特殊効果モジュール２８、カラーミキサー２９及びポストソーター３０ へ、各々の出力２６及び２７を供給する。ブレソーター２４は、フレーム記憶装 置３１ヘラスク走査方式のイメージデータを供給し、フレーム記憶装置からの出 カ３２は、表示装置（図１の表示装置５）へ伝送される。

プレソーター２４の機能は、各スーパーセルを一連の疑似セルに細分割し、各疑 似セルの角における各図形の有効深さく論点からの距離）を計算し、不透明で、 かつ完全に１つの疑似セルを覆うあらゆる図形を検出し、もし、そのような図形 が疑似セルを完全に覆う不透明な図形の後ろにあるならば、該疑似セルに関する 考慮から、該図形を放棄する。このように、４×４の表示ビクセルに半分のビク セル境界線を加えた疑似セルのサイズが与えられたならば、各スーパーセル［） のリス）・は、１６個の疑似セルの各々に対し順番に考察される。

スーパーセル記憶装置１５に蓄積されるＩＤは、一度に１個のスタックがブレソ −ター２４へダウンロードされる。対応する属性は、属性記憶装ｆｌ１６からブ レソーターへ同時にダウンロードされる。このように、次のスタックがダウンロ ードされる前に、ブレソーター、１つのスーパーセルと対応して１スタツクの内 容を受け取り、スタックの内容により同定される図形の処理を行う。

ブレソーターが処理される疑似セルが図形に影響を受ける（少なくとも部分的に 覆う）ことを示すなら、「フラグメント」データパケットが発生され、フラグメ ント搬送出力バス２６へ印加される。このデータバケットは、関係する疑似セル の４つの角のスクリーン空間座標、及び影響する図形ＩＤのみからなる。図形の フラグメントは、このように同定され、次に特殊効果モジュール２８、カラーミ キサー２９及びポストソーター３０において処理される。

ユニット２８〜３０は、疑似セルのに基づいて作動する。図示される場合では、 １６の疑似ビクセルが完全に１つの疑似セルを覆う（しかし、それ以上に拡がら ない。）。疑似ピクセルの角は、フラグメントバスにより搬送される関連する疑 似セルの角から内挿される。以下に詳細に記述されるように、特殊効果モジュー ル２８は、処理される疑似セルの各疑似ピクセルに対し、霧の効果のンミュレー ションに適当な出力を発生する。特殊効果モジュールは、また、例えば表面効果 や、ランディングライト効果等の処理される図形の属性が要求する何れの特殊な 効果にも適当な出力を発生する一特殊効果の出力は、周囲の照明のような更なる 効果が処理されるカラーミキサー２９へ入力され、カラーミキサーは、各疑似ピ クセルに対するＲＧＢＴ　（赤、緑、青、半透明）の出力をポストソーター３０ へ伝送する。ポストソーターは、フレーム記憶装置３１へ出力を供給する。フレ ーム記憶装！は、ラスク走査方式の表示装（ｉｆ５（図１参照）への出力３２を 供給する。

ポストソーター３０の機能は、代表面のえんべいもしくは部分的えんべいする表 面の影響を解析することである。これは一連のサンプリング点上で図形の影響を 評価することにより実行される。即ち、そのような影響の効果を蓄積及び重み付 けを行い、各表示ピクセルに対する最終的なＲＧＢ出力をフレーム記憶装置へ供 給する。ポストソーターにより受け取られた各疑似ピクセルのフラグメントは、 各疑似セルに相当するビクセルのアレーを通って分散されたサンプリング点のそ れぞれのアレーを覆う。典型的には、２００のサンプリング点があり、これは、 ビクセル１個につき８個である。（記載された例での各疑似セルは、４×４ビク セルの配列とビクセルの半分の幅の境界線とを覆うことが思い出される）。各疑 似セル；二対して定められた４×４疑似ビクセルアレーに関連する全てのサンプ リング点の位置は既知であり、従って、各サンプリング点に対して、図形が、そ の点に影響するか否かの決定を行う必要があり、そして単に影響が検出されたと きにのみ対応する疑似ピクセルからポストソーターへのＲＧＢＴ入力を蓄積する ことが必要である。

