DE19915308A1 - Verfahren zur zweidimensionalen Bildpunkt-Darstellung von Objekten auf einer Anzeigevorrichtung - Google Patents

Abstract

Für ein Verfahren zur zweidimensionalen Bildpunkt-Darstellung von Objekten auf einer Anzeigevorrichtung wird vorgeschlagen, bei einer Repräsentation der Objektoberfläche durch polygone, insbesondere dreieckförmige Flächenelemente in einer Hauptrecheneinrichtung zu Eckpunkten der Flächenelemente Bildpunktwerte, insbesondere Energiewerte zu mehreren Grundfarben zu bestimmen und zusammen mit den Koordinaten der Eckpunkte an eine Bilderzeugungseinrichtung wie eine Grafikkarte zu übertragen, wo durch Interpolation die Bildpunktwerke zu allen Bildpunkten der Darstellung ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweidimensionalen Bildpunkt- Darstellung von Objekten auf einer Anzeigevorrichtung.

Von Bedeutung zur zweidimensionalen Bildpunkt-Darstellung von Objekten, insbesondere für die Darstellung bewegter Objekte und/oder die Darstellung unter verschiedenen Blickwinkeln und/oder in veränderlichem Maßstab, sind primär Einrichtungen mit einer Datenverarbeitungsanlage und einem von dieser angesteuerten Anzeigevorrichtung. Die Anzeigevorrichtung ist typischerweise ein Farbmonitor mit einem festgelegten Bildpunktraster.

Für die bildpunktweise Ansteuerung des Monitors ist im Regelfall in der Datenverarbeitungsanlage (DVA) neben einem Hauptrechner, der häufig als Central Processing Unit CPU oder einfach als Prozessor der Datenverarbeitungsanlage bezeichnet ist, noch eine speziell auf die Generierung von Bildpunktwerten und Ansteuerung des Monitors ausgelegte Bilderzeugungseinrichtung vorhanden, welche über eine interne Datenleitung der Datenverarbeitungsanlage, insbesondere ein internes BUS-System mit der CPU verbunden ist. Eine solche Bilderzeugungsvorrichtung ist typischerweise als in einen Steckplatz des BUS-Systems eingesteckte sogenannte Grafikkarte ausgeführt.

Solche Grafikkarten enthalten für sich wiederum Speicher und Recheneinrichtungen, beispielsweise wiederum einen Prozessor mit mehreren Rechenwerken, welche aber anders als der universell betreibbare Hauptprozessor CPU auf die speziellen Aufgaben der Bilderzeugung ausgerichtet und optimiert sein können. Beispielsweise sind Grafikkarten gebräuchlich, welche zu einem als Polyeder mit bestimmter Raumausrichtung und Farbinformationen der einzelnen Flächenelemente vorgebbaren dreidimensionalen Objekt nach einem Beleuchtungsmodell, das ggf. wählbar aus mehreren Beleuchtungsmodellen und durch Parameter in begrenztem Umfang variierbar in der Grafikkarte als Verarbeitungsprogramm verfügbar ist, selbständig eine zweidimensionale Darstellung des Objekts mit der relativen Ausrichtung von Modellbeleuchtung und Flächenelementen des Objekts entsprechender Schattierung der einzelnen Flächen oder Flächenelemente erzeugen. Durch Verlagerung von Verarbeitungsschritten von der CPU in spezialisierte Hardwarekomponenten wird im Regelfall eine Entlastung der CPU angestrebt.

Es zeigt sich, insbesondere bei Veränderungen der Darstellung des Objekts, daß zum einen die rechenintensiven Verarbeitungsvorgänge auf die Grafikkarte und zum andern die Menge der von der CPU zur Grafikkarte über das BUS- System zu übertragenden Daten auch bei Beschränkung auf die das Polyedergerüst beschreibenden Objektdaten die Zeit zum Aufbau eines neuen Bildes nach kleineren Werten hin begrenzen und schnelle Veränderungen daher nicht ohne weiteres darstellbar sind oder als ruckartige Bewegungsfolgen erscheinen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zweidimensionalen Bildpunkt-Darstellung von Objekten auf einer Anzeigevorrichtung anzugeben, welches eine kürzere Bildaufbauzeit benötigt und damit eine kürzere Folgezeit veränderter Bilddarstellungen ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Die Erfindung wählt gezielt eine bestimmte Verteilung der Verarbeitungsschritte auf Hauptrechner (im folgenden kurz als CPU bezeichnet) einerseits und Bild­ erzeugungseinrichtung (im folgenden kurz als Grafikkarte bezeichnet) andererseits und daraus resultierend bestimmte Bilddaten für die Übertragung von CPU zu Grafikkarte.

