DE19817584A1

DE19817584A1 - Verfahren und System zur Objektsuche

Info

Publication number: DE19817584A1
Application number: DE19817584A
Authority: DE
Inventors: Kenshiu Watanabe; Yutaka Kanou
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: US6072495A; CA2235089C; DE19817584B4; JP3034483B2; JPH10293863A; CA2235089A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Ob jektsuche zur Verwendung bei mehrdimensionaler, insbesonde re dreidimensionaler, in einem Computer ausgeführter Bild verarbeitung, und spezieller betrifft sie ein Verfahren zum Lesen von eine Versuchsbedingung erfüllenden Daten aus mehr dimensionalen, insbesondere dreidimensionalen, in einer Speichereinheit gespeicherten Objektdaten sowie ein System unter Verwendung des Verfahrens.

Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um eine gro ße Datenmenge in einem begrenzten Speicher zu verarbeiten. Genauer gesagt, existieren auf dem Gebiet der Computergra phik (CG) Anwendungen wie Fahrsimulationen, die es erfor dern, häufig den Hintergrund zu ändern. Derartige Anwendun gen speichern dreidimensionale Koordinaten aller Objekte, wie die von bei der Simulation verwendeten Gebäuden oder Straßen in einer großvolumigen Hilfsspeichereinheit (nach folgend als Speichereinheit bezeichnet), wie einer externen Magnetplatteneinheit.

In den meisten Fällen ist die Datenmenge für diese Objekte zu groß, um im Hauptspeicher zu liegen, in dem die Simula tion ausgeführt wird. Um dieses Problem zu überwinden, ver wendet ein Computersystem einen virtuellen Speicher, in dem ein großes Programm oder eine große Menge an Daten in als seitenunterteilte feste Speichereinheiten unterteilt ist. Diese Seiten werden nach Anweisung durch das Betriebssystem in den Speicher gebracht (Seite-herein) oder aus ihm heraus genommen (Seite-heraus).

Bei Computergraphiken wird eine als Abschneiden bezeichnete Verarbeitung ausgeführt, um Objekte im Gesichtsfeld zu hal ten. Wenn z. B. eine entfernte Ansicht einer Straße auf dem Schirm angezeigt wird, werden viele Objekte, wie Gebäude, dargestellt. Wenn die Straße aufgezoomt wird, verringert sich die Anzahl der auf dem Schirm dargestellten Objekte. Der Gesichtsfeldraum wird als Betrachtungsvolumen bezeich net. Anders gesagt, unterteilt ein Abschneiden die Objekte auf dem Schirm in zwei Teile, nämlich sichtbare und unsicht bare Teile, abhängig davon, ob sie sich innerhalb des Be trachtungsvolumens befinden oder nicht, und dann entfernt es die unsichtbaren Teile. Diese Verarbeitung zeigt ein dem Betrachtungspunkt entsprechendes gleichmäßiges, natürliches Bild auf dem Schirm.

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Betrachtungsvolumen und Objekten. Wie es in der Figur dargestellt ist, ist ein Betrachtungsvolumen 2 durch Faktoren, wie die Position des Betrachtungspunkts O, einen Blickrichtungsvektor V, die Po sition einer vorderen Abschneideebene 4, die Position einer hinteren Abschneideebene 6, einen horizontalen Gesichtsfeld winkel und einen vertikalen Gesichtsfeldwinkel, bestimmt. Die Bestimmung des Betrachtungsvolumens ist der Auswahl ei nes Behältnisses ähnlich, in dem sich die Objekte befinden. In Fig. 1 ist eine perspektivische Projektion dazu verwen det, ein dreidimensionales Objekt auf einem zweidimensiona len Schirm abzubilden. Im Ergebnis ist das Betrachtungsvolu men 2 eine stumpfe Pyramide mit dem Betrachtungspunkt O als Spitze.

Wenn die im Betrachtungsvolumen 2 enthaltenen Objekte ange zeigt werden, wird dieses Betrachtungsvolumen 2 aufgebaut, und gleichzeitig werden Objektdaten gelesen. Da die Menge dieser Daten groß ist, werden so viele Objektdaten, wie sie im Hauptspeicher aufgenommen werden können, durch das Merk mal virtueller Speicherung geladen, und dann werden die Ko ordinaten des geladenen Objekts mittels einer Betrachtungs transformation transformiert. Fig. 1 zeigt zwei Objekte, 8 und 10, nach der Koordinatentransformation. Dann werden die se Objektdaten einer Seite-heraus-Operation unterzogen, und es werden die nächsten Daten einer Seite-herein-Operation unterzogen, für die die Koordinatentransformation ausgeführt wird.

Als nächstes wird das Abschneiden ausgeführt. In Fig. 1 wird das Objekt 8, das nicht im Betrachtungsvolumen 2 enthalten ist, entfernt, während das im Betrachtungsvolumen 2 enthal tene Objekt 10 verbleibt. Nachdem das Abschneiden für alle Objekte auf diese Weise ausgeführt wurde, werden die Objek te, die ganz oder teilweise im Betrachtungsvolumen 2 enthal ten sind, erneut durch das Merkmal virtueller Speicherung zur "Rasterung" oder Bilderzeugung in den Hauptspeicher ge laden. Die Rasterung verleiht den Oberflächen der Objekte Texturen (Muster) oder Farben. So wird die erforderliche Verarbeitung nur an erforderlichen Objektdaten ausgeführt, wie sie aus einer großen Datenmenge ausgewählt wurden, um natürliche Bilder zu erzeugen.

