JP2667835B2 - コンピユータグラフイツクス表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は図形処理におけるモデリングおよび表示技術
に係り、特に三次元コンピユータグラフイツクスに好適
な、コンピユータグラフイツクス表示装置に関する。 〔従来の技術〕 従来、三次元コンピユータグラフイツクスでは、情報
処理学会論文誌、第25巻、第６号（1984年）第948頁に
おいて述べられているように、個々の物体モデルが全空
間の中で局所的な領域を占め、その領域が重なり合うこ
とが少ない性質を利用して、表示処理の高速化を図つて
いる。例えば表示しようとする物体モデルについて外接
直方体を定め、空間内でモデルを探索する処理を行なう
際に、この外接直方体の内部のみに限定するという方法
である。これにより物体モデルから離れた領域をムダに
探索する必要がなくなるので表示処理の高速化が図れ
る。 また、同様の性質を利用した表示高速化手法として、
特開昭60−79477号公報では、スクリーン上で物体を囲
む矩形領域のみに探索を限定して表示を高速化してい
る。更に特開昭61−139890号公報は、物体モデルの局所
存在性の利用による探層範囲の限定と共に、探索処理の
均一性を利用した高速表示手法である。 一方、コンピユータグラフイツクス16−３（1982年）
第９頁から第18頁（Computer Graphics,Vol.16,No.3（1
982）PP9−18）において論じられているシステムにおい
ては、同一の物体に対して複数のモデルを割りあてるこ
とが可能となつており、オペレータが詳細度の異なるモ
デルを作成した同一の物体に割りあて、スクリーン上の
大きさにより、システムが必要な詳細度のモデルを選択
して表示させることが可能となつている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術のうち、物体モデルの局所存在性を利用
した高速表示手法では、例えば物体モデルが視点から十
分に遠い領域に定義され、スクリーン上においても非常
に小さな範囲しか占めない場合においても、限定した領
域の内部について詳細に探索しているので、物体モデル
が視点が十分に近い場合に比較して、処理時間が短縮さ
れる割合は少ない。一方、詳細度が異なるモデルを表示
できるシステムでは、物体モデルが十分遠い場合の処理
は高速化できるが、各モデルはオペレータが作成して割
りあてる作業が必要であり、同一物体に複数のモデルを
作成するため、オペレータの作業工数が大きい。 本発明の目的は、オペレータが介在する頻度が少なく
高速なコンピユータグラフイツクス表示装置を提供する
ことにある。 本発明の他の目的は、例えば視点から十分に遠い物体
モデルは省略表示して処理の高速化を図り、かつ一度定
義したモデルから詳細度の異なるモデルをアルゴリズム
により演算生成して表示される方法を提供することにあ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、ディスプレイ装置に３次元モデルの表示
を行うコンピュータグラフィックス表示装置において、
複数の要素の情報又は複数のパラメータによって指定さ
れる方程式の情報の少なくとも何れか一方を用いて作ら
れる３次元物体の詳細モデルの情報を記憶する第１の記
憶手段と、前記第１の記憶手段に記憶された３次元物体
の詳細モデルの情報に基づき、この詳細モデルよりも要
素数または方程式を指定するためのパラメータの数の少
なくとも何れか一方が少ない３次元物体のモデルである
省略モデルを演算生成する演算手段と、生成された前記
省略モデルを記憶する第２の記憶手段と、前記ディスプ
レイ装置に前記詳細モデルと前記省略モデルを選択情報
に基づいて選択的に表示する制御手段とを備えることに
より達成される。 〔作用〕 入力した物体の第１の三次元モデルに対して、要素数
または方程式を指定するためのパラメータの数を変えた
ものを物体の第２の三次元モデルとして演算生成するの
で、入力工数を増やすことなく詳細度の異なるモデルを
表示できる。 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。 第１図は本発明の概略を示す図であつて、第１図
（ａ）に示す様に三次元空間上に設定されている視点１
から、スクリーン２を通る光線５を追跡して、物体の第
１の三次元モデルとなる詳細モデル３および物体の第２
の三次元モデルとなる省略モデル４を、２次元スクリー
ン上に表示させる方法を説明している。なお、これらは
すべて計算機上の数値モデルとして表現されているもの
であつて、実際には計算の結果として表示部となるCR
T、液晶,EL等の２次元デイスプレイの画面８上に詳細モ
デルによる表示６（第１図（ｂ））、あるいは省略モデ
ルによる表示７（（第１図（ｃ））のような表示画像を
得ることができる。 第１図（ｄ）は本発明を実現するためのハードウエア
構成である。入力装置1000は、キーボードやタブレツト
等の装置で、モデル情報の入力や表示制御情報の入力に
使用される。計算機1001は、本実施例によるアルゴリズ
ムの実行、および入出力機器の制御を行なうもので、第
１の記憶部となる詳細モデルの入力および定義部と、省
略モデルの生成を行なう演算部および省略モデルを記憶
する割りあて部と、表示するモデルの選択部とから構成
