(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記視点情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備することを特徴とする画像生成装置。
【請求項２】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報を入力する手段と、
前記物体の運動情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報と前記運動情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記運動情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備することを特徴とする画像生成装置。
【請求項３】
請求項１或いは請求項２に記載された第２の画像生成手段は、
第１の画像生成手段によって作成され、前記物体情報をピクセル色とアルファ値で表した第１の画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報をピクセル色とアルファ値で表した第２の画像と、を合成することを特徴とする画像生成装置。
【請求項４】
前記反射情報または前記屈折情報は、前記物体の周囲に任意形状の仮想物体を設け、前記仮想物体と反射ベクトル或いは屈折ベクトルとの交点の情報であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の画像生成装置。
【請求項５】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報または前記物体の運動情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報または前記運動情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記視点情報または前記運動情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記反射情報または前記屈折情報とを合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備し、
前記反射情報または前記屈折情報は、反射ベクトルまたは屈折ベクトルの角度に応じて明瞭さが異なることを特徴とする画像生成装置。
【請求項６】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報または前記物体の運動情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報または前記運動情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記視点情報または前記運動情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記反射情報または前記屈折情報とを合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備し、
前記反射情報または前記屈折情報は、物体の位置に応じて明瞭さが異なることを特徴とする画像生成装置。
【請求項７】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記視点情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備する画像生成装置としてコンピュータを機能させるプログラムを記録した記録媒体。
【請求項８】
コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、
物体の形状情報を入力する手段と、
視点情報を入力する手段と、
前記物体の運動情報を入力する手段と、
前記物体の形状情報と前記視点情報と前記運動情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、
前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記運動情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、
前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、
前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、