Jedoch unterteilt das Merkmal virtueller Speicherung, das Daten mechanisch in Seiten vorbestimmter Größe unterteilt, manchmal Daten eines Objekts auf zwei Seiten, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Verarbeitung dieser Objektdaten benötigt zwei Seiten, was bedeutet, daß dann, wenn die Objektdaten klein sind, jedoch die Seite groß ist, eine relativ große Datenmenge einer Seite-herein- und dann einer Seite-heraus-Operation unterzogen werden muß. Tatsächlich ist das System für Anwendungen, wie Fahrsimulationen, bei denen Daten häu fig gewechselt werden müssen, unpraktisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Objektsuche zu schaffen, die durch Verringern der Anzahl von Lesevorgängen die Zeit verringern, die dazu erforderlich ist, Daten eines gewünschten mehrdimensionalen, insbesondere dreidimensionalen Objekts aus einer Speicher einheit zu lesen. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Objektsuche zu schaffen, die eine neue Abschneidetechnik dazu verwenden, wirkungsvoll nach einem gewünschten Objekt zu suchen, um dadurch die Zeit zu verringern, bevor dreidimensionale Daten gelesen werden.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Leh re des beigefügten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Systems durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 9 gelöst.

Wenn beim Verfahren gemäß Anspruch 1 eine Suchbedingung in Form von dreidimensionalen Koordinaten eingegeben ist, die einen Bereich im dreidimensionalen Raum spezifizieren, wer den Daten zu einem dreidimensionalen Objekt, das die Bedin gung erfüllt, aus der Speichereinheit so ausgelesen, daß jeweils eine Datei für jedes Objekt gelesen wird. Dies ver ringert die Anzahl von Datenaustauschoperationen (Seite herein-, Seite-heraus-Operationen) im Vergleich zu virtuel ler Speicherung, bei der Daten in Seiten fester Größe unter teilt werden, deutlich. Außerdem sorgt das erfindungsgemäße Verfahren, das nicht im selben Ausmaß wie dies herkömmliche Merkmale virtueller Speicherung tun, vom OS (Betriebssystem) abhängt, für Flexibilität beim Konzipieren der Realisierung.

Beim Verfahren gemäß Anspruch 4 betrifft "mehrdimensionaler Baum" einen logischen Baum, der die Maximalwerte und die Mi nimalwerte der dreidimensionalen Koordinaten von Objekten zur Verwendung bei der Suche nach einem gewünschten Objekt auf Grundlage der Beziehung zwischen den Objekten enthält. Ein 6-d(6-dimensionaler)-Baum ist ein Beispiel eines mehr dimensionalen Baums.

Diese bevorzugte Form löst auch Probleme in Zusammenhang mit dem herkömmlichen Merkmal virtueller Speicherung, und sie verbessert darüber hinaus den Wirkungsgrad bei der Suche mittels des mehrdimensionalen Baums, wodurch die Verarbei tung beschleunigt wird, die vor dem Lesen von Daten ausge führt werden muß.

In einer Situation, in der sich die Suchbedingung dauernd ändert, werden gemäß einer anderen Erscheinungsform der Er findung nur Daten gelesen, die in Zusammenhang mit einem Un terschied zwischen dem vorigen Suchergebnis und dem aktuel len Suchergebnis stehen. In vielen Fällen werden die Anzei gedaten im dreidimensionalen Raum, wie eine Fahrsimulation, dadurch erzeugt, daß dem Betrachtungspunkt des Spielers nachgefahren wird. Da sich der Betrachtungspunkt dauernd be wegt, werden viele Anzeigedaten für eine Szene auch für die nächste Szene verwendet. Dies bedeutet, daß die Verarbei tungszeit stark verringert wird, wenn nur der Unterschied zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Szenen gelesen wird.

Beim erfindungsgemäßen System nimmt die Betrachtungsvolumen daten-Annahmeeinrichtung diejenigen Daten an, die das Be trachtungsvolumen identifizieren, wie einen durch den Benut zer spezifizierten visuellen Punkt. Die Raumdurchsuchein richtung verwendet einen mehrdimensionalen Baum zum Suchen nach Objekten im spezifizierten Betrachtungsvolumen. Die Leseeinrichtung liest die dreidimensionalen Daten zu den Objekten entsprechend zu dem Suchergebnis, jeweils entspre chend einer Datei aus der Speichereinheit. Wie das erfin dungsgemäße Verfahren, so löst auch das System mit dieser Konfiguration die Probleme in Zusammenhang mit dem herkömm lichen Standardmerkmal virtueller Speicherung.

