JPH0935087A - 陰影処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＣＧにおける３次元形状物体への陰影づけに際
し、処理量を削減することで描画速度を向上させる。 【構成】陰影を作る３次元形状物体を楕円体の立体の集
合として近似する手段と、その立体の形状および方向
と、光の当たる方向からその立体の遮えい面を求める手
段と、遮えい面をポリゴンに近似する手段と、そのポリ
ゴンによる陰影を求める手段からなる。 【効果】複雑な形状の３次元形状物体を、２次元のポリ
ゴンの集合と近似することで、陰影を求めるときの処理
量を大幅に少なくすることができる。またどの方向から
みても投影面が楕円となる楕円体の性質を利用すること
で、遮えい面を求める処理量も少なくすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映画、ゲーム、芸術、
科学などの産業に関し、特にコンピュータにより画像や
映像の作成や表示を行う方法、または装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータグラフィックス（以下、Ｃ
Ｇという）とは、コンピュータ等を用い、画像や映像を
作成する技術、あるいはその作品を示し、最近では、マ
ルチメディアの分野で一般にも大きく関わってきてい
る。ＣＧに関する技術としては、形状をコンピュータで
扱うデータ形式に変換するモデリング技術、透視投影な
どの３次元処理技術、表面をリアルに色づけするための
レンダリング技術などがある。

【０００３】一般に、現在用いられているＣＧ作成手法
は、３次元物体を三角形や四角形などの多角形（以下、
ポリゴン）の集合としてモデル化し（メッシュ分割）、
視点からの物体の重なりを求め、光源や物体の性質に応
じて表面処理を行なうプロセスをとるものが多い。一
方、ＣＧでは、現実の物をなるべくリアルに映像表現し
たい、という要求がある。３次元物体をリアルに見せる
ための効果の一つとして、陰影をつけることが考えられ
るが、その技術としては、レイトレーシング、２段階
法、シャドウボリュームなどがある。

【０００４】レイトレーシングは、視線を物体側から逆
探索して、光源に行き着くまでに物体が存在すればその
部分を陰影とする方法である。２段階法は、視点からの
透視図と、光源からの透視図の２つを求め、光源からの
透視図に現われない部分を陰影として視点からの透視図
に重ね合わせる方法である。シャドウボリュームは、光
源と、遮えい面によって生じる陰影の領域を影立体（シ
ャドウボリューム）として求め、この立体と重なる物体
の交差部分を陰影とする方法である。

【０００５】また、コンピュータにより陰影を付加させ
る手法に関する文献としては、“シャドウアルゴリズム
フォー コンピュータ グラフィックス” １９７
７’シーグラフ（Ｓｈａｄｏｗ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
ｆｏｒ ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ” １９
７７’ ＳＩＧＧＲＡＰＨ）がよく知られている。陰影
処理をハードウェアで行なうことにより高速処理を可能
にする既出願特許として、特開平４−６５７８０号公報
がある。また、光源のあたる物体を判別し、判別結果に
もとづき描画処理を施すことにより、陰影付加時間を短
縮する既出願特許として特開平２−２４７８５号公報が
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＣＧにおいてある物体
が他の物体につくる陰影を求めようとすると、その計算
量の問題から、ＣＧの描画処理速度が極端に落ちるとい
う問題がある。もし画面内の物体（オブジェクト）が移
動せず、光源の位置も変化しないときには、陰影の形状
は変わらないので、あらかじめＣＧデータ作成のときに
一度陰影を求めておけばよい。しかし、物体が移動した
り、光源の方向が動的に変化するときは、そのたびに陰
影を求める必要がある。

【０００７】画像内の物体や光源が動く画像に対して、
リアルタイム（秒数１０コマ程度）でこのようなデータ
に陰影をつけることは、現在のハードウェアの処理能力
などを考慮した場合、現実的に不可能なものとなってい
る。表示されている３次元の物体が任意の方向に移動し
たり、光源の位置、方向が変化したときは、そのたびに
陰影の形状を計算する必要がある。一般に、現実の物体
や風景をある程度リアルにモデル化しようとすると、陰
影を作る物体（オブジェクト）は、それぞれ数千ポリゴ
ン程度のものとなり、画像全体で数万ポリゴンを超えて
しまうことも多い。

