３次元図形表示方法および３次元描画装置

【課題】雲など、固有形状を持たないテクスチャを、ポリゴン平面に貼り付けて２次元表示すると、３次元図形との交差部に直線が表われ画質が低下する。
【解決手段】ジオメトリ処理部２１はＣＰＵ１からの３次元データをポリゴンの集合からなる２次元図形データに変換する。例えば、雲のテクスチャを描画する場合、ジオメトリ処理部２１で透明のポリゴン平面の座標を出力し、レンダリング部２２はこのポリゴン面上にテクスチャメモリ２４から読み出した雲のテクスチャをマッピングする。テクスチャメモリ２４は、雲など非定形のテクスチャの場合、２次元イメージデータと共に画素毎の奥行きオフセット値を有し、テクスチャ奥行き算出部２３１はこの奥行きオフセット値だけポリゴン面から離れた各画素の奥行きを求め、テクスチャ奥行き処理部２３２で視点方向からみた奥行き値（Ｚ値）に換算する。書き込み処理部は２２３は、この奥行き値とテクスチャ色データによる３次元テクスチャをフレームメモリ２５に書き込む。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は３次元描画装置に関し、特に、雲のような非定形物体をテクスチャ方式によってリアルに表現するコンピュータグラフィックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】３次元コンピュータグラフィックスにおいて、雲などのように特定の形状を持たず、空間に分布する非定形物体を表現するには、非定形物体をリアルに表現できるボリュームレンダリング方式と、リアルではないが簡単かつ高速に表現できるテクスチャ方式がある。
【０００３】ボリュームレンダリング方式は、描画対象となる空間を複数の小空間に分割し、視線が小空間を通過する様子を各小空間における輝度変化を積分することによって求め、雲などの非定形物体をリアルに表現する。この方式の公知例として、特開平5−314241号や特開平11−102448号がある。ここでは、描画対象である雲の分布を観測位置からの距離の関数とすることによってハードウェア化し、ボリュームレンダリング方式の高速化を図っている。
【０００４】また、テクスチャ方式は、雲などの２次元イメージデータをテクスチャとして、透明または半透明のポリゴン平面に貼付け、その正面が常に視点方向を向くように制御して、描画している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来のボリュームレンダリング方式では、雲などの非定形物体をリアルに表現するのに膨大な演算が必要で、関数を実現する回路や積分回路などのハードウェアが複雑、かつ高価になる問題があった。
【０００６】一方、テクスチャ方式では、例えば、テクスチャで雲を貼り付けたポリゴンと航空機など、他の３次元図形のポリゴンが交差して表示される場合に、雲を表現している平面ポリゴン上に直線状の交線が浮かび上がってしまう。このため、平面上に描画された雲であることが否応無く強調され、コンピュータグラフィックス映像の品質を著しく低下させていた。
【０００７】本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、雲などの非定形物体をリアル、かつ高速に表示できる３次元図形表示方法および３次元描画装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、テクスチャの画素毎に奥行き情報を持たせ、３次元テクスチャを表示可能としたことにより達成できる。すなわち、従来は透明または半透明のポリゴン面に貼り付けていたテクスチャデータに画素毎の奥行き情報を付加し、この奥行き情報だけポリゴン面から前または後に離れた位置にテクスチャ画素をマッピング（配置）する３次元描画方式によって達成できる。これにより、画素毎に異なった奥行き方向の値を持つ３次元テクスチャを簡単に実現することができるので、雲のような非定形オブジェクトのリアルな表現が可能となる。
