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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung einer dreidimensionalen
Struktur auf einer ebenen oder gekrümmten Anzeigefläche
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Mit
der Verfügbarkeit von hochgenauen, digitalen Elevationsdatenbanken
(DDTB = Detailed Digital Terrain Database) und von hochauflösenden
RADAR- und LADAR-Systemen (z. B. HELLAS
® von
EADS Deutschland GmbH), kommen vermehrt sogenannte ”Synthetic
Vision”-Anzeigen in den Cockpits moderner Luftfahrzeuge
zum Einsatz. Unter einer ”Synthetic Vision”-Anzeige
versteht man in erster Linie die synthetische, d. h. künstliche,
Darstellung der umgebenen Geländestruktur mit all ihren
signifikanten Erhebungen – dem sogenannten Bodenprofil
(zumeist ergänzt durch weitere Symbolik). Eine solche synthetische ”Außensicht” soll
den Piloten während des Fluges, insbesondere bei unsichtigem
Wetter, zusätzlich unterstützen und somit letztendlich
die Flugsicherheit erhöhen (siehe z. B.
DE 102004051625A1 ).
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Das
Hauptproblem bei einer ”Synthetic Vision” Geländedarstellung
liegt in dem Umstand begründet, dass eine dreidimensionale,
geometrische Struktur (das Gelände) auf einer 2-dimensionalen
Display-Ebene dargestellt werden muss. Dies geschieht über
eine Zentralprojektion, also einer geometrischen Abbildung, welche
dem menschlichen Sehen entspricht. Hierdurch besteht jedoch die
Gefahr, dass – bei unvorteilhafter Lösung – die
geometrische Tiefe des dargestellten Geländes nur unzureichend
wiedergegeben wird oder sogar verloren geht.
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Zur
Visualisierung der Tiefe von dreidimensionalen Geländestrukturen
auf einem Display werden schon seit längerer Zeit äquidistante
Flucht- und Distanzlinien benutzt (
1). Diese
Flucht- und Distanzlinien folgen der Geländestruktur und
zerlegen das Terrain in zumeist gleichgroße Quadrate oder
Rechtecke, welche in der perspektivischen Verkürzung den
Eindruck der Tiefe vermitteln sollen (z. B.
DE 102007014015 A1 ,
DE 4314811 A1 ).
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Das
Konzept der Flucht- und Distanzlinien ist etabliert und wird fast
durchgängig bei der Visualisierung von 3-dimensionalen
Geländestrukturen verwendet. Es liefert im Allgemeinen
einen recht guten Tiefeneindruck vom Gelände, hat jedoch
seine Schwächen – insbesondere, wenn ausschließlich
ein Gitternetz aus einfachen Linien zur Tiefenvisualisierung verwendet
wird.
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Oft
wird die Geländeelevation in ”Synthetic Vision
Displays” z. B. in Abhängigkeit der momentanen Flughöhe
des Luftfahrzeugs farblich kodiert (z. B. rot für sehr
große Geländeerhebungen). Diese Art der Darstellung
vermittelt dem Piloten einen guten Eindruck von der Höhe
des umgebenden Geländes relativ zu seiner Flughöhe,
der Tiefeneindruck ist jedoch meist weniger befriedigend bis schlecht,
trotz der Verwendung von Flucht- und Distanzlinien.
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Versuche,
die Tiefe des Geländes in der Displayanzeige dadurch zu
verbessern, indem man lediglich die Anzahl der Flucht- und Distanzlinien
erhöht und/oder zusätzliche Diagonallinien einführt,
zeigen nicht den gewünschten Gewinn an Tiefeninformation
für den Betrachter. Ein feinmaschiges Netz aus Flucht-
und Distanzlinien (und evtl. Diagonallinien) bildet zwar die Geometrie
des Geländes besser ab, trägt jedoch nicht immer
zur Verbesserung des Tiefeneindrucks für den Betrachter
bei. Eine bekannte Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen
ist die Verwendung von Punkten oder unterbrochenen Strichen für
die Flucht- und Distanzlinien. Zumeist liefert eine solche Darstellung
einen besseren Tiefeneindruck, trotz feinmaschiger Flucht- und Distanzlinien.
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Die
Möglichkeiten, allein auf Basis eines Gitternetzes von
Flucht- und Distanzlinien einen guten Tiefeneindruck des abgebildeten
Geländes zu erzielen, sind letztendlich jedoch begrenzt.
