DE3022454A1 - Optisches abbildesystem mit computererzeugtem bild fuer einen bodenfesten flugsimulator - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochem

6000 Frankfurt / Main Staufenstraße

Anm.: Redifon Simulation Limited Gatwick Road

Crawley, West Sussex RHI0 2RL Großbritannien

Bezeichnung: Optisches Abbildesystem mit computererzeugtem Bild für einen bodenfesten Flugsimulator

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf in Echtzeit computererzeugte Bildwiedergaben von dreidimensionalen Szenen für die bodenfeste Flugsimulation und betrifft insbesondere die Schaffung von struktierierten Oberflächen.

Bodenfeste Flugsimulatoren werden zunehmend für die Flugausbildung verwendet. Der Simulator weist eine Cockpitatirappe mit blinden Steuergeräten und einem Flugcomputer auf, der die Charakteristika eines tatsächlichen Fluges während einer übung in Echtzeit berechnet. Vor der Cockpitattrappe befindet sich häufig ein Bildschirmgerät zur optischen Abbildung des während der übung überfolgenen Gebietes. Die Erfindung bezieht sich auf derartige Abbildungsgeräte.

Elektronisch erzeugte optische Bildwiedergaben verwenden herkömmlich eine oder mehrere Kathodenstrahlröhren oder einen Fernsehprojektor, der die Abbildung auf einen vorderen Projektionsschirm projiziert, der von dem Flugschüler durch die Vorderfenster des Cockpits erblickt wird.

Das Verfahren der Bildherstellung kann dann entweder ein kalligraphisches oder eine Rasterabtastung sein.

Obgleich eine frühere Methode der Bilderzeugung bereits eine über ein verkleinertes Modell des überflogenen Gebietes hinwegbewegte und im geschlossenen Kreis an das Bildschirmgerät angeschlossene Fernsehkamera war, verwenden die meisten jetzt hergestellten bodenfesten Flugsimulatoren vom Computer auf digitalem Wege erzeugte Bilder (C.G.I.). Wie bereits erwähnt, kann die Abbiidemethode kalligraphisch oder mit Rasterabtastung arbeiten. Die kalligraphische Methode (unmittelbar Liniennachzeichnung) eignet sich insbesondere zur Abbildung

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nächtlicher Szenen, die fast ausschließlich aus der Abbildung von Lichtpunkten auf der simulierten Bodenebene bestehen.

Ein typischer, nur für die Nactfc verwendbarer C.G.I.-Generator besteht aus einer Datenbasis, die, beispielsweise auf einer oder mehreren Floppy Disks gespeichert, die digitalen Datenmodelle bestimmter Flughafen enthält, einem Minicomputer zur vorläufigen Mode11verarbeitung, in dessen Speicher das gegenwärtig verwendete Flughafenmodell gehalten ist, einem Spezialzweck-Transformationsprozessor und einer Abbilderöhre vom Strahldurchdringungstyp. Ein typisches solches System ist in der Lage, eine Bodenszene mit 6000 Lichtpunkten abzubilden und zusätzlich eine Oberfläche mit bis zu 64 Kanten zu bilden. Eine solche Szene wird natürlich in wahrer Perspektive in Echtzeit während einer Flugübung berechnet und abgebildet.

Eine Begrenzung der kalligraphischen Bildwiedergabe besteht darin, daß die zum Zeichnen eines Bildfeldes erforderliche Zeit eine Funktion der Komplexität der Szene ist. Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Bildflimmern erfordert eine Bildwiederholungsrate von etw 3o Hz, und dies setzt eine praktische Grenze für die Szenenkomplexität, wie sie für eine Echtzeitwiedergabe gegenwärtig möglich ist.

Eine Tageslichtszene mit hoher Komplexität, die beispielsweise die Wiedergabe nicht nur der Merkmale einer Landebahn, sondern auch fester Flächen des umgebenden Gebietes, des Flughafens und der benachbarten Stadtgebäude umfaßt, erfordert eine Abbildung nach Art einer Rasterabtastung.

Das erstgenannte Echtzeit-C.G.I.-Bildsystem mit Abbildung körperlicher Flächen war in der Lage, eine Szene auf der Basis bis zu 24o Kanten zu schaffen. Eine "Kante", das ist eine zwei verschiedene Flächen voneinander trennende Linie, bestimmte die sichtbare Umgebung für eine jede Abbildung.

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Die Kanten wurden in die Abbildungsebene transformiert und von Hardware-Kantengeneratoren stufenweise erzeugt. In der Wiedergabe einer dreidimensionalen Szene in echter Perspektive wurden verborgene Flächen durch die Programmierung von Prioritäten unter den Kantengeneratoren eliminiert.

Nachfolgende C.G.I.-Systerne ermöglichten höherkomplexe Szenen einschließlich der Abbildung von gekrümmten Oberflächen. Diese Systeme verwenden das "Polygon" zum Definieren der sichtbaren Umgebung und können Szenen erzeugen, die aus einigen hundert Polygonen bestehen. Gegenwärtig in der Entwicklung begriffene solche Systeme sind geeignet, Szenen von in einer Größenordnung höherer Komplexität zu schaffen, d.h. mit einigen tausend Polygonen.

Jedoch können allein von Kanten oder Polygonen definierte Szenen niemals gleichwertig realistisch für Flugschulungszwecke sein. Obwohl die von verfügbaren CG. I.-Systemen geschaffenen Szenen sich als brauchbar für die Ausbildung von Fluggesellschaftspiloten insbesondere beim Starten und Landen erwiesen haben, sind sie für viele militärische Operationen unzulänglich.

Die bekannten Techniken sind außerstande, wirtschaftlich und in Echtzeit realistisch strukturierte Oberflächen in richtiger und wechselnder Perspektive wiederzugeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein C.G.I.-System zu schaffen, das in der Lage ist, strukturierte ebene Oberflächen abzubilden.

Demgemäß schafft die Erfindung ein optisches Abbildesystem mit computererzeugtem Bild für einen bodenfesten Flugsimulator zur Schaffung einer für den Piloten sichtbaren, im Rechteckraster abgetasteten und perspektivisch transformierten Abbildung einer simulierten strukturierten Oberfläche, -das

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sich durch einen Oberflächeneinzelheitengenerator auszeichnet, der aus einem Perspektive-Transformationscomputer und einem Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher besteht, wobei der Transformationscomputer ein im Pipelinebetrieb arbeitender Rechner zum fortgesetzten Berechnen der perspektivischen Umwandlung von der Bildebene des Abbildesystems in die Ebene der simulierten Oberfläche während des simulierten Fluges in Echtzeit ist und entsprechend den Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher zur Schaffung einer Strukturierung für jedes Element der für den Piloten sichtbaren, im Rechteckraster abgetasteten Abbildung abtastet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur leichteren Umsetzung der Erfindung in die Praxis wird anhand der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen auf den relevanten Stand der Technik, und es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei sich die Figuren 1 - 8 auf den Stand der Technik und die Figuren 9-41 auf die vorliegende Erfindung beziehen. Es zeigen im einzelnen:

in schematischer Darstellung die Auswirkung von verschieden geformten Kamera- und Abbildungsrastern ,

in schematischer Darstellung die Wiedergabe eines Abbilderasters auf einer anderen Ebene,

in perspektivischer, teils schematischer Blockdarstellung eine Apparatur zur Rasterformung mit einem photographischen Bild,

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Fig. 4 u. 5: schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der unverzerrten Abtastung eines photographischen Bildes,

Fig. 6: eine bildliche Wiedergabe zur Aufzeigung

von Fehlern in einem mit wanderndemAbtastfleck abgetasteten Bild,

Fig. 7: ein Blockschaltbild zur Erläuterung der . Rasterformung mit einem elektronisch

gespeicherten Bild,

Fig. 8:, eine Abbildμng zur Bestimmung von Flächen mit verschiedenen Oberflächeneinzelheiten,

Fig. 9: ein schematisches Blockschaltbild des

erfindungsgemäßen optischen Abbildesystems,

Fig. 1o: eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Prinzips der Linearperspektive ,

Fig. 11: eine isometrische Abbildung zur Veranschaulichung der Geometrie der perspektivischen Transformation,

Fig. 12: ein Schema zur Definition der drei Sätze der benutzten dreidimensionalen Koordinaten,

Fig. 13: eine Abbildung zur Bestimmung der Lage der Bildpunkte auf dem bildebenen Raster,

Fig. 14: eine Abbildung zur Veranschaulichung der

Orientierung einer im Bezug auf rechtwinkelige Achsen definierten Ebene,

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Fig. 15: ein logisches Flußschema zur Veranschaulichung der Aufeinanderfolge der Berechnungsschritte innerhalb eines Pipeline-Prozessors,

Fig. 16: eine Abbildung zur Erläuterung des Fortschreitens der aufeinanderfolgenden Rechenoperationen durch eine Pipeline,

Fig. 17: ein Logik-Schaltbild zur Veranschaulichung einer Parallel-Pipeline-Konfiguration,

Fig. 18: ein Zeitabfolge- und Zeit-Interphase-Schaubild für eine parallele Pipeline,

Fig. 19 u.2o: ähnliche Darstellungen wie in Fig. 18 zur Veranschaulichung alternativer Verfahren, wobei das Verfahren nach Fig. 19 vorgezogen wird,

Fig. 21: ein Blockschaltbild eines zweidimensionalen Linear-Funktionsgenerators,

Fig. 22: das Blockschaltbild eines im Pipelinebetrieb arbeitenden Multiplikators,

Fig. 23: ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ablaufs einer nicht erneuernden Zweier-Komplement-Division ,

Fig. 24: ein Flußschema zur Veranschaulichung einer Stufe einer Teiler-Pipeline mit Anwendung der Verarbeitung nach Fig. 23,

Fig. 25: ein Schema zur Erläuterung der die Konfiguration nach Fig. 17 verwendenden arithmetischen Pipeline,

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Fig. 26: ein Flußschema für das Abtaststeuerprogramm des Vielzweckcomputers,

Fig. 27: in perspektivischer Darstellung die Erzeugung eines Fernsehkamerabildes von einer ebenen Oberfläche,

Fig. 28: eine schematische Darstellung des entsprechenden Vorgangs unter Verwendung einer gedachten Öffnung,

Fig. 29: eine Abbildung zur Erklärung der Filterwirkung einer graphisch dargestellten öffnung in einer akkuraten Simulation,

Fig. 3o: eine Darstellung zur Erläuterung der modifizierten Filterwirkung einer angenäherten öffnung,

Fig. 31: das Verhältnis zwischen dem Bildelementgitter, den Szenenkanten und dem Quantisierungsgitter eines Bildschirms,

Fig. 32: den Vorgang des Abtastens mit Anpassungsgittern, wobei zugleich das Verhältnis zwischen dem Abtastintervall und den maximalen Bild-Raumfrequenzen dargestellt ist,

Fig. 33: eine Darstellung entsprechend der Fig„ 32, jedoch mit einem versetzten Abtastgitter,

Fig. 44: die Verwendung eines Feinbild-Speichergitters ,

Fig. 35: eine Darstellung der Oberflächenauflösungselemente, die einen Abtastabstand von' fünf Elementen zeigt,

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Fig. 36: eine entsprechende Darstellung, in welcher

zwei Abtastungen das gesamte Muster in einer seiner Dimensionen bestimnen,

Fig. 37: die Adressierung des Nullniveaus, das

4.o96 Abtastungen enthält,

Fig. 38: ein Blockschaltbild mit dem vollständigen

Speichersystem,

Fig. 39: abgebildete Rasterlinien für drei verschiedene Krängungswinkel des Flugzeugs mit Steigungswinkel und Kurswinkel gleich Null,

Fig. 4o: die angenäherte Niveaucodeaufzeichnung,

Fig. 41: ein schematisches Blockschaltbild eines

Oberflächeneinzelheitengenerators mit Verwendung des Rollrasterprinzips und der Anordnung getrennter Speicher für die ungeraden und geraden Felder und

Fig. 42: eine Abbildung der Form des abgebildeten

Rasters mit konstantem Abtastabstand längs der Rasterlinien.

