DE3853336T2

DE3853336T2 - Rechnergraphikgerät zur Verarbeitung von Beleuchtungsmodellinformation.

Info

Publication number: DE3853336T2
Application number: DE3853336T
Authority: DE
Inventors: Jorge Gonzalez-Lopez; Bruce Carlton Hempel; Bob Chao-Chu Liang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2008-10-14
Also published as: EP0314341B1; US4866637A; CA1304824C; JPH01163884A; EP0314341A2; JPH0731741B2; EP0314341A3; DE3853336D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet der Computergraphik. Computergraphik-Anzeigesysteme, beispielsweise CAD/CAM-Graphik-Workstations, finden verbreitet Anwendung bei der Generierung und Anzeige von Gegenstandsabbildungen in wissenschaftlichen, technischen, produktionsbezogenen und anderen Anwendungen.
In diesen Computergraphiksystemen werden die Flächen eines Gegenstandes normalerweise durch ein Polygonmaschennetz dargestellt. Ein Polygonmaschennetz ist eine Sammlung aus Scheitelpunkten, Rändern und Polygonen. Die Scheitelpunkte sind durch Ränder verbunden, während man sich Polygone als Sequenzen von Rändern oder Scheitelpunkten vorstellen kann. Um eine visuelle Darstellung eines Gegenstands auf dem Anzeigebildschirm zu erhalten, die realistischer ist als das dazugehörige Polygonmaschennetz, wurden Verfahren entwickelt, um verborgene Flächen und Schattierungen zu entfernen und sichtbare Flächen mit einer Struktur zu versehen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Implementierung einer Schattierungsfunktion in einer Graphik-Workstation und insbesondere auf die Computerverarbeitung und -anzeige schattierter Bilder, in der ein Beleuchtungsmodell verwendet wird. Effekte, die in einem solchen Beleuchtungsmodell möglich sind, wären beispielsweise eine Umgebungsbeleuchtung, diffuse Effekte und Spiegelreflektionseffekte, Anzahl, Position und Intensität und Farbton der Lichtquellen, parallele Projektionen, Perspektivprojektionen und die Dämpfung des Lichts aufgrund des Abstands verschiedener Teile eines modellierten Gegenstands vom Betrachter (Tiefendarstellung).
EP-A-0 193 151 zeigt die Darstellung einer Fläche bezüglich der Scheitelpunkte von Dreiecken und definiert die auszuführende Operationssequenz 1) zur Definition der Lichtstärke an jedem Gipfelpunkt, 2) zur Durchführung einer Perspektivumwandlungsverarbeitung der Gipfelpunkte und 3) zur Durchführung der Verarbeitung schattierter und verborgener Flächen für den gesamten Anzeigebereich.
Die allgemeine Systemarchitektur einer Schattierungshardware für eine bekannte Graphik-Workstation wird in Form eines Blockdiagramms in Figur 1 abgebildet. Das gesamte Schattierungsfunktionssystem 10 enthält ein Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem 12 und ein Schattierungsverarbeitungssystem 14, einen Videopixelspeicher 16 und einen Anzeigebildschirm 18.
Das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem 12 berechnet die Farbintensitäten (das heißt, die Komponenten rot, grün und blau) an den Scheitelpunkten jedes Polygons für ein bestimmtes Beleuchtungsmodell. Das Schattierungsverarbeitungssystem 14 verwendet die Informationen des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems zur Berechnung der Farbintensitäten von Pixeln im Innern von sichtbaren Polygonen und sendet diese Informationen zum Videopixelspeicher 16. Der Anzeigebildschirm 18 zeigt das schattierte Bild an, das im Videopixelspeicher gespeichert ist.
In bisherigen Graphik-Workstations erfolgte die Berechnung der Effekte durch Beleuchtung mit Hilfe eines Allzweckprozessors. Diese Vorgehensweise hat zwar den Vorteil, daß gewöhnliche, stets verfügbare Komponenten verwendet werden, weist jedoch den Nachteil einer geringen Geschwindigkeit auf, da der gesamte Prozeß durch ein einziges Allzweck-Verarbeitungselement ausgeführt wird.
Es ist außerdem aus dem Patent US-A-4 343 037 bekannt, daß schnellere Pipeline-Prozessoren für die computergenerierte Bilderzeugung, insbesondere die Flächenabtastung, verwendet werden können. Die Verwendung unterschiedlicher Pipeline- Prozessoren wird jedoch nicht dargestellt; auch wird die Verwendung eines Pipeline-Prozessors nicht optimiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Berechnung der Effekte aufgrund von Beleuchtung durch mehrere identische Gleitkomma-Verarbeitungselemente, die in der Art einer Pipeline verbunden sind und betrieben werden. Die verwendete Pipeline-Konfiguration kann rein seriell sein, oder sie kann in der Pipeline seriell mit einigen parallelen Ausrichtungen desselben Identischen Verarbeitungselements ausgelegt sein. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Gerät zur Verarbeitung von Beleuchtungsmodellinformationen bereit, um ein schattiertes Bild eines Gegenstands auf einem Anzeigebildschirm eines Computergraphik-Anzeigesystems anzuzeigen, auf dem ein Gegenstand im Sichtbereich durch ein Maschennetz aus Polygonen dargestellt ist, wobei jedes Polygon durch mehrere Scheitelpunkte definiert ist und die Position jedes der genannten Scheitelpunkte im Sichtbereich bekannt ist, und wobei das Gerät folgendes umfaßt: eine Pipeline-Anordnung mehrerer Verarbeitungsphasen, wobei jede Phase aus einem oder mehreren Identischen Gleitkommaprozessoren besteht; diese Verarbeitungsphasen sind so angeordnet, daß sie Daten empfangen, die die Koordinaten x, y und z im Sichtbereich der Scheitelpunkte eines Polygons und die Komponenten x, y und z einer Normalen an jedem der Scheitelpunkte des Polygons darstellen, und daß sie daraus die Koordinaten x und y auf dem Anzeigebildschirm der Scheitelpunkte und Bildschirmfarbintensitätswerte, die zu jedem der genannten Scheitelpunkte basierend auf einem speziellen Beleuchtungsmodell gehören, wobei diese Pipeline-Anordnung aus mehreren Verarbeitungsphasen folgendes umfaßt: eine erste und zweite Verarbeitungsphase zur gemeinsamen Berechnung von Scheitelpunktintensitätswerten gemäß einem Lichtquellenmodell, das als ein einzelnes oder ein mehrfaches Lichtquellenmodell identifiziert ist; eine dritte Verarbeitungsphase zur Abbildung von Scheitelpunkten auf einen Anzeigebildschirm, und eine vierte Verarbeitungsphase für den Empfang der Intensitätswerte, die gemeinsam von der ersten und von der zweiten Verarbeitungsphase berechnet wurden und zur weiteren Verarbeitung der genannten Intensitätswerte zur Bereitstellung einer Tiefendarstellung, einer Farbabbildung und einer Farbtrimmung; wobei das Gerät weiterhin ein Mittel zur dynamischen Zuteilung von Intensitätswertberechnungen zwischen der genannten ersten und zweiten Verarbeitungsphase abhängig davon, ob ein einzelnes oder mehrfaches Beleuchtungsquellenmodell verwendet wird, umfaßt, um zwischen der ersten und zweiten Verarbeitungsphase eine ausgeglichene Rechenbelastung aufrechtzuerhalten.
Durch die Verwendung einer Pipeline-Anordnung aus mehrfachen identischen Verarbeitungselementen zur Durchführung der rechnerintensiven Beleuchtungsmodellberechnungen wird eine Leistungserhöhung um ein Vielfaches erzielt. Durch eine starke Erhöhung der Anzahl an Polygonen, die das System pro Sekunde verarbeiten kann, ist die Verwendung eines wesentlich feineren Polygonmaschennetzes zur Darstellung eines gegebenen Gegenstands möglich; die Verwendung eines feineren Maschennetzes ergibt wiederum schattierte Bilder einer wesentlich höheren Qualität. Daher zeigt sich die durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung erzielte Leistungserhöhung dem Benutzer der Workstation in Form einer verbesserten Interaktivität und einer höheren Bildqualität.
Im Sinne einer ausführlicheren Beschreibung der vorliegenden Erfindung folgt nun eine Veranschaulichung anhand eines Beispiels, wobei auf die folgenden Begleitzeichnungen Bezug genommen wird:
Figur 1 ist ein Blockdiagramm, in dem eine Hardware-Implementierung einer Schattierungsfunktion in einer Computergraphik- Workstation abgebildet ist;
Figur 2 ist ein Blockdiagramm einer allgemeinen Ausführung des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 ist eine Abbildung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Prozessors der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ist ein Blockdiagramm, in dem eine Einzellichtquellenkonfiguration eines Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung abgebildet ist;
Figur 5 ist eine Abbildung einer anderen Einzellichtquellenkonfiguration des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems von Figur 4; und
Figur 6 ist eine Abbildung einer Mehrfachlichtquellenkonfiguration eines Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung

Das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem der vorliegenden Erfindung besteht aus mehreren Gleitkomma-Verarbeitungsphasen, die seriell miteinander verknüpft sind und in einer Pipeline- Anordnung ablaufen. Jede Phase umfaßt vorzugsweise einen oder mehrere identische Gleitkomma-Prozessoren (ebenfalls als Verarbeitungselemente bezeichnet). Jede Phase wird als separate Verarbeitungseinheit betrachtet, die ihre jeweilige(n) Funktion(en) gleichzeitig mit den anderen Phasen ausführt und dabei eine spürbare Leistungserhöhung erreicht.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Beleuchtungsmodell-Berechnungssystems 12, das aus den vier Gleitkomma- Verarbeitungsphasen 20, 22, 24 und 26 besteht, die in Pipeline angeordnet sind. Die erste Phase 20 und die zweite Phase 22 werden zu Beleuchtungsmodellberechnungen verwendet. Die dritte Phase 24 wird für eine Projektionsumwandlung und zur Abbildung von einem Betrachtungsbereich zu einem Bildschirmbereich verwendet; die vierte Phase 26 wird für Tiefen-Cueing, Farbabbildungen und Farb-Clipping verwendet. Die Funktionen dieser unterschiedlichen Phasen werden an späterer Stelle in diesem Dokument beschrieben. Anzahl und Reihenfolge der Phasen sowie die Aufteilung der Funktionen zwischen diesen Phasen können von den in Figur 2 dargestellten abweichen.
Gemäß Darstellung in Figur 2 besteht die Eingabe an das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem 12 aus:
x, y, z, die die Koordinaten im Betrachtungsbereich der Scheitelpunkte eines Polygons darstellen; und
a, b, c, die die Komponenten X, Y und Z der Normalen an jedem der Scheitelpunkte des Polygons darstellen.
Diese Eingaben befinden sich im Gleitkommaformat und werden zu einem früheren Zeitpunkt im Graphikanzeigesystem von einem Geometrieprozessor (nicht dargestellt) erzeugt. Die Ausgabe des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems 12 besteht aus:
Xs, Ys, Zs, die die Bildschirmkoordinaten der Scheitelpunkte des Polygons darstellen; und
C"R, C"G, C"B, die die Farbintensitätswerte darstellen (wobei R die Rotkomponente, G die Grünkomponente und B die Blaukomponente bezeichnet), die an jedem Vertex des Polygons angezeigt werden sollen.
Die Ausgabebildschirm-Vertexkoordinaten und die RGB-Intensitätswerte sind ganze Zahlen, wobei die Intensitätswerte im Bereich der Fähigkeiten des Anzeigesystems liegen. Die Ausgabe des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems 12 wird an ein Schattierungsverarbeitungssystem 14, wie es in Figur 1 dargestellt ist, gesendet, in dem die Intensitätswerte an den Scheitelpunkten auf der sichtbaren Fläche des Polygons interpoliert werden, so daß ein wirklichkeitsgetreu schattiertes Bild des Gegenstands abgebildet werden kann.

EINGABEVORVERARBEITUNG

Computergraphik-Anzeigesysteme müssen je nach Art des modellierten Gegenstandes einseitige und zweiseitige Flächen bearbeiten können. Um den Arbeitsablauf des Beleuchtungsmodell- Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen, wird im vorherigen Geometrieprozessor ein Vorverarbeitungsschritt implementiert, um zu gewährleisten, daß alle in das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem eingegebenen Polygone einseitige Polygone sind, deren Normale zum Betrachter zeigen. Der Vorverarbeitungsschritt, der in der Software oder in der Hardware oder in einer Kombination daraus implementiert werden kann, verarbeitet eingehende Polygone auf der Grundlage ihrer Oberflächennormalen wie folgt:
1. Einseitige Fläche --
a. Ist das Punktprodukt der Polygon-Normalen und der Vektor vom Gegenstand zum Betrachtungspunkt positiv, dann zeigt das Polygon nach vorn; die Polygondaten werden als Eingabe an das Beleuchtungsmodell- Verarbeitungssystem gesendet,
b. Ist das Punktprodukt der Polygon-Normalen und der Vektor vom Gegenstand zum Betrachtungspunkt negativ, dann zeigt das Polygon nach hinten; das Polygon wird gelöscht, bevor es das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem erreicht.
2. Zweiseitige Fläche --
a. Ist das Punktprodukt der Polygon-Normalen und der Vektor vom Gegenstand zum Betrachtungspunkt positiv, dann zeigt das Polygon nach vorn; die Polygondaten werden als Eingabe an das Beleuchtungsmodell- Verarbeitungssystem gesendet,
b. Ist das Punktprodukt der Polygon-Normalen und der Vektor vom Gegenstand zum Betrachtungspunkt negativ, dann zeigt das Polygon nach hinten; aus diesem Grund werden die Vertex-Normalen umgekehrt und die restlichen Polygon-Daten werden als Eingabe an das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem gesendet.
Entsprechend besitzt die Eingabe an das Beleuchtungsmodell- Verarbeitungssystem folgendes Format:
x1, y1, z1 (Vertex 1 Koordinaten)
a1, b1, c1 (Vertex 1 Normale)
x2, y2, z2 (Vertex 2 Koordinaten)
a2, b2, c2 (Vertex 2 Normale)
usw.

GLEITKOMMAPROZESSOR

Jede Phase des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems in Pipeline der vorliegenden Erfindung besteht aus einem oder mehreren identischen Gleitkommaprozessoren. Die gemeinsame Verwendung desselben Prozessors führt zu einer Leistungssteigerung bei der Herstellung, Montage, Operation, Programmierung und Wartung des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems.
Ein geeigneter Prozessor 30 zur Implementierung des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung ist in Figur 3 abgebildet. Prozessor 30 ist ein Graphik-Gleitkomma-Verarbeitungselement, das in seiner gegenwärtig bevorzugten Form einen VSLI-Chip mit 32-Bit-Gleitkomma-Fähigkeit umfaßt. Der Prozessor 30 umfaßt weiterhin: einen Gleitkomma- Multiplikator 32 (vorzugsweise mit interner Zweiphasen-Pipeline und speziellen Hardware-Unterstützungen zur Berechnung von Umkehrungen und Quadratwurzeln); einen Gleitkommaaddierer 34, der auch als Akkumulator für den Multiplikator 32 dient; einen Sequencer 36; einen Speicher 38, beispielsweise einen RAM, für Steuerprogramme, beispielsweise Mikrocode, und eine Steuerlogik 40; ein Eingabe-FIFO 42 und ein Ausgabe-FIFO 44 für Schnittstellenzwecke; eine Registerbank 46 zur Speicherung von Daten (beispielsweise vierundsechzig 32-Bit-Register); ein Befehlsregister 48; und eine Mehrzahl an Multiplexern 50, 52, 54, 56 und 58. Diese Komponenten des Prozessors 30 sind gemäß der Darstellung in Figur 3 angeschlossen. Der Sequencer 36 steuert die Operation der anderen Komponenten und befindet sich selbst unter der Mikrocodesteuerung für den Programmfluß, das heißt, Verzweigung, Subroutinenaufruf usw.
Der Eingabe-/Ausgabe-Datenpfad ist 33 Bits breit und besteht aus einem 32-Bit-Datenfeld und einem 1-Bit-Flag, der anzeigt, ob das Datenfeld ein Befehl oder eine Gleitkommazahl ist. Ein Befehl im Datenstrom befiehlt dem Graphik-Gleitkomma-Prozessor, wie er die Gleitkommadaten, die in ihn fließen, verwenden soll; beispielsweise bestünde der Datenstrom, der bewirkt, daß ein Polygon schattiert wird, aus einem Befehl 'schattiertes Polygon', gefolgt von den Gleitkommadaten (Scheitelpunkte und Normale an den Scheitelpunkte), die das zu schattierende Polygon definieren.
Die Daten, die in das Eingabe-FIFO eines Gleitkommaprozessors eingegeben werden, werden von einem Front-End-Prozessor eines bestimmten Typs oder von einem anderen Gleitkommaprozessor erzeugt. Im letzteren Fall wird das Ausgangs-FIFO des anderen Gleitkommaprozessors direkt mit dem Eingabe-FIFO verbunden. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Verbindung solcher identischer Gleitkommaprozessoren in Pipeline- und/oder Parallelanordnung wird in der derzeit vorliegenden, gemeinsam erteilten Anmeldung EP-A2-0314342 beschrieben.
Der Mikrocode liest die Daten aus dem Eingabe-FIFO 42 und führt die folgenden Funktionen aus:
1. wenn es sich um einen Befehl handelt, wird dieser zu einem dekodierenden RAM geleitet, um zur korrekten Mikrocode- Subroutine zu verzweigen; in diesem Fall wird er ebenfalls im Befehlsregister 48 gespeichert, und wenn der Mikrocode so programmiert ist, kann dieser an das Ausgabe-FIFO 44 geleitet werden;
2. wenn es sich um Gleitkommadaten handelt, kann er
a. in der Registerbank 46 gespeichert werden; oder
b. als einer der Eingaben an den Multiplikator an den Multiplikator 32 geleitet werden; oder
c. als einer der Eingaben an den Addierer an den Addierer (Akkumulator) 34 geleitet werden; oder
d. direkt zum Ausgabe-FIFO 44 geleitet werden; oder
e. ignoriert (nicht verwendet) werden.