Das System kann auch so konfiguriert sein, daß die Raum durchsucheinrichtung nur den Unterschied zwischen dem vori gen Suchergebnis und dem aktuellen Suchergebnis liest und diesen Unterschied an die Leseeinrichtung liefert, damit diese nur die Daten zum Unterschied liest. Diese Konfigura tion beschleunigt die Verarbeitung weiter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen einem Be trachtungsvolumen und Objekten zeigt.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das Objektdaten zeigt, die sich bei virtueller Speicherung über zwei Seiten erstrecken.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Raum durchsuchsystems bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel zeigt.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines 1-d-Baums zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines 2-d-Baums zeigt.

Fig. 6, 7 und 8 sind Diagramme, die Beziehungen zwischen einem 2-d-Baum und einem zweidimensionalen Bereich zeigen.

Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das einen Betriebsablauf für ein beim Ausführungsbeispiel verwendetes Raumdurchsuchsystem zeigt.

Fig. 10 ist ein Diagramm, das eine Bezugszelle zeigt.

Fig. 11 ist ein Diagramm, das eine Umgrenzungszelle zeigt.

[Systemkonfiguration]

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines bei der Erfindung verwendeten Raumdurchsuchsystems zeigt. Dieses Raumdurchsuchsystem kann durch eine selbständige Worksta tion realisiert sein. Dieses Ausführungsbeispiel kann schnelle Raumdurchsuchung ausführen, und es ermöglicht es, daß sogar eine Standardworkstation Daten in Echtzeit suchen und anzeigen kann.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt das System eine Workstation 20 und eine interne oder externe Hilfsspeicher einheit 30. Die externe Speichereinheit 30, die eine Magnet platteneinheit, eine optische Speichereinheit oder eine ma gnetooptische Platteneinheit sein kann, enthält Koordinaten daten zu Objekten.

Die Workstation 20 verfügt über ein Parameterannahmemodul 22, das Benutzereingaben annimmt, die einen zu zeichnenden Bereich spezifizieren. Dieser zu zeichnende Bereich wird als Betrachtungsvolumen behandelt. Das Modul 22 fordert den Be nutzer dazu auf, Parameter einzugeben, die das Betrachtungs volumen spezifizieren, wie den Ort eines Betrachtungspunkts. Eingegebene Parameter werden an ein Raumdurchsuchmodul 24 geliefert. Wenn das Raumdurchsuchmodul 24 die eingegebenen Parameter empfängt, führt es einen Abschneidevorgang unter Verwendung eines 6-d-Baums aus, der in einem Baumspeichermo dul 28 im Hauptspeicher der Workstation 20 abgespeichert ist. Der 6-d-Baum, auf den während eines Suchvorgangs häufig Bezug genommen wird, wird vor dem Beginn des Abschneidevor gangs aus der Hilfsspeichereinheit 30 in das Baumspeichermo dul 28 geladen. Das Ergebnis des Abschneidevorgangs, oder das Ergebnis der Suche, wird an ein Dateilesemodul 29 gelie fert. Das Raumdurchsuchmodul 24 führt eine Zwischenspeiche rung des vorigen Suchergebnisses aus und liefert nur den Un terschied zwischen dem vorigen Suchergebnis und dem aktuel len Suchergebnis an das Dateilesemodul 29.

Das Dateilesemodul 29 prüft den Unterschied und liest erfor derliche Objektdaten, in Form jeweils einer Datei, aus der Speichereinheit 30 aus. Gelesene Dateidaten werden über überflüssige Dateidaten geschrieben (dieser Vorgang ent spricht der Seite-herein- und der Seite-heraus-Operation beim herkömmlichen System).

Ein Rastermodul 26 führt eine Rasterung der Dateidaten aus und zeigt sie auf einem Schirm an.

[2] 6-d-Baum

Dieses System verwendet einen 6-d-Baum. Eine Technik zur Verwendung eines k-d-Baums für eine Ebenendurchsuchung ist in "Multidimensional binary search trees used for associati ve searching" von J. L. Bentley, Communications of the ACM, Vol. 18, No. 9, 509-517, 1975 oder in "Geographical data structures compared: A study of data structures supporting region queries" von J. B. Rosenberg, IEEE Trans. on CAD, Vol. CAD-4, No. 1, 53-67, Jan. 1985 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel erstreckt die in diesen Veröffentlichun gen beschriebene Technik auf Raumdurchsuchung. Ein 6-d-Baum ist ein k-d-Baum, bei dem die Anzahl von Schlüsseln (k) 6 ist. Ein k-d-Baum ist ein binärer Baum, wie er bei einer Bi närsuche verwendet wird, wobei die Anzahl von Suchschlüsseln k ist. Das Folgende erläutert derartige Bäume in der Reihen folge eines 1-d-Baums, eines 2-d-Baums und eines 6-d-Baums.

