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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung
eines Rechnerbildes von einem dreidimensionalen Objekt, insbesondere von
denjenigen Objekten auf welchen eine Oberfläche bzw. Beschichtung mit Spezialeffekt
aufgebracht wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
rechnerunterstützte,
dreidimensionale Bild eines tatsächlich
existierenden oder virtuell dreidimensionalen Objektes gehört zum Stand
der Technik. Dem Beobachter wird ein Eindruck des optischen Effektes
einer einfachen (z.B. aus einer einzigen Farbe bestehenden) Version
des dreidimensionalen Objektes (siehe Broschüre der OPUS Softwareversion 3.2
von Opticore) vermittelt. Ein realistisches Rechnerbild eines dreidimensionalen
Objektes, bei welchem die beabsichtigten Effekte einer Oberfläche mit Spezialeffekt
(z.B. Beschichtungen, welche die Farbe oder den Farbton in Abhängigkeit
von dem Betrachtungswinkel und/oder von dem Beleuchtungswinkel wechseln)
beobachtet werden können,
ist nach dem Stand der Technik auch bekannt, z.B. aus den Patenten
US-B1-6 249 751, US-A-5 495 429 oder US-A-5 963 334. Es ist hier
eher notwendig gewesen, die betroffene Oberfläche mit Spezialeffekt auf einen
tatsächlichen
Prototyp des Objektes aufzubringen oder auf das Objekt selbst, um
in der Lage zu sein, den vollständigen
optischen Effekt der Oberfläche
bzw. Beschichtung wahrzunehmen. Diese Herstellung von Prototypen,
zum Beispiel auf dem Gebiet der Motorfahrzeuge, ist ökonomisch
nicht lebensfähig.
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Daher
besteht ein Bedarf, ein Verfahren zu liefern, welches die realistische
Darstellung von dreidimensionalen Objekten auf einem Rechner ermöglicht,
welche mit einer Oberfläche
mit Spezialeffekt versehen sind. Spezifischer betrachtet sollte
es möglich
sein, das Verfahren auf die Erzeugung eines Rechnerbildes von Karosserien
von Motorfahrzeugen und von Teilen von Karosserien von Motorfahrzeugen
mit Spezialeffektoberflächen
anzuwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, wie es in den angehängten Ansprüchen definiert
worden ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGEN
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht die visuelle Beobachtung
einer Oberfläche
bzw. Beschichtung mit Spezialeffekt auf einem dreidimensionalen
Objekt entsprechend einem "virtuellen" Modus. Unter dem
Ausdruck "virtuell" versteht man, dass
das Bild oder die Darstellung des Objektes in einem digitalen oder
in einem elektronischen Format in einem Rechner existiert. Bei einer
Ausführung kann
das Objekt selbst nur in dem Rechner in einer digitalen/elektronischen
Form existieren. Bei einer anderen Ausführung kann das Objekt ein tatsächlich existierendes
Objekt sein.
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Im
Wesentlichen umfasst das Verfahren eine Reihe von Schritten in drei
größeren Gruppierungen, nämlich: (1)
ein Bestimmen der Daten aus der Oberfläche mit Spezialeffekt (auf
der Grundlage des Betrachtungswinkels, der Beleuchtung oder anderer
relevanter Kriterien); (2) ein Definieren der topographischen Daten
des dreidimensionalen Objektes; und (3) ein Zusammenführen und
ein Abgleichen der zwei Datensätze,
um ein Rechnerbild des dreidimensionalen Objektes zu bilden. Es
wird leicht offensichtlich sein, dass es nicht von Belang ist, ob
man bei dem Verfahren zuerst die Oberflächenwerte bestimmt oder ob
man zuerst die Objekttopographie bestimmt. Es ist jedoch klar, dass
beide Werte fertig vorliegen müssen,
bevor die betreffenden Datensätze
zusammengeführt
und abgeglichen werden können.
Somit besteht eine Flexibilität
in der Reihenfolge der Durchführung
der Schritte des Verfahrens.
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Bei
der Bestimmung der Daten aus der Oberfläche bzw. Beschichtung mit Spezialeffekt
wird die Beschichtung auf ein Testpaneel aufgetragen und es wird
eine winkelabhängige,
kolorimetrische Messung durchgeführt.
Winkelabhängigkeit
bedeutet in diesem Fall eine Abhängigkeit
von dem Beleuchtungswinkel und/oder von dem Beobachtungswinkel.
In einer ersten Ausführung
wird die kolorimetrische Messung bei einem konstanten Beleuchtungswinkel durchgeführt, allerdings
unter einem veränderlichen Beobachtungswinkel.
In einer zweiten Ausführung bleibt
der Beleuchtungswinkel während
des kolorimetrischen Messungsschrittes konstant, aber der Beleuchtungswinkel ändert. In
einer dritten und bevorzugten Ausführung verändern sich während des Messschrittes
sowohl der Beobachtungswinkel als auch der Beleuchtungswinkel. In
einer jeden Ausführung
werden die Daten der Messung in einem Datenspeicher mit einer Zuordnung
der entsprechenden Beleuchtungs- und/oder Beobachtungswinkel gespeichert.
