JP3625201B2 - ３次元モデル変形プログラム、３次元モデル変形方法及びビデオゲーム装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置、当該ビデオゲーム装置に用いられる３次元モデル変形プログラム及び３次元モデル変形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオゲームにおいては、登場するキャラクタ、例えば人間を模したキャラクタは、頭、上腕、下腕、手、胸、腰、股、脛、足等の人体の各パーツからなるモデルから構成されており、これら各モデルは位置設定用としてのみ用いられる骨（スケルトン）に肉付けされる形で設定されている。すなわち、各モデルは通常複数のポリゴンから構成されており、これら各ポリゴンの頂点は骨の中心座標（骨の位置を設定するための基準となる座標である基準座標）からの位置データとして規定されて管理されている。そして、ビデオゲームにおいてキャラクタの一連のモーションを表示する場合、ある瞬間のフレームにおけるキャラクタの形状は、当該フレームでの各骨の位置を計算し、次いでこれらの各骨に付随する各ポリゴンの頂点位置を計算することによって求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のスケルトンを用いてキャラクタを表現する場合、スケルトンが人体の各パーツ毎に設定されており、キャラクタの細かな変形処理を行うことができない。例えば、キャラクタの頭に対して１つのモデル（スケルトン）が設定されている場合、頭を傾ける等の大まかな動作を表現することはできるが、キャラクタの顔の細かい表情を表現することはできない。
【０００４】
一方、コンピュータ・グラフィックスの分野において、３次元モデルを構成するポリゴンの複数の頂点にクラスタを関連付け、このクラスタを移動させることによって当該クラスタに関連付けられている複数の頂点を移動させるクラスタ変形処理が行われている。
【０００５】
例えば、ＦＡＭＯＵＳｆａｃｅｓ Ａｎｉｍａｔｏｒ（Ｆａｍｏｕｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｐｔｙ．Ｌｔｄ．製）等のフェイシャルアニメーションツールがコンピュータ・グラフィックスの分野において用いられている。このソフトウエアでは、３次元モデルを構成するポリゴンまたはナーブスモデルの複数の頂点をグループ化して各グループに対してクラスタを設定し、クラスタ毎に当該クラスタに属する頂点を移動させる。また、一つの頂点に複数のクラスタに関連付け、当該頂点の各クラスタに対する関連付け度合いを示す比重値を設定することもでき、複数のクラスタの比重値に応じて当該頂点を移動させることができる。
【０００６】
このようにして、上記のクラスタを用いた３次元モデルの変形処理では、３次元モデルを細かく変形させることができ、人間の顔の複雑な表情等を容易に作成することができるが、ビデオゲームに３次元モデルの変形処理を適用する場合、ビデオゲームに登場するキャラクタを含むゲーム画像をフレーム周期毎に高速で描画する必要がある。
【０００７】
しかしながら、このような描画を行うためには多数のポリゴンの各頂点に対する膨大な位置計算を行わなければならないため、当該計算をフレーム周期内に処理することができず、コンピュータ・グラフィックスの分野におけるクラスタを用いた３次元モデルの変形処理をそのままビデオゲームに適用することはできない。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができる３次元モデル変形プログラム、３次元モデル変形方法及びビデオゲーム装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するための３次元モデル変形プログラムであって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段としてビデオゲーム装置を機能させることを特徴とする３次元モデル変形プログラムである。
【００１０】
請求項１記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するための３次元モデル変形プログラムは、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段としてビデオゲーム装置を機能させる。
【００１１】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００１２】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、前記比重行列、前記座標変換行列及び前記逆座標変換行列の積を頂点が関連付けされたクラスタ毎に求めて各積を加算した加算行列を求める加算手段として前記ビデオゲーム装置をさらに機能させ、
前記ワールド座標算出手段は、前記加算行列と前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の本発明に従えば、３次元モデル変形プログラムは、比重行列、座標変換行列及び逆座標変換行列の積を頂点が関連付けされたクラスタ毎に求めて各積を加算した加算行列を求める加算手段としてビデオゲーム装置をさらに機能させ、ワールド座標算出手段は、求められた加算行列と第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求める。
【００１５】
すなわち、比重行列、座標変換行列及び逆座標変換行列の積が、頂点が関連付けされたクラスタ毎に求められ、求められた各積を加算した加算行列が求められ、求められた加算行列と第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００１６】
このようにして、加算行列と頂点のワールド座標との積のみで任意のフレーム（第１のフレーム）における頂点のワールド座標を求めることができるので、標準的なＡＰＩ（アプリケーション・プログラミング・インターフェース）を用いて３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、前記第２のフレームが一連のモーションに関する１番目のフレームであることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の本発明に従えば、第２のフレームが一連のモーションに関する１番目（最初）のフレームであるので、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を１番目のフレームにおける頂点のワールド座標から求めることができる。
【００１９】
請求項４記載の本発明は、前記座標変換行列がフレーム毎にメモリテーブルに予め記憶されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の本発明に従えば、座標変換行列がフレーム毎にメモリテーブルに予め記憶されているので、メモリーテーブルから座標変換行列を読み出すだけで必要な座標変換行列を取得することができる。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、前記クラスタが、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報を付して管理されることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の本発明に従えば、クラスタが、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報を付して管理され、この識別情報から頂点が関連付けられているクラスタを特定することができるので、頂点毎に関連付けられているクラスタを容易に特定することができる。
【００２３】
請求項６記載の本発明は、前記識別情報に関連させて比重値が設定されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項６記載の本発明に従えば、頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報に関連させて比重値が設定されているので、各頂点に直接比重値を設定する場合に比して、記憶すべきデータの容量を低減することができる。
【００２５】
請求項７記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータからビデオゲーム装置を用いて描画周期に対応させて変形する３次元モデル変形方法であって、
前記ビデオゲーム装置が、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得ステップと、
前記ビデオゲーム装置が、前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出ステップとを含むことを特徴とする３次元モデル変形方法である。
【００２６】
請求項７記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータからビデオゲーム装置を用いて描画周期に対応させて変形する３次元モデル変形方法は、ビデオゲーム装置が、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得ステップと、ビデオゲーム装置が、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出ステップとを含む。
【００２７】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００２８】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００２９】
請求項８記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置であって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段とを備えるビデオゲーム装置である。
【００３０】
請求項８記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置は、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段とを備える。