(1) 1-d-Baum

Ein 1-d-Baum ist ein einfacher binärer Baum. Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines 1-d-Baums. Wie es in der Figur darge stellt ist, verfügt der Baum über sechs Knoten, a bis f, von denen jeder über seinen eigenen Schlüssel (numerische Daten) verfügt. Ein Knoten d bildet die Wurzel, Knoten f und e sind Abkömmlinge (als chd = children repräsentiert) der Wurzel, und Knoten b, c und a bilden Blätter. Die Regel zum Erzeugen eines 1-d-Baums ist die folgende:

Regel 1. Für einen beliebigen Knoten x gilt:
K(x) ≧ K (ptree; root = left_chd (x))
Regel 2. Für einen beliebigen Knoten x gilt:
K(x) < K (ptree; root = right_chd (x))

wobei K ein Schlüssel ist und K(i) der Schlüssel zum Knoten i ist. "ptree; root = left chd (x)" und "ptree"; root = right_chd (x)" sind beliebige Knoten im Unterbaum "ptree", dessen Wurzel der linke bzw. rechte Abkömmlingsknoten von x ist.

Bei diesem 1-d-Baum ist eine Bereichsdurchsuchung möglich. Wenn z. B. die folgende Bedingung gilt:

Bedingung: K < 3,

erfüllen die Knoten f und b die Bedingung. Um diese zwei Knoten aufzufinden, erfolgt zunächst eine Prüfung zum Erken nen, ob die Wurzel, d. h. der Knoten d, die obige Bedingung erfüllt. Da der Schlüssel des Knotens d, 3, die Obergrenze der Bedingung überschreitet, ist es nicht erforderlich, die Knoten im Teilbaum zu prüfen, dessen Wurzel der rechte Ab kömmling des Knotens d ist. Demgemäß kann, wenn einmal eine Suchbedingung und Schlüsselbeziehungen vorgegeben sind, ein gewünschter Knoten schnell aufgefunden werden.

(2) 2-d-Baum

Ein 2-d-Baum erlaubt es, gewünschte Knoten dann schnell auf zufinden, wenn Bedingungen für zwei Schlüssel vergeben sind. Diese zwei Schlüssel, die unabhängig voneinander sind, müs sen in einem Baum enthalten sein.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines 2-d-Baums, bei dem acht Kno ten, a bis h, mit jeweils zwei Schlüsseln vorliegen. Der Zweckdienlichkeit halber wird der obere Schlüssel als "0. Schlüssel" bezeichnet, während der untere Schlüssel als "1. Schlüssel" bezeichnet wird. Die Tiefe des Knotens d (mit D repräsentiert) auf dem Niveau der Wurzel ist als 0 defi niert, die Tiefe der Knoten d und e auf dem zweiten Niveau ist als 1 definiert usw., wobei die Tiefe des Niveaus n den Wert n-1 hat. Ein Indikator "dpt" ist wie folgt definiert:

dpt = D mod k

Da k, d. h. die Anzahl von Schlüsseln, 2 ist, ist dpt eine Wiederholung von 0 und 1. Regeln zum Erzeugen dieses Baums sind die folgenden:

Regel 1. Für den dpt-ten Schlüssel K(x, dpt) in einem belie bigen Knoten x gilt:
K(x) ≧ K (ptree; root = left_chd (x), dpt)
Regel 2. Für den dpt-ten Schlüssel K(x, dpt) im Knoten x gilt:
K(x) < K (ptree; root = right_chd (x), dpt).

Diese Regeln werden unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert. Für den Knoten d in der Wurzel gilt dpt = 0. Demgemäß werden die Regeln 1 und 2 wie folgt umgeschrieben:

Regel 1. Der 0. Schlüssel des Knotens d ist gleich groß wie oder größer als der 0. Schlüssel eines be liebigen Knotens im Unterbaum, dessen Wurzel der Knoten f ist, der der linke Abkömmling des Knotens d ist. In Fig. 5 ist dies wahr, da "7" (Knoten d) größer als "5" (Knoten 5), "4" (Knoten b) und "3" (Knoten h) ist.
Regel 2. Der 0. Schlüssel des Knotens d ist:
kleiner als der 0. Schlüssel eines beliebigen Knotens im Un terbaum, dessen Wurzel der Knoten e ist, der der rechte Ab kömmling des Knotens d ist. In der Figur ist dies wahr, da "7" kleiner als "9", "11", "8" und "13" ist.

Demgemäß stehen der Knoten d und die untergeordneten Knoten über den 0. Schlüssel in Beziehung.

Als nächstes sei der Knoten e betrachtet. Da dpt = 1 für den Knoten e gilt, werden die Regeln 1 und 2 wie folgt umge schrieben:

Regel 1. Der 1. Schlüssel des Knotens e ist gleich groß wie oder größer als der 1. Schlüssel eines beliebigen Knotens im Unterbaum, dessen Wurzel der Knoten c ist, der der linke Abkömmling des Knotens e ist. In der Figur ist dies wahr, da "5" größer als "3" und "1" ist.

Regel 1. Der 1. Schlüssel des Knotens e ist kleiner als der 1. Schlüssel eines beliebigen Knotens im Unterbaum, des sen Wurzel der Knoten a ist, der der rechte Abkömmling des Knotens e ist. In der Figur ist dies wahr, da "5" kleiner als "8" ist.