される。デイスプレイ制御装置1002は、計算機からのデ
イジタル信号をデイスプレイ用のアナログ信号への変
換、およびデイスプレイ装置1003の制御を行なう。そし
て表示部となるデイスプレイ装置1003により画像を画面
上に表示させることができる。尚、デイスプレイ装置
は、ホログラフイ等を用いた３次元デイスプレイでも良
い。 ここで、第２図により本発明を計算機ソフトウエアに
より実現した場合の実施例の各部分の動作について説明
する。なおこれらはハードウエアによつても実現可能で
ある。 まずステツプ101は表示のために必要な詳細モデルや
視野情報を入力するステツプである。例えば詳細モデル
３が角か丸い直方体形状をしている場合には、第３図の
ように８個の球要素と12個の円柱要素と６個の平面要素
から構成される。そしてこの詳細モデルを部品１と呼ぶ
ことにすると、図形構素の構成は第４図に示すような本
構造で表現できる。 ここで、本実施例では、同図に示すようにあるシーン
は幾つかの物体から構成されているものとし、各物体は
また幾つかの部品から構成され、更に各部品は幾つかの
図形要素から構成されているものとする。そして物体の
階層レベルを物体レベルと呼び、以下同様にして部品レ
ベルおよび図形要素レベルと呼ぶことにする。このよう
に詳細モデルの入力は、図形要素の集合として計算機上
で三次元モデルの形状を定義することである。一方、視
野情報の入力とは、第１図における視点１やスクリーン
２について三次元空間上の位置を定めることであり、例
えばXYZ座標値で入力する。更にスクリーンについて
は、スクリーンの大きさや面の向きについても入力す
る。その他にはスクリーン上で何画素以上の大きさを占
める物体を詳細モデルで表示させるかを判断するため、
詳細モデル表示に必要な最小の大きさを入力する。要す
るに本ステツプ101では物体３次元形状モデル情報を詳
細モデル情報として入力し、更に表示させるための視点
・スクリーン位置等の視野情報も入力して、第１の記憶
部に記憶させるステツプである。 ステツプ102は、ステツプ101で入力された詳細モデル
の情報に基づき、第４図の木構造データを探索するステ
ツプである。本実施例では、第４図の木構造の中で部品
レベルについて省略モデルを生成することとすると、同
図の木構造を探索して、例えば部品１のように、部品レ
ベルにあるものの検出を行なう。 ステツプ103は、入力された詳細モデルについて省略
モデルをアルゴリズムにより生成するステツプである。
ここで詳細モデルは第３図および第４図に示すような図
形要素の集合で定義されているものとする。そして省略
モデルとしては、詳細モデルの外接直方体の割りあてを
行なう。この外接直方体を生成するためには、第５図に
示すように、詳細モデルをXYZ軸に投影されたときの最
大・最小値を求めればよい。同図ではＸ軸に投影したと
きの最大値をx_max,最小値をx_minとし、以下同様にy_max,
y_min,z_max,z_minを求めている。これら最大・最小値から
第６図に示すような６つの平面の方程式、Ｘ＝x_max,X＝
x_min,Y＝y_max,Y＝y_min,Z＝z_max,Z＝z_minを生成する。こ
れら６つの平面の方程式によつて構成される三次元モデ
ルを省略モデルとして割りあてる。入力されている詳細
モデルは第３図に示すように合計26個の図形要素で構成
されており、各図形要素はそれぞれ半径や長さ等のパラ
メータを持つ。一方、生成された省略モデルでは、本実
施例のような外接直方体の場合には、前記６つの平面方
程式を指定するための６つのパラメータで記述できる。
よつて本ステツプでは詳細モデルのパラメータ数を減じ
ている演算手段である。また、詳細モデルにあつた球要
素や円柱要素のような２次曲面を、この省略モデルでは
含まないので、モデルの次元数も減じている手段であ
る。また、データ構造は第４図に示した木構造を第７図
のように変更する。ここで詳細モデル１は第３図におけ
る26個の図形要素の集合であり、省略モデル１は第６図
に示した１個の外接直方体である。即ち同一の部品に対
して、詳細モデルと省略モデルの２つのモデルを割りあ
てる。 ステツプ104はスクリーン２上の各画素について、ス
テツプ105〜108をくり返すことを意味している。スクリ
ーン（画面）２は第１図に示すようにｍ×ｎの画素を持
ち、通常はデイスプレイ1003の表示解像度に一致させ
る。従つてステツプ108までをｍ×ｎ回くり返し処理す
ることになる。 ステツプ105は第１図における光線５の方程式を決定
するステツプである。ステツプ101により、視野情報が
入力されており、視点位置やスクリーン位置および各画
素位置は既知である。光線は視点位置P_Vとスクリーン上
の一つの画素位置P_Sを結ぶ直線であり、P_V,P_Sの位置ベ
クトルを とすれば、ｔをパラメータとして、 として表わすことができる。P_Vの位置は固定であるが、
P_Sの位置はスクリーン上のｍ×ｎ個の位置をとる。この
ようにして、ｍ×ｎ個の光線方程式を決定できる。 ステツプ106はステツプ103において生成された各詳細
モデルについて、ステツプ107からステツプ108までを繰
り返すことを示している。第８図に示すように、通常は
生成された省略モデルは複数であり、例えば省略モデル
４の他にも、省略モデルＡや省略モデルＢが存在する。
本ステツプでは、ステツプ104および105で決定された一
