JPH09305794A - ３次元画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メインＣＰＵからの情報の転送量を減少さ
せ、３次元画像の描写速度及びシステムの処理能力を向
上させる３次元画像処理装置を提供することにある。 【解決手段】 この画像処理システムは、メインＣＰＵ
１０、主記憶装置１２、３次元画像処理装置３０、表示
装置であるＣＲＴ１８からなり、メインＣＰＵ１０と３
次元画像処理装置３０をシステムバス１４で接続してデ
ータの転送を行っている。３次元画像処理装置３０は、
命令解析装置２０と、形状データ蓄積メモリ２１と、座
標変換処理装置２２視野変換回路３１、テクスチャ処理
回路３２、シェーディング処理回路３３、ピクセル処理
回路３４、画像メモリ及びビデオ制御回路３５を備えて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元コンピュー
タグラフィックスにおいて、メインＣＰＵからの描画命
令に応じて画像生成を行う３次元画像処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータグラフィックス（以下ＣＧ
と略称する）は、コンピュータにより計算処理した結果
をディスプレイ上に画像にして表示する技術であり、電
子的に画像として生成するため、実在しない世界や現実
には見ることのできないものまでも映像化できる。その
ため、ＣＧは、建築、電気、機械などの産業分野で設計
ツールあるいは科学シミュレーションや構造解析の表示
ツールとして利用されるとともに、テレビ番組やテレビ
ゲームにも利用され、より身近なものになってきてい
る。さらには、バーチャルリアリティやマルチメディア
の基幹技術としても注目されている。

【０００３】３次元ＣＧにおいては、処理データが膨大
となるため、コンピュータのメインＣＰＵ（中央処理装
置）のみで処理を行うことはせず、専用の３次元画像処
理装置というハードウェアを設けて画像生成処理を行
い、処理スピードを向上させている。図６に、従来の代
表的な３次元画像処理装置を用いたシステムのブロック
図を示す。この３次元画像処理システムは、制御演算装
置であるメインＣＰＵ１０、主記憶装置１２、３次元画
像処理装置３０、表示装置であるＣＲＴ１８からなり、
メインＣＰＵ１０、主記憶装置１２及び３次元画像処理
装置３０をシステムバス１４で接続してデータの転送を
行っている。３次元画像処理装置３０は、視野変換回路
３１、テクスチャ処理回路３２、シェーディング処理回
路３３、ピクセル処理回路３４、画像メモリ及びビデオ
制御回路３５を備えている。

【０００４】次に３次元画像処理システムの動作の概要
を説明する。図７にメインＣＰＵの動作のフローチャー
トを示し、これに基づいて説明する。３次元画像を描画
するために主記憶装置１２に、描写する対象である物体
の形状を構成するデータが、格納されている。この物体
は、三角形や四角形といった多角形（ポリゴン）に分割
され、各々のポリゴンを構成する頂点ごとに、その座標
値や色等をデータ化される。これをポリゴンデータとし
て、主記憶装置１２内に格納しているのである。

【０００５】さて、メインＣＰＵ１０は、このポリゴン
データを主記憶装置１２からシステムバス１４を通して
読み出し、以下の処理を３次元画像処理プログラム（ソ
フトウエア）に従って行う。画像をＣＲＴ上に描写する
ために与えられた視点の位置、視野の方向及び視野の角
度の情報に基づいて、視野座標を変換設定する（ステッ
プＳ２１）。表示をクリア処理して（ステップＳ２
２）、この視野座標に基づいて、形状データであるポリ
ゴンデータを視野座標系に変換し（ステップＳ２３）、
さらにテクスチャの環境設定を行う（ステップＳ２
４）。テクスチャの環境設定とは、各ポリゴンに貼り付
ける２次元画像を設定することである。こうして、変換
設定したポリゴンデータ（テクスチャデータを含む）
を、３次元画像処理装置３０にシステムバス１４を介し
て転送する（ステップＳ２５）。ステップＳ２６におい
て全ポリゴンデータを転送したかを確認し、転送してい
なければステップＳ２５に戻り、転送していれば、ステ
ップＳ２７で転送を終了する。そしてメインＣＰＵ１０
は、３次元画像処理装置３０に描画開始を指示する（ス
テップＳ２８）。

