JPH0877386A

JPH0877386A - 三次元図形処理装置

Info

Publication number: JPH0877386A
Application number: JP6209684A
Authority: JP
Inventors: Michimasa Aramaki; 道昌荒巻
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1994-09-02
Publication date: 1996-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】ＣＡＤなどの三次元図形処理において、光源
情報と視線情報を持たない、又は不十分な図形モデルに
対して図形形状の複雑さを分析し、図形モデルに最適な
光源種類、光源属性値、視線情報を生成し、三次元図形
モデルを確実に可視化する三次元図形処理装置を提供す
ることを目的とする。【構成】ワールド座標変換モジュール２２から輝度計
算モジュール２９への処理過程に、６方向の視線方向か
らモデルの構成面を分析する視線方向毎の構成面分析モ
ジュール２３と形状複雑度レベル設定モジュール２４に
よって三次元モデルの形状分析を行なう。そして光源数
設定モジュール２５でモデルを描画するために必要最小
限の光源数を設定し、また形状の複雑さに対応した光源
種類を設定し、各光源に必要な属性値を生成し、モデル
外観を認識しやすい方向に視線情報を設定して可視化の
ための光源情報を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特にＣＡＤ（Computer
Aided Design）システムなどの三次元図形処理装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、複雑な形状の設計に伴い、ＣＡＤ
による作業が普及しており、三次元空間に物体を定義し
光源や物体の質感を設定することで、設計対象物の完成
モデルを事前に確認したり、そのモデルを使って解析を
行なうことができるようになってきた。また、コンピュ
ータグラフィックス（Computer Graphics）の分野でも
３次元のモデルを定義し仮想的な物体をコンピュータ上
に実現し映像と組み合わせた映画などの制作も盛んであ
る。

【０００３】以下に従来の三次元図形処理装置について
説明する。図１２は従来の三次元図形処理装置の概略構
成図である。図１２において、１は要求された情報を処
理する中央処理装置、２はウィンドウ、図形要素、文字
などを表示する表示装置、３は文字、数値、位置などデ
ータを入力するキーボード、タブレット、マウス等の入
力装置、４はオペレーティングシステム、ウィンドウシ
ステムなど実行中のプログラムを記憶する主記憶装置、
５は図形処理プログラムを保存する二次記憶装置であっ
て、６は図形データを蓄積するデータベース、７は三次
元図形処理プログラムである。図１３は従来の三次元図
形処理を実行するプログラムモジュールのブロック図で
ある。三次元図形処理プログラム８は、図形管理制御モ
ジュール９とレンダリングモジュール１０の二つからな
っている。１１はユーザと対話を行うユーザインターフ
ェースモジュール、１２はデータベースアクセスモジュ
ール、１３は三次元図形処理モジュール、１４はモデル
座標変換モジュール、１５はワールド座標変換モジュー
ル、１６はビュー変換モジュール、１７は輝度計算モジ
ュール、１８は二次元座標変換モジュールである。

【０００４】以上のように構成された三次元図形処理装
置について、以下その動作について説明する。まず、ユ
ーザは、図１２の入力装置３を使用して図形情報を入力
し、表示装置２で描画された画像を確認することで、対
話的に目的のモデルを作成していく。図形情報の入力と
図形の管理を実際に司るのは図１３の図形管理制御モジ
ュール９であり、図形の入力や図形処理装置への指示な
どユーザと実際に対話を行うのがユーザインターフェー
スモジュール１１である。ユーザからの図形情報は、三
次元図形処理モジュール１３において装置内部の命令と
して解釈され、データベースアクセスモジュール１２を
介し、図１２のデータベース６に対して図形情報の保存
と取り込みを行なう。ユーザから入力される情報は主に
図形を構成する頂点の座標情報、モデルの色情報、光源
情報、モデルの質感を示す反射属性情報、視線に関する
ビュー情報である。図形管理制御モジュール９内で三次
元描画の命令が解釈されると、対象モデルの描画に必要
な情報が３つのレンダリングモジュール１０へ渡り、三
次元描画のための処理が開始される。