Um diese Einschränkung zu umgehen, geht man weg von einfachen
Linien hin zu regelmäßigen Flächenelementen
(sogenannte Patches). Die 2 und 3 zeigen
hierzu Beispiele für eine ebene Umgebung (2)
sowie für ein dreidimensionales Geländeprofil
(3). Das Gelände wird dabei in gleichgroße,
alternierend eingefärbte Flächenelemente zerlegt,
die in Zentralperspektive, d. h. aus der Sicht eines Beobachters,
in einer zweidimensionalen Displayebene dargestellt werden. Es entsteht
eine regelmäßige, schachbrettartige Texturierung
des Geländes. Die Flächenelemente der Texturierung
werden durch die ursprünglichen Flucht- und Distanzlinien begrenzt – wobei
diese Linien zusätzlich zu den Flächenelementen
erhalten bleiben können oder auch nicht (siehe 2).
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Die
Nachteile dieser schachbrettartigen Texturierung zur Lösung
des ”Tiefenproblems” sind zweierlei:
- a) Es kommt im Allgemeinen im Fernbereich des Schachbrettmusters
zu sog. visuellen Artefakten. Die Ursache hierfür liegt
darin begründet, dass – auf Grund der perspektivischen
Verzerrung – ein immer kleiner werdendes Schachbrettmuster über
einem äquidistanten Display-Pixelraster abgebildet wird.
Dieser Effekt ist in der Signaltheorie und digitalen Bildverarbeitung
wohl bekannt und wird durch das Shannon'sche Abtasttheorem mathematisch
beschrieben.
- b) Der entscheidende Nachteil eines Schachbrettmusters zur visuellen
Vermittlung der Tiefe eines abgebildeten Geländes liegt
in der Tatsache begründet, dass dynamische Ortsänderungen
des Beobachters (z. B. beim Flug über das Gelände)
bei annähernd gleicher Blickrichtung nur unzureichend oder
gar nicht wahrzunehmen sind – falls die Display-Anzeige
nicht permanent und hoch konzentriert durch den Piloten beobachtet
wird. Mit anderen Worten: Es sieht alles immer relativ gleich aus – insbesondere,
wenn man sich im diskreten Rasterabstand des Schachbettmusters nach
links/rechts oder nach vorn/hinten bewegt hat, ohne diese Bewegung
bewusst und konzentriert jeweils zu verfolgen.
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Auf
Grund der komplexen Anforderungen an den Piloten während
des Fluges ist es nicht möglich oder zumindest sehr unwahrscheinlich,
dass der Pilot ein ”Synthetic Vision”-Display
permanent und hoch konzentriert beobachten kann. Bei den oben aufgeführten,
bekannten Lösungsvorschlägen des ”Tiefenproblems” kann es
deshalb wegen den angegebenen Gründen zu visuellen Orientierungsproblemen
kommen, welche ihrerseits wiederum in den möglicherweise
kritischen Sekunden die Entscheidungsfähigkeit des Piloten
und damit seine missionsbedingte Handlungsfreiheit negativ beeinflussen
können. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die beschriebenen Probleme im Zusammenhang mit der Visualisierung
von Tiefe in einer Display-Darstellung zu lösen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt
in der sicheren sowie leichten und schnellen Erfassung der Tiefe
durch den Beobachter – insbesondere bei der Anwendung auf
dreidimensionale Geländeprofile (z. B. aus digitalen Elevationsdatenbanken).
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine sehr viel größere ”Natürlichkeit” in
der Displayanzeige als alternative Vorschläge. Aus diesem
Grund ist sie in der Lage, entsprechende Anzeigen in sogenannten ”Synthetic
Vision”-Displays, wie sie in modernen Luftfahrzeugen vermehrt
zum Einsatz kommen, zu verbessern. Damit kann der Pilot besser unterstützt
bzw. entlastet werden und dies hilft die Flugsicherheit – insbesondere
bei kritischen Missionen oder Flugprofilen – zu erhöhen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es dem Piloten, die Tiefe
der Geländedarstellung auf einem Display auch dann stets
klar und schnell zu erkennen und visuell zu erfassen, wenn der Pilot
die Displayanzeige des Geländes nicht permanent und hochkonzentriert
beobachten kann, weil zwischenzeitlich andere Dinge im Cockpit seine
Aufmerksamkeit beanspruchen. Insofern liefert die vorliegende Erfindung
nicht nur einen verbesserten Tiefeneindruck als die bekannten und
etablierten Konzepte, sondern ist auch im Hinblick auf den operationellen
Einsatz im Cockpit flexibler.