Für die korrekte Darstellung der Struktur in einer Oberfläche eines errechneten perspektivischen Bildes muß diese Struktur definiert werden als Teil der geometrischen Datenbasis, welche die wahrnehmbare Umgebund definiert. Es ist dann möglich, die Struktur denselben Transformationen zu unterwerfen, die auf die Punkte, Linienund Polygone der Szene (des Schauplatzes) angewandt werden. Dieser Vorgang stellt sicher, daß die Strukturen fest zu ihren entsprechenden Flächen verknüpft sind und dieselben statischen und dynamischen Perspektiveänderungen aufweisen. Im Gegensatz hierzu

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sind Methoden vorgeschlagen worden zur Anwendung von Strukturen auf das transformierte Bild, das ist die Strukturierung der Abbildungsebene.

Die Strukturierung der Abbildungsebene kann für bestimmte Wirkungen verwendet werden. So läßt sich das Flimmern des Sonnenlichts auf Wasseroberflächen auf einfache Weise durch Injizieren willkürlicher Impulse in solche Flächen der Szene erreichen, die Wasser darstellen. Eine andere Anwendung besteht in der Simulation von Wassertröpfchen an Sichtfenstern oder Windschutzscheiben, die relativ zum Beobachter fest sind und deshalb der perspektivischen Änderung nicht unterworfen sind.

Es ist ein Näherungsansatz zur Korrektur der Strukturperspektive vorgeschlagen worden, bei welchem der geringe Abstand der Strukturelemente in Richtung gegen den abgebildeten Horizont vergrößert wird. Während der gesamten Szene ein gewisser Realismus beigegeben wird, ist dieser Behelf für Manöver unzulässig, bei denen die Wahrnehmung der Tiefe und der Schrägentfernung wichtig sind.

Eine ständig gegenwärtige Beschränkung der Strukturierung der Abbildungsebene besteht darin, daß die Strukturen nicht mit den entsprechenden Oberflächen verknüpft sind, so daß mit einem Wechsel der Szene die Auswirkung analog der Betrachtung der Welt durch einen gemusterten Netzvorhang ist.

Die Strukturierung mag alternativ einer C.G.I.-Abbildung durch Definieren der Struktur in Kantenbegriffen ähnlich den anderen Merkmalen der Szene hinzugefügt werden. Für ein Echtzeitsystem jedoch ist diese Methode inpraktikabel wegen der großen Anzahl der benötigten Kanten.

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Die Strukturierung der Abbidlungsebene ist nicht zweckmäßig oder nicht wirtschaftlich mit Ausnahme für begrenzte Wirkungen, und es muß irgend eine alternative Methode benutzt werden.

Eine solche ist das Rasterformgebungsprizip der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin beschrieben wird. Dieses Prinzip läßt sich in Begriffen eines Fernsehsystems wie folgt beschreiben :

Wenn die Abtastraster der Kamera und der Bildröhre voneinander abweichen, ist das wiedergegebene Bild verzerrt.

Wenn das Raster der Kamera besonders geformt ist und das Raster der Bildröhre das normale Format hat, wird das Bild einer Transformation oder Umwandlung unterzogen, die dann umgekehrt zu derjenigen ist, die auf das Raster der Kamera angewandt ist.

Fig. 1 zeigt die Auswirkung einer solchen Rasterformgebung. Die linke Abbildung stellt die gesehene Szene mit einem rechteckigen Gegenstand auf einem rechteckigen Feld dar. Die mittlere Abbildung zeigt die trapezförmige Formgebung des Kamerarasters und die rechte Abbildung zeigt den mit entgegengesetzter Umformung abgebildeten Gegenstand.

Die Wirkung erstreckt sich ferner auf zweidimensionale Verwerfungen und auch auf Feldkrümmungsverzerrungen.

Ein besonderer Fall ist die inverse Perspektivenverzerrung. Wenn eine inverse Perspektiventransformation auf die Form des Kamerarasters angewandt wird, dann wird der Gegenstand in der Perspektive abgebildet.

Fig. 2 erklärt das Prinzip einer solchen inversen Perspektiven-Verzerrung. Ein Beobachter bei O blickt auf die Ebene S.

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«Γ

Vor dem Beobachter ist eine Abbildungsebene D errichtet, die von einem Abtastraster R bestimmt ist. Bei einer Nachbildung oder Simulation muß ein Bild in der Ebene D identisch mit dem vom Beobachter erblickten Bild der wahren Ebene S sein.

Unter Berücksichtigung der Projektion des Abbildungsrasters R auf die Ebene S, wie bei T gezeigt, stellt der durch die Projektion verzerrte Raster T die erforderliche Umkehrperspektiveverzerrung dar. Oberflächeneinzelheiten auf der Ebene S, die durch den verzerrten Raster R abgetastet werden, würden in der Ebene D in richtiger Perspektive abgebildet werden.

Dasselbe Prinzip wird durch die Erfindung auf die synthetische Bilderzeugung von gespeicherten Abbildungsdaten angewandt, die die Ebene S darstel?.en, indem eine Rasterabtastung angewandt wird, die der Umkehrperspektiveverzerrung unterworfen wird.

Die Verwirklichung dieser Methode umfaßt die fortgesetzte Echtzeitberechnung der Umkehrperspektive-Transformation, während Standort und Stellung des Beobachters und seine Abbildungsebene sich mit Bezug auf die erblickte simulierte Ebene ändern.

Fig. 3 zeigt ein Schema, zum Teil in Perspektive und zum Teil als Blockschaltbild, das eine bekannte Anwendung der Rasterformmethode in einem in sich geschlossenen Televisionssystem veranschaulicht.

In Fig. 3 trägt eine Objektebene 1 einen rechteckigen Gegenstand 2, der von einem Wanderpunktabtaster 3 über ein damit verbundenes Linsensystem abgetastet wird. Das Videosignal wird von einer Photoröhre 5 geschaffen, von einem Videoverstärker 6 verstärkt und einer Kathodenstrahl-Bildröhre 7 zur Schaffung eines Bildes 8 zugeführt. Ein einziger Synchronisierimpulsgenerator 9 versorgt sowohl den Kippgenerator 1o für den Wanderpunktabtaster als auch den Kippgenerator 11 für die

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Bildröhre. Der Raster der Bildröhre 7 ist ein normaler rechteckiger Rasier. Der Raster des Wanderpunktabtasters ist ein Trapez, wie in Fig. 1 gezeigt, das oben schmäler ist als unten. Die Form des Rasters der Ebene 1 ist von einem Transformationsgenerator 12 unter der Steuerwirkung von Verzerrungsreglern 13 bestimmt.

Weil der Raster des Wanderpunktabtasters 3 ein oben schmäler als unten ausgebildetes Trapez ist und weil der Raster der Bildröhre 7 rechteckig ist, wird das Rechteck 2 in ein Trapez 8 umgewandelt, das umgekehrt oder invers zu dem Raster des Wanderpunktabtasters ist, d.h. oben weiter als am Boden ist.

Wenn die Objektebene 1 eine Photographie oder Diapositiv mit einer Landschaftsabbildung ist, zeigt das Bild 8 auf der Bildröhre 7 eine Perspektiventransformation, die, wenn die Verzerrungsregler 13 in erforderlicher Weise eingestellt sind, die Perspektiventransformatxon der Fig. 2 bewirken kann, wobei die Ebene 1 der Ebene S entspricht und das Bild 8 in der Ebene D geschaffen wird.

Die photographische Bildabtastung in der in Fig. 3 gezeigten Weise unterlag einem ernsten Problem, nämlich dem der ungeeigneten Abtastung.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Anforderungen an eine korrekte Abtastung.

In Fig. 4 sind Teile von aufeinanderfolgenden Raster zeilen auf der Ebene 1 gezeigt. Die Linie 16 verläuft lotrecht zu der Richtung der Rasterzeilen i_n der Ebene 1.

Fig. 5 stellt einen Querschnitt an der Linie 16 der Fig. 4 dar, welcher die Abtastfleckprofile 15.1, 15.2 und 15.3 von drei aufeinanderfolgenden Zeilen des Rasters 15 wiedergibt.

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Die Abtastpunktkonfiguration in der Ebene 1, in Fig. 5 im Profil gezeigt, ist derart ausgewählt, daß von dem Bild in der Ebene 1 durch den Raster 15 die maximale Information gewonnen wird. Ein zu schmales Punktprofil gibt Anlaß zu einer Aliasierung, d.h. einer Unsicherheit in der Wiedergabe aufgrund unzureichend hoher Ubertragungsrate für die visuelle Information, in dem FrequenzSpektrum des abgetasteten Bildes. Ein zu breites Punktprofil resultiert in einer unnötigen Verminderung der Videofrequenz, was eine Bildtrübung bedeutet.

Fig. 6 stellt eine Abbildung dar, die von einer Perspektiventransformation durch ein System ähnlich demjenigen der Fig. 3 herrührt, wo die Abbildung aus dem perspektivisch umgeformten Bild einer Landebahn 2o in der Ebene 1 besteht, die sich von dem Beobachter gegen einen Horizont 22 erstreckt, der die Ebene 1 von einer Himmelszone 21 trennt.

Zur Erzeugung des Bildes nach Fig. 6 wird das Abtastraster für die photographische Aufnahme derart verzerrt, daß es am Horizont 22 breit und im Vordergrund 24 schmal ist. Als Folge hiervon ist die Reproduktion des wiedergegebenen Bildes nur im Mittelgrund 23 zufriedenstellend. Der Vordergrund 24 wird unscharf, und im Hintergrund 25 bricht das Bild ab.

Die Entwicklung eines solchen Systems mit einer veränderlichen Größe des Bildabtastflecks würde beträchtliche elektronische und optische Probleme mit sich bringen. In der Tat ist bisher kein solches System entwickelt worden.

Das Prinzip der Perspektiventransformation gilt in gleicher Weise für ein elektronisch gespeichertes Bild wie für ein photographisch "gespeichertes" Bild.

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild, das die Grundelemente eines bekannten vollelektronischen Systems aufzeigt. In Fig. 7

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steuert ein Synchronisierimpulsgenerator 9 sowohl einen Perspektiventransformationscomputer 26 als auch das Wiedergabegerät 28. Ein Oberflächeneinzelheitenspeicher 27 wird, vom Transformationscomputer 26 gesteuert, abgefragt. Standort und Stellung des Blickpunkts werden dem Transformationscomputer 26 über die Leitung 3o zugeführt, so daß die Koordinaten der einzelnen Abfragepunkte bei 31 bestimmt werden.