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Das
Testpaneel kann natürlich
irgendein geeignetes Paneel für
die gewünschte
Oberfläche
mit Spezialeffekt sein. Es ist oft ein Vorteil für das Paneel, wenn es aus demselben
Material wie die Endbenutzeranwendung besteht. Für Anwendungen der Oberflächen mit
Spezialeffekt im Fahrzeugsektor wird herkömmlicherweise ein Testpaneel
aus Metall für
die Testbeschichtungen verwendet, zum Beispiel aus für Karosserien
geeignetem Stahl oder Aluminium oder Plastik, zum Beispiel mit den
Ausmaßen
von 10 cm mal 15 cm bis zu 30 cm mal 60 cm. Das Testpaneel kann
unbeschichtet sein oder es kann mit einer einlagigen oder mit einer
mehrlagigen Vorbeschichtung versehen sein. Metallische Testtafeln können zum
Beispiel mit einer durch Elektroablagerung gebildeten Überzugsschicht
versehen sein, wie sie herkömmlicherweise
bei der Lackierung von Motorfahrzeugen verwendet wird, oder mit
einer durch Elektroablagerung gebildeten Überzugsschicht und einer Primeroberflächenlage.
Plastikpaneele können mit
einem Plastikprimer versehen sein. Man zieht es vor, wenn die in
dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten
Testpaneele mit einer Vorbeschichtung versehen sind, mit welcher
das dreidimensionale Objekt bei der tatsächlichen Verwendung zu versehen ist.
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Das
Testpaneel kann durch irgendein herkömmliches Hilfsmittel mit einer
Oberfläche
mit Spezialeffekt beschichtet werden. Vorzugsweise wird das Paneel
durch Besprühen
beschichtet, am liebsten wird es mit Hilfe eines herkömmlichen
Beschichtungsroboters mit einer Oberfläche mit Spezialeffekt versehen.
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Oberflächen mit
Spezialeffekt sind Beschichtungen, welche Spezialeffekte erzeugende
Mittel enthalten, und es können
Beschichtungslagen aufgetragen werden, welche zu verschiedenen Eindrücken von
Helligkeit (Hell-/Dunkel-Flop) und/oder verschiedenen Eindrücken von
Farbe (Farb-Flop) seitens des Beobachters führen, abhängig von dem Betrachtungswinkel
und/oder von dem Beleuchtungswinkel. Beispiele von Oberflächen mit
Spezialeffekt, welche einen Hell-/Dunkel-Flop hervorrufen, enthalten
herkömmliche
Metallflockenpigmente von Aluminium, Kupfer oder anderen verwendeten
Metallen, zum Beispiel bei metallischen Grundbeschichtungen für Automobile.
Beispiele von Spezialeffektmitteln, welche einen mehr oder weniger
stark ausgeprägten Farb-Flop
hervorrufen, bestehen aus herkömmlichen Spezialeffektpigmenten,
welche bei Grundüberzügen mit
Spezialeffekt verwendet werden, insbesondere Interferenzpigmente
in Flockenform wie zum Beispiel mit Metalloxid beschichtete Metallpigmente,
z.B. mit Titandioxid oder mit Eisenoxid beschichtetes Aluminium;
perlähnlich
glänzende
Pigmente wie etwa beschichtetes Mica, z.B. mit Titandioxid beschichtetes Mica;
Pigmente von Metalloxid oder von Nichtmetalloxid in Flockenform,
z.B. Eisenoxid in Flockenform oder Siliziumdioxid in Flockenform,
mit Metalloxid beschichtetes Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid in
Flockenform, optisch veränderliche
Pigmente und Flüssigkristallpigmente.
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Die
Oberflächen
mit Spezialeffekt können
in Wasser lösliche,
auf Lösungsmitteln
beruhende oder in Pulverform vorliegende Beschichtungen sein. Es ist
vorteilhaft, wenn die Oberfläche
mit Spezialeffekt, welche verwendet wird, um das Testpaneel zu beschichten,
nicht so beschaffen sein muss, dass sie fertig entwickelt ist hinsichtlich
der Kriterien von technologischen Eigenschaften, wie z. Bsp. Haftung,
Widerstandfestigkeit gegen Zersplitterung, erneute Beschichtungsfähigkeit,
Wetterbeständigkeit,
d.h. ihre Zusammensetzung braucht in keiner Weise einer Oberfläche mit
Spezialeffekt zu entsprechen, welche in Wirklichkeit verwendet werden
soll. Sie muss nur so formuliert sein, das sie die gewünschten
Spezialeffekteigenschaften, insbesondere den gewünschten Spezialeffekt-Farbschattierungen,
liefert.
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Die
Oberfläche
mit Spezialeffekt kann mit anderen Lagen überzogen werden, so wie dies
angebracht sein kann im Hinblick auf die beabsichtigte Verwendung
der Oberfläche
mit Spezialeffekt. Für Anwendungen
auf dem Automobilgebiet wird die Oberfläche mit Spezialeffekt gewöhnlich die
Grundbeschichtung sein und sie wird mit einer oder mit mehreren
Klarbeschichtungslagen überzogen
werden. Die Dicke der Lage der Oberfläche mit Spezialeffekt sollte
sich an die bezweckten wirklichen Verwendungen der Auftragungen
angleichen. Für
Anwendungen auf dem Automobilgebiet ist die Lage der Oberfläche mit
Spezialeffekt zum Beispiel von 8 bis 40 μm dick, sie kann lichtundurchlässig sein
oder sie kann nicht lichtundurchlässig sein, dies entsprechend
der in der Realität
gewünschten
Lagendicke. Wenn sie als eine Grundbeschichtungslage aufgetragen
wird, dann wird eine Klarbeschichtungslage, die zum Beispiel 25
bis 80 μm
dick ist und eine oder mehrere Klarbeschichtungslagen umfasst, ebenfalls durch
Sprühen
aufgetragen, vorzugsweise in dem gut bekannten Nass-in-Nass-Verfahren
(Zweischicht- ein Backverfahren mit Grundbeschichtung/Klarbeschichtung).
