DE19646194A1

DE19646194A1 - Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattierungsprozessen und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE19646194A1
Application number: DE19646194A
Authority: DE
Inventors: Seung-Hak Choi; Kil-Su Eo
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: JP3021368B2; DE19646194B4; US5808619A; KR100261076B1; JPH09167255A; KR970029185A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Erhe bungskartierungs - und Phong-Schattierungsprozessen und auf eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.

Eine Erhebungskartierungsvorrichtung dient im allgemeinen dazu, ein Objekt mit einer unebenen Oberfläche, wie z. B. die Borke eines Baums, darzustellen, was einem Textur-Kartierungsprozeß in der Hinsicht ähnlich ist, daß in einem Modellierungsprozeß Grundkonturen des Objekts als Polygon ausgedrückt werden, wobei die in der wirklichen Welt erhaltenen Kartendaten für einen Wiedergabeprozeß verwendet werden. Gemäß dem Erhebungskartierungsprozeß bestehen die als Erhebungskarte bezeichneten Kartendaten jedoch aus geometrischen Daten, die den Grad der Uneben heit der angehobenen und zurückgesetzten Oberfläche widerspiegeln, wobei die Intensität (oder Helligkeit) jedes Pixels des Polygons in Abhängigkeit von der lokalen Beziehung zwischen dicht und Blickwinkel in der vorlie genden Situation berechnet wird, indem die geometrischen Informationen der Erhebungskarte extrahiert werden, anstatt einfach das Polygon mit den Kartendaten zu über schreiben, wodurch im Vergleich zum Textur-Kartierungs prozeß ein viel realistischeres Bild erhalten wird.

Somit kann mit dem Erhebungskartierungsprozeß ein reali stischer Unebenheitseffekt unter Verwendung der von der wirklichen Welt erhaltenen Erhebungskarte dargestellt werden, wobei der Prozeß schnell ausgeführt wird, da im Modellierungsprozeß nur wenige Polygone verwendet werden. Wenn ferner die lokale Beziehung zwischen Objekt, Licht und Betrachtungswinkel verändert wird, wird auch die Intensität jedes hervorgehobenen und zurückversetzten Abschnitts in der unebenen Oberfläche in jedem Pixel entsprechend geändert.

Wie oben beschrieben worden ist, wird jeder unebene Abschnitt durch einen Schattierungseffekt dargestellt. Bei den meisten Schattierungstechniken wie z. B. der Gouraud-Schattierung und der Phong-Schattierung wird die Intensität jedes Pixels in Abhängigkeit vom Normalvektor bestimmt. Hierzu hat Blinn ein Erhebungskartierungsver fahren vorgeschlagen, das auf einer Normalvektorperturba tion beruht, bei der der Normalvektor jedes Pixels in Abhängigkeit von der Erhebungskarte verändert wird, um den Unebenheitseffekt zu erzeugen. Das von Blinn vorge schlagene Erhebungskartierungsverfahren kann jedoch nur angewendet werden, wenn die Oberfläche eines Objekts eine funktionale Beziehung einer parametrischen Oberfläche besitzt, so daß es unmöglich ist, dieses Verfahren auf das Polygonmodell anzuwenden, das in der Praxis häufig verwendet wird.

Vor kurzem haben Ernst u. a. ein Erhebungskartierungsver fahren vorgeschlagen, das auf das Polygonmodell angewen det werden kann, indem auf der Grundlage des Normalvek torperturbationsverfahrens der obenerwähnte Nachteil beseitigt wird. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß die Schattierung jeder Grenzlinie zwischen Polygonen unstetig ist.

Andererseits ist für die Echtzeit-Verarbeitung bezüglich der Erhebungskartierung eine Wiedergabe-Hardware erfor derlich. Es gibt jedoch derzeit keine andere Hardware als die von Ernst vorgeschlagene Schaltung, wobei es wegen deren komplizierter Struktur schwierig ist, die Schaltung zu verwirklichen. Wenn z. B. nur eine Lichtquelle vorhan den ist, sollten für jedes Pixel zwei Skalarproduktbe rechnungen eines dreidimensionalen Vektors, zwölf Multi plikationen, fünf Divisionen und zwei Arcustangens-Be rechnungen durchgeführt werden. Ferner wird aufgrund der unstetigen Schattierung an der Grenze von Polygonen die Bildqualität herabgesetzt. Ferner sollte eine verwendete Nachschlagtabelle immer dann neu berechnet werden, wenn sich die Positionsbeziehung zwischen der Lichtquelle und dem Objekt ändert, wodurch die Verarbeitungsgeschwindig keit verringert wird.