PROZESSORDATENFLUSS

Das folgende Beispiel einer Vektormultiplikation ist für das Verständnis des Datenflusses innerhalb des Prozessors 30 hilfreich.
Beispiel: m1*x + m2*y + m3*z berechnen,
wobei m1, m2, m3 sich in den internen Registern befinden ein Stern "*" bezeichnet eine Multiplikationsoperation; die eingegebenen Daten sind
Vektormultiplikation (Befehl)
x (Daten)
y (Daten)
z (Daten)
1. Die 32-Bit-Wörter aus dem Eingabe-FIFO 42 auslesen.
2. Wird der Befehl 'Vektormultiplikation' angetroffen (der der Hardware vom eingeschalteten Befehlsbit und durch den bestimmten Wert des 32-Bit-Datenfelds signalisiert wird), zweigt der Mikrocode ab zu einer Subroutine im Mikrocodespeicher, die die Vektormultiplikation ausführt, wobei die Adresse der Subroutine von der Hardware über eine Verzweigungstabelle erhalten wird;
3. Die Lesedaten der Subroutine im nächsten Wort, in diesem Fall die Daten x; die Daten x werden an den Multiplikatoreingang geleitet, und ml wird an den anderen Eingang des Multiplikators 32 zur Multiplikationsoperation geleitet.
4. Die Lesedaten der Subroutine im nächsten Wort, in diesem Fall die Daten y; die Daten y werden an den Multiplikatoreingang geleitet, und m2 wird an den anderen Eingang des Multiplikators zur Multiplikationsoperation geleitet; gleichzeitig wird das Produkt m1*x zur zweiten internen Phase des Multiplikators geleitet.
5. Die Lesedaten der Subroutine im nächsten Wort, in diesem Fall die Daten z; die Daten z werden an den Multiplikatoreingang geleitet, und m3 wird an den anderen Eingang des Multiplikators zur Multiplikationsoperation geleitet. Gleichzeitig wird das Produkt m1*x im Addierer mit dem Wert Null akkumuliert.
6. Das Produkt m2*y wird an den Addierer 34 geleitet und zu m1*x hinzuaddiert.
7. Das Produkt m3*z wird an den Addierer geleitet und zu m1*x + m2*y hinzuaddiert und das Ergebnis in den Ausgabe-FIFO 44 geschrieben.
Im Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem der vorliegenden Erfindung sieht ein typischer Datenstrom folgendermaßen aus:
Beginn des schattierten Polygons (Befehl)
x1 (Scheitelpunkte Daten)
y1 (Scheitelpunkte Daten)
z1 (Scheitelpunkte Daten)
a1 (Scheitelpunkte Normaldaten)
b1 (Scheitelpunkte Normaldaten)
c1 (Scheitelpunkte Normaldaten)
x2 (Scheitelpunkte Daten)
y2 (Scheitelpunkte Daten)
z2 (Scheitelpunkte Daten)
a2 (Scheitelpunkte Normaldaten)
b2 (Scheitelpunkte Normaldaten)
c2 (Scheitelpunkte Normaldaten)
xn (Scheitelpunkte Daten)
yn (Scheitelpunkte Daten)
zn (Scheitelpunkte Daten)
an (Scheitelpunkte Normaldaten)
bn (Scheitelpunkte Normaldaten)
cn (Scheitelpunkte Normaldaten)
Ende des schattierten Polygons (Befehl)
Die Verarbeitung des obigen Datenstroms geschieht folgendermaßen:
1. Der Mikrocode liest aus dem Eingabe-FIFO die 32-Bit-Worter des Datenstroms nach Bedarf aus.
2. Wird der Befehl 'Beginn des schattierten Polygons' angetroffen (der der Hardware vom eingeschalteten Befehlsbit und durch den bestimmten Wert des 32-Bit-Datenfelds signalisiert wird), zweigt der Mikrocode ab zu einer Subroutine im Mikrocodespeicher, die die Daten des schattierten Polygons verarbeitet, wobei die Adresse der Subroutine von der Hardware über eine Verzweigungstabelle erhalten wird.
3. Die Mikrocode-Subroutine liest nach Bedarf Daten vom Eingabe-FIFO ein und verarbeitet sie gemäß dem Aufbau der Subroutine; wenn eine Ausgabe erzeugt wird, wird sie an den Ausgabe-FIFO geleitet.
4. Wenn der Befehl "schattiertes Polygon beenden" verarbeitet wird, springt der Gleitkommaprozessor zu einer anderen Mikrocode-Routine, die die für schattiertes Polygon erforderliche Verarbeitung vervollständigt.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL / DYNAMISCHE PARTITIONIERUNG

Im derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein einziger Prozessor verwendet, um jede Phase der Mehrphasen-Pipeline- Anordnung zu implementieren. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel wird nachfolgend beschrieben.
Wie aus der Darstellung in Figur 4 hervorgeht, besteht das Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem 60 aus den vier separaten identischen Gleitkommaprozessoren 62, 64, 66 und 68, die in Pipeline-Anordnung angeordnet und betrieben werden. Der erste und der zweite Prozessor 62 und 64 führen Beleuchtungsmodellberechnungen aus; der dritte Prozessor 66 führt eine Projektionsumwandlung aus und bildet vom Betrachtungsbereich auf den Bildschirmbereich ab; der vierte Prozessor 68 führt Tiefen-Cueing, Farbabbildung und Farb-Clipping aus.
Um die Leistung zu optimieren, wird, vorzugsweise über einen eigenen Datenstrombefehl, der durch den Mikrocode innerhalb jedes relevanten Gleitkommaprozessors gelesen wird, eine dynamische Partitionierung der Beleuchtungsmodellberechnungen vom ersten und zweiten Prozessor bereitgestellt, um ein Gleichgewicht der Rechenbelastung zwischen den beiden genannten Prozessoren aufrechtzuerhalten. Die Partitionierung der Beleuchtungsmodellberechnungen zwischen dem ersten und zweiten Gleitkommaprozessor variiert je nach Anzahl der Lichtquellen im Modell. Wenn, wie angegeben, eine einzige Lichtquelle vorhanden ist, z.B. durch einen Datenstrombefehl "schattiertes Polygon beginnen (einzelne Lichtquelle)", bestimmt der erste Gleitkommaprozessor 62 die Lichtintensität aufgrund der diffusen Lichteinwirkungen und der Umgebungslichteffekte, und der zweite Gleitkommaprozessor 64 bestimmt die Lichtintensität aufgrund der Einwirkung von Spiegellichteffekten. Andererseits bestimmt im Fall mehrerer Lichtquellen (siehe Figur 6), wie beispielsweise durch einen Datenstrombefehl "schattiertes Polygon beginnen (mehrere Lichtquellen)" angezeigt werden kann, der erste Gleitkommaprozessor 62' die Lichtintensität (Umgebungslicht, diffuses Licht und Spiegellicht) aufgrund der ungeraden Anzahl an Lichtquellen, während der zweite Gleitkommaprozessor 64' die Lichtintensität (Umgebungslicht, diffuses Licht und Spiegellicht) aufgrund der geraden Anzahl an Lichtquellen bestimmt. Dies erfolgt, um die auszuführende Arbeit auf beide Gleitkoinmaprozessoren gleichmäßig zu verteilen und so einen "Flaschenhals" in der Pipeline zu vermeiden.
Wenn nur eine Lichtquelle im Beleuchtungsmodell (siehe Figur 4) vorhanden ist,
a. berechnet der erste Gleitkommaprozessor 62 für jeden Scheitelpunkt die Intensität aufgrund des Umgebungslichts und der diffusen Reflektion und leitet diesen Wert dann zum zweiten Gleitkommaprozessor;
b. berechnet der zweite Gleitkommaprozessor 64 für jeden Scheitelpunkt die Intensität aufgrund der Spiegelreflektion und fügt dieses Ergebnis zum Wert, den dieser Gleitkommaprozessor vom ersten Gleitkommaprozessor erhalten hat, hinzu; der zweite Gleitkommaprozessor sendet die Daten dann an den nächsten Gleitkommaprozessor;
c. führt der dritte Prozessor 66 eine Projektionsumwandlung aus und bildet die Koordinatendaten vom Betrachtungs bereich auf den Bildschirmbereich des Anzeigesystems ab; dabei werden diese Daten zum nächsten Gleitkommaprozessor geleitet; und
d. führt der vierte Gleitkommaprozessor 68 die Berechnungen auf Tiefen-Cueing, Farbabbildung und Farb-Clipping aus.
Wenn mehrere Lichtquellen im Beleuchtungsmodell (siehe Figur 6) vorhanden sind,
a. berechnet der erste Gleitkommaprozessor 62' für jeden Scheitelpunkt die Intensität aufgrund des Umgebungslichts und der diffusen sowie der Spiegelreflektion der ungeraden Lichtquellen (#1, #3, #5, #7 usw.) und leitet diesen Wert dann zum zweiten Gleitkommaprozessor;
b. berechnet der zweite Gleitkommaprozessor 64' für jeden Scheitelpunkt die Intensität aufgrund des Umgebungslichts, des diffusen Lichts und der Spiegelreflektion der geraden Lichtquellen (#2, #4, #6, #8 usw.) und fügt dieses Ergebnis zum Wert, den dieser Gleitkommaprozessor vom ersten Gleitkommaprozessor erhalten hat, hinzu; der zweite Gleitkommaprozessor sendet die Daten dann an den dritten Gleitkommaprozessor;
c. führt der dritte Gleitkommaprozessor 66 eine Projektionsumwandlung aus und bildet die Koordinatendaten vom Betrachtungsbereich auf den Bildschirmbereich des Anzeigesystems ab; dabei werden diese Daten zum nächsten Gleitkommaprozessor geleitet; und
d. führt der vierte Gleitkommaprozessor 68 die Berechnungen auf Tiefen-Cueing, Farbabbildung und Farb-Clipping aus.