Sowohl die Lage der Oberfläche
mit Spezialeffekt als auch die wahlweise aufgetragene Klarbeschichtungslage
wird getrocknet oder gehärtet,
zum Beispiel in einem Ofen.
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Während der
Zubereitung des mit der Oberfläche
mit Spezialeffekt beschichteten Testpaneels, zum Beispiel während der
Auftragung und Trocknung oder Aushärtung der Oberfläche mit
Spezialeffekt und wahlweise der Klarbeschichtung kann das Testpaneel
eine horizontale oder vorzugsweise eine vertikale Position einnehmen.
Man bevorzugt es besonders, ein Testpaneel in einer horizontalen
Position und ein weiteres Testpaneel in einer vertikalen Position
bereitzustellen und wahlweise ein oder mehrere weitere Testpaneele
in (verschiedenen) Positionen anzuordnen, welche zwischen der horizontalen
und der vertikalen Position mit der Oberfläche mit Spezialeffekt liegen.
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Das
Verfahren, das verwendet wird, um die kolorimetrischen Messungen
des beschichteten Testpaneels aufzunehmen, ist den Experten auf
diesem Gebiet bekannt. Die kolorimetrische Messung kann eine winkelabhängige, direkte
Bestimmung der RGB-Werte (Rot-Grün-Blau-Werte)
mit einer Farbkamera sein, welche zum Beispiel als Messinstrument dient.
Die Messungen werden jedoch vorzugsweise als gonio-spektrophotometrische
Messungen ausgeführt,
wobei die RGB-Werte auf indirekte Weise erhalten werden können.
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In
der gonio-spektrophotometrischen Colorimetrie werden die Reflektionskurven
des sichtbaren Lichts, in dem Bereich von zum Beispiel 380 bis 800 nm,
unter verschiedenen Beobachtungswinkeln bestimmt. Die Bestimmung
der Reflektionskurven kann für
irgendeine Anzahl von verschiedenen Beobachtungswinkeln durchgeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist eine Bestimmung von zum Beispiel
5 Beobachtungswinkeln von zum Beispiel 15, 25, 45, 75 und 110° gegenüber der
spiegelnden Reflektion im Allgemeinen ausreichend. Von diesen Punkten
ausgehend können
die Reflektionskurven für
andere Beobachtungswinkel durch Extrapolation mit einer guten Genauigkeit
bestimmt werden.
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Bei
Ausführungen
gemäß der Erfindung
mit einem festen Beleuchtungswinkel beträgt der Beleuchtungswinkel vorzugsweise
45° gegenüber der senkrechten
Ebene. Bei Ausführungen,
bei denen der Beleuchtungswinkel variiert, kann irgendeine Anzahl
von verschiedenen Beleuchtungswinkeln verwendet werden. Bei der
vorliegenden Erfindung sind Messungen von zum Beispiel 4 Beleuchtungswinkeln von
zum Beispiel 15, 25; 45 und 75° gegenüber der senkrechten
Ebene im Allgemeinen ausreichend, weil von diesen Punkten ausgehend
die Reflektionskurven für
andere Beleuchtungswinkel durch Extrapolation mit einer guten Genauigkeit
bestimmt werden können.
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Es
soll hier erwähnt
werden, dass der Ausdruck "Genauigkeit
des Bildes", wie
derselbe beim Beschreiben des Verfahrens gemäß dieser Erfindung verwendet
wird, die Qualität
des Eindrucks von dem Bild beim Abgleich mit dem Eindruck des realen
Objekts bedeutet. Je näher
das Bild dem realen Objekt kommt, desto besser ist die Qualität oder die
Genauigkeit des Bildes.
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Bei
der Kolorimetrie wird Licht mit einer bekannten spektralen Intensitätsverteilung,
vorzugsweise polychromatisches Licht, für die Beleuchtung verwendet.
Beispiele von polychromatischem Licht umfassen; weißes Licht,
diffuses Tageslicht (Standardbeleuchtung D65), Neonlicht (Beleuchtungen
F) oder weißglühendes Lampenlicht
(Standardbeleuchtung A). Siehe z.B. International Commission on
Illumination, Publication CIE No 15.2, 1986, Central Bureau of the
CIE, A-1033 Wien, Postfach 169, Österreich
oder G.Wyszecki, W.S. Stiles, Color Science, Wiley, New York, 1982,
deren Offenbarungen durch die Referenznahme mit hierin eingebunden
werden. Aus den Reflektionskurven, die man durch die Verwendung
einer gegebenen Beleuchtungsquelle erhält, ist es möglich, die
Farbstellen zu berechnen, welche sich für andere gewünschte Beleuchtungskörper ergeben,
zum Beispiel die gebräuchlichen
kolorimetrischen Parameter in dem CIELab System L* (lightness =
Helligkeit), a* (red-green-value = Rot-Grün-Wert,
b* (yellow-blue value = Gelb-Blau-Wert) und daher auch C* (Chroma)
und h* (hue = Farbton). Siehe DIN 6174. Aus den Reflektionskurven
(oder den kolorimetrischen Parametern L*, a*, b*, C* und h*) ist
es möglich,
die RGB-Werte durch Transformation zu berechnen, zum Beispiel unter
Verwendung eines geeigneten mathematischen Algorithmus. Siehe Yevgeny,
Vishnevsky, Introduction to Color (Java), 1997 Master's Project, www.cs.rit.edu/~ncs/color;
Wyszecki, et al. Color Science, Wiley, New York, 1982; und M.D.