各サンプリング点は、多くの図形により重ねられていることがあり、サンプリン グ点に、より近くにある（論点に対して）不透明な図形により完全にえんべいさ れる図形を放棄するために、これらの図形の深さをソートする必要がある。これ らの目的のため、各サンプリング点における各図形の（論点からの）距離は、算 出される。サンプリング点が影響された最初の図形のＲＧＢＴ及び深さは、それ ぞれの記憶装置ヘロードされる。その後に続く図形は、最初に格納された図形と 比較され、図形は、現時点て最も近くにある不透明な図形及び最も近くにある不 透明な図形よりも近くにある半透明な図形を除いて格納することから放棄される （もしくはエンターされない）。一旦、セルに関連し得る全ての図形は、そのよ うに処理されると各スタックにおいて同定される全ての図形の積み重ねの影響は 、各サンプリングへに対する最終的なＲＧＢ出力を作成するために計算される。

それら出力は、その後、各ビクセルに対する単独のＲＧＢを作成するために、重 み付けされ、蓄積される。各ビクセルは、その境界線内に含まれる８個のビクセ ル及び、ビクセル半分だけ幅の広い枠内に含まれるサンプリング点からの寄与に 応答し、即ち全部て３２　（ＩＸ８＋４Ｘ４＋４Ｘ２）個のサンプリング点から なる。従って、３２個のサンプリング点を覆う全体のエリアは、２×２ビクセル のアレーからなるエリアに等しいが、１表示ピクセルの中央に中心を有する。

属性記憶装置】６、スーパーセル１５及びフレーム記憶装ｆｆ３１は、パイプラ イン／ステム内で分離したステーン間の境界線を定めるために全て二重バッファ される。

上に慨略の説明されたされたシステムは、本発明が適用できる種類のものである が、本発明は、異なった一般的な構造を有するシステムに適用できる。上に記し たシステムにおいて、本発明は、特殊効果モジュール及びカラーミキサーを用い て実行される。従って、これらの構成要素の機能をより詳細に説明する。

上に記述された実施例において、霧は、１つもしくは２つの形態、即ち、均質及 び非均質の形管てシミュレートできる。均質の霧は、世界空間中で均一の濃度で あると仮定され、一方、非均質の霧の濃度は、概念的に無下に広がる平行な層の 間で変化する。層は、地表の霧をシミュレートするために（世界空間内において ）水平に位置し、もしくは滑走路に沿って離れて位置された霧の峰をシミュレー トするために、垂直に位置し、または、水平又は垂直に対して傾いている。

上に示したように、霧の透過率（Ｔ　ｆ　ｏ　ｇ）は、以下のように表現できる 。

Ｔｆｏｇ＝ｅ−” シグマの導出は、本発明にとって基本ではないが、その値は、一定の比及び不明 瞭な距離に依存することが知られている。しばしば許容されているシグマの定義 は、３．／ＭＯＲである。ここで、ＭＯＲは、気象学上の光学レンジであり、光 学レンツとは、高コントラストの物体をちょうど見ることができるレンジのこと をいう。これは、物体本来の色の５％と霧の色の９５％からなる最終的に知覚さ れる色として表現される。

Ｒｎ、Ｇｎ、Ｂｎの色の物体、及びＲｆ、Ｇｆ、Ｂｆの色の霧が与えられるなら ば、全ての波長が等しく吸収されると仮定されると、レンジｒにおいて生じた色 Ｒｄ、Ｇｄ、Ｂｄは、以下のようになる。

