DE19817584B4

DE19817584B4 - Verfahren und System zur Objektsuche

Info

Publication number: DE19817584B4
Application number: DE19817584A
Authority: DE
Inventors: Kenshiu Hitachiota Watanabe; Yutaka Fujisawa Kanou
Original assignee: Japan Nuclear Cycle Development Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: CA2235089A1; JPH10293863A; JP3034483B2; CA2235089C; DE19817584A1; US6072495A

Abstract

Verfahren zum Suchen von dreidimensionalen Daten von Objekten in einer Speichereinheit und zum Auslesen der Objektdaten in einen Hauptspeicher eines Computersystems, das eine Bildwiedergabe für die Objekte ausführt, wobei die Speichereinheit die dreidimensionalen Daten für jedes Objekt als einzelne Datei speichert, mit folgenden Schritten:
– Aufstellen einer Suchbedingung für dreidimensionale Koordinaten, wobei die Suchbedingung einen zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich spezifiziert,
– Suchen nach Objekten, die der Suchbedingung genügen,
– Auslesen der einzelnen Dateien, die jeweils die dreidimensionalen Daten eines der Objekte, die der Suchbedingung genügen, enthalten, und
– Laden der als einzelne Dateien ausgelesenen dreidimensionalen Daten der gefundenen Objekte in den Hauptspeicher, wobei überflüssige Dateidaten gelöschter Objekte mit den aus der Speichereinheit gelesenen Dateidaten überschrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Suchen von dreidimensionalen Daten von Objekten in einer Speichereinheit und zum Auslesen der Objektdaten in einen Hauptspeicher eines Computersystems, das eine Bildverarbeitung und Bildwiedergabe für die Objekte ausführt.
Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um eine große Datenmenge in einem begrenzten Speicher zu verarbeiten. Genauer gesagt, existieren auf dem Gebiet der Computergraphik (CG) Anwendungen wie Fahrsimulationen, die es erfor dern, häufig den Hintergrund zu ändern. Derartige Anwendungen speichern dreidimensionale Koordinaten aller Objekte, wie die von bei der Simulation verwendeten Gebäuden oder Straßen in einer großvolumigen Hilfsspeichereinheit (nachfolgend 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 Simulation ausgeführt wird. Um dieses Problem zu überwinden, verwendet 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 herausgenommen (Seite-heraus).
Bei Computergraphiken wird eine als Abschneiden bezeichnete Verarbeitung ausgeführt, um Objekte im Gesichtsfeld zu halten. Wenn z. B. eine entfernte Ansicht einer Straße auf dem Schirm angezeigt wird, werden viele Objekte, wie Gebäude, dargestellt. Wenn die Straße auf gezoomt wird, verringert sich die Anzahl der auf dem Schirm dargestellten Objekte. Der Gesichtsfeldraum wird als Betrachtungsvolumen bezeichnet. Anders gesagt, unterteilt ein Abschneiden die Objekte auf dem Schirm in zwei Teile, nämlich sichtbare und unsichtbare Teile, abhängig davon, ob sie sich innerhalb des Betrachtungsvolumens befinden oder nicht, und dann entfernt es die unsichtbaren Teile. Diese Verarbeitung zeigt ein dem Betrachtungspunkt entsprechendes gleichmäßiges, natürliches Bild auf dem Schirm.
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 Position einer vorderen Abschneideebene 4, die Position einer hinteren Abschneideebene 6, einen horizontalen Gesichtsfeldwinkel und einen vertikalen Gesichtsfeldwinkel, bestimmt. Die Bestimmung des Betrachtungsvolumens ist der Auswahl eines Behältnisses ähnlich, in dem sich die Objekte befinden. In 1 ist eine perspektivische Projektion dazu verwendet, ein dreidimensionales Objekt auf einem zweidimensionalen Schirm abzubilden. Im Ergebnis ist das Betrachtungsvolumen 2 eine stumpfe Pyramide mit dem Betrachtungspunkt O als Spitze.
Wenn die im Betrachtungsvolumen 2 enthaltenen Objekte angezeigt werden, wird dieses Betrachtungsvolumen 2 aufgebaut, und gleichzeitig werden Objektdaten gelesen. Da die Menge dieser Daten groß ist, werden soviele Objektdaten, wie sie im Hauptspeicher aufgenommen werden können, durch das Merkmal virtueller Speicherung geladen, und dann werden die Koordinaten des geladenen Objekts mittels einer Betrachtungstransformation transformiert. 1 zeigt zwei Objekte, 8 und 10, nach der Koordinatentransformation. Dann werden diese 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 1 wird das Objekt 8, das nicht im Betrachtungsvolumen 2 enthalten ist, entfernt, während das im Betrachtungsvolumen 2 enthaltene Objekt 10 verbleibt. Nachdem das Abschneiden für alle Objekte auf diese Weise ausgeführt wurde, werden die Objekte, die ganz oder teilweise im Betrachtungsvolumen 2 enthalten sind, erneut durch das Merkmal virtueller Speicherung zur "Rasterung" oder Bilderzeugung in den Hauptspeicher geladen. 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 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 häufig gewechselt werden müssen, unpraktisch.