ALTERNATIVAUSFÜHRUNG

Figur 5 bildet eine alternative Hardeware-Ausführung 61 des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung ab. In dieser alternativen Ausführung bestehen die erste und die zweite Phase des Systems aus je drei identischen Prozessoren, die parallel angeordnet sind. Jeder dieser Prozessoren kann für eine andere Farbkomponente verwendet werden. In Figur 5 wird beispielhaft ein Modellierungssystem einer einzelnen Lichtquelle gezeigt, in dem ein erster Gleitkommaprozessor 62R die Umgebungslichteffekte und die diffusen Lichteffekte mit Bezug auf eine Rotlichtkomponente berechnet und den resultierenden Intensitätswert der Rotlichtkomponente an einen zweiten Gleitkommaprozessor 64R leitet, der den Spiegelreflektionseffekt auf die Rotkomponente berechnet und diesen zu dem Wert hinzuaddiert, den er vom Gleitkommaprozessor 62R empfangen hat. In ähnlicher Weise führen der erste Gleitkommaprozessor 62G und der zweite Gleitkommaprozessor 64G Beleuchtungsmodellberechnungen auf einer grünen Komponente aus, während der erste Gleitkommaprozessor 62B und der zweite Gleitkommaprozessor 64B die Beleuchtungsmodellberechnungen auf einer blauen Komponente ausführen. Das restliche System (d.h. die dritte und die vierte Phase) bleibt unverändert.

ALLGEMEINES BELEUCHTUNGSMODELL

Zum Zwecke der Darstellung wird in dieser Beschreibung ein RGB-Farbmodell (Rot-Grün-Blau) verwendet. Jedoch lassen sich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch auf andere Farbmodelle anwenden, beispielsweise CMY (Cyan-Magenta-Gelb), YIQ, HSV (Hue, Sättigung, Wert), HLS (Hue, Licht, Sättigung) usw. Diese Erfindung ist daher nicht nur auf Lichtquellen anwendbar, die als unendlich angenommen werden, sondern auch auf solche einer endlichen Distanz, sowie auf Lichtstrahl und andere Beleuchtungseffekte.
Nachfolgend werden spezifische Implementierungen des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Pseudocode angegeben wird, der zur Programmierung der einzelnen Prozessoren dient. Der Fall der Perspektivprojektion (Betrachtungspunkt in einer endlichen Distanz) wird ausführlich behandelt. Der einfachere Fall einer Parallelprojektion (Betrachtungspunkt unendlich) wird kurz behandelt, indem die Unterschiede aufgeführt werden, die auftreten, wenn der Betrachtungspunkt unendlich ist. Zunächst wird jedoch ein allgemeines Beleuchtungsmodell entwickelt, das die Anzahl der Lichtquellen, die Oberflächeneigenschaften und die Positionen und Ausrichtungen der Oberflächen und Quellen berücksichtigt.
Das an dieser Stelle verwendete Betrachtungskoordinatensystem ist das rechte System. Wenn wir auf einen Betrachtungsbildschirm blicken würden, dann würde die x-Achse nach rechts, die y-Achse nach oben und die z-Achse zu uns zeigen.
Daher gilt:
z-Datenkoordinate z-Betrachtungspunktkoordinate.
Folgende sind die Parameter des Beleuchtungsmodells mit 1 Lichtquelle:
IaR /* rote Intensität des Umgebungslichts */
IaG /* grüne Intensität des Umgebungslichts */
IaB /* blaue Intensität des Umgebungslichts */
Isou1R /* rote Intensität der Lichtquelle */
Isou1G /* grüne Intensität der Lichtquelle */
Isou1B /* blaue Intensität der Lichtquelle */
kaR /* Schattierungsmaterial der roten Umgebungskonstanten */
kaG /* Schattierungsmaterial der grünen Umgebungskonstanten */
kaB /* Schattierungsmaterial der blauen Umgebungskonstanten *
kdR /* Schattierungsmaterial der diffusen Rotkonstanten */
kdG /* Schattierungsmaterial der diffusen Grünkonstanten */
kdB /* Schattierungsmaterial der diffusen Blaukonstanten */
ks /* Schattierungskonstante für Spiegelreflektion */
kn /* Schattierungskonstantenexponent für cos */
Bei einem gegebenen Scheitelpunkt x, y, z und bei einer Normalen N = (a, b, c) auf die Fläche an diesem Scheitelpunkt sei L der Einheitsvektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle, d.h. die Richtung zur Punktlichtquelle;
R sei die Reflektionsrichtung; und
V sei die Richtung des Betrachtungspunkts.
Die Schattierungsfarbe/Intensität am Scheitelpunkt ist demnach durch die Summe der folgenden drei Terme gegeben: (wir betrachten lediglich die R-Komponente, da sich die anderen beiden Komponenten G und B in ähnlicher Weise ausdrücken lassen):
1. Umgebungslicht
IaR * kaR
2. diffuse Reflektion
Isou1R * kdR * (L.N)
/* L.N bezeichnet das innere Produkt */
3. Spiegelreflektion
Isou1R * ks * ((R.V) ** kn)
Die Lichtquellen des hier betrachteten Beleuchtungsmodells werden als unendlich angenommen. Ihre Positionen sind durch Richtungsvektoren von Einheitslänge spezifiziert; der Betrachtungspunkt ist unendlich.
Bei mehreren Lichtquellen haben wir mehrere Terme für die zweite und die dritte Lichtquelle.
Angenommen, es gibt j Lichtquellen (1 j =M), wobei M die maximale Anzahl an Lichtquellen ist, die in einer bestimmten Implementierung möglich ist.
Die Schattierungsfarbe/Intensität am Scheitelpunkt ist durch die Summe der folgenden drei Terme gegeben (wir betrachten lediglich die R-Komponente, da sich die anderen beiden Komponenten G und B in ähnlicher Weise ausdrücken lassen):
1. Umgebungslicht
IaR * kaR
2. diffuse Reflektion
Isou1R * kdR * (L.N) + ... + IsoujR * kdR (Lj.N)
/* L.N bezeichnet das innere Produkt */
3. Spiegelreflektion
Isou1R * ks * ((R1.V) ** kn) + ...
+ IsoujR * ks * (Rj.V) ** kn)
Eine ausführlichere Beschreibung der Ableitung des allgemeinen Beleuchtungsmodells findet sich beispielsweise in Foley & Van Dam, "Fundamentals of Interactive Computer Graphics", Addison- Wesley 1984, Seiten 575-578.
Anschließend werden spezifische beispielhafte Implementierungen des Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystems der vorliegenden Erfindung vorgestellt. Zunächst werden die Beleuchtungsmodellberechnungen, die am ersten und zweiten Prozessor ausgeführt werden, für die folgenden Fälle beschrieben: einzelne Lichtquelle -- Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung, mehrere Lichtquellen -- Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung, und mehrere Lichtquellen -- Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung. Danach wird die Abbildungsfunktion, die vom dritten Prozessor ausgeführt wird, und das Tiefen-Cueing, die Farbabbildung und die Farb- Clipping-Funktionen, die vom vierten Prozessor ausgeführt werden (diese Funktionen sind allen oben aufgeführten Fällen gemeinsam), vorgestellt.
In den folgenden Beispielen wird die Software in Pseudocode, einer üblichen Notationsweise, dargestellt; dabei zeigt ein einzelner Stern (*) eine Multiplikationsoperation und ein Doppelstern (**) einen Hochzahlterm an, das Symbol (< ) bezeichnet "holt den Wert von" und ein Kommentar steht in den Klammern /* und */.

EINZELNE LICHTQUELLE -- BETRACHTUNGSPUNKT IN EINER ENDLICHEN ENTFERNUNG

Dies ist der Fall einer einzelnen Lichtquelle in einer endlichen Entfernung vom Gegenstand mit Perspektivprojektion (d.h. der Betrachtungspunkt befindet sich in einer endlichen Entfernung vom Gegenstand). Die Funktion der Intensitätsberechnung des Scheitelpunktes wird auf zwei Gleitkommaprozessoren verteilt. Der erste Gleitkommaprozessor berechnet die Intensität des Umgebungslichts und den diffusen Term; der zweite Gleitkommaprozessor berechnet die Intensität des Spiegelterms.
Die Eingabe an den ersten Gleitkommaprozessor besteht aus sechs Datenteilen:
x-, y-, z-Koordinaten des Scheitelpunktes; und
die Koordinaten der Normalen auf die Oberfläche am Scheitelpunkt, d.h. a, b und c.
Die Ausgabe des ersten Gleitkommaprozessors an den zweiten Gleitkommaprozessor besteht für jeden Scheitelpunkt aus neun Wörtern:
Koordinaten x, y und z des Scheitelpunktes;
Die Komponenten der Reflektionsrichtung rx, ry und rz; und
die partiellen Intensitätswerte (Effekt Umgebungslicht plus diffuses Licht) für R, G und B.
Der Pseudocode für den ersten und den zweiten Gleitkommaprozessor in diesem Fall ist:

Procedure Intensity_Single 12 (Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung)

/* erster Gleitkommaprozessor */

Eingabe:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
a, b, c /* Komponenten der Einheitsnormalen */