Ferner wird bei Blinns Verfahren keine grundsätzliche Betrachtung über die Hardware angestellt, so daß es nicht für die Erzeugung der Schaltung geeignet ist. Zum Bei spiel sollten für jedes Pixel ein Partialdifferentialvek tor der gekrümmten Oberfläche, wenigstens zwei Kreuzpro duktberechnungen mit dreidimensionalen Vektoren und eine Berechnung der Länge des dreidimensionalen Vektors ausge führt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattierungsprozessen zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wiedergabevorrichtung zu schaffen, mit der das obenerwähnte Echtzeit-Wiedergabeverfahren ausgeführt wer den kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattierungsprozessen sowie durch eine zugehörige Vorrichtung, die die in den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 5 angegebenen Merkmale besitzen. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild, das ein Operationsprinzip der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Beispiel eines Kartenraums und eines Achsenvektors zeigt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Echtzeit-Wiedergabevor richtung zum wahlweisen Ausführen von Erhebungs kartierungs- und Phong-Schattierungsprozessen ge mäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 3 ein Strukturbild des in Fig. 2 gezeigten quadra tischen Interpolierers.

Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält eine Echtzeit-Wiedergabe vorrichtung erste bis dritte Interpolierungsabschnitte 21 bis 23, eine Erhebungskarte 24, erste und zweite Skalar produkt-Ausführungsvorrichtungen 25 und 26, erste und zweite Multiplexierer 27 und 28, eine Exponential-Ausfüh rungsvorrichtung 29 sowie einen Addierer 30.

Fig. 3 ist ein Strukturbild eines in Fig. 2 gezeigten quadratischen Interpolierers (QI), der zwei (nicht ge zeigte) Akkumulatoren enthält.

Im folgenden wird auf der Grundlage der in Fig. 2 gezeig ten Struktur die Funktionsweise der Wiedergabevorrichtung beschrieben.

Gemäß dem Phong-Helligkeitsmodell ist die Intensität eines an einer bestimmten Position angeordneten Objekts gemäß der folgenden Formel (1) definiert:

wobei H_i = (L_i + E)/|(L_i + E) |.

In der Formel (1) stellt N einen Einheitsnormalvektor der beabsichtigten Position dar, während E einen Einheitsvek tor darstellt, der eine Blickrichtung von der beabsich tigten Position darstellt, L_i einen Einheitsvektor dar stellt, der die Richtung der i-ten Lichtquelle an der beabsichtigten Position darstellt, i_a die Intensität einer Umgebungslichtquelle darstellt, I_li die Intensität der i-ten Lichtquelle darstellt, k_a einen Umgebungsrefle xionskoeffizienten darstellt, k_d einen Diffusreflexions koeffizienten darstellt, k_s einen Spiegelreflexionskoef fizienten darstellt, n_s einen Spiegelreflexionsexponenten und x eine diffuse Farbe des Objekts darstellen. Die jeweiligen Ausdrücke der Formel (1) werden auch der Reihe nach Umgebungsfaktor, Diffusionsfaktor und Spiegelfaktor genannt.

Wenn ein Objekt mit einer gekrümmten Oberfläche nähe rungsweise als Satz von Polygonen ausgedrückt wird, ist der Normalvektor eines beliebigen Punktes innerhalb des Polygons nicht bestimmt. Gemäß dem Phong-Schattierungs verfahren wird der Normalvektor an jedem Scheitelpunkt des betrachteten Polygons linear interpoliert, um den Normalvektor an einem beliebigen Punkt innerhalb des Polygons zu erhalten.