Die DE 39 08 684 A1 betrifft ein Suchverfahren für einen Datenspeicher, in dem Daten von n-dimensionalen Suchobjekten innerhalb eines endlichen n-dimensionalen Verwaltungsbereichs gespeichert sind. Innerhalb dieses Verwaltungsbereichs kann ein Suchbereich definiert werden, um die Suchobjekte zu ermitteln, die innerhalb des Suchbereichs liegen oder diesen schneiden.

Die US 5,572,639 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interaktiven Handhabung und Anzeige angenommener Beziehungen zwischen graphischen Objekten, bei denen eine Vielzahl graphischer Objektfiles oder -dateien, von denen jedes/jede ein entsprechendes graphisches Objekt und ein zugeordnetes Symbol zum Anzeigen in der graphischen Umgebung definiert.

Bei den graphischen Objekten handelt sich um mehr oder weniger schematische Darstellungen von Bauteilen, zum Beispiel um längliche Rechtecke, die Bauteile aus Gusseisen auf einem graphischen Bildschirm eines Computers bei der Computer unterstützten Konstruktion (CAD) repräsentieren sollen.

Derartige graphische Objekte können beim Computer unterstützten Entwerfen oder Konstruieren vom Benutzer anhand von Symbolen beliebig gewählt werden, um eine zu entwerfende Baueinheit auf dem Bildschirm darzustellen. Nach dem Auswählen eines Objekts wird dieses, also dessen Daten in ein/eine Zeichnungs- oder Designfile oder -datei eingesetzt.

Das Handbuch von T. Weltner: Windows NT4 Workstation, Data Becker, 1996, ISBN 3-8158-1546-0, S.61-64; HB zum Betriebssystem Windows-NT4 für Work-Stations beschreibt, dass auch auf prall gefüllten Festplatten beispielsweise nach Dateinamen oder Teilen davon, nach Dateien die in einem bestimmten Zeitraum erstellt wurden, und/oder nach Dateien gesucht werden kann, die eine bestimmte Textstelle enthalten. Dabei lassen sich die verschiedenen Suchkriterien kombinieren und für erneute Benutzung speichern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine schnelle Raumdurchsuchung ausführen kann und es somit ermöglicht, Daten auch bei begrenztem Hauptspeicherplatz in Echtzeit anzuzeigen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Ein System zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 7 beschrieben.

Erfindungsgemäß ist also zunächst vorgesehen, dass die dreidimensionalen Daten der einzelnen dreidimensionalen Objekte, nicht wie bei Fahr- und Flugsimulatoren bisher üblich, seitenweise in der Speichereinheit gespeichert sind, sondern als einzelne Dateien, so dass das Laden der dreidimensionalen Daten der einzelnen Objekte verkürzt wird. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die aus der Speichereinheit detailliere gelesenen Daten im Hauptspeicher überflüssige Daten gelöschter Objekte überschreiben, wodurch sich eine effiziente Nutzung des Hauptspeichers und damit eine schnelle Datenverarbeitung zur Fahr- oder Flugsimulation ermöglichen, sowie unnötige Ladevorgänge für bereits geladene Dateidaten vermeiden lassen. Es wird also die Anzahl von Lesevorgängen und damit die Zeit verringert, die dafür erforderlich ist, die nötigen Daten zu lesen.