Die Umkehrperspektiventransformation wird im Transformationscomputer 26 derart berechnet, daß ein Ausgangssignal· für die Lage des Abfragepunktes erzeugt wird, das entweder von zwei analogen Spannungen oder zwei Digitalzahlen bestimmt ist. Der Speicher 27 wird entsprechend adressiert und es wird ein entsprechendes Ausgangssignal, welches die Helligkeit und die Farbe der Oberflächenabbildung an dem bestimmten Abfragepünkt definiert, zur Modulierung des Bildschirmrasters bei 28 weitergeleitet.

Das erste bekannte derartige System war der im Jahre 1964 von der General .'Electric Company für das Raumfahrprogramm der NASA entwickelte Oberflächengenerator. Das Ausgangssignal des Transformationscomputers 26 bestand aus zwei DigitalZat^e die den Abfragepunkt wiedergaben, der mit einer Wiederholungs frequenz von 5 MHz berechnet wurde.

Bei diesem System war der Oberflächeneinzelheitenspeicher oder "Kartentisch" als logisch definiertes rein synthetisches Muster oder Modell verwirklicht. Durch Verwendung nur der niederwertigen Bits der Abfragevektoren war es möglich, ein in unbeschränkter Wiederholung verwendbares Dauermodell zu schaffen, welches eine Gesamtoberfläche abdeckte, nämlich das sogenannte "oontakt analog".

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Der Kartentisch war als 4-Ebenen-Hierarchie strukturiert mit jeder Ebene bestimmt durch eine 8 χ 8 - Matrix, die ein 1-bit-Ausgangssignal liefert, welches eine von zwei möglichen Farben bestimmt.

Komplexe Netzwerke von Modellen wurden durch logische Kombinationen der Ausgänge der Kartenebenen erhalten, wobei eine jede von ihnen zu der strukturellen Auslegung über wiederholbare Regionen von definierter Größe beitrug. Diese Regionen sind so strukturiert, daß die Modelle bzw. Muster, die den verschiedenen Ebenen entsprechen, ineinander verschachtelt sind.

Fig. 8 zeigt das angewandte Prinzip. In Fig. 8 stellen die Achsen 32, 33 die x-Achse und die y-Achse der Kartenebene 34 dar. Die Flächen 35, 36, 37, 38 veranschaulichen die Kartenbereiche entsprechend den Ebenen 1, 2, 3 und 4, wobei eine jede solche Ebene ein Viertel der Fläche der vorhergehenden Ebene begrenzt.

Eine solche Hierarchie oder Rangordnung von Modellebenen ermöglichte Übergänge von einer Detailebene zu einer anderen durch Streichung desjenigen Beitrags von der Karte, dessen Zellen sich der Rasterzellenstruktur näherten. Die Abbildungsergebnisse dieses Systems waren trotz zahlloser Abfragefehler nichtsdestoweniger ein sehr zufriedenstellender Stand der Technik zur damaligen Zeit.

In jüngerer Zeit wurde mit der britischen Patentschrift 7 913 o58 ein System zur Erzeugung von einfachen Oberflächeneinzelheiten für überflogene Wolkensysteme beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt eine Bildwiedergabeeinrichtung für einen bodenfesten Flugsimulator mit einem Flugcomputer, der aus folgenden Hauptteilen besteht: einem Wiedergabegerät der Rasterbauart zur Betrachtung durch einen Flugschüler, Mittel zur synthetischen Bilderzeugung, mit dessen Hilfe

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dem Wiedergabegerät ein Signal zuführbar ist, das die Abbildung des Himmels, des Horizontes und einer sich bis zum Horizont erstreckenden simulierten gemusterten Oberfläche wiedergibt, welche in echter Perspektive in Übereinstimmung mit der simulierten Höhe und Stellung des simulierten Flugzeugs im Raum abgebildet wird, und einem programmierbaren Mehrzweckcomputer, der so angeschlossen ist, daß er eine Schnittstelle für den Flugcomputer und den Erzeuger des synthetischen Bildes darstellt, wobei letzterer aus einem digitalen Speicher zum Halten eines einzelnen Musterzyklus eines Dauermusters zum Mustern der strukturierten Oberfläche in einer Dimension davon, einem Perspektivecomputer zum Berechnen des Strahlenverlaufs vom Auge des Beobachters durch den Abtastfleck des Abbildegeräts in dessen augenblicklicher Stellung zu einem Schnittpunkt auf der simulierten strukturierten Oberfläche, einem Berechnungselement zur Schaffung eines Ausgangssignals für das Wiedergabegerät, das maßgebend für die einen veränderlichen Helligkeitsbereich des Himmels ist, sowie Schaltungsmittejn zur selektiven Versorgung des Abbildungsgeräts entweder mit dem Signal, das kennzeichnend für die strukturierte Oberfläche, oder dem Signal, das kennzeichnend für den veränderlichen Helligkeitsbereich des Himmels ist, in fortgesetzter Folge während der Rasterabtastung des Abbildungsgerätes besteht,

Keine Vorschläge sind bisher für die Anwendung der ein geformtes Bild abtastenden Rastertechnik auf digital gespeicherte Halbtonbilder gemacht worden, wie dies erforderlich wäre für die Abbildung einer wirklichkeitsnah strukturierten Landschaft oder eines Angriffsziels.

Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben, die ein Blockschaltbild darstellt, welches den Erzeuger einer vollständigen Oberflächenstruktur für die Abbildung einer Bodenfläche zeigt. Die schematischen Blockelemente der

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Fig. 9 werden dann im einzelnen und mit größerer Genauigkeit in Verbindung mit den Figuren 1o - 4T beschrieben.

In Fig. 9 hat ein in der Cockpitattrappe eines bodenfesten Flugsimulators sitzender Flugschüler 1oo eine optische Wiedergabe auf einem von rückwärts bestrahlten Bildschirm 1o1 vor sich und hat ferner eine Steuereinrichtung, die von einem Steuerknüppel 1o2 gebildet ist. Die Einstelldaten der Steuerung werden in herkömmlicher Weise einem Flugsimuliercomputer 1o4 über eine Leitung 1o3 zugeführt. Die Daten über den Standort und die Fluglage werden 2o Mal pro Sekunde von dem Flugsimuliercomputer 1o4 einem Mehrzweckcomputer 1o6 über eine Leitung 1o5 zugeführt.

Das optisch wiedergegebene Bild auf dem Schirm 1o1 wird von einem Fernsehprojektor 119 erzeugt, der über eine Leitung 118 ein Videosignal erhält. Die Rasterung des projizierten Bildes wird von einem Synchronisierimpulsgenerator 12o gesteuert, der Zeilen- und Bildfeldsynchronisierimpulse zu dem Projektor 119 über eine Leitung 122 liefert.

Die Einstelldaten werden von dem Mehrzweckcomputer 1o6 zu einem Oberflächenabtaster 1o8 über eine Leitung 1o7 je einmal für eine Feldbetreichung ausgesandt. Der Oberflächenabtaster 1o8 ist ein im Pipelinebetrieb arbeitender Abtaster, wie er weiter im einzelnen später anhand der Fig. 19 beschrieben wird.

Die Werte χ und y , die weiter unten anhand der Gleichungen (1) und (2) definiert sind, werden für jede Bildfeldüberstreichung von dem Oberflächenabtaster 1o8 zu dem Strukturspeicher 111 über Leitungen 1o9 bzw. 11o zugeführt, und ferner werden Synchronisierimpulse zu dem Oberflächenabtaster 1o8 von dem Impulsgenerator 12o über eine Leitung 121 zugeführt.

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Der Strukturspeicher 111 ist in der weiter unten anhand der Fig. 38 beschriebenen Weise ausgebildet, und das von den Eingangskoordinaten erfaßte Strukturdetail wird als Digitalzahl über eine Leitung 112 einem Schalter oder Relais 113 zugeführt.

Es verdient Beachtung, daß die Information über die Struktur der Bodenoberfläche, mit der sich die vorliegende Erfindung im besonderen befaßt, auf den Teil des wiedergegebenen Bildes bezogen ist, der unterhalb des simulierten Horizontes liegt. In dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Abbildung auf dem Schirm 1o1 sind auf dem Erdboden eine Landebahn sowie Himmel über dem Horizont gezeigt. Zur Vervollständigung des optischen Abbildesystems der Fig. 9 ist auch ein Himmelsgenerator 114 erhalten, der ein alternatives digitales Eingangssignal für den Schalter oder das Relais 113 über eine Leitung 115 liefert. Der Schalter 113 wählt entweder Bodenoder Himmelsinformationen von der Leitung 112 bzw. der Leitung 115 während jeder Rasterlinienabtastung an der Übergangsstelle vom Boden zum Himmel, wie sie durch den Horizont definiert ist, aus. Dieser Übergang wird in bekannter Weise gemäß der Beschreibung in der früher bereits erwähnten GB-PS 7 913 o53 bewirkt.

Das vom Schalter 113 ausgesiebte Ausgangssignal wird über eine Leitung 116 einem Digital/Analog-Umsetzer 117 zugeführt, und das analoge Videosignal wird über eine Leitung 118 zu dem Projektor 119, wie bereits beschrieben, weitergeleitet.

Um einen Oberflächeneinzelheitengenerator nach Fig. 9 in Hardware zu schaffen, müssen zwei Haupt-Untersysteme konstruiert werden. Das erste ist der Perspektivetransformationscomputer oder Oberflächeneinzelheitenabtaster 1o8 und das zweite ist der Oberflächeneinzelheiten- oder Strukturspeicher 111.

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Zunächst wird der Oberflächenabtaster 1o8 erklärt und erläutert.

Bevor dies geschieht, ist es jedoch erforderlich, die Ziele der Perspektiventransformation und die in der Beschreibung verwendeten Begriffe für die Koordinaten und mathematischen Ausdrücke zu definieren.

Fig. 1o ist eine perspektivische Darstellung mit einem natürlichen körperlichen Gegenstand 4o, der unmittelbar von einem Beobachter O erblickt wird. In der dazwischenliegenden Abbildungsebene 28 wird ein Bild 41 abgebildet, welches das visuelle Äquivalent des Gegenstandes 4o ist, d.h. das Auge des Beobachters O kann in keiner Weise das Bild 41 von dem Gegenstand 4o unterscheiden. Wie gezeigt, ist das Bild 41 einer Perspektivetransformation in Bezug auf den Gegenstand 4ο unterworfen.

Fig. 11 enthält das dreidimensionale Schema der Geometrie einer solchen Perspektiven Transformation von einer Objektebene 42 auf eine Abbildungsebene 28.

Fig. 12 ist·ein dreidimensionales Schema zur Veranschaulichung der Beziehung der drei Sätze von dreidimensionalen Koordinaten mit einem natürlichen festen Koordinatenmittelpunkt, dem Koordinatenmittelpunkt des simulierten Flugzeugs und dem Koordinatenmittelpunkt des Beobachterauges. Ein Punkt P auf der Abbildungsebene wird in seiner Stellung gegenüber den drei Koordinatensätzen definiert.

Fig. 13 definiert die Lage des Punktes P auf dem Raster in der Abbildungsebene 28.

