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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Darstellen
von zumindest zwei Bauteilen auf einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere
für die
virtuelle Positionierung von zumindest einem ersten dargestellten
Bauteil gegenüber
mindestens einem zweiten dargestellten Bauteil sowie eine Vorrichtung
zum dreidimensionalen Darstellen von zumindest zwei Bauteilen auf
einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere für die virtuelle Positionierung
von zumindest einem ersten dargestellten Bauteil gegenüber mindestens
einem zweiten dargestellten Bauteil, wobei die Vorrichtung zumindest
eine Datenverarbeitungsanlage mit zumindest einer zentralen Verarbeitungseinheit
(CPU), einer Speichereinheit, Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen und
einer Graphikanzeigesteuereinrichtung aufweist, mittels derer die
zumindest zwei dargestellten Bauteile auf der Anzeigeeinrichtung
sichtbar bewegbar sind.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum
dreidimensionalen Darstellen von zumindest zwei Bauteilen auf einer
Anzeigeeinrichtung, insbesondere für die virtuelle Positionierung
von zumindest einem ersten dargestellten Bauteil gegenüber mindestens
einem zweiten dargestellten Bauteil.
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Virtuelle
Umgebungen sind Modelle innerhalb einer rechnergestützten Umgebung.
Bei der Produktentwicklung, beispielsweise in der Automobilindustrie,
ist es von großer
Bedeutung, zum Beispiel aus ökonomischen
Gründen,
reale physikalische Modelle und/oder Versuchsanordnungen durch digitale Modelle
zu begleiten und/oder gegebenenfalls zu ersetzen. Mit Hilfe digitaler
Verfahren ist es möglich eine
Vielzahl von Ausführungsformen
zu analysieren, ohne eine aufwendige Hardware realisieren zu müssen, um
so die in der virtuellen Umgebung ermittelte optimale Ausgestaltung
einer Vorrichtung in eine reale Vorrichtung umzusetzen. Des Weiteren
können hardwaremäßig schwierig
umsetzbare Voruntersuchungen mittels der virtuellen Umgebung verwirklicht werden.
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Bei
der Erzeugung und Beurteilung des virtuellen Produktes sind technische Überlegungen
von entscheidender Bedeutung.
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In
der
DE 102 37 948 ist
ein Verfahren zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur von virtuellen
Objekten dargestellt, bei welchem eine virtuelle Umgebung in einem
Computer berechnet wird. Hierbei werden Eigenschaften von Beleuchtungsquellen
innerhalb der virtuellen Umgebung definiert und Materialeigenschaften
der virtuellen Objekte ermittelt.
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In
der
EP 0 637 814 B1 ist
ein Verfahren zur Wiedergabe von mit einer Textur versehenen Objekten
auf einer graphischen Anzeigeeinrichtung eines Computersystems beschrieben.
Hierbei werden die Objekte durch einen Vielzahl von Eckpunkten im
Modellkoordinatenraum definiert, die in den Weltkoordinatenraum
transformiert und als Bilder im Gerätekoordinatenraum wiedergegeben
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung
und ein Computerprogrammprodukt zum dreidimensionalen Darstellen von
zumindest zwei Bauteilen auf einer Anzeigeeinrichtung so auszuführen, dass
die auf der Anzeigeeinrichtung dargestellten Bauteile virtuell und
winkelgetreu positioniert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Unter
einem Bauteil sollen alle Arten von hardwaremäßig umsetzbaren Objekten zu
verstehen sein, die wiederum auch aus mehreren Elementen aufgebaut
sein können.
Außerdem
sind unter Bauteilen abstrakte Gebilde im dreidimensionalen Raum, insbesondere
zur Darstellung von technologischen Informationen oder Zusatzinformationen
zu verstehen. Ebenso fallen unter Bauteile alle Arten von Normteilen,
Logos, Markierungen und Schriftzügen sowie
Freiformflächen.