Fairchild, Color Appearance Models, Addison-Wesley, Reading, 1998,
deren Offenbarungen durch die Referenznahme mit hierin eingebunden
werden. Es können
herkömmliche
kolorimetrische Instrumente, wie sie dem Experten auf diesem Gebiet
bekannt sind, zum Beispiel das von der X-Rite Company verkaufte
X-Rite MA 68 Instrument, verwendet werden, um die Reflektionskurven
zu bestimmen.
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Zusätzlich zu
der winkelabhängigen,
kolorimetrischen Messung der Oberfläche mit Spezialeffekt kann
eine Glanzmessung ausgeführt
werden. Herkömmliche
gonio-photometrische Verfahren, welche auf dem Prinzip der Lichtreflexion
beruhen und welche dem Experten auf diesem Gebiet bekannt sind,
können
verwendet werden, um den Glanz zu messen. Die Glanzmessung kann
unter einem oder unter mehreren verschiedenen Winkeln stattfinden, vorzugsweise
bei 20° zu
der senkrechten Ebene. Alle herkömmlichen
Glanzmesser, welche dem Experten auf diesem Gebiet bekannt sind,
können
verwendet werden, zum Beispiel das Microgloss® und
das Micro-Tri-Gloss®, welche von BYK Gardner
verkauft werden.
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Die
kolorimetrischen Daten, d.h. die Reflektionskurven oder die L*,
a*, b*, C*, h* Werte oder die RGB-Werte und wahlweise die Glanzwerte,
werden in der Form einer Datendatei mit einer Zuordnung der entsprechenden
Beobachtungs- und Beleuchtungswinkel gespeichert, und wahlweise
auch die Position der Testpaneele, welche man während der Zubereitung der Oberflächen mit
Spezialeffekt eingeholt hat. Der Typ der betroffenen Testpaneele
(Typ des Materials und wahlweise Typ der Vorbeschichtung vor der Auftragung
der Oberflächenlage
mit Spezialeffekt) und der während
der Kolorimetrie verwendete Beleuchtungskörper können, wenn dies gewünscht ist, auch
zugeordnet und gespeichert werden. Die Daten können manuell oder direkt aus
der relevanten Messvorrichtung in die Datendatei eingegeben werden.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung werden
dreidimensionale Objekte dargestellt, insbesondere Karosserien von
Motorfahrzeugen oder Teile von Karosserien von Motorfahrzeugen,
die mit einer Oberfläche
mit Spezialeffekt versehen sind. Die dreidimensionalen Objekte können tatsächlich existierende
Objekte sein oder insbesondere solche Objekte, welche nur als ein
durch Rechner erzeugtes Objekt existieren. Die dreidimensionalen
Objekte existieren als dreidimensionale Objekte, welche durch ihre
Daten aus dem durch Computer unterstützten Design ("CAD" = Computer Aided
Design) definiert werden. Aufzeichnungen von CAD-Daten von dreidimensionalen
Objekten können
mit herkömmlicher, kommerziell
erhältlicher
Software erzeugt werden, wie etwa mit CATIA von Dassault, Pro/Engineer
von ICEM/Surf oder Alias Wavefront von Silicon Graphics. Für die Zwecke
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist eine CAD-Datenaufzeichnung ausreichend, welche zum Beschreiben
der Topographie (d.h. der Formentwurf) der sichtbaren Oberflächen des
betroffenen dreidimensionalen Objekts geeignet ist. Die CAD-Datenaufzeichnung
kann dementsprechend neu erzeugt werden oder sie kann von einer vollständigen CAD-Datenaufzeichnung
des dreidimensionalen Objektes durch Reduktion erzeugt werden. Die
Reduktion kann mit derselben Software ausgeführt werden wie diejenige, welche
verwendet wird, um die CAD-Datenaufzeichnungen
zu erzeugen.
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Die
sichtbaren Oberflächen
des dreidimensionalen Objektes sind Oberflächen, die für den Beobachter sichtbar sind,
insbesondere direkt sichtbare Oberflächen. Zum Beispiel in dem Zusammenhang einer
Karosserie eines Automobils enthalten solche sichtbaren Oberflächen die äußeren Oberflächen der Karosserie
des Automobils sowie Oberflächen
wie etwa Türschwellen.
Innere Oberflächen
des Fahrzeuges, wie zum Beispiel der Motorraum, die Fahrgastkabine
oder der Fahrzeugrumpf werden vorzugsweise nicht mit berücksichtigt,
auch ist dies nicht der Fall für
die inneren Oberflächen
von hohlen Räumen.
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Die
durch die CAD-Daten des dreidimensionalen Objektes definierten sichtbaren
Oberflächen können mit
Hilfe eines Rechners facettiert werden, und zwar unter Verwendung
einer kommerziell erhältlichen
Software für
virtuelle Realität,
welche geeignet ist für
eine realistische Darstellung von Oberflächentopographien in einer ausreichend
minimalen Anzahl von flachen, polygonalen Flächen (Polygone), von denen
eine jede ausreichend klein ist für die ausreichend genaue Beschreibung
der relevanten Oberflächentopographie.
Beispiele einer geeigneten Software für virtuelle Realität sind die
OPUS Software von Opticore oder die AMIRA Software von Indeed Visual
Concepts.
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Die
Polygone werden durch gemeinsame Kanten miteinander verbunden. Der
Typ der Polygone ist im Prinzip willkürlich. Verschiedene Typen von Polygonen
können
für die
realistische Darstellung der Oberflächentopographie kombiniert
werden; die Polygone sind vorzugsweise ausschließlich dreieckige Flächen, die
durch gemeinsame Kanten miteinander verbunden werden.
