JPH11144082A - 画像生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中間データである多角形情報と多角形画像デ
ータを利用し、動画のコヒーレンシを考慮して演算コス
トを低減させる画像生成装置を提供する。 【解決手段】 多角形形状の動きベクトルと多角形領域
からなる多角形情報を画面座標系で算出する座標変換部
１１と、多角形情報を保存する多角形情報保存部１２
と、多角形領域の各画素の輝度を算出する輝度計算部１
３と、輝度計算部１３によって算出された画像を多角形
毎に保管する多角形画像保存部１４と、多角形情報と経
過時間αから算出される移動量が指定された範囲内か否
かの判定をする移動量判別部１５と、範囲外であれば、
更新多角形領域と更新時間とを多角形情報保存部１２に
更新させ、更新多角形領域の輝度計算結果を多角形画像
保存部１４に保存させる多角形情報更新部１６と、多角
形画像保存部１４の多角形画像を変形して時間α後の画
像を算出する画像変形部１７とを設ける。

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（３次元ＣＧ）分野において高速で高
画質の画像を生成する画像生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、画像生成装置は、ＣＰＵ（中央演
算処理装置）性能の向上や専用グラフィックスチップの
開発により、映画やコマーシャル産業での応用から、パ
ーソナルコンピュータやゲーム機などでの民生用として
も一般化されつつある。

【０００３】以下図面を参照しながら、上記した従来の
画像生成装置の一例について説明する。

【０００４】図８は、従来の画像生成装置の構成を示す
ブロック図である。図８において、８１は座標変換部
で、８２は輝度計算部、８３は画面バッファ部である。
以上のように構成された画像生成装置について、以下そ
の動作について説明する。

【０００５】まず、座標変換部８１は、以下の一連の座
標変換を行う。つまり、固有の物体座標系で定義された
多角形形状の集合である仮想３次元物体が世界座標系に
配置され、モデリング変換が施される。次に仮想視点が
設定されると、視点を原点とする視点座標系に視野変換
され、さらに透視変換後、視野からはみ出した部分をク
リッピングによって取り除き、画面座標系に変換され
る。輝度計算部８２では、多角形の頂点での輝度値から
線形補間等により画面内の各画素の輝度を求め、テクス
チャを張り付ける際には、頂点の持つテクスチャ座標か
ら各画素のテクスチャ座標を補間し、テクスチャメモリ
からその座標のテクスチャの値を参照する。画面バッフ
ァ部８３は、視点からの奥行き値によって最も視点位置
から近い多角形を各画素単位で選択しモニタ出力用のバ
ッファにその輝度値を書き込む。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、仮想視点や３次元多角形の移動に伴う描
画は、世界座標系から画面座標系への座標変換と、輝度
を求める画素演算とをすべての多角形について毎フレー
ム演算するので、演算コストが高いという問題点を有し
ていた。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、中間データで
ある多角形情報と多角形画像データを利用し、動画のコ
ヒーレンシを考慮して演算コストを低減させる画像生成
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の画像生成装置は、ある時刻における仮想空
間内の仮想視点の位置と速度ベクトルから、多角形形状
の動きベクトルと多角形領域からなる多角形情報を画面
座標系で算出する座標変換部と、多角形情報を保存する
多角形情報保存部と、多角形領域の各画素の輝度を算出
する輝度計算部と、輝度計算部によって算出された画像
を多角形毎に保管する多角形画像保存部と、多角形情報
と経過時間αから算出される多角形領域の移動量が指定
された範囲内にあるか否かの内外判定をする移動量判別
部と、移動量が指定範囲外であれば、多角形情報から更
新多角形領域と経過時間αを更新時間として多角形情報
保存部に更新させ、更新多角形領域の輝度計算結果を多
角形画像保存部に保存させる多角形情報更新部と、多角
形画像保存部の多角形画像を変形して時間α後の画像を
算出する画像変形部との構成を有する。