Die Aufgabe der Oberflächenabtastung ist es, fortgesetzte Echtzeit-Lösungen der folgenden zwei Gleichungen zu liefern:

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_Y TTCcoso+sinefsinfrtariX.-cos^tany? ) cosy-fcosfrtanl+sir^ tariff} sins» *p""^Ao sina + ^.c ο s4 tarier- sin^tanX^cosG

y .,(cose-fsinofsinfttanX-cos^tariftj )sin^^os<^tanX+sin^ tang^cosS? ο sine+^cos^tariiT- sinf tanA$ cose

Diese Gleichungen stellen die Beziehung zwischen der Position des Oberflächenabtastpunktes (x , y ) zu der von den Koordinaten ^lf, Θ,φ bestimmten Lage des Betrachters, dessen Versatz gegenüber dem Oberflächenursprungspunkt (X , Y , H) und die Position des Abbildungsabtastpunktes da, wie er von und tan Α»bestimmt wird. Wie sich aus Fig. 13 ersehen läßt, sind tan ·λ- und tan y die wirklichen rechtwinklichen Koordinaten des Abtastflecks auf der Abbildungsebene 28 und verändern sich deshalb linear, wenn ein Rechteckraster verwendet wird. Der Abtaster muß einen Wert für χ und χ für

P P jeden Wert von tan ^ und tan;" zwischen den Grenzen der Abbildung innerhalb der Abbildungsebene 28 im Synchronismus mit der Raserung der Abbildungseinrichtung berechnen.

Der Aufbau und die Eigenschaften der Perspektiventransformation selbst, wie sie durch die Gleichungen (1) und (2) wiedergegeben sind, sind zu überprüfen.

Die zwei Transformationsgleichungen (1) und (2) müssen für jeden Wert von tanX und tany·- berechnet werden, d.h. für jedes Bildelement einer jeden Bildfeldüberstreichung.

Für ein 5o HZ-System mit 625 Zeilen und rechteckigen Bildelementen ändert sich tan λ mit einer Wiederholungsfrequenz von 15 MHz und tan v? mit einer Wiederholungsfrequenz von 15,625 KH.

Die ausgedehnte Standardgröße für die fernsehartige Wiedergabe bestimmt die für die Perspektiventransformation erforderliche Rechenfrequenz. Die Form der erforderlichen Berechnung ist durch die folgenden zwei Gleichungen gegeben:

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X=X-H ^(ax ^{+ b}x

(^ay ^{+ b}y

_yp = y_o - η <«y * ^by

(c + d tan

Bei Betrachtung zunächst derjenigen Teile, die sich mit der Bildelementfrequenz ändern, d.h. derjenigen Teile, die eine Funktion von tan! sind, ist ersichtlich, daß tan'} proportional zu dem horizontalen Abstand eines Elementes vom Zentrum einer Rasterzeile ist. tanA ist in der Tat gleich diesem Abstand auf der Einheitsabbildung gemäß Darstellung in Fig. 13. Somit sind sowohl die Zähler als auch die Nenner der Gleichungen (3) und (4) lineare Funktionen dieses Abstandes, der selbst bei gleichen Schritten längs einer Linie bekannt ist. Die Werte von a , a und c sind ebenfalls lineare Funktionen von tan<£·, der proportional zum vertikalen Abstand einer Zeile vom Bildschirmmittelpunkt ist. Eine zweidimensionale Darstellung von einer dieser Funktionen nach den Gleichungen (3) oder (4) in Gestalt von F ist in Fig. 14 enthalten, in welcher die Neigung der Ebene in der tan>-Richtung durch F und in der

Λ tanjr-Richtung durch F^, gegeben ist. Dies stimmt überein mit

der geometrischen Interpretation der Fig. 11, in welcher die drei linearen Funktionen der Gleichungen (3) und (4) den Abstand des Abtastflecks von dem Betrachterpunkt in den drei Grundachsen X, Y und Z wiedergeben. Bezugnehmend auf Fig. 14 kann die (tanA, tan\r)-Ebene gleichgesetzt werden mit der Abbildungsebene 28 und die Werte von F mit einer der drei Abstände .

Grundsätzlich ändern sich die Werte von F , F₅ und F^, für

O a Q

jede vollständige Feldabtastung und bestimmen daher eine neue zweidimensionale Linearfunktion. Diese Funktionen können

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-pr-

in einer differenziellen Weise berechnet werden, d.h. durch die Gleichungen

A_y (>,"/) = A_y

= B

atan>

tan/

• (5) (6) (7)

worin

A_x(W

B U, j

Δ tan λ

iitan jr

der Zähler der Gleichung (3) (oder Gleichung 1), der Zähler von Gleichung (4) (oder Gleichung 2), der Nenner dieser Gleichungen die Anzahl der Bildelemente (m=1,2,3,...),

die Zeilenzahl (n=1,2,3, ),

der Elementzuwachs von tanA der Zeilenzuwachs von

die

A„

, A , B-Neigungen in \-Richtung

die

Α_χ

ausgeworfen sind.

A , B-Neigungen in

^--Richtung

In der nächstliegenden Verwirklichung lassen sich die ge

wünschten Ergebnisse χ

und y durch Ausführung der Divisionen

Α_χ/Β und A /B, der Multiplikationen durch H und der Subtraktionen von X und Y , alle mit der Bildelement-Wiederholungsfrequenz, berechnen.

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Um die erforderliche Berechnungsfrequenz zu erhalten, wird eine Art von Parallelberechnung verwendet. In einem leistungsfähigen Parallelprozessor, d.h. einem, in welchem die arithmetischen Elemente niemals leerlaufen, läßt sich die zum Berechnen der Gleichungen(3) und (4) erforderliche Zeit leicht finden. Die Eingangsparameter für diese Rechnung sind die Leistungsdaten der verwendeten Schaltungstechnologie und der ausgewählte arithmetische Algorithmus.

Die Arten von arithmetischen Algorithmen, die in Betracht gezogen werden können, sind durch die Form des gewählten Systemaufbaus- die Pipeline - begrenzt.

Bei einer herkömmlichen Berechnung wird ein erster Satz Daten eingegeben und pflanzt sich durch die Logik fort, bis die Antwort vorliegt. In jedem Augenblick befindet sich nur ein kleiner Teil der Logik in Betrieb. Folglich ist die Systemkapazität klein, und das System hat einen niedrigen Wirkungsgrad.

Wenn die Gesamtberechnung in eine große Anzahl von Teilberechnungen unterteilt werden kann, läßt sich ein im Pipelinebetrieb arbeitender Prozessor verwenden. Eine jede Teilberechnung beansprucht nacheinander eine getrennte Stufe des Prozessors mit einem Speicher oder Gedächtnis zwischen jeder Stufe. Die erste Dateneingabe schreitet durch alle aufeinanderfolgenden Stufen fort, jedoch können nach Freimachung einer jeden Stufe neue Daten folgen, so daß jede Stufe gleichzeitig besetzt ist und ihre eigene Teilberechnung ausführt und ihre eigene Antwort in ihrem eigenen Speicher oder Gedächtnis speichert. Obgleich die Durchsatzzeit gleich der Summe der Teilberechnungsperioden ist, ist die Rechenfrequenz durch die Teilberechnungsperiode gegeben, weil nach jeder Periode eine neue abschließende Antwort zur Verfügung steht.

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Das System ist in der technischen Literatur beschrieben, beispielsweise in dem Aufsatz "Pipelining of arithmetic functions" von T.G. Hallen und M.J. Flynn, veröffentlicht in IEEE Trans. Comput., Band C-21, Seiten 880-886, August 1972 und dem Aufsatz "Pipeline Iterative Arithmetic Arrays" von J. Deverell, erschienen in IEEE Trans. Comput., Seiten 317-322, März 1975.

Die Pipelineform der Parallelverarbeitung ist hier in der Hauptsache zur Erleichterung der praktischen Durchführung und Flexibilität gewählt worden. Keine komplexe Steuerlogik ist erforderlich, und die Berechnungsstruktur ist "eingebaut". Das Untersystem für die Oberflächenspeicherung ist ebenfalls in herkömmlicher Weise als eine Pipeline organisiert, so daß ein vollständig homogenes System geschaffen ist.

Die Pipelineverarbeitung ist immer dann zweckmäßig, wenn das Erfordernis nach einer minimalen Systemberechnungsrate wie im vorliegenden Fall des Oberflächenabtasters besteht. Eine Berechnung wird im Pipelinebetrieb durch Aufteilung in Stufen vorgenommen, von denen eine jede durch ein logisches Netzwerk in einer Zeitperiode durchgeführt wird (66 2/3ns für eine 15 MHz-Taktfrequenz). Am Ende einer jeden Berechnungsstufe wird das Ergebnis mit dem Taktsignal in einem Synchronisationsregister von neuem synchronisiert. Fig. 15 zeigt die Gestalt eines Pipeline-Systems, während Fig. 16 den Verlauf einer η-stufigen Berechnung durch eine solche Pipeline veranschaulicht. Es ist zu bemerken, daß die Zeitdauer für eine vollständige Berechnung η Taktzyklen beträgt und daß ein neues Ergebnis einem jedem Zyklus entspricht. Es ist von Interesse, daß Pipelines parallel betrieben und sowohl gesplittet als auch vernetzt, werden können, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist, um die Anpassung an eine besondere Berechnung zu erzielen.

Die Lösung der Gleichungen (3) und (4) kann auf verschiedenem Wege zustande gebracht werden. Fig. 18 zeigt den nächstliegenden Weg, während die Figuren 19 und 2o wirtschaftlichere

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Methoden aufzeigen. Die Wahl zwischen den Methoden nach Fig. 19 und Fig. 2o hängt von den relativen Kosten der im Pipelinebetrieb arbeitenden Multiplizier- und Dividiereinrichtungen ab, die wiederum von der Anzahl der erforderlichen Bits abhängig sind. Diese wiederum sind durch Maßstabs- und Genauigkeitsanforderungen bestimmt. Die Lösungen des Funktionsgenerators können durch Prüfung ihrer Auswirkungen auf den abgebildeten Horizont bestimmt werden, dessen Lage am Ort derjenigen Punkte gegeben ist, wo B = O ist. Der kleinste auflösbare Krängungswinkel beträgt angenähert tan (1/8oo), bestimmt durch die Größe des Bildelementgitters. Mit dem Steigwinkel O ist

B (X,Y) = cos4> tan^f - sint> tanX (8)

Für die inkrementelle Erzeugung dieser Funktion (gemäß der Gleichung (7)) sind die Größen von B/{. und By- angenähert tan (1/800Δ tan/ (oder tan (1/800) ^tany, da A tanX = Atanyist), was zwischen 2 und 2 liegt. Da der maximale Absolutwert von B 1,16 beträgt, sind 22 Bits für die Erzeugung der B-Funktion erforderlich. Die gleichen Ausführungen gelten für den Steigwinkel und den Kurswinkel unter Verwendung der B-Funktion und der A -bzw. A -Funktion. In der Praxis haben sich 22 Bits für alle Fälle als genügend erwiesen. Jedoch werden für die Funktionsgeneratoren 24 Bits verwendet, da die Artithmetikkreisblöcke grundsätzlich in 4-Bit-Einheiten angeliefert werden. Mit der Verwendung von 22 Bits für die Darstellung von χ und y werden alle Arithmetikeinheiten für Eingänge mit 24 Bits ausgelegt, wobei 4 Bits an den Ausgängen unbenutzt bleiben, um Fehler abrunden zu können.