【００３１】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００３２】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態によるビデオゲーム装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態によるビデオゲーム装置の構成を示すブロック図である。
【００３４】
図１に示すビデオゲーム装置１は、制御部２、画像表示部３、音声出力部４、メモリ部５及び操作入力部６を備える。制御部２は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、信号処理部２２及び画像描画処理部２３を含む。信号処理部２２は、３次元乗算処理部２４を含む。画像処理部３は、インターフェース（ＩＦ）回路３１、デジタル／アナログコンバータ（Ｄ−Ａ）３２及びモニタ３３を含む。音声出力部４は、インターフェース（ＩＦ）回路４１、デジタル／アナログコンバータ（Ｄ−Ａ）４２、増幅回路４３及びスピーカ４４を含む。メモリ部５は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、インターフェース（ＩＦ）回路５３及び記録媒体５４を含む。ＲＡＭ５１は、フレームバッファ５５を含む。操作入力部６は、インターフェース（ＩＦ）回路６１、操作情報ＩＦ（インターフェイス）回路６２及びコントローラ６３を含む。
【００３５】
図１において、ビデオゲーム装置１は、制御部２等から構成される家庭用ゲーム機本体と、ゲーム画像を表示するためのモニタ３３並びにゲーム音声を出力するための増幅回路４３及びスピーカ４４を備える家庭用テレビジョンとから構成される。コンピュータ読み出し可能な記録媒体５４は、家庭用ゲーム機本体に着脱可能に構成され、画像データ、音声データおよびプログラムデータからなるビデオゲームプログラム等を予め記録している。なお、記録媒体５４はゲーム機本体に対して内蔵式にしてもよく、また、ビデオゲームプログラム等が記憶されたＲＯＭの他、ＲＯＭカセット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク等を用いてもよい。
【００３６】
記録媒体５４に記憶される画像データは、ゲーム画像を構成するオブジェクト（天然構造物、人工建造物を模した静止物体等）の画像データやモーションを行うキャラクタの画像データ等を含む。このキャラクタを表す３次元モデルは、例えばキャラクタが人間を模したものである場合、頭、上腕、下腕、手、胸、腰、股、脛、足等の各パーツのモデルから構成されており、これら各パーツのモデルはそれぞれ頂点を有する複数のポリゴンから構成される。また、３次元モデルの所定部分、例えば顔の部分には、複数のクラスタが設定され、各クラスタが複数のポリゴンに関連付けられている。このクラスタは、変形すべき対象を規定するためのものであり、当該クラスタに対応付けられた頂点の集合からなる変形群を表し、例えば、クラスタが特定の点として規定される場合はクラスタハンドルとして当該クラスタに関連付けられた頂点を変形するときの変形基準点となる。
【００３７】
ＣＰＵ２１は、アドレスバス、データバスおよびコントローラバスからなるバスを介して、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１、オペレーションシステム等のプログラムを記憶するＲＯＭ５２、インターフェース回路３１，４１，５３，６１、信号処理部２２及び画像描画処理部２３に接続され、ゲーム機本体内の操作および制御を行うために各部を制御する。記録媒体５４が着脱式の場合、ＣＰＵ２１は、記録媒体５４がゲーム機本体に装着された状態で記録媒体５４の内部の各種データを一括して又は必要に応じて順次読み取ってＲＡＭ５１に書き込む。
【００３８】
ＲＡＭ５１は、記録媒体５４から読み出されたデータを格納し、ＣＰＵ２１等のワークエリアとして機能する。ＲＡＭ５１は、モニタ３３に表示される画像を一時的に記憶するフレームバッファ５５を含み、フレームバッファ５５は、少なくとも１画面を構成する画素（ピクセル）数に相当する記憶容量を有する。
【００３９】
信号処理部２２は、３次元空間内におけるキャラクタモデルや固定物等のオブジェクトモデルの位置計算や擬似カメラの視点（位置）の移動位置計算を行う他、音声データの生成、加工処理などを行う。描画データの生成処理は、信号処理部２２内のＡＰＩ（アプリケーション・プログラミング・インターフェース）として機能する３次元乗算処理部２４において行われる。このＡＰＩとしては、所定のハードウエア及びソフトウエアから構成される３Ｄ（３次元）関数の規格である「ＯＰＥＮ ＧＬ」や「ＤＩＲＥＣＴ Ｘ」等の標準的なＡＰＩを用いることができる。
【００４０】
画像描画処理部２３は、ＲＡＭ５１に対する読み書き指令（Ｒ／Ｗ）及びＲＡＭ５１内のフレームバッファ５５の画素に対応する記憶位置へのアドレス指定を行い、信号処理部２２からの各計算結果を利用してモニタ３３に表示するべき画像データを画素（ピクセル）毎にフレームバッファ５５に書き込む処理（レンダリング処理及びテクスチャーマッピング処理等）をフレーム周期で繰り返し行う。
【００４１】
インターフェース回路３１は、ＲＡＭ５１内のフレームバッファ５５に書き込まれている画像データをデジタル／アナログコンバータ３２へ出力する。デジタル／アナログコンバータ３２は、インターフェース回路３１からの画像データをアナログ信号に変換してビデオ信号をモニタ３３へ出力し、モニタ３３は所定のゲーム画像を表示する。
【００４２】
デジタル／アナログコンバータ４２は、インターフェース回路４１を介して入力される音声信号をデジタル信号からアナログ信号に変換し、プリメインアンプ４３はアナログ信号に変換された音声信号を増幅してスピーカ４４に供給する。なお、ゲーム状況に応じて作成された音声データは、ＲＡＭ５１の一部領域を利用して書き込み処理されている。
【００４３】
コントローラ６３には、プレーヤが操作可能な操作ボタン、操作レバー等の操作部材が設けられており、これらの操作部材への操作に対応した信号が操作情報インターフェース回路６２及びインターフェース回路６１を経てＣＰＵ２１へ導かれる。ＣＰＵ２１は、そのゲーム進行制御機能に基づいて、操作信号及びビデオゲームプログラムに応じてモニタ３３に表示されるキャラクタ等に対してプレイヤが意図する動き、行動、表情等のモーションを実行させ、ゲームを進行させる。
【００４４】
本実施の形態において、ＣＰＵ６等が行列取得手段及び加算手段に相当し、３次元乗算処理部２４がワールド座標算出手段に相当する。なお、本発明が適用されるビデオゲーム装置は、図１に示す家庭用のビデオゲーム装置１に特に限定されず、モニタ等が一体に構成された業務用ビデオゲーム装置、ビデオゲームプログラムを実行することによりビデオゲーム装置として機能するパーソナルコンピュータやワークステーション等にも同様に適用することができる。
【００４５】
図２は、３次元モデルを構成するポリゴンの頂点の座標変換処理を説明するための模式図である。キャラクタ等を表す３次元モデルは、ローカル座標系を用いて定義されており、このローカル座標系において基準となる座標を持っている。図２において、３次元モデルはモデル１００（図２中の太線部）から構成され、モデル１００は複数のポリゴンから構成されたキャラクタの一部、例えば顔の一部を表している。
【００４６】
また、基準点Ａ０はモデル１００が付随するクラスタＡの変形基準点であり、モデル１００の外側に位置し、頂点Ｐ１はモデル１００を構成する１つのポリゴンの１つの頂点であり、基準点Ａ０からのオフセット値（ベクトルＶ１の成分）を用いてその位置が定義されている。したがって、頂点Ｐ１のローカル座標系における位置Ｐ１ａは、下記の式（１）によって表すことができる。
【００４７】
Ｐ１ａ＝（Ｘ１ａ，Ｙ１ａ，Ｚ１ａ） …（１）
クラスタＡのローカル座標系上の基準点Ａ０をワールド座標系上の点Ｗ０に座標変換する際に用いられる座標変換行列をＭｗａとした場合、頂点Ｐ１のローカル座標上の位置Ｐ１ａは、下記の式（２）によってワールド座標系上の位置Ｐ１ｗとして表される。
【００４８】
Ｐ１ｗ＝Ｍｗａ×Ｐ１ａ …（２）
座標変換行列Ｍｗａは、クラスタＡに対するローカル座標系からワールド座標系への変換順序によってパラメータの持ち方が異なるとともに、行列式も異なる。したがって、この座標変換行列Ｍｗａに対して、予め決定された変換順序に従ったパラメータ及び行列式が設定されている。
【００４９】
例えば、ローカル座標系からワールド座標系への変換が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各平行移動、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の回転移動、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のスケール変更という変換順序で行われるものとし、このときの各値を、Ｘ軸平行移動量＝Ｔｘ、Ｙ軸平行移動量＝Ｔｙ、Ｚ軸平行移動量＝Ｔｚ、Ｘ軸回転移動量＝Ｒｘ、Ｙ軸回転移動量＝Ｒｙ、Ｚ軸回転移動量＝Ｒｚ、Ｘ軸スケール値＝Ｓｘ、Ｙ軸スケール値＝Ｓｙ、Ｚ軸スケール値＝Ｓｚとすると、座標変換行列Ｍｗａは、下記の式（３）によって表される。
【００５０】
【数１】
【００５１】
一方、３次元モデルを動作又は変形させるために用いられるアニメーションデータは一連のモーション（動き）として規定されており、各モーションは複数の一連のフレームの画像データとして規定されている。なお、各フレームの描画は、所定のフレーム周期、例えばビデオゲームにおいては１／６０秒毎に行われ、式（３）から求めたフレーム毎のクラスタの座標変換行列Ｍｗａを用いてクラスタに対応付けられているポリゴンの各頂点の座標を変換し、変換した各頂点をワールド座標上で繋ぎ合わせて面とすることによって描画処理が行われる。
【００５２】
図３及び図４は比重（ウエイト付け）の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するための模式図であり、図３は２つのモデルが互いに真っ直ぐな位置関係にあるフレームを示しており、図４は一方のモデルがクラスタの基準点側へ移動した状態におけるフレームを示している。
【００５３】
図３において、顔の上部に位置する上部モデル１００（図３中の上部の太線部）はクラスタＡに付随し、クラスタＡは基準点Ａ０を有し、一方、顔の下部に位置する下部モデル２００（図３中の下部の太線部）はクラスタＢに付随し、クラスタＢは基準点Ｂ０を有する。このクラスタＢに付随するある１つのポリゴンのある頂点Ｐ１ｂに着目するとき、この点は基準点Ｂ０に付随してワールド座標変換行列Ｍｗｂにより下部モデル２００上の点Ｐ１ｗに変換される。また、この点Ｐ１ｂは、図３のフレームの状態では、クラスタＡから見たときに点Ｐ１ａとして表すことができるものである。