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Die
minimale Anzahl und die jeweiligen Flächen der Polygone hängen von
dem Grad der Komplexität
der Oberflächentopographie
der sichtbaren Oberflächen
des dreidimensionalen Objektes und von der gewünschten Genauigkeit des Rechnerbildes
bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
ab. Die Summe von allen polygonalen Flächen entspricht in einer engen
Annäherung,
zum Beispiel mit einer Abweichung in dem Bereich von nicht mehr
als ± 2
%, zu der Oberflächenausdehnung
der sichtbaren Oberfläche(n)
des dreidimensionalen Objektes. Zum Beispiel sind im Allgemeinen
30.000 bis 300.000 Polygone als die minimale Anzahl für die genaue
Beschreibung der Oberflächentopographie
der Karosserie eines Motorfahrzeuges ausreichend. Natürlich kann die
Anzahl der ausgewählten
Polygone über
der obigen minimalen Anzahl liegen, zum Beispiel bei 50.000 bis
3.000.000 Polygonen in dem Fall einer Karosserie eines Motorfahrzeuges.
Im Prinzip kann die Anzahl der ausgewählten Polygone irgendeine Anzahl über der
minimalen Anzahl sein, wobei die Genauigkeit des Rechnerbildes mit
der wachsenden Anzahl ansteigt, obwohl die Genauigkeit einem Grenzwert
zustrebt. Ein weiterer Anstieg der Anzahl der Polygone führt in der
Praxis nicht zu einem weiteren Anstieg der von dem Beobachter erkennbaren Genauigkeit.
Es ist daher angebracht, eine Anzahl von Polygonen über der
minimalen Anzahl auszuwählen,
welche in einem vernünftigen
Verhältnis
zu der verfügbaren
Rechnerkapazität
liegt.
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Die
Polygone weisen ausreichend kleine Flächen auf. Alle diese Flächen können von
derselben Größe sein
oder sie können
verschieden groß sein. Die
einzelnen Flächen
liegen in einem Bereich von Werten von zum Beispiel 1 Quadratmillimeter
bis 1 Quadratmeter. Je komplexer die Oberflächentopographie ist, desto
kleiner sollten die Flächen
der ausgewählten
Polygone sein. In dem Fall von dreidimensionalen Objekten mit Flächenbereichen
von einer einfachen (keine Krümmungen
oder nur leichte Krümmungen
bis hin zu einem unbegrenzten Radius von Krümmungen pro Einheitsfläche) und
einer komplexen Oberflächentopographie
(viele Krümmungen und/oder
ausgeprägte
Krümmungen
pro Einheitsfläche
mit einem schmalen Krümmungsradius,
Ecken, Rändern,
Kanten) ist es angebracht, diese in Polygone mit verschiedenen Flächen zu
facettieren, d.h. Oberflächenbereiche
mit einer einfachen Oberflächentopographie
werden in Polygone mit Flächen
innerhalb des oberen Bereiches der Werte facettiert, Flächen mit
einer komplexen Oberflächentopographie
werden in Polygone mit Flächen
innerhalb des unteren Bereiches der Werte facettiert. Zum Beispiel können Oberflächenbereiche
mit einer einfachen und mit einer komplexen Oberflächentopographie
vorhanden sein auf der sichtbaren Oberfläche eines dreidimensionalen
Objektes oder auf der sichtbaren Oberfläche von einer oder von mehreren
Komponenten, die gemeinsam miteinander verbunden sind, um ein dreidimensionales
Objekt zu bilden, oder das dreidimensionale Objekt ist zusammengefügt aus Komponenten
mit einer einfachen Oberflächentopographie
und aus Komponenten mit einer komplexen Oberflächentopographie.
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Jedes
Polygon hat eine Position in dem Raum. Diese Position kann mit Hilfe
des Flächenschwerpunktes
des betroffenen Polygons und seiner Normalen im Raum definiert werden.
Ein jeder dieser Flächenschwerpunkte
kann klar definiert werden, zum Beispiel durch X, Y, Z – Koordinaten
in einem kartesischen Koordinatensystem, und die Position einer
jeder dieser Normalen im Raum mit Hilfe ihrer drei Winkel, beruhend
auf dem kartesischen Koordinatensystem. Die Position eines Beobachters
kann definiert werden durch X',
Y', Z' – Koordinaten oder durch X'links,
Y'links,
Z'links und
X'rechts,
Y'rechts und
Z'rechts – Koordinaten
für das
linke und für
das rechte Auge eines Beobachters, und die Position von einer oder
von mehreren (n) Beleuchtungsquellen kann definiert werden durch
X''1,
Y''1,
Z''1 bis
X''n,
Y''n,
Z''n – Koordinaten
in demselben kartesischen Koordinatensystem.
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Auf
Grund der Kenntnis der Position eines jeden einzelnen Polygons in
dem Raum ist der Rechner in der Lage, einem jeden einzelnen Polygon
einen Betrachtungswinkel zuzuordnen, und zwar in Abhängigkeit
von der Position des Beobachters, welche einem Beobachtungswinkel
aus der kolorimetrischen Messung entspricht, und einen oder mehrere
Beleuchtungswinkel, und zwar in Abhängigkeit der Position von einer
oder von mehreren Beleuchtungsquellen, welche den Beleuchtungswinkeln
aus der kolorimetrischen Messung entsprechen. Die mit diesen Betrachtungswinkeln
und/oder Beleuchtungswinkeln (und wahlweise mit einem korrelierenden Glanzwert)
verbundenen kolorimetrischen Daten können somit zu dem einzelnen
Polygon in Korrelation gesetzt werden. Um die Genauigkeit des Rechnerbildes
bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
zu erhöhen,
kann es angebracht sein, wenn der Rechner dann, wenn man diese Zuordnung
durchführt, auch
die Natur eines jeden einzelnen Polygons (Typ des Materials, zum
Beispiel in dem Fall eines dreidimensionalen Objektes, welches aus
verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist; Typ irgendeiner Vorbeschichtung
vor der Auftragung der Oberflächenlage
mit Spezialeffekt) berücksichtigt
und entsprechend differenziert aus den gespeicherten kolorimetrischen
Daten auswählt,
dies entsprechend dem Typ des Testpaneels.