を具備する画像生成装置としてコンピュータを機能させるプログラムを記録した記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像生成装置及び記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、コンピュータグラフィックス（ＣＧ）の発展は目覚ましく、様々な物がコンピュータ上で表現されるようになった。特に、グラフィックハードウェアには、形状データの座標変換や照光処理、最終的な画像の生成処理を高速に演算するものや、混合処理によりフレームバッファに保存されている画像と現在処理中の画像とを高速に合成するものなどがある。
また、ＣＧに対する要求は益々高まり、単にコンピュータ上で物体を描画するだけでなく、よりリアルな描画、例えば物体表面における反射や屈折、加えて視点情報や運動情報を考慮した描画が求められつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような反射や屈折を考慮する描写は従来理想的な平滑面を対象としており、入射ベクトルに対して反射ベクトルが一本のみ存在すると仮定して行われた。しかしながら、表面がブラシ仕上げのように複雑な凹凸を持つ場合、入射光に対する反射光が一位的にならないため、その面に対する反射や屈折を考慮した画像はリアリティに欠ける。
【０００４】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複雑な凹凸のある面に対する反射効果や屈折効果を考慮した高品位な画像を高速に生成する画像生成装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明は、コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、物体の形状情報を入力する手段と、視点情報を入力する手段と、前記物体の形状情報と前記視点情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記視点情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、を具備することを特徴とする画像生成装置である。
【０００６】
また第２の発明は、コンピュータ画像を生成する画像生成装置であって、物体の形状情報を入力する手段と、視点情報を入力する手段と、前記物体の運動情報を入力する手段と、前記物体の形状情報と前記視点情報と前記運動情報を基に、前記物体の画像を生成する第１の画像生成手段と、前記物体の形状情報と前記物体表面の材質と前記運動情報を基にして、前記物体表面における複数の反射ベクトルのそれぞれまたは複数の屈折ベクトルのそれぞれに対する反射情報または屈折情報を算出する算出手段と、前記物体表面上の点における、反射角または屈折角が異なる複数の反射ベクトルまたは複数の屈折ベクトルについての前記反射情報または前記屈折情報を合成して合成反射情報または合成屈折情報を算出する、合成手段と、前記第１の画像生成手段によって作成された画像と、前記合成反射情報または前記合成屈折情報と、を合成して画像を生成する第２の画像生成手段と、を具備することを特徴とする画像生成装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る画像生成装置１の概略構成を示す図である。
【０００８】
図１において、画像生成装置１は、外部記憶装置２より読み込んだ３次元ＣＧデータと、外部入力装置３より入力された視点情報を基にＣＧ画像データを作成し、外部表示装置４に出力する。
【０００９】
画像生成装置１に接続される外部記憶装置２は物体の形状、質感等を含む物体情報、及び種類、位置、属性等を含む光源情報を記憶するものであり、例えばハードディスクやＣＤ−ＲＯＭ等である。また、ネットワークに接続された他の外部記憶装置を用いることもできる。
【００１０】
また、外部入力装置３はマウス、キーボード及びジョイスティック等の機器であり、物体形状を観察する位置等の視点情報を入力する。
外部表示装置４は画像を表示する機器であり、ＣＲＴディスプレイ等である。
【００１１】
図１に示すように、画像生成装置１はＣＧデータ読み込み部５、ＣＧデータ記憶部６、視点情報算出部７、視点情報記憶部８、第１レンダリング処理部９、反射情報算出部１０、第２レンダリング処理部１１を有する。画像生成装置１は例えば一台のコンピュータよりなる。
【００１２】
図１において、ＣＧデータ読み込み部５は外部記憶装置２から物体のＣＧデータを読み出し、ＣＧデータ記憶部６はそれを記憶する。また、視点情報算出部７は外部入力装置３によって入力された視点情報から視点位置座標等を算出し、視点情報記憶部８に記憶させる。
【００１３】
第１レンダリング処理部９は物体の画像を生成し、反射情報算出部１０は物体表面における反射情報を算出する。生成された物体画像と反射情報は第２レンダリング処理部１１によって合成される。
【００１４】
以下に画像生成装置１の各部における処理について説明する。図２は、画像生成装置１による画像生成処理を示すフローチャートである。
図１において、ＣＧデータ読み込み部５が外部記憶装置２から物体の３次元ＣＧデータを読み出し、ＣＧデータ記憶部６に記憶する（ステップ２０１）。
【００１５】