Nunmehr läßt sich die Auswahl zwischen den Anordnungen nach Fig. 18 und Fig. 19 treffen. Die Anordnung nach Fig. 19 ist ausgewählt worden, weil zwei Schaltungskarten weniger benötigt werden.

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Die Arithmetikeinheiten bestehen aus:

a) einem zweidimensionalen 24-Bit-Linear-Funktionsgenerator/

b) einem im Pipelinebetrieb arbeitenden 24-Bit-Multiplizierer und

c) einem im Pipelinebetrieb arbeitenden 24-Bit-Dividierer.

Der Zweck des Funktionsgenerators liegt in der Erzeugung von Werten der Funktion F gemäß der Formel

Fig. 21 zeigt im Blockschaltbild, wie eine derartige Funktion berechnet werden kann. Dieser Vorgang ist ferner in der bereits erwähnten GB-PS 7 913 o58 beschrieben.

Der im Pipelinebetrieb arbeitende Multiplizierer basiert gemäß Darstellung in Fig. 22 auf dem Baustein 74LS261 von Texas Instruments. Dieser Baustein, der auf der Basis einer modifizierten Form des Booth'sehen Algorithmus arbeitet, bei welchem die Multipliziererbits dreimal zu jeder Zeit geprüft werden, wird in der empfohlenen Konfiguration benutzt.

Es ist keine spezielle Logik erforderlich, um die negativen Operanden zu handhaben, und der gesamte Multiplizierer liefert ein korrektes Zweier-Komplement-Ercreb'nis. Die erzeugten f>artialprodukt-Bits werden in einem Addierbaum unter Verwendung übertragungssicheren 74H183-Addierern kombiniert. Zwei Sätze von Pipeline-Registern sind erforderlich, einer nach der Multiplikation und der anderen im Addiererbaum·

Die Division wird durch einen nicht-zurückstellenden Algorithmus ausgeführt. Fig. 23 zeigt, ein Diagramm für das Beispiel:

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(-3/8 τ 1/2), wie es mit dieser Methode berechnet ist. Die nicht-zurückstellende Methode addiert oder substrahiert Mächtigkeiten des Divisors dergestalt, daß die absolute Größe des partiellen Dividenden vermindert wird, und für eine sachgemäße Division hat der Rest eine Größe kleiner als der Divisor und möglicherweise mit entgegengesetztem Vorzeichen. In diesem Fall sollte der Quotient weiter korrigiert werden, jedoch wird dies ignoriert, da dies einen Fehler nur in der kleinsten signifikanten Stelle hinzufügt.

Der Algorithmus wird leicht als eine Pipeline verwirklicht; eine Stufe davon ist in Fig. 24 dargestellt. Jeder Rechenvorgang wird von einem Addierer/Substrahierer ausgeführt, der von dem exklusiven -ODER der signifikantesten Bits des Partialdividenden und Divisors gesteuert werden. Nach einer jeden Addition/Substraktion erfolgt eine Verschiebung durch das Ausscheiden des signifikantesten Partialdividenden-Bits, und die Subtitution eines neuen Partialdividenden-Bits in der am niedrigsten signifikanten Stellung. Nach jeder Stufe in der Division enthält das Quotient/unbenutzter Dividend-Register ein Quotienten-Bit mehr und ein unbenutztes Dividenden-Bit weniger, bis es am Ende nur noch Quotienten-Bits enthält. Die endgültige Stufe der Division ist die Quotienten-Korrektur, die die mit +1,-1 codierte Zahl in ein Zweier-Komplement umsetzt.

Alle Addierer/Substrahierer in dem Dividierer sind Arithmetik/ Logik-Einheiten 74S18T von Texas Instruments mit Parallelübertragungseinheiten 3o3 von Intel.

Das Pipeline-Schaubild für die gesamte Transformationsberechnung kann nun dem Schema nach Fig. 17 folgend aufgezeichnet werden, wie dies in Fig. 25 dargestellt ist. Es sei bemerkt, daß der Α_χ- und der A -Funktionsgenerator mit multiplizierten Anfangsbedingungen Α_χ (-^ ß_{Q) und A (}_j ^ _wegen i_hrer

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Lage innerhalb der Pipeline gespeist werden. Fig. 25 zeigt auch der Größeneinstellung aller Operanden.

Die drei Funktionsgeneratoren, ein jeder mit drei Eingängen^ stehen in Interface-Verbindung mit einem Mehrzweckcomputer über dessen E/A-Bus. Übertragungen von Daten zwischen dem Computer und den Funktionsgeneratoren treten immer dann auf, wenn ein Ausgangsbefehl, der eine von neun Adressen des Funktionsgenerators enthält, ausgeführt wird. Diese Übertragungen treten während der Leer-Abbildeperioden auf. Das Computerprogramm muß deshalb Mittel zum Bestimmen, wann diese Perioden auftreten, enthalten. Dies wird durch Verwendung des Computer-Eingangs/Ausgans-Flag-Systems erreicht. Ein Flag besteht aus einem Flip-Flop, der durch ein äußeres Signal eingestellt werden kann. Der Zustand dieses Flip-Flops kann von einem Computer (unter Verwendung von Eingangs- und bedingten Verzweigungsbefehlen) abgefühlt werden, und er kann (unter Verwendung eines Ausgangsbefehls) zurückgestellt werden,

Zur Synchronisierung des Programms mit dem Abbilderaster werden zwei Flags verwendet, das Üngerade-Feld-Flag und das Gerade-Feld-Flag. Das Ungerade-Feld-Flag wird zu Beginn der Üngerade-Feld-Leerlaufperiode eingeschaltet, und das Gerade-Feld-Flag wird zu Beginn der Gerade-Feld-Leerlaufperiode eingeschaltet. Der Computer muß am Ende eines ungerade- oder Gerade-Feldes leerlaufen und daher in der Lage sein, fortgesetzt die zwei Flags zu testen. Wenn eine dieser Flags eingeschaltet ist, bringt das Programm die Funktionsgeneratoren mit den während des vorhergehenden Feldes berechneten Daten auf den neuesten Stand und löscht das Flag. Berechnungen der aufgestellten Daten für das nächste Feld können nun unter Verwendung der zuletzt verfügbaren Eingangsdaten vorgenommen werden. Diese Berechnung muß vor dem Ende der laufenden Feldüberstreichung beendet sein.

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Das Flußbild der Fig. 26 zeigt, wie das Programm organisiert ist. Es ist festzustellen, daß während einer geraden Feldüberstreichung die Bedingungen der ungeraden Feldeinstellung berechnet werden und umgekehrt. Neue Daten, welche die Lage des Blickpunktes und den Standort bestimmen, werden mit jeder Feldbestreichung abgelesen.

Nun wird das zweite Unter-System des Oberflächeneinzelheiten generators der Fig. 9, d.h. der Oberflächenstrukturspeicher 111 beschrieben.

Der Oberflächenspeicher nimmt als Eingangssignal den Vektor (χ , y ) bei einer Wiederholungsfrequenz von 15 MHz auf, der die Lage des Schnittpunktes mit der Oberfläche darstellt und gibt als Ausgangssignal ein Videosignal ab, das unmittelbar zu dem Anzeigegerät nach einer Digital/Analog-Umsetzung gesandt werden kann. Das Auslegungsproblem ist vollständig das gleiche wie bei der Aliasierungsbeherrschung.

Fig. 27 und Fig. 28 sind zwei perspektivische Darstellungen zur Veranschaulichung des Vorgangs der Betrachtung einer strukturierten ebenen Oberfläche in Perspektive. Fig. 27 gibt die Betrachtung durch eine Fernsehkamera wieder und zeigt eine strukturierte Ebene 46, die von der Kamera längs der Achse 4 7 erblickt wird. Die Bildebene der Kamera ist bei 48 gezeigt. Fig. 28 zeigt demgegenüber die strukturierte Ebene 46 in Betrachtung längs der Linie 47, und die Ebene 48 stellt die Abbildungsebene dar.

Zunächst sei der Vorgang der Bilderzeugung durch die Fernsehkamera gemäß Fig. 27 für einen beliebigen Punkt des Fernsehrasters betrachtet. Ein Strahl läßt sich vom Projektionszentrum (dem angenommenen Blickpunkt) zur Oberfläche 46 ziehen, die er in Punkt A schneidet. Die Wirkung des optischen Systems der Kamera und des Abtaststrahls läßt sich kombinieren mit der Vorstellung einer öffnung oder eines Blendausschnittes in

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Gestalt ähnlich demjenigen nach Fig. 29. Die Wirkung des Blendausschnittes besteht in der Integration von Informationen von den umgebenden Teilen der HeIligkeitsverteilung auf der Bildebene in einen einzigen Wert, der das Videosignal für jenen Punkt 49 des Rasters ist. Bei einer richtig eingestellten Kamera wird die Ausdehnung des Blendausschnitts derart sein, daß der größtmögliche Betrag an Informationen aus der Szene herausgezogen werden kann. Mit anderen Worten, das Vorprü fiingsfeld ist korrekt. Ein zu kleiner Blendausschnitt führt zur Aliasierung, während ein zu großer Blendausschnitt zu einer unnötigen Unscharfe führt. Demzufolge ist das dem Punkt A entsprechende Bild aus den Helligkeitswerten eines Bereichs der Oberfläche in der Umgebung des Punktes A zusammengesetzt. Je weiter A von der Bildebene entfernt ist, desto größer wird dieser Nachbarschaftsbereich sein und desto weniger detailliert das Bild.

Fig. 28 zeigt einen alternativen Weg der Betrachtung dieses Vorgangs, nämlich einen, der weniger auf den physikalischen Vorgang bezogen ist. Hier ist der Blendausschnitt auf die Oberfläche 46 selbst projiziert. Das dem Punkt B des Rasters entsprechende Videosignal besteht aus denjenigen Oberflächenelementen, die unter den projizierten Ausschnitt fallen. In Signalverarbeitungsbegriffen wird ein zweidimensionales Filter auf die Helligkeitsverteilung der Oberfläche angwandt. Die Form und die Ausdehnung dieses Feldes ist eine Funktion des Abstandes und der Neigung der Oberfläche und ist grundsätzlich asymmetrisch.

Eine unmittelbare Verwirklichung dieses Vorgangs ist unmöglich aufgrund des ungeheueren Speicherzugriffs und der Berechnungsprobleme, die dabei auftreten würden. Der Parallelzugriff der Strukturwerte bei einer Wiederholungsfrequenz von 15 MHz und deren Kombination in einem veränderlichen zweidimensionalen Filter läßt sich nicht als praktikabel ansehen.

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Die erste vereinfachende Annahme besteht in der Verwendung eines projizierten zweidimensionalen symmetrischen Blendausschnitts. Dies ist subjektiv zu rechtfertigen, da die größte Verzerrung der Öffnung oder des Blendausschnitts dann auftritt, wenn die abgebildete Einzelheit am kleinsten ist. Mit dieser Annahme ist eine Off-Line- und vordefinierte Filterung statt einer On-Line-Filterung möglich. Der zum Halten der vorgefilterten Strukturen erforderliche zusätzliche Speicher verlangt weniger Schaltraum als ein Filter, wie er zum Betrieb bei 15 MHz erforderlich ist. Der Speicheraufbau kann ebenso beträchtlich vereinfacht werden, indem nur eine Ablesung alle 66 2/3 ns zu erfolgen hat.