Zunächst wird in Abhängigkeit einer Benutzereingabe eine Suchbedingung für dreidimensionale Daten aufgestellt, die im Falle einer Fahrsimulation dem Betrachtungsvolumen, also dem Gebiet der Landschaft entspricht, das dem Benutzer auf dem Bildschirm zu präsentieren ist. Im nächsten Schritt werden die Objekte gesucht, die sich in dem Betrachtungsvolumen befinden und die dem Benutzer somit angezeigt werden sollen. Nach dem Auffinden der anzuzeigenden Objekte werden die jeweiligen dreidimensionalen Daten der Objekte ausgelesen und in den Hautspeicher geladen. Hierbei ist zu beachten, das jede Datei nur die Daten eines einzelnen Objekts enthält oder umgekehrt gesagt, dass jedem Objekt eine individuelle Datei zugeordnet ist, die die Daten des Objekts beinhaltet.

Bei Änderung des Betrachtungsvolumens während der Fahrsimulation ändert sich auch die Suchbedingung, d.h. die Suchbedingung und damit das Betrachtungsvolumen wird neu spezifiziert, um wiederum die im neuen Betrachtungsvolumen befindlichen Objekte zu ermitteln.

Dabei wird auch überprüft, für welche Objekte die Dateien bereits im Hauptspeicher geladen sind, welche Objekte gelöscht sind und für welche Objekte die Dateien noch geladen werden müssen. Dabei werden zur effektiven Nutzung des Hauptspeichers die neu aus dem Hauptspeicher gelesenen Dateidaten über überflüssige Dateidaten gelöschter Objekte geschrieben.

Die Verwendung eines mehrdimensionalen Baums löst Probleme im Zusammenhang mit der herkömmlichen virtuellen Speicherung und verbessert den Wirkungsgrad bei der Suche von Objekten, wodurch die Verarbeitung beschleunigt wird, die vor dem Lesen der Dateien ausgeführt werden muss.

