DE102005003426A1

DE102005003426A1 - Verfahren zur Kompensation des Gamma-Verhaltens

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Publication number: DE102005003426A1
Application number: DE102005003426A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr.rer.nat. Hahn; Konrad Dr. Polthier
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Datenverarbeitungsanlage und ein Computerprogramm-Produkt zur Erzeugung einer rechnerverfügbaren Darstellung (9) eines beleuchteten physikalischen Gegenstands auf einem Bildschirmgerät einer Datenverarbeitungsanlage. Dieses Bildschirmgerät weist ein Gamma-Verhalten auf. Bildpunkte (BP) eines vorgegebenen Konstruktionsmodells (8) werden ausgewählt. Für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) wird eine Soll-Lichtintensität (LI_BP) berechnet. Aus dieser wird eine das Gamma-Verhalten kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) des Bildpunkts (BP) berechnet. Aus dieser kompensierenden Lichtintensität (LI_BP_komp) wird ein vom Bildschirmgerät verarbeitbares Eingangssignal (ES_BP) des Bildpunkts (BP) berechnet. Die Darstellung (9) wird unter Verwendung der ausgewählten Bildpunkte (BP) und ihrer Eingangssignale (ES_BP) erzeugt, an das Bildschirmgerät übermittelt und von diesem angezeigt. Hierbei wird ein ausgewählter Bildpunkt (BP) auf dem Bildschirmgerät mit einer vom Eingangssignal (ES_BP) abhängenden Anzeige-Lichtintensität angezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Datenverarbeitungsanlage und ein Computerprogramm-Produkt zur Erzeugung einer rechnerverfügbaren Darstellung eines beleuchteten physikalischen Gegenstands auf einem Bildschirmgerät einer Datenverarbeitungsanlage.
Insbesondere beim Konstruieren eines physikalischen Gegenstandes, z. B. eines Kraftfahrzeugs, wird eine von einer Datenverarbeitungseinrichtung automatisch erzeugte rechnerverfügbare dreidimensionale Darstellung des Gegenstandes benötigt. Diese auf einem Ausgabegerät zu zeigende Darstellung soll möglichst realitätsnah sein.
Gewünscht wird eine realitätsnahe dreidimensionale Darstellung des beleuchteten Gegenstandes, also eine Darstellung, die zeigt, wie der Gegenstand bei der Beleuchtung aussieht. Diese Darstellung wird mit Hilfe des vorgegebenen Konstruktionsmodells erzeugt und umfaßt Bildpunkte.
Die Lichtintensität, die ein Punkt eines realen Gegenstandes aussendet, hängt von der Intensität der auftreffenden Beleuchtung, dem Reflexionsverhalten des Gegenstandes und der Betrachtungsrichtung ab. Die zu erzeugende Darstellung soll den beleuchteten Gegenstand und die Lichtintensitäten von Be reichen der Oberfläche realitätsnah zeigen und die physikalische Realität gut wiedergeben.
Um eine Darstellung eines Gegenstandes zu erzeugen, repräsentiert eine Datenverarbeitungsanlage diese physikalisch meßbaren Größen intern als Fließkommazahlen, z. B. in einer 32-Bit-Darstellung. Ein Bildschirmgerät einer Datenverarbeitungsanlage stellt den Gegenstand dadurch dar, dass es eine Darstellung zeigt, die aus Bildpunkten mit unterschiedlichen Lichtintensitäten besteht. Gewünscht wird eine Darstellung des Gegenstandes, bei der die dargestellte Lichtintensität eines Bildpunktes auf dem Bildschirmgerät der Lichtintensität eines Punktes eines beleuchteten physikalischen Gegenstandes entspricht. Eine in der Realität gleichmäßige Helligkeitsabstufung soll auch in der Bildschirmdarstellung als gleichmäßig wahrgenommen werden. Außerdem wird gewünscht, dass bei einer Veränderung eines Parameters der Farbe oder der Lichtintensität sich die wahrgenommene Helligkeit ebenfalls gleichmäßig, Idealerweise proportional, ändert. Weil sich die Wahrnehmung des Werts einer Größe nicht quantitativ messen läßt, hat sich als Bezeichnung dieser Eigenschaft der Begriff „perceptually uniform" durchgesetzt, vgl. z. B. Ch. Poynton: „Digital Video and HDTV", Morgan Kaufmann, San Francisco, 2003.
Die Lichtintensität, mit der das Bildschirmgerät einen Bildpunkt anzeigt, hängt von einem Eingangssignal für diesen Bildpunkt ab.
Das Bildschirmgerät vermag ein Eingangssignal nur dann zu verarbeiten und in eine Lichtintensität umzusetzen, wenn das Eingangssignal in einer Menge verarbeitbarer Eingangssignale liegt. Beispielsweise ist das Eingangssignal ein RGB-Vektor (RGB = red – green – blue). Der Rotwert, der Grünwert und der Blauwert ist jeweils eine ganze Zahl zwischen 0 und 255, also ein 8-Bit-Wert
mit a_i = 0 oder a_i = 1.
Aus Ch. Poynton, a.a.O., S. 271 ff., ist das Gamma-Verhalten eines Kathodenstrahl-Bildschirms (CRT) bekannt. Die Lichtintensität, mit der das Bildschirmgerät einen Bildpunkt darstellt, ist nicht proportional zum analogen Wert des Eingangssignals, das an das Bildschirmgerät gesandt wird und die codierte Soll-Lichtintensität festlegt. Das Gamma-Verhalten, also der Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal ES für die Soll-Lichtintensität, und der tatsächlichen Lichtintensität L, mit der das Bildschirmgerät den Bildpunkt darstellt, wird in Ch. Poynton, a.a.O., p.272, durch die Funktion L = ES γ_BG = ES^γ_BG beschrieben.
Der Faktor γ_BG wird als „Gamma-Faktor" („display gamma") des Bildschirmgeräts bezeichnet, das nichtproportionale Verhalten des Bildschirms als Gamma-Verhalten. Der Gamma-Faktor γ hängt vom Bildschirm ab und liegt in der Regel zwischen 2,2 und 2,9.