【０００８】陰影を求めるための計算は、物体の数や形
状の複雑さにほぼ比例して増加するので、その計算時間
のために、ＣＧの描画が遅れ、表示する映像の動きが極
端に遅くなったり、物体の動作がぎこちなく見えたりす
る問題が生じている。ハードウェアやソフトウェアに工
夫をもたせることで、処理速度の向上をはかる方法（前
述の公知例など）が考えられているが、複雑なモデルの
リアルタイム処理ができるまでには至っておらず、さら
に高速な処理が求められている。

【０００９】本発明の目的は、上述の問題を解決すべ
く、複雑な形状の物体を含む映像に、高速に陰影を付加
する方法を提供することにある。本発明の他の目的は、
上述の問題を解決すべく、複雑な形状の物体を含む映像
に、高速に陰影を付加する装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、特別なハードウェア等を必
要とせず、簡単な構成で、高速に陰影を付加する方法、
あるいは装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、３次元形状物体をｍ個のパラメータで表
現する第１の立体モデルから、前記３次元形状物体をｍ
＞ｎなるｎ個のパラメータで表現する第２の立体モデル
を作成する近似モデル作成手段と、光源に関するデータ
と前記第２の立体モデルとから、前記光源が発生する光
の下での前記第２の立体モデルの陰影生成規則を求める
手段と、前記陰影生成規則に従い生成した陰影を、前記
第１の立体モデルが生成する陰影として前記陰影が映る
物体に付加する手段とを備えるものである。

【００１１】また、本発明は、３次元形状物体をｍ個の
パラメータで表現する第１の立体モデルから、前記３次
元形状物体をｍ＞ｎなるｎ個のパラメータで表現する第
２の立体モデルを作成し、光源に関するデータと前記第
２の立体モデルとから、前記光源が発生する光の下での
前記第２の立体モデルの遮えい面を求め、前記遮えい面
を多角形に近似し、前記多角形が生成する陰影を、前記
第１の立体モデルが生成する陰影として前記陰影が映る
物体に付加するものである。

【００１２】

【作用】３次元形状物体を表すデータとして、第１の立
体モデルにより表現された３次元形状データの他に、陰
影生成用により少ないパラメータで近似的に表現した第
２の立体モデルを持つ。陰影生成時に、光源の方向など
光源に関するデータと、第２の立体モデルから、例え
ば、その立体が生成する陰影と同じ陰影を生成する平
面、すなわちその立体による遮えい面を求めるなど陰影
生成規則を求める。これによる陰影を第１の立体モデル
に付加することで、第１の立体モデルによる陰影を直接
求めるより、極めて少ない演算により、陰影を付加する
ことができる。

【００１３】例えば第２の立体モデルに楕円体の集合を
用いた場合を考える。楕円体は、どの方向から見ても楕
円であるため、複雑な形状の物体でもこれを楕円の集合
に近似しておけば、どの方向から光があたったときで
も、その遮えい面を楕円平面の集合として容易に求める
ことができる。また、この楕円平面を数個のポリゴンと
して近似しもとの立体と置き換えることで、この後、従
来の方法によって陰影を求める際の計算量を大幅に削減
させ、描画の高速化をはかることができる。なお、３次
元形状物体を楕円体に近似する既出願特許として、特願
平６−１７１１２号がある。

【００１４】また、第１の立体モデルを近似する第２の
立体モデルが、楕円体でなくても第１の立体モデルより
少ないパラメータで表現できる立体の集合であれば、光
線をあてたときの遮えい面を容易に求めることができ
る。これを陰影を生成する第１の立体モデルの代わりに
用いることで、陰影を生成する物体が単純な形状にな
り、陰影を求める計算量を大幅に削減することができ
る。陰影の形は近似のため、多少不正確になるが、一般
の用途では、それほど精密に陰影の形状を求める必要は
ない。近似モデルを用いても、映像全体としてのリアリ
ティーは十分に保つことができる。

【００１５】

【実施例】まず、図１を用いて本発明の全体の概念を示
す。第１の立体モデル１５１は、具体的には、一般のＣ
Ｇ同様に３次元形状物体を多角形や多面体の集合として
表現したものである。例えば４角形ポリゴンの集合とし
てこれを表現した場合は、もしポリゴン数が２００００
個のときに、各ポリゴンの４つの頂点座標をｘ、ｙ、ｚ
の３つのパラメータで表せば全パラメータ数ｍは、４×
３×２００００＝２４００００となる。