Auch die Verringerung der erforderlichen Lesevorgänge sowie die Verwendung von Objekten einer Szene für die nächste Szene verringert die Verarbeitungszeit stark, da nur der Unterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Szenen gelesen werden muss.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen einem Betrachtungsvolumen und Objekten zeigt.
2 ist ein Diagramm, das Objektdaten zeigt, die sich bei virtueller Speicherung über zwei Seiten erstrecken.
3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Raumdurchsuchsystems bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines 1-d-Baums zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines 2-d-Baums zeigt.
6, 7 und 8 sind Diagramme, die Beziehungen zwischen einem 2-d-Baum und einem zweidimensionalen Bereich zeigen.
9 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf für ein beim Ausführungsbeispiel verwendetes Raumdurchsuchsystem zeigt.
10 ist ein Diagramm, das eine Bezugszelle zeigt.
11 ist ein Diagramm, das eine Umgrenzungszelle zeigt.
[Systemkonfiguration]
3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines bei der Erfindung verwendeten Raumdurchsuchsystems zeigt. Dieses Raumdurchsuchsystem kann durch eine selbstständige Workstation 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 3 dargestellt ist, umfasst das System eine Workstation 20 und eine interne oder externe Hilfsspeichereinheit 30. Die externe Speichereinheit 30, die eine Magnetplatteneinheit, eine optische Speichereinheit oder eine magnetooptische Platteneinheit sein kann, enthält Koordinatendaten 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 Benutzer dazu auf, Parameter einzugeben, die das Betrachtungsvolumen 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 Baumspeichermodul 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 Abschneidevorgangs aus der Hilfsspeichereinheit 30 in das Baumspeichermodul 28 geladen. Das Ergebnis des Abschneidevorgangs, oder das Ergebnis der Suche, wird an ein Dateilesemodul 29 geliefert. Das Raumdurchsuchmodul 24 führt eine Zwischenspeicherung des vorigen Suchergebnisses aus und liefert nur den Unterschied zwischen dem vorigen Suchergebnis und dem aktuellen Suchergebnis an das Dateilesemodul 29.
Das Dateilesemodul 29 prüft den Unterschied und liest erforderliche Objektdaten, in Form jeweils einer Datei, aus der Speichereinheit 30 aus. Gelesene Dateidaten werden über überflüssige Dateidaten geschrieben (dieser Vorgang entspricht 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 associative 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 Veröffentlichungen 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 Binärsuche verwendet wird, wobei die Anzahl von Suchschlüsseln k ist. Das Folgende erläutert derartige Bäume in der Reihenfolge 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. 4 zeigt ein Beispiel eines 1-d-Baums. Wie es in der Figur dargestellt 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 Erkennen, 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 Abkömmling des Knotens d ist. Demgemäß kann, wenn einmal eine Suchbedingung und Schlüsselbeziehungen vorgegegen sind, ein gewünschter Knoten schnell aufgefunden werden.
(2) 2-d-Baum
Ein 2-d-Baum erlaubt es, gewünschte Knoten dann schnell aufzufinden, wenn Bedingungen für zwei Schlüssel vergeben sind. Diese zwei Schlüssel, die unabhängig voneinander sind, müssen in einem Baum enthalten sein.
5 zeigt ein Beispiel eines 2-d-Baums, bei dem acht Knoten, 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 definiert, 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 beliebigen 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 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 beliebigen Knotens im Unterbaum, dessen Wurzel der Knoten f ist, der der linke Abkömmling des Knotens d ist. In 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 Unterbaum, dessen Wurzel der Knoten e ist, der der rechte Abkömmling 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 umgeschrieben:
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, dessen 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 6 bis 8 zeigen die Beziehung zwischen dem 2-d-Baum und einem zweidimensionalen Bereich. In dieser Figur erstreckt 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 6 dargestellt ist, wird der Bereich durch den Knoten d (X = 7) zweigeteilt. Ein Knoten unter dem Knoten d gehört zu einem der Bereiche.
Als nächstes wird, wie es in 7 dargestellt ist, jeder Bereich durch den Knoten f (y = 7) und den Knoten e (y = 5) zweigeteilt. In 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 6 und den anderen Figuren dargestellten zweidimensionalen Bereiche gehört, was bedeutet, 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 ermöglicht es, eine Bereichssuche mit zwei Schlüsseln auszuführen. Als Beispiel sei angenommen, dass die folgenden Suchbedingungen 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 Erkennen, ob der Knoten d, d. h. die Wurzel, die Bedingung 0 erfüllt. Da der 0. Schlüssel des Knotens d (= 7) die Untergrenze nicht erfüllt, wird bestimmt, dass der Knoten f (der linke Abkömmling des Knotens d) und die untergeordneten Knoten 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 Untergrenze 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 wirkungsvoll 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 Ausführungsbeispiel 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 Tiefenberechnungsformel 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 repräsentiert ein Knoten eine Umgrenzungszelle (was später beschrieben 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 arbeitet wie folgt. 9 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf eines bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Raumdurchsuchsystems zeigt. Bevor mit dem Ablauf begonnen wird, wird ein 6-d-Baum in das Baumspeichermodul 28 geladen (S0).