Demgemäß stehen der Knoten e und die untergeordneten Knoten über den 1. Schlüssel in Beziehung. So stehen ein Knoten mit dpt = 0 und die untergeordneten Knoten des Knotens über den 0. Schlüssel in Beziehung, und ein Knoten mit dpt = 1 und die untergeordneten Knoten dieses Knotens stehen durch den 1. Schlüssel in Beziehung. Ein 2-d-Baum mit zwei Schlüsseln kann wie ein in (1) beschriebener binärer Baum behandelt werden, wenn einmal ein Knoten ausgewählt ist.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen die Beziehung zwischen dem 2-d-Baum und einem zweidimensionalen Bereich. In dieser Figur er streckt sich die x-Achse in der Richtung des 0. Schlüssels, während sich die y-Achse in der Richtung des 1. Schlüssels erstreckt. Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wird der Be reich durch den Knoten d (X = 7) zweigeteilt. Ein Knoten un ter dem Knoten d gehört zu einem der Bereiche.

Als nächstes wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, jeder Bereich durch den Knoten f (y = 7) und den Knoten e (y = 5) zweigeteilt. In Fig. 8 ist jeder Bereich ferner durch die Knoten b (x = 4), c (x = 11) und a (x = 8) unterteilt. Daher ist ersichtlich, daß ein neuer Knoten mit einem beliebigen Schlüssel zu einem der in Fig. 6 und den anderen Figuren dargestellten zweidimensionalen Bereiche gehört, was bedeu tet, daß der Knoten als Blatt mit dem 2-d-Baum verbunden werden kann. D. h., daß ein Knoten seinen Platz unabhängig davon im Baum findet, welcher Knoten als Wurzel ausgewählt wird.

Ein auf die obenbeschriebene Weise erzeugter 2-d-Baum ermög licht es, eine Bereichssuche mit zwei Schlüsseln auszufüh ren. Als Beispiel sei angenommen, daß die folgenden Suchbe dingungen gegeben sind:

Bedingung 0 : 0. Schlüssel < 7
Bedingung 1 : 1. Schlüssel < 6.

Unter diesen Bedingungen wird nur der Knoten a ausgewählt.

Beim Auswählprozeß erfolgt als erstes eine Prüfung zum Er kennen, ob der Knoten d, d. h. die Wurzel, die Bedingung 0 erfüllt. Da der 0. Schlüssel des Knotens d (= 7) die Unter grenze nicht erfüllt, wird bestimmt, daß der Knoten f (der linke Abkömmling des Knotens d) und die untergeordneten Kno ten die Bedingung nicht erfüllen.

Andererseits erfolgt eine Überprüfung zum Erkennen, ob der Knoten e, der die Bedingung 0 erfüllt, auch die Bedingung 1 erfüllt. Da der 1. Schlüssel des Knotens e (= 5) die Unter grenze der Bedingung 1 nicht erfüllt, wird bestimmt, daß der Knoten c (der linke Abkömmling des Knotens e) und die untergeordneten Knoten die Bedingung nicht erfüllen. Eine Wiederholung dieser Prüfung engt die Kandidatenknoten wir kungsvoll ein.

(3) 6-d-Baum

Ein 2-d-Baum ermöglicht es, eine Suche mit zwei Schlüsseln auszuführen, was bedeutet, daß nach einem Punkt in einem gewünschten Bereich in der xy-Ebene gesucht werden kann. Auf ähnliche Weise ermöglicht es die Verwendung von vier Schlüs seln, wie mit X_min, X_max, Y_min, Y_max angegeben, Knoten als Rechteckbereich in der xy-Ebene zu definieren.

Ein 6-d-Baum verfügt über sechs Schlüssel. Bei diesem Aus führungsbeispiel sind diesen Schlüsseln die Werte Xi_max, . . . des Objekts i zugeordnet. D. h., daß dem 0. Schlüssel bis dem 5. Schlüssel die Werte Xi_min, Yi_min, Zi_min, Xi_max, Yi_max, Zi_max zugeordnet sind. Die Baumerzeugungsregeln, die hier nicht dargestellt sind, sind dieselben wie für einen 2-d-Baum, mit der Ausnahme, daß in der folgenden Tiefenbe rechnungsformel k den Wert 6 hat.

dpt = D mod k

Ein Knoten in einem so erzeugten 6-d-Baum kann als Bereich mit einem Volumen im xyz-Raum definiert werden; d. h., daß er als Zelle oder Quader definiert werden kann. In einem bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten 6-d-Baum repräsen tiert ein Knoten eine Umgrenzungszelle (was später beschrie ben wird), entsprechend einem Objekt mit sechs Zahlenwerten, wie Xi_max, die die Schlüssel des Knotens sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt das System ein Abschneiden unter Verwendung dieses 6-d-Baums bei einer Suchbedingung aus, die durch sechs Zahlenwerte einer Bezugszelle spezifiziert ist, was später beschrieben wird.

[3] Funktion

Das Ausführungsbeispiel mit der obigen Konfiguration arbei tet wie folgt. Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das den Be triebsablauf eines bei diesem Ausführungsbeispiel verwende ten Raumdurchsuchsystems zeigt. Bevor mit dem Ablauf begon nen wird, wird ein 6-d-Baum in das Baumspeichermodul 28 ge laden (S0).