本の光線５について、これらすべての省略モデルを第７
図の木構造から検出して、ステツプ107,108のくり返し
処理を行なう。 ステツプ107は、光線５が各省略モデルと交点を持つ
かどうかを判定する手段である。光線の方程式はステツ
プ105で決定された直線の式であり、省略モデルは第６
図にあるように６つの平面の式で記述されている。した
がつて、交点の判定は直線と平面の交差問題として求め
ることができる。処理中の光線が、省略モデルの６つの
平面の内側領域を通過する場合に、交点があつたものと
判定する。 ステツプ108はステツプ107で交点が検出された場合に
省略モデルを表示させるステツプである。交点が検出さ
れたということは、処理中の光線がスクリーン２上にも
省略モデルの像が投影されているということである。そ
こで光線が通るスクリーン上の一画素に省略モデルを表
示させることになる。ただし、複数の交点があつた場合
には、視点に最も近い交点を表示対象とする。スクリー
ン上の全画素について、ステツプ108までが終了した時
点で、第８図に示したように、スクリーン２上に全ての
省略モデルが投影・描画されていることになる。 ステツプ109は、上記までのステツプでスクリーン上
に描画された省略モデルを検出し、ステツプ110〜113を
くり返すためのステツプである。スクリーンは第９図に
示すように、ｍ×ｎの２次元配列としてデータを持つて
おり、この配列データを検索して省略モデルを検出す
る。 ステツプ110は２次元スクリーン上に投影・描画され
た省略モデルの大きさを判定するステツプである。例え
ば第９図に示すように、２つの省略モデルが投影・描画
されていたものとする。大きさを判定するためには、例
えば平面スクリーンの水平（ｕ）方向と垂直（ｖ）方向
に投影された大きさ（u₁,v₁）を基準とする。このu₁お
よびv₁の値が、ステツプ101で入力されている詳細モデ
ル表示に必要な最小の大きさを上まわつているかどうか
の判定を行なう。 ステツプ111は、ステツプ110においてスクリーンに投
影された大きさから、詳細モデル表示を行なうと判定さ
れた省略モデルについて、モデルのデータを詳細モデル
に切り換えて、各詳細モデルについてステツプ112およ
び113をくり返し処理するためのステツプである。詳細
モデルは例えば第３図に示すような通常は多数の図形要
素から構成されており、これらすべての図形要素につい
て、ステツプ113までをくり返す。 ステツプ112は、詳細モデルの図形要素についての交
点の判定手段であり、ステツプ107の場合と同様にし
て、スクリーン上の各画素を通る光線方程式と図形要素
との交差判定を行なう。 ステツプ113は、ステツプ112において交点があると判
定された光線が、スクリーンを横切る位置P_Sの画素に対
して、ステツプ108と同様にして、詳細モデルを表示さ
せる手段である。 以上のように、本実施例では入力された詳細モデルか
らアルゴリズムによりパラメータ数あるいは次元数を減
少させた省略モデルを生成し、まず交点判定が容易な省
略モデルで表示を行ない、更にスクリーン上に大きく投
影されて詳細情報が必要なものについてのみ詳細モデル
での表示を行なつている。従つて、すべてを詳細モデル
で表示させる場合よりも、表示処理の高速化が可能であ
り、なおかつ省略モデルは自動生成されるために手作業
で入力する必要がないという効果がある。 上記実施例では、スクリーン上に投影された時に大き
い物体に対して詳細モデルで表示させていたが、省略モ
デルを表示したところで処理を打ち切り、詳細モデルを
全く表示させないこともできる。このためには、第２図
におけるステツプ108が終了した段階で処理を終了すれ
ばよい。すべての物体を省略モデルで表示させれば、表
示処理時間を高速化できるので、物体の概形をチエツク
する場合等に使用することができる。 また省略モデルから詳細モデルへの切り換え判定を、
先述のようにアリゴリズムによつて行なうのではなく、
オペレータの判断によつて決定することもできる。この
ためには、第２図におけるステツプ110の手段をオペレ
ータとの対話処理に置き換えることで実現可能である。
この対話処理とは、第９図のように平面スクリーン上に
描画された省略モデルをそのままデイスプレイ上に表示
させ、オペレータがデイスプレイを目視しながら、スタ
イラスペン等のポインテイング装置により、詳細モデル
表示に切り換える省略モデルを指示することである。こ
のように対話処理により詳細モデルへの切り換えを指示
すれば、オペレータの意志により省略モデルを残してい
くことが可能であるので、意図的な省略表示が可能であ
る。 詳細モデルへの切り換え方法としては、視点から省略
モデルまでの距離を基準にして切り換えることもでき
る。この場合のフローチヤートを第10図に示す。まずス
テツプ101では、詳細モデルと視野情報の他に、視点−
交点距離による切換設定値を入力する。以降ステップ10
2より107までは前述のものと同一であるので説明を省略
する。ステツプ201ではステツプ107で求められた省略モ
デルと光線の交点位置をもとに視点−交点間の距離を算
出する。第８図に示すように、視点P_Vと省略モデル上の
交点P_Oは光線５上の２点であり、この２点間距離は容易
に求めることができる。ステツプ202は上記の視点−交
点距離と、ステツプ101により入力された設定値とを大
小比較する。設定値よりも算出した距離が大きい場合、
