DE4303262A1 - Verfahren zur selektiven Vereinfachung der Darstellung von graphischen Informationen mit hoher Dynamik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Vereinfachung der Darstellung von graphischen Informationen mit hoher Dynamik in Abhängigkeit von der Leistung des eingesetzten Rechners bzw. der eingesetzten Datenverarbeitungsanlage.

In vielen technischen Bereichen werden Computergraphiken zur Visualisierung eingesetzt wie z. B. in CAD-Systemen oder Robotersimulationssystemen. Von Vorteil ist die graphische Simulation besonders, um dreidimensionale Objekte abzubilden und dem Anwender ein räumliches Verständnis zu vermitteln, z. B. dreidimensionale Dar­ stellung eines CAD-Modells eines zu entwickelnden Produktes.

Es sind immer mehr Anwendungen möglich, bei denen nicht nur ein statisches Gra­ phikbild dargestellt wird, sondern ein Bewegungsablauf, eine Sequenz von Bildern dargestellt werden kann.

Fortschrittliche Systeme zur graphischen Simulation, z. B. Virtual Reality Systeme, beschränken sich nicht mehr auf vorbereitete Bewegungsabläufe, sondern erlauben dem Computerbediener, seinen Betrachterstandort auf die simulierte Szene in Echt­ zeit und interaktiv mit Mensch-Computer-Schnittstellen einzustellen. So werden z. B. die Kopfbewegungen des Bedieners mit Sensoren erfaßt und in die Simulation so ein­ bezogen, daß ein Drehen des Kopfes stets eine veränderte Darstellung der wiederge­ gebenen Umgebung bewirkt.

Für solche Anwendungen ist es wichtig, möglichst schnelle Bildabfolgen zu erzie­ len, um den Eindruck einer dynamischen Bildwiedergabe zu erzeugen. Nachteilig wirkt sich jedoch die Komplexität des darzustellenden Objektes, wobei es sich auch um mehrere Objekte handeln kann, aus. Je komplexer die Objekte sind, desto langsamer wird die Bildabfolge.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen in Abhängigkeit von der Nähe des Betracht­ erstandortes zum Objekt die zu einer Rechneranlage gegebenen graphischen Infor­ mationen verändert werden. Die Wiedergabe von graphischen/geometrischen Informationen auf dem Bildschirm erfolgt durch gezeichnete Polygone oder andere Darstellungseinheiten, wie z. B. Mashes. Die Anzahl der Polygone richtet sich nach der Komplexität des darzustellenden Objektes. Ist das darzustellende Objekt kompliziert, so muß es durch eine sehr hohe Anzahl von Polygonen dargestellt werden, bei einfa­ chen Objekten reicht eine niedrigere Anzahl von Polygonen, um eine bildliche Darstel­ lung des Objektes wiederzugeben. Bei dem bekannten Verfahren richtet sich die Anzahl der zu zeichnenden Polygone nach der Entfernung des Objektes vom Betracht­ erstandort. Mit zunehmender Entfernung vom Objekt nimmt die Anzahl der zu zeich­ nenden Polygone für das bestimmte Objekt ab, dadurch ergibt sich eine Vereinfachung der Darstellung des Objektes, z. B. eine Kugel wird durch ein Zwölf- bzw. ein Achteck dargestellt, ein Zylinder durch z. B. ein Achteck oder mit noch weiterer Entfernung durch ein Rechteck. Befindet sich der Betrachterstandort nahe genug am Objekt, so wird auf dem Bildschirm ein Bild mit der Anzahl der Polygone wiedergegeben, die für eine komplexe und vollständige Darstellung des Objektes vorgesehen ist. Ein einziges Kriterium bei diesem Verfahren ist also die Entfernung des Betrachters vom Objekt; ist die Entfernungsgrenze unterschritten, so wird unabhängig von der Rechnerleistung, insbesondere den Parametern wie Rechnerzeit und Bildwiederholfrequenz, die für das betreffende Objekt höchste Anzahl von Polygonen wiedergegeben (Fig. 1, Punkt C). Die Bildabfolge kann dabei immer langsamer werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches unter Berücksichtigung der Rechnerleistung nach bestimmten Entschei­ dungskriterien eine Vereinfachung der Darstellung von graphischen Informationen vornimmt.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausbildungen dar.