Ｒｄ＝ＴｆｏｇｘＲｎ＋　（１−Ｔｆｏｇ）ｘＲｆＧｄ＝ＴｆｏｇｘＧｎ＋　（ １−Ｔｆｏｇ）ｘＧｆＢｄ＝ＴｆｏｇｘＢｎ士（１−Ｔｆｏｇ）ＸＢｆ最終的な 表示に寄与せねばならないのは、この結果として生じる色であり、カラーミキサ ーで計算される。もし均質の霧のみがシミュレートされたならば、シグマは、単 に属性記憶装置から索引できる。次にレンジｒを計算する必要がある。

図５を参照すると、図５は、４辺からなる多角形３３上のＰ点に対するレンジｒ の計算を示す。この多角形は、論点Ｅからビュ一平面３４を通って観察される。

Ｚ軸は、論点から、ビュ一平面の中央を通って伸びる。Ｐ点は、スクリーン空間 座標（Ｘ、、ｙ、）を持つサンプリング点を通る線上にある。

図２の変換エンジンは、多角形の世界空間幾何学的属性を従来の方法により論点 空間へ変換する。その結果、多角形の平面方程式の係数は、屑性記憶装！から得 ることができ、従って、Ｐ点の論点空間座標（ＸＤ、Ｙｓ、ＺＤ）は、以下の式 より計算できる。

ｚ　ｐ＝Ｄ／　（Ａ　Ｘ　−／　ｄ　、＋　Ｂ　ｙ　、／　ｄ　−＋　Ｃ）ここ で、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、平面方程式の係数である。ｄ、及びｄ、は、ディスプ レイの半分の角の関数である。ｘ、、ｙ、は、Ｐ点のスクリーン空間座標である 。

論点空間内のＸ及びｙ座標は、以下の式より容易に計算することができる。

Ｘ、＝Ｚ、Ｘｌ／ｄｘ、　ｙ、＝Ｚ、ｙ、／ｄ。

レンジｒは、以下の式より導出することができる。

ｒ＝（（、ｘｖ”→ｙ　、”＋　Ｚ　、２）　。

リアルタイムにおけるこの方程式の使用は、非現実的であり、傾斜レンジ修正因 子（ｓｒｃｆ）は、以下の式で計算される。

ｒ＝ｚ、−５ｒｃｆ ｓ　ｒ　ｃ　ｆ　＝（［１＋　（ｘ、／ｄ、）　”＋　（ｙ　、／ｄｙ）　”コ こうして、特定のスクリーン空間座標に対応する任意の点に関するレンジｒの計 算は、記述された。図示されたシステムにおいて、レンジの逆数は、各疑似セル の各層において最初に計算され、特定の疑似ピクセル中央におけるレンジの逆数 は、以下に説明されるような内挿により疑似セルの角のレンジの逆数から導出さ れる。

均質の霧の場合、Ｔｆｏｇは、レンジが一度計算されていると、すぐに導出する ことができる。非均質の霧の場合、霧の層の各々の位置及び濃度と、それを通る 経路の長さを考慮し、効果の合計をめる必要がある。これは、層を通る経路につ いてのシグマの平均値を計算し、次に透過率、シグマと伝送距離との間の上記の 指数的関数式に入力することによって達成される。

非均質の霧の場合のシグマの平均値の生成を、これより詳細に説明する。図６を 参照すると、図６は、１４の層、即ち、霧の層が、四辺形３５により示されてい る１つの非均質の霧の形状を示す。各層は、実際には無限に拡がっているが、図 示するために、各層の位置は、各々の重ねられた四辺形で表される。典型的に、 霧の各形状は、１０２４の層から形成され、これらの層は、１６フイートの間隔 での霧密度のサンプルを表すが、図示するために１４の層のみを示す。霧の構造 は、原点０を備え、原点○は、論点空間座標（Ｘｏ、Ｖｏ、Ｚｏ）　、及び方向 ベクトルｆを備える。Ｅ点は論点を表し、四角形３６は、ビュースクリーンを表 す。