即ち遠い場合には、ステツプ203によりスクリーン上のP
_S（第８図）の位置の画素に省略モデルを表示させる。
一方、設定値よりも小さく、即ち近い場合には、第２図
におけるステツプ111〜113と同様にしてステツプ204〜2
06によりP_Sの位置の画素に詳細モデルを表示させる。こ
のように視点からの距離により、省略モデルから詳細モ
デルへの切り換えを行なう場合には、すべてのモデルを
一度省略モデルとして表示させてから逐次詳細モデルに
切り換えるのでなく、ステツプ202により省略モデルと
詳細モデルを分別しており、省略モデルの表示工数が少
ないので、処理の高速化が可能である。 物体のモデルの大きさそのものによつても、省略モデ
ルと詳細モデルの切り換えは可能である。第11図はこの
方法を示すフローチヤートである。まずステツプ101
は、入力のステツプであり、詳細モデルと視野情報の他
に、モデルの大きさにより省略モデルを生成するための
設定値を入力する。ステツプ102は第２図と同じてあ
る。ステツプ301は、第５図のようにして詳細モデルの
大きさを判定する手段であり、XYZの各軸方向へ投影さ
せて、モデルの大きさを求める。そしてステツプ101で
入力された設定値と比較して、小さい場合にはステツプ
302により省略モデルを生成する。さらにステツプ302で
は、第12図に示すように、各物体または部品に対して省
略モデルを生成したら詳細モデルとの置換を行なう。つ
まり、詳細モデルか省略モデルのいずれか１つが部品ま
たは物体に割りあてられる。ステツプ104および105は第
２図と同しである。ステツプ303は、第12図のデータ構
造上で、物体または部品に対応するモデルを検出し、以
下ステツプ304〜308までをくり返す。ステツプ304では
割りあてられているモデルが詳細モデルか省略モデルか
を判定し、詳細モデルの場合にはステツプ305,306によ
り表示処理をし、省略モデルの場合にはステツプ307,30
8により表示処理を行なう。このように物体のモデルの
大きさにより、省略モデルへの切り換えを行なつた場合
には、モデルの形状情報のみで省略モデルの割りあてを
行なつているため、視点位置とは独立に省略表示を行な
うことができる。言いかえると、視点位置に依らず、大
きさの小さい物体だけを省略モデルとして表示させるこ
とができる。 コンピユータ・グラフイツクスでは、１フレームずつ
作成した静止画を30フレーム／秒程度で連続表示させる
ことにより、動画表示を行なう。この動画表示の際に、
画面上で動いている物体についてのみ省略モデルに切り
換えて表示させることができる。第13図は第３図および
第４図に示した図形要素（円柱）のモデル情報の内容を
示した例である。同図において、2hは円柱の長さ、2rは
円柱の直系であり、これらをプリミテイブ情報と呼ぶ。
また円柱の中心Ｐについて原点Ｏからの位置を示すもの
がa_x,a_y,a_zであり、円柱の向きを示す回転角がθ_x,θ_y,
θ_ｚであり、これらを配置情報と呼ぶ。デイスプレイ、
即ちスクリーン上で物体が動く場合には、第一に配置情
報がフレーム間で変化している場合であり、第二に視野
情報が変化している場合である。ここで第14図により、
画面上で物体が動いている場合に省略モデルを表示させ
る方法について説明する。ステツプ401は、現在処理中
のフレームの１フレーム前の詳細モデル・視野情報等を
入力するステツプであり、ステツプ101にて現フレーム
の詳細モデル・視野情報等を入力する。ステツプ102は
第２図の例と同様である。ステツプ402はモデルの動作
を判定するステツプであり、ステツプ401および101にお
いて入力された情報から配置情報および視野情報の変化
を検出する。ここで動作があると判定された場合には、
ステツプ302により第12図のように詳細モデルを省略モ
デルと置換する。以下のステツプは第11図の例と同様で
あり、動作する物体だけを省略モデルで表示させること
ができる。動画表示の場合では、デイスプレイ上で動作
のある物体を凝視することは困難であり、モデルの詳細
情報まで認識するこはできない。よつて動作物体を省略
表示すると、映像品質の低下は少なくて、処理が高速化
される効果がある。 これまでの実施例では、詳細モデルと省略モデルの切
り換えをあるフレームを境にして瞬間的に行なつていた
が、モデルの透過率を定義し、これを第３のモデルとし
て少しずつ変化させながら切り換えを行なうことができ
る。例えば、第１図において第１フレームでの表示像が
詳細モデルによる表示６のようであつたとする。第２フ
レームからこの物体が動作を開始して、省略モデルによ
る表示に切り換えられるが、完全に切り換えが終了する
のは第４フレームとする。この第１〜４フレーム間で、
第15図（ａ）に示すように詳細モデルの透過率は０％,3
3％,66％,100％と変化し、一方省略モデルは100％,66
％,33％,0％と変化する。要するに、詳細モデルは次第
に薄くなるように表示され、省略モデルは次第に濃くな
るように表示される。なお、ここで透過率とは光線が物
体を透過する割合を示す数で、透過率０％が物体が完全
に見える状態で、100％が完全に見えない状態とする。
第15図（ｂ）はこの方法を示すフローチヤートである。
ステツプ401および101は第14図の場合と同様である。ス
テツプ501は、既に動作を開始している物体についての
