TW201237801A - Method for processing three-dimensional image vision effects - Google Patents

Description

201237801 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一種影像處理方法，特別是指一種立體影像視 覺效果處理方法。 【先前技術】 近二十多年來，電腦繪圖已成為人機介面中， 最重要之資料顯示方法，並廣泛運用於各種應用之 中。例如三維（three dimensional，3-D)電腦繪圖。 而多媒體（multimedia)以及虛擬實境（virtua丨rea〗ity) 產品則越來越普及，其不但是人機介面上的重大突 破’更在娛樂應用中扮演重要的角色。而上述之應 用，多半是以低成本即時3 -D電腦繪圖技術為基 礎。一般而言，2-D電腦繪圖是一種常用以將資料 和内容表現出來的普遍記述，特別是在互動應用 上。而3 -D電腦繪圖則是電腦繪圖中一股越來越大 的分支，其使用3-D模型和各種影像處理來產生具 有三維空間真實感的影像。 而立體電腦圖形（3D computer graphics)之建構 過程主要可依其順序分為三個基本階段： 1 :建模（modeling):建模階段可以描述為「確定 後面場景所要使用的物件之形狀」之過程，並具多 種建模技術，如構造實體幾何、NURBS建模、多邊 形建模或細分曲面等。此外，建模過程中可包括蝙 201237801 輯物體表面或材料性質，增加紋理、凹凸對應和其 他特徵。 2:場景佈局及動畫生成（layout & animation): 場景設定涉及安排一個場景内之虛擬物體、燈光、 攝影機和其他實體之位置及大小，而可用於製作一 幅靜態畫面或一段動晝。而動晝生成則可以使用關 鍵幀（key frame)等技術來建立場景内複雜的運動關 係。 3 :繪製渲染（rendering):渲染是從準備場景建立 實際的二維影像或動晝的最終階段，其可以和現實 世界中於布景完成後的照相或攝製場景之過程相 比0 V哎風5乂 類應用程式中，其經繪製出來之立體物件，其通 無法隨當使用者操作滑鼠、觸控板或觸控面板時 改變游標座標位置而即時地產生對應變化以突顯 視覺效果，導致無法給予使用者足夠之場景互動肩 另外’目前已有先前技術可將2〇影像轉換： 通常會於2D影像令選擇一主要物件 主要物件設為前景，其餘物件設為背並分別 予該些物件不同的景深^ 扣影像，但使用者的操作滑 )，進而形 一景深Β , β鼠通㊉與顯示螢幕為 不冰，且刼作滑鼠的位置 在，若滑气的旦、时次 罝通吊亦為硯覺停留） 氣的…訊與滑鼠所在位置之物件的: 4 201237801 深不同，則會有空間視覺上的錯亂 L發明内容】 本發明之主要 一種立體影像視 位置來突顯對應 Ο 影像視覺效果處 ，提供 組成 供一游 該游標 標值相 等物件 物件之 繪製與 一立體影 每一該等 標，該游 座標值是 重合；接 之該物件 物件座標 該游標座 土要目的，旨在 覺效果處理方法，1^ ^ /、可隨游標座標 之物件立體影像，以江‘ 、 乂增強人機互動 為達上述目的， ’本發明之立<1# 理方法，豆係b人 體 傻，诗/、]匕3下列步驟：首先 象該立體影像传I 物杜“ 由複數個物件所 物件具有一物件座 铽值，接著，提 4® 日丄 、有一游標座標值；接著，判斷 :與其中之-該等物件之該物件座 著’若該游標座標值與其中之一該 座標值相重合，目,1 Α Μ 1 里口則改變相對應該等 值之一深度座標參數；最後，重新 標值相符合之該物件之影像。 其中’右S玄游標座標信对徽。士 及知值改變時，則重新判斷該 游標座標值是否與其中之一兮莖札# ' Τ ^ 忒寺物件之物件座標值 相重合。 其中，該等物件座標值係對應本地座標、世界 座標、視角座標或投影座標之座標值。 其中’該游標座標值係由滑鼠、觸控板或觸控 面板所產生。 其中’該立體影像係依序由建模（m〇deHng)、場 201237801 景佈局及動晝生成（layout & animation)及繪製沒染 (rendering)等電腦繪圖步驟所產生。 其中’該等物件之物件座標值之該深度座標值 係由Z缓衝法（Z buffer)、晝家深度排序法、平面法 線判定法、曲面法線判定法' 最大最小法等方式所 決定。 