【０００９】これにより、多角形情報と多角形単位での
画像を保存し、新時刻での画像生成を新たな輝度計算を
施す多角形と保存された多角形画像を変形する多角形と
に分離することによって、フレーム毎の座標変換と輝度
計算を削減することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、時刻tにおける仮想空
間内の仮想視点の位置と速度ベクトルから、多角形形状
の動きベクトルと多角形領域からなる多角形情報を画面
座標系で算出する座標変換部と、前記多角形情報を保存
する多角形情報保存部と、前記多角形領域の各画素の輝
度を算出する輝度計算部と、前記輝度計算部によって算
出された画像を多角形毎に保管する多角形画像保存部
と、時刻t＋αにおいて前記多角形情報と経過時間αか
ら算出される多角形領域の移動量が指定された範囲内に
あるか否かの内外判定をする移動量判別部と、前記移動
量が指定範囲外であれば、前記多角形情報から更新多角
形領域と経過時間αを更新時間として前記多角形情報保
存部に更新させ、前記更新多角形領域の輝度計算結果を
前記多角形画像保存部に保存させる多角形情報更新部
と、前記多角形画像保存部の多角形画像を変形して時刻
t＋αでの画像を算出する画像変形部と、前記画像変形
部による変形画像から画素単位での奥行き値比較による
隠面消去を行い、画面の各画素を保存する画面バッファ
部とを備える。

【００１１】本発明は上記した構成によって、時刻tに
おける画面座標系での多角形形状の動きベクトルと多角
形領域からなる多角形情報が多角形情報保存部に保存さ
れる。また、輝度計算部は、この多角形情報の一つであ
る多角形領域をもとにテクスチャマッピングや、照度マ
ッピング等のシェーディング処理を行って多角形内の各
画素の輝度値を算出し、多角形単位で多角形画像保存部
に保管される。この時刻tでは、輝度計算された多角形
画像は視点からの距離である奥行き値での比較による隠
面消去を施して画面バッファに蓄えられ表示される。一
方、時刻t＋αでは、時刻tにおける多角形情報である動
きベクトルと多角形領域から多角形の変化度である移動
量が算出され、その移動量が指定範囲内かどうかが移動
量判別部で判定される。もし、範囲内であれば画像変形
部が、時刻tにおける多角形画像を変化後の更新多角形
領域に写像し画面バッファに書き込まれる。また、もし
範囲外であれば、この更新多角形領域と時間経過αを多
角形情報として更新し、更に更新多角形領域について輝
度計算を実行して多角形画像保存部の多角形画像をも更
新する。このとき更新された多角形画像は画像変形が行
われずに画面バッファに書き込まれる。このように、多
角形情報と多角形単位での画像を保存し、新時刻での画
像生成を新たな輝度計算を施す多角形と保存された多角
形画像を変形する多角形に分離することによって、フレ
ーム毎の座標変換と輝度計算を削減することとなる。

【００１２】以下、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。 （実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１による
画像生成装置の構成を示すブロック図である。図１にお
いて、１１は物体座標系での多角形形状の画面座標系へ
の変換と視点等の移動による多角形の動きベクトルを算
出する座標変換部、１２は画面座標系での多角形位置で
ある多角形領域と、その多角形位置の動きベクトルから
なる多角形情報を保存する多角形情報保存部、１３は多
角形領域内の画素の輝度を算出する輝度計算部、１４は
輝度計算で算出された多角形画像を保存する多角形画像
保存部、１５は多角形情報から得られる移動前の多角形
領域から移動後の多角形領域への移動量を予め指定され
た値と比較する移動量判別部、１６は再度輝度計算が必
要な多角形について移動後の多角形領域を新たな多角形
領域として更新する多角形情報更新部、１７は移動後の
多角形領域に移動前の多角形画像を写像する画像変形
部、１８は画面バッファ部である。

【００１３】以上のように構成された画像生成装置につ
いて、以下、図３、図４を用いて、その動作を説明す
る。

【００１４】ここで、図３は３次元ＣＧにおける座標系
を示し、図４は画面内において時刻tでの多角形と、そ
の多角形が時刻t＋αでの移動を示す例である。

【００１５】図１の座標変換部１１では、図３に示すよ
うに多角形（本例では三角形）で構成された物体を世界
座標系に配置し、時刻tでの視点座標系、透視変換によ
る３次元画面座標系、最後に画面（スクリーン）座標系
に変換して、多角形領域を算出する。更に、時刻tでの
仮想視点の速度ベクトルvから多角形の動きベクトルを
も座標変換を用いて算出し、多角形領域と動きベクトル
を多角形情報として多角形情報保存部１２に保存する。
ここで、本例では仮想視点の動きのみを扱っているが、
多角形自身の動きは仮想視点の動きと相対関係にあり、
一元化することに問題はない。

