DE10105765A1 - Verfahren zur visuellen Darstellung von räumlichen Objekten - Google Patents

Abstract

Um bei der Wiedergabe eines räumlichen Objektes gleichzeitig einen Einblick in dieses Objekt zu ermöglichen, insbesondere um die Wiedergabe der räumlichen Verteilung einer skalaren Feldgröße einfach und übersichtlich zu gestalten, wird vorgeschlagen, das räumliche Objekt in Teilvolumina zu unterteilen, in denen die darzustellende Messgröße als einheitlich angesehen werden kann, wobei teilvolumenspezifisch die einzelne Messgröße nach Maßgabe der Konzentration regellos verteilter Partikel dargestellt ist. In Abhängigkeit von der Skalierung der Messgröße ergeben sich damit Einblicke in deren räumliche Verteilung. Zusätzlich zu der Konzentration der Partikel kann die Messgröße durch die Gestalt und die Farbe der Partikel kodiert sein. Die Wiedergabe des Gegenstands nach Maßgabe eines aus Teilvolumina zusammengesetzten Volumens erfolgt vorzugsweise rechnergestützt, wodurch ferner einfache Bearbeitungsmöglichkeiten, beispielsweise Veränderungen der Skalierung, räumliche Transformationen usw. vorgenommen werden können, die sämtlich darauf gerichtet sind, den räumlichen Charakter des Objektes zu verdeutlichen und Einblicke in dessen Tiefe zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren und Systeme zur Erfassung sowie zur visuellen Darstellung räumli­ cher Objekte sind in vielfältiger Form bekannt. Sie werden für die Vermessung von Objekten, zur Darstellung von Objekten im Bereich der Simulationstechnik, der rechnergestützten Konstruktion, der Medizin, jedoch auch zur grafischen Darstellung mathematischer Funktionen, dreidimensionalen Maßdaten usw. eingesetzt. Es geht mit anderen Worten um die Darstellung sowohl errechneter dreidimensionaler Grafiken als auch um die Erfassung und Darstellung sonsti­ ger dreidimensionaler Objekte. Die Wiedergabe erfolgt regelmäßig mit Mitteln der EDV- bzw. Videotechnik.

Derartige Verfahren sind beispielsweise aus den Fundstellen DE 197 53 040 A1 und DE 197 49 974 A1 bekannt. Hierbei wird ein räumliches Objekt dadurch ermittelt, dass eine, durch eine Mikrolinsenanordnung gekennzeichnete Abbil­ dungsanordnung, die einen begrenzten Tiefenschärfebereich aufweist, mittels eines Scanners nach Maßgabe der räumlichen Tiefe des Objektes geführt wird, so dass anhand der, aus unterschiedlichen räumlichen Tiefen des Objektes ermittelten Objektpunkten deren relative Lage zueinander errechnet und zu einem das Objekt beschreibenden Datensatz komplettiert wird. Bei der visuel­ len Wiedergabe der Abbildung des räumlichen Objektes wird umgekehrt vorge­ gangen, wobei nunmehr ausgehend von einem, das Objekt beschreibenden Datensatz eine Laserdiodenanordnung angesteuert wird und mittels einer scannergeführten Abbildungsoptik aus einer Vielzahl nach Maßgabe der räum­ lichen Tiefe aufeinander folgender Teilbilder das räumliche Bild des Objektes generiert wird.

Wesensmerkmal dieser bekannten Erfassungs- und Wiedergabetechniken ist, dass das Objekt durch in Richtung der räumlichen Tiefe aufeinander folgender Teilbilder wiedergegeben und die Gesamtheit seiner Oberflächenpunkte darge­ stellt wird, welches zwar für den Betrachter eine durch einen großen Tiefen­ schärfebereich gekennzeichnete Wiedergabe ermöglicht, wobei jedoch keine Einblicke in das Innere des Gegenstands vermittelt werden.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu entwickeln, welches eine Wiedergabe räumlicher Objekte unter gleichzeitiger Eröffnung eines Einblicks in diese Objekte ermög­ licht. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Verfahren durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist, dass die jeweils darzustellende Messgröße, insbe­ sondere deren räumliche Verteilung teilvolumenspezifisch, somit nach Maß­ gabe von Teilvolumina digitalisiert wiedergegeben wird, wobei der örtliche Wert dieser Messgröße durch die Konzentration optisch wahrnehmbarer Partikel dargestellt ist. Den genannten Teilvolumina ist ein bestimmter Ort innerhalb des darzustellenden Gegenstands zugeordnet, wobei über eine Skalierung des Wertes der Konzentration der genannten Partikel in einem Teilvolumen der dementsprechende Wert der Messgröße darstellbar ist. In Abhängigkeit von dieser Skalierung ermöglichen somit die Zwischenräume zwischen den Parti­ keln Einblicke in das Innere des abgebildeten Gegenstands, somit eine Tiefen­ ortung, so dass wiederum in Abhängigkeit von der vorgenommenen Skalierung die Transparenz des Gegenstands gegeben ist sowie die räumliche Verteilung der dargestellten Messgröße deutlich wird. Bei dieser Messgröße kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische Messgröße bzw. einen sonsti­ gen, in seiner räumlichen Verteilung wiederzugebenden Parameter handeln, der das Ergebnis eines Berechnungsvorgangs bildet, somit einen Teil eines Simulationsmodells oder der eine experimentell ermittelte Eigenschaftsvertei­ lung oder eine dreidimensionale Messung wiedergibt. In jedem Fall führt die Anwendung des Verfahrens zur räumlichen Darstellung eines ein endliches Volumen aufweisenden Gegenstands, der nicht nur durch seine äußere Ober­ fläche gekennzeichnet ist, sondern der ein hohes Maß an Transparenz aufweist und örtlich inhomogene Verteilungen der genannten Messgröße auch in ihrer Tiefe für den Betrachter erkennen lässt.

