DE19646194B4

DE19646194B4 - Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungs-Prozessen und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE19646194B4
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: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: JP3021368B2; US5808619A; DE19646194A1; KR100261076B1; JPH09167255A; KR970029185A

Abstract

Es werden ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Durchführen von Erhebungskartierungs- und Phong-Schattierungsprozessen und eine zugehörige Wiedergabevorrichtung geschaffen. Das Wiedergabeverfahren enthält den Schritt des Berechnens eines Umgebungsfaktors, den Schritt der Erhebungskartierung eines Diffusfaktors und des wahlweisen Ausgebens des erhebungskartierten Diffusfaktors oder des Diffusfaktors vor der Erhebungskartierung in Abhängigkeit von einem Erhebungskartierungs-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal, den Schritt der Erhebungskartierung eines Spiegelfaktors und des wahlweisen Ausgebens des erhebungskartierten Spiegelfaktors oder des Spiegelfaktors vor der Erhebungskartierung in Abhängigkeit von einem Erhebungskartierungs-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal sowie den Schritt des Summierens des Umgebungsfaktors, des wahlweise ausgegebenen Diffusfaktors und des wahlweise ausgegebenen Spiegelfaktors und des Erhaltens des Intensitätswerts. Somit werden wahlweise Erhebungskartierungs- und Phong-Schattierungsprozesse durchgeführt. Ferner tritt an den Grenzen jedes Polygons keine Unstetigkeit auf. Außerdem kann die Wiedergabevorrichtung aufgrund ihrer einfachen Struktur leicht verwirklicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungs-Prozessen und auf eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
Eine Bump-Mapping-Vorrichtung dient im allgemeinen dazu, ein Objekt mit einer unebenen Oberfläche, wie z. B. die Borke eines Baums, darzustellen, was einem Textur-Mappingprozeß in der Hinsicht ähnlich ist, daß in einem Modellierungsprozeß Grundkonturen des Objekts als Polygon ausgedrückt werden, wobei die in der wirklichen Welt erhaltenen Abbildungsdaten für einen Wiedergabeprozeß verwendet werden. Gemäß dem Bump-Mapping-Prozeß bestehen die als Bump-Mapping-Abbildung bezeichneten Abbildungsdaten jedoch aus geometrischen Daten, die den Grad der Unebenheit der angehobenen und zurückgesetzten Oberfläche widerspiegeln, wobei die Intensität (oder Helligkeit) jedes Pixels des Polygons in Abhängigkeit von der lokalen Beziehung zwischen Licht und Blickwinkel in der vorliegenden Situation berechnet wird, indem die geometrischen Informationen der Bump-Mapping-Abbildung extrahiert werden, anstatt einfach das Polygon mit den Abbildungsdaten zu überschreiben, wodurch im Vergleich zum Textur-Mappingprozeß ein viel realistischeres Bild erhalten wird.
Somit kann mit dem Bump-Mapping-Prozeß ein realistischer Unebenheitseffekt unter Verwendung der von der wirklichen Welt erhaltenen Bump-Mapping-Abbildung 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 Bump-Mapping-Verfahren vorgeschlagen, das auf einer Normalvektorperturbation beruht, bei der der Normalvektor jedes Pixels in Abhängigkeit von der Bump-Mapping-Abbildung verändert wird, um den Unebenheitseffekt zu erzeugen. Das von Blinn vorgeschlagene Bump-Mapping-Verfahren 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 Bump-Mapping-Verfahren vorgeschlagen, das auf das Polygonmodell angewendet werden kann, indem auf der Grundlage des Normalvektorperturbationsverfahrens 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 des Bump-Mappings eine Wiedergabe-Hardware erforderlich. 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 vorhanden ist, sollten für jedes Pixel zwei Skalarproduktberechnungen eines dreidimensionalen Vektors, zwölf Multiplikationen, fünf Divisionen und zwei Arcustangens-Berechnungen 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 Verarbeitungsgeschwindigkeit 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 Beispiel sollten für jedes Pixel ein Partialdifferentialvektor der gekrümmten Oberfläche, wenigstens zwei Kreuzproduktberechnungen mit dreidimensionalen Vektoren und eine Berechnung der Länge des dreidimensionalen Vektors ausgeführt werden.

