(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想３次元空間に、略水平方向に延びる表面を有する第１のモデルとその第１のモデルの前記表面と交差する方向に延びる第２のモデルとをそれぞれ配置し、
前記第１のモデルよりも上方の視点から前記第２のモデルを見たときの画像を、当該第２のモデルの表面の前記第１のモデルとの交差位置よりも下側の所定範囲に略鉛直方向に沿って階調が変化するグラデーションを付加しながら描画し、
前記視点から見える前記第１のモデルを、半透明モデルとして、前記第２のモデルの画像と合成して描画する画像処理方法。
【請求項２】
前記第２のモデルの表面を、前記視点からみて略左右方向の中央が両端部よりも窪むように湾曲させる請求項１に記載の画像処理方法。
【請求項３】
前記第２のモデルの表面を、略鉛直方向に軸線を有する円筒体の内面、又は球体の内面を構成するように湾曲させる請求項１に記載の画像処理方法。
【請求項４】
前記第２のモデルのグラデーションを、上側が明るく、下側が暗くなるように設定する請求項１〜３のいずれかに記載の画像処理方法。
【請求項５】
前記第２のモデルの表面の前記グラデーションが付加された範囲よりも更に下側の部分を、前記グラデーションの下端と同一の単一階調にて描画する請求項１〜４のいずれかに記載の画像処理方法。
【請求項６】
前記第１のモデルの表面に起伏を表現するための模様を付加する請求項１〜５のいずれかに記載の画像処理方法。
【請求項７】
前記模様をフレーム間で動かすようにした請求項６に記載の画像処理方法。
【請求項８】
コンピュータを画像処理装置として機能させるためのプログラムであって、
仮想３次元空間に、略水平方向に延びる表面を有する第１のモデルとその第１のモデルの前記表面と交差する方向に延びる第２のモデルとをそれぞれ配置する工程と、
前記第１のモデルよりも上方の視点から前記第２のモデルを見たときの画像を、当該第２のモデルの表面の前記第１のモデルとの交差位置よりも下側の所定範囲に略鉛直方向に沿って階調が変化するグラデーションを付加しながら描画する工程と、
前記視点から見える前記第１のモデルを、半透明モデルとして、前記第２のモデルの画像と合成して描画する工程と、
を前記コンピュータに実行させるように構成された画像処理用プログラム。
【請求項９】
前記第２のモデルの表面を、前記視点からみて略左右方向の中央が両端部よりも窪むように湾曲させて描く請求項８に記載の画像処理用プログラム。
【請求項１０】
前記第２のモデルの表面を、略鉛直方向に軸線を有する円筒体の内面、又は球体の内面を構成するように湾曲させて描く請求項８に記載の画像処理用プログラム。
【請求項１１】
前記第２のモデルのグラデーションを、上側が明るく、下側が暗くなるように設定する請求項８〜１０のいずれかに記載の画像処理用プログラム。
【請求項１２】
前記第２のモデルの表面の前記グラデーションが付加された範囲よりも更に下側の部分を、前記グラデーションの下端と同一の単一階調にて描画する請求項８〜１１のいずれかに記載の画像処理用プログラム。
【請求項１３】
前記第１のモデルの表面に起伏を表現するための模様を付加する請求項８〜１２のいずれかに記載の画像処理用プログラム。
【請求項１４】
前記模様をフレーム間で動かすようにした請求項１３に記載の画像処理用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータグラフィックス技術を用いた画像処理方法及びプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータグラフィックス技術を利用して水面や地表面等の境界面をリアルに表現する方法として従来より種々の方法が提案され、実行されている。例えば水面等の境界面を構成するモデルの形状やその表面に対する光源計算を工夫して水面の質感を表現する試みがなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水面や地表面等の境界面を表現する際の課題の一つとして、それらの面における光の反射をどのように表現するかという課題がある。例えば、海面のように比較的広い範囲の水面を観察する場合、視点のすぐ近くでは水面を見下ろすようになるので光の反射の影響が小さくて水面が暗く見え、視点から遠ざかるほど光の反射の影響が増加して水面が明るく見えるようになる。このような反射の影響を表現する方法の一例として、水面を構成するモデルの各部の輝度を視点からの距離に応じて変化させることが考えられる。しかし、そのような水面モデルの輝度調整を行う場合、視点が変化する毎に水面上の各点までの距離や各点の輝度の演算を繰り返す必要が生じ、手間が掛かる。特に海面のような広範囲の面を描く際にはその手間が顕著である。
