DE2845576A1

DE2845576A1 - Einrichtung zur erzeugung von schwarzweiss- und farbabbildungen dreidimensionaler objekte auf fernsehbildschirmen im realzeitbetrieb

Info

Publication number: DE2845576A1
Application number: DE19782845576
Authority: DE
Inventors: Boris Stepanovitsch Dolgovesov; Viktor Nikolaevitsch Kotov; Aristarch Michailovits Kovalev; Anatoly Aleksandrovitsc Lubkov; Jury Efremovitsch Nesterichin; Konstantin Fedorov Obertyschev; Aleksandr Sergeevitsch Tokarev
Original assignee: INST AVTOMATIKI I ELEKTROMETRI
Current assignee: INST AVTOMATIKI I ELEKTROMETRI
Priority date: 1977-10-19
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-04-26
Also published as: FR2406927A1; GB2008368A; JPS5477537A; SU834692A1

Description

HOPPMAjSTN - EITLE Oc PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-I NG. W. EITLE . D R. RER. NAT. K. H O FFMANN - D! PL.-ING. V/. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RE R. N AT. B. H AN S E N ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MO NCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

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Institut Avtomatiki i Elektromentrii Sibirskogo Otdelenia Akademii Nauk SSSR, Novosibirsk / UdSSR

Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb

Die Erfindung betrifft die Rechentechnik und bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb.

Die Einrichtung wird hauptsächlich zur Wiedergabe von mit Hilfe elektronischer Rechenanlagen auf Fernsehbildschinnen erzeugten Bildern in Sichtbarmachungssystemen bei rechnerunterstützter Nachbildung und Projektierung, insbesondere in verschiedenen Simulations- und Modellierungs-Gerätekomplexen verwendet.

Die zur Zeit bestehenden Einrichtungen zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbbildern auf Fernsehbildschirmen sind durch das Zeitintervall gekennzeichnet, das zur Erzeugung eines Fernseh-

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Vollbildes erforderlich ist. Dieser Kennwert bestimmt die Bildwechselfrequenz, d.h. die wahre Realzeit zur Abbildung dynamischer Szenen. Eine Verkürzung der zur Erzeugung eines Vollbildes erforderlichen Zeit oder eine Vergrößerung des am Schirm während eines Vollbildes sichtbar gemachten Informationsumfanges erweitert den Anwendungsbereich der Einrichtungen und verbessert die technischen Eigenschaften von Systemen, in denen solche Einrichtungen eingesetzt werden.

Es ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb bekannt, die einen Prioritätsprozessor enthält, auf dessen Eingang die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte gegeben .wird., wobei der Prioritätsprozessor mit einem Prioritätsgenerator zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters elektrisch verbunden ist und der Prioritätsgenerator mit einem Rechner zur Ermittlung von Projektionen der dreidimensionalen Objekte auf die Beobachtungsebene in elektrischer Verbindung steht, während der Ausgang des Prioritätsgenerators an den Eingang einer Schaltung zur Formierung des Videosignals angeschlossen ist, das zur Wiedergabe eines Schwarzweiß- oder Farbbildes am Fernsehbildschirm benutzt wird. (Vgl. z.B. R.R. Raike Compu-Scene-Iiodular Approach to daynight computer image Simulation, Proceedings SYAA Visual and Motion Simulation Conference, April, 26-28).

In der erwähnten Einrichtung werden die abgebildeten Objekte durch Polyeder dargestellt, und als Elemente, mit denen die Projektionen der dreidimensionalen Objekte in der Beobachtungsebene beschrieben v/erden, dienen Flächenkanten dieser Polyeder, wobei zur Erzeugung von Elementen einer Zeile folgende aufwendigen Operationen durchgeführt werden müssen:

- Ermittlung und Aufrechterhaltung einer Liste aktiver Kanten,

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die die laufende Bildzeile schneiden;

- nach der Bestimmung der Schnittpunkte der Kanten mit der Zeile müssen zwei zu einer Fläche gehörende Kanten gefunden und vereinigt werden und somit ein Segment, d.h. der die Fläche schneidende Zeilenabschnitt, formiert werden;

- zur Ermittlung des sichtbaren Segments auf der vorgegebenen Zeilenstrecke müssen die Segmente entsprechend ihrer Priorität, d.h. ihrer Entfernung vom Beobachter, sortiert v/erden. Zu diesem Zweck ist eine Verbindung zwischen dem Prioritätsprozessor und dem Prioritätsgenerator zur Bildung sichtbarer Segmente vorgesehen, die zur Übertragung von Flächenprioritäten bestimmt ist.