論点Ｅを通り、霧の軸ｆに垂直な線は、霧の原点Ｏから距離ｆ０で軸と交差する 。

変換エンジン（図２）は、システムマネージャから以下のデータを受け取る。

ａ、霧の軸に沿って１６フィート間隔でサンプルされたシグマの１０２４の値か ら形成される霧テーブル。

ｂ１世世界間座標における霧の原点の座標。

Ｃ１世界空間における霧の軸の方向ベクトル。

このデータは、以下のように変換エンジンの物体プロセッサにおいて処理される 。

ａ、霧の原点は、世界空間座標から論点空間座標へ変換されて、（Ｘ　Ｏ＋　’ ｌ　ｏ。

Ｚｏ）を生じる。

ｂ、霧の軸のベクトルは、論点空間へ変換されて、成分（ｆ、、ｆ、、ｆ、）を 備えるベクトルｆを生じる。

Ｃ３瞳点空間ベクトルの成分は、スクリーン２により分割されて、（ｆ、’。

ｆ、’　、ｆ、’　）を生じる。ここで、ｄ、霧の軸の方向の霧の原点に対する 論点空間の位置は、ｆｏを生成するための計算が実行される。ここで、 ｆ、＝−（ＥＯ・ｆ） ＝　（ｆ−ｘｏ＋ｆｙｙｏ”ｆ、Ｚｏ）である。

霧の層に対する論点の位置は、このようにサンプル変換技術を用いることにより 確立された。層でのシグマの平均値の正確な計算を可能にするため、霧の構造は 、次に、効果的にリサンプルされるが、この層は最初の層と同じ間隔を有する層 が、論点がリサンプルされた層の１つの上に位置するように変位されている。

これは図７に示され、図７では、最初の霧の層が、ｓ　（ｎ）、ｓ　（ｎ＋１） 等のシグマ値を有する実線で表示され、そして、リサンプルされた平面は、ｓ’ 　（ｎ）、ｓ’　（ｎ＋１）等のシグマ値を有する破線で表示される。ここで注 意すべきことは、論点Ｅが２つの最初の層の平面間であるが、リサンプルされた 層平面の１つの上に位置することである。リサンプルされたシグマ値は、以下の 式よりめられる。

ｓ’　（ｎ）　＝Ｆｓ　（ｎ＋１）　＋　（１−Ｆ）　ｓ　（ｎ）ここで、ｓ’ 　（ｎ）は、ｎ番目にリサンプルされたシグマの値であり、ｓ　（ｎ）は、オリ ジナルのシグマの値であり、Ｆは、ｆｏの分数部分である。

図７において、論点は、霧の構造内に位置すると仮定される。図８は、論点が霧 の構造の外に位置する場合を示す。図８において、実線３７は、霧の構造の１つ の辺、即ち、論点Ｅに最も近くにある霧の構造の層を表す。図８に示されるよう な場合、霧の構造は、再びりサンプルされ、該霧の構造は、構造の辺でのシグマ 値に等しい構造を越えたシグマ値を備える論点へ効果的に拡がる。

各リサンプルされた平面に対し、平面と論点間のシグマの平均値は、以下の式に より計算される。

ｓ、、（ｎ）＝　Ｅｌ／　（ｎ＋１）］　Σ　ｓ’　（ｍ）ｍ＝０ ここに、ｓｌ、は、シグマの平均値であり、論点Ｅは、図９に示されるようにｎ ＝Ｏに対応する平面上に位置する。

論点もしくは観察される物体の何れか一方が、霧の構造の外側にあるならば（例 えば図８に示されるような）、即ち、論点及び物体が、霧の構造の何れか一方に あるならば、霧の構造は、論点もしくは物体に最も近いオリジナルの層のシグマ 値と等しいシグマ値を持つ拡大された層を有する論点もしくは物体又は両方まで 、概念的に拡がる。拡大された平均のシグマ値が正確であるために、霧の構造の 辺でのシグマ値は、霧の構造の辺でゼロ値へ滑らかに減少する。