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Die
Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf Fig. näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Flucht-
und Distanzlinien zur Darstellung der Tiefe einer Ebene in einer
zweidimensionalen Display-Darstellung (Stand der Technik);
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2 Schachbrettmuster
zur Visualisierung der Tiefe einer Ebene in einer zweidimensionalen
Display-Darstellung (Stand der Technik);
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3 ein
weiteres Beispiel für die Schachbrettdarstellung eines
Geländeprofils (Stand der Technik);
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4 die
Darstellung eines Geländeprofils gemäß der
Erfindung.
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Zur
Vermittlung eines guten Tiefeneindrucks des abgebildeten dreidimensionalen
Geländes auf einem Display erscheint eine durch Flächenelemente
strukturierte, flächenhafte Darstellung der dreidimensionalen Struktur
besser geeignet als eine entsprechende Darstellung, die aus Flucht-
und Distanzlinien besteht. Bei einer flächenhaften Darstellung
gehen die Flucht- und Distanzlinien nicht verloren, da sie die einzelnen
Flächenelemente begrenzen. Die Flächenelemente
werden i. d. R. den Tiefeneindruck des dargestellten Geländes
besser unterstützen – insbesondere, wenn die Flucht-
und Distanzlinien sehr eng beieinander liegen oder wenn zusätzliche
Informationskodierungen (wie z. B. die Geländehöhe)
in die Anzeige mit aufgenommen werden.
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Gemäß der
Erfindung werden die Flächenelemente mit n (n ≥ 3)
unterschiedlichen Farben (im Folgenden ”Darstellungsfarben” genannt,
dabei kann es sich auch um Grautöne handeln) eingefärbt,
wobei die Verteilung der einzelnen Farben auf die Flächenelemente
zufällig ist.
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Dabei
können die Flächenelemente zusätzlich
von Flucht- und Distanzlinien begrenzt werden.
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Die
zufällige Verteilung der Darstellungsfarben auf die Flächenelemente
kann insbesondere mit Hilfe eines rekursiven, arithmetischen Verfahrens
zur Berechnung deterministischer Zufallszahlen (sog. Pseudozufallszahlen)
bewerkstelligt werden – insofern ist die Verteilung der
Darstellungsfarben auf die Flächenelemente nicht wirklich
zufällig. Der Vorteil eines solchen Berechnungsverfahrens
für Pseudozufallszahlen liegt in dem Umstand begründet,
dass es leicht auf einem beliebigen Computer implementiert werden
kann. Dies ermöglicht eine universelle Einsetzbarkeit der
vorliegenden Erfindung in verschiedensten Systemen, in denen dreidimensionale
Strukturen räumlich visualisiert werden sollen.
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Ein
rekursives, arithmetisches Verfahren zur Berechnung von Pseudozufallszahlen
benutzt bei jedem Berechnungszyklus bereits bekannte Zufallszahlen
als Startwerte zur Ermittlung einer neuen Pseudozufallszahl. Mit
diesem Mechanismus wird in einem rekursiven Prozess eine Folge von
Pseudozufallszahlen erzeugt. Diese Folge ist deterministisch, da
bei Vorgabe von jeweils gleichen Startwerten stets die gleiche Folge
von Pseudozufallszahlen erzeugt wird.
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Ein
für die Erfindung verwendbares Berechnungsverfahren zur
Erzeugung von Pseudozufallszahlen besteht allgemein aus einem Quadrupel: X(Zm, S, f, g)
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Hierbei
bezeichnet die Menge Zm den sog. Zustandsraum
mit der Mächtigkeit m Zm := {0, 1, ...,
m – 1} mit m ∈ N+ und
m >> 1,die Menge S
die Startwerte des Verfahrens S := {y0,
y1, ..., yk–1} ∈ Z k / m mit
k ∈ N+ und k ≥ 1, die f ist die arithmetische Übertragungsfunktion
nach Zm f : Zkm → Zm, (yn–k,
yn–k+1, ..., yn–1) ↦ f(yn–k, yn–k+1,
..., yn–1) =: yn mit
n ≥ kwobei yn den n -ten Zustandswert
bezeichnet und
die g die Normierungsfunktion
auf das rechts offene Einheitsintervall ist
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Eine
mögliche konkrete Ausprägung dieser Berechnungsvorschrift
kann z. B. folgendermaßen ausgestaltet werden:
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Mit
k = 1 reduziert sich die Menge der Startwerte auf genau ein Element: S = {y0} ⊂ Zm
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Für
die arithmetische Übertragungsfunktion wählt man
dann für n ≥ 2 z. B. f(yn–1) = (ayn–1 +
b) mod m = yn mit a, b ∈ {1, ...,
m – 1}(Vorschlag von D. H. Lehmer, 1949).