Die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind auf unterschiedliche Gestaltungs­ formen der zu Darstellungszwecken benutzten Partikel gerichtet. Alle Partikel weisen vorzugsweise eine gleiche Größe und Gestalt auf und können hiernach opak ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass aus einer Betrachtungsrichtung zwei unmittelbar hintereinander gelegene Partikel nicht unterscheidbar sind und dass sich die Partikel ansonsten teilweise überdecken können, wobei aus an­ deren Blickrichtungen hingegen die Überdeckung teilweise aufgehoben ist, so dass stereoskopische Betrachtungstechniken die Transparenz des dargestell­ ten Gegenstands noch erhöhen. Alternativ hierzu können die Partikel auch transparent angelegt sein, so dass nach Maßgabe der Beleuchtungsverhält­ nisse in Abhängigkeit von der örtlichen Anhäufung der Partikel sich deren Hel­ ligkeiten addieren. Die örtliche Helligkeit sowie das Maß der Überdeckungen bilden in diesem Fall die kennzeichnenden Parameter zur Beschreibung örtli­ cher Inhomogenitäten des dargestellten Objektes bezüglich der zu beschrei­ benden Messgröße.

Die Partikel können sämtlich eine gleiche Einfärbung haben. Es ist entspre­ chend den Merkmalen des Anspruchs 4 jedoch auch möglich, den Partikeln unterschiedliche Einfärbungen zu verleihen, so dass zusätzlich zur örtlichen Anzahl der Partikel die darzustellende Messgröße auch über die Farbe der Partikel kodiert sein kann. Ein weiteres Mittel zur Kodierung kann in der Gestalt der Partikel liegen. Über die Gestalt, die Einfärbung und die örtliche Konzentra­ tion der Partikel, die wiederum teilvolumenspezifisch angelegt ist, lassen sich weitere Informationen betreffend den dargestellten Gegenstand vermitteln. So kann beispielsweise durch eine Modulation von Farbe, Helligkeit und Gestalt in Abhängigkeit von der Entfernung zum Betrachter die Erkennung des räumli­ chen Charakters des dargestellten Gegenstands, insbesondere die Tiefenzu­ ordnung einzelner Bereiche verbessert werden.

Das Verfahren kann zur Darstellung eines skalaren Feldes z. B. eines Tempe­ raturfeldes innerhalb eines räumlich abgegrenzten Volumens benutzt werden. Insbesondere dann, wenn die Partikel den Eindruck einer ausgeprägten Rich­ tung vermitteln, besteht jedoch entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 auch die Möglichkeit, ein vektorielles Feld, z. B. ein Strömungsfeld, ein magneti­ sches Feld usw. in seiner räumlichen Verteilung darzustellen. Da in diesen Fällen insbesondere die Veränderung der jeweiligen Feldgröße - in der Tiefe des betrachteten Raumes gesehen - von Interesse ist, bietet das erfindungs­ gemäße Verfahren besondere Vorteile einer raschen und übersichtlichen Dar­ stellung.

Entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 6 und 8 erfolgt die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens rechnerunterstützt. Dies bietet in Verbindung mit der räumlichen Unterteilung eines gegebenen Volumens in Teilvolumina ebenso Vorteile wie bei der raschen Skalierung der innerhalb eines Teilvolumens regellos verteilten Partikel nach Maßgabe der örtlich dar­ zustellenden Messgröße. Gleiches gilt für die gestaltliche und farbliche Wie­ dergabe der Partikel zwecks Kodierung einer weiteren hiermit verbundenen Information. Hinzutritt jedoch die einfache Möglichkeit einer Bearbeitung zwecks Verdeutlichung der Wiedergabe sowie die weitere Möglichkeit der Ausführung räumlicher Transformationen, insbesondere Rotationen, Transla­ tionen usw., so dass infolge der dem Betrachter auf diesem Wege vermittelten Parallaxeninformation eine weitere Verbesserung des Einblicks in die räumliche Tiefe des dargestellten Objekts gegeben ist.