Aus der JP 6-348864 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anzeigen von Bildern eines Objekts auf einem Anzeigegerät bekannt, sowie ein Computergraphikanzeigesystem.

W. D. Fellner, "Computergrafik", 2. Aulf., 1992, S. 299–319 beschreibt Techniken zur Erzeugung realistisch wirkender 3D-Darstellungen.

Die JP 5-307610 A beschreibt eine Texture-Mapping-Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren und eine zugehörige Vorrichtung bereitzustellen, die zu einem realistischeren Erscheinungsbild führen.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist daher ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Ausführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungsprozessen zu schaffen.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Wiedergabevorrichtung zu schaffen, mit der das obenerwähnte Echtzeit-Wiedergabeverfahren ausgeführt werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
1 ein Schaubild, das ein Operationsprinzip der vorliegenden Erfindung darstellt und ein Beispiel eines Abbildungsraums und eines Achsenvektors zeigt;
2 ein Blockschaltbild einer Echtzeit-Wiedergabevorrichtung zum wahlweisen Ausführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungsprozessen gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Strukturbild des in 2 gezeigten quadratischen Interpolierers.
Wie in 2 gezeigt, enthält eine Echtzeit-Wiedergabevorrichtung erste bis dritte Interpolierungsabschnitte 21 bis 23, eine Bump-Mapping-Abbildung 24, erste und zweite Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtungen 25 und 26, erste und zweite Multiplexierer 27 und 28, eine Exponential-Ausführungsvorrichtung 29 sowie einen Addierer 30.
3 ist ein Strukturbild eines in 2 gezeigten quadratischen Interpolierers (QI), der zwei (nicht gezeigte) Akkumulatoren enthält.
Im folgenden wird auf der Grundlage der in 2 gezeigten 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 Einheitsvektor darstellt, der eine Blickrichtung von der beabsichtigten Position darstellt, L_i einen Einheitsvektor darstellt, 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 Umgebungsreflexionskoeffizienten darstellt, k_d einen Diffusreflexionskoeffizienten darstellt, k_s einen Spiegelreflexionskoeffizienten darstellt, n_s einen Spiegelreflexionsexponenten und x eine diffuse Farbe des Objekts darstellen. Die jeweiligen Ausdrücke der Formel (1) werden auch der Reihe nach Faktor für ambientes Licht, Diffusionsfaktor und Faktor für spekulares Licht genannt.
Wenn ein Objekt mit einer gekrümmten Oberfläche näherungsweise als Satz von Polygonen ausgedrückt wird, ist der Normalvektor eines beliebigen Punktes innerhalb des Polygons nicht bestimmt. Gemäß dem Phong-Schattierungsverfahren 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 Bump-Mapping-Verfahren verwendete Bump-Mapping-Abbildung Höhendaten enthält, enthält die Bump-Mapping-Abbildung der vorliegenden Erfindung einen Einheitsnormalvektor. Der Raum, in dem die Bump-Mapping-Abbildung definiert ist, wird Abbildungsraum genannt, wobei die Koordinaten dieses Abbildungsraums durch u, v bzw. h dargestellt werden, wie in 1 gezeigt ist. Die Höhe h des hervorgehobenen Abschnitts der Oberfläche wird in Abhängigkeit von den Positionen von u und v (hierbei sind u und v ganze Zahlen) bestimmt. Hierbei kann der Einheitsnormalvektor N* = (n*_u, n*_v, n*_h) im Abbildungsraum unter Verwendung eines Bildverarbeitungsverfahrens berechnet werden. Diese Einheitsnormalvektoren werden ferner in der Bump-Mapping-Abbildung B(u, v) gespeichert.
