DE69506091T2 - Texturabbildung in 3-d-rechnergraphik - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Texturabbildung in 3D-Computergraphiken.
• Um ein Bildschirmbild tatsächlich zweidimensional (2D) darzustellen, das als korrekte Ansicht eines dreidimensionalen (3D) Objekts angenommen wird, wird das Objekt als erstes von einem Programmierer als Serie von Koordinaten (x, y, z) im Raum definiert. Das Objekt, wie es zu einem Zeitpunkt zu sehen ist, wird dann durch Algorithmen in dem Computer in der Form einer Serie von 2D-Koordinaten (x, y) hergeleitet, derart, daß jeder Punkt dieses Bildes eine Projektion eines Punktes im Raum mit x-, y- und z-Koordinaten ist. Da eine Objektoberfläche durch eine Serie von Scheitelpunkten definiert ist, die die äußersten Grenzen des Bildes dieser Oberfläche lokalisieren, würde ein Computer ein solches Bild lediglich als Außenlinie zeichnen, das für eine realistische Darstellung aufgefüllt werden muß, d. h. dem eine "Textur" gegeben werden muß, die ein Oberflächendetail, eine Farbe und eine Beleuchtung darstellt.
• In der Praxis wird dies durch Übertragen eines im voraus gespeicherten Bildes der Textur auf die Außenlinie durchgeführt. Dies wird als "Texturabbildung" bezeichnet. Da die Oberfläche für eine realistische Darstellung in der z-Richtung zurücktreten muß, muß dies auch die Textur. Die Aufgabe besteht folglich darin, die Textur von einer texturierten Quelle, d. h. dem beabsichtigten 3D-Objekt, auf eine perspektivische 2D-Projektion eines 3D-Polygons abzubilden (der allgemeine Begriff, der für einen spezifizierten Bereich einer Oberfläche auf dem Objekt verwendet wird). Eine Texturabbildung wird gewöhnlicherweise Pixel für Pixel entlang einer Abtastlinie des Bildschirm durchgeführt. Die Abbildung einer Quellentextur auf Bitmap-Pixel muß derart durchgeführt werden, daß das Bild in einer getreuen Perspektive zu sein scheint.
• Gegenwärtige Abtastlinien-Texturabbildungstechniken sind:
• Eine perspektivisch getreue Texturabbildung, die zwei mathematische Divisionen pro Pixel erfordert, um Quellentexturkoordinaten zu berechnen.
• Eine quadratische Interpolation von Quellentexturkoordinaten über ein Zielpolygon. Die quadratischen Koeffizienten werden aus den korrekten Texturkoordinaten an dem Mittelpunkt der Abtastlinie oder der Kante berechnet.
• Eine quadratische Interpolation mit unterteilten Polygonen.
• Eine einfache Wölbungsabbildung, die eine lineare Interpolation von Quellentexturkoordinaten über ein Zielpolygon beinhaltet.
• Eine Wölbungsabbildung mit einer Unterteilung eines Quellenpolygons in gleiche Teile vor einer Projektion.
• In der "IEEE Computer graphics and applications, Bd. 6, Nr. 9, September 1986, New York (US)" wird in dem Artikel von E. Bier u. a. mit dem Titel "Two-part texture mappings" ein zweiteiliges Texturabbildungssystem offenbart, wobei ein Teil möglicherweise eine Wölbungsabbildung ist.
• Das Problem besteht darin, daß die oben aufgeführten Techniken für eine Verwendung auf Heim-Mikrocomputern bei Echtzeitrahmenraten (Echtzeitbildwiederholraten, d. h. ausreichend hohe Raten, um eine nahezu glatte Bewegung von animierten 3D-Bildern zu liefern) zu langsam sind oder keinen ausreichenden perspektivischen Effekt liefern. Solche Computer, die beispielsweise überwiegend für Computerspiele verwendet werden, weisen einen begrenzten Speicher, eine begrenzte Prozessorleistung und ein begrenztes Graphikverhalten auf.
• Demgemäß schlägt die vorliegende Erfindung ein Texturabbildungsverfahren für Computergraphiken vor, das in Anspruch 1 spezifiziert ist.
• Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Bilderzeugungssystem zum Aufbringen einer Textur auf ein angezeigtes Objekt mittels des hierin beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt die Einrichtung, die notwendig ist, um die beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen, und kann in Hardware- oder Software-Form oder in einer beliebigen Kombination derselben vorliegen. Diese Einrichtung wird Fachleuten auf diesem Gebiet aus den hierin dargestellten Lehren offensichtlich werden.