【００１６】第２の立体モデル１５２は、第１の立体モ
デル１５１を近似モデル生成手段１６１を用いて、例え
ば楕円体や直方体の集合として近似し表現したものであ
る。もしこの第１の立体モデル１５１が楕円体３００個
の集合で近似されているときには、１つの楕円体は９つ
のパラメータで表すことができるので、全パラメータ数
ｎは、９×３００＝２７００で示される。

【００１７】このように本発明では、３次元形状物体
（以下、オブジェクトという）のデータとして、第１の
立体モデル１５１に加えて近似によりそれより少ないパ
ラメータで表現した第２の立体モデル１５２を持つ。な
お、近似モデル生成手段１６１の具体例は後述する。

【００１８】ここまでが、ＣＧにおけるモデリング過程
である。続くレンダリング過程では、まず、光線の方向
などの光源に関するデータ１５３から、陰影生成規則算
出手段１５５により、この光源による前述の第２の立体
モデルの陰影を生成する規則を求める。具体的には例え
ば、第２の立体モデル１５２の形状を表現するパラメー
タと光源に関する光線方向等のデータから、この第２の
立体モデル１５２によって生成される陰影と同じ陰影を
生成する遮えい面を算出する。その後、陰影付加手段１
６０により、この遮えい面による陰影を求める。視点位
置や投影方法の種別にしたがった３次元処理を施し、レ
ンダリングを行ない表示する。

【００１９】これらの手段により、第１の立体モデル１
５１が複雑な形状のものであっても、陰影を生成する時
に、第２の立体モデル１５２と光源に関するデータ１５
３から遮えい面を容易に求めることができる。この遮え
い面は第１の立体モデル１５１より単純な図形であるた
めに、この遮えい面による陰影を求める処理はものとモ
デルによるものより極めて少なくすることができる。

【００２０】以下、具体的に本発明の一実施例を説明す
る。図６、図７は、本発明を適用した装置の例で、図６
は、オブジェクトや背景のデータを作るための編集装置
の概略構成図を示すものである。この編集装置は、主に
ＣＧにおけるモデリング過程を行なうものである。図７
は、その編集装置で作成したデータを映像として表示す
る実行装置の概略構成図を示すものである。ユーザの入
力などによって対話的にオブジェクトの位置や方向、視
点の位置や方向、あるいは光源の位置や方向などを変え
ることができる。この実行装置は、主にＣＧにおけるレ
ンダリング過程、３次元処理過程を行なうものである。

【００２１】適用例の１つとして、テレビゲームが考え
られる。編集装置はゲーム制作者が、実行装置はゲーム
プレイヤが主に操作することになる。まず、図６につい
て説明する。編集装置９００は、マウス９０１やキーボ
ード９０２、ディスプレイ９０３などのグラフィカルユ
ーザインタフェースを制御する入出力制御部９０４、プ
ログラムの実行を行なうプロセッサ（以下、ＣＰＵとい
う）９０５、ハードディスク９１０やフロッピーディス
ク９１１などの外部記憶装置、プログラムやデータなど
を記憶する主記憶９１２などからなる。

【００２２】以下、各種プログラムの動作説明を行う。
これらのプログラムは、実際にはＣＰＵ９０５によって
実行されるものである。動作説明に際して、例として図
２に示すようなオブジェクト２０１に陰影を付加させて
表示させることを考える。主記憶９１２に記憶される各
プログラム、データについて説明する。

【００２３】形状作成プログラム９０６は、オブジェク
トの３次元モデリングを行なうものである。図２に示す
ようなオブジェクト２０１を、図３のモデル化オブジェ
クト３０１に示すような３角形や４角形のポリゴンの集
合として表現する（メッシュ分割するという）。ここで
は、例として４角形ポリゴンによるモデリングを取り上
げた。このモデル化オブジェクト３０１が図１の第１の
立体モデル１５１に相当する。形状作成プログラム９０
６は、現在多くのものが開発されているが、ディスプレ
イ画面を見ながらマウス等を操作させ、対話的にモデル
を作成するものが代表的である。本実施例でもこのよう
な既存のプログラムの利用を想定している。形状作成プ
ログラム９０６はモデル化オブジェクト３０１のデータ
をオブジェクト形状データ９０８として出力する。