【０００６】３次元画像処理装置３０に送られたポリゴ
ンデータは、視野変換処理回路３１によって、画面上の
２次元座標に変換されるとともに、クリッピング処理や
隠面・隠線処理を行い、さらに光源モデルとその位置を
特定する光源処理を行う。この表面にテクスチャ処理回
路３２によって、各ポリゴンに木目等の模様や質感を表
す画像をマッピングする。一方、シェーディング処理回
路３３では、物体の表面を表現する。具体的には、ポリ
ゴンの各頂点の色データ同士を補間しポリゴンの表面の
陰影を表現する。そして、ピクセル処理回路３５におい
て、視野の方向をｚ軸として、手前にある物体が重なる
ときにｚ座標値を比較し、手前のピクセルを選択するデ
プス比較処理を行う。さらに、物体の透明度を表現する
ブレンド処理も行う。この映像信号を画像メモリ及びビ
デオ制御回路３５は、一旦画像メモリに格納してからＣ
ＲＴに表示させる。

【０００７】メインＣＰＵ１０は、ステップＳ２９にお
いてプログラムが終了したことを確認して、終了してい
なければステップＳ２２に戻り、終了していれば動作を
停止する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の処理方
式は、物体を描写するために、形状データを視点の位置
や視野の方向等に応じた視野座標系に変換し、その変換
データをシステムバス１４を通して３次元画像処理装置
３０に転送して描写している。しかし、この方式による
と、メインＣＰＵ１０によって視点位置や視野方向が変
化するたびに座標変換を行い、その変換形状データを３
次元画像処理装置３０に転送しなければならない。この
ため視点位置や視野方向等が変化するたびに視線内にあ
る物体を構成する形状データを３次元画像処理装置３０
に転送しているために、システムバス１４におけるデー
タ転送の負荷が増大し、システム全体の処理速度の低下
を招いていた。特に頻繁に視点の位置や視線の方向等を
変化させるバーチャルリアリティシステムに従来のシス
テムを利用すると、上記の転送負荷のために処理速度が
低下してしまうと同時に、その間ＣＧ処理以外の処理が
できなくなる問題があった。

【０００９】例えば、システムバスを使って１ワード
（３２ビット）を転送するには、３０ナノ秒を必要とす
る。１万個の三角形のポリゴンデータを転送するには、
１ポリゴン当たり４９ワード必要となるので、１万×３
０ナノ秒×４９＝１４７０ナノ秒かかる。視点の位置や
視線の方向を変化させるたびに、転送だけでこれだけの
時間がかかり、さらに、メインＣＰＵ１０が座標変換等
の処理を行うのに時間がかかる。したがって、転送する
データ量が増加するにしたがって、ＣＧ処理にメインＣ
ＰＵとシステムバスの能力の大部分が占められてしま
う。

【００１０】本発明の目的は、メインＣＰＵからの情報
の転送量を減少させ、３次元画像の描写速度及びシステ
ムの処理能力を向上させる３次元画像処理装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、画像処理を行
う対象物の形状データを記憶する形状データ記憶手段
と、前記記憶手段から読み出した形状データを３次元画
像を生成するための座標系に変換する座標変換処理手段
と、前記変換後の座標に基づいて３次元画像を生成する
画像生成手段と、を備え、一旦、形状データを前記形状
データ記憶手段に記憶した後に、座標変換用の情報が与
えられて画像処理を行うことを特徴とする３次元画像処
理装置である。