【０００５】レンダリングモジュール１０では、まず、
描画対象の三次元モデルを構成する各要素毎に図１３の
モデル座標変換モジュール１４において、三次元座標で
定義されたモデル座標に変換される。続いて、ワールド
座標変換モジュール１５において、それぞれのモデル座
標に変換された三次元要素は、共通の空間であるワール
ド座標系に展開される。ワールド座標系のどの方向から
モデルを見るかによって、最終的には描画像が異なって
くるため、視線方向の情報を含んだビュー情報に従い、
ビュー変換モジュール１６において座標変換が行なわれ
る。その後、陰影処理のため輝度計算モジュール１７に
おいて、光源計算、反射計算が行なわれ、描画モデルの
最終的な表示色が決定される。最後に、表示装置２へ描
画を行なうために、二次元座標変換モジュール１８にお
いて三次元モデルが二次元座標へと変換される。

【０００６】次に、本発明で使用する光源に関する用語
について、以下に説明する。光源とは、三次元空間に定
義した物体を視覚的に実際に近い形で表現するため、実
存の光を種別化しモデル化したものである。光源の種類
としては一般に、平行光源、スポットライト光源、点光
源、全光源があり、それぞれに異なった属性を持つ。平
行光源は、晴天時の太陽光線に相当するもので、無限遠
点からある方向に対して一様な光度で三次元空間内を照
らす。平行光源の属性は、三次元の方向ベクトルと光源
色である。

【０００７】スポットライト光源は、ある中心線方向に
向かって直進する光線を放ち、光源から離れるにつけて
光が拡散し、光度が減衰する光源である。スポットライ
ト光源の属性は、三次元空間における光源の位置座標、
光源からの距離とともに光線を拡散させる拡散角度、そ
の光線の中心線を示す方向ベクトル、距離とともに光度
を減衰させる減衰率、そして、光源色である。

【０００８】点光源は、豆電球に相当する光源であり方
向性を持たない光源である。また、光源からの距離とと
もに光が拡散していくため光度も減衰する。点光源の属
性は、三次元空間の光源位置座標、減衰率、そして光源
色である。

【０００９】全光源は、曇天時の太陽光に相当するもの
で、三次元空間の無限遠点から全方向へ一定の強度で物
体を照らす光源である。全光源の属性は、光源色のみで
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来構成では、作成した三次元モデルを描画する場合、ユ
ーザは定義したモデルとは別に複雑な属性を持つ光源を
設定する必要があった。その際、光源の設定次第では、
定義したモデルに光源が当たっていなかったり、光量が
不足していたり、凹凸形状が確認しづらくて視点情報を
変更しなければならないといった具合に、目的の描画を
得るためには何度も光源情報の設定をやり直さなければ
ならないという問題点を有していた。

【００１１】一方、光源数を多くすれば、光量の不足に
よる不可視は解消できるが、輝度計算処理の負荷が増大
するため必要かつ最小限の光源数に留めなければならな
い。しかし、モデルに最適な光源数を設定する方法はこ
れまで存在せず、経験と数度におよぶ試行に頼っていた
のが実際である。

【００１２】そこで本発明は上記従来の問題点を解決す
るもので、定義された三次元モデルの形状および座標位
置から最適な光源数を自動設定することができ、またモ
デル形状の複雑さの度合いにより光源種類を選定し同時
に光源属性値も自動設定することができ、またモデルの
構成面ができるだけ重ならないように、かつモデル全体
が必ず視線空間内におさまるように視点の位置を自動設
定することができ、さらには、光源情報、視線情報をも
たないモデルデータから、自動的に光源、視線情報を設
定することができる三次元図形処理装置を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに本発明の三次元図形処理装置は、図形情報を入力す
る入力手段と、この入力を対話的に行なうユーザインタ
ーフェースと、入力された図形情報をもとに三次元デー
タを生成する三次元データ生成手段と、三次元データを
データベースに保存しまた取り出す手段と、図形情報の
入力を管理制御する管理制御手段と、三次元データを三
次元モデル座標に変換する手段と、モデル座標内のデー
タをワールド座標に変換する手段と、三次元モデルを視
線方向について可視部、不可視部を判定する手段と、光
源情報とモデル面の反射特性に対応した光源計算を行な
う手段と、輝度計算の結果を二次座標へ変換する手段
と、変換されたデータを画像表示装置に表示しまた印刷
出力する手段と、表示部と、印刷部とから構成され、表
示対象の三次元データが確実に可視化できるように、光
源情報と視線情報を自動的に生成するものである。