Die Erfindung erreicht eine Beschleunigung des Bildaufbaus und damit kürzere Bildfolgezeiten zum einen durch eine Reduzierung des Datenvolumens bei der Übertragung über das interne BUS-System und zum andern durch eine erhebliche Reduzierung des Rechenaufwands in der Grafikkarte. Letzteres wird insbesondere durch die Verlagerung der Bestimmung der rückstreuenden Leuchtkraft der einzelnen Flächenelemente bei einem vorgegebenen Beleuchtungsmodell in die CPU (einschließlich deren unmittelbarer Peripherie ohne Benutzung des BUS-Systems) erreicht. Auf der Grafikkarte wird dann im wesentlichen nur noch eine Transformation der dreidimensionalen Koordinaten der Eckpunkte der Flächenelemente in zweidimensionale Koordinaten der Bildpunktanzeige und eine Interpolation der Bildpunktwerte innerhalb der einzelnen Flächenelemente durchgeführt. Diese Operationen erfordern nur geringen Rechenaufwand, so daß in diesen Verarbeitungsschritten eine hohe Datenmenge je Zeiteinheit abgearbeitet werden kann. Sofern auf der Grafikkarte verschiedene Interpolationsverfahren verfügbar sind, ist eventuell auch noch eine Angabe zur Auswahl eines Interpolationsverfahrens notwendig.

Eine Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit läßt sich ferner dadurch erzielen, daß in der Grafikkarte die Verarbeitungsstufe, welche für die Berechnung der Energiewerte auf der Basis eines Beleuchtungsmodells vorgesehen ist, abgeschaltet wird, was vorzugsweise über einen Steuerbefehl, beispielsweise "glDisable (GL LIGHTNING)" in der gebräuchlichen Programmiersprache OpenGL für Hardwarepipelines, vorgenommen werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführung der Erfindung, gemäß der die in der Grafikkarte für die Berechnung von Energiewerten vorgesehenen Verarbeitungseinrichtungen (Speicher, Rechenwerke) zusätzlich parallel zu den üblicherweise für die Interpolation innerhalb eines Flächenelements vorgesehenen Einrichtungen gleichfalls für die Interpolation zwischen den Bildpunktwerten der Eckpunkte eingesetzt werden. Als Energiewert sei dabei ein quantitatives Maß für die Intensität oder Leuchtkraft eines Bildpunktes verstanden. Vorzugsweise werden die Energiewerte als Wertetripel für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau bestimmt und zur bildpunktweisen Ansteuerung an die Anzeigevorrichtung ausgegeben. Auch die Bildpunktwerte der Eckpunkte bei der Übertragung von der CPU zur Grafikkarte werden vorteilhafterweise als Energiewerte zu den drei Grundfarben übertragen.