【００５４】
ここで、描画モーションが、ゲーム進行に従って図３に示すフレームの状態から図４に示すフレームの状態に変わった場合すなわちクラスタＢの基準点Ｂ０がモデルの外側（図４において左側）に移動してクラスタＢに付随する頂点が移動する場合を考える。この場合、クラスタＢに付随する全てのポリゴンの頂点はクラスタＢの基準点Ｂ０と同様に座標変換されるので、下部モデル２００の頂点Ｐ１ｂは図３に示す位置から図４に示す位置に移動する。
【００５５】
一方、クラスタＡの基準点Ａ０は移動しておらず、上部モデル１００の頂点Ｐ１ａは図３に示す位置から移動しない。この場合、上部モデル１００及び下部モデル２００は顔の表面の一部を構成しているため、上部モデル１００と下部モデル２００との隣接部分は、顔の筋肉の動き等に応じた滑らかな曲線等から構成され、例えば、図４に示す曲線Ｌ１（図４中の斜線部）の形状をとるのが自然である。
【００５６】
この自然な顔の変形状態を表現するためには、点Ｐ１ｗがクラスタＡとクラスタＢの双方の影響を受けるようにすればよいことから、この影響を受ける比重を各クラスタＡ，Ｂに関連付けて設定し、点Ｐ１ｗが曲線Ｌ１上に位置するように、図４における点Ｐ１ａと点Ｐ１ｂとを結ぶ線分の内分点を求めて新たに点Ｐ１ｗを設定するようにすればよい。
【００５７】
ここで、ある頂点に対するクラスタＡへの関連付けの度合いを比重Ｇａ（％）とし、当該頂点に対するクラスタＢへの関連付け度合いを比重Ｇｂ（％）とすると、各比率ｇａ（＜１），ｇｂ（＜１）は、下記の式（４）〜式（７）によってそれぞれ表わされる。
【００５８】
【数２】
【００５９】
なお、Ｍｇａ，Ｍｇｂは比率ｇａ，ｇｂを行列化したものである。
【００６０】
さらに、ＭｗａがクラスタＡをローカル座標系からワールド座標系に座標変換するための座標変換行列、ＭｗｂがクラスタＢをローカル座標系からワールド座標系に座標変換するための座標変換行列を表しているとすると、点Ｐ１ｗは下記の式（８）によって表される。
【００６１】
Ｐ１ｗ＝Ｍｇａ×Ｍｗａ×Ｐ１ａ＋Ｍｇｂ×Ｍｗｂ×Ｐ１ｂ …（８）
図５は、比重値により調整される隣接部分の線の軌跡を説明するための模式図である。上記の処理をイメージ的に説明すると、図５に示すように、それぞれ個別のクラスタＡ，Ｂに付随したときの点Ｐ１ａと点Ｐ１ｂとを結ぶ線分Ｌａｂに対し、比率ｇａ、ｇｂの値を、例えば比率ｇａを大きくしていくと（すなわち比率ｇｂを小さくしていくと）、点Ｐ１ｗは、点Ｐ１ｗ’、点Ｐ１ｗ”というように線分Ｌａｂ上を点Ｐ１ｂ側から点Ｐ１ａ側へ移動する。このようにして、上部モデル１００と下部モデル２００との隣接部分の線の軌跡（形状）を曲線Ｌ１から、曲線Ｌ１’、曲線Ｌ１”のように調整することが可能となる。
【００６２】
上記のようにモデルの所定範囲毎にクラスタを対応させて各範囲のポリゴンの頂点データに比重値の情報を持たせておくことにより、図５に示したように隣り合うモデル１００，２００の隣接部分の形状を滑らかに接合して、モデル１００，２００間が滑らかに変形されたように表現することが可能となる。
【００６３】
次に、クラスタを用いたポリゴンの各頂点の座標変換処理の高速化について説明する。前述の式（８）を用いることにより、隣接部分の比重（ウエイト付け）表現が可能となり、画像的には滑らかになる。
【００６４】
ここで、信号処理部２２に設けられる「ＯＰＥＮ ＧＬ」や「ＤＩＲＥＣＴ Ｘ」等の標準的なＡＰＩでは、画面上の任意の点を表現するために行列と各頂点の座標との積を用いるようになっている。このため、式（８）の第１項、第２項をそれぞれＡＰＩで高速計算し得るにも拘わらず、両計算結果をワールド座標上の点として前記標準的なＡＰＩ以外の構成（ハードウエア又はソフトウエア）部分で計算（加算）し、この結果であるワールド座標上の頂点座標を表示用の単位ベクトルと共に、この信号処理部２２から画像描画処理部１３へ受け渡す必要があり、ここで時間を要することとなる。
【００６５】
さらに、比重値を持たないすなわち関連付けされていない頂点は「行列×頂点座標」のみで座標変換が可能であるのに、比重値を持つすなわち関連付けされている頂点は「行列×頂点座標」と「行列×頂点座標」との加算という計算を頂点が関連付けられているクラスタの個数だけ行わなければならない。このため、独自にＡＰＩを作成して対応するとしても、頂点毎に比重値の有無の判別を行い、その判断結果に応じて異なる計算処理を実行することとなって変換処理の低速化を招来し、ビデオゲームへの適用を困難にする。
【００６６】
そこで、図３及び図４を用いて変換処理の高速化について説明する。図３のフレームをモーションの一場面を表すフレーム１とし、フレーム１における座標変換行列Ｍｗａ，ＭｗｂをＭ１ｗａ，Ｍ１ｗｂと定義する。また、図４のフレームをモーションの次の一場面を表すフレーム２とし、フレーム２における座標変換行列Ｍｗａ，ＭｗｂをＭ２ｗａ，Ｍ２ｗｂと定義する。このとき、図３のフレーム１における点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂは式（９）から求められる。
【００６７】
Ｐ１ｗ＝Ｍ１ｗａ×Ｐ１ａ …（９）
Ｐ１ｗ＝Ｍ１ｗｂ×Ｐ１ｂ …（１０）
さらに、座標変換行列Ｍ１ｗａ、Ｍ１ｗｂの逆行列である逆座標変換行列Ｍ１ｗａ−１，Ｍ１ｗｂ−１を算出しておくことにより、式（９）及び式（１０）は式（１１）及び式（１２）のように変形される。
【００６８】
Ｐ１ａ＝Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ …（１１）
Ｐ１ｂ＝Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗ …（１２）
なお、点Ｐ１ａは頂点Ｐ１がクラスタＡにのみ関連付けられたときのクラスタＡに対するローカル座標であり、Ｐ１ｂは頂点Ｐ１がクラスタＢにのみ関連付けられたときのクラスタＢに対するローカル座標である。
【００６９】
全フレームにおいて、１つのクラスタにのみ関連付けられた頂点のローカル座標は一定なので、図３のフレームにおける点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂが図４のフレームにおける点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂに対応し、この点をＰ２ａ，Ｐ２ｂとするとき、両者の関係は式（１３）及び式（１４）によって表される。
【００７０】
Ｐ２ａ＝Ｐ１ａ …（１３）
Ｐ２ｂ＝Ｐ１ｂ …（１４）
式（１３）及び式（１４）を式（１１）及び式（１２）にそれぞれ代入すると、下記の式（１５）及び式（１６）が得られる。
【００７１】
Ｐ２ａ＝Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ …（１５）
Ｐ２ｂ＝Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗ …（１６）
したがって、式（８）と同様に、図４のフレームにおける点Ｐ１ｗを点Ｐ２ｗとすると、点Ｐ２ｗは下記の式（１７）によって表されることになる。
【００７２】
Ｐ２ｗ＝Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｐ２ａ＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｐ２ｂ …（１７）次に、式（１７）に式（１５）及び式（１６）に代入すると、Ｐ２ｗ＝Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗとなり、下記の式（１８）が得られる。
【００７３】
ここに、式（１８）の右辺の括弧部（Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｍ１ｗａ−１＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｍ１ｗｂ−１）は、１つの行列として表現できるので、式（１８）は「行列×頂点座標」となり、前述した標準的なＡＰＩのみで計算可能となる。しかも、座標データとしては、特定のフレーム（ここでは図３のフレーム１）のワールド座標Ｐ１ｗだけを用いれば計算可能となることから、この分、式（８）の場合と異なり、データ量が低減できることとなる。
【００７４】
なお、（Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｍ１ｗａ−１＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｍ１ｗｂ−１）の行列部分のデータとしては、一連のモーションとして定義された各フレームに対して座標変換行列Ｍ１ｗａ，Ｍ１ｗｂ，Ｍ２ｗａ，Ｍ２ｗｂをそれぞれ記憶したメモリテーブルを予め設け、記憶されているデータを用いて求めることができる。
【００７５】
図６は、複数のクラスタを用いた場合の座標変換行列をメモリテーブルに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。図６に示すように、例えば、複数のクラスタａ，ｂ，…を用いる場合、クラスタａ，ｂ，…の数だけ座標変換行列が各フレーム（１〜ｉ）に対して記憶され、座標変換行列Ｍ１ｗａ，Ｍ１ｗｂ，…，Ｍ２ｗａ，Ｍ２ｗｂ，…，Ｍｉｗａ，Ｍｉｗｂ，…がフレーム毎にメモリテーブルとなるＲＡＭ５１等に記憶される。
【００７６】
続いて、データ圧縮と処理の整理について説明する。式（１８）の場合、頂点が関連付けられているクラスタは２個であるが、ビデオゲーム中に使用するモデルの中には、２個のクラスタには限定されず、１〜ｎ個のクラスタに関係付けられるポリゴンが存在することも考える必要がある。また、式（１８）では、クラスタと頂点との関連付けを図３に示すフレーム１を基本として計算したため、（Ｍ１ｗ、Ｐ１ｗ）をデータの基本に置いたが、基本フレームは図３のフレーム１とは限らないことから、以後、基本という意味で（Ｍ０ｗ、Ｐ０ｗ）に置き換えて、以下のように一般式として式（１９）で示す。
【００７７】
【数３】
【００７８】
ここで、Ｐｗは求めるフレームでのワールド座標の頂点座標であり、Ｐｓは求める頂点に関連付けられているクラスタの数であり、Ｍｇ［ｎ］は求めるフレームでの頂点に関連付けられているクラスタの比重値を表す比重行列であり、Ｍｗ［ｎ］は求めるフレームでの頂点に関連付けされているクラスタの座標変換行列であり、Ｍ０ｗ［ｎ］−１は求める頂点の、クラスタに関連付けた時点でのクラスタの基本逆座標変換行列であり、Ｐ０ｗは求める頂点の、クラスタに関連付けた時点でのワールド座標である。
【００７９】