透過率情報を入力するステツプで、詳細および省略モデ
ルの現フレームでの透過率を入力する。ステツプ102か
らステツプ303までは第14図の場合と同様である。まず
ステツプ502は省略モデルの有無を検出する。例えば第
７図における部品１のように、ひとつの物体または部品
に対して詳細モデル以外に省略モデルも割りあてられて
いるものの検出を行なう。省略モデルの割りあてがない
物体については、ステツプ503により詳細モデルを通常
表示させる。一方省略モデルの割りあてがある場合に
は、まずステツプ504において詳細モデルの透過表示を
行ない、次にステツプ505において省略モデルの透過表
示を重ね書きする。重ね書きとは、一画素の色を両者の
透過率の割合に応じて混色して表示させることである。
例えば詳細モデルの透過率をA,詳細モデルの表示色をC₁
とし、省略モデルの透過率を（１−Ａ）、表示色をC₂と
すると、透過表示色Ｃは、 Ｃ＝Ａ・C₁＋（１−Ａ）C₂ のように計算して求める。このようにして詳細モデルか
ら省略モデルへの切り換えを透過率を変化させながら行
なうことにより、両者がオーバラツプしながら切り換え
ることができるので、スムーズな動画表示が可能であ
る。 詳細モデルから省略モデルへの段階的な切り換え方法
として、詳細モデルを次第に変形させて省略モデルに一
致させながら表示を行なうことができる。例えば、第16
図に示すように、詳細モデルが円柱形状を、省略モデル
が直方体形状をしているものとする。ここで、円柱から
直方体へ順次変形させるために、それぞれのモデル上に
対応点を定める。例えば、同図に示すように詳細モデル
についてはP₁〜P₁₆を、省略モデルにはＰ′_１〜Ｐ′₁₆
を定めて、対応点とする。第17図は第16図の上面図であ
り、詳細モデルと省略モデルから、変形途中の補間モデ
ルを生成する方法を説明する図である。いま、生成する
補間モデルが詳細モデルと省略モデルのちようど中間で
あるとすると、補間モデルの対応点Q₁〜Q₈を求めるに
は、線分P₁P′_１から線分P₈P′_８までの中点を順次求め
ればよい。この方法のフローチヤートを第18図に示す。
ステツプ401および101は第15図の例と同様である。ステ
ツプ601は対応点情報を入力するステツプであり、第16
図に示すように詳細モデルと省略モデルが存在している
場合に、各々の対応点を定める。ステツプ102から503ま
では第15図の例と同様である。ステツプ602は詳細モデ
ルと省略モデルの間の形状を持つ補間モデルを生成する
ステツプであり、第17図に示すようにして生成する。そ
してステツプ603において、生成された補間モデルを表
示させる。このように詳細モデルから順次変形させなが
ら省略モデルに切り換えることにより、瞬間的な切り換
えを防止することができるため、スムーズな動画表示を
行なうことが可能である。 詳細モデルから省略モデルを生成するのではなく、三
次元の省略モデルをまず形状データとして定義し、物体
の光線に対する透過性を記述した透過率データはマツピ
ングデータとして２次元のテーブル形式で記憶し、形状
モデルにマツピングデータを貼りつける手段により詳細
モデルを定義して、表示を行なうことも可能である。第
19図に示すように、三次元形状データとして省略モデル
を定義する。例えば同図の例では、省略モデルの４頂点
P₁〜P₄の座標値（x₁,y₁,z₁）〜（x₄,y₄,z₄）で定義して
いる。また透過率データは同図のような分布を持つ２次
元のデータであり、例えば斜線部では透過率が100％、
斜線部以外では０％とする。ここでマツピング手段によ
り、省略モデルに透過率データを貼り付けるためには、
省略モデルと透過率データの対応関係を定めておく必要
がある。例えば本実施例では、透過率データの４すみの
点M₁〜M₄は省略モデルの４頂点P₁〜P₄にそれぞれ対応す
るものとする。頂点以外の点の対応関係は、頂点からの
位置で内挿して求める。第20図は本実施例を説明するた
めのフローチヤートである。ステツプ101では、詳細モ
デルと視野情報を入力する。本ステツプにおいては、詳
細モデル情報は省略モデルと透過率データおよび両者の
対応関係であり、これらすべてを入力する。本実施例で
は、詳細モデルと省略モデルの切り換えは視点からの距
離を基準に行なつている。しかし前述のように詳細モデ
ルと省略モデルの切り換えには幾つかの方式があり、い
ずれの切り換え方式とも本実施例では組み合わせ可能で
ある。ステツプ104以降は第10図の場合とほぼ同様であ
るが、ステツプ204以降の詳細モデルについてのくり返
し処理は、第19図に示したように省略モデルと透過率デ
ータの一個ずつに対して処理されるものである。ステツ
プ205の交点判定手段では、交点が透過率100％の部分に
あつたときには、光線がモデルを通過するので、交点は
ないものとして処理される。一方、交点が透過率０％の
部分にあつたときには交点があつたものとして処理す
る。これらの処理により、第21図に示すように、デイス
プレイ上に詳細モデルによる表示と省略モデルによる表
示を得ることができる。このように、省略モデルに透過
率データをマツピングさせて詳細モデルを定義すること
により、透過率が100％の部分は光線が透過するので、
見かけ上は物体が表示されないため、複雑の物体の外形
線を透過率分布だけで表現することができ、少ない形状
データで複雑な物体の記述が可能である。また、透過率