Wie es in Fig. 9 dargestellt ist, fordert das System als erstes dazu auf, ein Betrachtungsvolumen zu spezifizieren (S2). Das Parameterannahmemodul 22 nimmt benutzerspezifi zierte Parameter zur Übertragung an das Raumdurchsuchmodul 24 an.

Dann berechnet das Raumdurchsuchmodul 24 eine Bezugszelle für das Betrachtungsvolumen (S4). Die "Bezugszelle" ist ein Quader, der das Betrachtungsvolumen umschließt, wobei die Seiten der Zelle (d. h. die Breite, die Höhe und die Tiefe) parallel zur x-, y- bzw. z-Achse verlaufen. So kann die Be zugszelle durch sechs x-, y-, und z-Koordinaten beschrieben werden (als xs_max, xs_min, ys_max, ys_min, zs_max, zs_min reprä sentiert), die die maximalen und minimalen Koordinatenwerte der acht Ecken der Bezugszelle sind. Andererseits wird ein das Objekt umgrenzender Quader als "Umgrenzungszelle" be zeichnet. Hinsichtlich der Umgrenzungszelle kann das i. Ob jekt in ähnlicher Weise durch sechs Werte xi_max, xi_min, yi_max, yi_min, zi_max und zi_min beschrieben werden, die die maximalen und minimalen Koordinatenwerte der acht Ecken der Umgrenzungszelle sind. Die Werte für die Umgrenzungszelle, wie xi_max, müssen nicht berechnet werden, da sie als Schlüs sel im 6-d-Baum enthalten sind.

Fig. 10 zeigt eine Bezugszelle, während Fig. 11 eine Umgren zungszelle zeigt. Wie es in Fig. 10 dargestellt ist, wird das Betrachtungsvolumen 2 von der Bezugszelle 50 umschlos sen. Zwei Flächen der sechs Flächen der Bezugszelle 50 sind durch eine vordere Abschneidebene und eine hintere Ab schneidebene gebildet, wobei die restlichen vier Flächen automatisch auf Grundlage dieser zwei Flächen bestimmt wer den. Andererseits ist ein Objekt 60 durch eine Umgrenzungs zelle 62 umschlossen, wie in Fig. 11 dargestellt. Das Objekt 60, das im allgemeinen kleiner als das Betrachtungsvolumen 2 ist, ist in Fig. 11 vergrößert dargestellt. Die Seiten (Breite, Höhe und Tiefe) der Umschließungszelle 62) verlau fen parallel zu den Seiten der Bezugszelle 50. D. h., daß mit den drei rechtwinkligen Seiten der Bezugszelle 50 als x-, y- und z-Koordinatenachse die Umgrenzungszelle 62 so be stimmt ist, daß ihre drei rechtwinkligen Seiten parallel zur x-, y- und z-Achse verlaufen. Daher ermöglicht es ein einfacher Vergleich der maximalen und minimalen Koordinaten werte in den Richtungen der x-, y- und z-Achse zu ermitteln, ob die Umgrenzungszelle 62 in der Bezugszelle 50 enthalten ist oder nicht. Das Auffinden der Bezugszelle und von Um grenzungszellen entspricht dem Auffinden der Werte des Be trachtungsvolumens, xs_min, sowie der Werte des Objekts, wie xi_min. Unter Verwendung dieser Werte wird die folgende Ope ration ausgeführt.

Als nächstes führt das Raumdurchsuchmodul 24 einen Ab schneidevorgang für jede Umgrenzungszelle in bezug auf die Bezugszelle dadurch aus, daß es im 6-d-Baum eine bedingte Suche ausführt (S6). Z. B. sind die Suchbedingungen dafür, daß eine Umgrenzungszelle vollständig in einer Bezugszelle enthalten ist, die folgenden sechs:

Bedingung 0: für den 0. Schlüssel gilt xi_min ≧ xs_min
Bedingung 1: für den 1. Schlüssel gilt yi_min ≧ ys_min
Bedingung 2: für den 2. Schlüssel gilt zi_min ≧ zs_min
Bedingung 3: für den 3. Schlüssel gilt xi_max ≦ xs_max
Bedingung 4: für den 4. Schlüssel gilt yi_max ≦ ys_max
Bedingung 5: für den 5. Schlüssel gilt zi_max ≦ zs_max.

In diesem Stadium wird ein beliebiges Objekt ausgewählt, das zumindest teilweise erkennbar ist. Z. B. kann eine Suche nach einer Umgrenzungszelle, deren y- und z-Koordinatenwerte vollständig in den Bereichen der y- bzw. z-Koordinate der Bezugszelle enthalten sind, deren x-Koordinatenwerte jedoch nicht vollständig im Bereich der x-Koordinate der Bezugszel le enthalten sind, dadurch erfolgen, daß nur die Bedingung 0 auf die folgende geändert wird:
Bedingung 0: für den 0. Schlüssel gilt xi_min < xs_min
oder daß nur die Bedingung 3 wie folgt geändert wird:
Bedingung 3: für den 3. Schlüssel gilt xi_max < xs_max.