Ausgabe:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
rx, ry, rz/* Komponenten der Reflektionsrichtung */
IntensR /* r-Komponente der Intensität */
IntensG /* g-Komponente der Intensität */
IntensB /* b-Komponente der Intensität */

Konstanten:

IaR /* rote Intensität des Umgebungslichts */
IaG /* grüne Intensität des Umgebungslichts */
IaB /* blaue Intensität des Umgebungslichts */
Isou1R /* rote Intensität der Lichtquelle */
Isou1G /* grüne Intensität der Lichtquelle */
Isou1B /* blaue Intensität der Lichtquelle */
kdR /* Schattierungsmaterial der diffusen Rotkonstanten */
kdG /* Schattierungsmaterial der diffusen Grünkonstanten */
kdB /* Schattierungsmaterial der diffusen Blaukonstanten */
kaR /* Schattierungsmaterial der rotenn Umgebungskonstanten */
kaG /* Schattierungsmaterial der grünen Umgebungskonstanten */
kaB /* Schattierungsmaterial der blauen Umgebungskonstanten */
ks /* Schattierungskonstante für Spiegelreflektion */
kn /* Schattierungskonstantenexponent für cos */
ux1, uy1, uz1 /* Lichtquelle 1 */
vx, vy, vz /* Betrachtungspunkt */

Variabeln:

x, y, z /* Koordinate des Scheitelpunktes */
a, b, c /* Komponenten der Einheitsnormalen */
wx,wy,wz /* Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle */
normw /* Länge von (wx,wy,wz) */
rx,ry,rz /* Reflektionsrichtung */
normr /* Länge von (rx,ry,rz) */
tx,ty,tz /* Vektor vom Scheitelpunkt zum Betrachtungspunkt */
IntensR /* R-Komponente der Intensität */
IntensG /* G-Komponente der Intensität */
IntensB /* B-Komponente der Intensität */
normt /* Länge von (tx, ty, tz) */
innproc /* inneres Produkt des Vektors von der Lichtquelle zum Scheitelpunkt und zur Einheitsnormalen */
shadcos /* cos-Term für Spiegelreflektion */
light /* Temporärwert */
temp /* Temporärwert */
1finite1: /* Eingegebener Code bei Befehl "schattiertes */
/* Polygon beginnen (einzelne Lichtquelle)" */
1. Daten einlesen
2. wenn es sich um einen GESP-Befehl (Befehl schattiertes Polygon beenden) handelt, Befehl ausgeben und verlassen;
/* Koordinaten x,y,z des Scheitelpunktes einlesen und */
/* Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle berechnen */
3. x einlesen; und
wx < - ux1 - z,
4. x an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
5. y einlesen; und
wy < - uy1 - y,
6. y an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
7. z einlesen; und
wz < - uz1 - z,
8. z an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
9. a einlesen; /* Normale an Scheitelpunkt */
10. b einlesen;
11. c einlesen;
12. Das innere Produkt des Vektors vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle und zur Einheitsnormalen
innproc < - wx*a + wy*b + wz*c
/* Reflektionsrichtung für Spiegelreflektion */
13. temp < - 2*innproc
14. rx < -temp*a - wx
15. rx an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
16. ry < -temp*b - wy
17. ry an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
18. rz < -temp*c - wz
19. rz an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
20. Abstand zwischen Lichtquelle und Scheitelpunkt
a. normw < - wx*wx + wy*wy + wz*wz
b. normw < - sqrt (normw)
21. RGB-Komponenten des Umgebungslichts
a. IntensR < - kaR*IaR
b. IntensG < - kaG*IaG
c. IntensB < - kaB*IaB
22. Konstante in der Berechnung der Intensität
a. if innproc < - 0 then light < - 0;
b. else light < - innproc/normw
23. Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensR - IntensR + Isou1R*kdR*light
24. IntensR an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
25. Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensG < - IntensG + Isou1G*kdG*light
26. IntensG an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
27. Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensB < - IntensB + Isou1B*kdB*light
28. IntensB an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
29. gehe zu 1finitel

Procedure Intensity_Single 22 (Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung)

/* zweiter Gleitkommaprozessor */

Eingabe:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
IntensR /* r-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
IntensG /* g-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
IntensB /* b-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
rx,ry,rz /* Reflektionsrichtung */

Ausgabe:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
IntensR /* r-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
/* und des Spiegellichts */
IntensG /* g-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
/* und des Spiegellichts */
IntensB /* b-Komponente der Intensität aufgrund */
/* des Umgebungslichts, des diffusen Lichts */
/* und des Spiegellichts */

Konstanten:

Isou1R /* rote Intensität der Lichtquelle */
Isou1G /* grüne Intensität der Lichtquelle */
Isou1B /* blaue Intensität der Lichtquelle */
kdR /* Schattierungsmaterial der diffusen Rotkonstanten */
kdG /* Schattierungsmaterial der diffusen Grünkonstanten */
kdB /* Schattierungsmaterial der diffusen Blaukonstanten */
ks /* Schattierungskonstante für Spiegelreflektion */
kn /* Schattierungskonstantenexponent für cos */
ux1, uy1, uz1 /* Lichtquelle 1 */
vx, vy, vz /* Betrachtungspunkt */

Variabeln:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
a, b, c /* Komponenten der Einheitsnormalen */
wx,wy,wz /* Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle */
normw /* Länge von (wx,wy,wz) */
rx,ry,rz /* Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle */
normr /* Länge von (rx,ry,rz) */
tx,ty,tz /* Vektor vom Scheitelpunkt zum Betrachtungspunkt */
IntensR /* R-Komponente der Intensität */
IntensG /* G-Komponente der Intensität */
IntensB /* B-Komponente der Intensität */
normt /* Länge von (tx,ty,tz) */
innproc /* inneres Produkt des Vektors von der Lichtquelle zum Scheitelpunkt und zur Einheitsnormalen */
shadcos /* cos-Term für Spiegelreflektion */
light /* Temporärwert */
temp /* Temporärwert */
1finite2: /* Eingegebener Code bei Befehl "schattiertes */
/* Polygon beginnen (einzelne Lichtquelle)" */
1. Daten einlesen
2. wenn es sich um einen GESP-Befehl (Befehl schattiertes Polygon beenden) handelt, Befehl ausgeben und verlassen;
3. x einlesen; /* Scheitelpunktkoordinaten */
4. x ausgeben;
5. y einlesen;
6. y ausgeben;
7. z einlesen;
8. z ausgeben;
/* Die folgenden beiden Schritte werden */
/* in der Berechnung der Spiegelreflektion */
/* mit Betrachtungspunkt in einem */
/* endlichen Abstand verwendet */
9. Vektor vom Scheitelpunkt zum Betrachtungspunkt
a. tx < - vx - x,
b. ty < - vy - y,
c. tz < - vz - z;
10. Abstand zwischen Betrachtungspunkt und Scheitelpunkt
a. normt < - tx*tx + ty*ty + tz*tz
b. normt < - sqrt (normt)
/* Komponente der Reflektionsrichtung einlesen */
11. rx einlesen
12. ry einlesen
13. rz einlesen
14. Norm der Reflektionsrichtung
normr < - rx*rx + ry*ry + rz*rz
normr < - sqrt (normr)
15. Cosinus des Reflektionswinkels berechnen
temp < - tx*rx + ty*ry + tz*rz
a. if temp < 0, then shadcos < - 0
b. else
1) temp < - temp/(normr*normt)
2) shadcos < - temp**kn
3) shadcos < - ks*shadcos
16. IntensR einlesen
17. Spiegelreflektion berechnen
IntensR < - IntensR + Isou1R*shadcos
18. IntensR ausgeben
19. IntensG einlesen
20. Spiegelreflektion berechnen
IntensG < - IntensG + Isou1G*shadcos
21. IntensG ausgeben
22. IntensB einlesen
23. Spiegelreflektion berechnen
IntensB < - IntensB + Isou1B*shadcos
24. IntensB ausgeben
25. gehe zu 1finite2

EINZELNE LICHTQUELLE -- BETRACHTUNGSPUNKT IN EINER UNENDLICHEN ENTFERNUNG

Der einfachere Fall, in dem der Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung ist (Parallelprojektion), unterscheidet sich vom obigen Fall, in dem der Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung ist, lediglich in der Behandlung des Reflektionsvektors während der Berechnung des Lichts der Spiegelreflektion. Im Fall, in dem der Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung ist, wird nur die z-Komponente verwendet, da die Richtung des Betrachtungspunktes bei einer parallelen Projektion durch (0,0,1) gegeben ist.