【０００４】
そこで、本発明は海面や地表面等の境界面における階調の変化を簡単に表現することが可能な画像処理方法及びその方法を実現するためのプログラムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【０００６】
本発明の画像処理方法は、仮想３次元空間（１）に、略水平方向に延びる表面を有する第１のモデル（２）とその第１のモデルの前記表面と交差する方向に延びる第２のモデル（３）とをそれぞれ配置し、前記第１のモデルよりも上方の視点（４）から前記第２のモデルを見たときの画像を、当該第２のモデルの表面の前記第１のモデルとの交差位置（Ａ）よりも下側の所定範囲（３ａ）に略鉛直方向に沿って階調が変化するグラデーションを付加しながら描画し、前記視点から見える前記第１のモデルを、半透明モデルとして、前記第２のモデルの画像と合成して描画することにより、上述した課題を解決する。
【０００７】
この発明によれば、半透明状に描かれた第１のモデルを通して第２のモデルのグラデーション部を観察できるので、第１のモデルによって表現された境界面の階調が視点からの距離に応じて変化して見えるようになる。これにより、視点からの距離に応じた光の反射具合の変化等が表現される。視点が変化した場合には、第２のモデルのグラデーション部の見え方も変化する。従って、第２のモデルのグラデーション部を何ら変化させなくても、視点の移動に伴って光の反射具合が変化しているような画像を提供することができる。
【０００８】
また、本発明の画像処理用プログラムは、コンピュータ（１０）を画像処理装置として機能させるためのプログラムであって、仮想３次元空間（１）に、略水平方向に延びる表面を有する第１のモデル（２）とその第１のモデルの前記表面と交差する方向に延びる第２のモデル（３）とをそれぞれ配置する工程と、前記第１のモデルよりも上方の視点（４）から前記第２のモデルを見たときの画像を、当該第２のモデルの表面の前記第１のモデルとの交差位置（Ａ）よりも下側の所定範囲（３ａ）に略鉛直方向に沿って階調が変化するグラデーションを付加しながら描画する工程と、前記視点から見える前記第１のモデルを、半透明モデルとして、前記第２のモデルの画像と合成して描画する工程とを前記コンピュータに実行させるように構成されることにより、上述した課題を解決する。
【０００９】
この画像処理用プログラムをコンピュータにより実行すれば、コンピュータを本発明の画像処理方法を実現する画像処理装置として機能させることができる。
【００１０】
さらに、本発明は、仮想３次元空間（１）に、略水平方向に延びる表面を有する第１のモデル（２）とその第１のモデルの前記表面と交差する方向に延びる第２のモデル（３）とをそれぞれ配置する装置と、前記第１のモデルよりも上方の視点（４）から前記第２のモデルを見たときの画像を、当該第２のモデルの表面の前記第１のモデルとの交差位置（Ａ）よりも下側の所定範囲（３ａ）に略鉛直方向に沿って階調が変化するグラデーションを付加しながら描画する装置と、前記視点から見える前記第１のモデルを、半透明モデルとして、前記第２のモデルの画像と合成して描画する装置とを備えた画像処理装置として具現化されてもよい。
【００１１】
本発明においては、前記第２のモデルの表面を、前記視点からみて略左右方向の中央が両端部よりも窪むように湾曲させてもよい。より具体的には、前記第２のモデルの表面を、略鉛直方向に軸線を有する円筒体の内面、又は球体の内面を構成するように湾曲させてもよい。
【００１２】
このような湾曲を第２のモデルの表面に与えた場合、第１のモデルの表面よりも上方の視点からみて、第２のモデルのグラデーション部が上向きに凸となるように湾曲して観察される。これにより、現実の世界において、水平線や海面上の反射の相違によって観察される左右方向の線又は帯が地球の丸みの影響で湾曲して見える様子が画像上で再現される。