【００２４】オブジェクト形状データ９０８は、さまざ
まな形式が考えられるが、本実施例では、図８（ａ）
（ｂ）のような形式を持つものとする。図８（ａ）に示
すようにオブジェクトごとに、それを構成する複数の階
層からなるさらに細かいオブジェクトに分け（９０８−
１）、最下層のオブジェクトはそれを構成するポリゴン
のＩＤを記述する。そして、図８（ｂ）に示すように、
それぞれポリゴンの頂点の座標値を記述する（９０８−
２）。

【００２５】このようにオブジェクトを階層化するの
は、例えば、人というオブジェクトを、手や体といった
オブジェクトに分解して構成しておくことで、手だけを
動かした形状や、歩きながら体全体を動かすといったモ
デルを容易に作成することができるからである。座標
は、絶対座標系で記述することもできるが、オブジェク
トが移動することも考慮し相対座標系で記述することと
する。実際のＣＧでは、この他にオブジェクトの属性
（色や材質等）のデータなども記述するが、本発明には
特に影響がないので省略する。

【００２６】次に、近似モデル作成プログラム９０７に
ついて説明する。近似モデル作成プログラム９０７は、
形状作成プログラム９０６で作成したモデル化オブジェ
クト３０１を遮へい物（陰影を作るもの）として定義す
るために、楕円体、直方体等の立体の集合として近似す
るものである。本実施例では、楕円体の集合として近似
を行なう。図４に示すように、オブジェクト２０１と概
略がほぼ一致するように、数個から数十個の楕円体だけ
の集合で近似した近似モデル４０１を作成する。これが
図１の第２の立体モデルに相当し、近似モデル作成プロ
グラム９０７が近似モデル生成手段１６１に相当する。
このとき、各楕円体の重なりは無視してかまわないが、
オブジェクト２０１の各部位がつながっている場合は、
楕円体近似によって分離されないようにする。

【００２７】本実施例における近似モデル作成プログラ
ム９０７は、グラフィカルユーザインタフェースなどを
制御し、ユーザからの操作により対話的に近似モデル４
０１の作成を支援するものである。例えば任意方向から
見たオブジェクトモデル２０１と、近似モデル４０１を
重ねて表示させ、差が大きくなった方向において近似モ
デルの修正を操作者（上述の例では、ゲーム制作者）に
行なわせることで、近似モデルを作成していく。

【００２８】図１２は、５５０はディスプレイ９０３に
表示される編集画面の一例であって、画面全体、あるい
は一つのウィンドウに表示される。近似モデル作成プロ
グラム９０７は、ユーザが方向指示インタフェース５５
３で指定した、任意の位置から見たモデル化オブジェク
ト３０１と楕円体５６２が重なった２次元画像を編集ウ
ィンドウ５６０に表示する。

【００２９】そして、編集ウィンドウ５６０に楕円体５
６２の楕円形状定義制御点５６３を表示し、これをユー
ザがマウス９０１でドラッグすることで、楕円体の大き
さや位置を調整する。このような操作をさまざまな視点
から行ない、どの方向から見てもモデル化オブジェクト
３０１と近似モデル４０１との差が最小になったときに
近似モデル４０１が完成し、定義される。なお、同時に
参照ウィンドウ５７０に、３次元的に透視投影によって
近似モデル４０１を表示すると、モデリングの際に参照
することができる。

【００３０】以上の過程は、本実施例のように、完全に
対話的に進めていくほかに、例えば近似モデル４０１と
もとのモデル化オブジェクト３０１との偏差の二乗和が
最小となるような条件などの設定により、自動的に求め
るようにすることも可能である。

【００３１】楕円体は、それぞれ、楕円体の中心座標と
して３変数、楕円体の軸長として３変数、楕円体の軸方
向として３変数のあわせて９変数であらわされる。近似
モデル作成プログラム９０７は、これらの９変数を近似
モデル４０１を構成する楕円体の数だけ求め、近似モデ
ルデータ９０９として記憶する。近似モデルデータ９０
９は図９（ｂ）に示す楕円体の９つの変数９８２と、図
９（ａ）に示すその楕円体ともとのオブジェクト形状モ
デルとの対応関係９８１を記述する。

【００３２】以上のように、形状作成プログラム９０６
と、近似モデル作成プログラム９０７によって出力され
た、オブジェクト形状データ９０８と、近似モデルデー
タ９０９が１対となって、本実施例におけるＣＧのモデ
ルデータとなる。作成されたデータは、ハードディスク
９１０やフロッピーディスク９１１などの外部記憶装置
に記憶する。