データの利用／非利用により、詳細モデルと省略モデル
の切り換えが可能であり、重要性の低い物体については
省略して表示することにより処理の高速化が可能であ
る。 省略モデルに透過率データと色データをマツピング処
理することによつても、詳細モデル表示することができ
る。第19図に示した省略モデルと透過率データに、更に
第22図に示す色データを加える。この色データは透過率
データと同様に２次元のテーブル形式であり、同様に省
略モデルとの対応点Ｍ′_１〜Ｍ′_４を定める。そして第
20図と同様の処理を行なつて、第23図に示すように、デ
イスプレイ８上に詳細モデルによる表示あるいは省略モ
デルによる表示を得ることができる。このように色デー
タを更に追加することにより、物体の複雑な模様も２次
元のデータとして登録できるので、より精密な詳細モデ
ル表示を得ることができる。 省略モデルに透過率データと色データと更に法線デー
タを加えて、詳細モデル表示を得ることもできる。第24
図は追加する法線データの概念を示す図であり、物体上
の法線ベクトルの分布が２次元テーブル形式で格納され
ているものである。透過率データや色データと同様にし
て対応点Ｍ′_１〜Ｍ′_４を定めて、省略モデルとの対応
関係を定める。光源ベクトルと法線ベクトルの内積計算
を行なつて表示色を決定する際に、物体の法線を計算す
るのではなく、テーブル上の法線データをそのまま利用
する。すると第24図のように、実際に格納されている法
線データは（ｂ）のようであり、省略モデルの形状は平
面であるが、光源ベクトルとの内積計算により表示を決
定すると（ａ）のような表面を持つように表示される。
第25図は、省略モデルに透過率データと色データと法線
データを付加して、詳細モデルとして表示させた例であ
る。また省略モデルによる表示例は第21図の場合と同様
である法線データは２次元のテーブル形式であり多様な
法線の分布を定義できるので、複雑な表面の凹凸を持つ
物体を詳細モデルとして表示することができる。 省略モデルに透過率データと色データと法線データと
更に頂点法線データを与えて、詳細モデル表示を得るこ
ともできる。第26図は頂点法線ベクトルN₁〜N₄を、４つ
の頂点P₁〜P₄に与えた例であり、外側に拡がる向きに指
定して、この平面と曲面のように陰影付けして表示させ
る例である。第27図は曲面のように表示される理由を示
す図である。いま（ａ）に示すようにN₁とN₄のベクトル
の補間からN₄を算出し、同様にN₂とN₃からN_A′を算出す
る。そして、N_AとN_A′から更にベクトルの補間を行なつ
て、省略モデル内の法線ベクトルを求める。この結果
（ｂ）に示すように省略モデル上の全法線が補間により
求められる。光源ベクトルとの内積計算にこの法線ベク
トルを使用すれば、デイスプレイ上で表示輝度が滑らか
に変化し、曲面のように表示される。また、この補間に
よる法線と第24図（ｂ）に示した２次元テーブル上の放
線データをベクトル加算して表示させると、（ｃ）のよ
うに形状データとしては平面であつても、曲面上に更に
凹凸のある物体を詳細モデルとして表示することができ
る。 また、マツピングデータとして格納する値としては、
上記の他にも反射係数等の光学的特性も入力することが
可能である。これにより、表面上で光学的特性が変化し
ている物体も表示することができる。 単一の省略モデルに、透過率データや色データや法線
データを付与するのではなく、複数の図形要素を持つ省
略モデルにもこれらデータを付与できる。第28図に示す
例では、省略モデルは６つの平面要素の集合体であり、
頂点はP₁〜P₁₂の12個を持つ。このような省略モデルの
場合には、それぞれの頂点に対応させる対応点を二次元
テーブル形式のデータの中で定めればよく、同図の場合
ではM₁〜M₁₂,M′_１〜Ｍ′₁₂,M″_１〜Ｍ″₁₂,を指定する
ことである。このようにして、対応関係さえ指定すれ
ば、省略モデルおよび詳細モデルの表示は第２図に示す
ようなフローチヤートにより実現できる。このようにし
て、第29図に示すように、デイスプレイ上に詳細モデル
による表示および省略モデルによる表示を得ることがで
きる。 詳細モデルから省略モデルを生成し、表示する際に、
同一の物体に１つの省略モデルを割りあてるのではな
く、詳細度の異なる複数の省略モデルを割りあて表示さ
せることもできる。第30図に示す例では、部品１に対し
てｎ個の省略モデルと詳細モデルを割りあてている。こ
とで、詳細モデルからパラメータ数または次元数を減ら
して省略モデルを生成するが、パラメータ数または次元
数の最も少ないものを第１省略モデルと呼び、以下第2,
…，第ｎ省略モデルと呼ぶことにする。第31図は詳細度
の異なる省略モデルを割りあて、表示させる方法を示す
フローチヤートである。まずステツプ701では、詳細モ
デルと視野情報の他に切換設定値を入力する。これは、
表示させる省略モデルを指定するための値で、本実施例
のように視点からの距離により切換えを行なう場合で
は、設定値１〜ｎまでのｎ個所の距離値を指示する。こ
の切換設定値は視点から遠い順に設定値1,設定値2,…設
定値ｎとする。ステツプ104および105は第20図の例と同
様である。ステツプ702は最もパラメータまたは次元数
の少ない第１省略モデルについて、以下のステツプを繰
り返すことを意味している。ステツプ702およびステツ
プ107は第20図の例と同様である。ステツプ703はステツ