【實施方式】 為使貴審查委員能清楚了解本發明之内容，謹 以下列說明搭配圖式，敬請參閱。 請參閱第1A圖、第1B圖及第2圖所示，其係 為本發明立體影像視覺效果處理方法較佳實施例之 步驟流程圖、使用本發明立體影像視覺效果處理方 法所形成之一立體影像及一三維繪圖流程圖。其 中’立體影像11係由複數個物件1 2所組成，其依 序由應用程式 21 (Application)、作業系統 22 (Operation System)、應用程式介面 23 (Application programming interface，API)、幾何轉換 子系統24(Geometric Subsystem)及著色子系統 25(Raster subsystem)所產生。而該立體影像視覺效 果處理方法包含下列步驟： S 11:提供一立體影像’該立體係由複數個物件所 組成，每一該物件具有一物件座標值。 S 1 2 :提供一游標，該游標具有一游標座標值。 201237801 s 13.判斷該游標座標值是否盥盆 — 件之該物件座標值相重合。 ”、-遠等物 S14:若該游標座標值與其中之一該等物件 物件座標值相重合，則 〇x 座产信夕 m改隻相對應該等物件之物件 座‘值之一深度座標參數。 之影Γ。:重新繪製與該游標座標值相符合之該物件 重新判斷該游標 物件座標值相重 S 1 6 :若該游標座標值改變時， 座標值是否與其中之一該等物件之 合0 此外，若該游標座標值與該物件座標值不相重 合時，則於每一預設週期時間I重新判斷該游標座 才不值疋否與其中之一該等物件之物件座標值相重 合，如步驟S 1 7所示。 其中，該游標座標值可由滑鼠、觸控板或觸控 面板或任何可供使用者與電子裝置互動之人機介面 (Human-Computer interaction)所產生。 其中’該立體影像Π係以立體電腦繪圖（3d computer graphic)的方式所繪製。該立體影像可依序 由建模（modeling)、場景佈局與動晝生成（iay〇ut & animation)及繪製渲染（rendering)等電腦繪圖步驟 所產生。 其中，該建模階段又大致可分為以下幾類： 構造實體幾何（constructive solid geometry， 201237801 CSG)，於構造實體幾何中，可以使用邏輯運算子 (logical operator)將不同物體（如立方體、圓柱體、 棱柱、棱錐、球體、圓錐等）’以並集、交集及補集 專方式組合成複雜的曲面’藉以形成一並集幾何圖 形7〇〇、交集幾何圖形701及補集幾何圖形702，而 可用其建構複雜的核型或曲面。如第3A圖、第3B 圖及第3C圖所示。 2 :非均勻有理樣條（non uniform fati()nal B-spline，NURBS):其可用來產生和表示曲線及曲 面’一條NURBS曲線703，其係由階次（〇rder)、一 組具有權重（weight)控制點及一節點向量（kn〇t vector)所決定。其中，NURBS係為B-樣條（B spHne) 及貝赛爾曲線（B6zier curves)及曲面兩者之廣義概 念。藉由估算一 NURBS曲面704之s及t參數，可 將此曲面於空間座標中表示。如第4A圖及第4B圖 所示。 3:多邊形建模（polygon modeling):多邊形建模 是以多邊形網格（polygon mesh)來表示或是用於近 似物體曲面之物體建模方法。而通常網格（mesh)是 以三角形、四邊形或者其他簡單凸多邊形所組成一 多邊型建模物件705。如第5圖所示。 4 ·細分曲面（subdivision surface):又稱為子分 曲面，其用於從任意網格建立光滑曲面，藉由反覆 細化初始的多邊形網格，可產生一系列網格逼近至 8 201237801 無限的細分曲面，备 > e s丄 且母細分部都產生更多多邊形 元素及更光滑的姻执，& π丄 / 贫的、，周格而可由依序由-方體7〇6逼 近成一苐一類球體7〇7、 筮 α 髖707 第二類球體708、一第二 類球體7 0 9及—球體7〗〇。、货