Gemäß dem Bump-Mapping-Verfahren der vorliegenden Erfindung wird jede Axialrichtung des Abbildungsraums auf dem Polygon berechnet, wobei der Einheitsnormalvektor N* entsprechend der berechneten Axialrichtung transformiert wird.
Wenn eine affine Transformationsmatrix zum Berechnen der Axialrichtung des Abbildungsraums 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 dreidimensionalen Koordinatenwerte (x_i ^(w), y_i ^(w), z_i ^(w)) jedes Scheitels und der Ort der Bump-Mapping-Abbildung (u_i, v_i) (hierbei gilt 1 ≤ i ≤ 3) zugewiesen sind. Wenn der Normalvektor N_p des Polygons P und die h-Achse des Abbildungsraums in Übereinstimmung gebracht werden, erfüllt die Matrix M die Bedingung der folgenden Formel (2). (ui, vi, 0,1) M = (xi (w), yi (w), zi (w), 1); i = 1, 2, 3. (2)
Die Matrix M, die die obengenannte Bedingung der Formel (2) erfüllt, kann durch Lösen eines linearen Gleichungssystems erhalten werden.
Die Einheitsvektoren der zwei Axialrichtungen im Abbildungsraum werden mit U* =(1, 0, 0) bzw. V* =(0, 1, 0) bezeichnet. Nach Transformieren dieser Einheitsvektoren in homogene Koordinaten wird das Ergebnis mit der Matrix M multipliziert, womit die Vektoren U_p und V_p der Axialrichtungen 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 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 ausgeführt 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 des Bump-Mappings 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 Bump-Mapping-Abbildung 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 Faktor für ambientes Licht I^(a), der ein konstanter Wert ist, einfach verarbeitet. Der Faktor für diffuses Licht I^(d) wird andererseits entsprechend der folgenden Formel (4) verarbeitet.
Wenn hierbei gilt:
kann die Formel (4) entsprechend der folgenden Formel (5) in eine Skalarproduktform umgeordnet werden. I(d) = N*·(IU (d) , IV(d), IN (d)) (5)
In der obigen Formel (5) ist I_N ^(d) gleich dem Faktor für diffuses Licht vor dem Bump-Mapping, während I_U ^(d) und I_V ^(d) gleich den Faktoren für diffuses Licht sind, die unter Berücksichtigung 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 Faktors für diffuses Licht für den Phong-Schattierungsprozeß verwendet werden, um diese Werte zu berechnen.
Ferner kann der Faktor für spekulares Licht I^(s) nach dem gleichen Berechnungsverfahren mit der folgenden Formel (6) ausgedrückt werden:
Hierbei gilt:
In diesem Verfahren kann zur Berechnung von I_X ^(s) ein beliebiges Verfahren zur Berechnung des Faktors für spekulares Licht für den Phong-Schattierungsprozeß verwendet werden.
Im folgenden wird mit Bezug auf 2 die nach der obenbeschriebenen Art operierende Wiedergabevorrichtung beschrieben.
Zuerst wird angenommen, daß von einer Lichtquelle parallel gerichtetes Licht abgestrahlt wird. Das heißt, die Anzahl der Lichtquellen n ist gleich 1 und die Richtung L_i zur Lichtquelle ist im selben Polygon gleich.
Um die Wiedergabevorrichtung anzusteuern, wird der zugehörige Prozeß grob in einen Modellierungsschritt zum Erzeugen eines dreidimensionalen Polygonmodells durch einen Benutzer, einen Geometriemaschinenverarbeitungsschritt zum Transformieren des erzeugten Polygonmodells auf eine Position auf einer Fläche und einen Rastermaschinenverarbeitungsschritt zum Ausführen einer Operation mit einem auf der Fläche befindlichen Pixel und zum Speichern des Ergebnisses in einem Rahmenpuffer eingeteilt. Vor der Operation des Rastermaschinenverarbeitungsschritts 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 Wiedergabevorrichtung. 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 Bump-Mapping-Prozeß 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 Ergebnis 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 Geometriemaschinenverarbeitungsschritt haben Bishop und Weimer eine Hardware für die Phong-Schattierung vorgeschlagen, in der eine Taylorreihenentwicklung und eine quadratische Interpolation durchgeführt werden.