【００１６】図４では三角形の各頂点の位置ベクトルP
t、Qt、Rtと動きベクトルMp、Mq、Mrが示されている。
ここで、多角形領域を表現するための各頂点の位置ベク
トルと動きベクトルは奥行き方向の要素を持つ３次元ベ
クトルである。輝度計算部１３は、例えば多角形の各頂
点の輝度を光源からの距離から算出し、多角形内の画素
を３頂点の輝度を補間して求める。また、テクスチャマ
ッピングを施す場合は、テクスチャデータ独自がもつ座
標系と各頂点の対応から多角形内部の画素の輝度値をテ
クスチャデータからサンプリングして算出する。このよ
うにして得られた多角形画像は多角形画像保存部１４に
保存される。ここで、時刻tにおいては、多角形画像は
すべて輝度計算部１３によって算出されたものであり、
画像変形部１７は全ての多角形画像を各々が持つ多角形
領域に写像、つまり何ら変形を施さずに画面バッファ部
１８に書き込む。

【００１７】次に、時刻t＋αでの動作について説明す
る。まず、図４において、動きベクトルMp、Mq、Mr加速
度成分を持たないと仮定する。α時間経過した際、Pt、
Qt、Rtを３頂点とする三角形はPt＋α＝Pt＋α・Mp、Qt
＋α＝Qt＋α・Mq、Rt＋α＝Rt＋α・Mrを頂点とする三
角形に移動する。移動量判別部１５は、多角形領域の移
動量が指定された移動量の範囲内にあるかどうかを判別
する。

【００１８】ここで、移動量判別の手法を示す一例を図
５に示し、同図を用いて説明する。図５において、５１
は領域面積算出部、５２は面積比較部、５３は法線算出
部、５４は法線比較部、５５は面積比較結果と法線比較
結果の論理和を計算する論理和部である。

【００１９】Pt、Qt、Rtを３頂点とする時刻tにおける
三角形と、Pt＋α、Qt＋α、Rt＋αを３頂点とする時刻
t＋αにおける三角形の面積を領域面積算出部５１で求
める。面積比較部５２は、この両面積から面積の変化率
を計算し、指定量よりも小さければ論理的に正の判定結
果を出力する。また、同時に、これら三角形の法線ベク
トルを法線算出部５３で求め、法線比較部５４でそのベ
クトル間のなす角度を算出し、指定量よりも小さければ
論理的に正の判定結果を出力する。論理和部５５は、こ
の二つの判定結果の論理和を求め、ともに正の場合のみ
指定の移動量の範囲内であると出力する。

【００２０】ここで、図６は法線ベクトルの顕著な違い
を示す例である。図６の両三角形は形状も面積も等しい
が、テクスチャマッピングされた縞模様が透視変換によ
って異なっている。つまり、左の三角形のＲ点は他の２
頂点よりも視点位置から遠いが、右の三角形ではＲ点が
一番近いためである。これは、法線ベクトルのなす角を
求めることによって判断できる。

【００２１】このようにして、移動量判別部１５の結果
が指定した移動量範囲外であるとき、図４のPt＋α、Qt
＋α、Rt＋αを更新多角形領域として、また経過時間α
も更新時間として、多角形情報更新部１６は多角形情報
保存部１２に書き込む。多角形情報が変更されると、そ
の多角形領域に対し輝度計算を行い多角形保存部１４も
更新される。画像変形部１７は時刻tの場合と同様、更
新された多角形画像に対しては変形を施さずに画面バッ
ファ部１８に書き込みを行う。