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Um
die Genauigkeit des Rechnerbildes bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
zu erhöhen, kann
es auch angebracht sein, wenn der Rechner dann, wenn man die kolorimetrischen
Daten zuordnet, die Position eines jeden einzelnen Polygons (beim
Positionieren des dreidimensionalen Objektes gemäß der Position, welche man
in der Realität
während
der Herstellung der Oberfläche
mit Spezialeffekt auf dem dreidimensionalen Objekt erhält) berücksichtigt
und dementsprechend differenziert aus den gespeicherten kolorimetrischen
Daten auswählt,
entsprechend der Position der Testpaneele, welche man während der
Herstellung der Oberfläche
mit Spezialeffekt erhält.
Wenn die Position eines jeden Polygons berücksichtigt wird, dann wird
dies in vorteilhafter Weise auf solch eine Art und Weise ausgeführt, dass die
kolorimetrischen Daten, welche für
ein in der horizontalen Position beschichtetes Testpaneel verfügbar sind,
den Polygonen mit einer mehr horizontalen Position zugeordnet werden,
wohingegen die kolorimetrischen Daten, welche für ein in der vertikalen Position
beschichtetes Testpaneel verfügbar
sind, den Polygonen mit einer mehr vertikalen Position zugeordnet
werden. Wenn kolorimetrische Daten verfügbar sind für Testpaneele, welche in einer
Position zwischen der horizontalen und der vertikalen Position beschichtet
worden sind, gilt das Gleiche.
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Eine
fundamentale, durch die RGB-Werte definierte Farbe kann daher einem
jeden Polygon zugeordnet werden, wobei ein jedes Polygon durch Pixel
dargestellt wird, welche in einem jeden Fall aus einem rot-grün-blauen
Triple zusammengesetzt sind. Glanzreflektionen können durch ein Variieren der Helligkeit
oder des Kontrastes der Pixel der betroffenen Polygone reproduziert
werden. Durch ein Zusammenstellen der Polygone kann das Objekt dreidimensional
in dem entsprechenden, visuell wahrnehmbaren Farbeindruck dargestellt
werden. Das Objekt kann als ein Ganzes oder als ein Teilstück des Objektes
dargestellt werden, zum Beispiel mit Hilfe einer herkömmlichen
Zoomfunktion. Für
die Zwecke des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist der Gebrauch eines herkömmlichen
Personalcomputers (zum Beispiel Pentium III, 600 MHz mit einer 3D
Grafikkarte) in der Praxis ausreichend. Natürlich können Rechner mit einer höheren Rechnerkapazität vorteilhaft
genutzt werden.
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Das
Rechnerbild kann gemäß dem sichtbaren
Eindruck produziert werden, welcher bei einer diffusen oder gerichteten
Beleuchtung mit einer oder mit mehreren Beleuchtungsquellen, vorzugsweise nur
mit einer Beleuchtungsquelle, erzeugt wird.
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Die
Erzeugung des Rechnerbildes ist nicht auf die Reproduktion mit einer
Beleuchtung mit dem während
der Kolorimetrie verwendeten Beleuchtungskörper beschränkt. Wie oben in Verbindung
mit der Kolorimetrie erklärt,
sind die kolorimetrischen Daten unabhängig von dem während der
Kolorimetrie verwendeten Beleuchtungskörper verfügbar, oder sie können berechnet
werden, wenn der für
die Beleuchtung während
der Kolorimetrie verwendete Beleuchtungskörper bekannt ist. Die Erzeugung
des Rechnerbildes kann mit einer simulierten Beleuchtung mit einer
Beleuchtungsquelle oder mit mehreren Beleuchtungsquellen von irgendeiner
spektralen Intensitätsverteilung
in dem Bereich des sichtbaren Lichts durchgeführt werden durch die Berechnung
der RGB-Werte aus der Reflektionskurve, welche während der Kolorimetrie mit
der Beleuchtung eines bekannten Beleuchtungskörpers bestimmt und gespeichert
worden ist. In dem Fall von mehreren Beleuchtungsquellen weisen
diese vorzugsweise in jedem Fall eine identische spektrale Intensitätsverteilung auf.
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Optische
Effekte wie zum Beispiel Spiegelabbildungen der umgebenden Objekte
und/oder Schatten und/oder die Struktur der Deckbeschichtungslage
und/oder die Rückstrahlungen
des Glanzes – wenn
die Darstellung der Rückstrahlungen
des Glanzes nicht wie oben erklärt
auf der Basis der gemessenen Glanzdaten ausgeführt werden soll – können von
dem Rechner auf das dreidimensional dargestellte Objekt so projiziert
werden, dass die RGB-Werte durch den Rechner angepasst werden hinsichtlich
der Kriterien einer fundamentalen Farbe, der Helligkeit, des Kontrastes.
Die Simulation solcher optischen Effekte gehört zum Stand der Technik und kann
zum Beispiel mit der OPUS Software von Opticore oder mit der AMIRA
Software von Silicon Graphics ausgeführt werden. Daten für die Struktur
der Deckbeschichtungslage können
aus empirischen Werten heraus erhalten werden oder sie können auf dem
Testpaneel gemessen worden sein, zum Beispiel mit dem Wave-scan® Messinstrument,
welches dem Experten bekannt ist und welches von BYK-Gardner verkauft
wird.