Das zweite Problem liegt in der Filterauswahl; die Bestimmung in Echtzeit, welches Ausmaß an Strukturfilterung benötigt wird. Eine Möglichkeit besteht darin, den Abstand des Blickpunktes zur Oberfläche zu verwenden. Dieser Abstand ist gegeben durch die Gleichung

d = H 7 1 + tan²X + tan²^ (10)

7 X sind + cosö ^ cos^ tany - sini

Der Wert von d läßt sich wie folgt annähern:

wobei ein maximaler Fehler von etwa 14 % in den Ecken des Bildschirms auftritt. Dieser Betrag ist "für frei" verfügbar in der arithmetischen Pipeline der Fig. 2o. Die Verwendung dieses Wertes muß jedoch zurückgewiesen werden, da keine einfache Relation zwischen den Abmessungen dem Blendenausausschnitt und dem Fehlerbereich besteht.

Da die Annäherung an die Filterausgestaltung auf der Beherrschung der Aliasierung beruht, bildet der Abstand zwischen den Verschneidungen eine nützliche und leicht erreichbare Maßnahme.

0300θ8/0δ44

Das Speichersystem basiert, wie oben erläutert, auf dem Hierarchieprinzip, jedoch sind die Hierarchieebenen nunmehr wirkliche Bilder, die von einem veränderlichen zweidimensionalen Filter berechnet werden. Das System liefert eine variable Anzahl von Ebenen, so daß die Auswahl der optimalen Anzahl subjektiv vorgenommen werden kann.

Die Ausgestaltung des Strukturspeichersystems basiert auf den folgenden zwei Annahmen:

a) der auf die Struktur angewandte Filter ist symmetrisch und unverzerrt und

b) die Auswahl, welche gefilterte Version der Struktur zu projizieren ist, ist eine Bildelement-auf-Bildelement-Entscheidung, die auf dem Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastungen beruht.

Beide vorstehende Annahmen führen Näherungen ein, jedoch liefern sie nur örtliche geometrische Fehler. Das Hauptabtastgitter wird exakt berechnet, und die Aliasierung läßt sich vollständig beherrschen. Die Wirkung der ersten Annahme besteht darin, ein höheres Maß an Filterung zu verwenden als bei einer genauen Simulation verwendet würde. Hierbei ist, wie bereits oben aufgezeigt wurde, der projizierte Blendausschnitt in Richtung der Blicklinie für alle Fälle mit Ausnahme der Betrachtung lotrecht zur Oberfläche in die Länge gezogen. Die Filterwirkung ist daher in der Linie der Blickrichtung größer als unter rechten Winkeln. Da jedoch angenommen wird, daß der Filter dieselbe Filterwirkung in beiden Richtungen aufweist, muß ein größerer Grad von Filterung quer zur Blicklinie angewandt werden, um eine Aliasierung längs der Blicklinie zu vermeiden. Die Figuren 29 und 3o illustrieren diese Wirkung. Die Längung des reell projizierten Blendausschnittes nimmt zu, wenn die Blicklinie die Ebene unter kleiner Winkeln beruht, wie dies der Fall an Punkten

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3?-

nahe denjenigen ist, die dem abgebildeten Horizont entsprechen. Da jedoch der Grad an Filterung (Detailverminderung) an diesen Punkten größer wird, wird die Auswirkung dieser Uber-Filterung weniger bemerkbar. Die Frage der Blendausschnittlängungund deren Auswirkung wird an späterer Stelle noch näher betrachtet.

Die zweite obige Annahme betrifft ebenfalls die Blendausschnittlängung, für dessen Definition der "Abstand zwischen den Abtastungen" bestimmt werden muß. Wie in den Figuren 29 und 3o erkennbar ist, ist der Abstand a zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen längs einer projizierten Rasterlinie nicht der gleiche wie der Abstand b zwischen den Rasterlinien. Eine Definition des "Abstandes zwischen den Abtastungen" wird gleichfalls an späterer Stelle betrachtet.

Viel Arbeit ist jüngst in das Aliasierungsproblem bei der digitalen Synthese von Fernsehbildern gesteckt worden. Die bekannten Studien sind unten zusammengefaßt, da sie einen bedeutenden Einfluß auf die Ausgestaltung des Strukturspeichersystems haben.

Die Entwicklung des Fernsehbildes kann als ein dreidimensionaler Abtastvorgang betrachtet werden, dessen drei Dimensionen die beiden linearen Dimensionen des Bildes und die Zeit sind. Die Abtastgesichtspunkte des Fernsehens sind wohl-bekannt, und die Theorie läßt sich nutzbringend auf die Herstellung computererzeugter Bilder auf Fernsehbasis anwenden. Das Studium der Wirkungsweise eines Fernsehkamerasystems in Begriffen der Abtastheorie und einem anschließenden Vergleich der synthetischen Bilderzeugung lassen sich die Gründe für die Aliasierung in dem letzteren System verstehen. Es ist auch möglich, Methoden zur Verminderung der Aliasierung bei computererzeugten Bildern mit Hilfe dieser Kenntnisse der Fernsehsysteme zu entwickeln.

03Ö0SS/0SU

Die klassische Theorie der Fernsehbilderzeugung leitet das Spektrum des Ausgangssignals der Fernsehkamera von einer Analyse des Abtastvorganges und der Form der in einem Fernsehsystem verwendeten Abtastung ab. Die Wirkung des Abtastblendausschnitts auf die Aliasierung läßt sich von dieser Warte aus betrachten. Bei der Betrachtung der Bildsynthese im Lichte der Fernsehtheorie ist es möglich, den Schluß zu ziehen, daß computererzeugte Bilder analog zu nicht-bandbegrenzten Szenen sind, die ohne die Verwendung eines Vorprüffilters abgetastet werden. Die Aliasierung läßt sich durch Abtasten bei einer höheren Frequenz und Synthetisierung eines Vorprüf- oder Vorabtastfilters vermindern. Der Versuch hat gezeigt, daß eine viermal so große Abtastfrequenz sowohl in der vertikalen als auch horizontalen Abmessung zufriedenstellende Ergebnisse liefert, wenn ein Bildschirm mit 625 Zeilen in einem Simulator verwendet wird.

Fig. 31 gibt das Abtastgitter eines gitterförmig unterteilten Bildschirms zusammen mit einigen Szeneneinzelheiten in deren genauen Positionen wieder, wie dies von einem Bildgenerator auf Polygonbasis mit unbegrenzter Auflösung errechnet würde. Da nur ein Helligkeits- und Farbewert über der Fläche eines Bildelementes vorhanden sein kann, muß irgendeine Methode der Projektion des berechneten Bildes auf das Elementgitter angewandt werden. Bei früheren Bildgeneratoren wurde unterstellt, daß die Helligkeit und die Farbe eines Bildelementes diejenigen der sichtbaren Szenenoberfläche im Zentrum des Elementes sind, so daß z.B. in Fig. 31 das Element (3,3) dem Wert B₁ zugewiesen sein würde. Diese Methode resultierte in Kanten, die mit treppenförmigen Grenzen wiedergegeben sind, und eine leichte Positionsverschiebung in einer berechneten Kante kann deshalb zu einer abgebildeten Änderung in der Lage eines Bildelementes führen. Ablenkerscheinungen wie diese wurden bei den ersten Bildgeneratoren in Kauf genommen, jedoch sind für diese Probleme seither auch Lösungen gefunden worden. Die verwendete Methode besteht darin, jedes

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wiedergegebene Bildelement aus einer Anzahl von "Unterelementen" zusammenzusetzen, die letztlich die Zähne auf einem feineren Gitter abbilden. Das Element (4,1o) in Fig. 31 zeigt die Abtastpunkte, wenn 16 ünterlemente verwendet werden. Die für jedes Unterlement errechneten Helligkeits- und Farbwerte werden in einem zweidimensionalen Filter kombiniert, um schließlich das abzubildende endgültige Element zu liefern. Die Abschaltfrequenz dieses Filters muß gleich der maximalen Raumfrequenz sein, die auf dem Bildgitter dargestellt werden kann. Diese ist durch die Abtasttheorie gegeben und veranschaulicht durch die zwei Sinuswellenzyklen, die in Fig. 31 eingezeichnet sind.

In einfachen Systemen werden die innerhalb eines Elements liegenden Unterelemente mit gleichem Gewicht (dem Produkt aus Fläche und Farbwert) addiert, während in komplexeren Systemen die in benachbarten Elementen liegenden Unterelemente gleichfalls benutzt werden können. Alle gegenwärtig hergestellten Generatoren mit gerasterter Bildabtastung für Simulationszwecke enthalten gegenwärtig irgendeine Art von Anti-Aliasierung.

Es sei hervorgehoben, daß einige sogenannte Lösungen für das Aliasierungsproblem in Wirklichkeit keine Heilmittel, sondern lediglich die Behandlung von Symptomen darstellen. "Kantenabrundung" und Nach-Filterung eines Bildes mit Aliasierungsfehlern kann nur auf Kosten einer Verminderung der Auflösung des wiedergegebenen Bildes annehmbare Ergebnisse liefern. Mit anderen Worten, die Elemente werden wie Unter-Elemente in einem Grobfilter behandelt.

Betrachtet sei jetzt das Abtasten eines in einem Speicher gespeicherten Bildes. Zum Zwecke der Einfachheit sei angenommen, daß das Bild auf einem Gitter identisch zu demjenigen des Elementgitters des wiedergegebenen Bildes ist. Fig. 32 zeigt das gespeicherte Bild mit dem darübergelegten Gitter zur Wiedergabeabtastung. Es besteht demzufolge eine genaue Uberein-*

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- Inzwischen dem gespeicherten und dem wiedergegebenen Bild. Für eine korrekte Darstellung des Bildes vor der Speicherung muß der Tastfrequenzgehalt dergestalt sein, daß keine höheren Tastfrequenzen als diejenigen, die in der Figur abgebildet werden, vorhanden sind. Dies wird durch die Anwendung des herkömmlichen Vorprüffilters erreicht.

Nun sei angenommen, daß das wiedergegebene Bild gegenüber dem Abtastgitter, wie in Fig. 33 dargestellt, verschoben ist, wie dies auftreten würden, wenn sich die Szene oder der Beobachter bewegt. Die dargestellte Verschiebung beträgt ein Viertel eines Elementes sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Richtung. Die Abtastpunkte liegen alle innerhalb derselben Grenzen auf dem Speichergitter, und das wiedergegebene Bild ist demzufolge identisch mit demjenigen, das vor der Verschiebung vorhanden war. Eine Bildänderung wird solange nicht auftreten, bis eine Verschiebung von der Hälfte eines Elements in einer der beiden Richtungen aufgetreten ist. Es ist dann eine weitere Änderung des Abstandes eines Elementes erforderlich, bis die nächste Bildänderung auftritt. Eine sanfte Bewegung des computererzeugten Bildes erzeugt deshalb abrupte Änderung in dem wiedergegebenen Bild.