プ201において求められた視点−交点距離とステツプ701
において入力された切換設定値との比較を行うステツプ
である。視点から最も遠い設定値１より更に遠くの距離
にある物体についてはステツプ704に第１省略モデルで
表示する。設定値１と設定値２の間の距離にある物体
は、ステツプ705により第２省略モデルと光線の交点を
調べ、交点があればこれを表示する。設定値ｎより近い
物体は、ステツプ705により光線との交点を調べ、交点
があれば詳細モデルを表示する。いまここでｎ＝２であ
るとし、第２省略モデルを第５図および第６図のように
して生成される詳細モデルの外接直方体とする。する
と、この第２省略モデルから第１省略モデルを生成でき
る。即ち第32図に示すように、点Ｃを中心として半径ｒ
の外接球を生成して第１省略モデルとする。このとき点
Ｃは外接直方体の重心であり、半径ｒは外接直方体の対
角線の1/2の長さである。外接球は一つの２次方程式で
記述されており、６つの平面方程式で記述する外接直方
体よりもパラメータ数を減少させている。このようにし
て、ある省略モデルより更にパラメータまたは次元数の
少ない省略モデルを割り当て、表示させることにより、
重要性の低い物体は更に簡略化して表示できるので、表
示時間の高速化に効果がある。 詳細モデルから第１〜第ｎ省略モデルを生成する方法
として、図形の分割数を変化させることによつても可能
である。第33図に示す例では、詳細モデルは円柱形状で
あり、これを円周方向に直線で分割して16角柱としたも
のが第２省略モデルである。そして第２省略モデルの分
割数を減じて、８角柱としたものを第１省略モデルとす
る。第１省略モデルは第２省略モデルより平面数が少な
く、少なくパラメータで記述させているので、これを重
要性の低い物体に割り当てれば、表示時間の高速化が可
能である。分割数を距離や大きさなどの評価関数により
自動的に設定することができ、あらかじめ省略モデルを
データとして保存しておく必要はなく、データのコンパ
クトが図れる。 次元数を減らして、さらに詳細度の低い省略モデルを
演算して割り当てる方法として、完全な２次元図形を用
いることもできる。例えば第34図に示すように三次元の
第２省略モデルがスクリーン上に投影した状態で外接図
形を求め、これを第１省略モデルとして割りあてる。こ
のように２次元図形を割りあてれば、表示処理は極めて
簡易になるので、表示時間の高速化が可能である。 以上の例では、省略モデルは詳細モデルから、アルゴ
リズムにより自動生成させるものであつたが、省略モデ
ルが部品間をまたがつて定義されるような場合には、オ
ペレータが予め指示を与えて表示させるようにすること
もできる。第35図はオペレータ指示による省略モデルの
定義方法を示す図である。例えば、第35図（ａ）のよう
に物体１は部品1,部品2,部品３がOR結合（Ｕと表記）に
より定義されているものとし、詳細モデルとして同図の
ような３つの円柱を重ねた形状を持つものとする。この
ようにすべて詳細モデルで表現する状態を、 物体１＝部品1U部品2U部品３ のように記述する。次に第５図（ｂ）のように部品１の
みを省略モデルに切り換える場合には、 物体１＝（部品１）Ｕ部品2U部品３ のように、省略モデルに切り換える部品を（ ）で囲ん
で指示する。同様にして第35図（ｃ）のように、部品１
と部品２を省略モデルにする場合には、 物体１＝（部品1U部品２）Ｕ部品３ であり、第35図（ｄ）のようにすべてを省略モデルにす
る場合では、 物体１＝（部品1U部品2U部品３） のように定義して、省略モデルの割りあてを行なう。本
実施例では、オペレータの指示により、省略モデルの割
りあてが可能であり、自動生成する場合よりもキメが細
かく、省略モデル割りあての制御が可能である。 本発明の実施例によれば、画面の中で重要性の低い物
体を自動的に識別し、詳細モデルからパラメータ数また
は次元数を減じた省略モデルを自動生成して表示するこ
とができるので、表示の高速化について効果がある。例
えば、三次元モデルと視線との交点を求める際には、モ
デルを記述する関数と直線である視点との交点を求める
問題として処理されるが、高次関数と直線の交点は容易
には求められずに多大の処理時間を要する。しかし次元
数を１次あるいは２次元にまで落したものを省略モデル
とすれば、このモデルと視線との交点は極めて容易に求
めることができる。 また省略モデルへの切換の判別およびモデルの生成は
すべて自動的に行なわれるものであり、オペレータが介
在する必要がある。例えば、すべての物体に詳細モデル
と省略モデルを１つずつ定めるとすれば、省略モデルの
自動生成機能がない場合には、物体の２倍の数のモデル
をオペレータが入力する必要があるが、本発明の実施例
では詳細モデルだけを入力すればよく、入力工数の低減
にも効果がある。 〔発明の効果〕 本発明によれば、オペレータが介在する頻度が少な
く、高速なコンピユータグラフイツクス表示装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の概略図、及びハードウエア
構成図、第２図は計算機アルゴリズムにより実現するた
めのフローチヤート、第３図は詳細モデルを構成する図
形要素の説明図、第４図は図形要素の構成を示す木構造
図、第５図は詳細モデルから省略モデルを求める方法の
説明図、第６図は省略モデルを構成する平面の説明図、