上記実施例の場合では、各疑似セルにおける各々１６個の疑似ピクセルにおける ８つのサンプリング点の各々の非均質の霧の効果の出力を順番に計算することが 可能である。しかしながら計算負荷を減少させるためには、各疑似ピクセル中央 に対する霧の効果の出力のみを計算し、出力を疑似セル内の各サンプリング点へ 割り当てることが好ましい。シグマの平均値は、フィールド毎に一度変換エンジ ンにおいて上に記されたように計算され、ルックアップテーブル内の記憶装置用 に表示エンンンヘ分配される。計算されたシグマ値は、特殊効果モジュール内に おいて、カラーミキサーで用いる霧モジュレーンヨン出力信号を発生させるため に用いられる。

詳細には、特殊効果モジュールは、以下の機能を実行する。

ａ　多角形等の考察する各図形に対して、図形が寄与する各表示セルの各層での 霧のテーブルアドレスの値が計算される。

ｆｌ、＝　（ｆ’ｘ・Ｘｔ　＋　ｆ’＋・Ｙ、＋　ｆ’ｓ）　Ｚ　ｆ。

ここで、（ｆ’、、ｆ’、、ｆ’、）は、上記したように変換エンジンにおいて 計算された計算された霧の軸ベクトルである。

ｆｏは、上記したように変換エンジンにおいて計算された霧の軸に対する論点の 位置である。

（ｘ、、ｙ、）は、表示セルの角のスクリーン空間座標系である。（表示セルは 、１個の疑似セルにより覆われる４Ｘ４のピクセルアレーであり、隣接する表示 セルは、角を共有することに注意する。）ｂ、ｆｃ、、を導出した後、双線形内 挿は、それぞれの表示セルを覆う疑似セルを形成する１６個全ての疑似ビクセル の中央における霧テーブルのアドレスに対する１６個のｆ、１の値を得るために 実行される。

Ｃ１各疑似ビクセルの中央に対応するシグマの平均値は、霧のテーブルを参照し 、２つの隣接する霧のテーブルのアドレスにおけるエントリー間で内挿すること により形成される。本質的に、霧のテーブルのアドレスは、論点からの個々の距 離に対応する。もし考察中の図形が霧の構造の外にあるならば、アドレスは、霧 の構造の最大範囲を保持する。従って、ｓ＝　（ｓ、、）＋・（１−Ｆ）＋　（ ｓ、、）＋、、−Ｆである。

ここて、Ｆは、霧のテーブルアドレスｆの分数部分である。ｆ及びｆ＋ｌは、２ つの隣接するアドレスである。

ｄ、透過経路は、以下の式により計算される。

Ｔ、。、＝ｅ−Ｉ＋ ここで、ｒは、疑似ビクセル中央へのレンジである。Ｓは、均質のシグマ及び非 均質のシグマの平均の合計である。

ｒは、傾斜レンジ補正因子から、以下の式により計算される。

ｒ＝ｚ−ｓｒｃｆ ｅ　各疑似ビクセル中央での、計算された各透過率Ｔ１．□は、カラーミキサー へ伝送される。

特殊効果モジュールの霧処理の構成要素の作動構成は、図１０に示される。霧の 属性（均質及び非均質の双方）は、霧の処理の開始の前にフィールド毎一度に受 け取られる。同じ霧の属性は、各フラグメントに対して処理される。

表示セルの角の２の逆数及び傾斜レンジ補正因子（ｓ　ｒ　ｃ　ｆ）の逆数は、 レンジ計真器３８に入力され、レンジ計真器は、凸周に対するレンジ出力の逆数 を生成する。内挿装置３９は、各疑似ビクセル中央に対するレンジの逆数を内挿 すると共に、逆真装置４０に出力を供給する。逆夏装置は、レンジ出力を掛算器 ４１に供給する。

幾何学的な霧の属性、即ち、霧の（層に垂直な）軸及び原点は、論点空間へ既に 変換されている。逆遠近変換装置４２は、疑似セル座標と、２の逆数と共に非均 質の霧の属性を処理して疑似セルの角における霧の形状のアドレスを生成する。