【００２２】一方、移動量判別部１５の結果が指定した
移動量範囲内であるとき、多角形情報は更新されず輝度
計算も実行しない。そして、画像変形部１７は多角形画
像保存部１４内のPt、Qt、Rtを３頂点として保存されて
いる多角形画像をPt＋α、Qt＋α、Rt＋αの多角形領域
に変形し画面バッファ１８に書き込む。

【００２３】以上のように、時刻tで演算されたすべて
の多角形について、時刻t＋αでは移動量判別を行い、
多角形情報の更新に伴う輝度計算もしくは画像変形によ
って画面バッファ１８を更新する。ここで、画面バッフ
ァ１８は、多角形情報の多角形領域、例えばPt、Qt、Rt
や、Pt＋α、Qt＋α、Rt＋αを用いて各画素の奥行き値
を計算して隠面消去を行っている。

【００２４】また、次の時刻t＋βにおいては、時刻tで
の多角形画像を画像変形する場合と、輝度計算を実行す
る場合以外に、さらに時刻t＋αで輝度計算後に更新さ
れた多角形画像を画像変形する場合がある。この場合、
多角形情報の更新時間αを利用する。例えば、Pt＋β＝
Pt＋β・Mp＝Pt＋α＋（β−α）・Mpであり、Pt＋αと
αを用いることになる。

【００２５】なお、動きベクトルMp、Mq、Mrは、本来時
間の経過とともに変化するものであり、経過時間α、β
は上記の線形近似が成り立つ十分小さな値である。即
ち、時刻tからの経過時間が大きくなった場合は、座標
変換部１１によって新たに多角形情報を算出することに
なる。

【００２６】以上のように本実施の形態によれば、時刻
tにおける仮想空間内の仮想視点の位置と速度ベクトル
から、多角形形状の動きベクトルと多角形領域からなる
多角形情報を画面座標系で算出する座標変換部１１と、
多角形情報を保存する多角形情報保存部１２と、多角形
領域の各画素の輝度を算出する輝度計算部１３と、輝度
計算部１３によって算出された画像を多角形毎に保管す
る多角形画像保存部１４と、時刻t＋αにおいて多角形
情報と経過時間αから算出される多角形領域の移動量が
指定された範囲内にあるか否かの内外判定をする移動量
判別部１５と、移動量が指定範囲外であれば、多角形情
報から更新多角形領域と経過時間αを更新時間として多
角形情報保存部１２に更新させ、更新多角形領域の輝度
計算結果を多角形画像保存部１４に保存させる多角形情
報更新部１６と、多角形画像保存部１４の多角形画像を
変形して時刻t＋αでの画像を算出する画像変形部１７
とを設けることにより、仮想視点の移動に伴う座標変換
の削減を仮想視点の動きベクトル利用によって行い、ま
た、多角形画像を再利用して複雑な輝度計算の削減を行
い、演算時間を短縮させることができる。

【００２７】（実施の形態２）以下、本発明の実施の形
態２について、図面を参照しながら説明する。

【００２８】図２は、本実施の形態による画像生成装置
の構成を示すブロック図である。同図において、１１〜
１７は図１の構成と同様なものである。図１と異なるの
は凸物体分割部２１と多層画面バッファ部２８を設けた
点である。

【００２９】図７は、多層画面バッファ部２８の内部構
成を示す図である。図７において、７１は凸物体毎に層
に書き込まれる多層バッファ部、７２は層間の奥行き比
較結果が書き込まれる奥行きテーブル、７３は層間の奥
行き判定を行う奥行き判定部、７４は奥行き比較結果の
もとに合成処理を行い出力する多層合成部である。