• Damit die Erfindung klar verständlich wird, wird nun ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Technik beschrieben.
• Dieses beginnt mit einem Texturabbildungspolygon, das in einem 3D-Betrachtungsraum folgendermaßen definiert ist:
Anfangsblock:
• N Anzahl der Scheitelpunkte
• P Zeiger auf Texturtabellenbilddaten
Scheitelpunkte:
• X, Y, Z, U, V z-Abstand von der Betrachtungsebene U, V sind Texturkoordinaten
• ...
• X, Y, Z, U, V
• Das oben beschriebene Datenformat und die Unterroutinen, die mit demselben arbeiten, werden auch von dem 3D-Texturtabellen-Clipper (der 3D-Texturtabellenabschneideeinrichtung) verwendet.
Stufe 1:
• Durchgehen der Scheitelpunktliste, um das Verhältnis eines fernen zu einem nahen z zu berechnen, und daraufhin Vergleichen des Ergebnisses mit einer eingestellten Schwelle. Wenn dieses Verhältnis 3 erreicht, führt das System eine Unterteilung durch, wobei diese Eigenschaft jedoch ein Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit und der Bildqualität ist, und diese Schwelle eingestellt werden könnte, um dabei zu helfen, eine konstante Rahmenrate beizubehalten.
• Falls die Schwelle nicht überschritten wird, wird damit weitergemacht, unter Verwendung einer einfachen Abtastlinienwölbungsabbildung oder einer quadratischen Abbildung ein Polygon zu zeichnen.
Stufe 2
• Berechnen einer z-Ebene, die verwendet wird, um ein Polygon in zwei neue Polygone zu unterteilen. Der einfachste Fall besteht darin, bei einem Viertel des Weges von einem nahen z zu einem fernen z eine Unterteilung vorzunehmen. Dies wird in der Nähe des halben Weges über das projizierte Polygon sein, wenn das Verhältnis eines nahen zu einem fernen z 3 erreicht.
Stufe 3:
• Aufrufen eines 3D-Clippers, um eine Ansicht eines Raumpolygons an einer spezifizierten Ebene eines konstanten z in zwei neue Polygone abzuschneiden.
Stufe 4:
• Zeichnen des fernen Polygons und Führen des nahen Polygons zurück zur Stufe 1, um das Verhältnis von z usw. zu überprü fen und die Stufen 2 bis 4 iterativ zu wiederholen.
• In der Praxis würde es möglich sein, in der Stufe 2 in mehr als zwei Polygone zu unterteilen, und in Stufe 4 mehr als ein Polygon zu der Stufe 1 zurückzuführen. Die praktische Auswirkung dieser Technik besteht darin, daß die neue Kante, die zwischen beliebigen zwei neuen Polygonen erzeugt wird, parallel zu der Betrachtungsprojektionsebene ist. So ändern sich entlang dieser Kante die Texturkoordinaten linear in dem projizierten Polygon. Dies führt dazu, daß eine einfache Wölbungsabbildung entlang dieser neuen Kanten korrekt ist. Dies ergibt eine beträchtliche perspektivische Korrektur für jede Unterteilung des Polygons. Folglich muß eine geringere Anzahl von Unterteilungen durchgeführt werden, wodurch eine geringere Anzahl von Polygonen erzeugt wird. Da ein Mehraufwand einen großen Anteil der Zeit annehmen kann, die erforderlich ist, um ein Polygon zu zeichnen, kann dies eine Geschwindigkeitsverbesserung gegenüber einer normalen Unterteilung ergeben.
• Bei dieser Technik ist es nicht erforderlich, daß die Textur dieselbe Form wie das Quellenpolygon aufweist, da genau der perspektivische Effekt auf eine Wölbungsabbildung verbessert wird. Die Schwelle für eine Unterteilung kann in Echtzeit eingestellt werden, um ziemlich glatte Änderungen der Bildqualität und der Rahmenrate zu ergeben.
• Die Technik gemäß der Erfindung erzeugt eine wesentlich verbesserte perspektivische Aufbereitung von Oberflächen unter Verwendung einer begrenzten Verarbeitungsleistung. Die Technik ermöglicht eine bessere Bewegung von Bildern in Echtzeit als bisher, und dieselbe ist insbesondere bei Programmen von Computerspielen nützlich, die auf einer Hardware mit einer eingeschränkten Geschwindigkeit, einem eingeschränkten Speicher, usw. laufen sollen. Die Technik reduziert wesentlich das Volumen einer mathematischen Verarbeitung, insbesondere einer Division, die erforderlich ist.