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Freiformflächen sind
geometrische Gebilde. Für
die Konstruktion einer Freiformfläche wird die Soll-Kontur im
allgemeinen durch eine technische Zeichnung oder durch Daten in
einem CAD-System beschrieben. Eine Freiformfläche ist beispielsweise ein
Element einer Karosserie eines Fahrzeuges oder die Fahrzeugkarosserie
als ganzes.
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Zur
Ausführung
des Verfahrens wird zumindest ein Bauteil mit einer virtuellen Textur
versehen. Texturen sind 2D-Bitmaps (Bitmap = Pixelmuster), die auf
die Oberflächen
von Objekten projiziert (mapping) werden. Hierzu gibt es zwei Verfahren:
Strukturmapping und Environment-mapping. Beim Strukturmapping werden
die Texturen durch die regelmäßige Wiederholung
einer elementaren Grundstruktur, sogenannter Texeln, erzeugt. Ein
Texel enthält
verschiedene Pixel, deren Anordnung periodisch, quasiperiodisch
oder zufällig
sein kann. Beim Environment-mapping enthält eine Bildinformation eine
gesamte Umgebung ähnlich
wie bei einem Photo mit Fischaugenobjektiv. Die Position eines jeden
Pixels auf einer Environment-map entspricht eineindeutig einer Blickrichtung.
Environment-mapping wird genutzt, um Umgebungsdaten auf einer Freiformfläche wiederzuspiegeln.
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Unter
der Textur soll also im weitesten Sinne ein Pixelbild verstanden
werden. Eine besondere Art des Pixelbildes wird mit Zielnormale
bezeichnet.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum
dreidimensionalen Darstellen von zumindest zwei Bauteilen auf einer
Anzeigeeinrichtung ist es vorgesehen, zumindest das erste Bauteil
mit zumindest einer virtuellen Textur, deren Erscheinungsbild von
der Betrachtungsrichtung abhängig
ist, zur winkelgetreuen Ausrichtung des zumindest ersten dargestellten
Bauteiles gegenüber
dem zumindest zweiten dargestellten Bauteil zu versehen.
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Vorteilhafterweise
können
in einer virtuellen Umgebung Bauteile zueinander ausgerichtet werden,
ohne das man eine aufwendig herstellbare Hardware realisieren muss.
Somit können
verschiedene Ausführungsformen
einer Vorrichtung virtuell erzeugt und unter Berücksichtigung der technischen Rahmenbedingungen
die optimale Ausgestaltung der Vorrichtung bestimmt werden. Des
Weiteren können
Veränderungen
des Bauteils oder der Vorrichtung im Vorfeld, also vor der hardwaremäßigen Umsetzung,
erfolgen. Dies bringt erhebliche ökonomische Vorteile.
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Ferner
ist es möglich
beim virtuellen Positionieren, dass heißt beim Auffinden und Festlegen
von Ort und Lage, der zumindest zwei Bauteile zueinander Normteile,
beispielsweise zur Verbindung der zumindest zwei Bauteile, einzufügen beziehungsweise deren
Position festzulegen.