【００３０】以上のように構成された画像合成装置につ
いて、以下その動作を説明する。凸物体分割部２１は凹
凸のある物体を凸物体に再分割する。座標変換部１１は
凸物体内部の多角形について画面座標系に変換する。以
下、実施の形態１と同様に多角形画像を算出し、凸物体
毎に多層画面バッファ部２８内の多層バッファ部７１に
一つの層に書き込まれる。多層バッファ部７１に書き込
みが終了すると、奥行き判定部７３は、奥行きテーブル
７２を参照して書き込み画素の奥行き判定を行う。奥行
き判定は、まず多層バッファ内の画素をスキャンして、
凸物体が重なる画素とその層の番号を検出する。検出さ
れた層間の前後関係が奥行きテーブル７２に記述されて
いる場合は、スキャンを継続する。もし、記述がない場
合は、どの多角形が重なっているかを検出し、多角形情
報の多角形領域、例えば、Pt、Qt、Rtや、Pt＋α、Qt＋
α、Rt＋αを用いて検出画素の奥行き値を計算し、奥行
きテーブルに重なった層の前後関係を書き込む。そし
て、奥行きテーブル７２にすべての層間の前後関係が記
述されていればスキャンを停止し、そうでない場合はス
キャンを継続する。また、最終画素のスキャンを終了し
た時点でもスキャンを停止する。

【００３１】以上のように、多角形形状で構成される複
数の仮想３次元物体をそれぞれ凸物体に分割し保存する
凸物体分割部２１と、時刻tにおける仮想空間内の仮想
視点の位置と速度ベクトルから、凸物体を構成する多角
形形状の動きベクトルと多角形領域から構成される多角
形情報を画面座標系で算出する座標変換部１１と、多角
形情報を保存する多角形情報保存部１２と、多角形領域
の各画素の輝度を算出する輝度計算部１３と、輝度計算
部１３によって算出された画像を多角形毎に保管する多
角形画像保存部１４と、時刻t＋αにおいて多角形情報
と経過時間αから算出される多角形領域の移動量が指定
された範囲内にあるか否かの内外判定をする移動量判別
部１５と、移動量が指定範囲外であれば、多角形情報か
ら更新多角形領域と経過時間αを更新時間として多角形
情報保存部１２に更新させ、更新多角形領域の輝度計算
結果を多角形画像保存部１４に保存させる多角形情報更
新部１６と、多角形画像保存部１４の多角形画像を変形
して時刻t＋αでの画像を算出する画像変形部１７と、
輝度計算部１３によって算出された画像を凸物体毎に一
つの層に保管し、層単位で奥行き比較を行い画像合成し
て表示出力する多層画面バッファ部２８とを設けること
により、実施の形態１による効果に加えて、画素単位で
の奥行き比較をすべての画素について行う必要がなくな
る。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明は、時刻tにおける
仮想空間内の仮想視点の位置と速度ベクトルから、多角
形形状の動きベクトルと多角形領域からなる多角形情報
を画面座標系で算出する座標変換部と、多角形情報を保
存する多角形情報保存部と、多角形領域の各画素の輝度
を算出する輝度計算部と、輝度計算部によって算出され
た画像を多角形毎に保管する多角形画像保存部と、時刻
t＋αにおいて多角形情報と経過時間αから算出される
多角形領域の移動量が指定された範囲内にあるか否かの
内外判定をする移動量判別部と、移動量が指定範囲外で
あれば、多角形情報から更新多角形領域と経過時間αを
更新時間として多角形情報保存部に更新させ、更新多角
形領域の輝度計算結果を多角形画像保存部に保存させる
多角形情報更新部と、多角形画像保存部の多角形画像を
変形して時刻t＋αでの画像を算出する画像変形部とを
設けることにより、多角形情報と多角形単位での画像を
保存し、新時刻での画像生成を新たな輝度計算を施す多
角形と保存された多角形画像を変形する多角形とに分離
し、フレーム毎の座標変換と輝度計算を削減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による画像生成装置の構
成を示すブロック図