【００３３】次に図７について説明する。実行装置９５
０は、マウスやジョイスティックなどの入力装置９５１
と、それを制御する入出力制御部９５５、レンダリング
部、３次元処理部、陰影処理部からなりディスプレイ９
５３を制御するグラフィックボード９５４、プログラム
の実行を行なうプロセッサ（以下、ＣＰＵという）９５
６、ハードディスク９６２やフロッピーディスク９６３
などの外部記憶装置、プログラムやデータなどを記憶す
る主記憶９６４などからなる。また、編集装置９００の
場合と同様に、動作説明する各種プログラムは、実際に
はＣＰＵ９５６によって実行されるものである。

【００３４】まず、前処理として、使用者がモデルデー
タを編集装置から実行装置に移動させる。移動させる手
段としては、フロッピーディスク、光ディスクのような
交換可能な記憶媒体を用いるほかに、ネットワークなど
を通じて転送することもできる。このオブジェクト形状
データ９０８、近似モデルデータ９０９は、実行装置の
主記憶に読み込まれる。

【００３５】つぎに、主記憶９６４に格納されているオ
ブジェクト動作制御プログラム９５７、光源動作制御９
５８プログラムについて説明する。これらのプログラム
は一般にシナリオを呼ばれ、ユーザの入力や時間の経過
に従って、様々な動きをオブジェクトや光源に対して与
えるものである。一般にこのプログラムはシナリオエデ
ィタと呼ばれる専用のエディタであらかじめ作成するこ
とが多い。

【００３６】ＣＰＵ９５６がオブジェクト動作制御プロ
グラム９５７を実行することにより、ユーザ（上述の例
ではゲームプレイヤ）は実行時（ゲーム実行時）に、入
力装置９５１を用いて、画面上のオブジェクトの位置や
方向を自由に変えられる。また、オブジェクトがある規
則に従って自動的に移動するように設定することができ
る。具体的には、ユーザの入力イベントや、タイマーを
監視し、イベントを受け取ったときに、オブジェクトの
位置を変化させる。オブジェクトの位置を変化させると
いうことは、オブジェクト形状データ９０８および近似
モデルデータ９０９の座標値に対して、移動演算や、回
転演算を与えることである。

【００３７】また、光源動作制御プログラム９５８は内
部に光源データを持っており、ＣＰＵ９５６がこのプロ
グラムを実行することにより、実行装置９５０が持つタ
イマー（図示せず）を監視し、光源の位置が自動的に変
わっていくように制御する。

【００３８】次に、画面にこのオブジェクトを描画する
レンダリング過程について説明する。ＣＰＵ９６５は、
遮えい面算出プログラム９５９を実行して、一般のレン
ダリング過程における陰影の算出を簡略化するための前
処理を行う。具体的には、まず、編集装置９００で作成
した近似モデルデータ９０９の楕円体すべてに対して、
光源動作制御プログラム９５８より渡される光源方向の
データ（以下、光源パラメータという）を用いて、その
楕円体が生成する陰影とおなじ陰影を生成する遮えい面
を求める。楕円体はどこから見ても楕円のため、この遮
えい面は楕円平面となる。この過程を図１０を用いて説
明する。

【００３９】図１０（ａ）は楕円体とその陰影を示すも
ので、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の楕円体の遮えい
面となる楕円平面と、その陰影を図示している。中心が
座標の原点にあり（数１）であらわされる楕円体が、

【００４０】

【数１】

【００４１】上記（ｐ、ｑ、ｒ）から座標の原点方向へ
の平行光で照らされる場合、まず、（数２）を求める。

【００４２】

【数２】

【００４３】この結果を用いると、この楕円体の遮えい
面は、（数３）のような楕円平面となる。なお、θは楕
円体の座標のｙ方向を上方向とおいたときの楕円平面の
傾きである。

【００４４】

【数３】

【００４５】この楕円平面を図１０（ｃ）に示すように
ポリゴン近似し、ポリゴン近似遮えい面データ９６０と
する。

【００４６】この図に示すように、このポリゴンの陰影
と、もとの楕円体の陰影とは概略において一致すること
がわかる。ポリゴン近似においては、図１１に示すよう
に三角形と四角形のポリゴンに分割する。本実施例では
数個のポリゴンに分割したが、いくつのポリゴンに分割
するかは、精度と処理速度の関係で調整する。ポリゴン
近似の手段としては、たとえば生成されるポリゴンと楕
円との偏差が最小となるように自動的に求める。