Claims (9)

1. Ein Texturabbildungsverfahren für Computergrafiken, mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Bildes, das angezeigt werden soll, als Serie von Zielpolygonen, Identifizieren des oder jedes Bildobjekts, das angezeigt werden soll, als ein texturiertes Quellenpolygon oder als mehrere texturierte Quellenpolygone, Unterteilen des oder jedes texturierten Quellenpolygons eines Objekts entlang Ebenen mit einem konstanten Abstand von einer Betrachtungsposition, um eine Mehrzahl von Teilpolygonen zu erzeugen, die entlang einer Linie mit konstantem Abstand von der Betrachtungsposition zusammentreffen, und Aufbereiten der sich ergebenden Teilpolygone auf die Zielpolygone des Bildes durch einfaches Wölbungsabbilden, das eine lineare Interpolation von Quellentexturkoordinaten des texturierten Quellenpolygons oder der Polygone über jedes der Teilpolygone beinhaltet.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, mit folgenden Schritten: Abtasten der Scheitelpunkte eines Polygons, Bestimmen, aus der Liste, eines Scheitelpunktabstandverhältnisses als das Verhältnis des weitesten Abstandes von der Betrachtungsposition zu dem geringsten Abstand, Vergleichen des Verhältnisses mit einer vorbestimmten Schwelle, und Unterteilen des Polygons in eines oder mehrere Teilpolygone, wenn das Verhältnis die vorbestimmte Schwelle übersteigt.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Schwellenpegel ungefähr 3 beträgt.

4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem das Polygon bei einem Viertel des Wegs von dem geringsten zu dem weitesten Abstand von der Betrachtungsposition unterteilt wird.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem das Polygon durch Aufrufen eines 3-D-Abschneide-Algorithmus unterteilt wird, um das Polygon in zwei oder mehr neue Teilpolygone zu unterteilen, wobei zumindest eines der neuen Teilpolygone in einer spezifizierten Ebene mit einem im wesentlichen konstanten Abstand von der Betrachtungsposition angeordnet wird.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, mit folgendem Schritt: Aufbereiten des Teilpolygons oder der Teilpolygone mit im wesentlichen konstantem Abstand von der Betrachtungsposition und Neuberechnen des Scheitelpunktabstandverhältnisses für das oder jedes weitere Teilpolygon, um zu bestimmen, ob eine Unterteilung derselben erforderlich ist.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem das Teilpolygon, das am weitesten von der Betrachtungsposition entfernt ist, als erstes gezeichnet wird und das Scheitelpunktabstandsverhältnis für das oder jedes weitere Teilpolygon erneut berechnet wird.

8. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem jedes Polygon oder Teilpolygon unterteilt wird, bis das Scheitelpunktabstandsverhältnis jedes Teilpolygons kleiner als der Schwellenpegel ist.

9. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem das Polygon unter Verwendung einer einfachen Abtastlinienwölbungsabbildung oder einer quadratischen Abbildung gezeichnet wird, wenn das Verhältnis den Schwellenpegel nicht übersteigt.