式（１９）から、求めるフレーム時点での求める頂点の変換行列（加算行列）は、下記のようになる。
【００８０】
【数４】
【００８１】
上記において、モデルを構成する全頂点毎に上記の変換行列（２０）を持つので、頂点毎のデータが非常に多くなる。また、変換行列の作成も各頂点毎に行わなければならず、計算処理に時間を要し、フレーム周期に追いつかないことになる。
【００８２】
そこで、Ｍｗ［１，２，…，Ｐｓ］及びＭ０ｗ［１，２，…，Ｐｓ］はクラスタに関するパラメータであるので、全てのクラスタの行列分を持つと全頂点分をフォローできる。また、頂点固有の変換行列を求めるための情報は、どのクラスタを使用するかを、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報となるクラスタ番号（符号）で管理し、それに対する比重値Ｍｇ［ｎ］の組み合わせを対応させて持つことで、変換行列を求めるためのデータを少なくすることができる。すなわち、Ｍ０ｗ［１，２，…，Ｐｓ］はモデルにより固定されるので、モデルデータとして持つことができ、Ｍｗ［１，２，…，Ｐｓ］はフレーム単位のクラスタの座標変換行列なので、モデルのフレームデータとして持つことができる。
【００８３】
図７は、各頂点に対応させて変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値をテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図であり、図８は、関連付けられているクラスタの比重値を図７に示す符号に対応させてテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【００８４】
図７及び図８に示すように、各頂点に対応させて変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値をテーブルメモリとなるＲＡＭ５１等に記憶させ、さらに、記憶されている各符号に対応させて、関連付けられているクラスタの比重値をメモリテーブルとなるＲＡＭ５１等に記憶させた場合、各頂点に直接対応させて変換行列を求めるためのデータとなるクラスタの比重値を記憶する場合に比して、メモリ容量を低減することができる。
【００８５】
また、モデルを作成する際に、頂点毎の比重値の組み合わせの種類を予め制限し（何種類かに設定し）、この組み合わせを番号（符号）を用いて管理し、各頂点には変換行列の番号（符号）を割り当てるようにすることで、各頂点のデータ量を低減することができる。さらに、頂点変換の前に、全ての組み合わせによる変換行列（２０）を予め計算し、結果を得（ゲーム期間中、格納し）ておくことで、頂点変換を高速に計算することができる。
【００８６】
図９は、以上説明したモデルデータを使用した場合のＣＰＵ２１等による３次元モデル変形処理を示すフローチャートである。
【００８７】
先ず、再生したいモーションのアニメーションデータを用いて指定フレームにおけるクラスタの座標変換行列を作成する（ステップＳＴ１）。次いで、モデルデータの比重値の組み合わせ管理情報（例えば図８に示す符号）に従い、クラスタの座標変換行列から比重付けが指定されているクラスタの座標変換行列を求める（ステップＳＴ２）。
【００８８】
続いて、頂点が持つデータに従い、各頂点と該頂点に対応付けられている座標変換行列の番号（符号）から特定される行列とを３次元乗算処理部２４等を用いて積算してワールド座標データを求め（ステップＳＴ３）、求められたワールド座標データを擬似カメラの座標系からスクリーンの座標系に所定の行列を用いて変換する（ステップＳＴ４）。そして、得られたスクリーン座標系の頂点データに従い、画像描画処理部１３に対しグラフィックス描画（ＲＡＭ５１のフレームバッファ５５への書き込み）を行わせる（ステップＳＴ５）。
【００８９】
なお、本発明は、以下の態様が採用可能である。
（１）本実施形態は、各頂点に設定されている法線ベクトルデータに対しても同様に適用可能である。すなわち、比重付けされているクラスタの座標変換行列を利用して式（１８）又は式（１９）に基づいて座標位置の場合と同様にして法線ベクトルも変換させることができ、これによれば、ポリゴンの面に関しても接合の滑らかさを実現できることとなる。
（２）本実施形態で得られたモデル形状は描画するものに限定されず、表示画像を従来の態様のままとしながら、他のオブジェクトとの違和感のない当たりとか接触の判定用として適用することもできる。
（３）ビデオゲームに使用されるモデルデータは一般的にポリゴンモデルが主であるが、パスモデルやナーブスモデルを求めてポリゴンモデルを形成する場合においても、本実施形態で示した手法を適用可能である。
（４）本実施形態ではクラスタをモデルの外側に配設して繋がり部分を滑らかにする例で示したが、クラスタをモデルの内側に配置（定義）し、このモデルを構成するポリゴンの各頂点と内側のクラスタとを関連付けして所定の比重値を設定してもよい。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９１】
請求項２記載の本発明によれば、加算行列と頂点座標との積のみで任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、標準的なＡＰＩを用いて３次元モデルの変形処理をフレーム周期毎に高速に行うことができる。
【００９２】
請求項３記載の本発明によれば、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を１番目のフレームにおける頂点のワールド座標から求めることができるので、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９３】
請求項４記載の本発明によれば、メモリテーブルから座標変換行列を読み出すだけで必要な座標変換行列を取得することができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をより高速に行うことができる。
【００９４】
請求項５記載の本発明によれば、頂点毎に関連付けられているクラスタを容易に特定することができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を容易に行うことができる。
【００９５】
請求項６記載の本発明によれば、識別情報に関連させて比重値を設定しているので、各頂点に比重値を直接設定する場合に比して、記憶すべきデータの容量を低減することができる。
【００９６】
請求項７記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９７】
請求項８記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるビデオゲーム装置の構成を示すブロック図である。
【図２】３次元モデルを構成するポリゴンの頂点の座標変換処理を説明するための模式図である。
【図３】比重の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するために２つのモデルが互いに真っ直ぐな位置関係にあるフレームを示す模式図である。
【図４】比重の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するために一方のモデルがクラスタの基準点側へ移動した状態におけるフレームを示す模式図である。
【図５】比重値により調整される隣接部分の線の軌跡を説明するための模式図である。
【図６】複数のクラスタを用いた場合の座標変換行列をメモリテーブルに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図７】各頂点に対応させて座標変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値を予めテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図８】図７に示す符号と関連付けられているクラスタの比重値とをテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図９】本モデルデータを使用した場合のＣＰＵ等による３次元モデル変形処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ビデオゲーム装置
２ 制御部
３ 画像表示部
４ 音声出力部
５ メモリ部
６ 操作入力部
２１ ＣＰＵ
２２ 信号処理部
２３ 画像描画処理部
２４ ３次元乗算処理部
３１ インターフェース回路
３２ デジタル／アナログコンバータ
３３ モニタ
４１ インターフェース回路
４２ デジタル／アナログコンバータ
４３ 増幅回路
４４ スピーカ
５１ ＲＡＭ
５２ ＲＯＭ
５３ インターフェース回路
５４ 記録媒体
５５ フレームバッファ
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置、当該ビデオゲーム装置に用いられる３次元モデル変形プログラム及び３次元モデル変形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオゲームにおいては、登場するキャラクタ、例えば人間を模したキャラクタは、頭、上腕、下腕、手、胸、腰、股、脛、足等の人体の各パーツからなるモデルから構成されており、これら各モデルは位置設定用としてのみ用いられる骨（スケルトン）に肉付けされる形で設定されている。すなわち、各モデルは通常複数のポリゴンから構成されており、これら各ポリゴンの頂点は骨の中心座標（骨の位置を設定するための基準となる座標である基準座標）からの位置データとして規定されて管理されている。そして、ビデオゲームにおいてキャラクタの一連のモーションを表示する場合、ある瞬間のフレームにおけるキャラクタの形状は、当該フレームでの各骨の位置を計算し、次いでこれらの各骨に付随する各ポリゴンの頂点位置を計算することによって求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のスケルトンを用いてキャラクタを表現する場合、スケルトンが人体の各パーツ毎に設定されており、キャラクタの細かな変形処理を行うことができない。例えば、キャラクタの頭に対して１つのモデル（スケルトン）が設定されている場合、頭を傾ける等の大まかな動作を表現することはできるが、キャラクタの顔の細かい表情を表現することはできない。
【０００４】
一方、コンピュータ・グラフィックスの分野において、３次元モデルを構成するポリゴンの複数の頂点にクラスタを関連付け、このクラスタを移動させることによって当該クラスタに関連付けられている複数の頂点を移動させるクラスタ変形処理が行われている。