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Zusätzlich kann
das Fehlen von Verbindungs- oder Normteilen zwischen zumindest zwei dargestellten
Bauteilen aufgezeigt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur dreidimensionalen Darstellung von zumindest zwei Bauteilen auf
einer Anzeigeeinrichtung weist zumindest eine zentralen Verarbeitungseinheit
(CPU), eine Speichereinheit, Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen und eine
Graphikanzeigesteuereinrichtung auf, mittels derer die zumindest
zwei dargestellten Bauteile auf der Anzeigeeinheit sichtbar bewegbar
sind, so dass zumindest das erste Bauteil mit zumindest einer virtuellen
Textur, deren Erscheinungsbild von der Betrachtungsrichtung abhängig ist,
zur winkelgetreuen Ausrichtung des zumindest ersten dargestellten
Bauteiles gegenüber
dem zumindest zweiten dargestellten Bauteil versehen ist und die
Informationen zur Anordnung der zumindest zwei darstellbaren Bauteile
gespeichert sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
grundsätzlich
alle Bauteile, insbesondere auch komplex aufgebaute Bauteile, auf
einfache Art und Weise zu einander positioniert werden.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt
zum dreidimensionalen Darstellen von zumindest zwei Bauteilen auf
einer Anzeigeeinrichtung sieht es vor, dass zumindest das erste
Bauteil mit zumindest einer virtuellen Textur, deren Erscheinungsbild
von der Betrachtungsrichtung abhängig
ist, winkelgetreuen Ausrichtung des zumindest ersten dargestellten
Bauteiles gegenüber
dem zumindest zweiten dargestellten Bauteil versehen wird, so dass
das zumindest erste dargestellte Bauteil gegenüber dem mindestens zweiten
dargestellten Bauteil virtuell positioniert wird und die Informationen
zur Anordnung der zumindest zwei dargestellten Bauteile gespeichert
werden.
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Somit
kann vorteilhafterweise die technische Gestaltung von Bauteilen
beziehungsweise die Positionierung von Bauteilen zueinander vor
der hardwaremäßigen Umsetzung
der Bauteile erfolgen. Weiterhin können die mittels des Computerprogrammproduktes
gewonnenen Daten über
die Position und/oder die Ausrichtung der Bauteile abgelegt beziehungsweise
gespeichert und den Produktionsstandorten oder Konstruktionsabteilungen
zur Verfügung
gestellt werden, um so eine einfache, kostengünstige und fehlerarme Hardwareumsetzung
von Bauteilen zu gewährleisten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin
zeigen:
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1: Darstellung einer Textur
als eine Zielnormale
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2a–2b:
Darstellung eines Pixelkreuzes
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3–6:
Darstellung des Verfahrensablaufes anhand eines Ausführungsbeispieles
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In 1 ist eine Textur als eine
Zielnormale 2 dargestellt, die auf eine Freiformfläche 1 projiziert ist.
Die Zielnormale 2 ist ein Pixelbild, das einen Farbverlauf
darstellt: kreisförmig
und gleichmäßig von
außen
ganz Dunkel bis hin in die Mitte zu ganz hell.
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Direkt
in der Mitte befindet sich – zur
besseren Erkennung eben dieser Mitte – ein schwarz-weißes Pixelmuster,
was ein Pixelkreuz 3 bildet. Mathematisch ist es gewährleistet,
dass der durch das Pixelkreuz 3 gekennzeichnete Bereich
in der Blickrichtung des Betrachters verläuft, das heißt der Betrachter
schaut senkrecht in seinem Sichtkegel auf die Freiformfläche 1 beziehungsweise
ein Bauteil. Auf gewölbten
Flächen
verkleinert sich das Pixelkreuz 3 entsprechend und erhöht die Präzision.
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Das
Zentrum des Pixelkreuzes 3 bildet den Fußpunkt der
Zielnormalen 2. Eine besondere Eigenschaft der Zielnormalen 2 ist
es, dass sie beim Wechsel der Betrachterposition mitläuft, ähnlich wie
die Spiegelung der Umgebung in einer Lackfläche. Die Zielnormale 2 ist
radialsymmetrisch, das heißt
sie zentriert sich zur Mitte hin.
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Das
in 2a–2b vergrößert dargestellte Pixelkreuz 3 enthält mehrere
Elemente 4, wobei ein Element 4 des Pixelkreuzes 3 aus
zumindest einem Pixel gebildet wird. Die Elemente 4 des
Pixelkreuzes 3 bilden ein Pixelmuster, das punktsymmetrisch
ausgebildet ist. Alle Pixel der Zielnormalen 2, die konzentrisch
(in Texturkoordinaten) zum Zentrum beziehungsweise zum Mittelpunkt 9 des
Pixelkreuzes 3 angeordnet sind, verkörpern den gleichen Winkel. Entsprechend
dem Winkel zwischen der Betrachtungsrichtung und der Freiformfläche 1 beziehungsweise
der Fläche
eines Bauteils 5 erscheint ein entsprechender Farbwert
der Textur 2. Aus dem Farbwert der Textur 2 kann
auf den Winkel geschlossen werden, den es einzustellen gilt.