次に、外部入力装置３により入力された視点情報から、視点情報算出部７にて視点位置座標等を算出し、視点情報記憶部８に記憶する（ステップ２０２）。第１レンダリング処理部９は、物体のＣＧデータ及び視点情報から、照光効果等を考慮して物体のレンダリング処理を行う（ステップ２０３）。このレンダリング処理はコンピュータのグラフィックスハードウェアにて行われる。
【００１６】
図３は描画対象物体である車４１を示す図であり、図４はピクセル６３におけるレンダリングデータを示す図である。車４１の座標等のＣＧデータは外部記憶装置２からＣＧデータ読み込み部５に読み出され、ＣＧデータ記憶部６に保管される。第１レンダリング処理部９は、車４１のＣＧデータと、視点位置や光源位置などから照光効果を考慮した車４１のレンダリング処理を行う。
【００１７】
図４に示すように、第１レンダリング処理部９による第１レンダリング終了時のピクセル６３のレンダリングデータは、ピクセル色Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各成分が（ｒ１，ｇ１，ｂ１）、アルファ値（重み係数）がα１である。反射効果を実現するためには、通常α１は「１．０」であるが、任意の値を設定することが可能である。
【００１８】
次に、反射情報算出部１０は物体形状の各頂点において反射率及び反射色を算出し（ステップ２０４）、第２レンダリング処理部１１はステップ２０３で処理された画像に、ステップ２０４で算出された反射色及び反射率を用いて算出した反射効果を合成レンダリングする（ステップ２０５）。合成レンダリングした画像は、外部表示装置４に表示される（ステップ２０６）。
【００１９】
図１に示す反射情報算出部１０は、後述する方法により反射色を算出する。第２レンダリング処理部１１は、算出された反射色と第１レンダリング処理部９で生成された画像とを合成レンダリングする。
【００２０】
即ち、例えば、図４に示すピクセル６３において反射色が（ｒ２，ｇ２，ｂ２）であるとき、第２レンダリング処理終了時のピクセル６３における最終的な値は（α１×ｒ１＋α２×ｒ２，α１×ｇ１＋α２×ｇ２，α１×ｂ１＋α２×ｂ２）となる。尚、この場合α２＝１とするが、α２には任意の値が設定できる。
【００２１】
このような合成レンダリング処理はコンピュータのグラフィックスハードウェアで行われるため、非常に高速に処理される。
このようにして作成された最終的な画像は、図１に示す外部出力装置４によって表示される。
【００２２】
以下、反射情報の算出方法について詳細に説明する。
図３に示す車４１において例えばホイール表面は異方性反射面３３である。異方性反射面３３とは複雑な凹凸を有する面であり、例えば金属加工におけるスピン仕上げ、ヘアライン仕上げ等のように方向性のある細かな傷を持つ面などである。
【００２３】
図５は異方性反射面３３における反射光３７を示す図であり、図６は反射ベクトルを示す図である。図５に示すように、視点３５から異方性反射面３３上の点Ｐへの入射ベクトル３６に対する反射光３７は広がりのある形状となり、１つの反射ベクトルでは表せない。この反射光３７は物体の材質や入射ベクトル３６、即ち入射角度により決定され、理想的な平滑な面に比べて複雑な形状になる。
【００２４】
そこで、本画像生成装置１では異方性反射面３３に対する反射光３７の形状を予め記憶しておき、この反射光３７をｎ個の反射ベクトルＬｉ（ｉ＝１，…，ｎ、但しｎは１以上の整数）でサンプリングし、近似する。ここでｎが大きいほど反射光３７は正確に近似される。
【００２５】
図７は異方性反射面３３に対する反射情報計算のフローチャートである。視点３５の位置座標等から異方性反射面３３上の頂点Ｐにおける入射ベクトル３６を算出する（ステップ６０１）。
【００２６】
次に、入射ベクトル３６に対する異方性反射ベクトルＬｉを算出する（ステップ６０２）。前述のように異方性反射ベクトルＬｉは物体の材質や入射ベクトル３６とで決定されるが、入射ベクトル毎にプログラム内で生成することも可能であるし、材質と入射角度ごとの反射ベクトルＬｉを保持しておいてもよい。
尚、各反射ベクトルＬｉは最も成分の大きなベクトルで正規化しておく。
【００２７】
次に、各反射ベクトルＬｉの反射色と反射率を算出する（ステップ６０３）。反射色とは、反射ベクトルＬｉと反射ベクトルＬｉ上に存在する物体との交点における色である。交点を求める対象の物体は実際に描画されている物体に限らず、仮想物体でも構わない。例えば、図３に示すように、車４１の周囲に仮想球４３を設けて、車４１の周囲にある物体の画像、即ちテクスチャ画像４５を仮想球４３に写した場合、反射色は反射ベクトルＬｉと仮想球４３の交点の色となる。
【００２８】
図８は反射角γに対する反射率Ｗ（γ）の一例を示す図である。反射率は材質によって異なる。反射角γは点Ｐにおける法線ベクトル３９と反射ベクトルとがなす角度である。
【００２９】