【０００５】
例えば、ＦＡＭＯＵＳｆａｃｅｓ Ａｎｉｍａｔｏｒ（Ｆａｍｏｕｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｐｔｙ．Ｌｔｄ．製）等のフェイシャルアニメーションツールがコンピュータ・グラフィックスの分野において用いられている。このソフトウエアでは、３次元モデルを構成するポリゴンまたはナーブスモデルの複数の頂点をグループ化して各グループに対してクラスタを設定し、クラスタ毎に当該クラスタに属する頂点を移動させる。また、一つの頂点に複数のクラスタに関連付け、当該頂点の各クラスタに対する関連付け度合いを示す比重値を設定することもでき、複数のクラスタの比重値に応じて当該頂点を移動させることができる。
【０００６】
このようにして、上記のクラスタを用いた３次元モデルの変形処理では、３次元モデルを細かく変形させることができ、人間の顔の複雑な表情等を容易に作成することができるが、ビデオゲームに３次元モデルの変形処理を適用する場合、ビデオゲームに登場するキャラクタを含むゲーム画像をフレーム周期毎に高速で描画する必要がある。
【０００７】
しかしながら、このような描画を行うためには多数のポリゴンの各頂点に対する膨大な位置計算を行わなければならないため、当該計算をフレーム周期内に処理することができず、コンピュータ・グラフィックスの分野におけるクラスタを用いた３次元モデルの変形処理をそのままビデオゲームに適用することはできない。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができる３次元モデル変形プログラム、３次元モデル変形方法及びビデオゲーム装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するための３次元モデル変形プログラムであって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段としてビデオゲーム装置を機能させることを特徴とする３次元モデル変形プログラムである。
【００１０】
請求項１記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するための３次元モデル変形プログラムは、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段としてビデオゲーム装置を機能させる。
【００１１】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００１２】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００１３】
請求項２記載の本発明は、前記比重行列、前記座標変換行列及び前記逆座標変換行列の積を頂点が関連付けされたクラスタ毎に求めて各積を加算した加算行列を求める加算手段として前記ビデオゲーム装置をさらに機能させ、
前記ワールド座標算出手段は、前記加算行列と前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の本発明に従えば、３次元モデル変形プログラムは、比重行列、座標変換行列及び逆座標変換行列の積を頂点が関連付けされたクラスタ毎に求めて各積を加算した加算行列を求める加算手段としてビデオゲーム装置をさらに機能させ、ワールド座標算出手段は、求められた加算行列と第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求める。
【００１５】
すなわち、比重行列、座標変換行列及び逆座標変換行列の積が、頂点が関連付けされたクラスタ毎に求められ、求められた各積を加算した加算行列が求められ、求められた加算行列と第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００１６】
このようにして、加算行列と頂点のワールド座標との積のみで任意のフレーム（第１のフレーム）における頂点のワールド座標を求めることができるので、標準的なＡＰＩ（アプリケーション・プログラミング・インターフェース）を用いて３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、前記第２のフレームが一連のモーションに関する１番目のフレームであることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の本発明に従えば、第２のフレームが一連のモーションに関する１番目（最初）のフレームであるので、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を１番目のフレームにおける頂点のワールド座標から求めることができる。
【００１９】
請求項４記載の本発明は、前記座標変換行列がフレーム毎にメモリテーブルに予め記憶されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の本発明に従えば、座標変換行列がフレーム毎にメモリテーブルに予め記憶されているので、メモリーテーブルから座標変換行列を読み出すだけで必要な座標変換行列を取得することができる。
【００２１】
請求項５記載の本発明は、前記クラスタが、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報を付して管理されることを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の本発明に従えば、クラスタが、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報を付して管理され、この識別情報から頂点が関連付けられているクラスタを特定することができるので、頂点毎に関連付けられているクラスタを容易に特定することができる。
【００２３】
請求項６記載の本発明は、前記識別情報に関連させて比重値が設定されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項６記載の本発明に従えば、頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報に関連させて比重値が設定されているので、各頂点に直接比重値を設定する場合に比して、記憶すべきデータの容量を低減することができる。
【００２５】
請求項７記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータからビデオゲーム装置を用いて描画周期に対応させて変形する３次元モデル変形方法であって、
前記ビデオゲーム装置が、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得ステップと、
前記ビデオゲーム装置が、前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出ステップとを含むことを特徴とする３次元モデル変形方法である。
【００２６】
請求項７記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータからビデオゲーム装置を用いて描画周期に対応させて変形する３次元モデル変形方法は、ビデオゲーム装置が、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得ステップと、ビデオゲーム装置が、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出ステップとを含む。
【００２７】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００２８】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００２９】
請求項８記載の本発明は、スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置であって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段とを備えるビデオゲーム装置である。
【００３０】
請求項８記載の本発明に従えば、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置は、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段とを備える。
【００３１】
すなわち、ビデオゲーム装置によって、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とが取得され、比重行列と、座標変換行列と、逆座標変換行列と、第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて第１のフレームにおける頂点のワールド座標が求められる。
【００３２】
このようにして、任意のフレーム（第１のフレーム）における比重行列及び座標変換行列と特定のフレーム（第２のフレーム）における逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を高速に行うことができる。また、各フレームにおける頂点のワールド座標を所定のメモリに予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態によるビデオゲーム装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態によるビデオゲーム装置の構成を示すブロック図である。
【００３４】
図１に示すビデオゲーム装置１は、制御部２、画像表示部３、音声出力部４、メモリ部５及び操作入力部６を備える。制御部２は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１、信号処理部２２及び画像描画処理部２３を含む。信号処理部２２は、３次元乗算処理部２４を含む。画像処理部３は、インターフェース（ＩＦ）回路３１、デジタル／アナログコンバータ（Ｄ−Ａ）３２及びモニタ３３を含む。音声出力部４は、インターフェース（ＩＦ）回路４１、デジタル／アナログコンバータ（Ｄ−Ａ）４２、増幅回路４３及びスピーカ４４を含む。メモリ部５は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５１、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、インターフェース（ＩＦ）回路５３及び記録媒体５４を含む。ＲＡＭ５１は、フレームバッファ５５を含む。操作入力部６は、インターフェース（ＩＦ）回路６１、操作情報ＩＦ（インターフェイス）回路６２及びコントローラ６３を含む。