【００１２】また、与えられた情報を形状データと座標
変換用情報に分離する情報解析手段を追加して備え、形
状データは前記形状データ記憶手段に送出し、座標変換
用情報は前記座標変換手段に送出する構成としてもよ
い。

【００１３】また、前記形状データ記憶手段に必要に応
じて形状データを供給する補助形状データ記憶手段を追
加して備える構成としてもよいし、更には、前記形状デ
ータ記憶手段は多重構成とし、座標変換に使用する形状
データの記憶部分と前記補助形状データ記憶手段から供
給をうける形状データの記憶部分を有する構成としても
よい。

【００１４】また、前記補助記憶手段は、通信回線によ
り外部から形状データを入力できるものでもよい。

【００１５】本発明によると、最初に形状データ記憶手
段に形状データを記憶させ、その後は座標変換用情報を
３次元画像処理装置に入力するだけで、３次元画像が生
成できるので、３次元画像処理装置へのデータ転送量を
大幅に削減できる。また、従来のように３次元画像処理
システムのメインＣＰＵ自体で、形状データの座標変換
をソフトウエアによって実行する必要がなくなり、メイ
ンＣＰＵの負担が大幅に減少する。

【００１６】また、与えられた情報を形状データと座標
変換用情報に分離する情報解析手段を追加して備えるこ
とにより、一つのバスから転送されて来た情報を３次元
画像処理装置側で形状データと座標変換用情報に分離で
きるので、メインＣＰＵは情報を送出するだけでよく、
負担が軽くなる。

【００１７】また、補助形状データ記憶手段を備えれ
ば、さらに大量の形状データを扱うことができ、大容量
の画像処理を扱うことができるし、形状データ記憶手段
を多重構成とすれば、補助形状データ記憶手段からデー
タを転送中にもシステムを動かせる。この補助形状デー
タ記憶手段に通信機能を付加すれば、他のシステムとデ
ータのやり取りをすることが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。 ＜第１実施形態＞図１は、本発明に係る３次元画像処理
装置を用いたシステムの第１実施形態を示す要部ブロッ
ク図である。この３次元画像処理システムは、基本構造
が従来技術とほぼ同じであるので、対応する部分には同
一符号を付し、説明は省略する。本発明の特徴は、３次
元画像処理装置１６が、命令解析装置２０、形状データ
蓄積メモリ２１、座標変換処理装置２２を備えた座標変
換部１６ａと、従来の３次元画像処理装置３０と同様の
構成である画像生成部１６ｂとからなる点にある。メイ
ンＣＰＵ１０からの情報は、形状データと座標変換用情
報の２種類あり、システムバス１４を介して命令解析装
置２０に入力され、形状データと座標変換用情報に分離
される。形状データは形状蓄積データメモリ２１に格納
され、座標変換用情報は座標変換装置２２に入力され
る。座標変換装置２２は形状蓄積データメモリ２１から
形状データを読み出し、座標変換用情報に基づいて座標
変換処理をし、画像生成部１６ｂに出力する。画像生成
部１６ｂでは、従来技術で説明したと同様の画像処理を
行う。ここで、形状データ（ポリゴンデータ）は、画像
処理を行う物体をポリゴンに分割し、その頂点座標値、
頂点の色、テクスチャ座標値及び法線方向の情報で構成
されている。また、座標変換用情報は、視点の位置、視
野方向及び視野角度の情報で構成される。

【００１９】図２は命令解析装置の一例を示すブロック
図である。この命令解析装置２０は、形状データ命令メ
モリ４１、命令比較器４２、インバータ４３、ゲート４
４，４５を備える。形状データ命令メモリ４１には、形
状に関する定義命令やデータ形式があらかじめ格納され
ている。命令比較器４２には命令データバスを通して命
令とデータが転送され、形状データ命令メモリ４１に格
納されている定義命令やデータ形式と比較し、一致すれ
ば入力信号をそのまま出力し、一致しなければ反転して
出力する。ゲート４５では、比較結果と命令データバス
を通して伝送された信号が一致する場合に形状データ蓄
積メモリに伝送する。ゲート４４では、比較結果をイン
バータ４３で信号を反転し、その信号を命令データバス
の信号と比較して一致する場合に座標変換処理装置２２
に送出する。