【０００９】また、透明のポリゴン平面を基準にしてマッピングされた画素位置（ｘ，ｙ）のテクスチャ画素をフレームメモリのピクセルに描画する場合に、当該ピクセルに描画される他の物体の画素の奥行き値（Ｚ値）と比較し、テクスチャ画素が視点側（前方）にあるときに描画する。このとき、雲などのテクスチャと他の物体の交差部は、前記奥行き情報に応じて交差線が曲折するので、リアル感のある３次元表示が得られる。
【００１０】また、前記奥行き情報がポリゴン面の法線方向（垂直）に対する相対距離で設定され、ポリゴン面が視線方向と直交する面に対して傾斜角を有している場合に、前記奥行き情報は前記傾斜角に応じて補正ポリゴン面と視線方向とが交わる角度に応じて補正する。この補正により、ポリゴン面が視線方向と直交するときは前記相対距離がそのまま前記奥行き情報となる。一方、水平に交わるときは視線方向からみた相対距離は０になるので、前記奥行き情報も０となる。これによれば、テクスチャの奥行き値が視点方向に向けて補正されるので、より、リアル感を向上できる。
【００１１】また、本発明におけるテクスチャの描画は、予め与えられたテクスチャデータに基づいて行われるので、従来のボリュームレンダリング方式に比べて処理が簡単で、高速化が可能になる。なお、非定形オブジェクトのテクスチャデータは、従来と同様に画像メモリに格納し、ＣＰＵが必要時にテクスチャメモリに転送する。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例による３次元コンピュータグラフイックス（３次元描画装置）のシステム構成である。ＣＰＵ１はメモリ３に格納されたプログラムを実行し、メモリ３に格納されている２次元イメージデータを参照し、データバス４経由でテクスチャメモリ２４に対して転送する。また、メモリ３に格納されている３次元図形の座標データを参照、更新することによって、データバス４経由で描画処理装置２に対して描画処理命令を発行したり、３次元図形の座標データを転送したりする。
【００１３】この描画処理装置２では従来と同様に、３次元空間で定義された複数の物体（オブジェクト）をフレーム毎にジオメトリ処理やラスタライズ処理を行って、定義されたオブジェクトの３次元構造データから２次元画像データに変換して３次元図形表示を行う。ここでは、オブジェクトはポリゴンの集まりとして定義され、ポリゴンは三角形に分解し、その３頂点を用いて定義する。一方、テクスチは２次元イメージデータを有して指定されたポリゴン面に貼り付ける従来技術をベースとし、さらにテクスチャ奥行きデータを有して３次元表示を可能にしている。
【００１４】描画処理装置２で受取った３次元座標データは、まずジオメトリ処理部２１で３次元座標系から２次元座標系への座標変換及び輝度計算処理が施された後、レンダリング処理部２２へ転送される。レンダリング処理部２２は、受取った２次元座標系上に展開された図形の頂点データから図形内部の各画素の輝度値算出と奥行き方向の算出を行い、テクスチャメモリ２４上に格納されている奥行き方向のオフセット値を持つ２次元イメージデータと画素毎の合成処理を行い、１画素単位での奥行き方向の比較、フィルタリング処理を行った後、フレームメモリ２５への画素値の書込みを行う。フレームメモリ２５に保持された値はディジタル・アナログ変換器２６で周期的にアナログ信号に変換され、最終的にディスプレイ５で表示される。
【００１５】図２は、一実施例によるレンダリング処理部２２の機能を詳細に示したものである。図形の頂点毎のデータを処理するスパン画素算出処理部２２１とテクスチャ色合成処理部２２２、テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１と図形内部の画素毎のデータを処理するテクスチャ奥行き合成処理部２３２、及び、書込み処理部２２３からなる。ここで、テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１とテクスチャ奥行き合成処理部２３２は、本実施例の特徴をなすテクスチャ奥行き処理部２３の内部処理である。