Gemäß der Erfindung wird zwar Datenverarbeitungsaufwand von der Grafikkarte in die CPU verlagert, was allerdings bei die Problemstellung der Darstellung eines aus einer Mehrzahl von Flächenelementen bestehenden Objekts im Regelfall an dieser Stelle keine nennenswerte Mehrbelastung der CPU verursacht. Dies beruht insbesondere darauf, daß typischerweise für die Darstellung eines Objekts einmal anfänglich ein Beleuchtungsmodell gewählt und die Bildpunktwerte an den Eckpunkten bestimmt werden, und daß Veränderungen der Darstellung im folgenden lediglich in einer Veränderung der Blickrichtung auf das Objekt bei objektbezogenen statischem Beleuchtungsmodell und/oder in einer Maßstabsänderung bei der Darstellung bestehen. Bei diesen Operationen, welche bei der Bildschirmdarstellung als eine Drehung oder als ein Weg- bzw. Näherrücken des Objekts erscheinen, und welche anschaulich auch als Veränderung einer Kameraposition bei feststehendem Objekt aufgefaßt werden können, bleiben vorteilhafterweise die Energiewerte an den Eckpunkten unverändert und lediglich die Koordinaten der Eckpunkte verändern sich. Für derartige Koordinatentransformationen stehen schnelle Algorithmen beispielsweise unter Einschluß einer Matrixmultiplikation zur Verfügung, so daß eine schnelle Umrechnung ohne nennenswerte Zusatzbelastung der CPU gewährleistet ist. Insgesamt kann der Verarbeitungsaufwand sogar erheblich verringert werden, da in der Speicherperipherie der CPU ausreichend Speicherplatz für die gesamten Eckpunkte aller Flächenelemente und der dazu bestimmten Energiewerte bereitgestellt werden kann und bei einer der vorgenannten Veränderungen der Objektdarstellung lediglich die Koordinatentransformation der Eckpunkte unter Beibehaltung der ebenfalls gespeicherten Energiewerte durchzuführen ist.

Demgegenüber ist bei der gebräuchlichen Bestimmung der Energiewerte auch der Eckpunkte anhand eines Beleuchtungsmodells in der Grafikkarte eine Speicherung aller Eckpunkte mit zugehörigen Energiewerten auf der Grafikkarte bereits bei Objekten mittlerer Komplexität nicht mehr möglich, so daß bei jeder der genannten Veränderungen die gesamten Eckpunktkoordinaten mit Farbinformation und Ausrichtung von der CPU an die Grafikkarte übertragen und dort die Energiewerte anhand eines verfügbaren Beleuchtungsmodells bestimmt werden.

Lediglich bei einer Änderung der Beleuchtungssituation muß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der CPU der sonst in die Grafikkarte verlagerte Verarbeitungsaufwand erbracht werden. Da solche Beleuchtungswechsel erfahrungsgemäß nur einen sehr geringen Anteil an den Veränderungen der Darstellung eines Objekts ausmachen, kann von einem insgesamt wesentlich verringerten Verarbeitungsaufwand bei der Erfindung ausgegangen werden.

Die für die Annäherung auch gekrümmter Oberflächen eines darzustellenden Objekts gewählten Flächenelemente sind vorzugsweise ebene Dreiecke. Es zeigt sich, daß bei einer solchen Repräsentation die Interpolation auch an der Flächenknicklinie zweier mit einer Seite aneinandergrenzender Dreiecke einen fließend erscheinenden Übergang ohne Hervorhebung der Knicklinie erzeugt, wenn auf der Knicklinie zusammenfallende Eckpunkte der beiden Dreiecke mit denselben Energiewerten belegt werden. Andererseits ist ein gewünschter abrupter Schattierungsübergang an einer Objektkante ohne weiteres darstellbar, wenn die Energiewerte zweier verschiedenen Flächen seitlich der Kante zuzuordnender Flächenelemente auch an den auf der Kante liegenden Eckpunkten verschieden sind. Die Oberflächen der Flächenelemente sind vorzugsweise als perfekt diffus rückstreuend angenommen. Es können aber auch teilweise spiegelnde Eigenschaften mit berücksichtigt werden.

In der Abbildung ist ein Ausschnitt eines Objekts mit beispielsweise drei senkrecht aufeinanderstehenden ebenen Flächen O1, O2 und O3 skizziert, wobei die Fläche O3 eine randständige Einbuchtung mit einer gekrümmten Bogenfläche B aufweist. Die ebenen Flächen O1, O2 und O3 sollen in sich einheitliche, aufgrund des angenommenen Beleuchtungsmodells untereinander verschiedene Energiewerte ihrer Bildpunkte aufweisen. Die Energiewerte der gekrümmten Bogenfläche sollen entlang der Krümmung kontinuierlich variieren.