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Blickt
der Betrachter senkrecht auf die Textur 2, so schaut er
auf das Zentrum beziehungsweise den Mittelpunkt 9 des Pixelkreuzes 3.
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In 2b ist eine zweite Ausführungsform des
Pixelkreuzes 3 dargestellt. Hierbei wurde das Pixelmuster
des Pixelkreuzes 3 derart gestaltet, dass der Mittelpunkt 9 des
Pixelkreuzes 3 genau definiert ist und einfach erkannt
werden kann. Prinzipell ist jedes andere Pixelmuster zur Erzeugung
des Pixelkreuzes 3 ebenso einsetzbar.
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In
den 3–6 ist die Vorgehensweise
bei der virtuellen Positionierung von zumindest zwei Bauteilen 5, 6 zueinander
anhand eines Ausführungsbeispieles
dargestellt. Das Ausführungsbeispiel behandelt
die Aufgabe, die zwei Bauteile 5, 6 mittels eines
Bolzen 8 zu verbinden, wobei der Bolzen 8 senkrecht
auf dem ersten Bauteil 5 stehen soll. Als erstes werden
die beiden Bauteile 5, 6 aus einer handelsüblichen
Speichereinheit (nicht dargestellt) einer an sich bekannten Datenverarbeitungsanlage
(nicht dargestellt) geladen und auf einer handelsüblichen Anzeigeeinrichtung
(nicht dargestellt) virtuell dargestellt. Das erste Bauteil 5 verkörpert beispielsweise ein
Karosserieelement eines Fahrzeuges. Das zweite Bauteil 6 weist
eine Bohrung 7 auf und soll mittels des Bolzen 8 mit
dem Bauteil 5 verbunden werden. Auf das erste Bauteil 5 wird
eine Textur als eine Zielnormale 2 (environment-mapping)
mit einem Pixelkreuz 3 im Zentrum aufgebracht. Durch die
Bewegung des ersten Bauteiles 5, beispielsweise mit Hilfe einer
an sich bekannten Graphikanzeigesteuereinrichtung (beispielsweise
einer Maus) (nicht dargestellt), wird das Bauteil 5 derart
ausgerichtet, dass das Pixelkreuz 3 durch die Bohrung 7 des
zweiten Bauteiles 6 zentrisch zu sehen ist. Das zweite
Bauteil 6 dient dabei der Orientierung. Erscheint das Pixelkreuz 3 zentrisch
durch die Bohrung 7 des zweiten Bauteiles 6, wird
der Bolzen 8 aus der Speichereinheit (nicht dargestellt)
geladen und virtuell gesetzt. Der Bolzen 8 steht senkrecht
auf dem ersten Bauteil 5. Die so gefundene optimale Position
des Zentrums der Zielnormalen 2 und somit die Position
des Bolzens 8 kann in Koordinaten der Position (x, y) und Normalenrichtung
(z) gespeichert und abgefragt werden.
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Vorteilhafterweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren,
die Vorrichtung und das Computerprogrammprodukt zum senkrechten
oder parallelen Ausrichten von zumindest zwei Bauteilen zueinander verwendet.
Ebenso kann die Ausrichtung von zumindest zwei Bauteilen unter einem
bestimmten Winkel (zwischen 0° und
360°) realisiert
werden.
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- 1
- Freiformfläche
- 2
- Zielnormale
(Textur)
- 3
- Pixelkreuz
- 4
- Element
- 5
- erstes
Bauteil
- 6
- zweites
Bauteil
- 7
- Bohrung
- 8
- Bolzen
- 9
- Mittelpunkt
des Pixelkreuzes