【００１４】

【作用】以上の構成によって、描画モデルに対して必要
かつ最小限の光源数を自動設定することができ、形状の
複雑さにより光源を自動的に生成することができ、形状
を最も把握し易い位置に視線情報を自動設定することが
できる。また三次元図形処理装置の描画処理機構に上記
機能を取り込むことで光源情報と視線情報を持たない図
形情報に対して三次元描画処理を実行させることができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。図１は本発明の一実施例の可視化機能付
きレンダリングモジュールブロック図である。最初に、
概略として処理の流れを説明する。三次元定義された図
形情報は、まずモデル座標変換モジュール２１で各モデ
ル要素毎に三次元座標へ展開される。ワールド座標変換
モジュール２２で各モデル座標で展開されたモデル要素
は、共通の座標空間であるワールド座標へ変換される。
次に、ワールド座標における三次元モデルの形状を解析
するための処理へ移り、視線方向毎の構成面分析モジュ
ール２３において６種類の視線方向について構成面を分
析する。構成面を分析後、形状複雑度レベル設定モジュ
ール２４においてそれぞれの視線方向から形状の複雑さ
を求めるための分析を行ない、形状の複雑度をレベル化
する。

【００１６】続いて、形状の複雑度レベルをもとに、光
源数設定モジュール２５において光源数、光源種類設定
モジュール２６において光源種類、光源属性情報設定モ
ジュール２８において光源属性情報を設定し、最後に、
視線情報としてビュー情報設定モジュール２７において
ビュー情報を設定し、本発明の目的であるモデルを可視
化するための情報設定を終了する。その後設定された光
源、視線情報をもとに輝度計算モジュール２９で陰影処
理を実行し、二次元座標変換モジュール３０で実際の画
面表示のための描画像を作成する。

【００１７】以下に、上記概略の流れの詳細を説明す
る。図２は本発明の一実施例の各方向についての形状分
析のフロー図、図３は同方向分析概略図、図４は同面構
成分析アルゴリズム、図５は同面情報テーブル、図６は
同面法線グループテーブル、図７は同形状複雑度レベル
設定テーブル、図８は同光源数、光源種類設定フロー
図、図９は同光源属性値設定テーブル、図１０は同光源
属性値設定概略図、図１１は同視線方向設定フロー図で
ある。

【００１８】まず、図１の視線方向毎の構成面分析モジ
ュール２３において、図３の上図に示すように、予め決
定された６方向の視線方向それぞれについて構成面を解
析する。これら６方向は、前方、後方、左方、右方、上
方、下方の方向であり、以後それぞれをＤｆ，Ｄｂ，Ｄ
ｌ，Ｄｒ，Ｄｕ，Ｄｄとする。図３の下図は上図に示し
た三次元空間内を右方Ｄｒ方向から見た図であり、視線
方向ごとに形状の異なった面で構成されることが確認で
きる。

【００１９】図２のＳＴＥＰ１において、ワールド座標
系のモデルデータが読み込まれ、ＳＴＥＰ２、ＳＴＥＰ
３で上述の６方向についてそれぞれ面情報を得る。次
に、ＳＴＥＰ４においてそれぞれの方向に属する構成面
の全面積が求められ、ＳＴＥＰ５において各方向の面に
ついて法線ベクトル毎にモデル面の占有度が計算され
る。

【００２０】図４は、図２のＳＴＥＰ４およびＳＴＥＰ
５での処理の詳細アルゴリズムである。図４のＳＴＥＰ
１１において、すべての面に対して、ＩＤつまりインデ
ックスを割付け、それぞれの面について面積、法線ベク
トル、そしてその重心を算出し、図５に示すテーブルへ
登録する。次にＳＴＥＰ１２において法線ベクトルどう
しの距離計算を行ない類似法線ベクトルについてグルー
プ化を行なう。さらにＳＴＥＰ１３、ＳＴＥＰ１４でそ
れぞれの法線グループに属する面の総面積と、視線方向
内でのグループの面積占有率を計算しテーブルへ登録す
る。図６にこの結果例とテーブル構成を示す。このテー
ブルにはグループのＩＤとグループの法線ベクトル、グ
ループ内の面積和、そしてそのグループがその方向の全
構成面のどれくらいを占めるかを示す面占有率、さら
に、グループを構成する面のＩＤリストが保存される。
以上で図１の構成面分析モジュール２３の処理が完了す
る。

【００２１】続いて、処理は図１の形状複雑度レベル設
定モジュール２４へ移る。このモジュールでは、図６に
保存されたテーブル情報からそれぞれの視線方向におけ
る法線グループとそのグループの総面積によって視線方
向における形状の複雑度を計算し、さらに図７に示すテ
ーブルによって複雑度のレベル分けを行なう。以上処理
で、Ｄｆ，Ｄｂ，Ｄｌ，Ｄｒ，Ｄｕ，Ｄｄ全ての視線方
向から見たモデル面の複雑レベルが評価されたことにな
る。続いて処理は、ブロック図１の光源数設定モジュー
ル２５と、光源種類設定モジュール２６に移る。