Während die im herkömmlichen Erhebungskartierungsverfah ren verwendete Erhebungskarte Höhendaten enthält, enthält die Erhebungskarte der vorliegenden Erfindung einen Einheitsnormalvektor. Der Raum, in dem die Erhebungskarte definiert ist, wird Kartenraum genannt, wobei die Koordi naten dieses Kartenraums durch u, v bzw. h dargestellt werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Höhe h des hervor gehobenen Abschnitts der Oberfläche wird in Abhängigkeit von den Positionen von u und v (hierbei sind u und v ganze Zahlen) bestimmt. Hierbei kann der Einheitsnormal vektor N* = (n*_u, n*_v, n*_h) im Kartenraum unter Verwendung eines Bildverarbeitungsverfahrens berechnet werden. Diese Einheitsnormalvektoren werden ferner in der Erhebungs karte B (u, v) gespeichert.

Gemäß dem Erhebungskartierungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird jede Axialrichtung des Kartenraums auf dem Polygon berechnet, wobei der Einheitsnormalvektor N* entsprechend der berechneten Axialrichtung transformiert wird.

Wenn eine affine Transformationsmatrix zum Berechnen der Axialrichtung des Kartenraums auf dem Polygon gleich M ist, wird die Matrix M wie folgt berechnet.

Es wird angenommen, daß ein Eingangspolygon P ein Dreieck ist und jedem Scheitel i des Polygons P die dreidimensio nalen Koordinatenwerte (x_i ^(w), y_i ^(w), z_i ^(w)) jedes Schei tels und der Ort der Erhebungskarte (u_i, v_i) (hierbei gilt 1 i 3) zugewiesen sind. Wenn der Normalvektor N_p des Polygons P und die h-Achse des Kartenraums in Über einstimmung gebracht werden, erfüllt die Matrix M die Bedingung der folgenden Formel (2).

(u_i,v_i,0,1) M = (x_i ^(w),y_i ^(w),z_i ^(w),1); i = 1, 2, 3. (2)

Die Matrix M, die die obengenannte Bedingung der Formel (2) erfüllt, kann durch Lösen eines linearen Gleichungs systems erhalten werden.

Die Einheitsvektoren der zwei Axialrichtungen im Karten raum werden mit U* = (1, 0, 0) bzw. V* = (0, 1, 0) be zeichnet. Nach Transformieren dieser Einheitsvektoren in homogene Koordinaten wird das Ergebnis mit der Matrix M multipliziert, womit die Vektoren U_p und V_p der Axial richtungen im Polygon P erhalten werden. Jedoch sind N_p und der gegebene Normalvektor N_i an jedem Scheitel i nicht aufeinander ausgerichtet. Somit wird die h-Achse auf N_i ausgerichtet, woraufhin U_p und V_p auf eine Fläche senkrecht zu N_i projiziert werden. Die Transformationen der projizierten Vektoren in die Einheitsvektoren sind wie in Fig. 1 gezeigt durch U_i und V_i dargestellt, die Axialvektoren genannt werden. Diese Axialvektoren werden für jeden Scheitel berechnet.

Wenn andererseits der Phong-Schattierungsprozeß ausge führt wird, werden die gegebenen Normalvektoren an jedem Scheitel linear interpoliert, um den Normalvektor N an jedem Pixel, das innerhalb des Polygons angeordnet ist, zu berechnen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zum Zweck der Erhebungskartierung die an jedem Scheitel berechneten Axialvektoren, die mit U bzw. V bezeichnet sind, linear interpoliert. Die Vektoren N, U und V sind im allgemeinen keine Einheitsvektoren, da sie mittels Linearinterpolation berechnet werden. In der Praxis sind jedoch die Differenzen der Normalvektoren N_i an den jeweiligen Scheiteln des Polygons P klein, was auch für die Vektoren U_i und V_i gilt. Daraus folgt, daß die Länge von N, U und V ungefähr gleich 1 ist. Infolgedessen werden die Vektoren N, U und V als Einheitsvektoren betrachtet. Somit wird ein Normalvektor N′, der anhand der Erhebungskarte B(u, v) entsprechend den Werten (u, v) jedes Pixels korrigiert worden ist, durch folgende Formel (3) ausgedrückt:

N′ = n*_uU + n*_vV + n*_hN. (3)

Der anhand der obigen Formel (3) korrigierte Normalvektor N′ wird auf jeden Faktor der Formel (1) angewendet. Zuerst wird der Umgebungsfaktor I^(a), der ein konstanter Wert ist, einfach verarbeitet. Der Diffusfaktor I^(d) wird andererseits entsprechend der folgenden Formel (4) verar beitet.