【００１３】
また、本発明では、前記第２のモデルのグラデーションを、上側が明るく、下側が暗くなるように設定してもよい。これにより視点から離れるほど反射の影響が強くなって水面や地表面等の境界面が輝いて見える様子を表現することができる。
【００１４】
前記第２のモデルの表面の前記グラデーションが付加された範囲よりも更に下側の部分を、前記グラデーションの下端と同一の単一階調にて描画してもよい。第２のモデルのグラデーション部が第１のモデルの表面との交差位置から一定範囲までに制限されている場合、視点の位置や視点によってはグラデーション部分よりも更に下側の領域が視野に入ることになる。そこで、グラデーション部よりも下側の領域をグラデーションの下端と同一階調で描画しておけば、そのようにグラデーション部以外が視野に入ったときでも画像の階調変化に不自然さが生じない。
【００１５】
しかも、第１のモデルの表面と視点から第２のモデルを見る方向との角度が小さいほど第１のモデルの画像がグラデーション部の影響を受ける範囲が増加する。従って、視点を第１のモデルの近くに設定して第２のモデルのグラデーション部を浅い角度で見たときは、画像全体に亘って緩やかに階調が変化する。その反対に、第１のモデルの上方の視点からグラデーション部を真下に見下ろすように観察したときは、第１のモデルの画像におけるグラデーション部による影響を受ける範囲が小さくなる。こうした視点位置の変化と階調変化との関係が、視点からの距離に応じた画素毎の輝度計算のような面倒な演算を行わなくても得られるため、ゲーム機のように視点が絶えず変化するような画像処理装置に対しても本発明は無理なく適用できる。
【００１６】
前記第１のモデルの表面に起伏を表現するための模様を付加してもよい。これにより、グラデーションと模様とが相俟って画像のリアリティが高まる。望ましくは、前記模様をフレーム間で動かすようにしてもよい。このようにすれば、海面が波立っている様子や草原が風で動いている様子等が模様の動きとグラデーションとによって表現される。
【００１７】
なお、本発明のプログラムは記憶媒体に記録された状態で利用者に提供されてもよいし、有線又は無線のネットワークを通じて利用者に配布されてもよい。本明細書の境界面とは、例えば水面や地表面のように視覚上何らかの境界として認識できる実在の面又は仮想的な面を意味し、水面や地面は当然として、例えば草原や森林とその上方の空間との境界部分、雪原とその上方の空間との境界部分等も境界面の概念に含まれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態に係る画像処理装置のブロック図である。画像処理装置１０は、記憶媒体（例えばＤＶＤ−ＲＯＭ）２５に記録された画像処理用プログラムに従って所定の画像描画処理を実行するコンピュータとして構成されている。画像処理装置１０は、マイクロプロセッサを主体として構成されたＣＰＵ１１と、そのＣＰＵ１１に対する主記憶装置としてのＲＯＭ１２及びＲＡＭ１３と、ＣＰＵ１１からの指示に基づいて画像処理及び音声処理に適した処理を行う画像描画装置１４及びサウンド処理装置１６と、記憶媒体としてのＤＶＤ−ＲＯＭ２５からプログラムやデータを読み取るためのＤＶＤ−ＲＯＭ読取装置１８とを有している。ＲＯＭ１２には、画像処理装置１０の全体の動作制御に必要なプログラムとしてのオペレーティングシステムが書き込まれる。ＲＡＭ１３には記憶媒体としてのＤＶＤ−ＲＯＭ２５から読み取ったプログラムやデータが必要に応じて書き込まれる。
【００１９】
ＣＰＵ１１の内部には、いわゆる３次元コンピュータグラフィックスにおけるポリゴン座標変換やベクトル演算等のジオメトリ処理を行うための画像処理用演算部１１ａが設けられる。この画像処理用演算部１１ａは例えばマイクロプロセッサと特定のソフトウエアとの組み合わせによって構成される。
【００２０】
一方、画像描画装置１４はＣＰＵ１１からポリゴンデータ等を受け取ってビデオメモリ１５に描画するいわゆるレンダリング処理を実行するとともに、そのビデオメモリ１５にレンダリングされた画像データに基づいて一フレームを構成するビデオ再生信号を生成し、そのビデオ再生信号を所定のタイミングでモニタ１９に出力する。