【００２２】光源数および光源種類の設定フローを図８
に示す。まず、図８のＳＴＥＰ２１において、６方向の
中で複雑度レベルの最も高い視線方向を選定する。次
に、ＳＴＥＰ２２でその視線方向の中で、最も占有率の
高い法線グループを選ぶ。次にＳＴＥＰ２３で、最も占
有率の高い法線グループの法線ベクトルと、それ以外の
法線ベクトルとの角度を計算し、角度４５度以内に８０
パーセント以上が位置する場合に、ＳＴＥＰ２４におい
て平行光源を一つ設定する。これは、形状は複雑である
が面のほとんどが近い方向を向いているためで、この平
行光源一つでほとんどの面を可視化することができる。

【００２３】つぎにＳＴＥＰ２５に移り、平行光源と方
向と９０度以上の角度差をもつ法線グループが存在する
場合、この面は平行光源一つでは照射されないので、対
象となる法線グループについてスポットライト光源を一
つづつ設定する。一方、ＳＴＥＰ２３においてＮＯの場
合、法線方向がまとまった方向へ向いていないと判定で
きるため、ＳＴＥＰ２７、ＳＴＥＰ２８において占有率
が３０パーセントを越える法線グループに対して、それ
ぞれに平行光源を一つづつ割り当てる。さらにそれ以外
の占有率の面については、ＳＴＥＰ２９において法線グ
ループの構成面の重心分析に応じて、光度は弱いが多く
の面を照射できる点光源を設定する。つづいて、ＳＴＥ
Ｐ３０では２番目以降の複雑度レベルの方向について順
次ＳＴＥＰ２２の処理を開始していくが、複雑度レベル
が２番目以降のものについては、平行光源を設定する場
合でかつ以前の処理過程で設定済みの平行光源と４５度
以内の差でしかない場合は、新たに平行光源は設定しな
いものとする。以上の方法で光源数をできるだけ効率良
く配置することができ、さらに、モデルがあらゆる視線
方向についても可視化となる光源種類を配置することが
できる。

【００２４】つづいて、処理は図１の光源属性情報設定
モジュール２８に移る。このモジュールでは、図１の光
源種類設定モジュール２６で設定された光源種類につい
てそれぞれ光源属性を設定していく処理が行なわれる。
図９は光源属性値設定テーブルの設定結果例である。ま
ず平行光源の場合は、属性値は光源の方向ベクトルと光
源色であるが、光源色についてはユーザ指定の可能性が
高く、仮に指定されなければデフォルト値として面の色
と同じ色を光源色として設定する。以降、他の光源種に
ついての光源色も同様に考える。もう一つの属性である
方向ベクトルは、図８のＳＴＥＰ２２における占有率の
高い法線ベクトルグループの法線ベクトルと打ち消す関
係にあるベクトル、即ち法線ベクトルに−１を乗じたも
のを設定する。

【００２５】次に、スポットライト光源は、光源座標位
置、方向ベクトル、光の拡散角度、減衰率、光源色を属
性値として持つ、それらの決定方法を図１０に示す。例
として図１０の上図に示すように法線グループの構成面
Ａ，Ｂ，Ｃが存在していた場合、まずグループで共通の
法線ベクトル方向と逆方向にスポットライトの方向ベク
トルを設定する。つぎに、構成面Ａ，Ｂ，Ｃの重心位置
それぞれに法線ベクトルに垂直に交わる垂直面Ａ，Ｂ，
Ｃを求める。最も外郭に位置する２つの重心Ｂおよび重
心Ｃの中心に中心線を引く。また、中心線と法線方向の
最前に位置する重心Ｂの垂直面Ｂとの交点Ｃ（図中、最
前面中心線座標）を求める。交点Ｃと重心Ｂとの距離を
Ｒ、そして交点Ｃと光源との距離をＬとする。下図に示
すＲ／Ｌ＝１／４となる位置に光源を決定し、光源の位
置座標を求める。さらにＲ，Ｌから拡散角度ａを求め
る。ただし、減衰率および光源色については、この場合
デフォルト値を設定することにする。

【００２６】点光源の場合もスポットライトと同様に、
図１０の方法でＲ／Ｌ＝１の距離に光源座標を設定す
る。なお、減衰率および光源色はこの場合デフォルト値
を設定することにする。以上で図１の光源属性情報設定
モジュール２８を終了し、最後に、図１のビュー情報設
定モジュール２７へ移る。