Zum Anpassen des Leistungsvermögens eines solchen Abtastspeichersystems an Bildgeneratoren mit Anti-Aliasierung, die dieses Element-zu-Element-Springen der Szenenkomponenten nicht aufweisen, muß die Anzahl der gespeicherten Bildabtastungen um einen Faktor 16 vergrößert werden, nämlich die Anzahl von Unterelementen in jedem Element eines auf Polygonbasis beruhenden Systems. Eine sanfte Bewegung des computererzeugten Bildes ruft dann Änderungen im wiedergegebenen Bild hervor, die viermal so oft in jeder linearen Dimension auftreten, wodurch eine engere Annäherung an eine sanfte Bewegung hervorgerufen wird. Das gespeicherte Bild muß noch in gleichem Ausmaß vorgefiltert werden mit Ausnahme dessen, daß nun 8 statt nur 2 Abtastungen je Raumzyklus bei der maximalen

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Raumfrequenz vorhanden sind. Fig. 34 zeigt die zwei neuen Gitter und die maximale Tastfirequenz, die gespeichert werden kann. Diese Anordnung ist nun exakt analog zu dem Polygonsystem mit Anti-Aliasierung. Insoweit eine Drehung des computerberechneten Bildes betroffen ist, trifft dieselbe Schlußfolgerung zu. Dieselbe Annäherung an eine sanfte Drehung wird verwendet wie in einem Polygonsystem mit Unter-Elementabtastung .

Die Ausbildung eines Strukturspeichersystems kann nun unter Verwendung dieser Daten und der zwei vorerwähnten Annäherungen in Betracht gezogen werden.

Bei dem engstmöglichen Abstand zwischen Auge und Oberfläche wird eine Unter-Element, wie oben festgestellt, auf einem Oberflächenelement von etwa 25 mm im Quadrat abgebildet. Für eine sanfte Bewegung muß das Auge nicht in der Lage sein, sich der simulierten Oberfläche noch dichter anzunähern. Wenn die Oberfläche normalerweise bei diesem minimalen Augen-Oberflächenabstand betrachtet wird, dann greift die in Fig. 34 dargestellte Situation Platz.

Ein Speicher mit einem in dieser Weise gespeicherten Muster oder Modell, das in dem dargestellten Ausmaß gefiltert ist, könnte deshalb die oberste Ebene einer Speicherhierarchie bilden, die so ausgelegt ist, daß alle vier Oberflächenelemente abgefragt werden. Dieses oberste Element wird "Element O" genannt und von dem Basis-Strukturmuster durch Anwendung eines symmetrischen zweidimensionalen Filters mit Wegschneidung von räumlichen Frequenzen in der GrößeT/4 gegenüber der Gitterfeinheit erzeugt.

Es sei nun der Fall betrachtet, bei welchem die Abtastpunkte um fünf Oberflächenauflösungselemente voneinander entfernt liegen. Bei normaler Betrachtung entspricht dies einem Abstand zwischen Auge und Oberfläche von 5/4 desjenigen, der dem

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- yC-

Vierfachen Oberflächenabstand erzeugt. Fig. 35 veranschaulicht die Abmessungen des für diese Abstandseinteilung erforderlichen Speichers, wo ein jedes Element 5/4 der linearen Dimension eines Oberflächenauflöseelementes hat. Das neue Speichergitter, nämlich das oben rechts in Fig. 35, projiziert auf den Bildschirm genau das O-Ebenengitter nach Fig. 34. Der Grad der für diese Ebene zur Verhinderung einer Aliasierung erforderlichen Filterung verlangt ein Tiefpaßfilter mit weggeschnittenen Frequenzen in der Größe von TT/4 des größer projizierten Unter-Elementgitters oder ΤΓ/5 gegenüber dem Auflöseelementgitter. Im Idealzustand würde der für diese Detailebene erforderliche Speicherbetrag 4/5 χ 4/5 = ο,64 von demjenigen sein, der für die Ebene O erforderlich ist. Jedoch ist dieser Betrag in der Praxis nicht erreichbar.

Die Ebene 2, vorgefiltert für einen Abtastabstand von sechs Auflösungselementen, würde 4/6 χ 4/6 = ο,44 des Speichers, Ebene 3 4/7 χ 4/7 = ο,33 und so weiter erfordern. Die letzte Ebene in der Hierarchie wird nur noch eine Abtastung enthalten, welche die durchschnittliche Helligkeit der gesamten strukturierten Fläche darstellt. Für die der letzten Ebene nächste Ebene, die in Fig. 36 dargestellt ist, wird ein Gehalt von 64 Abtastungen benötigt, was den Verhältnissen entspricht, bei denen vier projizierte Abbildungselemente das gesamte Muster überdecken. Diese letzten Ebenen werden immer vorhanden sein, so groß auch immer das anfängliche Strukturmuster ist.

Bei der praktischen Verwirklichung ist eine Strukturmustergröße von 64 χ 64 = 4.o96 Oberflächenauflösungselementen ausgewählt worden als das praktisch größte Format in einem praktischen System unter Berücksichtigung der programmierbaren Nur-Lese-Speicher mit zu jeder Zeit verfügbarer geeigneter Zugriffszeit.

Mit dieser Mustergröße veranschaulicht die nachfolgende Tabelle die theoretische und praktische Speichergröße für die Anzahl benötigter Ebenen, d.h. 29 Ebenen in diesem Fall:

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SPEICHERMENGEN

	Abtast abstand	Theoret.. Speicher größe	Praktische Speicher größe	Verwendete Adressenbits
Ebene	4 5	4o96 2621	64x64=4o96 4o96	XXXXXX Y.Y.Υ-,Υ,,Υ..Υ« 543210543210
O 1	6	182o	4o96
2	7	1337	4o96
3	8 9	1o24 8o9	32x32=1o24 1o24	XXXXXYYYYY 4321043210
4 5	1o	655	1o24
6	11	542	1o24
7	12	455	1o24
8	13	388	1o24
9	14	334	1o24
1o	15	291	1o24
11	16	256	16x16=256	X3X2X1X0Y3Y2Y1Y0
12	17	227	256
13	18	2o2	256
14	19	182	256
15	2o	164	256
16	21	149	256
17	22	135	256
18	23	124	256
19	24	114	256
2o	25	1o5	256
21	26	97	256
22	27	9o	256
23	28	84	256
24	29	78	256
25	3o	73	256
26	31	68	256
27	32	64	1	keine
28	Gesamtzahl: Ausdehnungsver hältnis:	16 584 4,o5	28 673 7

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Schwierigkeiten beim Adressieren des Speichers verhindern die optimale Ausnutzung der Speicherkapazität. Der Strukturspeicher wird von zwei Vektoren, χ und y , adressiert, die mit der Bildelementfrequenz sich ändern, was die projezierten Unter-Elementstellungen darstellt. Fig. 37 zeigt, wie die Ebene O, die 4.o96 Abtastwerte enthält, adressiert würde. (X₀ und Y sind die kleinsten signifikanten Bits der X- und Y-Vektoren und stellen ein Oberflächenauflösungselement dar). Die Ebene 1 erfordert ideell 2.621 Abtastwerte, die auf dieselben Adressenbits, die von der Ebene O verwendet werden, abgebildet oder projiziert werden müssen. Diese Abbildung ist unter Verwendung von entweder Suchtabellen oder arithmetischen Schaltungen ausführbar, und ein Speicher könnte so ausgebildet sein, daß er die erforderliche Anzahl von Abtastwerten hält.

Die praktische Lösung besteht darin, das Adressieren auf Kosten der Speicherwirtschaftlichkeit zu vereinfachen. Beispielsweise werden für die Ebene 1 4.o96 Abtastwerte verwendet und in der gleichen Weise wie in der Ebene 0 adressiert. Die obige Tabelle zeigt, wie diese vollständige Hierarchie gespeichert ist und die Adressierung verwendet wird. Der Speicher-Ausdehungsfaktor beträgt 7 für den Fall eines Musters mit 4.o96 Abtastwerten gegenüber 4 für das optimale bisher verwendete Speicherschema. Die Vereinfachung in der Adressier-Hardware gleicht bei weitem die gestiegenen Anforderungen an den Speicher aus. Vorgefiltere Bilder können durch Anwendung eines geegneten zweidimensionalen Tiefpaßfilters errechnet werden. Die Entscheidung über die endgültige Ausbildung hängt davon ab, wie die Ebenenauswahl der Speicherhierarchie zu betreiben ist. Die frühere Diskussion beruht auf der Annahme, daß der Abtastabtstand bekannt ist. Im allgemeinen ist, wie aus Fig. 29 entnommen werden kann, der Abtastabstand in der X- und der Y-Richtung verschieden, und das rechteckige Abtastgitter ist ein Sonderfall. Um die Aliasierung zu verhindern, wird der

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größte Abstand, b in Fig. 29 verwendet. Bei dem vorgegebenen Ausführungsbeispiel ist dieser Abstand derjenige zwischen Abtastungen auf benachbarten Zeilen, er kann jedoch ebenso derjenige zwischen benachbarten Elementen auf derselben Zeile sein. Die Berechnung des Abstandes zwischen zwei Abtastpunkten auf derselben Zeile ist einfach, und es braucht nur der vorhergehende Wert von (x , y ) gespeichert zu werden. Auf der anderen Seite erfordert die Computerberechnung des Abstandes zwischen zwei Abtastpunkten auf benachbarten Zeilen die Speicherung des Wertes der Größen (x , y ) auf einer ganzen Zeile. Dies ergibt angenähert 800 χ 24 χ 2 Speicherbits in einem Hochgeschwindigkeitsspeicher. Während dies zwar praktisch verwendbar ist, würde es doch eine extra Schaltkarte erfordern. Die einfachere Lösung der Berechnung des Abstandes zwischen benachbarten Abstandspunkten in der Zeit und die Schaffung einer Korrektur für die Blendausschnittlängung erscheint deshalb angemessen.

Dieser Korrekturfaktor wird durch Verwendung eines Ebenencode-Projektionsspeichers berücksichtigt. Dieser Speicher setzt den errechneten Abtastpunktabstand in einen Strukturspeicherebenen-Code um, der eine Zahl zwischen O und 28 in Übereinstimmung mit einer Tabelle ist, die von dem Mehrzweckcomputer einmal pro Feldüberstreichung aufgeladen wird.

Der ganze Satz von Strukturspeichern wird unter Verwendung der χ - und y -Bits gemäß der Darstellung in der obigen Tabelle parallel adressiert. Hierzu werden programmierbare Nur-Lese-Speicher mit integrierten Schaltungen aus monolithischen Speichern 6353-1 verwendet.

Fig. 38 zeigt das Blockschaltbild des vollständigen Strukturspeichersystems gemäß vorstehender Beschreibung, das das Bild einer vollständigen strukturierten Bodenebene erzeugt.

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Die endgültige, 8-Bit breite Folge von digitalen Strukturwerten wird einem Horizontschalter zugeführt, der identisch mit jenem ist, der für den Wolken/Himmels-Generator gebaut ist. Hier wird ein Himmelssignal zur Entwicklung eines endgültigen Bildes kombiniert, das zu dem Video-Digital/Analog-Umsetzer gesandt und in den Bildschirmmonitor eingegeben wird.