【００２１】
なお、図１において、ビデオメモリ１５は画像描画装置１４に対応して描画専用のメモリとして設けられているが、メインメモリとしてのＲＡＭ１３上にビデオメモリが確保されてもよい。また、ＣＰＵ１１及び画像描画装置１４によってそれぞれどのような処理を負担するかはハードウエアの構成に依存して相違するものであり、本発明は上記の構成に限定されるものではない。
【００２２】
サウンド処理装置１６は、ＤＶＤ−ＲＯＭ２５から読み出された音声、楽音等のデータや音源データ等を再生してスピーカ２０から出力させる。読取装置１８は、ＣＰＵ１１からの指示に従ってＤＶＤ−ＲＯＭ２５上に記録されたプログラムやデータを読み取り、その読み取った内容に対応した信号を出力する。
【００２３】
さらに、ＣＰＵ１１にはバス２４を介して入力装置２２及び外部記憶装置２３がそれぞれ接続される。外部記憶装置２３は例えば不揮発性の半導体メモリ、ハードディスク、光磁気ディスク等の書換えが可能な記憶装置である。このような構成はあくまで一例であり、本発明の画像処理方法が適用されるコンピュータの構成は適宜変更されてよい。なお、ＣＰＵ１１に対する各装置の接続態様は図１に限定されない。
【００２４】
記憶媒体としてのＤＶＤ−ＲＯＭ２５に記録された画像処理用プログラムには、本発明に従って海面等の境界面を描くための境界面描画用モジュールが含まれている。また、ＤＶＤ−ＲＯＭ２５には、画像処理用プログラムに従って各種の画像を描画するために必要な画像描画用データが記録される。そのデータには上述した画像処理用プログラムによって３次元画像を描画するために使用されるモデルデータが含まれている。モデルデータはモデル毎、あるいはモデルをさらに分割したモデルのパーツ毎に設けられている。各モデル又はそのパーツのデータは、モデルを構成する複数のポリゴンの頂点座標等の情報を含んでいる。また、特に、上記の境界面描画用モジュールによって境界面、例えば海面を描くために使用されるデータとして、第１のモデルとしての海面モデルのデータと、第２のモデルとしての背景モデルのデータとが含まれている。
【００２５】
次に、上記の境界面描画用モジュールによって海面の画像を形成する方法の概要を説明する。図２は本発明に従って仮想３次元空間１に配置された海面モデル２及び背景モデル３の縦断面図であり、図３はそれらのモデル２、３が配置された仮想３次元空間１の全体の斜視図である。これらの図に明らかなように、海面モデル２は水平方向に延びる平板状に構成され、背景モデル３はその海面モデル３と交差する方向に延びる壁状に構成されている。
【００２６】
海面モデル２は、一枚のポリゴンの表面に海面の波やうねりを表現する海面テクスチャを貼り付けて構成される。海面モデル２のデータは、海面モデル２を構成するポリゴンの頂点座標のデータや海面テクスチャを特定するデータを含んでいる。また、海面モデル２には半透明属性が設定されている。例えば、アルファブレンディング法により海面モデル２を半透明に描画する場合、海面テクスチャのデータの各画素の色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を指定するチャンネルとともに、ブレンド率（合成率）を指定するアルファチャンネルが海面テクスチャのデータに設けられる。海面テクスチャの描画時には、アルファチャンネルにて指定されたブレンド率に従って海面テクスチャの各画素のＲ，Ｇ，Ｂ値と、海面モデル２に重なるべき背景モデル３上の各画素のＲ，Ｇ，Ｂ値とが合成されることにより、海面テクスチャが半透明状に描かれる。なお、海面モデル２を複数のポリゴンによって構成することにより、その海面モデル２の表面にうねりや波を表現する起伏を付加できるようにしてもよい。
【００２７】