Das heißt, nach der Berechnung des Faktorwerts für diffuses Licht und des Faktorwerts für spekulares Licht an den drei Scheiteln des Dreiecks unter Verwendung der obigen Formel (1) werden die berechneten Werte im Rastermaschinenverarbeitungsschritt bezüglich der Koordinatenwerte der Fläche innerhalb des Polygons quadratisch interpoliert. Durch Modifizieren der obigen Formel wird aufgrund der sechs Koeffizienten der quadratischen Gleichung die folgende Formel (7) erhalten. IN (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 Gleichungen, die durch Einsetzen der jeweiligen Faktorwerte für diffuses Licht an den drei Scheiteln und den Zwischenpunkten auf den Kanten des Dreiecks abgeleitet werden, können die Koeffizienten der Formel (7) erhalten werden. Im Rastermaschinenverarbeitungsschritt wird unter Verwendung der Koeffizienten die Vorwärtsdifferenz berechnet, so daß die Faktorwerte für diffuses Licht über zwei Addierprozesse an den benachbarten Pixeln berechnet werden können. Ferner kann der Faktorwert für spekulares Licht 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 Scheiteln und an den Zwischenpunkten auf jeder Kante im Dreieck berechnet, wodurch die Lösungen des linearen Gleichungssystems erhalten werden. Hierbei wird das Ergebnis in Form der quadratischen Gleichung ähnlich der Formel (7) ausgedrückt, wodurch die Koeffizienten der quadratischen 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 Spannweite 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-Koordinatenwerte um 1 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_x ²I_N ^(d), Δ_x ²I_U ^(d), Δ_X ²I_V ^(d), Δ_x ²I_N ^(s), Δ_x ²I_U ^(s), Δ_x ²I_V(s) am Startpunkt 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 im Texturmapping 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 2 und 3 eine Schaltung zur Durchführung des Bump-Mappings beschrieben.
Wenn sich das LADE/ADDIERE-Steuersignal LASELECT am quadratischen Interpolierer (QI) der ersten bis dritten Interpolationsabschnitte 21 bis 23 im LADE-Zustand befindet, werden Y bzw. Δ_xY in zwei Akkumulatoren gespeichert.
Andererseits wird im ADDIERE-Zustand Δ_x ²Y 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_x ²Y sind.
Die Bump-Mapping-Abbildung 24 dient zum Speichern des Einheitsnormalvektors N* im Abbildungsraum. Der Einheitsnormalvektor N* wird in der Bump-Mapping-Abbildung 24 unter Verwendung des Werts (u, v) des vorliegenden Pixels erhalten. Ein Pixel der Bump-Mapping-Abbildung 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 Bump-Mapping-Abbildung 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 Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung 26 führt das Skalarprodukt bezüglich des in der Bump-Mapping-Abbildung 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 enthalten jeweils drei Multiplizierer und einen Addierer.
Der erste Multiplexierer 27 gibt in Abhängigkeit von einem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT) entweder den Ausgang der ersten Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung 25 oder I_N ^(d) des ersten Interpolationsabschnitts 23 aus. Der zweite Multiplexie rer 28 gibt in Abhängigkeit von einem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT) entweder den Ausgang der zweiten Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung 26 oder I_N ^(s) vom zweiten Interpolationsabschnitt 22 aus.
Ferner wird im Fall des Faktors für spekulares Licht die Exponential-Ausführungsvorrichtung 29, in der die Exponentialoperation bezüglich des Ausgangs vom zweiten Multiplexierer 28 durchgeführt wird, mittels der Nachschlagtabelle implementiert. Hierbei ist die Exponential-Ausführungsvorrichtung 29 mit X^na bezeichnet, wie in 2 gezeigt ist.