【００４７】この過程を全ての楕円体について行った
後、遮えい面算出プログラムは９５９は、オブジェクト
形状データ９０８、ポリゴン近似遮えい面データ９６０
をグラフィックボードに渡す。グラフィックボード９５
４は、オブジェクト形状データ９０８に記述されるそれ
ぞれのオブジェクトに、上記過程で求められたポリゴン
近似遮えい面データ９６０からつくられる陰影を付加
し、表面をリアルに色づけして、透視投影等の３次元処
理を行なってディスプレイ９５３の画面に表示する。こ
の過程は、現在一般的に用いられている従来公知の方法
（２段階法、シャドウボリュームなど）によってハード
ウェア的に求める。

【００４８】なお、近似モデルデータ９０９は陰影を作
る物体を求めるためだけに用いるので、陰影を作成する
処理に関してはグラフィックボードに渡さなくてもよ
い。図１３は、実行装置９５０における以上の処理をま
とめたフローチャートである。まず、編集装置９００が
作成したオブジェクト形状データ９０８と近似モデルデ
ータ９０９を読み込む（１０１０）。

【００４９】オブジェクト動作制御プログラム９５７
は、あらかじめ決められた動作や、あるいはユーザから
のイベント（１０３０）に従った動作に基づき、動きの
あるオブジェクト形状データ９０８の座標値を変化させ
る（１０２０、１０３５）。これは、たとえばオブジェ
クト２０１の一例としてあげた飛行機があらかじめ決め
られた飛行動作を行うことや、ユーザが飛行機を操縦す
ることに相当する。その後、オブジェクト形状データ９
０８に対応する近似モデルデータ９０９の個々の楕円体
の座標値を変化させる（１０４０）。オブジェクト形状
データ９０８の座標に変化がなければ、このステップは
省略してもよい。

【００５０】光源動作制御プログラム９５８は、ユーザ
からのイベント（１０５０）や、あるいはタイマーから
のイベント（１０６０）に従って、光源パラメータを変
え、光源の位置および方向を変化させる（１０５５、１
０６５）。これはたとえば、ユーザの操作によって、光
源が制御されることや、時間の推移に従って、太陽の位
置が変わることに相当する。

【００５１】遮えい面算出プログラム９５９は、近似モ
デルデータ９０９におけるすべての楕円体について、光
源の位置および方向からその遮えい面を求め（１０７
０）、この遮えい面を陰影を作る物体としてポリゴン近
似し、ポリゴン近似遮えい面データ９６０を生成する
（１０８０）。オブジェクトの座標変化がなく、光源の
位置、方向に変化がなければ、これらのステップは省略
してもよい。

【００５２】ＣＰＵ９５６は、オブジェクト形状データ
９０８、ポリゴン近似遮えい面データ９６０、光源パラ
メータをグラフィックボード９５４に渡す。グラフィッ
クボード９５４は、対象となるオブジェクトにレンダリ
ング、陰影づけを行ない、透視投影等の３次元画像を表
示する（１０９０）。以下、これらの過程を繰り返す。

【００５３】陰影づけのプロセスにおいて、あるオブジ
ェクトに注目したとき、そのオブジェクトが例えば数千
ポリゴンの要素からなるとき、従来の方法ではこのポリ
ゴン数だけの処理が必要なため、非常に時間を要してい
た。しかし、本実施例によれば、３次元の複雑な形状の
オブジェクトを、数個の楕円立体に近似し、さらにこれ
を楕円の平面におきかえるため、処理を行なうポリゴン
数として数十分の一に削減することができる。楕円立体
の断面（楕円平面）への置き換えと楕円のポリゴン近似
の２つの処理が新たに必要となるが、楕円立体のある断
面の形状は容易に求めることができるため、この処理は
陰影づけのプロセスに比べるとわずかである。全体とし
て、レンダリング時の陰影の処理時間を大幅に短縮する
ことができる。

【００５４】近似による誤差は、（１）陰影の形状は、
特殊な場合を除き、それほど精密に求めなくても見た目
に影響はない、（２）一般の物体の形状は、楕円立体の
集合に近似し易い、（３）最終的に用いる遮へいオブジ
ェクトは平面（楕円平面）であるが、これは立体（楕円
体）を用いた時と全く同じ陰影の効果となる、などの理
由により、極めて目立たないものとすることができる。