Die Realisierung eines Systems nach diesem Prinzip ist dadurch erschwert, daß die Zeit zur Durchführung der erwähnten Operationen durch die Dauer der Zeilenablenkperiode begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und FarbabbiLdungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen in Realzeitbetrieb zu entwickeln, deren schaltungstechnische Lösung eine Vergrößerung der Anzahl von dreidimensionalen Objekten ermöglicht, die in einem Vollbild wiedergegeben v/erden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb, mit einem Prioritätsprozessor, auf dessen Eingang die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte gegeben wird, wobei der Prioritätsprozessor mit einem Prioritätsgenerator zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters elektrisch verbunden ist und der letztere mit einem Rechner zur

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Ermittlung von Projektionen der dreidimensionalen Objekte auf die Beobachtungsebene in elektrischer Verbindung steht, während der Ausgang des Prioritätsgenerators an den Eingang einer Schaltung zur Formierung des Videosignals angeschlossen ist, das zur Wiedergabe eines Schwarzweiß- oder Farbbildes am Fernsehbildschirm benutzt wird, erfindungsgemäß der Ausgang des Prioritätsprozessors an den Eingang des Rechners zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene angeschlossen ist, und daß die elektrische Verbindung dieses zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene bestimmten Rechners mit dem Prioritätsgenerator zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters über eine Reihenschaltung erfolgt, die einen Kodegenerator enthält, mit dessen Kodes die der Approximation von· Flächen der abzubildenden dreidimensionalen Objekte dienenden Trapeze beschrieben werden, und einen Sortierer für kodierte Beschreibungen der Trapeze in den durch Gruppen benachbarter Zeilen des Fernsehrasters gebildeten Streifen aufweist, sowie einen weiteren Rechner für Koordinaten der Schnittpunkte der Trapezseiten mit der Fernsehrasterzeile besitzt.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb weist gegenüber den bekannten Einrichtungen zahlreiche Vorteile auf.

Die erwähnten neuen Baueinheiten und ihre Verbindungen miteinander sowie der Anschluß des Prioritätsprozessors nur an den Rechner zur Ermittlung von Projektionen ermöglichen die Verarbeitung der Objekte in der richtigen Reihenfolge zwecks Erhaltung von perspektivischen Projektionen ihrer Flächen auf die Beobachtungsebene mit Hilfe dieses Rechners. Da die Flächen, die zur weiteren Verarbeitung gelangen, nach ihrer Priorität geordnet sind, folgen in richtiger Prioritätsordnung auch die Trapeze in jedem Streifen des Fernsehrasters sowie die Segmente, die vom Rechner

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für Schnittpunkte der Trapeze mit der laufenden Rasterzeile geliefert werden. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Einrichtung macht die Prioritätssortierung der Segmente überflüssig und führt zu einer bedeutenden Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit.

Außerdem ermöglicht die Einrichtung die Erzeugung von Trapezen und die Sortierung ihrer prioritätsgeordneten Reihenfolge in den Streifen des Fernsehrasters während der Bildablenkperiode. Infolge der vorhergehenden Sortierung der Trapeze in den Streifen entfällt die Notwendigkeit der Bildung und der Aufrechterhaltung einer Liste aktiver Flächenkanten in jeder Zeilenablenkperiode, wobei die Anzahl der in einem Vollbild wiedergegebenen Objekte vergrößert wird.

Die Einrichtung gestattet es auch, die im Prototyp vorgesehene Erzeugung der Segmente durch Vergleich zweier Kanten einer Fläehe zu beseitigen. In der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt die Erzeugung von Segmenten automatisch beim Berechnen der Schnittpunkte der Trapeze mit der Rasterzeile.

Die aufgeführten kennzeichnenden Merkmale der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung ermöglichen eine fließende Informationsverarbeitung und ergeben eine geringere Anzahl der während einer Zeilenablenkperiode ablaufenden Rechenoperationen, wobei die Leistungsfähigkeit der Einrichtung wesentlich erhöht wird.

Im folgenden wird die Erfindung an einem konkreten Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der erfindung sgemäßen Einrichtung.

Die zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidi-

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mensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb bestimmte Einrichtung enthält einen Prioritätsprozessor 1, auf dessen Eingang 2 die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte gegeben wird.

In der beschriebenen Variante kommt die Information von einer Rechenmaschine 3.