【００１６】スパン画素算出処理部２２１は、ジオメトリ処理部２１で生成した２次元座標系上の頂点座標データとテクスチャ座標データ、頂点輝度データを受取り、テクスチャメモリ２４上に格納されている２次元イメージデータの色情報を参照することにより、図形内部の画素毎の輝度値とテクスチャ色値の算出を行う。テクスチャ色合成処理部２２２は、スパン画素算出処理部２２１で生成した図形内部の画素毎の輝度値とテクスチャ色値の合成処理を行い、合成色情報（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ，Ａｐ）を生成する。
【００１７】スパン画素算出処理部２２１とテクスチャ色合成処理部２２２の処理は、従来からの照光処理とテクスチャマッピング処理を実現する処理であり、この照光処理とテクスチャマッピング処理については、例えばオープンＧＬプログラミングガイド「OpenGL Programing Guide（OpenGL ARB,ISBN4−7952−9645−6 C3055）」等の文献に詳しく説明されている。
【００１８】本実施例のテクスチャマッピングは、ジオメトリ処理部２１で生成した２次元座標系上の図形、つまりポリゴン（ここでは、三角形）に、テクスチャ座標データ（Ｔｘ，Ｔｙ）を対応づける。ただし、テクスチャをポリゴン面へ貼り付ける２次元マッピングではなく、ポリゴン面から法線方向（垂直方向）に、テクスチャ画素毎に設定されている相対距離（奥行きオフセット値）だけ離れた奥行きを持つ、３次元図形としてマッピングされる。以下では説明を簡単にするために、雲のテクスチャが１枚の透明（または、半透明）のポリゴン平面にマッピングする例によって説明する。なお、１つのテクスチャが複数のポリゴンにマッピングされてもよい。
【００１９】テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１は、ジオメトリ処理部２１で生成した２次元座標系上の頂点座標データとテクスチャ座標データを受取り、テクスチャメモリ２４上に格納されている２次元イメージデータの画素毎のテクスチャ奥行きをポリゴン面からの相対値として設定している奥行きオフセット値ＴＺＯＦを参照することにより、図形（ここでは、テクスチャマッピングの基となる透明ポリゴン）内部の画素毎のテクスチャ奥行き分布値ＴＺＤＲｐの算出を行う。
【００２０】テクスチャ奥行き合成処理部２３２は、スパン画素算出処理部２２１で算出した図形内部の画素毎の奥行き方向の値（テクスチャ画素が対応するポリゴンの奥行き値ＰＺｐ）と、テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１で算出したテクスチャ画素毎のテクスチャ奥行き分布値ＴＺＤＲｐとの合成処理を行う。これら処理ブロックの詳細な処理内容については後述する。
【００２１】書込み処理部２２３は、テクスチャ色合成処理部２２２で生成した合成色情報（Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ，Ａｐ）と、テクスチャ奥行き合成処理部２３２で生成した合成奥行き情報（Ｚｐ）をフレームメモリ２４に書き込む処理を画素毎に行う。
【００２２】図４は、本実施例でテクスチャメモリ上に展開される２次元イメージデータの構成を示したものである。図示の太枠で囲んだテクスチャデータ４０１は、テクスチャメモリ２４に展開された１つの２次元イメージデータを示している。テクスチャメモリ２４には複数の２次元イメージデータが格納される。
【００２３】１ピクセル分のデータ４０２は、テクスチャデータ４０１を構成する１画素当りの構成要素を示したものである。４０３、４０４、４０５及び４０６はそれぞれ赤、緑、青の色情報及び透明度を表す情報（α）を表す８ビットの値である。４０７は、奥行き方向のオフセット値を表す３２ビットの値で、テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１で使用される。ここで、奥行き方向のオフセット値４０７は、テクスチャデータ４０１のテクスチャ画素毎に、基準となる透明のポリゴン面からの相対距離（法線方向）を表し、従来のテクスチャにはない本実施例に特有なデータである。