【００５５】これにより、ハードウェアの性能の制約な
どにより、従来の方法では表示されている物体が移動し
たり、光源が変化したときにこの陰影を遅れなく表示す
ることが不可能であった複雑なモデルについても、リア
ルタイムにすなわち秒数十こま程度の表示を行なうこと
ができるようになる。

【００５６】また、本実施例では、楕円体だけで近似を
行なったが、ほかの立体、たとえば多面体や曲面体など
によって近似を行なう方が適当な場合も考えられる。多
面体のときにはその頂点の座標と光源の方向から遮えい
面を求めることができる。また、曲面体の時にはその方
程式と光源の方向から遮えい面を求めることができる。
これらの場合、前述の楕円体における実施例ほど遮えい
面を単純に求めることはできないが、元のポリゴンモデ
ルから直接求めるよりは少ない演算により求めることも
できる。

【００５７】また、これらの複数種類の立体（楕円体、
多面体、曲面体）による近似を任意に混在させてもよ
い。また、遮えい面をあらかじめ複数個用意しておき、
ある方向から光線が当たったとき最もその光線に適合す
る遮えい面を選びこの陰影を求める方法も考えられる。
この方法では、より大まかな近似になるが、遮えい面を
求める処理も、省略することができるため、さらに陰影
付加処理時間を短くすることができる。レンダリング時
には、光線の方向に最も近い列のデータを選び、それを
遮えい面とする。

【００５８】また、本実施例のように、陰影を作るオブ
ジェクトの構成が複数の楕円体からなるとき、おのおの
の遮えい面すべてについて陰影を求めると、光源の方向
から見て重なり合っている部分の計算を繰り返し行なう
ことになって処理の点で冗長である。そこで、遮えい面
算出プログラム９５９において、そのオブジェクトを構
成する遮えい面を、光源側から見た時の最外郭の輪郭の
形状を求め、それを遮えい面として再定義することで、
計算量を減らすこともできる。具体的には、すべての遮
えい面（ポリゴン近似した楕円平面）をある平面に投影
しその内部を塗りつぶして、それぞれの遮えい面の論理
和をとる操作を行なう。そして、その輪郭線を求めて、
ポリゴン近似遮えい面データ９６０とすればよい。

【００５９】また、本実施例では、対応する近似モデル
データを持たない従来のオブジェクト形状データが実行
装置９５０に入力されたときでも、近似モデルデータへ
の置き換えを行わずにオブジェクト形状データから遮え
い面を求めることで、陰影を付加することができる。す
なわち、別のシステムで作成したデータや、形状が単純
なため、近似モデルを作成する必要のないものについて
も陰影を表示することができる。

【００６０】このような場合には、オブジェクト形状デ
ータが対応する近似モデルデータを持つのかどうかを示
すヘッダ情報を、オブジェクト形状データに付加するこ
とで、実行装置９５０は自動的に区別、処理することが
できる。なお、本実施例では、編集装置９００と実行装
置９５０を異なる装置としたが、同一の装置に構築する
こともできる。本実施例では、遮えい面を求める処理を
ソフトウェアが行ない、その陰影の計算および描画はグ
ラフィックボードが行なうとしたが、遮えい面を求める
プロセスも定式化した処理なので、ボード上の機能とし
て持たせ、処理時間の高速化をはかることもできる。ま
た、その逆に、高速のＣＰＵが利用可能であれば、全て
の処理をソフトウェア化することも可能である。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、陰影を作る複雑な３次
元形状物体を、数個の立体で近似し、さらにこれを、ほ
ぼ同じ陰影を生成する平面におきかえるため、陰影生成
に必要なポリゴン数を大幅に削減することができる。つ
まり陰影を作るオブジェクトを単純化することで、レン
ダリング時の陰影処理時間を大幅に短縮することができ
る。したがって、陰影をつけるというリアルな表示を行
いつつ、実時間表示を可能にするという優れた効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体の流れを示した概念図である。