【図２】本発明の実施の形態２による画像生成装置の構
成を示すブロック図

【図３】画像生成での座標系に関する説明図

【図４】画面座標系での一多角形の時間的変化を示す説
明図

【図５】本発明での移動量判別の一手法を示すブロック
図

【図６】移動量判別における法線ベクトルの顕著な違い
の例を示す図

【図７】本発明の実施の形態２例における多層画面バッ
ファ部の内部構成を示すブロック図

【図８】従来の画像生成装置の概略構成を示すブロック
図

【符号の説明】

１１ 座標変換部 １２ 多角形情報保存部 １３ 輝度計算部 １４ 多角形画像保存部 １５ 移動量判別部 １６ 多角形情報更新部 １７ 画像変形部 １８ 画面バッファ部 ２１ 凸物体分割部 ２８ 多層画面バッファ部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 時刻tにおける仮想空間内の仮想視点の
   位置と速度ベクトルから、多角形形状の動きベクトルと
   多角形領域からなる多角形情報を画面座標系で算出する
   座標変換部と、 前記多角形情報を保存する多角形情報保存部と、 前記多角形領域の各画素の輝度を算出する輝度計算部
   と、 前記輝度計算部によって算出された画像を多角形毎に保
   管する多角形画像保存部と、 時刻t＋αにおいて前記多角形情報と経過時間αから算
   出される多角形領域の移動量が指定された範囲内にある
   か否かの内外判定をする移動量判別部と、 前記移動量が指定範囲外であれば、前記多角形情報から
   更新多角形領域と経過時間αを更新時間として前記多角
   形情報保存部に更新させ、前記更新多角形領域の輝度計
   算結果を前記多角形画像保存部に保存させる多角形情報
   更新部と、 前記多角形画像保存部の多角形画像を変形して時刻t＋
   αでの画像を算出する画像変形部と、 前記画像変形部による変形画像から画素単位での奥行き
   値比較による隠面消去を行い、画面の各画素を保存する
   画面バッファ部とを備えた画像生成装置。
2. 【請求項２】 多角形形状で構成される複数の仮想３次
   元物体をそれぞれ凸物体に分割し保存する凸物体分割部
   と、 時刻tにおける仮想空間内の仮想視点の位置と速度ベク
   トルから、前記凸物体を構成する多角形形状の動きベク
   トルと多角形領域から構成される多角形情報を画面座標
   系で算出する座標変換部と、 前記多角形情報を保存する多角形情報保存部と、 前記多角形領域の各画素の輝度を算出する輝度計算部
   と、 前記輝度計算部によって算出された画像を多角形毎に保
   管する多角形画像保存部と、 時刻t＋αにおいて前記多角形情報と経過時間αから算
   出される多角形領域の移動量が指定された範囲内にある
   か否かの内外判定をする移動量判別部と、 前記移動量が指定範囲外であれば、前記多角形情報から
   更新多角形領域と経過時間αを更新時間として前記多角
   形情報保存部に更新させ、前記更新多角形領域の輝度計
   算結果を前記多角形画像保存部に保存させる多角形情報
   更新部と、 前記多角形画像保存部の多角形画像を変形して時刻t＋
   αでの画像を算出する画像変形部と、 前記輝度計算部によって算出された画像を前記凸物体毎
   に一つの層に保管し、層単位で奥行き比較を行い画像合
   成して表示出力する多層画面バッファ部とを備えた画像
   生成装置。
3. 【請求項３】 移動量判別部は、時刻tにおける多角形
   領域と時刻t＋αの更新多角形領域の面積を算出する領
   域面積算出部と、面積比率を算出する面積比較部とを備
   えたことを特徴とする請求項１または２に記載の画像生
   成装置。
4. 【請求項４】 移動量判別部は、時刻tにおける多角形
   領域と時刻t＋αの更新多角形領域の法線ベクトルを算
   出する法線算出部と、前記法線ベクトル間のなす角を算
   出する法線比較部とを備えたことを特徴とする請求項１
   または２に記載の画像生成装置。
5. 【請求項５】 移動量判別部は、時刻tにおける多角形
   領域と時刻t＋αの更新多角形領域の面積を算出する領
   域面積算出部と、面積比率を算出する面積比較部と、時
   刻tにおける前記多角形領域と時刻t＋αの更新多角形領
   域の法線ベクトルを算出する法線算出部と、前記法線ベ
   クトル間のなす角を算出する法線比較部とを備えたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の画像生成装置。
6. 【請求項６】 多層画面バッファ部は、層間の前後関係
   を示す奥行きテーブルと、表示スキャン中に層間の凸物
   体が重なる画素を検出し、前記奥行きテーブルに対象と
   なる層間の前後関係の記載がない場合に、多角形情報か
   ら層間の前後関係を判別して前記奥行きテーブルに記載
   する奥行き判定部とを備えたことを特徴とする請求項２
   に記載の画像生成装置。