Wenn hierbei gilt:

kann die Formel (4) entsprechend der folgenden Formel (5) in eine Skalarproduktform umgeordnet werden.

I^(d) = N*·(I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(d)) (5)

In der obigen Formel (5) ist I_N ^(d) gleich dem Diffusfak tor vor der Erhebungskartierung, während I_U ^(d) und I_V ^(d) gleich den Diffusfaktoren sind, die unter Berücksichti gung von U und V als Normalvektoren berechnet worden sind. Somit können diese Werte I_U ^(d) und I_V ^(d) auf die gleiche Weise berechnet werden wie im Verfahren zur Berechnung von I_N ^(d). Das heißt, es kann ein beliebiges Verfahren zur Berechnung des Diffusfaktors für den Phong-Schattierungsprozeß verwendet werden, um diese Werte zu berechnen.

Ferner kann der Spiegelfaktor I^(s) nach dem gleichen. Berechnungsverfahren mit der folgenden Formel (6) ausge drückt werden:

Hierbei gilt:

In diesem Verfahren kann zur Berechnung von I_X ^(S) ein beliebiges Verfahren zur Berechnung des Spiegelfaktors für den Phong-Schattierungsprozeß verwendet werden.

Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 2 die nach der obenbeschriebenen Art operierende Wiedergabevorrichtung beschrieben.

Zuerst wird angenommen, daß von einer Lichtquelle paral lel gerichtetes Licht abgestrahlt wird. Das heißt, die Anzahl der Lichtquellen n ist gleich I und die Richtung L_i zur Lichtquelle ist im selben Polygon gleich.

Um die Wiedergabevorrichtung anzusteuern, wird der zuge hörige Prozeß grob in einen Modellierungsschritt zum Erzeugen eines dreidimensionalen Polygonmodells durch einen Benutzer, einen Geometriemaschinenverarbeitungs schritt zum Transformieren des erzeugten Polygonmodells auf eine Position auf einer Fläche und einen Rasterma schinenverarbeitungsschritt zum Ausführen einer Operation mit einem auf der Fläche befindlichen Pixel und zum Speichern des Ergebnisses in einem Rahmenpuffer einge teilt. Vor der Operation des Rastermaschinenverarbei tungsschritts werden im folgenden zuerst die für die beiden vorherigen Schritte erforderlichen Operationen beschrieben.

Im Modellierungsschritt erstellt der Benutzer im voraus die geeigneten Daten zum Ansteuern der Wiedergabevorrich tung. In diesem Schritt wird angenommen, daß die Objekte in Form von Polygonen modelliert sind und die Polygone jeweils Dreiecke sind. Für den Phong-Schattierungsprozeß wird jedem Scheitel ein Normalvektor zugewiesen. Für den Erhebungskartierungsprozeß werden allen Scheiteln Werte (u_i, v_i) zugewiesen, die nicht zum Normalvektor gehören, wobei der Axialvektor unter Verwendung der zugewiesenen Werte (u_i, v_i) berechnet wird und anschließend das Ergeb nis im Modell gespeichert wird. Es können sich jedoch mehrere Dreiecke einen Scheitel teilen, wobei die für die jeweiligen Dreiecke berechneten Axialvektoren verschieden sein können. In diesem Fall wird der Mittelwert der Axialvektoren für die jeweiligen Dreiecke berechnet und anschließend im Modell gespeichert.

Für den anschließenden Geometriemaschinenverarbeitungs schritt haben Bishop und Weimer eine Hardware für die Phong-Schattierung vorgeschlagen, in der eine Taylor reihenentwicklung und eine quadratische Interpolation durchgeführt werden.