【図２】表示する３次元形状物体（オブジェクト）を例
示する図である。

【図３】図２に示す３次元形状物体のメッシュ分割を例
示する図である。

【図４】図３に示すメッシュ分割した３次元形状物体の
楕円体近似モデルを例示する図である。

【図５】最終的に表示する陰影付けをした画像を例示す
る図である。

【図６】本発明の実施例における編集装置の構成を示す
ブロック図である。

【図７】本発明の実施例における実行装置の構成を示す
ブロック図である。

【図８】オブジェクトモデルのデータ構造を例示する図
である。

【図９】楕円体近似モデルのデータ構造を例示する図で
ある。

【図１０】楕円体、楕円平面および楕円平面を近似した
ポリゴンによる陰影を例示する図である。

【図１１】楕円平面のポリゴン近似を例示する図であ
る。

【図１２】楕円体近似モデル作成エディタの操作画面を
例示する図である。

【図１３】本発明の実施例における実行装置の動作フロ
ーチャートを示す図である。

【符号の説明】

２０１…オブジェクト、３０１…モデル化オブジェク
ト、４０１…近似モデル、９０６…形状作成プログラ
ム、９０７…近似モデル作成プログラム、９０８…オブ
ジェクト形状データ、９０９…近似モデルデータ、９５
７…オブジェクト動作制御プログラム、９５８…光源動
作制御プログラム、９５９…遮えい面算出プログラム、
９６０…ポリゴン近似遮えい面データ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯浅 俊之 神奈川県川崎市麻生区王禅寺1099番地株式 会社日立製作所システム開発研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３次元形状物体をｍ個のパラメータで表現
   する第１の立体モデルから、前記３次元形状物体をｍ＞
   ｎなるｎ個のパラメータで表現する第２の立体モデルを
   作成する近似モデル作成手段と、 光源に関するデータと前記第２の立体モデルとから、前
   記光源が発生する光の下での前記第２の立体モデルの陰
   影生成規則を求める手段と、 前記陰影生成規則に従い生成した陰影を、前記第１の立
   体モデルが生成する陰影として前記陰影が映る物体に付
   加する手段とを備えてなる陰影処理装置。
2. 【請求項２】３次元形状物体をｍ個のパラメータで表現
   する第１の立体モデルから、前記３次元形状物体をｍ＞
   ｎなるｎ個のパラメータで表現する第２の立体モデルを
   作成する近似モデル作成手段を備えてなる近似モデル作
   成装置。
3. 【請求項３】３次元形状物体をｎ個のパラメータで表現
   する第２の立体モデルと、光源に関するデータとから、
   前記光源が発生する光の下での前記第２の立体モデルの
   陰影生成規則を求める手段と、 前記陰影生成規則に従い生成した陰影を、前記３次元形
   状物体をｍ＞ｎなるｍ個のパラメータで表現する第１の
   立体モデルが生成する陰影として前記陰影が映る物体に
   付加する手段とを備えてなる陰影処理装置。
4. 【請求項４】ｍ個のパラメータからなる第１の立体モデ
   ルで表現する３次元形状物体をｍ＞ｎなるｎ個のパラメ
   ータからなる３次元形状物体の集合で表現する第２の立
   体モデルを生成する手段と、 光源に関するデータと前記第２の立体モデルとから、前
   記光源が発生する光の下での、前記第２の立体モデルの
   陰影生成規則を求める手段とからなる陰影生成規則算出
   装置。
5. 【請求項５】３次元形状物体をｍ個のパラメータで表現
   する第１の立体モデルから、前記３次元形状物体をｍ＞
   ｎなるｎ個のパラメータで表現する第２の立体モデルを
   作成し、 光源に関するデータと前記第２の立体モデルとから、前
   記光源が発生する光の下での前記第２の立体モデルの遮
   えい面を求め、 前記遮えい面を多角形に近似し、 前記多角形が生成する陰影を、前記第１の立体モデルが
   生成する陰影として前記陰影が映る物体に付加する陰影
   処理方法。
6. 【請求項６】前記第２の立体モデルは楕円体の集合で構
   成され、前記遮えい面は楕円平面であることを特徴とす
   る請求項５記載の陰影処理方法。
7. 【請求項７】前記第２の立体モデルは曲面体の集合で構
   成され、前記遮えい面は曲面であることを特徴とする請
   求項５記載の陰影処理方法。
8. 【請求項８】３次元形状物体をｍ個のパラメータで表現
   する第１の立体モデルから、前記３次元形状物体をｍ＞
   ｎなるｎ個のパラメータで表現する多面体の集合として
   表現する第２の立体モデルを作成し、 光源に関するデータと前記第２の立体モデルを構成する
   前記多面体各々の方向と形状から、前記光源が発生する
   光の下での前記多面体各々の遮えい面となる多角形を求
   めを求め、 前記多角形が生成する陰影を、前記第１の立体モデルが
   生成する陰影として前記陰影が映る物体に付加する陰影
   処理方法。