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Das
oben beschriebene Konzept zur rekursiven Berechnung von Pseudozufallszahlen
ist jedoch allgemeingültig und kann somit leicht an gegebene
Anforderungen für die Anwendung der Erfindung angepasst werden.
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Zur
Visualisierung der Tiefe mit Hilfe des Pseudozufalls werden zunächst
n (n ≥ 3) unterschiedliche Darstellungsfarben definiert.
Das Ziel ist, die unterschiedlichen Darstellungsfarben per Pseudozufall
den Flächenelementen, in welche die Texturierung der dreidimensionalen
Struktur zerlegt ist, zuzuordnen. Einen vorteilhaften optischen
Effekt erzielt man, wenn sich die gewählten unterschiedlichen
Farben für die Flächenelemente nicht sehr stark
voneinander unterscheiden (z. B. könnte man hierfür
drei Grautöne wählen – hell, mittel, dunkel).
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Hierzu
werden in einem ersten Schritt die ausgewählten Darstellungsfarben
der Flächenelemente über eine geeignete f den Pseudozufallszahlen aus dem rechts
offenen Intervall [0, 1) zugeordnet. f
: [0,1) → {1, 2, 3, ..., n} ⊂ N (1)
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Unter
Annahme der Gleichverteilung der Pseudozufallszahlen zi über
dem Intervall [0, 1) könnte z. B. eine solche Zuordnung
zur n-ten Darstellungsfarbe cn durch die
folgende Abbildung erfolgen: zi ↦ f(zi) := ⌊zin
+ 1⌋ = cn mit n (n ≥ 3).
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Bei
dem Operator ⌊ ⌋ handelt es sich um die Gauß'sche
Klammer.
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Mit
Hilfe einer solchen oder äquivalenten Berechnungsvorschrift
wird jeder Pseudozufallszahl zi genau eine
Darstellungsfarbe cn für die Flächenelemente
zugeordnet.
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Die
Flucht- und Distanzlinien als reale oder virtuelle Begrenzungen
der unterschiedlich gefärbten Flächenelemente
bilden über dem darzustellenden Gelände ein äquidistantes
Gitternetz. Mithin lässt sich jedes einzelne Flächenelement
durch seinen Ort innerhalb dieser Gitternetzanordnung eindeutig
beschreiben. Diese Eindeutigkeit in der Ortszuordnung der Flächenelemente
bleibt im Übrigen erhalten, egal ob das äquidistante Gitternetz
der Flucht- und Distanzlinien relativ zum Ort des Luftfahrzeugs
oder absolut, geo-referenziert vorliegt. Völlig analog
gilt diese Tatsache im Übrigen auch für nicht
quadratische bzw. nicht rechteckige Gitternetzanordnungen, wie z.
B. ein äquidistantes Gitternetz, das aus einer hexagonalen
Wabenstruktur aufgebaut ist oder z. B. nur aus Dreiecken besteht.
Die seitlichen Begrenzungen dieser Art von Flächenelementen
bilden dann natürliche keine Flucht- und Distanzlinien
mehr. Dieser Umstand ist für die vorliegende Erfindung
jedoch ohne jeden Belang und alle hier gemachten Aussagen können
völlig gleichwertig auch auf nicht-quadratische bzw. nicht-rechteckige, äquidistante
Gitternetzanordnungen der Flächenelemente angewendet werden.