ステップ６０３では、例えば、図６に示す反射ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３のそれぞれと仮想球４３との交点の反射色、及び反射ベクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３の反射角γ１、γ２、γ３に対する反射率Ｗ（γ１）、Ｗ（γ２）、Ｗ（γ３）が求められる。
【００３０】
次に、ステップ６０３で算出された反射ベクトルＬｉの反射色を合成し（ステップ６０４）、合成反射色を算出する。合成反射色Ｒ（ｒ，ｇ，ｂ）は次式で求められる。
Ｒ（ｒ，ｇ，ｂ）＝１／ｎΣＷ（γｉ）×｜Ｌｉ｜×Ｌｉ（ｒ，ｇ，ｂ）  …（１）
ここでｎは反射ベクトルのサンプリング数、Ｗ（γｉ）は反射ベクトルＬｉの反射率、｜Ｌｉ｜は反射ベクトルＬｉの大きさ、Ｌｉ（ｒ，ｇ，ｂ）は反射ベクトルＬｉの反射色である。
【００３１】
式（１）に示される反射色の合成処理は、画像生成装置１が有する前述のグラフィックスハードウェアを利用して行われる。
すなわち、Ｒ（ｒ，ｇ，ｂ）が、図４における、α２×ｒ２、α２×ｇ２、α２×ｂ２に相当する。
【００３２】
第２レンダリング処理部１１はこうして求めた合成反射色と第１レンダリング処理部９で求めた物体の画像との合成レンダリング処理を行い、最終的な画像が外部表示装置４に表示される。
【００３３】
合成反射色を求める計算処理や合成レンダリング処理はプログラムで行うこともできるが、多くの演算時間を要するため高速の描画が行えない。しかしながら、本実施の形態のようにグラフィックスハードウェアを利用すれば、リアルな描画が高速に行える。
【００３４】
次に、画像描画のリアリティをより高めるための方法について説明する。
図９は反射角ごとに用意するテクスチャ画像を示す図である。図９に示すように、反射角が０度に近い場合は明瞭なテクスチャ画像４５−１を仮想球４３に張り、反射角が９０度に近い場合はぼけたテクスチャ画像４５−２を仮想球に張る。このように反射角ごとに異なるテクスチャ画像を用いることによって、更にリアルな反射効果を実現できる。
【００３５】
図１０はテクスチャ画像４５−３を示す図である。このようにテクスチャ画像４５−３において画像がクリアな領域Ａ及び画像がぼけた領域Ｂとに分ける事で、よりリアルな反射効果を実現することもできる。
例えば、物体の中央部には明瞭な反射画像を貼付け、物体の端の方には、ぼけた反射画像を貼付ける。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、コンピュータのグラフィックハードウェアを利用して、異方性反射面を含む物体における反射効果を考慮した精巧な画像を高速に生成し、表示させることが可能である。これによりグラフィックエンジンを持たないパソコンにおいても高品位な画像を生成することができる。
【００３７】
尚、本実施の形態では視点３５の位置を外部入力装置３より入力したが、視点位置を固定し、外部入力装置３より車４１の移動量等を入力することも可能である。この場合、車４１の移動量や移動方向に合わせて像を写す仮想物体の形状を選択すると、より効率的に反射効果の算出が行える。
【００３８】
また、本実施の形態では反射効果について説明したが、反射ベクトルを屈折ベクトルとして屈折色を算出し、材質に応じた屈折率を用意すれば、屈折情報を算出し、同様に合成レンダリング処理を行うことが可能である。
尚、本実施の形態における図２や図７に示す処理を行うプログラムをＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に格納して流通させることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、反射効果や屈折効果を考慮した高品位な画像を高速に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態に係る画像生成装置１を示す図
【図２】画像生成装置１による画像生成処理を示すフローチャート
【図３】車４１を示す図
【図４】ピクセル６３の画像データを示す図
【図５】異方性反射面３３における反射光３７を示す図
【図６】反射ベクトルＬｉを示す図
【図７】異方性反射面３３における反射情報計算のフローチャート
【図８】反射角度との反射率を示す図
【図９】反射角度ごとに用意するテクスチャ画像を示す図
【図１０】テクスチャ画像４５−３を示す図
【符号の説明】
１………画像生成装置
２………外部記憶装置
３………外部入力装置
４………外部表示装置
５………ＣＧデータ読み込み部
６………ＣＧデータ記憶部
７………視点情報算出部
８………視点情報記憶部
９………第１レンダリング処理部
１０………反射情報算出部
１１………第２レンダリング処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003612239.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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