MEHRERE LICHTQUELLEN -- BETRACHTUNGSPUNKT IN EINER ENDLICHEN ENTFERNUNG

In diesem Beispiel wird von einer maximalen Anzahl an Lichtquellen von 10 ausgegangen. Die Funktion der Intensitätsberechnung für jeden Scheitelpunkt wird auf zwei Gleitkommaprozessoren verteilt. Der erste Gleitkommaprozessor verarbeitet die Farbintensität der Lichtquelle #1, #3, #5 usw., und der zweite Gleitkommaprozessor verarbeitet die Farbintensität der Lichtquelle #2, #4, #6 usw.
Der Pseudocode für den ersten Gleitkommaprozessor sieht in diesem Fall wie folgt aus:

Procedure Intensity_Multiple 12 (Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung)

/* erster Gleitkommaprozessor */

Eingabe:

Ausgabe:

x, y, z /* Koordinaten des Scheitelpunktes */
a, b, c /* Komponenten der Einheitsnormalen */
IntensR /* r-Komponente der Intensität */
IntensG /* g-Komponente der Intensität */
IntensB /* b-Komponente der Intensität */

Konstanten:

IaR /* rote Intensität des Umgebungslichts */
IaG /* grüne Intensität des Umgebungslichts */
IaB /* blaue Intensität des Umgebungslichts */
Isou1R /* rote Intensität der Lichtquelle #1 */
Isou3R /* rote Intensität der Lichtquelle #3 */
Isou5R /* rote Intensität der Lichtquelle #5 */
Isou7R /* rote Intensität der Lichtquelle #7 */
Isou9R /* rote Intensität der Lichtquelle #9 */
Isou1G /* grüne Intensität der Lichtquelle #1 */
Isou3G /* grüne Intensität der Lichtquelle #3 */
Isou5G /* grüne Intensität der Lichtquelle #5 */
Isou7G /* grüne Intensität der Lichtquelle #7 */
Isou9G /* grüne Intensität der Lichtquelle #9 */
Isou1B /* blaue Intensität der Lichtquelle #1 */
Isou3B /* blaue Intensität der Lichtquelle #3 */
Isou5B /* blaue Intensität der Lichtquelle #5 */
Isou7B /* blaue Intensität der Lichtquelle #7 */
Isou9B /* blaue Intensität der Lichtquelle #9 */
kdR /* Schattierungsmaterial der diffusen Rotkonstanten */
kdG /* Schattierungsmaterial der diffusen Grünkonstanten */
kdB /* Schattierungsmaterial der diffusen Blaukonstanten */
kaR /* Schattierungsmaterial der rotenn Umgebungskonstanten */
kaG /* Schattierungsmaterial der grünen Umgebungskonstanten */
kaB /* Schattierungsmaterial der blauen Umgebungskonstanten */
ks /* Schattierungskonstante für Spiegelreflektion */
kn /* Schattierungskonstantenexponent für cos */
ux1, uy1, uz1 /* Lichtquelle 1 */
ux3, uy3, uz3 /* Lichtquelle 3 */
ux5, uy5, uz5 /* Lichtquelle 5 */
ux7, uy7, uz7 /* Lichtquelle 7 */
ux9, uy9, uz9 /* Lichtquelle 9 */
vx, vy, vz /* Betrachtungspunkt */

Variabeln:

wx,wy,wz /* Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle */
normw /* Länge von (wx,wy,wz) */
rx,ry,rz /* Reflektionsrichtung */
normr /* Länge von (rx,ry,rz) */
tx,ty,tz /* Vektor vom Scheitelpunkt zum Betrachtungspunkt */
IntensR /* R-Komponente der Intensität */
IntensG /* G-Komponente der Intensität */
IntensB /* B-Komponente der Intensität */
normt /* Länge von (tx, ty, tz) */
innproc /* inneres Produkt des Vektors von der Lichtquelle zum Scheitelpunkt und zur Einheitsnormalen */
shadcos /* cos-Term für Spiegelreflektion */
Lnum /* Anzahl der Lichtquellen */
light /* Temporärwert */
temp /* Temporärwert */
mfinite1: /* Eingegebener Code bei Befehl "schattiertes */
/* Polygon beginnen (mehrere Lichtquellen)" */
a. Daten einlesen
b. wenn es sich um einen GESP-Befehl (Befehl schattiertes Polygon beenden) handelt, Befehl ausgeben und verlassen;
/* Koordinaten x,y,z des Scheitelpunktes einlesen und */
/* Vektor vom Scheitelpunkt zum Betrachtungspunkt, */
/* der bei der Berechnung der Spiegelreflektion bei */
/* einem Betrachtungspunkt in einer endlichen */
/* Entfernung verwendet wird, berechnen */
c. x einlesen; und
tx < - vx1 - x,
d. x an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
e. y einlesen; und
ty < - vy1 - z,
f. y an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
g. z einlesen; und
tz < - tz1 - y,
h. z an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
i. a einlesen; /* Normale an Scheitelpunkt */
j. a an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
k. b einlesen;
l. b an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
m. c einlesen;
n. c an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
/* Die folgenden Schritte werden bei der */
/* Berechnung der Spiegelreflektion bei */
/* einem Betrachtungspunkt in einer */
/* endlichen Entfernung verwendet */
1. Abstand zwischen Betrachtungspunkt und Scheitelpunkt
a. normt < - tx*tx + ty*ty + tz*tz
b. normt < - sqrt (normt)
2. RGB-Komponenten des Umgebungslichts
a. IntensR < - kaR*IaR
b. IntensG < - kaG*IaG
c. IntensB < - kaB*IaB
3. For j = 1 to Lnum
a. diffuser Term
1) Vektor vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle:
wx < - uxj - x,
wy < - uyj - y,
wz < - uzj - z,
2) Das innere Produkt des Vektors vom Scheitelpunkt zur Lichtquelle und zur Einheitsnormalen
innproc < - wx*a +wy*b + wz*c
3) Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Scheitelpunkt
a) normw < - wx*wx + wy*wy + wz*wz
b) normw < - sqrt (normw)
4) In der Intensitätsberechnung verwendete Konstante
a) if innproc < - 0 then light < - 0;
b) else light < - innproc/normw
5) Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensR < - IntensR + IsoujR*kdR*light
6) Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensG < - IntensG + IsoujG*kdG*light
7) Intensität berechnen (diffuse Reflektion)
IntensB < - IntensB + IsoujB*kdB*light
b. Intensität berechnen (Spiegelreflektion)
1. Reflektionsrichtung
temp < - 2*innproc
rx < - temp*a - wx
ry < - temp*b - wy
rz < - temp*c - wz
2. Norm der Reflektionsrichtung
normr < - rx*rx + ry*ry + rz*rz
normr < - sqrt (normr)
3. Cosinus des Reflektionswinkels berechnen
temp < - tx*rx + ty*ry + tz*rz
a. if temp < 0, then shadcos < - 0
b. else
i) temp < - temp/(normr*normt)
ii) shadcos < - temp**kn
iii) shadcos < - ks*shadcos
4. Spiegelreflektion berechnen
IntensR < - IntensR + IsoujR*shadcos
5. Spiegelreflektion berechnen
IntensG < - IntensG + IsoujG*shadcos
6. Spiegelreflektion berechnen
IntensB < - IntensB + IsoujB*shadcos
4. IntensR an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
5. IntensG an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
6. IntensB an zweiten Gleitkommaprozessor ausgeben
7. goto mfinite1
Der Pseudocode für den zweiten Gleitkommaprozessor (in diesem Fall mehrere Lichtquellen -- Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung) ist mit dem oben für den ersten Gleitkommaprozessor aufgelisteten Pseudocode identisch, abgesehen von den folgenden Unterschieden:
1. Die Reflektionsrichtung (Richtung zum Betrachtungspunkt), die vom ersten Gleitkommaprozessor berechnet wurde, wird als Eingabe an den zweiten Gleitkommaprozessor geleitet, so daß der zweite Gleitkommaprozessor diese nicht berechnen muß.
2. Es werden die Lichtanteile der mit geraden Nummern versehenen Lichtquellen (#2, #4, #6 usw.) und nicht der mit ungeraden Nummern versehenen Lichtquellen berechnet; und
3. Die Lichtanteile der mit geraden Nummern versehenen Lichtquellen werden zu den Lichtanteilen der mit ungeraden Nummern versehenen Lichtquellen (die vom ersten Gleitkommaprozessor zum zweiten als Eingaben weitergeleitet wurden) hinzuaddiert, um die gesamte Lichtintensität an jedem Scheitelpunkt zu erhalten.

MEHRERE LICHTQUELLEN -- BETRACHTUNGSPUNKT IN EINER UNENDLICHEN ENTFERNUNG

Auch hier unterscheidet sich der Fall, in dem der Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung ist (Parallelprojektion), vom obigen Fall, in dem der Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung ist, lediglich in der Behandlung des Reflektionsvektors während der Berechnung des Lichts der Spiegelreflektion. Im Falll in dem der Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung ist, wird nur die z-Komponente verwendet, da die Richtung des Betrachtungspunktes bei einer parallelen Projektion durch (0,0,1) gegeben ist.