【００２０】次に、この３次元画像処理システムの動作
について、メインＣＰＵの処理を中心に詳述する。図３
は、メインＣＰＵの動作を示すフローチャートである。
まず、形状データ登録処理を始めに行う（ステップＳ
１）。この処理を１度行えば、形状データ自体を変更す
る以外はこの処理を行う必要はない。まずテクスチャの
環境設定を行い（ステップＳ２）、次にポリゴンデータ
の登録を開始する（ステップＳ３）。メインＣＰＵ１０
は、システムバス１４を介して主記憶装置１２からポリ
ゴンデータを読み出し、システムバス１４を介して３次
元画像処理装置１６へ送出する。データは命令データバ
スを通って命令解析装置２０に入力される。図２に示す
ように、命令比較器４２によって、ポリゴンデータは形
状データ命令メモリ４１に格納されている形状定義命令
やデータ形式と比較される。一致するものがあればその
まま出力され、ゲート４５で形状データ蓄積メモリ２１
に送出され格納される。ゲート４４では、インバータ２
１で命令比較器４２の出力信号は反転されるので、命令
データバスの信号と不一致となり、出力されない。

【００２１】こうして、全ポリゴンデータを形状データ
蓄積メモリ２１に格納したかを確認し（ステップＳ
４）、格納していなければステップＳ３に戻って、ポリ
ゴンデータの格納を続行する。全ポリゴンデータが格納
されていれば、ステップ５で形状データの登録を終了す
る。

【００２２】次に、メインＣＰＵ１０により、３次元Ｃ
Ｇ処理を行う命令を出して、画像処理を行う。すなわ
ち、メインＣＰＵ１０は、座標変換用情報（視点位置、
視線方向及び視野角度）を３次元画像処理装置１６にシ
ステムバス１４を介して送る。図２に示すように命令解
析装置２０では、形状データ命令メモリの情報と比較
し、形状データではない座標変換用情報は反転されて出
力される。インバータ４３で信号は反転されるので命令
データバスの信号と一致し、ゲート４４から座標変換処
理装置２２へ出力される。命令比較器４２を出力した信
号は命令データバスの信号と一致しないので、ゲート４
５から出力されることはない。

【００２３】座標変換処理装置２２は、座標変換用情報
により視野座標を変換設定する（ステップＳ６）。一
度、表示装置であるＣＲＴ１８をクリア処理する（ステ
ップＳ７）。座標変換処理装置２２は、形状データ蓄積
メモリ２１に格納されているポリゴンデータを読み出
し、設定した視野座標系に変換処理を行う（ステップＳ
８）。視野座標系に変換が終了したポリゴンデータを画
像生成部１６ｂに送出して（ステップＳ９）、画像生成
部は、従来技術で説明した処理と同様の処理を開始する
（ステップＳ１０）。メインＣＰＵ１０は、ステップＳ
１１においてプログラムが終了したことを確認して、終
了していなければステップＳ７に戻り、終了していれば
動作を停止する。

【００２４】このように、メインＣＰＵ１０は、最初に
形状データ記憶手段２１に形状データを記憶させ、その
後は座標変換用情報を３次元画像処理装置１６に入力す
るだけで、３次元画像が生成できるので、システムバス
１４を通るデータ転送量を大幅に削減でき、伝送時間を
短縮して処理スピードを大幅に向上させることができ、
また短縮した分だけ別の処理データの伝送に使用でき
る。また、従来のようにメインＣＰＵ１０が形状データ
の座標変換を実行する必要がなくなり、メインＣＰＵ１
０の負担が大幅に減少し、別の処理を行う余裕ができ、
効率的な運用が可能となる。このように、様々の処理を
同時に処理することが必要となるマルチメディアには、
非常に有効な手段となる。