Die Information enthält Angaben über Koordinaten, die die geometrische Form der dreidimensionalen Objekte in mehreren Detaillierungsniveaus beschreiben, über Kennwerte der Objektbeleuchtung, .d.h. über Koordinaten der Lichtquelle, über Koordinaten des Punktes, von dem aus die Objekte beobachtet werden, und über Koordinaten der Sichtpyramide, über Witterungsverhältnisse (z. B. Dunst, Nebel), in denen sich die Objekte befinden.

Am Ausgang des Priorxtatsprozessors 1 liegt der Eingang 4 eines Rechners 5,- der zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene dient. An den Ausgang des Rechners 5 ist der Eingang 6 eines Kodegenerators 7 angeschlossen, mit dessen Kodes die zur Approximation von Flächen der abzubildenden dreidimensionalen Objekte dienenden Trapeze beschrieben werden.

Am Ausgang des Kodegenerators 7 liegt der Eingang 8 eines Sortierers 9 für kodierte Beschreibungen der Trapeze in den durch Gruppen benachbarter Zeilen des Fernsehrasters gebildeten Streifen. Mit dem Ausgang des Sortierers 9 ist der Eingang 10 eines weiteren Rechners 11 für Koordinaten von Schnittpunkten der Trapezseiten mit der Fernsehrasterzeile verbunden.

Auf den Ausgang des Rechners 11 ist der Eingang 12 eines Prioritätsgenerators 13 zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters geführt, aus denen das Bild zusammengesetzt wird. Der Ausgang des Prioritätsgenerators 13 liegt am

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Eingang 14 einer Schaltung 15 zur Formierung des Videosignals, das zur Wiedergabe eines Schwarzweiß- oder Farbbildes an einem Fernsehbildschirm 16 benutzt wird.

Die beschriebene Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabtdldungen auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb arbeitet wie folgt.

Die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte und die Koordinaten der jeweiligen Lage des Beobachtungspunktes gelangen von der Rechenmaschine 3 zum Prioritätsprozessor 1, in dem die Prioritäten der abzubildenden Objekte in Abhängigkeit von ihrer auf den Beobachtungspunkt bezogenen Lage berechnet v/erden.

Die nach Priorität geordnete Liste der Objekte wird vom Prioritätsprozessor 1 zum Rechner 5 übertragen, der die Projektionen der dreidimensionalen Objekte auf die Beobachtungsebene ermittelt. In diesem Rechner 5 erfolgen geometrische Transformationen der Objekte entsprechend der Lage des Beobachtungspunktes, die Berechnung der perspektivischen Projektion der abzubildenden Objekte auf die Beobachtungsebene sowie der Entfernung der in das Gesichtsfeld des Beobachters geratenen Objekte und die Ermittlung der Entfernung der unsichtbaren Flächenkanten einzelner Objekte. Am Ausgang des Rechners 5 erscheint eine nach Priorität geordnete Liste von Flächen der transformierten Ob-^ jekte, die an den Eingang 6 des Kodegenerators 7 gelangt, mit dessen Kodes die zur Approximation von Flächen der abzubildenden dreidimensionalen Objekte dienenden Trapeze beschrieben werden.

Die dem Kodegenerator 7 zugeführten Daten der Objektflächen werden in diesem Kodegenerator 7 in Daten von Trapezen, d.h. von Bereichen, unterteilt, deren zwei Grundlinien parallel zu den

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Zeilen des Fernsehrasters liegen und alle Scheitel jeder Fläche verbinden, während die Trapezschenkel mit den entsprechenden Flächenkanten zusammenfallen.

Die nach Priorität geordnete Liste der gebildeten Trapeze wird an den Eingang 8 des Sortierers 9 für kodierte Beschreibungen der Trapeze in den durch Gruppen benachbarter Zeilen des Fernsehrasters gebildeten Streifen übertragen. Im Sortierer 9 wird die Trapezmenge in Untermengen eingeteilt, deren Anzahl der Zahl von gewählten Streifen entspricht. Infolgedessen enthält jede Untermenge nur die Trapeze, die im Rasterfeld im Wertebereich der Koordinaten von Anfang und Ende des betreffenden Streifens liegen. Die Prioritätsordnung der Trapeze innerhalb einer Untermenge wird dabei beibehalten. Die beschriebenen Operationen laufen während der Informationserneuerung ab, deren Dauer ein Vielfaches der Bildablenkperiode ist.