咏骽710。如第6A、6B、6C 及6E所示。 叫π漫模步驟中，亦可章 了視而求編輯物體表面或 材料性二’増加紋理’凹㈣應或其他特徵。/ 而笱尽佈局及動晝生成用於安排一場景内之虛 擬物體、燈光、摄旦彡, h 攝〜機或其他貫體，用於製作靜態 真面或動旦。场景佈局用於定義物件於場景中之位 置及大小之空間關係。動畫生成則用於暫態描述一 物件’如其隨時間運動或變形，其可使用_貞 framing)逆運動（inverse kinematic)及動態捕捉 (motion capture)來達成。 繪製澄染則係由準備的場景建立實際的二維景 像或動畫的最終階段’其可分為非即時（n〇n real time)方式或即時（real time)方式。 非即時方式其係將模型以模擬光傳輸（Hght transport)以獲得如相片擬真（ph〇t〇 reaHstic)之真實 效果’通常可用光跡追蹤法（ray tracing)或幅射度演 算法（radiosity)來達成。 即時（real time)方式則使用非照片擬真（non photo realistic)之渲染法以取得即時之繪製速度，而 可用平直者色法（flat shading)、Phong著色法、 201237801

Gouraud著色、點陣圖紋理（bit map texture)、凹凸 紋理對應（bump mapping)、陰影（shading)、運動模 糊（motion blurr)、景深（depth of field)等各種方式來 繪製，如用於遊戲或模擬程式等互動式媒體之圖像 繪製’均需要及時計算和顯示，其速度上大約為2〇 至120巾貞（frame)每秒。 為更清楚了解三維繪圖方式，請一併參照第7 圖’其係為一標準三維繪圖著色管線之示意圖。圖 中。該著色管線係根據不同的座標系統而分割成數 個部份’大致包括一幾何轉換子系統3 1及一著色子 系統32。定義物件5 1内所定義之物件係為三維模 型之描述定義，其使用座標系統參考其本身參考點 稱為本地座標空間41(local coordinate space)。當合 成一幅二維立體影像，各個不同的物件由資料庫中 讀取，並轉換至一個統一的世界座標空間42(w〇rld coordinate space)，並於世界座標空間42内進行定 義~厅、、參考視角與光源5 2 ’而由本體座標空間4 j 轉換至世界座標空間42之過程稱為模型化轉換 6 1。接著，須定義觀測點（view)的位置。由於繪圖系 統硬體解析度的限制，而必須將連續的座標轉換至 含有X及Y座標，以及深度座標（亦稱為z座標）的 一維螢幕空間，當作隱藏面的消除（hidden surface rem〇Val)以及將物件以像素（Pixel)的方式繪製出 來而由世界座標空間42轉換至視角座標空間43 , 201237801 以進行挑出及修剪至三維視角範圍53之步驟，此過 私又稱之為視角轉換6 2。接著，由視角座標空間4 3 轉換至二維螢幕座標空間44，以進行隱藏面消除、 著色及陰衫處理54。之後，框架緩衝區（framebuffer) 將最終結果的圖像輸出至螢幕上，而由三維螢幕座 私二間轉換至顯示空間4 5。在本實施例中，於該幾 何轉換子系統及該著色子系統之步驟中，可以微處 理益來完成’或搭配以硬體加速裝置來完成，如圖 形處理單元（GraPhic Processing unit，GPU)或 3D 繪 圖加速卡等。 °月參照第8圖 、圖，其係為本創作立體影像視覺效果處理方 法較佳實施例之影像顯示第一示意圖、第二示意 圖、第三示意圖、第四示意圖及第五示意圖。當使 :者藉由操作滑鼠、觸控板' 觸控面板或任何人機 "面時移動該游標’而改變該游標座標值時 新判斷該游標座標值是否與其巾之—該等 之物件座；I：» λ ^ ‘值相重合。若不相重合’則維持原顯示 :立體影像"而不重新繪製。若該游標值與其 该等物件12之物件座標值相重合 :應該等物件之物件座標值之深度座…= 11 繪圖著色管線步驟重新繪製立體影像 時，則二1 票座標值改變而與其他物件12相符合 、’、“’ k物件1 2回復其原深度座標參數，另一 201237801 =之物件u則改變其深度座標參數，當重新誇 1 立體影像11便突顯出被點選物件12之立體 視覺效果。藉此可供使用者操作滑鼠等人機介面工 具而：立體影像產生一定之互動效果。此外，當其 中之-物件12與游標座標位置相符合而改變其深 度座標位置時，直他物株 座標位置而产…1 參數亦可隨游標 而Ik之改k，如此更可突顯其視覺感受 互動效果。 八 ，、中，該物件之物件座標之該深度座標 由下述方式所決定： 了 * —ι·ζ緩衝法（z buffering)，又稱為深度缓衝法， =卞物件時’每一個生成的像素之深度（即z座標） 儲存於-緩衝區中’該緩衝區亦稱為z緩衝區或深 w緩衝區，而該緩衝區則組成一儲存每一螢幕像素 j度之x-y二維組。若場景中另外一個物件亦於同 像素生成渲染結果，則比較兩者之深度值，且保 離觀察者較近之物體，並將此物件深度儲存至 冰，緩衝區内’最後，依據該深度緩衝區正確地深 〆，效果，較近的物體遮擋較遠的物體。而此過