【００２４】図５は、本実施例でフレームメモリ上に描画される画像データを示したものである。フレームメモリ２５は１画面分の画像データを保持するメモリで、書込み処理部２２３で使用される。１ピクセル分のデータ５０１は、フレームメモリ２５を構成する１画素当りの構成要素を示したものである。５０２、５０３、５０４及び５０５はそれぞれ赤、緑、青の色情報及び透明度を表す情報（α）を表す８ビットの値である。
【００２５】奥行き値５０６はＺ値と呼ばれる値で、ここではテクスチャ奥行き処理部２３で算出した合成奥行き情報Ｚｐで、３２ビットの値である。ただし、当該ピクセルに描画される他の図形がある場合、その図形についてジオメトリ処理で算出したポリゴン奥行き値ＰＺｐと比較し、視点側から見て近い（または遠い）値が色データとともに書き込まれる。
【００２６】次に、本実施例のテクスチャ奥行き処理部２３の処理内容を詳細に説明する。図３はテクスチャ奥行き処理部の処理内容を示すフローチャートである。図６はＤＤＡ処理とラスタライズ処理の説明図で、テクスチャ奥行き分布算出処理を実現する。また、図７はテクスチャ奥行き処理の模式的な説明図で、雲のテクスチャのマッピングの基となるポリゴン平面７０１と視線方向（視線ベクトル）７０５の関係を、Ｙ軸方向から見た図である。
【００２７】テクスチャ奥行き分布算出処理部２３１は、ジオメトリ処理部２１から２次元座標系上の図形（ここでは、ポリゴン７０１）の３頂点データとテクスチャ座標（ＴＸｖ、ＴＹｖ）を受け取って処理を開始する。この３頂点データとは、３次元ジオメトリ処理により、ポリゴン７０１の３次元座標のデータから２次元に変換された三角形の頂点座標（図６の６０４，６０５，６０６）と法線データである。
【００２８】まず、受け取った３頂点分のテクスチャ座標（ＴＸｖ、ＴＹｖ）より構成される三角形内部の各画素についてテクスチャ画素位置（ＴＸｐ、ＴＹｐ）を算出する（ｓ１０１）。そして、算出したテクスチャ画素のテクスチャ奥行きオフセット値（ＴＺＯＦｐ）４０７をテクスチャメモリ２４から読み出す（ｓ１０２）。
【００２９】次に、受け取った３頂点分の法線データ（ＮＸｖ，ＮＹｘ，ＮＺｖ）より、三角形内部の各画素について法線ベクトル（ＮＸｐ，ＮＹｐ，ＮＺｐ）を算出し（ｓ１０３）、法線ベクトルと視線ベクトル（ＩＸ，ＩＹ，ＩＺ）とのなす角度Θｐを求め、テクスチャ画素毎の奥行き傾き率（ＴＺＲｐ）を数１により算出する（ｓ１０４）。なお、テクスチャの基準となるポリゴンが図７のように１つの平面の場合は、各画素の奥行き傾き率は同じになる。
【００３０】
【数１】ＴＺＲｐ＝ｃｏｓΘｐ次に、テクスチャ画素毎に算出した奥行き傾き率ＴＺＲｐとテクスチャ奥行きオフセット値ＴＺＯＦｐから、テクスチャ奥行き分布値（ＴＺＤＲｐ）７０４を数２により算出する（ｓ１０５）。
【００３１】
【数２】ＴＺＤＲｐ＝ＴＺＯＦｐ×ＴＺＲｐ＝ＴＺＯＦｐ×ｃｏｓΘｐ図７に示すように、画素位置の法線ベクトル方向のテクスチャ奥行きオフセット値ＴＺＯＦｐ（点線）と、法線ベクトルと視線ベクトルのなす角Θｐの余弦値（ｃｏｓΘｐ）を乗算して、テクスチャ画素毎に視線方向の奥行き分布値ＴＺＤＲｐ（実線）を求めている。つまり、基礎となるポリゴン７０１の傾きΘｐに応じて、テクスチャ画素の奥行きを補正している。
【００３２】以上がテクスチャ奥行き分布算出処理部２３１によるＤＤＡ処理とラスタライズ処理によって実現される。すなわち、図６に示す３頂点６０４、６０５、６０６を結ぶ線分の画素の位置と法線ベクトルを算出し、次に、ラスタ方向（Ｘ軸６０２方向）に画素の位置と法線ベクトル算出を行うラスタライズ処理により、図形内部に存在する画素の位置と法線ベクトル（ＮＸｐ，ＮＹｐ，ＮＺｐ）を逐次算出する。