VERFAHREN ZUR AUSFÜHRUNG VON PROJEKTIONS- UND ABBILDUNGSUMWANDLUNGEN -- DER DRITTE PROZESSOR

Diese Phase der Pipeline führt die folgenden beiden Schritte an jedem Polygonscheitelpunkt in der aufgeführten Reihenfolge aus:
1. Ein eingegebener Scheitelpunkt wird vom 3D-Betrachtungsraum in einen anderen 3D-Raum umgewandelt. Dies geschieht in Übereinstimmung mit einer "Projektions"-Umwandlung, die die folgenden Eigenschaften aufweist:
a. Die in der Umwandlung erzeugten Koordinaten x und y sind die Projektion des Scheitelpunktes auf die Ebene des Betrachtungspunktes;
b. Durch die Umwandlung wird die Planarität aufrechterhalten, das heißt, die Anwendung der Umwandlung auf Scheitelpunkte, die im 3D-Betrachtungsraum koplanar sind, ergibt Scheitelpunkte, die im ausgegebenen 3D-Raum koplanar sind.
2. Der umgewandelte Scheitelpunkt wird anschließend in einer "Abbildungsumwandlung" auf den Viewport abgebildet.
Im Fall einer Perspektivprojektion (Betrachtungspunkt in einer endlichen Entfernung vom Gegenstand) wird die Projektionsumwandlung mit Hilfe der folgenden Formel erzielt:
wobei (Xproj, Yproj) die Projektion von (x,y,z) vom 3D- Betrachtungsraum auf die Betrachtungsebene, und d die Entfernung vom Betrachtungspunkt auf die Betrachtungsebene ist. Die Projektionsfunktion für z wird so gewählt, daß gewährleistet ist, daß die Projektion einer Ebene im 3D-Betrachtungsraum nach wie vor eine Ebene ist, und daß Zproj ansteigt, solange z ebenfalls ansteigt. Die Referenzebenen z = Pf und z = Pb des Tiefen-Cueing, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden, sind im Ausgabebereich der Projektionsumwandlung definiert.
Im Fall einer Parallelprojektion (Betrachtungspunkt in unendlicher Entfernung) werden die Koordinatenwerte des Betrachtungsraums selbst als Projektionswerte verwendet:
Xproj = x
Yproj = y
Zproj = z.
Unabhängig davon, ob es sich um eine parallele Projektion oder eine Perspektivprojektion handelt, wird die Projektionsumwandlung von der Abbildungsumwandlung gefolgt, die auf der folgenden Formel beruht:
Xscreen < - XVmin + Rx*(X - XCmin)
Yscreen < - YVmin + Ry*(Y - YCmin)
wobei XVmin die linke Begrenzung des Viewport (der zur Bildanzeige verwendete Bildschirmbereich), XCmin die linke Begrenzung des Clipping Volume (der Bereich des Betrachtungsraums, der auf den Viewport abgebildet wird), YVmin die untere Begrenzung des Viewport, YCmin die untere Begrenzung des Clipping Volume ist und Rx und Ry die Viewport-Größenverhältnisse X und Y zur Größe des Clipping Volume sind.
Es folgt der Pseudocode für die Projektion und die Abbildung:

Prozedur Projektion und Abbildung

Eingabe:

x /* Scheitelpunkt zur Koordinate x */
y /* Scheitelpunkt zur Koordinate y */
z /* Scheitelpunkt zur Koordinate z */
IntensR /* Scheitelpunktfarbe (rot) */
IntensG /* Scheitelpunktfarbe (grün) */
IntensB /* Scheitelpunktfarbe (blau) */

Ausgabe:

Xs 1* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate x */
Ys 1* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate y */
Zproj /* Scheitelpunkt projizierte Koordinate z */
IntensR /* Scheitelpunktfarbe (rot), unverändert */
IntensG /* Scheitelpunktfarbe (grün), unverändert */
IntensB /* Scheitelpunktfarbe (blau), unverändert */

Konstanten:

Rx /* Verhältnis der Größe x des Viewport zu */
/* Clipping-Fenster */
Ry /* Verhältnis der Größe y des Viewport zu */
/* Clipping-Fenster */
XVmin /* linker Rand des Viewport */
XCmin /* linker Rand des Clipping-Fensters */
YVmin /* unterer Rand des Viewport */
YCmin /* unterer Rand des Clipping-Fensters */

Variabeln:

Aux /* Temporärwert */
proj_and_map:
1. nächsten Datenteil einlesen;
2. wenn es sich um einen GESP-Befehl (Befehl schattiertes Polygon beenden) handelt, Befehl ausgeben und verlassen;
3. x einlesen und in Xproj speichern;
/* Xproj für Parallelfall berechnen */
4. y einlesen und in Yproj speichern;
/* Yproj für Parallelfall berechnen */
5. z einlesen und in Zproj speichern;
/* Zproj für Parallelfall berechnen */
6. wenn Betrachtungspunkt in einer unendlichen Entfernung (Parallelprojektion) zur Abbildung ist;
7. Aux < - Zproj/d
/* Zproj für Perspektivfall berechnen */
8. Aux < - Aux + 1
9. Zproj < - (-1)/Aux
10. Xproj < - x*Zproj
/* Xproj für Perspektivfall berechnen */
11. Yproj < - y+Zproj
/* Yproj für Perspektivfall berechnen */

Abbildung:

12. Aux < - Xproj - XCmin
/* Berechnung von Xs, der X-Wert auf dem */
/* Bildschirm */
13. Aux < - Aux * Rx
14. Xs < - Aux + XVmin
15. Ausgabe Xs.
16. Aux < - Yproj - YCmin
/* Berechnung von Ys, Dem Y-Wert auf dem */
/* Bildschirm */
17. Aux < - Aux * Ry
18. Yx < - Aux + YVmin
19. Ausgabe Ys.
20. Ausgabe Zproj.
21. IntensR einlesen.
22. IntensR ausgeben.
23. IntensG einlesen.
24. IntensG ausgeben.
25. IntensB einlesen.
26. IntensB ausgeben.
27. goto proj_and_map

PROZEDUR ZUR AUSFÜHRUNG VON TIEFEN-CUEING, FARBABBILDUNG UND FARB-CLIPPING -- DER VIERTE PROZESSOR

In diesem Prozessor sind die folgenden Schritte implementiert:
- Tiefen-Cueing (die Änderung der Lichtintensität an einem Punkt als Funktion des Punktabstands vom Betrachter);
- Farbabbildung (das Verfahren, durch welches die Lichtintensitäten, die als Resultat des Beleuchtungsverfahrens und des Tiefen-Cueing berechnet werden, auf die dynamischen Farbfähigkeiten des nachfolgenden Anzeigesystems abgebildet werden; und
- Farb-Clipping (das Verfahren, durch welches die Intensitäten, die die maximal von den dynamischen Farbfähigkeiten des Anzeigesystems unterstützte Intensität überschreiten, durch den maximalen Intensitätswert ersetzt werden).

TIEFEN-CUEING

In diesem Verfahren werden die RGB-Intensitäten, die durch das Beleuchtungsmodell an einem Scheitelpunkt berechnet werden, mit einem angegebenen Farbwert als sichtbares Cue vermischt, das dem Benutzer der Workstation anzeigt, welche Bildteile auf dem Bildschirm sich am weitesten vom Betrachtungspunkt entfernt befinden. Dies erfolgt durch eine Mischfunktion, die die ausgegebene Farbintensität als Funktion der Koordinate z des Scheitelpunktes variiert:
Ci = w*Intensi + (1-w)*Cdi
wobei folgendes gilt:
- Intensi ist die Komponente der eingegebenen Farbe am Scheitelpunkt;
- Cdi ist die Komponente der Farbintensität, mit der die Vermischung erfolgt; und
- Ci ist die Komponente der ausgegebenen Farbintensität am Scheitelpunkt;
für i = R, G un B, und
- Pf ist der Wert z der vorderen Referenzebene;
- Pb ist der Wert z der hinteren Referenzebene;
- Sf ist der vordere Skalierungsfaktor;
- Sb ist der hintere Skalierungsfaktor; und
- w, die Mischfunktionsvariable, ist definiert als eine Funktion von Zproj, der Wert z wird während der Projektion und während der Abbildung erzeugt. Dabei wird die folgende Formel angewandt:

FARBABBILDUNG

Die im Beleuchtungsprozeß und im Tiefen-Cueing berechneten Farbintensitäten sind unabhängig vom dynamischen Bereich der Farbintensitäten, die später im System durch die Anzeigehardware angezeigt werden können. Um die Phasen der Beleuchtungsmodellberechnung an die Anzeigehardware, die in der Grafik- Workstation folgt, zu koppeln, wird in diesem Schritt eine lineare Umwandlung jeder einzelnen Farbkomponente durchgeführt, um den in der Anzeigehardware verfügbaren dynamischen Farbbereich nicht zu überschreiten. Die neuen Farbwerte C'i (i = R, G und B) werden durch folgende Formel erzielt:
C'i = ai Ci + bi (i = R, G, B)
wobei es sich bei den ai's und bi's um Farbabbildungsparameter handelt, die für die Anzeigehardware geeignet sind.

FARB-CLIPPING

Auch nach dem Schritt der Abbildung können die in der Beleuchtungsphase errechneten Intensitäten höher liegen als die von der Anzeigehardware maximal unterstützte Intensität. Der Zweck des Farb-Clipping besteht darin, sicherzustellen, daß die an die Anzeigehardware geleiteten Farbintensitäten nicht den maximal zulässigen Wert überschreiten. Dadurch werden Sättigungsprobleme beseitigt, die durch große Farbwerte, die während der Beleuchtungsberechnungsphasen erzeugt werden, auftreten. Die neuen Farbwerte C"i (i + R, G und B) lassen sich durch folgende Formel wiedergeben:
C"i = MIN (Bhi, C'i) (i = R, G, B)
wobei Bhi der maximal zulässige Wert für die Farbkomponente i und C'i die ausgegebene Farbkomponente aus dem Schritt der Farbabbildung ist. Zusätzlich wandelt dieser Schritt die Gleitkommadarstellung der ausgegebenen Farbintensität in die für die Anzeigehardware erforderliche ganzzahlige Darstellung um.