【００２５】また、与えられた情報を形状データと座標
変換用情報に分離する命令解析装置２０を備えることに
より、転送されて来た情報を３次元画像処理装置１６側
で形状データと座標変換用情報に識別分離できる。した
がって、メインＣＰＵ１０は、システムデータバス１４
を通じて２種類のデータを単に３次元画像処理装置１６
に送出するだけでよく、負担が軽くなる。

【００２６】＜第２実施形態＞図４は、本発明に係る３
次元画像処理装置を用いたシステムを示す第２実施形態
のブロック図である。本発明の特徴は、補助記憶制御装
置１１と補助記憶装置１３を備えた点にある。前述の第
１実施形態における主記憶装置１２は用いていない。こ
の補助記憶装置１３は、例えば光磁気ディスクやＣＤ−
ＲＯＭやＲＯＭカセット等の大記憶容量を有するものが
考えられ、ポリゴンデータとテクスチャデータが格納さ
れている。メインＣＰＵ１０は、補助記憶制御装置１１
を通じて補助記憶装置１３を制御する。

【００２７】さて、ポリゴンデータやテクスチャデータ
が大量にあり、とても形状データ蓄積メモリに格納でき
ない場合、あらかじめ補助記憶装置１３にすべてのデー
タを記憶させておく。そして、メインＣＰＵ１０は、必
要に応じて補助記憶装置１３から形状データ蓄積メモリ
２１にポリゴンデータを転送させる。この機能により、
システムは、形状データ蓄積メモリ２１の容量サイズに
制限されない形状データを取り扱える。

【００２８】また、補助記憶装置１３から形状データ蓄
積メモリ２１へデータを転送中にシステムが使用できな
い問題が発生するが、この問題は形状データ蓄積メモリ
２１を多重構成とすることで解決する。すなわち、複数
の形状データ蓄積メモリ２１を装備して、未使用の形状
データ蓄積メモリ２１に形状データを補助記憶装置１３
から転送する。形状データに伴って必要となるテクスチ
ャデータは補助記憶装置１３からテクスチャ処理回路３
２内のメモリに転送する。

【００２９】＜第３実施形態＞図５は、本発明に係る３
次元画像処理装置を用いたシステムの第３実施形態を示
すブロック図である。この実施形態は、第１実施形態の
形状データ蓄積メモリ２１に通信機能付形状データ蓄積
メモリ１５が接続されたものである。メインＣＰＵ１０
は、システムバス１４を通して通信機能付形状データ蓄
積メモリ１５に命令を出す。通信機能付形状データ蓄積
メモリ１５には通信回線１７が接続されており、外部シ
ステムに対し形状データの受信要求を送信する。形状デ
ータの受信要求を受けた外部システムは要求された形状
データを送信する。送信された形状データを通信回線１
７を通して通信機能付形状データ蓄積メモリ１５が受信
し、形状データを蓄積する。蓄積した形状データは形状
データ蓄積メモリ２１へ転送され、第１実施形態と同様
の動作によって画像処理される。

【００３０】通信回線を通して形状データを受信して、
受信した形状データを基にした３次元の描写が可能にな
るので、自分のシステム内に相手のシステムが保有する
形状データが無くても、形状データの受信要求を相手シ
ステムに送信することで、相手が保有する形状データを
受け取ることが可能となる。しかも、相手も同じシステ
ムを保有していれば、互いの形状データを送受信するこ
とで、相手の３次元画像を表示させることが可能とな
り、マルチメディアに有効な手段となる。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、最
初に形状データ記憶手段に形状データを記憶させ、その
後は座標変換用情報を３次元画像処理装置に入力するだ
けで、３次元画像が生成できるので、データ転送量を大
幅に削減でき、伝送時間を短縮して処理スピードを大幅
に向上させることができ、また短縮した分だけ別の処理
データの伝送に使用できる。また、従来のようにメイン
ＣＰＵが形状データの座標変換を実行する必要がなくな
り、メインＣＰＵの負担が大幅に減少し、別の処理を行
う余裕ができ、効率的な運用が可能となる。このよう
に、様々の処理を同時に処理することが必要となるマル
チメディアには、非常に有効な手段となる。