Die im vorhergehenden Vollbild erhaltenen Trapezuntermengen gelangen zum Eingang 10 des Rechners 11 für Koordinaten von Schnittpunkten der Trapezschenkel mit der Rasterzeile. Im Rechner 11 werden die Koordinaten der Schnittpunkte der Trapezschenkel mit der laufenden Zeile des Fernsehrasters gleichzeitig ermittelt, wobei sich Segmente ergeben. Die Segmente der laufenden Fernsehrasterzeile werden dem Eingang 12 des Priöritätsgenerators 13 zur Bildung von sichtbaren Zeilensegmenten zugeführt. Dieser Generator 13 liefert an die zur Formierung des Videosignals bestimmte Schaltung 15 die Information über die Farbe des Segments, das die höhere Priorität für die betreffende Zeilenposition besitzt. In der Schaltung 15 wird das Videosignal geformt, das am Fernsehbildschirm 16 ein Bild erzeugt.

Kurz umrissen enthält die erfindungsgemäße Einrichtung einen Prioritätsprozessor 1,auf dessen Eingang 2 die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte gegeben wird und

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dessen Ausgang an den Eingang 4 eines Rechners 5 zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene angeschlossen ist. Die elektrische Verbindung des Rechners 5 mit dem Prioritätsgenerator 13 zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters, mit denen das Bild aufgebaut wird, erfolgt über eine Reihenschaltung, die einen Kodegenerator 7 enthält, mit dessen Kodes die zur Approximation von Flächen der abzubildenden dreidimensionalen Objekte dienenden Trapeze beschrieben werden, und die einen Sortierer 9 für kodierte Beschreibungen der Trapeze in den durch Gruppen benachbarter Zeilen des Fernsehrasters gebildeten Streifen sowie einen Rechner 11 für Koordinaten der Schnittpunkte der Trapezschenkel mit der Fernsehrasterzeile aufweist. Der Ausgang des Prioritätsgenerators 13 liegt am Eingang 14 einer Schaltung 15 zur Formierung des Videosignals, das zur Wiedergabe eines Schwarzweiß- oder Farbbildes am Fernsehbildschirm 16 benutzt wird.

Die Erfindung wird hauptsächlich zur Wiedergabe von mit Hilfe elektronischer Rechenmaschinen an Fernsehbildschirmen erzeugten Bildern sowie bei rechnerunterstützter Nachbildung in verschiedenen Simulations- und Modellierungs-Gerätekomplexen angewandt.

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L e e r s e i f e

Claims

HOFFMANN · ElTLK & PARTNER 2 8 A 5 5 7 6

PAT E N TAN WALTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-1 NG. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-1NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) . D-8000 MD NCH EN 81 . TELEFON (039) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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Institut Avtomatiki i Elektromentrii Sibirskogo Otdelenia Akademii Nauk SSSR, Novosibirsk / UdSSR

Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und Farbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb

Patentanspruch :

Einrichtung zur Erzeugung von Schwarzweiß- und

Färbabbildungen dreidimensionaler Objekte auf Fernsehbildschirmen im Realzeitbetrieb, mit einem Prioritätsprozessor, auf dessen Eingang die Information über die abzubildenden dreidimensionalen Objekte gegeben wird, wobei der Prioritätsprozessor mit einem Prioritätsgenerator zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters elektrisch verbunden ist und der Prioritätsgenerator mit einem Rechner zur Ermittlung von Projektionen der dreidimensionalen Objekte auf die Beobachtungsebene in elektrischer Verbindung steht, während der Ausgang des Prioritätsgenerators an den Eingang einer Schaltung zur Formierung des Videosignals angeschlossen ist, das zur Wiedergabe eines Schwarzweiß- oder Farbbildes am Fernsehbildschirm benutzt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Prioritätsprozessors (1) an den Eingang (4) des Rechners (5) zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene angeschlossen ist, und daß die elektrische Verbindung dieses zur Ermittlung von Projektionen dreidimensionaler Objekte auf die Beobachtungsebene bestimmten Rechners (5)

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mit dem Prioritätsgenerator (13) zur Bildung von sichtbaren Segmenten einer Zeile des Fernsehrasters über eine Reihenschaltung erfolgt, die einen Kodegenerator (7) enthält, mit dessen Kodes die der Approximation von Flächen der abzubildenden dreidimensionalen Objekte dienenden Trapeze beschrieben v/erden, und einen Sortierer (9) für kodierte Beschreibungen der Trapeze in den durch Gruppen benachbarter Zeilen des Fernsehrasters gebildeten Streifen aufweist, sowie einen weiteren Rechner (11) für Koordinaten der Schnittpunkte der Trapezschenkel mit der Fernsehrasterzeile besitzt.

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