内挿装置４３は、次に１６個の霧の形状のアドレスを、各疑似ビクセル中央に対 して１つ生成する。ｆ、は、次に加算器４４を介して導入され、２つの霧の形状 のアドレスｆ及び（ｆ＋１）が生成される。

霧の形状のテーブル４５は、適当なシグマの平均値がロードされ、２つのアドレ スでの値は、内挿装置４６へ読み出される。２つのアドレスでのシグマの平均値 の線形内挿は、考察中の図形上の点の霧の形状に対する位置、即ち霧のテーブル のアドレスの少数部分Ｆの関数により制御されて実行される。これにより層を横 切る緩やかな過渡特性を生成する。この計算；ま、１つの非均質の霧の構造に対 する最終的なシグマの平均を生成する。この平均値は、次に加算器４７において 、均質な霧に対する任意のシグマと、他の非均質の霧に対する任意のシグマの平 均とに加算される。これらのシグマの合計は、掛算器４１においてレンジが掛は 合わされ、次に、最終的なＴ、。、出力を生成する指数のルックアップテーブル ４８へ入力される。このＴ、。１出力は、次に、上に簡単な均質の霧に関連して 説明したように使用される。即ち、次に、カラーミキサー（図４）が以下の式に 従い図形の色を修正する。

Ｒｄ＝Ｔ−Ｒｎ＋　（１−Ｔ）Ｒｆ Ｇｄ＝Ｔ　−Ｇｎ十（１−Ｔ）　Ｇ　ｆＢｄ＝Ｔ　−Ｂｎ＋（１−Ｔ）　Ｂ　ｆ ここで、（Ｒｄ、Ｇｄ、Ｂｄ）は、結果的に生じる色であり、（Ｒｎ、　Ｇｎ、 Ｂｎ）は最初の色であり、（Ｒｆ、Ｇｆ、Ｂｆ）は、霧の色である。

上記記述は、問題の図形が多角形であると仮定したものである。光点も、処理可 能であり、光点の中央に対するレンジが、多角形を考察する際に計算される表示 セルの凸周に対応する４つのレンジの出力に関して計算され代入される。他の観 点において、霧の処理は、多角形についてのように光点について同様である。

このように、記述されたシステムは、特に共通の霧の効果をシミュレートし、種 々の異なる霧の効果を結合して、複雑に結合された霧の効果を生成する能力を提 供する。計算の負荷は、現在のイメージ発生装置の能力内にある。発明は、この ように、リアルタイムシステムにおいて現実的な霧の効果をシミュレートするこ とを可能にする。

ｒ”−−−１ ！腕！ スクリーン上に表示されるイメージにおける非均賀な霧の効果をシミュレートす る方法及び装！であって、イメージは、世界空間の論点の位置から世界空間座標 のデータベース内に定義されるモデルの出現を表現するように用意され、モデル は、図形の位置及び視覚的特徴を定義する予め定められた属性を各々備える個々 の図形について定義される。イメージデータは、スクリーン空間を横切って記述 されるサンプリング点の配列の各々に対するモデルから導出される。非均買の霧 の構造は、あらかじめ定められた減衰係数の一連の平行な層として世界空間内に 定義される。論点の位置及び、霧の構造に対して表示されるべき図形は、決定さ れる。図形から論点までの距離は、計算される。論点及び図形の間の減衰係数の 平均値は、定義された平行な層から計算され、属性は、計算されたより及び計算 された減衰係数の平均値の関数として変化される。