一方、背景モデル３は、図３から明らかなように、仮想３次元空間１を囲む球体の一部として構成されている。このような球形に湾曲するモデル３は例えば複数のポリゴンを組み合わせて形成される。背景モデル３のデータは、背景モデル３を構成するポリゴンの頂点座標のデータや、それらのポリゴンの表面に付加する色を指定するデータを含んでいる。そして、本実施形態では、背景モデル３の海面モデル２との交差位置Ａよりも下側の一定範囲（図２に太線で示す部分）に、その交差位置Ａから下に向かうほど階調が暗くなるグラデーション部３ａが生じるように、背景モデル３を構成する各画素の色が指定されている。例えば、海面を描く場合、グラデーション部３ａは白から黒へと漸次階調が変化するように設定される。但し、グラデーション部３ａには他の色を付けてもよい。グラデーション部３ａよりも下側の領域に関しては、グラデーション部３ａの下端の階調と同一の単一階調に設定される。なお、図３ではグラデーション部３ａを複数の線によって模式的に示したが、グラデーションは連続的に変化するものでもよいし、所定階調ずつ段階的に変化するものでもよい。
【００２８】
以上のようなモデル２、３を、海面モデル２の上方に設定された視点４から斜めに見下ろしたときに得られる画像の一例を図４に示す。この図から明らかなように、海面モデル２が半透明に描かれるため、それを透過して背景モデル３のグラデーション部３ａが観察され、その結果として遠方の海面は明るく、近くの海面は暗く見えるようになる。
【００２９】
しかも、背景モデル３が球状に湾曲しているので、グラデーション部３ａが上向きに凸となるように湾曲して観察される。これにより、現実の世界において、水平線や海面上の反射の相違によって観察される左右方向の線又は帯が地球の丸みの影響で湾曲して見える様子が画像上で再現される。その結果、画像のリアリティが高まる。なお、球面形状に限らず、背景モデル３を視点からみたときに左右方向の中央が両端部よりも窪むように湾曲させることで同様の作用効果が得られる。例えば、視点４からみて、略鉛直方向に軸線を有する円筒体の内面形状を描くように背景モデル３を湾曲させてもよい。また、水平線を湾曲させる必要がなければ、背景モデル３を鉛直方向に延びる一枚のポリゴンによって平板状に構成してもよい。
【００３０】
図２に示すように視点４が移動した場合（但し、視点４からの視野角が一定でかつ視点４から背景モデル３までの距離がほぼ等しいと仮定）、グラデーション部３ａが視野に占める範囲が変化する。これにより、視点４を海面モデル２に近付けるほどグラデーション部３ａが海面の画像において占める割合が大きくなる。従って、海面モデル２の近くに視点４を設定して（図２の左側の視点４）、海面モデル３をその近くから遠方まで広範囲に観察したときの画像においては、遠方から視点の間近まで海面のほぼ全体に亘って階調が緩やかに変化する。これにより、遠方の海面ほど光が反射して白く見える状態をよく再現できる。一方、視点４を上方に移動させて海面モデル２を見下ろすように観察したときの画像においては、海面の中でグラデーション部３ａが占める割合が減り、しかもグラデーション部３ａによる階調変化も急になり、得られる画像では相対的に階調が暗い部分が増加して光の反射が目立たなくなる。
【００３１】
上記した視点４とグラデーション部３ａによって与えられる階調変化との関係は、現実の世界で海面を観察するときの視点に応じた光の反射の影響とよく一致する。そして、背景モデル３の海面モデル２よりも下側に位置する部分に一定のグラデーション部３ａを設けるだけで視点の位置に応じた光の反射の影響の変化を自然に表現することができるから、視点４から海面モデル２や背景モデル３までの距離、視点４から海面モデル２を観察する角度、視点４からの撮影範囲５の画角等の撮影状況に応じてグラデーション部３ａを変化させたり、海面モデル２の輝度を変化させる等の演算処理は不要である。従って、ゲーム機のように視点が絶えず変化するようなコンピュータでも、視点の変化に応じて光の反射具合が変化する画像を容易に提供することができる。
【００３２】
図５は、一フレームの海面の画像を描画するために、画像処理用プログラムの境界面描画モジュールに従って画像処理装置１０が実行する境界面描画処理の手順を示すフローチャートである。この処理では、まず、仮想３次元空間１に海面モデル２及び背景モデル３が配置され（ステップＳ１）、その後、仮想３次元空間１における次のフレームの撮影条件、例えば視点４、その視点４からの撮影方向、撮影画角等が決定される。画像処理装置１０がゲーム機として構成されている場合には、入力装置２２から入力される情報を参照して次のフレームにおける視点等が決定される（ステップＳ２）。
【００３３】