Wie es in 9 dargestellt ist, fordert das System als erstes dazu auf, ein Betrachtungsvolumen zu spezifizieren (S2). Das Parameterannahmemodul 22 nimmt benutzerspezifizierte 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. 2-Achse verlaufen. So kann die Bezugszelle durch sechs x-, y-, und z-Koordinaten beschrieben werden (als xs_max, xs_min, ys_max, ys_min, zs_max, zs_min repräsentiert), die die maximalen und minimalen Koordinatenwerte der acht Ecken der Bezugszelle sind. Andererseits wird ein das Objekt umgrenzender Quader als "Umgrenzungszelle" bezeichnet. Hinsichtlich der Umgrenzungszelle kann das i. Objekt 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 Schlüssel im 6-d-Baum enthalten sind.
10 zeigt eine Bezugszelle, während 11 eine Umgrenzungszelle zeigt. Wie es in 10 dargestellt ist, wird das Betrachtungsvolumen 2 von der Bezugszelle 50 umschlossen. Zwei Flächen der sechs Flächen der Bezugszelle 50 sind durch eine vordere Abschneidebene und eine hintere Abschneidebene gebildet, wobei die restlichen vier Flächen automatisch auf Grundlage dieser zwei Flächen bestimmt werden. Andererseits ist ein Objekt 60 durch eine Umgrenzungszelle 62 umschlossen, wie in 11 dargestellt. Das Objekt 60, das im allgemeinen kleiner als das Betrachtungsvolumen 2 ist, ist in 11 vergrößert dargestellt. Die Seiten (Breite, Höhe und Tiefe) der Umschließungszelle 62) verlaufen 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 bestimmt ist, dass ihre drei rechtwinkligen Seiten parallel zur x-, y- und z-Achse verlaufen. Daher ermöglicht es ein einfacher Vergleich der maximalen und minimalen Koordinatenwerte 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 Umgrenzungszellen entspricht dem Auffinden der Werte des Betrachtungsvolumens, xs_min, sowie der Werte des Objekts, wie xi_min. Unter Verwendung dieser Werte wird die folgende Operation ausgeführt.
Als nächstes führt das Raumdurchsuchmodul 24 einen Abschneidevorgang 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 Bezugszelle heraussteht, kann eine Suche nach einer Umgrenzungszelle, 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 ausgeführt werden:
(Es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) × (es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) + (es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) × (es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen) + (es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) × (es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen)
Dabei bezeichnet der Operator "X" die logische UND-Verknüpfung, während der Operator "+" die logische ODER-Verknüpfung bezeichnet. Eine Suche nach Umgrenzungszellen, die in drei Richtungen (x, y und z) teilweise aus der Bezugszelle herausreichen, kann wie folgt ausgeführt werden:
(Es wird auf die Bedingung 0 oder 3 nicht Bezug genommen) × (es wird auf die Bedingung 1 oder 4 nicht Bezug genommen) × (es wird auf die Bedingung 2 oder 5 nicht Bezug genommen)
Zusammengefasst gesagt, sind die Kombinationen von Bedingungen, die bei der Suche nach einer Umgrenzungszelle, die zumindest teilweise in der Bezugszelle enthalten ist, zu verwenden 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 Bedingungen entwickelt werden. Für jede dieser acht Kombinationen werden Umgrenzungszellen ausgewählt, die in der Bezugszelle 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 werden. Dies gilt auch in den Richtungen x und y. Ein Abschneiden wird unter Verwendung dieses Suchprozesses erzielt.
Als nächstes findet das Raumdurchsuchmodul 24 den Unterschied 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' verworfen werden kann und das Objekt 'e' geladen werden muss". Bei Empfang dieser Unterschiedsinformation liest das Dateilesemodul 29 die Datei des Objekts 'e' aus der Speichereinheit 30 aus und überschreibt diese Daten über die des Objekts 'a' (S10).
Dann wird an den in den Speicher geladenen Objekten eine Koordinatentransformation ausgeführt (S12). Bei diesem Ausführungsbeispiel verringert sich die Belastung eines Computersystems für die Koordinatentransformation aufgrund der Vorauswahl im Schritt S6.
Nach der Koordinatentransformation wird an den Objekten ein detaillierter Abschneidevorgang ausgeführt. In S6 wurde ein grober Abschneidevorgang ausgeführt, um alle Objekte auszusuchen, die zumindest teilweise sichtbar sein können. In diesem Stadium wird ein detailliertes Abschneiden ausgeführt, um dasselbe Objekt in diejenigen Teile, die im Betrachtungsvolumen 2 enthalten sind, und diejenigen zu unterteilen, die nicht darin enthalten sind. Dann rastert das Rastermodul 26 die im Betrachtungsvolumen 2 einzuschließenden Objektteile (S14), bevor diese auf dem Schirm angezeigt werden.
Das System arbeitet auf die obenbeschriebene Weise. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel ein unabhängiges System verwendet ist, kann auch ein Server-Client-System verwendet werden, in welchem Fall der Server für den Raumdurchsuchungsdienst sorgt und er das Suchergebnis als Unterschiedsinformation an den Client liefert. Diese Unterschiedsinfor mation ermöglicht es dem Client, nur diejenigen Dateien zu laden, die erforderlich sind, und sie zur Anzeige zu rastern. Bei diesem Typ eines Server-Client-Systems können Objektdaten von vielen Clients gemeinsam genutzt werden. Wenn z. B. zwei Clients existieren, zeigt einer derselben Videodaten für das rechte Auge an, während der andere Videodaten für das linke Auge anzeigt, um ein pseudo-dreidimensionales System aufzubauen.