【００３５】
図１において、ビデオゲーム装置１は、制御部２等から構成される家庭用ゲーム機本体と、ゲーム画像を表示するためのモニタ３３並びにゲーム音声を出力するための増幅回路４３及びスピーカ４４を備える家庭用テレビジョンとから構成される。コンピュータ読み出し可能な記録媒体５４は、家庭用ゲーム機本体に着脱可能に構成され、画像データ、音声データおよびプログラムデータからなるビデオゲームプログラム等を予め記録している。なお、記録媒体５４はゲーム機本体に対して内蔵式にしてもよく、また、ビデオゲームプログラム等が記憶されたＲＯＭの他、ＲＯＭカセット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク等を用いてもよい。
【００３６】
記録媒体５４に記憶される画像データは、ゲーム画像を構成するオブジェクト（天然構造物、人工建造物を模した静止物体等）の画像データやモーションを行うキャラクタの画像データ等を含む。このキャラクタを表す３次元モデルは、例えばキャラクタが人間を模したものである場合、頭、上腕、下腕、手、胸、腰、股、脛、足等の各パーツのモデルから構成されており、これら各パーツのモデルはそれぞれ頂点を有する複数のポリゴンから構成される。また、３次元モデルの所定部分、例えば顔の部分には、複数のクラスタが設定され、各クラスタが複数のポリゴンに関連付けられている。このクラスタは、変形すべき対象を規定するためのものであり、当該クラスタに対応付けられた頂点の集合からなる変形群を表し、例えば、クラスタが特定の点として規定される場合はクラスタハンドルとして当該クラスタに関連付けられた頂点を変形するときの変形基準点となる。
【００３７】
ＣＰＵ２１は、アドレスバス、データバスおよびコントローラバスからなるバスを介して、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１、オペレーションシステム等のプログラムを記憶するＲＯＭ５２、インターフェース回路３１，４１，５３，６１、信号処理部２２及び画像描画処理部２３に接続され、ゲーム機本体内の操作および制御を行うために各部を制御する。記録媒体５４が着脱式の場合、ＣＰＵ２１は、記録媒体５４がゲーム機本体に装着された状態で記録媒体５４の内部の各種データを一括して又は必要に応じて順次読み取ってＲＡＭ５１に書き込む。
【００３８】
ＲＡＭ５１は、記録媒体５４から読み出されたデータを格納し、ＣＰＵ２１等のワークエリアとして機能する。ＲＡＭ５１は、モニタ３３に表示される画像を一時的に記憶するフレームバッファ５５を含み、フレームバッファ５５は、少なくとも１画面を構成する画素（ピクセル）数に相当する記憶容量を有する。
【００３９】
信号処理部２２は、３次元空間内におけるキャラクタモデルや固定物等のオブジェクトモデルの位置計算や擬似カメラの視点（位置）の移動位置計算を行う他、音声データの生成、加工処理などを行う。描画データの生成処理は、信号処理部２２内のＡＰＩ（アプリケーション・プログラミング・インターフェース）として機能する３次元乗算処理部２４において行われる。このＡＰＩとしては、所定のハードウエア及びソフトウエアから構成される３Ｄ（３次元）関数の規格である「ＯＰＥＮ ＧＬ」や「ＤＩＲＥＣＴ Ｘ」等の標準的なＡＰＩを用いることができる。
【００４０】
画像描画処理部２３は、ＲＡＭ５１に対する読み書き指令（Ｒ／Ｗ）及びＲＡＭ５１内のフレームバッファ５５の画素に対応する記憶位置へのアドレス指定を行い、信号処理部２２からの各計算結果を利用してモニタ３３に表示するべき画像データを画素（ピクセル）毎にフレームバッファ５５に書き込む処理（レンダリング処理及びテクスチャーマッピング処理等）をフレーム周期で繰り返し行う。
【００４１】
インターフェース回路３１は、ＲＡＭ５１内のフレームバッファ５５に書き込まれている画像データをデジタル／アナログコンバータ３２へ出力する。デジタル／アナログコンバータ３２は、インターフェース回路３１からの画像データをアナログ信号に変換してビデオ信号をモニタ３３へ出力し、モニタ３３は所定のゲーム画像を表示する。
【００４２】
デジタル／アナログコンバータ４２は、インターフェース回路４１を介して入力される音声信号をデジタル信号からアナログ信号に変換し、プリメインアンプ４３はアナログ信号に変換された音声信号を増幅してスピーカ４４に供給する。なお、ゲーム状況に応じて作成された音声データは、ＲＡＭ５１の一部領域を利用して書き込み処理されている。
【００４３】
コントローラ６３には、プレーヤが操作可能な操作ボタン、操作レバー等の操作部材が設けられており、これらの操作部材への操作に対応した信号が操作情報インターフェース回路６２及びインターフェース回路６１を経てＣＰＵ２１へ導かれる。ＣＰＵ２１は、そのゲーム進行制御機能に基づいて、操作信号及びビデオゲームプログラムに応じてモニタ３３に表示されるキャラクタ等に対してプレイヤが意図する動き、行動、表情等のモーションを実行させ、ゲームを進行させる。
【００４４】
本実施の形態において、ＣＰＵ６等が行列取得手段及び加算手段に相当し、３次元乗算処理部２４がワールド座標算出手段に相当する。なお、本発明が適用されるビデオゲーム装置は、図１に示す家庭用のビデオゲーム装置１に特に限定されず、モニタ等が一体に構成された業務用ビデオゲーム装置、ビデオゲームプログラムを実行することによりビデオゲーム装置として機能するパーソナルコンピュータやワークステーション等にも同様に適用することができる。
【００４５】
図２は、３次元モデルを構成するポリゴンの頂点の座標変換処理を説明するための模式図である。キャラクタ等を表す３次元モデルは、ローカル座標系を用いて定義されており、このローカル座標系において基準となる座標を持っている。図２において、３次元モデルはモデル１００（図２中の太線部）から構成され、モデル１００は複数のポリゴンから構成されたキャラクタの一部、例えば顔の一部を表している。
【００４６】
また、基準点Ａ０はモデル１００が付随するクラスタＡの変形基準点であり、モデル１００の外側に位置し、頂点Ｐ１はモデル１００を構成する１つのポリゴンの１つの頂点であり、基準点Ａ０からのオフセット値（ベクトルＶ１の成分）を用いてその位置が定義されている。したがって、頂点Ｐ１のローカル座標系における位置Ｐ１ａは、下記の式（１）によって表すことができる。
【００４７】
Ｐ１ａ＝（Ｘ１ａ，Ｙ１ａ，Ｚ１ａ） …（１）
クラスタＡのローカル座標系上の基準点Ａ０をワールド座標系上の点Ｗ０に座標変換する際に用いられる座標変換行列をＭｗａとした場合、頂点Ｐ１のローカル座標上の位置Ｐ１ａは、下記の式（２）によってワールド座標系上の位置Ｐ１ｗとして表される。
【００４８】
Ｐ１ｗ＝Ｍｗａ×Ｐ１ａ …（２）
座標変換行列Ｍｗａは、クラスタＡに対するローカル座標系からワールド座標系への変換順序によってパラメータの持ち方が異なるとともに、行列式も異なる。したがって、この座標変換行列Ｍｗａに対して、予め決定された変換順序に従ったパラメータ及び行列式が設定されている。
【００４９】
例えば、ローカル座標系からワールド座標系への変換が、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各平行移動、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の回転移動、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸のスケール変更という変換順序で行われるものとし、このときの各値を、Ｘ軸平行移動量＝Ｔｘ、Ｙ軸平行移動量＝Ｔｙ、Ｚ軸平行移動量＝Ｔｚ、Ｘ軸回転移動量＝Ｒｘ、Ｙ軸回転移動量＝Ｒｙ、Ｚ軸回転移動量＝Ｒｚ、Ｘ軸スケール値＝Ｓｘ、Ｙ軸スケール値＝Ｓｙ、Ｚ軸スケール値＝Ｓｚとすると、座標変換行列Ｍｗａは、下記の式（３）によって表される。
【００５０】
【数１】
一方、３次元モデルを動作又は変形させるために用いられるアニメーションデータは一連のモーション（動き）として規定されており、各モーションは複数の一連のフレームの画像データとして規定されている。なお、各フレームの描画は、所定のフレーム周期、例えばビデオゲームにおいては１／６０秒毎に行われ、式（３）から求めたフレーム毎のクラスタの座標変換行列Ｍｗａを用いてクラスタに対応付けられているポリゴンの各頂点の座標を変換し、変換した各頂点をワールド座標上で繋ぎ合わせて面とすることによって描画処理が行われる。
【００５２】
図３及び図４は比重（ウエイト付け）の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するための模式図であり、図３は２つのモデルが互いに真っ直ぐな位置関係にあるフレームを示しており、図４は一方のモデルがクラスタの基準点側へ移動した状態におけるフレームを示している。
【００５３】
図３において、顔の上部に位置する上部モデル１００（図３中の上部の太線部）はクラスタＡに付随し、クラスタＡは基準点Ａ０を有し、一方、顔の下部に位置する下部モデル２００（図３中の下部の太線部）はクラスタＢに付随し、クラスタＢは基準点Ｂ０を有する。このクラスタＢに付随するある１つのポリゴンのある頂点Ｐ１ｂに着目するとき、この点は基準点Ｂ０に付随してワールド座標変換行列Ｍｗｂにより下部モデル２００上の点Ｐ１ｗに変換される。また、この点Ｐ１ｂは、図３のフレームの状態では、クラスタＡから見たときに点Ｐ１ａとして表すことができるものである。
【００５４】
ここで、描画モーションが、ゲーム進行に従って図３に示すフレームの状態から図４に示すフレームの状態に変わった場合すなわちクラスタＢの基準点Ｂ０がモデルの外側（図４において左側）に移動してクラスタＢに付随する頂点が移動する場合を考える。この場合、クラスタＢに付随する全てのポリゴンの頂点はクラスタＢの基準点Ｂ０と同様に座標変換されるので、下部モデル２００の頂点Ｐ１ｂは図３に示す位置から図４に示す位置に移動する。
【００５５】
一方、クラスタＡの基準点Ａ０は移動しておらず、上部モデル１００の頂点Ｐ１ａは図３に示す位置から移動しない。この場合、上部モデル１００及び下部モデル２００は顔の表面の一部を構成しているため、上部モデル１００と下部モデル２００との隣接部分は、顔の筋肉の動き等に応じた滑らかな曲線等から構成され、例えば、図４に示す曲線Ｌ１（図４中の斜線部）の形状をとるのが自然である。
【００５６】