Mit jeder Bildüberstreichung muß eine Abtastabstandskorrektur errechnet und dem Ebenencode-Projektionsspeicher eingegeben werden, um einen korrekten Betrieb in allen Lagen zu gewährleisten. Es ist nicht praktisch, dies genau zu berechnen; vielmehr läßt sich eine annehmbare Annäherung durchführen. Fig. 39 zeigt die projizierten Rasterzeilen für drei Krängungswinkel; es leuchtet sofort ein, daß der errechnete Abstand der Abtastpunkte nur korrekt ist, wenn ^<! = 9o° beträgt. Der Fehler kann einfach durch Betrachtung des projizierten Rasters als eine fortgesetzte Funktion und Vergleichen der Änderungsgeschwindigkeiten von χ und y in der tanX- und der tan^—Richtung (längs der Zeilen bzw. quer zu den Zeilen) berechnet werden.

Zunächst ist zu beachten, daß die projizierte Rasterform abhängig von X , Y , H und⁽ⁱ ist. Wenn ■ zu O gemacht wird, wie in Fig. 39, sind die Oberflächenachsen χ und y wie gezeigt gerichtet, und es kann ein brauchbarer Korrekturfaktor definiert werden. Dieser ist gegeben durch das Verhältnis

a (tanX) Dieses Verhältnis kann dargestellt werden durch:

-cos*

tanVcosö

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Da der Korrekturfaktor für eine ganze Feldbestreichung gebraucht wird, wird der tan^ -Faktor durch Verwendung einer Konstanten angenähert. Fig. 4o zeigt die Auswirkung dieses konstanten Korrekturfaktors, der die genauen kurvenförmigen Ebenencode-Abbildefunktionen mit geraden Linien ersetzt. Der Wert von tan·, wird empirisch durch Setzen von Θ = φ = und Einstellung der Ebenencodeprojektion solange, bis keine Aliasierung mehr sichtbar ist, empirisch bestimmt. Die Verwendung dieses Wertes in dem Allgemeinkorrekturfaktor führt zu annehmbaren Resultaten für alle Fluglagen.

Der oben beschriebene Oberflächeneinzelheitengenerator ist für die Integration in einen auf Polygonbasis beruhenden Rasterabtastbildgenerator brauchbar. Ausgewählte Oberflächen, die als "strukturiert" definiert sind, haben ihren einzigen Helligkeitswert moduliert von dem Ausgangssignal des Oberflächeneinzelheitengenerators.

Das beschriebene System ist in der Lage, die Struktur für eine einzelne Oberfläche für jede Bildüberstreichung zu transformieren. Jedoch würde eine Modifikation im Transformationsprozessor in die Lage versetzen, während eines ZeilenleerlaufIntervalls von neuem aufgeladen zu werden, um die Bestimmung einer verschiedenen Ebene zu gestatten. Eine Änderung in der Transformation längs einer Zeile würde auch möglich sein, wenn Verzögerungsstufen zu der Pipeline hinzugefügt werden, so daß alle Eingangssignale auf dieselbe Zeitkonstante bezogen sind. Die Pipeline würde natürlich mit der richtigen Zahl von Elementen aufzuladen sein, bevor die Oberflächenänderung aufgrund der Berechnungsverzögerung, siehe Fig. 25, gewünscht war.

Ein Problem rührt von der Begrenzung eines strukturierten Polygons aufgrund der Art und Weise her, mit welcher die Aliasierung an den Kanten bei den meisten Bildgeneratoren gehandhabt wird. Um den Übergang korrekt wiederzugeben

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müssen die Werte der Strukturhelligkeit bis zu einer Auflösung feiner als ein Bildelement bekannt sein. Dies ist nicht möglich, da der Transformationscomputer nur eine einzige Abtastung pro Element liefern kann. Da jedoch die Struktur nur einen Gesamt-Helligkeitswert moduliert, bleibt die gefilterte Kante in ihrer richtigen Erscheinung.

Jüngste Fortschritte bei Hochgeschwindigkeits-Halbleiterspeichern macht die Konstruktions eines Strukturgenerators mit geringerm Hochgeschwindigkeits-Rechenerfordernissen möglich. Dies läßt sich unter Verwendung des bekannten "Rolled-Raster"-Prinzips verwirklichen. Fig. 41 zeigt ein solches System als Blockschaltbild.

Der Strukturspeicher kann von den Vektoren χ und y zugegriffen werden, die in Übereinstimmung mit den Gleichungen (1) und (2), d.h. mit C = O berechnet sind.

Xp = Xo - H (cos ® -sine tan Ό cos ^ - tanXsin^ (17)

sin (9 + tan_.p- cos Q

Yp = Yo - H (cos© -sine tang" ) sin^ + tanXcos f _

sin© + tanV cosd was auch umgeschrieben werden kann zu:

Xp = Xo - H (Ex + Fx tan λ.)
( _ )

Yp = Yo - H (Ey + Fy tan"X) .
( _ )

- jKT-

ünter Berücksichtigung derjenigen Teile, die sich mit der Bildelement-Wiederholungsfrequenz ändern, d.h. diejenigen Teile, die Funktionen von tan^ sind, und unter Beachtung daß, wie oben beschrieben, tan,} proportional dem Abstand längs einer Abtastlinie vom Zentrum dieser Linie ist, lassen sich dann die Gleichungen(19)und (2o) bei der Bildelement-Wiederholungsfrequenz mit zwei Addierern 129 lösen, die von Adressenzählern 128 (Fig. 41) gesteuert werden.

Die erforderlichen Multiplikationen und Divisionen lassen sich an einer Line-by-Line-Basis in dem Mehrzweckcomputer 1o6 durchführen, der mit der simulierten Fluglage- und Standortinformation über die Eingangsleitung 1o5 gespeist wird. Das Ausgangssignal des Strukturspeichers 111 wird in eine Hälfte, 131 oder 132 des von den Hochgeschwindigkeits-Halbleiterspeichern gebildeten Bildfeldspeichers eingelesen. Der Abstand zwischen den Abtastpunkten ist längs einer Zeile und zwischen den Zeilen konstant, wie dies in Fig. 42 dargestellt ist. Diese beiden Abstände stehen für eine bestimmte Zeile in dem Mehrzweckcomputer 1o6 zur Verfügung, der dann bestimmen kann, welcher Abstand der größere ist, und demgemäß die Strukturspeicherebene auswählen kann. Kein Problem besteht für die Korrektur der Abtastabstände. Während eine Hälfte(131 oder 132) des Bildfeldspeichers eingelesen oder geladen wird, sendet die andere Hälfte (132 bzw. 131) ihren ebenfalls zu dem Bildgerät längs der Ausgangsleitung 112. Eine Krängung wird an dieser Stelle durch eine einfache lineare Adressenprojektion 13o eingeführt. Mit anderen Worten, die partiell transformierte Struktur wird in den Zeilen bei einem Winkel φ auf denjenigen Zeilen ausgelesen, auf welchen sie geschrieben war. Der Adressenprojektor 13o erfordert zwei Hochgeschwindigkeitsaddierer zu seiner Verwirklichung. Das ganze System erfordert somit einen Bildfeldspeicher, einen Mehrzweckcomputer und einen geringen Aufwand von arithmetischen Hochgeschwindigkeits-Schaltungsmitteln. Dies stellt eine beträchtliche Einsparung gegenüber

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der ursprünglichen Ausgestaltung dar, wenn 16 K oder größere Speicher für die Bildfeldspeicherung verwendet werden. Der Nachteil dieser Alternative liegt darin, daß nur eine Oberfläche mit demselben Krängungswinkel in Bezug auf den Beobachter innerhalb derselben Feldüberstreichung transformiert werden kann.

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Claims (8)

1. — ^T —

   Patentansprüche

   Optisches Abbildesystem mit computererzeugtem Bild für einen bodenfesten Flugsimulator zur Schaffung einer für den Piloten sichtbaren, im Rechteckraster abgetasteten und perspektivisch transformierten Abbildung einer simulierten strukturierten Oberfläche, gekennzeichnet durch einen Oberflächeneinzelheitengenerator, bestehend aus einem Perspektive-Transformationscomputer und einem Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher, wobei der Transformationscomputer ein im Pipelinebetrieb arbeitender Rechner zum fortgesetzten Berechnen der perspektivischen Umwandlung von der Bildebene des Abbildesystems in die Ebene der simulierten Oberfläche während des simulierten Fluges in Echtzeit ist und entsprechend den Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher zur Schaffung einer Strukturierung für jedes Element der für den Piloten sichtbaren, im Rechteckraster abgestasteten Abbildung abtastet.
2. 2. Abbildesystem nach Anspruch 1,dadurch gekenn zeichnet , daß die Zeilen- und Abtastfeldkonstanten der im Rechteckraster abgetasteten Abbildung zuerst bestimmt werden und der Pipeline-Rechner fortgesetzt die folgenden zwei Gleichungen berechnet:

   X=X-H ^(ax ^{+ b}x
   P °

   ₍a_{y +} b_y tan_M (3)

   y_p = Y₀ - H

   (c + d tan λ )

   worin

   0200S8/0SU

   Xp# y_p ^die Koordinaten des simulierten Qberflächenabtastpunkts, X_Q, Y_q die Koordinaten-Nullpunkte der simulierten Oberfläche, H die Verlagerung des Pilotenauges geoenüber der

   simulierten Oberfläche und

   X der horizontale Winkel der momentanen Ver

   lagerung des Abtastpunktes von der Blicklinie des Piloten im Horizontalflug

   bedeuten und a,b,c,d Konstanten sind.
3. 3. Abbildesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher eine der Oberflächenstruktur der simulierten Oberfläche entsprechenden digitale Information speichert, die entsprechend auf einen bevorzugten Abtast-Blendausschnittsdurchmesser gefiltert wird, wodurch eine Aliasierung der gerastert abgetasteten Abbildung vermieden wird.
4. 4. Abbildesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Perspektive-Transformationscomputer während der LeitungsaustastungsIntervalle mit Eingangsdaten wieder aufgeladen wird, um die perspektivische Umwandlung für mehr als eine einzelne simulierte Oberfläche in jedem Abtastfeld zu berechnen.
5. 5. Abbildesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß der im Pipelinebetrieb arbeitende Perspektive-Transformationscomputer Eingabemittel, die für das Laden mit Daten entsprechend einer Änderung der Oberflächenperspektivetransformation im Verlaufe einer Zeilenabtastung sorgen, sowie mindestens eine Verzögerungsstufe zur Gewährleistung, daß alle Eingabesignale auf einen einzigen Rechenzeitpunkt bezogen sind, aufweist.
6. 6. Abbildesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß der Oberflächenstruktureinzelheitenspeicher einen ersten und einen zweiten Abtastfeldspeicher zum Speichern von Oberflächenstrukturinformationen für aufeinanderfolgende Feldüberstreichungen der optischen Abbildung enthält, wobei die Abtastfeldspeicher abwechselnd geladen werden dergestalt, daß der eine seinen Inhalt abgibt, während der andere geladen wird.
7. 7. Abbildesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung im wesentlichen gemäß der Beschreibung der Fig. 9.
8. 8. Abbildesystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Ausbildung im wesentlichen gemäß der Beschreibung nach Fig. 41.