私亦稱為Z消隱（z cu川ng)。如第12A圖及第12B 斤示之 Z緩衝立體影像7 11及一 z緩衝示意影 像 7 1 2。 ' 2 ·畫豕深度排序法（painter，s a丨g〇rithm):其首 先會製距離較遠的物件，然後在繪製距離較近的物 12 201237801 件以覆蓋較遠的物件部份，其先將各個物件根據深 度進行排序，然後依照順序進行繪製，而依序形成 一第一晝家深度排序影像7 1 3、一第二晝家深度排 序影像7 1 4及一第三畫家深度排序影像7 1 5。如第 13A圖、第13B圖及第13C圖所示。 3 :平面法線判定法：其適用於無凹線之凸多面 體，例如正多面體或水晶球，其原理為求出每個面 之法線向量，若法線向量之Z分量大於0 (即面朝線 觀察者），則該面為可視平面7 1 6，若法線向量之Z 分量小於0，則判定為隱藏面7 1 7，無須繪製。如第 1 4圖所示 4 :曲面法線判定法：使用曲面方程式作為判定基 則，如用於求物件受光亮時，則將每一點之座標值 帶入方程式，求得法向量並與光線向量進行内積運 算，以求得受光亮，於繪製時由最遠之點開始繪製。 如此近的點於繪製時將遮蓋住遠的點，以處理深度 問題。 5 :最大最小法：當繪製時從最大之Z座標開始繪 製，而最大最小點根據Y座標之值來決定哪些點須 被繪製，而形成一立體深度影像7 1 8。如第1 5圖所 示。 本創作立體影像視覺效果處理方法，其功效在 於可藉由操作游標移動，使對應之物件改變其深度 座標位置而能突顯其視覺效果。此外，其他的物件 13 201237801 亦對應改變其相對座標位置，以進一步突顯影 覺之變化。 唯，以上所述者，僅為本發明之較佳實施 已，並非用以限定本發明實施之範圍，在不脫 發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾， 涵蓋於本發明之專利範圍内。 綜上所述，本發明之立體影像視覺效果處 法，係具有專利之發明性，及對產業的利用價 申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明 之申請。 像視 例而 離本 皆應 理方 值； 專利 14 201237801 【圖式簡單說明】 第1 A圖，為本發明立體影像視覺效果處理 實施例之步驟流程圖。 第1B圖，使用本發明立體影像視覺效果處 佳貫施例所形成之一立體影像。 第2圖，為本發明立體影像視覺效處理方 施例之三維繪圖流程圖。 第3 A圖，為本發明立體影像視覺效果處理 並集邏輯運算子建模之示意圖。 第3B圖，為本發明立體影像視覺效果處理 交集邏輯運算子建模之示意圖。 第3C圖，為本發明立體影像視覺效果處理 補集建模之示意圖。 第4A圖，為本發明立體影像視覺效果處理 NURBS曲線建模之示意圖。 第4B圖，為本發明立體影像視覺效果處理 NURBS曲面建模之示意圖。 第5圖，為本發明立體影像視覺效果處理 多邊形網格建模示意圖。 第6Λ圖，為本發明立體影像視覺效果處理 細分曲面建模第一示意圖。 第6B圖’為本發明立體影像視覺效果處理 細分曲面建模第二示意圖。 第6 C圖’為本發明立體影像視覺效果處理 方法較佳 理方法較 法較佳實 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 方法使用 201237801 細分曲面建模第三示意圖。 第6D圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法使用 細分曲面建模第四示意圖。 第6E圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法使用 細分曲面建模第五示意圖。 第7圖，為本發明立體影像視覺效果 用之標準％圖著色管線示意圖。 所使 第8圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法較佳 實施例之影像顯示第一示意圖。 