この自然な顔の変形状態を表現するためには、点Ｐ１ｗがクラスタＡとクラスタＢの双方の影響を受けるようにすればよいことから、この影響を受ける比重を各クラスタＡ，Ｂに関連付けて設定し、点Ｐ１ｗが曲線Ｌ１上に位置するように、図４における点Ｐ１ａと点Ｐ１ｂとを結ぶ線分の内分点を求めて新たに点Ｐ１ｗを設定するようにすればよい。
【００５７】
ここで、ある頂点に対するクラスタＡへの関連付けの度合いを比重Ｇａ（％）とし、当該頂点に対するクラスタＢへの関連付け度合いを比重Ｇｂ（％）とすると、各比率ｇａ（＜１），ｇｂ（＜１）は、下記の式（４）〜式（７）によってそれぞれ表わされる。
【００５８】
【数２】
なお、Ｍｇａ，Ｍｇｂは比率ｇａ，ｇｂを行列化したものである。
【００６０】
さらに、ＭｗａがクラスタＡをローカル座標系からワールド座標系に座標変換するための座標変換行列、ＭｗｂがクラスタＢをローカル座標系からワールド座標系に座標変換するための座標変換行列を表しているとすると、点Ｐ１ｗは下記の式（８）によって表される。
【００６１】
Ｐ１ｗ＝Ｍｇａ×Ｍｗａ×Ｐ１ａ＋Ｍｇｂ×Ｍｗｂ×Ｐ１ｂ …（８）
図５は、比重値により調整される隣接部分の線の軌跡を説明するための模式図である。上記の処理をイメージ的に説明すると、図５に示すように、それぞれ個別のクラスタＡ，Ｂに付随したときの点Ｐ１ａと点Ｐ１ｂとを結ぶ線分Ｌａｂに対し、比率ｇａ、ｇｂの値を、例えば比率ｇａを大きくしていくと（すなわち比率ｇｂを小さくしていくと）、点Ｐ１ｗは、点Ｐ１ｗ’、点Ｐ１ｗ”というように線分Ｌａｂ上を点Ｐ１ｂ側から点Ｐ１ａ側へ移動する。このようにして、上部モデル１００と下部モデル２００との隣接部分の線の軌跡（形状）を曲線Ｌ１から、曲線Ｌ１’、曲線Ｌ１”のように調整することが可能となる。
【００６２】
上記のようにモデルの所定範囲毎にクラスタを対応させて各範囲のポリゴンの頂点データに比重値の情報を持たせておくことにより、図５に示したように隣り合うモデル１００，２００の隣接部分の形状を滑らかに接合して、モデル１００，２００間が滑らかに変形されたように表現することが可能となる。
【００６３】
次に、クラスタを用いたポリゴンの各頂点の座標変換処理の高速化について説明する。前述の式（８）を用いることにより、隣接部分の比重（ウエイト付け）表現が可能となり、画像的には滑らかになる。
【００６４】
ここで、信号処理部２２に設けられる「ＯＰＥＮ ＧＬ」や「ＤＩＲＥＣＴ Ｘ」等の標準的なＡＰＩでは、画面上の任意の点を表現するために行列と各頂点の座標との積を用いるようになっている。このため、式（８）の第１項、第２項をそれぞれＡＰＩで高速計算し得るにも拘わらず、両計算結果をワールド座標上の点として前記標準的なＡＰＩ以外の構成（ハードウエア又はソフトウエア）部分で計算（加算）し、この結果であるワールド座標上の頂点座標を表示用の単位ベクトルと共に、この信号処理部２２から画像描画処理部１３へ受け渡す必要があり、ここで時間を要することとなる。
【００６５】
さらに、比重値を持たないすなわち関連付けされていない頂点は「行列×頂点座標」のみで座標変換が可能であるのに、比重値を持つすなわち関連付けされている頂点は「行列×頂点座標」と「行列×頂点座標」との加算という計算を頂点が関連付けられているクラスタの個数だけ行わなければならない。このため、独自にＡＰＩを作成して対応するとしても、頂点毎に比重値の有無の判別を行い、その判断結果に応じて異なる計算処理を実行することとなって変換処理の低速化を招来し、ビデオゲームへの適用を困難にする。
【００６６】
そこで、図３及び図４を用いて変換処理の高速化について説明する。図３のフレームをモーションの一場面を表すフレーム１とし、フレーム１における座標変換行列Ｍｗａ，ＭｗｂをＭ１ｗａ，Ｍ１ｗｂと定義する。また、図４のフレームをモーションの次の一場面を表すフレーム２とし、フレーム２における座標変換行列Ｍｗａ，ＭｗｂをＭ２ｗａ，Ｍ２ｗｂと定義する。このとき、図３のフレーム１における点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂは式（９）から求められる。
【００６７】
Ｐ１ｗ＝Ｍ１ｗａ×Ｐ１ａ …（９）
Ｐ１ｗ＝Ｍ１ｗｂ×Ｐ１ｂ …（１０）
さらに、座標変換行列Ｍ１ｗａ、Ｍ１ｗｂの逆行列である逆座標変換行列Ｍ１ｗａ−１，Ｍ１ｗｂ−１を算出しておくことにより、式（９）及び式（１０）は式（１１）及び式（１２）のように変形される。
【００６８】
Ｐ１ａ＝Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ …（１１）
Ｐ１ｂ＝Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗ …（１２）
なお、点Ｐ１ａは頂点Ｐ１がクラスタＡにのみ関連付けられたときのクラスタＡに対するローカル座標であり、Ｐ１ｂは頂点Ｐ１がクラスタＢにのみ関連付けられたときのクラスタＢに対するローカル座標である。
【００６９】
全フレームにおいて、１つのクラスタにのみ関連付けられた頂点のローカル座標は一定なので、図３のフレームにおける点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂが図４のフレームにおける点Ｐ１ａ，Ｐ１ｂに対応し、この点をＰ２ａ，Ｐ２ｂとするとき、両者の関係は式（１３）及び式（１４）によって表される。
【００７０】
Ｐ２ａ＝Ｐ１ａ …（１３）
Ｐ２ｂ＝Ｐ１ｂ …（１４）
式（１３）及び式（１４）を式（１１）及び式（１２）にそれぞれ代入すると、下記の式（１５）及び式（１６）が得られる。
【００７１】
Ｐ２ａ＝Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ …（１５）
Ｐ２ｂ＝Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗ …（１６）
したがって、式（８）と同様に、図４のフレームにおける点Ｐ１ｗを点Ｐ２ｗとすると、点Ｐ２ｗは下記の式（１７）によって表されることになる。
【００７２】
Ｐ２ｗ＝Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｐ２ａ＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｐ２ｂ …（１７）次に、式（１７）に式（１５）及び式（１６）に代入すると、Ｐ２ｗ＝Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｍ１ｗａ−１×Ｐ１ｗ＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｍ１ｗｂ−１×Ｐ１ｗとなり、下記の式（１８）が得られる。
【００７３】
【００７４】
なお、（Ｍｇａ×Ｍ２ｗａ×Ｍ１ｗａ−１＋Ｍｇｂ×Ｍ２ｗｂ×Ｍ１ｗｂ−１）の行列部分のデータとしては、一連のモーションとして定義された各フレームに対して座標変換行列Ｍ１ｗａ，Ｍ１ｗｂ，Ｍ２ｗａ，Ｍ２ｗｂをそれぞれ記憶したメモリテーブルを予め設け、記憶されているデータを用いて求めることができる。
【００７５】
図６は、複数のクラスタを用いた場合の座標変換行列をメモリテーブルに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。図６に示すように、例えば、複数のクラスタａ，ｂ，…を用いる場合、クラスタａ，ｂ，…の数だけ座標変換行列が各フレーム（１〜ｉ）に対して記憶され、座標変換行列Ｍ１ｗａ，Ｍ１ｗｂ，…，Ｍ２ｗａ，Ｍ２ｗｂ，…，Ｍｉｗａ，Ｍｉｗｂ，…がフレーム毎にメモリテーブルとなるＲＡＭ５１等に記憶される。
【００７６】
続いて、データ圧縮と処理の整理について説明する。式（１８）の場合、頂点が関連付けられているクラスタは２個であるが、ビデオゲーム中に使用するモデルの中には、２個のクラスタには限定されず、１〜ｎ個のクラスタに関係付けられるポリゴンが存在することも考える必要がある。また、式（１８）では、クラスタと頂点との関連付けを図３に示すフレーム１を基本として計算したため、（Ｍ１ｗ、Ｐ１ｗ）をデータの基本に置いたが、基本フレームは図３のフレーム１とは限らないことから、以後、基本という意味で（Ｍ０ｗ、Ｐ０ｗ）に置き換えて、以下のように一般式として式（１９）で示す。
【００７７】
【数３】
ここで、Ｐｗは求めるフレームでのワールド座標の頂点座標であり、Ｐｓは求める頂点に関連付けられているクラスタの数であり、Ｍｇ［ｎ］は求めるフレームでの頂点に関連付けられているクラスタの比重値を表す比重行列であり、Ｍｗ［ｎ］は求めるフレームでの頂点に関連付けされているクラスタの座標変換行列であり、Ｍ０ｗ［ｎ］−１は求める頂点の、クラスタに関連付けた時点でのクラスタの基本逆座標変換行列であり、Ｐ０ｗは求める頂点の、クラスタに関連付けた時点でのワールド座標である。
【００７９】
式（１９）から、求めるフレーム時点での求める頂点の変換行列（加算行列）は、下記のようになる。
【００８０】
【数４】
上記において、モデルを構成する全頂点毎に上記の変換行列（２０）を持つので、頂点毎のデータが非常に多くなる。また、変換行列の作成も各頂点毎に行わなければならず、計算処理に時間を要し、フレーム周期に追いつかないことになる。
【００８２】
そこで、Ｍｗ［１，２，…，Ｐｓ］及びＭ０ｗ［１，２，…，Ｐｓ］はクラスタに関するパラメータであるので、全てのクラスタの行列分を持つと全頂点分をフォローできる。また、頂点固有の変換行列を求めるための情報は、どのクラスタを使用するかを、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報となるクラスタ番号（符号）で管理し、それに対する比重値Ｍｇ［ｎ］の組み合わせを対応させて持つことで、変換行列を求めるためのデータを少なくすることができる。すなわち、Ｍ０ｗ［１，２，…，Ｐｓ］はモデルにより固定されるので、モデルデータとして持つことができ、Ｍｗ［１，２，…，Ｐｓ］はフレーム単位のクラスタの座標変換行列なので、モデルのフレームデータとして持つことができる。
【００８３】
図７は、各頂点に対応させて変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値をテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図であり、図８は、関連付けられているクラスタの比重値を図７に示す符号に対応させてテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【００８４】
図７及び図８に示すように、各頂点に対応させて変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値をテーブルメモリとなるＲＡＭ５１等に記憶させ、さらに、記憶されている各符号に対応させて、関連付けられているクラスタの比重値をメモリテーブルとなるＲＡＭ５１等に記憶させた場合、各頂点に直接対応させて変換行列を求めるためのデータとなるクラスタの比重値を記憶する場合に比して、メモリ容量を低減することができる。