Der Addierer 30 addiert den Faktor für ambientes Licht, den Faktor für diffuses Licht vom ersten Multiplexierer 27 und den Faktor für spekulares Licht von der Exponential-Ausführungsvorrichtung 29 und gibt das Ergebnis aus.
Da die in 2 gezeigte Wiedergabevorrichtung im Vergleich zu der von Ernst u. a. vorgeschlagenen Schaltung eine einfache Struktur besitzt, kann die Wiedergabevorrichtung 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-Schattierungsmodus durchgeführt werden oder es kann der Bump-Mapping-Modus unter Verwendung von I_N ^(d) und I_N ^(s) durchgeführt werden. Das heißt, wenn nur die Phong-Schattierung 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 Bump-Mapping-Abbildung 24 und die Exponential-Ausführungsvorrichtung 29 der in 2 gezeigten Wiedergabevorrichtung verwenden einen Speicher, um darin die Nachschlagtabelle zu speichern.
Das obenbeschriebene Funktionsprinzip wird auf das Polygonmodell 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 des Bump-Mappings und der Phong-Schattierung gemäß der vorliegenden Erfindung eine unebene Oberfläche 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 Polygonmodell 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

Echtzeit-Wiedergabeverfahren zum wahlweisen Durchführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungs-Prozessen, um einen Intensitätswert eines Objekts zu erhalten, mit den Schritten: (a) Berechnen eines Faktors für ambientes Licht; (b) Bump-Mapping eines Faktors für diffuses Licht und wahlweises Ausgeben dieses Faktors oder des Faktors für diffuses Licht vor dem Bump-Mapping in Abhängigkeit von einem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT); (c) Bump-Mapping eines Faktors für spekulares Licht und wahlweises Ausgeben dieses Faktors oder des Faktors für spekulares Licht vor dem Bump-Mapping in Abhängigkeit von dem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT); und (d) Summieren des Faktors für ambientes Licht aus Schritt (a), des Faktors für diffuses Licht aus Schritt (b) und des Faktors für spekulares Licht aus Schritt (c) und Erhalten des Intensitätswerts des Objekts, das von einem beliebigen Ort aus betrachtet wird, im Rastermaschinenabschnitt.
Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, wobei der Faktor für diffuses Licht im Schritt (b) mittels folgender Gleichungen erhalten wird: N' = n*uU + n*vV + n*hN (hierbei bezeichnet N' einen Normalvektor, der mittels einer Bump-Mapping-Abbildung 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 Einheitsnormalvektors in einem Abbildungsraum 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 I(d) = N*·(IU (d), IV (d), IN (d))(hierbei bezeichnet I^(d) den dem Bump-Mapping unterworfenen Faktor für diffuses Licht, während I_N ^(d) den Faktor für diffuses Licht vor dem Bump-Mapping bezeichnet und I_U ^(d) und I_V ^(d) die mit Bezug auf U und V als Normalvektoren berechneten Faktoren für diffuses Licht bezeichnen).
Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, wobei der Faktor für spekulares Licht im Schritt (c) mittels folgender Gleichungen erhalten wird: N' = n*uU + n*vV + n*hN(hierbei bezeichnet N' einen Normalvektor, der mittels einer Bump-Mapping-Abbildung 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 Einheitsnormalvektors in einem Abbildungsraum 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^(s) den dem Bump-Mapping unterworfenen Faktor für spekulares Licht, während I_N ^(s) den Faktor für spekulares Licht vor dem Bump-Mapping bezeichnet und I_U ^(s) und I_V ^(s) die mit Bezug auf U und V als Normalvektoren berechneten Faktoren für spekulares Licht bezeichnen).
Echtzeit-Wiedergabeverfahren nach Anspruch 1, wobei eine für den Bump-Mapping-Prozeß verwendete Bump-Mapping-Abbildung einen Einheitsnormalvektor eines Abbildungsraums speichert.