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Die
Erzeugung des Rechnerbildes kann mit allen herkömmlichen Techniken der virtuellen
Realität
durchgeführt
werden. Obwohl man das Verfahren bevorzugt dazu verwendet, dreidimensionale
Rechnerbilder zu erzeugen, ist es auch möglich, zweidimensionale perspektivische
Rechnerbilder zu erzeugen.
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Die
zweidimensionalen perspektivischen Rechnerbilder können in
einer herkömmlichen
Art und Weise durchgeführt
werden, zum Beispiel auf einem Farbmonitor oder mit Hilfe eines
Projektors auf einem Bildschirm. Das wahre dreidimensionale Bild kann
mit den herkömmlichen
Verfahren zur Erzeugung farbiger Stereobilder durchgeführt werden.
Die dafür
erforderlichen, gegeneinander versetzten Bilder können, infolge
der Entfernung zwischen den Augen eines Beobachters, durch die Software
berechnet werden mit Hilfe einer Simulation oder indem man die für das linke
und das rechte Auge definierten Positionen berücksichtigt. Der Beobachter
kann zum Beispiel Spezialbrillen als eine Unterstützung tragen und
das dreidimensionale Rechnerbild auf einem Farbmonitor, auf einer
Projektions- oder auf einem Rückprojektionsschirm
beobachten, wobei, abhängig von
dem verwendeten physikalischen Prinzip, zwei getrennte farbige Bilder,
welche zusammen ein räumliches
Bild ergeben, gezeigt werden, entweder gleichzeitig (Beobachtung
mit einer Polfilterbrille) oder mit einer hohen Bildwechselfrequenz
(Beobachtung mit einer Verschlussbrille). Eine andere Alternative
besteht in dem entsprechenden Bild für den Beobachter über den
Weg eines am Kopf befestigten Displays (Helm oder Brille) mit zwei
getrennten Farbdisplays für
das linke und das rechte Auge oder das vollständige, dreidimensionale Rechnerbild
in einer Art Hohlraum der virtuellen Realität.
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Ohne
Rücksicht
auf das für
das dreidimensionale Rechnerbild gewählte Medium kann das Rechnerbild
als ein statisches Bild, als einen Film oder als ein interaktives
Rechnerbild in Echtzeit durchgeführt werden.
In dem Rechnerbild als ein Film und insbesondere in dem Echtzeit-Rechnerbild
ist es möglich, die
Position des zu beobachtenden Objektes und/oder die Position des
Beobachters zu verändern. Abhängig von
der Veränderung
der Position führt
der Rechner eine konstante Neuzuordnung der RGB-Werte zu einem jeden Pixel eines jeden
Polygons durch. Insbesondere bei dem Echtzeit-Rechnerbild lernt
der Rechner die jeweiligen relativen Positionen des Objektes und
des Beobachters und wahlweise der Beleuchtungsquelle(n) mit den
herkömmlichen
Mitteln für
die in jedem Fall verwendete Technik der virtuellen Realität. Zum Beispiel
kann der Beobachter einen Wechsel in der relativen Position mittels
einer Computermaus, eines Joysticks oder eines Datenhandschuhs simulieren
und somit den Rechner steuern. Der Beobachter kann sich jedoch auch
tatsächlich
bewegen und den Rechner über
die Veränderung
in der relativen Position mittels eines mit dem Beobachter verbundenen
Gerätes
informieren, zum Beispiel mit Hilfe eines Transmitters oder einer
Kamera, wobei das Gerät
eine mit dem Beobachter fest verbundene Markierung verfolgt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht
die Erzeugung eines realistischen Rechnerbildes eines dreidimensionalen
Objektes, welches mit einer Oberfläche mit Spezialeffekt insbesondere
für Motorfahrzeuge
versehen ist. Das Rechnerbild erzeugt für den Beobachter einen realistischen,
visuellen Eindruck eines dreidimensionalen Objektes, welches mit
einer Oberfläche
mit Spezialeffekt beschichtet ist. Der Eindruck eines Spezialeffekts
und einer Farbe und wahlweise eines Glanzes kann auf der Grundlage
von Messdaten dargestellt werden, welche auf einem Testpaneel bestimmt
werden, welches mit einer Oberfläche
mit Spezialeffekt beschichtet ist. Das Rechnerbild entspricht der
Qualität
eines photorealistischen Bildes und es schaut nicht künstlich oder
leblos wie herkömmliche
Rechnerbilder aus.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann von einer Partei oder in Kooperation zwischen mehreren Parteien
durchgeführt
werden. Zum Beispiel können
die Verfahrensschritte a) bis c) von einer Kooperationspartei bewerkstelligt
werden, zum Beispiel von einem Farbenhersteller, während der
Schritt d) von einer zweiten Kooperationspartei, zum Beispiel von
einem Autohersteller durchgeführt
wird. Was nun die Schritte e) und f) anbetrifft können diese
durch irgendeine Kooperationspartei durchgeführt werden. Im dem Falle, wo
das Verfahren gemäß der Erfindung durch
mehrere Parteien in Kooperation durchgeführt wird, kann es angebracht
sein, die Möglichkeiten
zu nutzen, welche die modernen Informationstechnologien bieten.