【００２７】視線方向の設定フローを図１１に示す。ま
ず、ＳＴＥＰ３１で最も複雑度レベルの高い視線方向を
Ｄｖ１とする。つぎに視線方向Ｄｖ１と隣接する視線方
向、例えばＤｒの場合、Ｄｕ，Ｄｂ，Ｄｆ，Ｄｄのが対
象となる。これら隣接方向の中で最も複雑度レベルの高
い視線方向をＤｖ２とする（ＳＴＥＰ３２）。そして、
Ｄｖ１とＤｖ２に関して最も面占有率の高い法線グルー
プの法線ベクトルをＤｖ１ｓ、Ｄｖ２ｓを得、線ん部Ｄ
ｖ１ｓ、Ｄｖ２ｓの中心ベクトルＶを求める（ＳＴＥＰ
３３）。つぎに、Ｄｖ１の構成面の重心点のさらに重心
位置ＶＧを求め、点ＶＧと通りかつＶ方向の線分上に視
点位置を設定し、−Ｖ方向を視線方向とすることでビュ
ー情報（視線情報）を決定する（ＳＴＥＰ３４）。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明は、複雑でかつ何度
も試行が必要な光源情報と視線情報の設定を、図形情報
の複雑さに応じて自動生成することができるとともに、
可視化のために必要かつ最小限の光源数を自動的に設定
することで、三次元処理で最も負荷の高い輝度計算処理
の負荷を軽減できる優れた三次元図形処理装置を実現で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の可視化機能付きレンダリン
グモジュールブロック図

【図２】本発明の一実施例の各方向についての形状分析
のフロー図

【図３】本発明の一実施例の方向分析概略図

【図４】本発明の一実施例の面構成分析アルゴリズムを
示す図

【図５】本発明の一実施例の面情報テーブルを示す図

【図６】本発明の一実施例の面法線グループテーブルを
示す図

【図７】本発明の一実施例の形状複雑度レベル設定テー
ブルを示す図

【図８】本発明の一実施例の光源数、光源種類設定フロ
ー図

【図９】本発明の一実施例の光源属性値設定テーブルを
示す図

【図１０】本発明の一実施例の光源属性値設定概略図

【図１１】本発明の一実施例の視線方向設定フロー図

【図１２】従来の三次元図形処理装置の概略構成図

【図１３】従来の三次元図形処理を実行するプログラム
モジュールのブロック図

【符号の説明】

２１モデル座標変換モジュール２２ワールド座標変換モジュール２３視線方向毎の構成面分析モジュール２４形状複雑度レベル設定モジュール２５光源数設定モジュール２６光源種類設定モジュール２７ビュー情報設定モジュール２８光源属性情報設定モジュール２９輝度計算モジュール３０二次元座標変換モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】図形情報を入力する入力手段と、この入力
を対話的に行なうユーザインターフェースと、入力され
た図形情報をもとに三次元データを生成する三次元デー
タ生成手段と、前記三次元データをデータベースに保存
しまた取り出す手段と、図形情報の入力を管理制御する
管理制御手段と、前記三次元データを三次元モデル座標
に変換する手段と、モデル座標内のデータをワールド座
標に変換する手段と、三次元モデルを視線方向について
可視部、不可視部を判定する手段と、光源情報とモデル
面の反射特性に対応した光源計算を行なう手段と、輝度
計算の結果を二次元座標へ変換する手段と、前記変換さ
れたデータを画像表示装置に表示しまた印刷出力する手
段と、表示部と、印刷部とから構成され、表示対象の三
次元データが確実に可視化できるように光源情報と視線
情報を自動的に生成することを特徴とする三次元図形処
理装置。
【請求項２】光源情報に対して、輝度計算の計算負荷を
軽減するために図形情報を分析する手段を備え、形状の
複雑さに合わせて光源数を決定することを特徴とする請
求項１記載の三次元図形処理装置。
【請求項３】図形形状の複雑さに応じて、光源の種類を
自動設定することを特徴とする請求項１記載の三次元図
形処理装置。
【請求項４】光源の種類に必要な光源属性値を図形形状
から判断し、自動設定することを特徴とする請求項１記
載の三次元図形処理装置。
【請求項５】三次元モデルの図形形状を面の複雑さから
判定して、視線情報を自動設定することを特徴とする請
求項１記載の三次元図形処理装置。