IMPLEMENTIERUNG

Da es sich bei den in den Schritten des Tiefen-Cueing und der Farbabbildung verwendeten Formeln um lineare Gleichungen handelt, können diese in einer Gleichung kombiniert werden, um die Anzahl der Berechnungen zu reduzieren, die in dieser Phase der Pipeline ausgeführt werden müsen. Bis zu diesem Punkt werden die folgenden Parameter der kombinierten Gleichung im voraus berechnet, das heißt, zu dem Zeitpunkt, wie die Steuerparameter für diese Schritte spezifiziert werden:
Qfi = ai*Sf
Qbi = ai*Sb
Ai = ai*F
Bi = ai(Sb - F*Pb)
hi = ai*Cdi + bi
für i = R, G und B, wobei
Da die vorherigen Parameter im voraus berechnet wurden, wird die folgende Operationssequenz ausgeführt:
1. qi als lineare Funktion von x, die Tiefen-Cueing-Parameter und die Anzeigehardwareparameter berechnen:
qi = Ai*Zproj + Bi; Pf = Zproj > = Pb (i + R, G, B)
qi = Qfi; Zproj > = Pf
qi = Qbi; Zproj < = Pb
Ai, Bi, Qfi und Qbi sind Konstanten, die wie oben angeführt berechnet werden.
2. Abgebildete Farbintensität C'i, die dem Farb-Cueing unterzogen wurde, als Funktion der eingegebenen Farbe Ci und der zuvor berechneten Parameter qi und hi berechnen:
C'i = qi (Ci - Cdi) + hi (i = R, G, B)
3. Abgebildete Farbintensität C'i, die dem Farb-Cueing unterzogen wurde, clippen und zur nachfolgenden Verwendung in der Anzeigehardware in ganzzahlige Darstellung umwandeln:
C"i = TRUNC(MIN(Bhi, C'i)) (i = R, G, B)
wobei die Funktion TRUNC (truncation) den Gleitkommawert in eine ganzzahlige Darstellung umwandelt.
Der Pseudocode, der für die Implementierung des Tiefen-Cueing, der Farbabbildung und des Farb-Clipping geeignet ist, ist folgender:

Prozedur Depth_Colour

Eingabe:

Xs /* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate */
Ys /* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate */
Zproj /* Scheitelpunkt projizierte Koordinate z */
IntensR /* Scheitelpunkt Farbe (rot) */
IntensG /* Scheitelpunkt Farbe (grün) */
IntensB /* Scheitelpunkt Farbe (blau) */

Ausgabe:

Xs /* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate */
ys /* Scheitelpunkt Bildschirm Koordinate */
Zproj /* Scheitelpunkt projizierte Koordinate z */
C"R /* Scheitelpunkt Farbe (rot) */
C"G /* Scheitelpunkt Farbe (grün) */
C"B /* Scheitelpunkt Farbe (blau) */

Konstanten:

QfR /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
QfG /* Konstante wird berechnet, wenn
/* Steuerparameter geladen sind */
QfB /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
QbR /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
QbG /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
QbB /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
AR /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
AG /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
AB /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
BR /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
BG /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
BB /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
hR /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
hG /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
hB /* Konstante wird berechnet, wenn */
/* Steuerparameter geladen sind */
BhR /* maximal zulässige Rotintensität */
BhG /* maximal zulässige Grünintensität */
BhB /* maximal zulässige Blauintensität */
Pf /* Z-Wert der vorderen Referenzebene */
Pb /* Z-Wert der hinteren Referenzebene */

Variabeln:

Aux /* Temporärwert */

Programmfluß:

1. Für jeden Scheitelpunkt DO
2. Xs einlesen.
3. Xs ausgeben.
4. Ys einlesen.
5. Ys ausgeben.
6. Zproj einlesen.
7. Zproj ausgeben.
For i = R, G, B DO
8. Ci einlesen.
9. Aux = qi /* Berechnung von qi als eine Funktion */
/* von Zproj */
10. Aux = Aux + Ci-Cdi) + hi /* Berechnung von
/* C'i */
11. Aux = MIN (Bhi, Aux)
12. Aux = Truncate Aux
13. Aux ausgeben.
14. Enddo
15. Enddo
Aus der obigen ausführlichen Beschreibung geht hervor, daß ein neues Beleuchtungsmodell-Verarbeitungssystem entwickelt wurde, das eine hohe Durchgabe, eine verbesserte Interaktivität und eine höhere Bildqualität gewährleistet und gleichzeitig alle anderen in diesem Dokument aufgeführten Ziele erfüllt. Zwar wurden an dieser Stelle spezifische Ausführungsbeispiele abgebildet und beschrieben, doch weiß der Fachmann auf diesem Gebiet, daß zahlreiche Änderungen, Ersetzungen, Zusätze und andere Abweichungen ebenso möglich sind.

Claims

1. Eine Einrichtung zur Verarbeitung von Beleuchtungsmodellinformationen, um ein schattiertes Bild eines Gegenstands auf einem Anzeigebildschirm eines Computergraphik- Anzeigesystems anzuzeigen, auf dem ein Gegenstand im Sichtbereich durch ein Maschennetz aus Polygonen dargestellt ist, wobei jedes Polygon durch mehrere Scheitelpunkte definiert ist und die Position jedes der genannten Scheitelpunkte im Sichtbereich bekannt ist, und wobei die Einrichtung folgendermaßen charakterisiert ist:

eine Pipeline-Anordnung mehrerer Verarbeitungsphasen, wobei jede Phase aus einem oder mehreren identischen Gleitkommaprozessoren besteht; diese Verarbeitungsphasen sind so angeordnet, daß sie Daten empfangen, die die Koordinaten x, y und z im Sichtbereich der Scheitelpunkte eines Polygons und die Komponenten x, y und z einer Normalen an jedem der Scheitelpunkte des Polygons darstellen, und daß sie daraus die Koordinaten x und y auf dem Anzeigebildschirm der Scheitelpunkte und Bildschirmfarbintensitätswerte, die zu jedem der genannten Scheitelpunkte, basierend auf einem speziellen Beleuchtungsmodell, gehören,

wobei diese Pipeline-Anordnung (30, 60) aus mehreren Verarbeitungsphasen folgendes umfaßt:

eine erste und zweite Verarbeitungsphase (62, 64) zur gemeinsamen Berechnung von Scheitelpunktintensitätswerten gemäß einem Lichtquellenmodell, das als ein einzelnes oder ein mehrfaches Lichtquellenmodell identifiziert ist;

eine dritte Verarbeitungsphase (66) zur Abbildung von Scheitelpunkten auf einen Anzeigebildschirm; und

eine vierte Verarbeitungsphase für den Empfang der Intensitätswerte, die gemeinsam von der ersten und von der zweiten Verarbeitungsphase berechnet wurden, und zur weiteren Verarbeitung der genannten Intensitätswerte zur Bereitstellung eines Tiefen-Cueing, einer Farbabbildung und einer Farbtrimmung;

wobei die Einrichtung weiterhin ein Mittel zur dynamischen Zuteilung von Intensitätswertberechnungen zwischen der genannten ersten und zweiten Verarbeitungsphase, abhängig davon, ob ein einzelnes oder mehrfaches Beleuchtungsquellenmodell verwendet wird, umfaßt, um zwischen der ersten und zweiten Verarbeitungsphase eine ausgeglichene Rechenbelastung aufrechtzuerhalten.

2. Eine Einrichtung gemäß Anspruch 1, in der bei Verwendung eines einzelnen Lichtquellenmodells die erste Verarbeitungsphase Umgebungsbeleuchtungseffekte und diffuse Reflektionseffekte und die zweite Verarbeitungsphase Spiegelreflektionseffekte berechnet, und bei Verwendung eines Mehrfachlichtquellenmodells die genannte erste Verarbeitungsphase die Umgebungsbeleuchtung und die diffusen Reflektionseffekte sowie die Spiegelreflektionseffekte für eine Gruppe von Lichtquellen und die zweite Verarbeitungsphase die Uittgebungsbeleuchtung sowie die diffusen Reflektionseffekte und die Spiegelreflektionseffekte für die restliche Gruppe von Lichtquellen berechnet.

3. Eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, in der jede Prozessorphase folgendes umfaßt:

ein Eingabe-FIFO, ein Ausgabe-FIFO, ein arithmetisches Gleitkommaprozessormittel, das zwischen dem genannten Eingabe-FIFO und dem genannten Ausgabe-FIFO angeschlossen ist, ein Datenspeichermittel für die gegenseitige Verbindung mit dem genannten arithmetischen Prozessormittel, eine Steuerlogik und ein Steuerprogramm-Speichermittel, einen Sequencer zur Steuerung der Operation des genannten arithmetischen Prozessormittels und ein Datenspeichermittel in Übereinstimmung mit der genannten Steuerlogik und dem Steuerprogramm.

4. Eine Einrichtung gemäß Anspruch 3, bei der:

das genannte Datenspeichermittel eine Registerbank zur Speicherung von Daten umfaßt; und

das genannte arithmetische Prozessormittel einen Gleitkommamultiplikator, ein Mittel zur Berechnung von Umkehrwerten und Quadratwurzeln und einen Gleitkommaaddierer umfaßt, wobei der Addierer an den genannten Multiplikator so angeschlossen ist, daß er dem Multiplikator als Akkumulator dient.

5. Eine Einrichtung gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, in der die genannten Bildschirmintensitätswerte für jeden der genannten Scheitelpunkte einen Intensitätswert für die Rotkomponente, einen Intensitätswert für die Grünkomponente und einen Intensitätswert für die Blaukomponente umfassen.