Mit F1 ist ein dreieckförmiges erstes Flächenelement mit Eckpunkten E11, E12, E 13 innerhalb der ersten Objektfläche O1 bezeichnet, dessen eine Seite zwischen Eckpunkte E12 und E13 mit der Verbindungskante K von Flächen O1 und O2 zusammenfällt. Die Eckpunkte E11, E12 und E13 weisen alle dieselben Energiewertetripel (R11, G11, B11) = (R12, G12, B12) = (R13, G13, B13) auf.

Mit F2 ist ein dreieckförmiges zweites Flächenelement mit Eckpunkten E21, E22 und E23 innerhalb der zweiten Objektoberfläche O2 bezeichnet, dessen eine Seite zwischen Eckpunkten E13 und E23 mit der Verbindungskante K von Flächen O1 und O2 zusammenfällt. Die Eckpunkte E21, E22 und E23 weisen alle dieselben Energiewerte (R21, G21, B21 = (R22, G22, B22) = (R23, G23, B23) auf, welche von den Energiewertetripeln der Eckpunkte des Flächenelements F1 verschieden sind.

Die Eckpunkte E12 und E13 des ersten Flächenelements F1 sind zur Veranschaulichung des Prinzips zusammenfallend mit den Eckpunkten E22 und E23 des zweiten Flächenelements F2 gewählt. Dabei ist dem Eckpunkt E12 des ersten Flächenelements E12 mit (R12, G12, B12) ein anderes Energiewertetripel zugeordnet als dem die gleichen Koordinaten besitzenden Eckpunkt E23, zu welchem das Energietripel (R23, G23, B23) gehört. Entsprechendes gilt für die Eckpunkte E13 und E22.

Da die Energiewerte aller Eckpunkte von F1 gleich sind, liefert auch die Interpolation für alle Bildpunkte innerhalb von F1 dieselben Energiewertetripel. Entsprechendes gilt für F2. Bei hinreichend visuell unterscheidbaren Energiewerten von F1 und F2 zeigt sich in der Monitordarstellung dann eine klare Kante K, welche die Flächen O1 und O2 mit in sich jeweils einheitlicher Farbschattierung trennt.

Die kontinuierlich gekrümmte Bogenfläche B sei durch dreieckförmige Flächenelemente F3, F4 usw. angenähert. Im skizzierten Beispiel ist davon auszugehen, daß die Eckpunkte E31 und E32 des dritten Flächenelements, welche in der Oberfläche O3 des Objekts liegen, dieselben Flächennormalenrichtungen und dieselben Energiewerte (R31, G31, B31) = (R32, G32, B32) aufweisen, welche aber aufgrund der von der Flächennormalen von O3 abweichenden Ausrichtung der Flächennormalen in den Eckpunkten E31 und E32 von den Energiewerten der Bildpunkte innerhalb der Fläche O3 verschieden sind.

Das Energiewertetripel (R33, G33, B33) des Eckpunkts E33 des dritten Flächenelements ist verschieden von den Energiewertetripeln der Eckpunkte E31 und E32. Von der CPU werden lediglich die Koordinaten der Eckpunkte E31, E32 und E33 und deren zugeordnete Energiewertetripel an die Grafikkarte übertragen. Durch die in der Grafikkarte durchgeführte Interpolation ergibt sich innerhalb des Flächenelements ein allmählicher Schattierungsübergang entlang der Krümmung der Bogenfläche B.

Das die Annäherung der kontinuierlich gekrümmten Bogenfläche B nach F3 fortsetzende dreieckförmige Flächenelement F4 enthält die Eckpunkte E41, E42 und E43, wobei die die Eckpunkte E41 und E43 des Flächenelements F4 mit den Eckpunkten E32 und E33 des Flächenelements F3 und die die jeweiligen Eckpunkte verbindenden Seiten der Flächenelemente zusammenfallen. Da für die Bogenfläche B ein kontinuierlicher Übergang der Farbschattierung gewünscht ist, sind die Energiewertetripel von E33 und E43 identisch gewählt. Hierfür kann beispielsweise für die Eckpunkte E33 und E43 eine gemeinsame mittlere Flächennormalenrichtung oder eine aus der Bogenkrümmung von B selbstermittelte Flächennormalenrichtung zugrunde gelegt werden. Ebenso sind die Energiewertetripel zu den Eckpunkten E32 und E41 identisch, wogegen das Energiewertetripel (R42, G42, B42) des Eckpunkts E42 des Flächenelements zumindest von dem Energiewertetripel zum Eckpunkt E41, im skizzierten Beispiel typischerweise auch von dem Energiewertetripel des Eckpunkts E43 verschieden ist. Durch die Übereinstimmung der Energiewertetripel an zusammenfallenden Eckpunkten aneinandergrenzender Flächenelemente ergibt sich ein kontinuierlicher Übergang der Farbschattierung, welcher auch bei grober Annäherung der kontinuierlichen Krümmung einen knickfreien visuellen Eindruck ergibt.