第７図は省略モデルの割りあて後の構成を示す木構造
図、第８図は省略モデルをスクリーン上に投影させる方
法の説明図、第９図はスクリーン上に投影させた省略モ
デルの説明図、第10図は視点−交点距離によりモデル切
換を行なつた場合のフローチヤート、第11図は省略モデ
ルの大きさによりモデル切換を行なつた場合のフローチ
ヤート、第12図は第11図の場合のモデルの割りあてを示
す木構造図、第13図は図形要素のモデル情報の説明図、
第14図は動作物体についてモデル切換を行なつた場合の
フローチヤート、第15図は透過率を変化させながらモデ
ル切換を行なつた場合の説明図及びフローチヤート、第
16図は詳細モデルと省略モデルの対応点についての説明
図、第17図は第16図の上面図で補間モデルを生成する方
法の説明図、第18図は詳細モデルを変形させながら省略
モデルの切換える場合のフローチヤート、第19図は省略
モデルと透過率データの説明図、第20図は省略モデルに
マツピングにより透過率データ付与して詳細モデル表示
を行う方法のフローチヤート、第21図は第20図の方法に
よりデイスプレイより得られる詳細モデル及び省略モデ
ルの表示の説明図、第22図は省略モデルのマツピングに
より付与する色データの説明図、第23図は第19図のデー
タに第22図の色データを付与した場合のデイスプレイ上
の詳細モデル及び省略モデルによる表示の説明図、第24
図は省略モデルへ付与する法線データの説明図、第25図
は第19図及び第22図のデータに第24図の法線データを付
与した場合のデイスプレイ上の詳細モデルによる表示の
説明図、第26図は省略モデルへ付与する頂点法線の説明
図、第27図は頂点法線の補間方法の説明図、第28図は省
略モデルが複数の図形要素から構成される場合の説明
図、第29図は第28図のデータをデイスプレイ上に表示さ
せた場合の詳細モデルと省略モデルの説明図、第30図は
単一の部品に詳細度の異なる複数の省略モデルを割りあ
てた場合のデータ構成を示す木構造図、第31図は第30図
のデータを表示する方法のフローチヤート、第32図は外
接直方体による第２省略モデルから外接球による第１省
略モデルを生成する方法を示す説明図、第33図は詳細モ
デルから図形の分割数を制御して第２省略モデル及び第
１省略モデルを生成する方法を示す説明図、第34図は第
２省略モデルから次元数を減じて第１省略モデルを生成
する方法の説明図、第35図はオペレータ指示により詳細
度の異なるモデルを割りあてる場合の記述方法を示す説
明図である。 １……視点、２……スクリーン、３……詳細モデル、４
……省略モデル、５……光線、６……詳細モデルによる
表示、７……省略モデルによる表示、８……デイスプレ
イ画面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 ▲吉▼美 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−175778（ＪＰ，Ａ) 特許2548742（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ディスプレイ装置に３次元モデルの表示を行うコン
   ピュータグラフィックス表示装置において、 複数の要素の情報又は複数のパラメータによって指定さ
   れる方程式の情報の少なくとも何れか一方を用いて作ら
   れる３次元物体の詳細モデルの情報を記憶する第１の記
   憶手段と、 前記第１の記憶手段に記憶された３次元物体の詳細モデ
   ルの情報に基づき、この詳細モデルよりも要素数または
   方程式を指定するためのパラメータの数の少なくとも何
   れか一方が少ない３次元物体のモデルである省略モデル
   を演算生成する演算手段と、 生成された前記省略モデルを記憶する第２の記憶手段
   と、 前記ディスプレイ装置に前記詳細モデルと前記省略モデ
   ルを選択情報に基づいて選択的に表示する制御手段 とを備えたことを特徴とするコンピュータグラフィック
   ス表示装置。 ２．特許請求の範囲第１項において、前記選択情報は、
   視点位置とモデル位置の距離が予め定められた設定値よ
   りも小さい場合には前記詳細モデルの表示を選択し、当
   該距離が前記設定値よりも大きい場合には前記省略モデ
   ルの表示を選択する情報であることを特徴とするコンピ
   ュータグラフィックス表示装置。 ３．特許請求の範囲第１項において、前記コンピュータ
   グラフィックス表示装置は更にモデルのスクリーン上で
   の大きさを判定する手段を備え、前記選択情報は、モデ
   ルのスクリーン上での大きさが予め設定した値よりも大
   きい場合には前記詳細モデルの表示を選択し、当該大き
   さが予め設定した値よりも小さい場合には前記省略モデ
   ルの表示を選択する情報であることを特徴とするコンピ
   ュータグラフィックス表示装置。 ４．特許請求の範囲第１項において、前記選択情報は、
   前記物体の移動速度に応じて前記詳細モデルと前記省略
   モデルとのどちらを表示するかを選択する情報であるこ
   とを特徴とするコンピュータグラフィックス表示装置。 ５．特許請求の範囲第１項において、前記演算手段は、
   前記制御手段が選択的に省略モデルを表示する場合にの
   み、省略モデルを生成することを特徴とするコンピュー
   タグラフィックス表示装置。