Das heißt, nach der Berechnung des Diffusfaktorwerts und des Spiegelfaktorwerts an den drei Scheiteln des Dreiecks unter Verwendung der obigen Formel (1) werden die berech neten Werte im Rastermaschinenverarbeitungsschritt bezüg lich der Koordinatenwerte der Fläche innerhalb des Poly gons quadratisch interpoliert. Durch Modifizieren der obigen Formel wird aufgrund der sechs Koeffizienten der quadratischen Gleichung die folgende Formel (7) erhalten.

I_N ^(d) = T₅x² + T₄xy + T₃y² + T₂x + T₁y + T₀ (7)

In der obigen Formel (7) stellen x und y die Koordinaten der Fläche dar. Durch Lösen des Systems linearer Glei chungen, die durch Einsetzen der jeweiligen Diffusfaktor werte an den drei Scheiteln und den Zwischenpunkten auf den Kanten des Dreiecks abgeleitet werden, können die Koeffizienten der Formel (7) erhalten werden. Im Raster maschinenverarbeitungsschritt wird unter Verwendung der Koeffizienten die Vorwärtsdifferenz berechnet, so daß die Diffusfaktorwerte über zwei Addierprozesse an den benach barten Pixeln berechnet werden können. Ferner kann der Spiegelfaktorwert auf die gleiche Weise berechnet werden.

Das obenbeschriebene Verfahren, das sich auf Formel (7) bezieht, kann unverändert zur Berechnung der obigen Formeln (5) und (6) verwendet werden. Das heißt, I_N ^(d), I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(S), I_U ^(S), I_V ^(S) werden an den drei Schei teln und an den Zwischenpunkten auf jeder Kante im Drei eck berechnet, wodurch die Lösungen des linearen Glei chungssystems erhalten werden. Hierbei wird das Ergebnis in Form der quadratischen Gleichung ähnlich der Formel (7) ausgedrückt, wodurch die Koeffizienten der quadrati schen Gleichung erhalten werden.

Im Geometriemaschinenverarbeitungsschritt wird für jedes Dreieck die Spannweite berechnet, wobei die Spannweite zur Rastermaschine übertragen wird. Ferner werden I_N ^(d), I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(S), I_U ^(S), I_V ^(S) am Startpunkt jeder Spann weite unter Verwendung der quadratischen Gleichung der Formel (7) berechnet. Anschließend wird das Ergebnis als Eingangswert zur Rastermaschine übertragen. Ferner werden für die quadratische Interpolation, da die x-Koordinaten werte um I zunehmen, die Inkremente von I_N ^(d), I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(S), I_U ^(S), I_V ^(S), d. h. Δ_xI_N ^(d), Δ_xI_U ^(d), Δ_xI_V ^(d), Δ_xI_N ^(S), Δ_xI_U ^(S), Δ_xI_V ^(S) und die Inkremente von Δ_xI_N ^(d), Δ_xI_U ^(d), Δ_xI_V ^(d), Δ_xI_N ^(S), Δ_xI_U ^(S), Δ_xI_V ^(S), d. h. Δ_x²I_N ^(d), Δx²I_U ^(d), Δx²I_V ^(d), Δ_x²I_N ^(S), Δ_x²I_U ^(S), Δ_x²I_V ^(S) am Start punkt jeder Spannweite berechnet, wobei das Ergebnis zum Eingang der Rastermaschine übertragen wird.

Zum Berechnen der Werte (u, v) jedes Pixels in der Fläche wird die in der Texturkartierung verwendete quadratische Interpolation verwendet. Hierzu wird der quadratische Interpolationskoeffizient benötigt, der für u und v auf die gleiche Weise wie oben beschrieben berechnet und anschließend zum Eingang der Rastermaschine übertragen wird.

Im folgenden wird im Rastermaschinenverarbeitungsschritt mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 eine Schaltung zur Durch führung der Erhebungskartierung beschrieben.

Wenn sich das LADE/ADDIERE-Steuersignal LASELECT am quadratischen Interpolierer (QI) der ersten bis dritten Interpolationsabschnitte 21 bis 23 im LADE-Zustand befin det, werden Y bzw. Δ_xY in zwei Akkumulatoren gespeichert. Andererseits wird im ADDIERE-Zustand Δ_x²Y zu Δ_xY addiert und anschließend das Ergebnis zu Y addiert.