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Bezeichnen φ, λ ∈ R
die Ortskoordinaten eines Flächenelements. Sei weiterhin
g eine geeignete Funktion, die jedem Ortskoordinatentupel einen ”zufälligen” Wert
aus dem Intervall [0, 1) zuordnet, also: g
: R2 → [0, 1) (2)
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Eine
mögliche konkrete Ausprägung dieser Funktion könnte
mit einer Pseudozufallszahl z
i ∈ [0,
1) z. B. folgendermaßen gestaltet werden:
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Mit
Hilfe einer solchen oder äquivalenten Berechnungsvorschrift
wird jedem Ortskoordinatentupel ein ”zufälliger” Wert
aus dem Intervall [0, 1) zugeordnet.
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Durch
die oben eingeführten (1) und (2) kann nunmehr eine zusammengesetzte
Abbildung definiert werden, welche jedem Ortskoordinatentupel eine ”zufällig” ausgewählte
Farbe aus der Menge der n (n ≥ 3) vorgegebenen Darstellungsfarben
für die Flächenelemente zuordnet: f ∘ g
: R2 → {1, 2, 3, ..., n} ⊂ N,
(φ, λ ↦ f(g(φ, λ))
mit φ, λ ∈ R
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Die
konkreten Realisierungen der (1) und (2) sollten für eine Implementierung
in einem operationellen System möglichst vorteilhaft ausgelegt
werden und können sich von den hier angegebenen Beispielen unterscheiden.
Das zugrundeliegende Konzept bleibt jedoch stets anwendbar, nämlich
die ”zufällige” Zuordnung einer Farbe
aus der Menge der vorgegebenen Darstellungsfarben zu einen bestimmten
Flächenelement des Gitternetzes der Texturierung.
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Mit
der ”zufälligen” Zuordnung der Darstellungsfarben
zu den einzelnen Flächenelementen der Texturierung wird
die strenge und unnatürliche Homogenität bei der
Visualisierung von Geländestrukturen aufgehoben, wie man
sie im Stand der Technik (2, 3)
beobachten kann. Durch die ”zufällige” Farbzuordnung ergibt
sich ein sehr eigentümlicher optischer Effekt, welcher
die Geländeoberfläche für den Betrachter
sehr viel ”natürlicher” erscheinen lässt.
Auf Grund der ”zufälligen” Verteilung
der n (n ≥ 3) Darstellungsfarben auf die einzelnen Flächenelemente
kommt es zu ”zufälligen” optischen Cluster-
und Musterbildungen, die – im Gegensatz zur Schachbrett-Darstellung – jeweils
unterschiedlich geformt sind. Dies ermöglicht es dem Beobachter, sich
deutlich leichter auf dem Gelände zu orientieren, weil
er sich jeweils an gewissen, optisch auffälligen Farbclustern
oder inhomogenen Mustern als Bezugspunkte orientieren kann. Auch
und insbesondere die Tiefe des dargestellten Geländes tritt
durch die optisch inhomogene Strukturierung auf Grund der ”zufälligen” Verteilung der
Darstellungsfarben deutlich vorteilhaft hervor. Darüber
hinaus bewirkt die erfindungsgemäße ”zufällige” Farbanordnung
für die Flächenelemente einen sehr viel natürlicheren
visuellen Gesamteindruck des dargestellten Geländes.
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4 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Konzept zur Visualisierung
der Tiefe von Geländestrukturen im Vergleich zur Schachbrett-Darstellung
desselben Geländes gemäß 3.
Dargestellt ist ein dreidimensionales Geländeprofil, mit
einer Texturierung, welche aus gleichgroßen, quadratischen
Flächenelementen aufgebaut ist, wobei die Flächenelemente
in der Perspektive eines Beobachters dargestellt sind. Die Darstellungsfarben
sind zufällig auf die einzelnen Flächenelemente
des Geländeprofils verteilt.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass der aus quadratischen Flächenelementen
bestehenden Oberflächenstruktur gemäß der 3 und 4 jeweils
noch ein Schattenwurf (im Bereich des Steilhangs) überlagert
ist, um die Tiefendarstellung noch weiter zu verbessern.
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Anstatt
der dargestellten quadratischen Flächenelemente können
z. B. auch rechteckige, dreieckige oder hexagonale (Bienenwaben)
Formen verwendet werden.
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Bei
der Anzeigefläche, auf der die dreidimensionale dargestellt
wird, kann es sich um eine ebene oder auch in beliebiger Weise gekrümmte
Fläche handeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004051625
A1 [0002]
- - DE 102007014015 A1 [0004]
- - DE 4314811 A1 [0004]