Wenn eine Umgrenzungszelle betrachtet wird, hinsichtlich der ein Teil nur in der x- oder der y-Richtung aus der Bezugs zelle heraussteht, kann eine Suche nach einer Umgrenzungs zelle, von der ein Teil nur in einer Richtung (x, y oder z) aus der Bezugszelle heraussteht, dadurch erfolgen, daß nicht auf eine der Bedingungen 0 bis 5 Bezug genommen wird.

Auf ähnliche Weise kann eine Suche nach Umgrenzungszellen, die teilweise in zwei Richtungen (x und y, y und z oder z und x) aus der Bezugszelle herausreichen, wie folgt ausge führt werden:

(Es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) x
(es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) +
(es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) x
(es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen) +
(es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) x
(es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen).

Dabei bezeichnet der Operator "X" die logische UND-Verknüp fung, während der Operator "+" die logische ODER-Verknüpfung bezeichnet. Eine Suche nach Umgrenzungszellen, die in drei Richtungen (x, y und z) teilweise aus der Bezugszelle her ausreichen, kann wie folgt ausgeführt werden:

(Es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) x
(es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) x
(es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen).

Zusammengefaßt gesagt, sind die Kombinationen von Bedingun gen, die bei der Suche nach einer Umgrenzungszelle, die zu mindest teilweise in der Bezugszelle enthalten ist, zu ver wenden sind, die folgenden:

(Bedingung 0 oder 3)×(Bedingung 1 oder 4)×(Bedingung 2 oder 5) (1).

Der logische Ausdruck (1) kann in acht Kombinationen von Be dingungen entwickelt werden. Für jede dieser acht Kombinati onen werden Umgrenzungszellen ausgewählt, die in der Bezugs zelle enthalten sein können.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Umgrenzungszelle mit einer Seite existiert, die länger als die der Bezugszelle ist. Z. B. ist für ein sehr hohes Gebäude der Bereich der Bezugszelle in der z-Richtung manchmal überschritten. In einem derartigen Spezialfall sind die Bedingungen 2 und 5 die folgenden:

Bedingung 2: für den 2. Schlüssel gilt zi_min < zs_min
Bedingung 5: für den 5. Schlüssel gilt zi_max < zs_max.

Wenn beide Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind (dies wird als Bedingung 6 bezeichnet), sollte (Bedingung 2 oder 5) im Ausdruck (1) auf (Bedingung 2 oder 5 oder 6) geändert wer den. Dies gilt auch in den Richtungen x und y. Ein Abschnei den wird unter Verwendung dieses Suchprozesses erzielt.

Als nächstes findet das Raumdurchsuchmodul 24 den Unter schied zwischen dem Ergebnis des vorigen Abschneidevorgangs und demjenigen des aktuellen Abschneidevorgangs heraus (S8).

Wenn z. B. die Bezugszelle, die zuvor die Objekte a, b, c und d enthalten hat, nun die Objekte b, c, d und e enthält, werden Daten zum gelöschten Objekt "a" überflüssig, während Daten zum neuen Objekt "e" erforderlich werden. So ist die Unterschiedsinformation diejenige, daß "das Objekt "a" ver worfen werden kann und das Objekt "e" geladen werden muß". Bei Empfang dieser Unterschiedsinformation liest das Datei lesemodul 29 die Datei des Objekts "e" aus der Speicherein heit 30 aus und überschreibt diese Daten über die des Ob jekts "a" (S10).

Dann wird an den in den Speicher geladenen Objekten eine Ko ordinatentransformation ausgeführt (S12). Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel verringert sich die Belastung eines Computer systems für die Koordinatentransformation aufgrund der Vor auswahl im Schritt S6.

Nach der Koordinatentransformation wird an den Objekten ein detaillierter Abschneidevorgang ausgeführt. In S6 wurde ein grober Abschneidevorgang ausgeführt, um alle Objekte auszu suchen, die zumindest teilweise sichtbar sein können. In diesem Stadium wird ein detailliertes Abschneiden ausge führt, um dasselbe Objekt in diejenigen Teile, die im Be trachtungsvolumen 2 enthalten sind, und diejenigen zu unter teilen, die nicht darin enthalten sind. Dann rastert das Rastermodul 26 die im Betrachtungsvolumen 2 einzuschließen den Objektteile (S14), bevor diese auf dem Schirm angezeigt werden.

Das System arbeitet auf die obenbeschriebene Weise. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel ein unabhängiges System ver wendet ist, kann auch ein Server-Client-System verwendet werden, in welchem Fall der Server für den Raumdurchsu chungsdienst sorgt und er das Suchergebnis als Unterschieds information an den Client liefert. Diese Unterschiedsinfor mation ermöglicht es dem Client, nur diejenigen Dateien zu laden, die erforderlich sind, und sie zur Anzeige zu ras tern. Bei diesem Typ eines Server-Client-Systems können Ob jektdaten von vielen Clients gemeinsam genutzt werden. Wenn z. B. zwei Clients existieren, zeigt einer derselben Video daten für das rechte Auge an, während der andere Videodaten für das linke Auge anzeigt, um ein pseudo-dreidimensionales System aufzubauen.