【００３２】また、与えられた情報を形状データと座標
変換用情報に分離する命令解析装置を備えることによ
り、転送されて来た情報を３次元画像処理装置側で形状
データと座標変換用情報に分離できる。したがって、メ
インＣＰＵは、データバスを通じて２種類のデータを単
に３次元画像処理装置に送出するだけでよく、負担が軽
くなる。

【００３３】また、補助形状データ記憶手段を備えれ
ば、さらに大量の形状データを扱うことができ、形状デ
ータ記憶手段の容量サイズに制限されない形状データを
システムが取り扱える。さらに形状データ記憶手段を多
重構成とすることで、補助形状データ記憶手段から形状
データ記憶手段へデータを転送中にシステムが使用でき
ない問題を解決できる。

【００３４】また、通信機能付の補助形状データ記憶手
段を備えると、通信回線を通して形状データを受信し
て、受信した形状データを元にした３次元の描写が可能
になるので、自分のシステム内に相手のシステムが保有
する形状データが無くても、形状データの受信要求を相
手システムに送信することで、相手が保有する形状デー
タを受け取ることが可能となる。しかも、相手も同じシ
ステムを保有していれば、互いの形状データを送受信す
ることで、相手の３次元画像を表示させることが可能と
なり、マルチメディアに有効な手段となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元画像処理装置を用いたシス
テムの第１実施形態を示すブロック図である。

【図２】命令解析装置の一例を示すブロック図である。

【図３】この３次元画像処理システムのメインＣＰＵの
動作を示すフローチャートである。

【図４】本発明に係る３次元画像処理装置を用いたシス
テムの第２実施形態のブロック図である。

【図５】本発明に係る３次元画像処理装置を用いたシス
テムの第３実施形態を示すブロック図である。

【図６】従来の代表的な３次元画像処理を用いたシステ
ムのブロック図である。

【図７】メインＣＰＵの動作を示すフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１０ メインＣＰＵ １４ システムバス １６ ３次元画像処理装置 ２０ 命令解析装置 ２１ 形状データ蓄積メモリ ２２ 座標変換処理装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像処理を行う対象物の形状データを記
   憶する形状データ記憶手段と、 前記記憶手段から読み出した形状データを３次元画像を
   生成するための座標系に変換する座標変換処理手段と、 前記変換後の座標に基づいて３次元画像を生成する画像
   生成手段と、を備え、 一旦、形状データを前記形状データ記憶手段に記憶した
   後に、座標変換用の情報が与えられて画像処理を行うこ
   とを特徴とする３次元画像処理装置。
2. 【請求項２】 与えられた情報を形状データと座標変換
   用情報に分離する情報解析手段を追加して備え、 形状データは前記形状データ記憶手段に送出し、座標変
   換用情報は前記座標変換手段に送出することを特徴とす
   る請求項１記載の３次元画像処理装置。
3. 【請求項３】 前記形状データ記憶手段に必要に応じて
   形状データを供給する補助形状データ記憶手段を追加し
   て備えることを特徴とする請求項１又は２記載の３次元
   画像処理装置。
4. 【請求項４】 前記形状データ記憶手段は多重構成と
   し、座標変換に使用する形状データの記憶部分と前記補
   助形状データ記憶手段から供給をうける形状データの記
   憶部分を有することを特徴とする請求項３記載の３次元
   画像処理装置。
5. 【請求項５】 前記補助記憶手段は、通信回線により外
   部から形状データを入力できることを特徴とする請求項
   ３又は４記載の３次元画像処理装置。