【００３３】最後に、テクスチャ奥行き合成処理部３０４は画素毎のテクスチャ奥行き情報の合成を行う（ｓ１０６）。すなわち、スパン画素算出処理部２２１で生成した画素毎のポリゴン奥行き値ＰＺｐとテクスチャ奥行き分布算出処理部３０３で生成した画素毎のテクスチャ奥行き分布値ＴＺＤＲｐを受取り、視点からみた奥行き方向の値Ｚｐ、いわゆるＺ値を数３により求め。
【００３４】
【数３】Ｚｐ＝ＰＺｐ−ＴＺＤＲｐ図８は、テクスチャ奥行き合成処理部３０４での処理内容を模式的に示す説明図である。テクスチャマッピングの基礎となるポリゴン平面７０１面の奥行き値ＰＺｐから画素毎にテクスチャ奥行き分布値ＴＺＤＲｐを減算することにより、テクスチャ画素８０１の奥行きＺｐはポリゴン７０１面より手前になる。ここでは、テクスチャ画素８０１周辺の部分的な画素についてのみ示しているが、実際はポリゴン７０１上のすべての画素について行われる。
【００３５】このように、テクスチャの画素毎に、マッピングの基準となるポリゴン平面７０１と視点と間の奥行きＺｐを、テクスチャの色情報に付加する。つまり、色情報のみのテクスチャに奥行き情報を与えることで、従来のポリゴン平面上に貼り付けた２次元表現のテクスチャを、奥行き情報をもつ３次元表現のテクスチャとして描画できる。従って、雲などの非定形のガス状物体のテクスチャを描画する場合に、基準となる透明ポリゴン面の前後に分布して３次元描画される。また、別の３次元物体と交差するときに、その交差線はテクスチャ画素の奥行きに応じて曲折するので、リアル感のある画像を提供できる。
【００３６】さらに、分布値はポリゴンの傾きに応じて補正されるので、視点からの奥行き（Ｚ値）となり、より、リアルなテクスチャ表示が可能となる。
【００３７】次に、本実施例による３次元描画システムの効果を従来方式と対比して説明する。図９は従来の表示例を示すもので、（ａ）は正面から奥行き方向（Ｚ軸方向）を見た図、（ｂ）は上面から下向き（Ｙ軸方向）にみた図である。雲の２次元イメージデータをテクスチャとして、平面ポリゴン７０１に貼付けて表現したものである。
【００３８】この雲のポリゴン７０１に対し、３次元の飛行機のポリゴン９０１が交差すると、その境界となる平面７０１上に直線状の交線９０２が描かれる。これは、奥行きを持たないテクスチャを上から見ると、（ｂ）のように１本の線としてしか表現されないためである。この不自然な交線９０２の表示は見る者に違和感を与え、３次元表示画面上の雲が実は平面上に描かれたものに過ぎないことを一目瞭然隣にさせる。
【００３９】図１０は、本実施例による表示例で、図９と同一場面を示している。雲のテクスチャが透明のポリゴン７０１を基準にして、テクスチャ画素毎に奥行き値Ｚｐを付加して３次元表示されている。従って、３次元の飛行機のポリゴン９０１との交差部も３次元的に描画され、奥行き値Ｚｐに応じて曲折する交線９０２となり、リアル感のある立体的な雲などのテクスチャ表現が可能となる。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、テクスチャの画素毎に２次元座標とともに、対象ポリゴンに対する相対奥行き値を与えておき、対象ポリゴン面の前後にテクスチャ画素が分布するようにマッピングするので、テクスチャの３次元表示が簡単、かつ高速に実現でき、リアル感のある３次元表示を提供できる効果がある。また、テクスチャ画像と他の３次元画像とが交差する場合に、その境界線の違和感がなくなり、品質のよい３次元表示を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元描画装置の一実施例を示す構成図。
【図２】一実施例によるレンダリング処理部の機能を示すブロック図。
【図３】一実施例によるテクスチャ奥行き処理部の処理手順を示すフロー図。
【図４】一実施例によるテクスチャメモリの構成図。
【図５】一実施例によるフレームメモリの構成図。
【図６】テクスチャ奥行き処理部によるＤＤＡ処理及びラスタライズ処理の説明図。
【図７】透明ポリゴン上にテクスチャマッピングされるテクスチャ（雲）の奥行き処理の説明図。