Claims

Verfahren zum Suchen von dreidimensionalen Daten von Objekten in einer Speichereinheit und zum Auslesen der Objektdaten in einen Hauptspeicher eines Computersystems, das eine Bildwiedergabe für die Objekte ausführt, wobei die Speichereinheit die dreidimensionalen Daten für jedes Objekt als einzelne Datei speichert, mit folgenden Schritten: – Aufstellen einer Suchbedingung für dreidimensionale Koordinaten, wobei die Suchbedingung einen zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich spezifiziert, – Suchen nach Objekten, die der Suchbedingung genügen, – Auslesen der einzelnen Dateien, die jeweils die dreidimensionalen Daten eines der Objekte, die der Suchbedingung genügen, enthalten, und – Laden der als einzelne Dateien ausgelesenen dreidimensionalen Daten der gefundenen Objekte in den Hauptspeicher, wobei überflüssige Dateidaten gelöschter Objekte mit den aus der Speichereinheit gelesenen Dateidaten überschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufstellen eines mehrdimensionalen Baums aus mehreren Knoten, von denen jeder einem Objekt entspricht und mehrere Schlüssel enthält, die aus dem Maximal- und dem Minimalwert der dreidimensionalen Koordinatenwerte des Objekts bestehen, – Aufstellen der Suchbedingung, – Suchen nach Objekten, die der Suchbedingung genügen, durch Vergleichen der Schlüssel in jedem Knoten des mehrdimensionalen Baums mit der Suchbedingung, und – Auslesen der gefundenen Dateien aus der Speichereinheit.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: – Eingeben von Information, die als zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich ein Betrachtungsvolumen spezifiziert, wobei die den zu durchsuchenden dreidimensionalen Raum spezifizierende Suchbedingung durch den Maximalwert und den Minimalwert der dreidimensionalen Koordinaten des Betrachtungsvolumens bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur die bei einer aktuellen Suche gefundenen Dateien aus der Speichereinheit gelesen werden, die von den bei einer vorigen Suche mit einer anderen Suchbedingung gefundenen Dateien verschieden sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekte der Suchbedingung genügen, die zumindest teilweise im zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich, dem Betrachtungsvolumen, enthalten sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: – Ausführen einer vorbestimmten Koordinatentransformation an den ausgelesenen Dateien der Objekte, um einen Abschneidevorgang auszuführen.
System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: – einer Speichereinheit (30) zum Speichern dreidimensionaler Daten für jedes Objekt als einzelne Datei, – einem Parameterannahmemodul (22) zum Annehmen von Information, die als zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich ein Betrachtungsvolumen spezifiziert, – einem Baumspeichermodul (28) zum Speichern eines mehrdimensionalen Baums mit mehreren Knoten, von denen jeder einem Objekt entspricht und jeder Schlüssel enthält, die aus dem Maximal- und dem Minimalwert der dreidimensionalen Koordinatenwerte des Objekts bestehen, – einem Raumdurchsuchmodul (24) zum: – Aufstellen einer Suchbedingung für dreidimensionale Koordinaten, wobei die Suchbedingung einen zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich (Betrachtungsvolumen) spezifiziert, und – Suchen nach Objekten, die der Suchbedingung genügen, auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen den Schlüsseln jedes Knotens in dem im Baumspeichermodul gespeicherten mehrdimensionalen Baum und der den zu durchsuchenden dreidimensionalen Bereich spezifizierenden Suchbedingung, und – einem Dateilesemodul (29) zum Auslesen der Dateien entsprechend dem Suchergebnis aus der Speichereinheit.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrdimensionale Baum ein 6-d-Baum ist.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumdurchsuchmodul (24) den Unterschied zwischen einem Suchergebnis einer vorangegangenen Suche und dem Suchergebnis einer aktuellen Suche berechnet und den Unterschied als Suchergebnis an das Dateilesemodul (29) liefert, so dass das Dateilesemodul (29) aus der Speichereinheit (30) nur die Dateien liest, die Daten zu Objekten enthalten, die von den bei der vorangegangenen Suche gefundenen Objekten verschieden sind.