Von der CPU werden lediglich die Koordinaten der Eckpunkte und die zugehörigen Energiewerte an die Grafikkarte übertragen, wo die Energiewerte aller Bildpunkte der zweidimensionalen Objektdarstellung durch Interpolation, vorzugsweise lineare Interpolation aus den übertragenen Energiewerten der . Eckpunkte berechnet werden. Hieraus resultiert auch eine Verringerung der zu übertragenden Datenmenge gegenüber gebräuchlichen Verfahren, bei welchen gleichfalls die Eckpunktkoordinaten, die Flächennormalen zu allen Eckpunkten sowie relative Farbwerte und Parameter zu physikalischen Flächeneigenschaften (perfekt diffus, Spiegelanteile etc.) übertragen werden müssen. Die Umrechnung zwischen dreidimensionalen Koordinaten und zweidimensionalen Koordinaten ist hinreichend bekannt. Die zweidimensionale Darstellung ist letztlich durch die Bildpunktunterteilung der Darstellungsfläche des Monitors vorgegeben.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere ist die Interpolation sowohl im dreidimensionalen Objektmodell als auch nach dessen Abbildung in eine zweidimensionale Darstellungsebene möglich.

Claims (5)

1. Verfahren zur zweidimensionalen Darstellung von Objekten auf einer Anzei­ gevorrichtung mit Aussteuerung der Anzeigevorrichtung durch eine Bilder­ zeugungseinrichtung, welche ihrerseits Bilddaten über eine Datenleitung von einer Hauptrecheneinrichtung empfängt, wobei ausgehend von vorgebbaren Objekten, deren Oberflächen in eine Mehrzahl polygoner Flächenelemente aufgeteilt wird, und einem vorgebbaren Beleuchtungsmodell durch Berech­ nungsvorgänge im Hauptrechner einerseits und in der Bilderzeugungsein­ richtung andererseits Bildpunktwerte zur Ansteuerung der Anzeigevorrich­ tung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptrechner anhand der Flächendarstellung des Objekts und eines Beleuchtungsmodells zu den Eckpunkten der Flächenelemente Bildpunktwerte ermittelt werden, daß Koordinaten und Bildpunktwerte der Eckpunkte über die Datenleitung zu der Bilderzeugungseinrichtung übertragen werden und daß in der Bilderzeu­ gungseinrichtung die Bildpunktwerte der zur Anzeige gelangenden Bild­ punkte des Objekts durch Interpolation zwischen den Bildpunktwerten der Eckpunkte erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Bild­ erzeugungseinrichtung optionale Funktion zur Berechnung von Bildpunkt­ werten anhand eines in der Bilderzeugungseinrichtung verfügbaren Be­ leuchtungsmodells ausgeschaltet wird und die dafür bereitgehaltenen Re­ chenressourcen in der Bilderzeugungseinrichtung parallel für die Ermittlung von Bildpunktwerten durch Interpolation mitgenutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flä­ chenelemente farblich einheitlich dargestellt werden und bei der Interpolation nur Energiewerte bestimmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptrechner als Bildpunktwerte Energiewerte zu vorbestimmten Grundfarben ermittelt und an die Bilderzeugungseinrichtung übertragen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten der Eckpunkte als Koordinatenwerte eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems vom Hauptrechner zur Bilderzeugungseinrichtung übertragen werden.