【図８】奥行き処理されたテクスチャを模式的に示す説明図。
【図９】従来のポリゴン上に貼り付けた雲のテクスチャと他物体の画像が交差する場面の３次元表示を示す説明図。
【図１０】本発明を適用して図９と同じ場面の３次元表示を示す説明図。
【符号の説明】
１…ＣＰＵ、２…描画処理装置、３…メモリ、４…データバス、５…ディスプレイ、２１…ジオメトリ処理部、２２…レンダリング処理部、２３…テクスチャ奥行き処理部、２４…テクスチャメモリ、２５…フレームメモリ、２６…デジタル／アナログ変換器、２２１…スパン画素算出処理部、２２２…テクスチャ色合成処理部、２３１…テクスチャ奥行き分布算出処理部、２３２…テクスチャ奥行き合成処理部、２２３…書き込み処理部、７０１…雲のポリゴン、９０１…飛行機のポリゴン、９０２…交線。

【特許請求の範囲】
【請求項１】３次元空間でポリゴンにより定義されたオブジェクトを２次元図形データに変換して表示する３次元図形表示方法において、雲のような非定形オブジェクトを２次元イメージのテクスチャとして定義すると共に前記テクスチャの画素毎に奥行き情報を付加しておき、透明または半透明のポリゴン上に前記非定形オブジェクトをテクスチャマッピングするときに、各テクスチャ画素をその奥行き情報だけ対象ポリゴン面から離してマッピングすことを特徴とする３次元図形表示方法。
【請求項２】請求項１において、前記奥行き情報が対象ポリゴン面の法線方向の相対距離として与えられ、かつ対象ポリゴン面が視線方向と直交する面に対して傾斜角を有している場合に、前記奥行き情報は前記傾斜角に応じて補正されることを特徴とする３次元図形表示方法。
【請求項３】３次元空間でポリゴンにより定義されるオブジェクトを２次元図形データに変換する描画処理装置を備える３次元描画装置において、雲のような非定形オブジェクトがテクスチャ画素毎の色データと奥行き情報をもつテクスチャとして格納されるテクスチャメモリと、ジオメトリ処理で変換された２次元図形の頂点座標を受け取り、図形内部の各画素の輝度値と奥行き値（Ｚ値）を算出し、これと同時にテクスチャ座標を受け取ると、前記テクスチャメモリに格納されている該当テクスチャを参照して前記２次元図形と画素毎の合成を行い、かつ前記奥行き値と前記奥行き情報の比較結果にしたがってフレームメモリへの書き込みを行うレンダリング処理部を設けたことを特徴とする３次元描画装置。
【請求項４】請求項３において、前記レンダリング処理部は、透明または半透明の平面図形の頂点座標と前記非定形オブジェクトのテクスチャ座標を受け取り、前記平面図形上の画素毎にテクスチャ画素を対応付け、かつ前記奥行き情報だけ前記平面図形から離してマッピングするテクスチャ奥行き処理部を設けることを特徴とする３次元描画装置。
【請求項５】３次元図形データを格納する図形メモリと、描画処理命令を発行し前記図形メモリからフレーム毎に１または複数の図形の座標データを転送するＣＰＵと、ＣＰＵから転送される３次元図形データを２次元図形データに変換する描画処理装置と、描画された図形をＤ／Ａ変換して表示する表示装置を備える３次元描画装置において、前記描画処理装置は、テクスチャの画素毎の色データと奥行き情報の格納を可能にし、雲のような非定形オブジェクトのテクスチャに対し前記奥行き情報を含めて格納するテクスチャメモリと、フレーム内の図形の画素毎の色データと奥行き値を格納するフレームメモリと、３次元図形データを２次元座標系への座標変換及び輝度計算処理を行うジオメトリ処理部と、２次元座標系上に展開される図形データを受け取って図形内部の輝度値及び奥行き値（Ｚ値）の算出と、テクスチャメモリに格納されているテクスチャを参照して前記図形の輝度値と画素毎に合成処理を行い、また、前記テクスチャが前記奥行き情報を持つ場合は前記図形の奥行き値を基準に前記テクスチャの奥行き情報だけ離間して画素毎に合成処理を行い、合成処理された輝度値と奥行き値をフレームメモリに書き込むレンダリング処理部を設けたことを特徴とする３次元描画装置。

【図１】