Echtzeit-Wiedergabevorrichtung zum wahlweisen Durchführen von Bump-Mapping- und Phong-Schattierungs-Prozessen, um einen Intensitätswert eines Objekts zu erhalten, umfassend: eine Berechnungseinrichtung zum Erhalten eines Faktors für ambientes Licht; erste und zweite Interpolationsabschnitte (21, 22) zum Durchführen einer quadratischen Interpolation, um den Faktor für diffuses Licht bzw. den Faktor für spekulares Licht zu erhalten; einen dritten Interpolationsabschnitt (23) zum Durchführen der quadratischen Interpolation, um für jeden Pixel in einem Polygon Werte der Position innerhalb eines Abbildungsraums zu erhalten; eine Bump-Mapping-Abbildung (24) zum Ausgeben eines Normalvektors, der mittels der Werte der Position innerhalb des Abbildungsraums jedes Pixels, die vom dritten Interpolationsabschnitt (23) erhalten werden, korrigiert ist; eine erste Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung (25) zum Durchführen einer Skalarproduktoperation mit dem Faktor für diffuses Licht und dem in dem Bump-Mapping korrigierten Normalvektor und zum Ausgeben eines dem Bump-Mapping unterworfenen Faktors für diffuses Licht; eine zweite Skalarprodukt-Ausführungsvorrichtung (26) zum Durchführen einer Skalarproduktoperation mit dem Faktor für spekulares Licht und dem in der Bump-Mapping-Abbildung korrigierten Normalvektor und zum Ausgeben eines dem Bump-Mapping unterworfenen Faktors für spekulares Licht; einen ersten Multiplexierer (27) zum wahlweisen Ausgeben des dem Bump-Mapping unterworfenen Faktors für diffuses Licht oder des Faktors für diffuses Licht in Abhängigkeit von einem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT); einen zweiten Multiplexierer (28) zum wahlweisen Ausgeben des dem Bump-Mapping unterworfenen Faktors für spekulares Licht oder des Faktors für spekulares Licht in Abhängigkeit von einem Bump-Mapping-/Phong-Schattierungs-Auswahlsignal (BPSELECT); einen Exponential-Ausführungsabschnitt (29) zum Multiplizieren des vom zweiten Multiplexierer (28) ausgegebenen Faktors für spekulares Licht mit einem Spiegelreflexionsexponenten, um einen endgültigen Faktor für spekulares Licht auszugeben; und einen Addierer (30) zum Summieren des Faktors für ambientes Licht, des vom ersten Multiplexierer (27) ausgegebenen Faktors für diffuses Licht und des vom Exponential-Ausführungsabschnitt (29) ausgegebenen Faktors für spekulares Licht und zum Erhalten des Intensitätswerts des Objekts.
Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Interpolationsabschnitt (21) eine quadratische Interpolation durchführt, um für jeden Pixel innerhalb des Polygons den Faktor für diffuses Licht vor dem Bump-Mapping-Prozeß zu erhalten, wobei der Interpolationseingang von an jedem Scheitel des Polygons gegebenen Normalvektoren und den für jeden Scheitel des Polygons berechneten Axialvektoren abgeleitet wird.
Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der zweite Interpolationsabschnitt (22) eine quadratische Interpolation durchführt, um für jeden Pixel innerhalb des Polygons den Faktor für spekulares Licht vor dem Bump-Mapping-Prozeß zu erhalten, wobei der Interpolationseingang von an jedem Scheitel des Polygons gegebenen Normalvektoren und den für jeden Scheitel des Polygons berechneten Axialvektoren abgeleitet wird.
Echtzeit-Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Phong-Schattierungsfunktion durchgeführt wird, indem von den ersten und zweiten Multiplexierern (27, 28) der Faktor für diffuses Licht vor dem Bump-Mapping bzw. der Faktor für spekulares Licht vor dem Bump-Mapping ausgegeben werden.