Claims

1. Objektsuchverfahren zum Suchen nach Daten eines dreidi mensionalen Objekts in einer Speichereinheit und zum Ausle sen derselben, wobei die Speichereinheit für jedes Objekt eine Datei enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Einstellen einer Suchbedingung für die dreidimensionalen Daten, die einen zu durchsuchenden dreidimensionalen Raumbe reich spezifizieren, um den dreidimensionalen Raum nach ei nem gewünschten Objekt zu durchsuchen; und
(b) Lesen jeweils einer Datei, von denen jede Daten zu einem dreidimensionalen Objekt enthält, das die Suchbedingung er füllt, aus der Speichereinheit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Eingebens von Information zu den dreidimensiona len Koordinaten, die ein Betrachtungsvolumen spezifizieren, wobei die Suchbedingung im Schritt (a) durch den Maximalwert und den Minimalwert der dreidimensionalen Koordinaten des Betrachtungsvolumens bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß nur Daten zum Unterschied zwi schen einem vorigen Suchergebnis und dem aktuellen Sucher gebnis aus der Speichereinheit gelesen werden, wenn die Su che im Schritt (b) durch Ändern der Suchbedingungen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Einstellen eines mehrdimensionalen Baums aus mehreren Knoten, von denen jeder einem Objekt entspricht und jeder einen Schlüssel enthält, der aus dem Maximal- und dem Mini malwert der dreidimensionalen Koordinatenwerte des Objekts besteht;
(b) Einstellen einer Suchbedingung, die eine Bedingung für die dreidimensionalen Datenwerte beschreibt;
(c) Suchen nach einem Objekt, das die Suchbedingung erfüllt, durch Vergleichen mehrerer Schlüssel in jedem Knoten des mehrdimensionalen Baums mit der Suchbedingung; und
(d) Auslesen der Daten zum die Suchbedingung erfüllenden Ob jekt entsprechend jeweils einer Datei aus der Speicherein heit.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Suchbedingung für das Maximum und das Minimum der drei dimensionalen Koordinaten eines Betrachtungsvolumens gilt und daß der Schritt (c) einen Schritt des Suchens nach ei nem Objekt enthält, das zumindest teilweise im Betrachtungs volumen enthalten ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekenn zeichnet durch den Schritt des Lesens von nur Daten zum Un terschied zwischen dem vorigen Suchergebnis und dem aktuel len Suchergebnis aus der Speichereinheit, wenn eine Suche durch Ändern der Suchbedingung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Computersystem mit einem Hauptspeicher und einer Hilfsspeichereinheit ausgeführt wird, wobei die Speichereinheit die Hilfsspeichereinheit ist und wobei die im Schritt (d) gelesenen Daten zum Objekt in den Hauptspeicher geladen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekenn zeichnet durch den Schritt des Ausführens einer vorbestimm ten Koordinatentransformation an den im Schritt (d) ausgele senen Daten des Objekts, um einen Abschneidevorgang auszu führen.

9. Objektsuchsystem zum Durchsuchen eines dreidimensiona len Raums nach einem Objekt, gekennzeichnet durch:

(a) eine Speichereinheit (30) zum Speichern von Daten zu dreidimensionalen Objekten in jeweils einer Datei für jedes Objekt;
(b) eine Betrachtungsvolumendaten-Annahmeeinrichtung (22) zum Annehmen von ein Betrachtungsvolumen spezifizierenden Daten;
(c) einer Baumspeichereinrichtung (28) zum Einspeichern ei nes mehrdimensionalen Baums mit mehreren Knoten, von denen jeder einem Objekt entspricht und jeder Schlüssel enthält, die aus dem Maximalwert und dem Minimalwert dreidimensiona ler Koordinaten des Objekts bestehen;
(d) eine Raumdurchsucheinrichtung (24) zum Bestimmen eines dreidimensionalen, zu durchsuchenden Raums auf Grundlage der durch die Betrachtungsvolumendaten-Annahmeeinrichtung ange nommenen Betrachtungsvolumendaten und zum Suchen nach einem im dreidimensionalen Bereich enthaltenen Objekt auf Grundla ge eines Vergleichs zwischen den Schlüsseln jedes Knotens im mehrdimensionalen Baum, wie er in der Baumspeichereinrich tung abgespeichert ist, und dem zu durchsuchenden dreidimen sionalen Bereich; und
(e) eine Leseeinrichtung (29) zum Lesen der Daten zum im dreidimensionalen Bereich entsprechend dem Suchergebnis durch die Raumdurchsucheinrichtung enthaltenen Objekt aus der Speichereinheit in Form jeweils einer Datei.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrdimensionale Baum ein 6-d-Baum ist.

11. System nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch g. kennzeichnet, daß die Raumdurchsucheinrichtung den Unter schied zwischen dem Suchergebnis einer vorangehenden Suche und dem Suchergebnis der aktuellen Suche berechnet und den Unterschied als Suchergebnis an die Leseeinrichtung liefert, und daß die Leseeinrichtung aus der Speichereinheit eine Datei liest, die Daten zum Objekt enthält, das dem Unter schied auf Grundlage des von der Sucheinrichtung empfangenen Unterschieds entspricht.