国際調査報告 １　廃　詞　食　轍　舌

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．スクリーン上に表示されるイメージにおける非均質な霧の効果をシミュレー トする方法であって、このイメージは、世界空間の瞳点の位置から世界空間座標 のデータベース内に定義されるモデルの出現を表現するように用意され、このモ デルは、予め定められた属性を各々備える複数の図形を用いて定義され、ａ．非 均質の霧の構造は、予め定められた減衰係数を有する一連の平行な層として世界 空間座標で定義され、 ｂ．定義された平行な層に対する瞳点の位置が、決定され、ｃ．イメージに寄与 できる図形の上記の定義された平行な層に対する位置が、決定され、 ｄ．図形の瞳点からの距離が、決定され、ｅ．瞳点と図形間の減衰係数の平均値 が、瞳点と図形間に位置する上記の定義された平行の層から計算され、 ｆ．上記属性は、計算された距離及び計算された減衰係数の平均値の関数として 変化される方法。
2. ２．請求項１に記載された方法において、上記の定義された平行の層に対する瞳 点の位置は、瞳点から平行の層の原点への方向を表すベクトル及び平行の層に垂 直な軸を表すベクトルの内積から決定される方法。
3. ３．請求項１又は２に記載された方法において、瞳点と図形との間の減衰係数の 平均値は、平行な層に垂直方向において瞳点からの一連の各距離に対する減衰係 数の平均値を計算して格納し、平行な層に垂直方向にある図形の瞳点からの距離 を計算し、そして、計算された瞳点から図形までの距離に対応する上記の格納さ れた平均の減衰係数を索引する方法。
4. ４．請求項３に記載された方法において、非均質の霧の構造は、平行で等間隔に 位置された一連のサンプル平面の個々の平面の減衰係数にそれぞれ対応する一連 のサンプル減衰係数により上記のモデルにおいて定義され、非均質の霧の構造は 、瞳点と個々のリサンプル平面との間の平均の減衰係数に各々対応する一連の平 均の減衰係数により瞳点を参照して再定義され、リサンプル平面は、上記サンプ ル平面に平行でありかつ等間隔に位置し、リサンプル平面の１つは、瞳点を通過 し、リサンプルされた各平均減衰係数は、この係数の関係するリサンプル平面の 瞳点からの距離に対応するアドレスで格納される方法。
5. ５．請求項４に記載された方法において、平均の減衰係数は、図形がその間に位 置する２つのリサンプル平面に対応して索引され、もう１つの平均減衰係数は、 上記２つのリサンプル平面に対する図形の位置を参照して索引された係数を内挿 することにより計算される方法。
6. ６．前の請求項１から請求項５までのいずれかに記載された方法において、スク リーン空間は、複数のピクセルを各々覆う複数のセルに分割され、各図形に対し 、リサンプル平面のアドレスは、瞳点からセルの角を通る線と、図形により定義 される平面との交点として定義される点で計算され、図形上の又は図形のエリア の一連のサンプリング点の各々に対するリサンプル平面アドレスは、セルの角の リサンプル平面のアドレスからの内挿により計算される方法。
7. ７．スクリーン上に表示されたイメージにおける非均質の霧の効果をシミュレー トする装置であって、このイメージは、世界空間の瞳点の位置から世界空間座標 内のデータベースにおいて定義されるモデルの出現を表現すように用意され、こ のモデルは、予め定められた属性を各々備える複数の図形を用いて定義され、ａ ．予め定められた減衰係数を有する一連の平行な層として世界空間座標における 非均質の霧の構造を定義する手段と、ｂ．瞳点の定義された平行な層に対する位 置を決定するための手段と、ｃ．イメージに寄与できる図形の上記の定義された 平行な層に対する位置を決定する手段と、 ｄ．瞳点から図形までの距離を計算する手段と、ｅ．瞳点と図形との間に位置す る上記の定義された平行な層から、瞳点と図形との間の減衰計数の平均値を計算 する手段と、ｆ．計算された距離と計算された減衰係数の平均値の関数として上 記属性を変化する手段からなる装置。
8. ８．添付した図面を参照して以上に記述されたように、実質的にスクリーン上に 表示されたイメージにおける非均質の霧の効果をシミュレートする方法。
9. ９．添付した図面を参照して以上に記述されたように、実質的にスクリーン上に 表示されたイメージにおける非均質の霧の効果をシミュレートする装置。