Hierbei ist Y entweder I_N ^(d), I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(S), I_U ^(S), I_V ^(S) u oder v, während die Dateneingänge für jeden quadratischen Interpolierer (QI) der ersten bis dritten Interpolationsabschnitte 21 bis 23 Y, Δ_xY und Δ_x²Y sind.

Die Erhebungskarte 24 dient zum Speichern des Einheits normalvektors N* im Kartenraum. Der Einheitsnormalvektor N* wird in der Erhebungskarte 24 unter Verwendung des Werts (u, v) des vorliegenden Pixels erhalten. Ein Pixel der Erhebungskarte 24 umfaßt drei Bytes, wobei jedes Byte dem jeweiligen Komponentenwert des Einheitsnormalvektors entspricht.

Die erste Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung 25 führt das Skalarprodukt bezüglich des in der Erhebungskarte 24 erhaltenen Einheitsnormalvektors N* und der Ausgabe I_N ^d, I_U ^(d), I_V ^(d) des quadratischen Interpolierers (QI) des ersten Interpolationsabschnitts 21 aus. Die zweite Ska larprodukt-Ausführungsvorrichtung 26 führt das Skalarpro dukt bezüglich des in der Erhebungskarte 24 erhaltenen Einheitsnormalvektors N* und des Ausgangs I_N ^(S), I_U ^(S), I_V ^(S) des quadratischen Interpolierers (QI) des zweiten Interpolationsabschnitts 22 durch. Die ersten und zweiten Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtungen 25 und 26 enthal ten jeweils drei Multiplizierer und einen Addierer.

Der erste Multiplexierer 27 gibt in Abhängigkeit von einem Erhebungskartierungs-/Phong-Schattierungs-Auswahl signal (BPSELECT) entweder den Ausgang der ersten Skalar produkt-Ausführungsvorrichtung 25 oder I_N ^(d) des ersten Interpolationsabschnitts 23 aus. Der zweite Multiplexie rer 28 gibt in Abhängigkeit von einem Erhebungskartie rungs-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT) entweder den Ausgang der zweiten Skalarprodukt-Ausfüh rungsvorrichtung 26 oder I_N ^(S) vom zweiten Interpola tionsabschnitt 22 aus.

Ferner wird im Fall des Spiegelfaktors die Exponential-Ausführungsvorrichtung 29, in der die Exponentialopera tion bezüglich des Ausgangs vom zweiten Multiplexierer 28 durchgeführt wird, mittels der Nachschlagtabelle imple mentiert. Hierbei ist die Exponential-Ausführungsvorrich tung 29 mit X^na bezeichnet, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Der Addierer 30 addiert den Umgebungsfaktor, den Diffus faktor vom ersten Multiplexierer 27 und den Spiegelfaktor von der Exponential-Ausführungsvorrichtung 29 und gibt das Ergebnis aus.

Da die in Fig. 2 gezeigte Wiedergabevorrichtung im Ver gleich zu der von Ernst u. a. vorgeschlagenen Schaltung eine einfache Struktur besitzt, kann die Wiedergabevor richtung leicht verwirklicht werden. Ferner werden als Hardware für die Phong-Schattierung nur I_N ^(d) und I_N ^(S) verwendet. Hierbei kann separat nur der Phong-Schattie rungsmodus durchgeführt werden oder es kann der Erhe bungskartierungsmodus unter Verwendung von I_N ^(d) und I_N ^(S) durchgeführt werden. Das heißt, wenn nur die Phong-Schat tierung benötigt wird, kann die Wiedergabevorrichtung durch Betriebsartumschaltung durch die ersten und zweiten Multiplexierer 27 und 28 verwendet werden. Hierbei wird die Betriebsartumschaltung durch ein BPSELECT-Signal gesteuert.

Die Erhebungskarte 24 und die Exponential-Ausführungsvor richtung 29 der in Fig. 2 gezeigten Wiedergabevorrichtung verwenden einen Speicher, um darin die Nachschlagtabelle zu speichern.