Zum Beispiel kann ein Kooperationspartner, zum Beispiel ein Autohersteller,
welcher im Besitz der CAD-Daten des jeweiligen dreidimensionalen Objektes
ist, online, zum Beispiel über
das Internet, die geeigneten kolorimetrischen Daten erhalten, welche
der andere Kooperationspartner, zum Beispiel ein Farbenhersteller,
zur Verfügung
bekommen hat, und auf dieser Grundlage das Verfahren gemäß der Erfindung
realisieren.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann auch von einer dritten Partei verwendet werden. Diese dritte
Partei, zum Beispiel ein Geschäft
für Karosseriefarbstoffe,
erhält
die notwendigen Daten online oder offline von dem oder von den Geschäftspartner(n),
welche die notwendigen Daten besitzen. Auf dieser Basis kann die
dritte Partei Gebrauch von dem Verfahren gemäß der Erfindung machen. Zum
Beispiel ist auf diese Weise ein Geschäft für Karosseriefarbstoffe in der
Lage, einem Kunden einen realistischen Eindruck von seinem Auto
zu geben, welches vollständig
oder teilweise in einer oder mit mehreren Effektfarbschattierungen
(wie etwa eine Dekoration oder eine Aufschrift) farblich gestaltet
werden soll, und den Kunden beim Auswählen der Effektfarbe(n) unterstützen. Auf
dieselbe Art und Weise kann ein Käufer eines neuen Autos beim
Auswählen
einer Effektfarbe für
sein neues, zu bestellendes Auto unterstützt werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann auch für
Präsentationszwecke
verwendet werden. Spezifischer betrachtet ermöglicht es jedoch dem Entwerfer
der Form und dem Entwerfer der Spezialeffektfarbschattierungen,
ein realistisches Rechnerbild von den dreidimensionalen Objekten
mit einer Oberfläche
mit Spezialeffekt zu betrachten und dieses Bild für die Entscheidungsfindung
heranzuziehen wenn es um das Objekt und/oder um den Entwurf einer
Spezialeffektfarbschattierung geht.
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Beispiele
einer solchen Entscheidungsfindung enthalten:
- 1.
Eine Entscheidungsfindung dahingehend, welche Oberflächentopographie
(Formenentwurf) zu welchem visuellen Gesamteindruck und/oder detaillierten
Eindruck eines dreidimensionalen Objektes führt, wenn dieses mit einer
Oberfläche
mit Spezialeffekt versehen ist, und welche konstruktiven Einzelheiten
oder welcher Entwurf einer Form in dieser Verbindung verwendet oder
vermieden werden sollte. Diese Entscheidungen sind insbesondere
in dem Automobilsektor wichtig geworden, insbesondere in der jüngsten Zeit,
da der Trend bei dem Automobilbau in die Richtung einer Entwurfsart
ohne Verbindungen oder mit den engst möglichen Verbindungen zwischen
den einzelnen Komponenten geht.
- 2. Eine Entscheidungsfindung dahingehend, in welcher Helligkeit
und/oder in welchem Farbflopbereich die Spezialeffektfarbschattierungen
ausgewählt
werden sollten für
ein dreidimensionales Objekt mit einer gegebenen Oberflächentopographie,
wenn störende
visuelle Eindrücke
vermieden werden sollen oder wenn gewünschte visuelle Eindrücke erzeugt
werden sollen.
- 3. Eine Entscheidungsfindung dahingehend, was die Wirkung eines
dreidimensionalen Objektes mit einer gegebenen Oberflächentopographie
in verschiedenen gegebenen Spezialeffektfarbschattierungen sein
wird und welche Spezialeffektfarbschattierungen für ein bestimmtes
Objekt in einer geschmackvollen Art und Weise angemessen sind und
den Charakter desselben hervorheben können.
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Diese
Entscheidungen können
in Beziehung stehen zu einem virtuellen Objekt mit einer gegebenen
Oberflächentopographie
oder zu einem tatsächlich
existierenden Objekt, welches in der Realität aber noch nicht in der betroffenen
Spezialeffektfarbschattierung beschichtet worden ist und welches
insofern diesbezüglich
ein virtuelles Objekt ist.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann bei der Entscheidungsfindung helfen, ohne dass die Notwendigkeit
besteht, die Objekte in der Realität zu bauen und sie in den betroffenen Spezialeffektfarbschattierungen
zu beschichten. Dies bedeutet eine enorme Einsparung hinsichtlich
der Kriterien von Kosten, Zeit und Arbeit bei dem Entwurf von neuen Formen
und Spezialeffektfarbschattierungen von dreidimensionalen Objekten.
Teure Entwicklungsirrtümer
können
vermieden werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann zum Beispiel von Automobilherstellern und/oder von Herstellern
von Automobilbeschichtungen verwendet werden. Es bietet eine wertvolle
Hilfe bei der Entscheidungsfindung, zum Beispiel dann, wenn es in einer
frühen
Entwurfsphase des Stylings verwendet wird.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann natürlich
auch in einer sehr ähnlichen
Art und Weise verwendet werden für
die Erzeugung eines Rechnerbildes von dreidimensionalen Objekten,
die mit einer einzigen Farbe beschichtet sind unter Verwendung von
Einzel-Farben-Beschichtungen anstelle von Beschichtungen mit Spezialeffekt
beim Beschichten eines oder mehrerer Testpaneele.
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Schließlich sollte
es den Experten auf diesem Gebiet offensichtlich sein, dass das
Verfahren gemäß der Erfindung
auch verwendet werden kann, um tatsächliche, reale Objekte aus
dem Rechnerbild herzustellen. Solche Objekte können zweidimensionale Bilder
enthalten, welche auf dem Papier oder auf anderen Substraten gedruckt
sind oder dreidimensionale Objekte.