Es wird ein Verfahren zur selektiven Vereinfachung der Darstellung von graphi­ schen Informationen mit hoher Dynamik, insbesondere bei schnellen Bildabfolgen in Abhängigkeit von der Leistung eines Rechners angegeben. Bei dem Verfahren wird ein hierarchisches Datenmodell der Graphikobjekte erstellt, aus dem nach vorgegebe­ nen Entscheidungskriterien eine Menge von Graphikinformationen ausgewählt wird. Diese Informationen bestimmen eine maximale Zahl der auszugebenden d. h. der zu zeichnenden Polygone oder anderen graphischen Darstellungseinheiten. Diese Zahl der zu zeichnenden Polygone ist der gewünschten Mindestbildwiederholfrequenz der Anzeigeeinheit angepaßt. Die Mindestbildwiederholfrequenz bezieht sich in den mei­ sten Fällen auf die verfügbare Leistung der Rechneranlage. Wie in Fig. 1 dargestellt, existiert für jede Rechneranlage mit einer bestimmten Leistung eine ca. lineare Abhängigkeit zwischen einer maximalen Bildanzahl pro Sekunde (Bildwiederholfre­ quenz) und der Anzahl der wiedergegebenen Polygone pro Bild. Das erfindungsgemäße Verfahren ordnet eine maximale Anzahl der zu zeichnenden Poly­ gone der gewünschten Bildwiederholfrequenz zu, unter Ausnutzung der verfügbaren Leistung des Rechners. Dies bedeutet, daß der Arbeitspunkt der Rechneranlage bei einer einzuhaltenden Bildwiederholfrequenz auf der in Fig. 1 dargestellten Geraden liegt. Im einzelnen sieht das Verfahren vor, daß zunächst ein hierarchisches Datenmo­ dell der darzustellenden Graphikobjekte erstellt wird, bei dem die Objekte hierarchisch in einer Baumstruktur beschrieben sind. Nach vorgegebenen Entscheidungskriterien, wie Größe des Objektes, Stellung in der Objekthierarchie, Komplexität des Objektes, Entfernung desselben vom Standort des Betrachters, Geschwindigkeit des Betrachter­ standorts- oder Richtungswechsels oder ob das Objekt im Sichtbereich liegt, wird nun eine Entscheidung getroffen, ob das Objekt in einer vereinfachten und damit auch schnelleren Weise dargestellt wird oder gar nicht. Der Vereinfachungsgrad wird eben­ falls bestimmt. Das Objekt wird durch eine Anzahl von Polygonen gezeichnet. Komple­ xe Objekte werden durch viele Polygone dargestellt, einfache Objekte lassen sich mit wenigen Facetten darstellen. Dabei wird immer die darzustellende Komplexität davon abhängig gemacht, wieviele Facetten für das gesamte Bild in Abhängigkeit von der vorgesehenen Bildfrequenz gezeichnet werden sollen. Das Verfahren bestimmt zunächst die aktuelle Anzahl der zu zeichnenden Polygone und vergleicht diese mit der für eine gewünschte Bildwiederholfrequenz maximal zulässige Anzahl der Polygo­ ne. Ist die Anzahl der zu zeichnenden Polygone so hoch, daß die Bildwiederholfre­ quenz durch die verfügbare Leistung des Rechners nicht erreicht wird, so erfolgt eine Anpassung der Polygonanzahl an die zulässige Polygonzahl, bei der der Rechner die Bildwiederholfrequenz entsprechend seiner Leistung erzielt. Die Anzahl der maximal zulässigen und zu zeichnenden Facetten ist damit der gewünschten Frequenz ent­ sprechend der Leistung des Rechners angepaßt.

Wird z. B. in erster Näherung nach den vorgegebenen Entscheidungskriterien und der verfügbaren Rechnerleistung eine aktuelle Polygonanzahl pro Bild von 100 000 bestimmt (Fig. 1, Punkt A), so erkennt das Verfahren, daß eine solche Anzahl von Fa­ cetten bei einer gewünschten Bildwiederholfrequenz von z. B. 100 Bildern pro Sekun­ de, unter Zugrundelegung der verfügbaren Rechnerleistung, zu hoch ist und reduziert von selbst (Fig. 1, Pfeil 1) die Anzahl der zu zeichnenden Facetten auf z. B. 50 000 (Fig. 1, Punkt B). Die in erster Näherung bestimmte Anzahl der zu zeichnenden Polygone kann auch außerhalb der die verfügbare Leistung des Rechners begrenzenden Gera­ den liegen (Fig. 1, Punkt D). Auch für diesen Fall erkennt das Verfahren, ob die aktuelle Anzahl der Polygone bei der vorgegebenen Bildwiederholfrequenz erreichbar ist und reduziert die Anzahl soweit (Fig. 1, Pfeil 3), bis die gewünschte Bildwiederholfrequenz bei einer maximalen Anzahl der Polygone erreicht ist. Werden einfache Objekte darge­ stellt, bei denen das Verfahren eine niedrige Anzahl von Facetten bestimmt (z. B. bei einfachen flächigen Objekten, die vom Betrachterstandort weit entfernt sind), so wird automatisch eine höhere Bildwiederholfrequenz erzielt (Fig. 1, Pfeil 2), bei der die Rechneranlage mit ihrer verfügbaren Leistung arbeiten und dadurch die beste Bildqualität erreicht werden kann.

Die vorgegebenen Entscheidungskriterien des Verfahrens werden meistens mit einem Gewichtungsfaktor versehen eingesetzt. Sie können ferner gemeinsam oder se­ lektiv verwendet werden, je nach Aufgabenstellung.

Claims (5)

1. Verfahren zur selektiven Vereinfachung der Darstellung von graphischen Informa­ tionen mit höher Dynamik unter Ausnutzung der verfügbaren Leistung eines Rech­ ners/einer Datenverarbeitungsanlage, bei dem ein hierarchisches Datenmodell der Graphikobjekte erstellt wird, aus dem nach vorgegebenen Entscheidungskrite­ rien eine Menge von Graphikinformationen extrahiert wird, die eine maximale Zahl der auszugebenden Polygone oder anderen Darstellungseinheiten bestimmt und einer vorgegebenen Mindestbildwiederholfrequenz der Anzeigeeinheit anpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Entschei­ dungskriterien verwendet werden: Größe des Objektes, Stellung in der Objekthier­ archie, Komplexität des Objektes, Entfernung des Objektes zum Standort des Betrachters, Geschwindigkeit des Betrachterstandorts- oder Richtungswechsels, oder ob das Objekt im Sichtbereich liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungskri­ terien mit einem wählbaren Gewichtungsfaktor eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungskri­ terien gemeinsam oder selektiv verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die gewünschte Mindestbildwiederholfrequenz entsprechend einer maxi­ malen Anzahl von Polygonen durch die verfügbare Leistung des Rechners bestimmt ist oder vorgegeben ist.