続いて、背景モデル３を視点４から所定の撮影条件に従って撮影した画像がビデオメモリ１５に描画される（ステップＳ３）。このとき背景モデル３には上述したグラデーション部３ａが描画される。背景モデル３の描画が終了すると、次に海面モデル２を構成するポリゴンに対する海面テクスチャのマッピング位置が所定方向に所定量だけスクロールされる（ステップ４）。その後、海面モデル２が半透明モデルとしてビデオメモリ１５に描画される（ステップＳ５）。
【００３４】
以上の処理はフレーム毎に繰り返される。フレーム間で海面モデル２のテクスチャがスクロールされることと、グラデーション部３ａにより海面の階調が表現されることとが相俟って、複雑な演算処理を行うことなく海面をリアルに表現することができる。なお、海面テクスチャの動きはスクロールに限らず、規則的又は不規則にテクスチャを動かしてもよい。
【００３５】
以上の実施形態では、本発明により海面を描く場合を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、種々のシーンの描画に利用できる。例えば、第１のモデルとして地表面を表すモデルを用意し、その地表面モデルのテクスチャと背景モデル３のグラデーション部３ａとによって地表面における光の反射の変化を表現してもよい。地表面は地面が露出している面に限定されず、例えば草原や雪原のように何らかの要素によって覆われている面でもよい。本発明により草原を表現する場合には、例えば地表面のモデルに草原を表現した緑色系のテクスチャを貼り、そのテクスチャを半透明でグラデーション部に重ねて描くことにより、テクスチャに階調変化を与えればよい。
【００３６】
図６は本発明により描かれた海面の画像の実例を示し、図７にはその画像を描くために使用された背景モデルのグラデーション部を示す。これらの図から明らかなように、本発明によれば、遠方が白く輝き、手前が暗くなるような階調変化を有する海面を簡単にかつ高品質に描くことができる。
【００３７】
なお、本発明は視点から遠くなるほど階調が明るくなる画像の描画に限らず、その反対方向に階調を変化させてもよい。例えば、海底が比較的明るい砂地等で構成された海辺においては、沖に向かって水深が増すほどに海面の色が濃く見えることがある。このような状況を再現するためには背景モデルのグラデーションを上側が暗く、下側が暗くなるようにすればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、半透明状に描かれた第１のモデルを通して第２のモデルのグラデーション部を観察できるので、第１のモデルによって表現された境界面の階調が視点からの距離に応じて変化して見えるようになる。これにより、視点からの距離に応じた光の反射具合の変化等が表現される。視点が変化した場合には、第２のモデルのグラデーション部の見え方も変化する。従って、第２のモデルのグラデーション部を何ら変化させなくても、視点の移動に伴って光の反射具合が変化しているような画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像処理方法を実行するための画像処理装置のブロック図。
【図２】本発明の画像処理方法に従ってモデルを仮想３次元空間に配置した状態を示す縦断面図。
【図３】本発明の画像処理方法に従ってモデルを仮想３次元空間に配置した状態を示す斜視図。
【図４】図３の視点から矢印方向に見たときに形成される画像を模式的に示す図。
【図５】図１の画像処理装置にて実行される境界面描画処理の手順を示すフローチャート。
【図６】本発明に従って描画された画像の実例を示す図。
【図７】図６の画像にて使用されているグラデーションの実例を示す図。
【符号の説明】
１  仮想３次元空間
２  海面モデル（第１のモデル）
３  背景モデル（第２のモデル）
４  視点
５  撮影範囲
１０  画像処理装置
１１  ＣＰＵ
１１ａ  画像処理用演算部
１４  画像描画装置
１５  ビデオメモリ
２５  ＤＶＤ−ＲＯＭ（記憶媒体）
【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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