Die Merkmale der Ansprüche 9 und 10 sind auf die Beseitigung von durch die Diskretisierung nach Maßgabe von Teilvolumina sich ergebenden, störenden Effekten gerichtet.

Die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 sind auf die Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Diese betrifft - wie eingangs bereits dar­ gelegt worden ist, den gesamten Bereich der räumlichen Wiedergabe sowohl analytisch ermittelter Verteilungen einer Messgröße als auch denjenigen einer experimentell ermittelten Verteilung und kann Anwendung finden im gesamten Bereich von Technik, Naturwissenschaft und Medizin.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand unterschiedlicher Darstellungen eines räumlichen Gebildes näher erläutert werden.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen einzelne praktische Anwendungsfälle des erfindungs­ gemäßen Verfahrens anhand räumlicher Verteilungen von Partikeln, deren un­ terschiedliche räumliche Konzentration die Verteilung einer skalaren Feldgröße zeigt. Die Darstellungen sind rechnerunterstützt vorgenommen worden, wobei anhand eines Koordinatensystems beliebige räumliche Transformationen des dargestellten Gegenstands möglich sind, und zwar nicht nur Rotationen bzw. Translationen, sondern gleichermaßen auch örtliche abweichende Skalierun­ gen, so dass gute Einblickmöglichkeiten in das Innere des wiedergegebenen Objektes vermittelt werden.

Die rechnergestützte Darstellung ermöglicht eine einfache Bearbeitung bei­ spielsweise mit dem Ziel, den räumlichen Charakter des dargestellten Gegen­ stands zu verdeutlichen. So kann eine gewählte Skalierung verändert werden und es können die Partikel der den Gegenstand darstellenden Partikelwolke hinsichtlich ihrer Farbe und/oder Gestalt zusätzlich verändert werden. Eine durch die genannten Teilvolumina gegebene Diskretisierung der Darstellung kann dadurch behoben werden, dass alle Partikel jeweils eines Teilvolumens nach Maßgabe eines zufälligen Wegelements in einer zufälligen Richtung ver­ schoben werden. Dadurch, dass auf diesem Wege einzelne Partikel die Grenze zwischen aneinanderliegenden Teilvolumina überschreiten, führt nach Maß­ gabe der Länge der Wegelemente zu einer "Verwischung" der Grenzen zwi­ schen den Teilvolumina.

Claims (13)

1. Verfahren zur visuellen Darstellung der räumlichen Verteilung der Werte ei­ ner Messgröße innerhalb eines definierten Raumes, dadurch gekennzeich­ net, dass der Raum in solche Teilvolumina unterteilt wird, in denen die dar­ zustellende Messgröße einen einheitlichen Wert aufweist und dass der örtli­ che, d. h. einem jeden Teilvolumen zugeordnete Wert der Messgröße nach Maßgabe der Konzentration optisch wahrnehmbarer, innerhalb des Teilvo­ lumens regellos verteilter Partikel dargestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verwendung opaker Partikel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verwendung trans­ parenter Partikel.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße zusätzlich mittels der Form und der Farbe der Partikel kodiert ist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung des Feldes einer vektoriellen Mess­ größe nicht kugelförmige, achsensymmetrische Partikel benutzt werden, die den Eindruck einer ausgeprägten Richtung vermitteln.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine rechnergestützte, teilvolumenspezifische, nach Maß­ gabe einer vorgebbaren Skalierung der darzustellenden Messgröße vorge­ nommene Kodierung der Messgröße gemäß der Konzentration der Partikel.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine rechnergestützte, teilvolumenspezifische, nach Maßgabe einer vorgebbaren Skalierung vorgenommene Kodierung der Mess­ größe nach Form, Farbe oder sonstiger optischer wahrnehmbarer Gestal­ tungsmittel der Partikel.

8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die, die Verteilung der Messgröße darstellende Partikelwolke räumlich transformier­ bar, insbesondere rotierbar, translatierbar sowie skalierbar ist.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufhebung einer durch die Unterteilung in Teilvo­ lumina gegebenen Diskretisierung sämtlicher Partikel nach Maßgabe vor­ gebbarer Weglängen regellos verschoben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Weglängen nach Maßgabe von Obergrenzen und ansonsten regellos angelegt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Weglängen nach Maßgabe von vorgebbaren mittleren Weglängen und einer vorgebbaren stochastischen Verteilungsfunktion angelegt sind.

12. Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11 zur visuellen Darstellung eines analytisch ermittelten räumlichen Si­ mulationsmodells betreffend die Verteilung der genannten Messgröße.

13. Anwendung des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11 zur visuellen Darstellung einer experimentell oder in sonstiger Weise ermittelten räumlichen Verteilung der genannten Messgröße.