Das obenbeschriebene Funktionsprinzip wird auf das Poly gonmodell angewendet, das derzeit hauptsächlich verwendet wird. Ferner wird gemäß dem obenerwähnten Verfahren an den Grenzen zwischen Dreiecken derselbe Axialvektor verwendet, so daß die Grenze zwischen Dreiecken stetig schattiert ist.

Wie oben beschrieben worden ist, kann gemäß des Echtzeit-Wiedergabeverfahrens und der Vorrichtung zum wahlweisen Ausführen der Erhebungskartierung und der Phong-Schattie rung gemäß der vorliegenden Erfindung eine unebene Ober fläche eines Objekts dargestellt werden, so daß das realistische Erscheinungsbild des Bildes verbessert werden kann, wenn die Wiedergabevorrichtung auf die dreidimensionale Echtzeit-Animation angewendet wird. Ferner kann die Wiedergabevorrichtung auf das Polygonmo dell angewendet werden, das derzeit häufig verwendet wird, wodurch ein weiter Anwendungsbereich geschaffen wird. Ferner entsteht an den Grenzen jedes Polygons keine Unstetigkeit. Außerdem kann die Wiedergabevorrichtung aufgrund ihrer einfachen Struktur leicht verwirklicht werden. Ferner kann wahlweise die Phong-Schattierung durchgeführt werden, wobei diese bei Bedarf auch separat durchgeführt werden kann.

Claims

1. Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Durchführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattie rungsprozessen, um einen Intensitätswert eines Objekts zu erhalten, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Berechnen eines Umgebungsfaktors;
b) Erhebungskartierung eines Diffusfaktors und wahlweises Ausgeben des erhebungskartierten Diffusfaktors oder des Diffusfaktors vor der Erhebungskartierung in Abhängigkeit von einem Erhebungskartierungs/Phong-Schat tierungs-Auswahlsignal (BPSELECT);
c) Erhebungskartierung eines Spiegelfaktors und wahlweises Ausgeben des erhebungskartierten Spiegelfak tors oder des Spiegelfaktors vor der Erhebungskartierung in Abhängigkeit vom Erhebungskartierungs-/Phong-Schattie rungs-Auswahlsignal (BPSELECT); und
d) Summieren des Umgebungsfaktors aus Schritt (a), des Diffusfaktors aus Schritt (b) und des Spiegel faktors aus Schritt (c) und Erhalten des Intensitätswerts des Objekts, das von einem beliebigen Ort aus betrachtet wird, im Rastermaschinenabschnitt.

2. Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusfaktor im Schritt (b) mittels folgender Gleichungen erhebungskartiert wird: N′ = n*_uU + n*_vV + n*_hN(hierbei bezeichnet N′ einen Normalvektor, der mittels einer Erhebungskarte B(u, v), die den Werten (u, v) jedes Pixels zugeordnet ist, korrigiert worden ist, während n*_u, n*_v und n*_h die Komponenten eines Einheitsnormalvek tors in einem Kartenraum bezeichnen, N die an jedem Scheitel gegebenen Normalvektoren bezeichnet, die mittels Linearinterpolation berechnet worden sind, und U und V die an jedem Scheitel gegebenen Axialvektoren bezeichnen, die mittels Linearinterpolation berechnet worden sind) undI^(d) = N*·(I_U ^(d), I_V ^(d), I_N ^(d))(hierbei bezeichnet I^(d) den erhebungskartierten Diffus faktor, während I_N ^(d) den Diffusfaktor vor der Erhebungs kartierung bezeichnet und I_U ^(d) und I_V ^(d) die mit Bezug auf U und V als Normalvektoren berechneten Diffusfaktoren bezeichnen).

3. Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelfaktor im Schritt (c) mittels folgen der Gleichungen erhebungskartiert wird: N′ = n*_uU + n*_vV + n*_hN(hierbei bezeichnet N′ einen Normalvektor, der mittels einer Erhebungskarte B(u, v), die den Werten (u, v) jedes Pixels zugeordnet ist, korrigiert worden ist, während n*_u, n*_v und n*_h die Komponenten eines Einheitsnormalvek tors in einem Kartenraum bezeichnen, N die an jedem Scheitel gegebenen Normalvektoren bezeichnet, die mittels Linearinterpolation berechnet worden sind, und U und V die an jedem Scheitel gegebenen Axialvektoren bezeichnen, die mittels Linearinterpolation berechnet worden sind) und (hierbei bezeichnet I(5) den erhebungskartierten Spiegel faktor, während I_N ^(S) den Spiegelfaktor vor der Erhe bungskartierung bezeichnet und I_U ^(S) und I_V ^(S) die mit Bezug auf U und V als Normalvektoren berechneten Spiegel faktoren bezeichnen).

4. Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine für den Erhebungskartierungsprozeß verwen dete Erhebungskarte einen Einheitsnormalvektor eines Kartenraums speichert.

5. Echtzeit-Wiedergabevorrichtung zum wahlweisen Durchführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattie rungsprozessen, um einen Intensitätswert eines Objekts zu erhalten, gekennzeichnet durch
eine Berechnungseinrichtung zum Erhalten eines Umgebungsfaktors;
erste und zweite Interpolationsabschnitte (21, 22) zum Durchführen einer quadratischen Interpolation, um den Diffusfaktor bzw. den Spiegelfaktor zu erhalten;
einen dritten Interpolationsabschnitt (23) zum Durchführen der quadratischen Interpolation, um für jedes Pixel in einem Polygon Werte der Position innerhalb eines Kartenraums zu erhalten;
eine Erhebungskarte (24) zum Ausgeben eines Normalvektors, der mittels der Werte der Position inner halb des Kartenraums jedes Pixels, die vom dritten Inter polationsabschnitt (23) erhalten werden, korrigiert ist;
eine erste Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung (25) zum Durchführen einer Skalarproduktoperation mit dem Diffusfaktor und dem in der Erhebungskartierung korri gierten Normalvektor und zum Ausgeben eines erhebungskar tierten Diffusfaktors;
eine zweite Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung (26) zum Durchführen einer Skalarproduktoperation mit dem Spiegelfaktor und dem in der Erhebungskarte korrigierten Normalvektor und zum Ausgeben eines erhebungskartierten Spiegelfaktors;
einen ersten Multiplexierer (27) zum wahlweisen Ausgeben des erhebungskartierten Diffusfaktors oder des Diffusfaktors in Abhängigkeit von einem Erhebungskartie rungs-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT);
einen zweiten Multiplexierer (28) zum wahlweisen Ausgeben des erhebungskartierten Spiegelfaktors oder des Spiegelfaktors in Abhängigkeit von einem Erhebungskartie rungs-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT);
einen Exponential-Ausführungsabschnitt (29) zum Multiplizieren des vom zweiten Multiplexierer (28) ausge gebenen Spiegelfaktors mit einem Spiegelreflexionsexpo nenten, um einen endgültigen Spiegelfaktor aus zugeben; und
einen Addierer (30) zum Summieren des Umgebungs faktors, des vom ersten Multiplexierer (27) ausgegebenen Diffusfaktors und des vom Exponential-Ausführungsab schnitt (29) ausgegebenen Spiegelfaktors und zum Erhalten des Intensitätswerts des Objekts.

6. Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Interpolationsabschnitt (21) eine quadratische Interpolation durchführt, um für jedes Pixel innerhalb des Polygons den Diffusfaktor vor den Erhe bungskartierungsprozeß zu erhalten, wobei der Interpola tionseingang von an jedem Scheitel des Polygons gegebenen Normalvektoren und den für jeden Scheitel des Polygons berechneten Axialvektoren abgeleitet wird.

7. Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Interpolationsabschnitt (22) eine quadratische Interpolation durchführt, um für jedes Pixel innerhalb des Polygons den Spiegelfaktor vor dem Erhe bungskartierungsprozeß zu erhalten, wobei der Interpola tionseingang von an jedem Scheitel des Polygons gegebenen Normalvektoren und den für jeden Scheitel des Polygons berechneten Axialvektoren abgeleitet wird.

8. Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phong-Schattierungsfunktion durchgeführt wird, indem von den ersten und zweiten Multiplexierern (27, 28) der Diffusfaktor vor der Erhebungskartierung bzw. der Spiegelfaktor vor der Erhebungskartierung ausge geben werden.