第9圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法 實施例之影像顯示第二示意圖。 第1 〇圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法較佳 實施例之影像顯示第三示意圖。 第11 A圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法較 佳實施例之影像顯示第四示意圖。 第11B圖’為本發明立體影像視覺效果處理方法較 佳實施例之影像顯示第五示意圖 第1 2 A圖’為本發明立體影像視覺效果處理方法使 用Z緩衝繪製物件之第一示意圖。 第1 2B圖’為本發明立體影像視覺效果處理方法使 用Z緩衝續'製物件之第二示意圖。 第13 A圖’為本發明立體影像視覺效果處理方法使 用晝豕冰度排序法繪製物件之第一示意圖。 第1 3 B圖’為本發明立體影像視覺效果處理方法使 201237801 用晝家深度排序法繪製物件之第二示意圖。 第1 3 C圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法使 用畫家深度排序法繪製物件之第三示意圖。 第1 4圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法使用 平面法線判定法繪製物件之示意圖。 第1 5圖，為本發明立體影像視覺效果處理方法使用 最大最小法繪製物件之示意圖。 【主要元件符號說明】 11 立體影像 12 物件 21 應用程式 22 作業系統 23 應用程式介面 24 幾何轉換子系統 25 著色子系統 3 1 幾何轉換子系統 32 著色子系統 41 本地座標空間 42 世界座標空間 43 視角座標空間 44 三維螢幕座標空間 45 顯示空間 5 1 定義物件 17 201237801 52 定義場景、參考視角與光源 53 挑出及修剪至三維視角範圍 54 隱藏面消除、著色及陰影處理 61 模型化轉換 62 視角轉換 700 並集幾何圖形 701 交集幾何圖形 702 補集幾何圖形 703 NURBS 曲線 704 NURBS 曲面 705 多邊形建模物件 706 方體 707 第一類球體 708 第二類球體 709 第三類球體 710 球體 711 Z緩衝立體影像 712 Z緩衝示意影像 713 第一畫家深度排序影像 714 第二晝家深度排序影像 715 第三畫家深度排序影像 716 可視平面 717 隱藏面 718 立體深度影像 18 201237801 S 1 1〜S 1 7 :步驟流程 19

Claims (1)

1. 201237801 七、申請專利範圚·· 】.-種立體影像視覺效果處 提供-立體影像，該立體影像：：下列步驟: 組成，每-該等物件且有=複數個物件印 哥物件具有—物件座標值； 游標，該游標具有-游標座標值； 判斷該游標座標值是 該物件座標值相重合；4中之一該等物件之 :該游標座標值與其中之—該等物件之該物件 座標值相重合，則改變相對應該等物件之物件座標值 之一深度座標參數；及 仵值 重新繪製與該游標座標值相符合之該物件之影 像。 如申明專利範圍第！項所述之立體影像視覺效果處 理方法，其中，若該游標座標值改變時，則重新判斷 Sx游軚座；^值疋否與其中之一該等物件之物件座標 值相重合。 3 ’如申凊專利範圍第1項所述之立體影像視覺效果處 理方法’其中’該等物件座標值係對應本地座標、世 界座標、視角座標或投影座標之座標值。 4.如申請專利範圍第1項所述之立體影像視覺效果處 理方法’其中’該游標座標值係由滑鼠、觸控板或觸 控面板所產生。 5 ·如申請專利範圍第丨項所述之立體影像視覺效果處 理方法’其中，該立體影像係依序由建模 20 201237801 (modeling)、場景佈局與動晝生成（layout & 及繪製渲染（rendering)等電腦繪圖步驟所產 6.如申請專利範圍第1項所述之立體影像視 理方法，其中，該等物件的該物件座標值之 標參數係由Z緩衝法（Z b u f f e r i n g )、晝家 法、平面法線判定法、曲面法線判定法、最 等方式所決定。 animation 生。 覺效果處 該深度座 深度排序 大最小法 21