【００８５】
また、モデルを作成する際に、頂点毎の比重値の組み合わせの種類を予め制限し（何種類かに設定し）、この組み合わせを番号（符号）を用いて管理し、各頂点には変換行列の番号（符号）を割り当てるようにすることで、各頂点のデータ量を低減することができる。さらに、頂点変換の前に、全ての組み合わせによる変換行列（２０）を予め計算し、結果を得（ゲーム期間中、格納し）ておくことで、頂点変換を高速に計算することができる。
【００８６】
図９は、以上説明したモデルデータを使用した場合のＣＰＵ２１等による３次元モデル変形処理を示すフローチャートである。
【００８７】
先ず、再生したいモーションのアニメーションデータを用いて指定フレームにおけるクラスタの座標変換行列を作成する（ステップＳＴ１）。次いで、モデルデータの比重値の組み合わせ管理情報（例えば図８に示す符号）に従い、クラスタの座標変換行列から比重付けが指定されているクラスタの座標変換行列を求める（ステップＳＴ２）。
【００８８】
続いて、頂点が持つデータに従い、各頂点と該頂点に対応付けられている座標変換行列の番号（符号）から特定される行列とを３次元乗算処理部２４等を用いて積算してワールド座標データを求め（ステップＳＴ３）、求められたワールド座標データを擬似カメラの座標系からスクリーンの座標系に所定の行列を用いて変換する（ステップＳＴ４）。そして、得られたスクリーン座標系の頂点データに従い、画像描画処理部１３に対しグラフィックス描画（ＲＡＭ５１のフレームバッファ５５への書き込み）を行わせる（ステップＳＴ５）。
【００８９】
なお、本発明は、以下の態様が採用可能である。
（１）本実施形態は、各頂点に設定されている法線ベクトルデータに対しても同様に適用可能である。すなわち、比重付けされているクラスタの座標変換行列を利用して式（１８）又は式（１９）に基づいて座標位置の場合と同様にして法線ベクトルも変換させることができ、これによれば、ポリゴンの面に関しても接合の滑らかさを実現できることとなる。
（２）本実施形態で得られたモデル形状は描画するものに限定されず、表示画像を従来の態様のままとしながら、他のオブジェクトとの違和感のない当たりとか接触の判定用として適用することもできる。
（３）ビデオゲームに使用されるモデルデータは一般的にポリゴンモデルが主であるが、パスモデルやナーブスモデルを求めてポリゴンモデルを形成する場合においても、本実施形態で示した手法を適用可能である。
（４）本実施形態ではクラスタをモデルの外側に配設して繋がり部分を滑らかにする例で示したが、クラスタをモデルの内側に配置（定義）し、このモデルを構成するポリゴンの各頂点と内側のクラスタとを関連付けして所定の比重値を設定してもよい。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９１】
請求項２記載の本発明によれば、加算行列と頂点座標との積のみで任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、標準的なＡＰＩを用いて３次元モデルの変形処理をフレーム周期毎に高速に行うことができる。
【００９２】
請求項３記載の本発明によれば、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を１番目のフレームにおける頂点のワールド座標から求めることができるので、２番目以降の全てのフレームにおける頂点のワールド座標を予め記憶する必要がなくなり、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９３】
請求項４記載の本発明によれば、メモリテーブルから座標変換行列を読み出すだけで必要な座標変換行列を取得することができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をより高速に行うことができる。
【００９４】
請求項５記載の本発明によれば、頂点毎に関連付けられているクラスタを容易に特定することができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理を容易に行うことができる。
【００９５】
請求項６記載の本発明によれば、識別情報に関連させて比重値を設定しているので、各頂点に比重値を直接設定する場合に比して、記憶すべきデータの容量を低減することができる。
【００９６】
請求項７記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【００９７】
請求項８記載の本発明によれば、任意のフレームにおける比重行列及び座標変換行列と特定のフレームにおける逆座標変換行列及び頂点のワールド座標から任意のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることができるので、クラスタを用いた３次元モデルの変形処理をビデオゲームにおける描画周期毎に行うことができるとともに、メモリの記憶容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるビデオゲーム装置の構成を示すブロック図である。
【図２】３次元モデルを構成するポリゴンの頂点の座標変換処理を説明するための模式図である。
【図３】比重の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するために２つのモデルが互いに真っ直ぐな位置関係にあるフレームを示す模式図である。
【図４】比重の導入によるモデルの滑らかな繋ぎの実現を説明するために一方のモデルがクラスタの基準点側へ移動した状態におけるフレームを示す模式図である。
【図５】比重値により調整される隣接部分の線の軌跡を説明するための模式図である。
【図６】複数のクラスタを用いた場合の座標変換行列をメモリテーブルに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図７】各頂点に対応させて座標変換行列に関与するクラスタを特定する符号とその座標値を予めテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図８】図７に示す符号と関連付けられているクラスタの比重値とをテーブルメモリに持たせたときのメモリ内容の一例を示す図である。
【図９】本モデルデータを使用した場合のＣＰＵ等による３次元モデル変形処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ビデオゲーム装置
２ 制御部
３ 画像表示部
４ 音声出力部
５ メモリ部
６ 操作入力部
２１ ＣＰＵ
２２ 信号処理部
２３ 画像描画処理部
２４ ３次元乗算処理部
３１ インターフェース回路
３２ デジタル／アナログコンバータ
３３ モニタ
４１ インターフェース回路
４２ デジタル／アナログコンバータ
４３ 増幅回路
４４ スピーカ
５１ ＲＡＭ
５２ ＲＯＭ
５３ インターフェース回路
５４ 記録媒体
５５ フレームバッファ
Claims (8)
- スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するための３次元モデル変形プログラムであって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段としてビデオゲーム装置を機能させることを特徴とする３次元モデル変形プログラム。 - 前記比重行列、前記座標変換行列及び前記逆座標変換行列の積を頂点が関連付けされたクラスタ毎に求めて各積を加算した加算行列を求める加算手段として前記ビデオゲーム装置をさらに機能させ、
前記ワールド座標算出手段は、前記加算行列と前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標との積から前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めることを特徴とする請求項１記載の３次元モデル変形プログラム。 - 前記第２のフレームは、一連のモーションに関する１番目のフレームであることを特徴とする請求項１又は２記載の３次元モデル変形プログラム。
- 前記座標変換行列は、フレーム毎にメモリテーブルに予め記憶されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３次元モデル変形プログラム。
- 前記クラスタは、頂点毎に当該頂点が関連付けられているクラスタを特定するための識別情報を付して管理されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３次元モデル変形プログラム。
- 前記識別情報に関連させて比重値が設定されていることを特徴とする請求項５記載の３次元モデル変形プログラム。
- スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータからビデオゲーム装置を用いて描画周期に対応させて変形する３次元モデル変形方法であって、
前記ビデオゲーム装置が、第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得ステップと、
前記ビデオゲーム装置が、前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出ステップとを含むことを特徴とする３次元モデル変形方法。 - スケルトンではなく、変形すべき対象を規定するためのクラスタに関連付けられた頂点を有する複数のポリゴンから構成された３次元モデルを一連のモーションに関するフレーム毎のデータから描画周期に対応させて変形するビデオゲーム装置であって、
第１のフレームにおける頂点と当該頂点に関連付けられたクラスタとの関連付け度合いを示す比重値を表す比重行列と、前記第１のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列と、前記第１のフレームと異なる第２のフレームにおける頂点のローカル座標系からワールド座標系への座標変換行列の逆行列となる逆座標変換行列とを取得する行列取得手段と、
前記比重行列と、前記座標変換行列と、前記逆座標変換行列と、前記第２のフレームにおける頂点のワールド座標とを用いて前記第１のフレームにおける頂点のワールド座標を求めるワールド座標算出手段とを備えるビデオゲーム装置。
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