Um das Gamma-Verhalten zu kompensieren, wird in Ch. Poynton, a.a.O., p.274, vorgeschlagen, das elektronische Signal einer Kompensation des Gamma-Verhaltens zu unterwerfen. Die Gamma-Korrektur wird in einem zwischengeschalteten Pufferspeicher („framebuffer") durchgeführt. Dieser Pufferspeicher gehört vorzugsweise zur Graphik-Hardware, z. B. zu einer Graphikkarte. An den Zwischenspeicher wird eine Codierung des Soll-Farbwertes gesandt. Der Zwischenpuffer führt die Kompensation durch und sendet an den Bildschirm das elektrische Signal. Vorzugsweise wertet der Zwischenspeicher eine Wertetabelle („look-up table") aus, um die Kompensation durchzuführen.

In Ch. Poynton, a.a.O., p.274 f., wird vorgeschlagen, dass an den Zwischenspeicher als Eingangssignal eine Farbcodierung FC in Form eines RGB-Vektors übermittelt wird. Der Zwischenspeicher erzeugt das Signal ES für den Bildschirm gemäß der Rechenvorschrift ES = FC ^ γ_komp. Falls das erste Modell zutrifft, so gilt: L = ES ^ γ_BG = (FC ^ γ_komp) ^ γ_BG = FC ^ (γ_komp·γ_BG).

In Ch. Poynton, a.a.O., p.273, wird weiterhin offenbart, dass ein Bildschirm oft Schwarztöne nicht korrekt wiedergibt ("black level error" ε_BG). Der Zusammenhang zwischen L und V wird durch den Zusammenhang L = (ES + ε_BG) ^ γ beschrieben.

Auch in T. Akenine-Möller & E. Haines: „Real-Time Rendering", A. K. Peters, 2^nd Edition, 2002, S. 109 ff., wird das Gamma-Verhalten beschrieben. Dort wird der Zusammenhang zwischen L und V durch den Zusammenhang L = α·(V + ε_BG) ^ γ beschrieben.

Die Empfehlung ITU 709 sieht vor, einen Wert für γ_komp von 0,45, einen Wert für ε von 0,099 und einen Wert für α von 0,9099 zu verwenden, vgl. Ch. Poynton, a.a.O., p. 277. Für geringe Farbcodierungen werden ein Verstärkungsfaktor von β und eine Schwelle von Δ verwendet. Das folgende Verfahren wird jeweils für den Rotwert, den Grünwert und den Blauwert angewendet. Zunächst wird aus der Farbcodierung FC (eine ganze Zahl zwischen 0 und 255) ein elektrisches Signal V1 gemäß der Rechenvorschrift V1 = 255∙ITU_709(FC/255) berechnet.

Hierbei ist

ITU(x) = β∙x	falls x <= Δ
ITU(x) = 1/α∙(x^γ_komp) – ε_BG	falls x > Δ

Anschließend wird aus V1 eine ganze Zahl V, die eine gültige Farbcodierung ist, berechnet. Zunächst wird V1 zur nächsten ganzen Zahl N aufgerundet oder abgerundet. Anschließend wird die Rechenvorschrift:

V = N	falls 0 <= N <= 255
V = 0	falls N < 0
V = 255	falls N > 255

angewendet.

Das menschliche Auge nimmt bei dunkleren Farbtönen feinere Abstufungen wahr als bei helleren Farbtönen. Dies kann dazu führen, dass auf dem Bildschirmgerät dunkle Farbtöne zu ungleichmäßigen, streifig erscheinenden Abstufungen führen.

Dunkle Töne werden gespreizt, ihre Abstände voneinander werden größer, und ein Farbübergang erscheint als Bänderung anstelle als stufenloser Übergang.

Aus WO 00/60479 A1 und WO 00/57363 A1 ist ein Verfahren bekannt, um die Lichtintensität („luminance") zu berechnen, die ein Bildpunkt eines Bildschirmgeräts liefert. Vorzugsweise erhält jeder Bildpunkt als Eingangssignal einen eigenen RGB-Vektor, der aus drei 8-Bit-Werten besteht. Dieser wird vorzugsweise durch eine einzelne Zahl codiert. Eingangsignale („pixel values") für das Bildschirmgerät werden mit Hilfe eines Cache-Zwischenspeichers von einem „display driver" erzeugt. Der „display driver" führt auch eine „gamma correction" durch. In einer Ausführungsform werden die Berechnungen der Eingangssignale einschließlich der „gamma correction" vorab durchgeführt, und das Ergebnis der Berechnungen wird in den Cache-Zwischenspeicher abgespeichert und zur Laufzeit verwendet. Der Cache-Zwischenspeicher fungiert als „look-up table".

Verfahren und Vorrichtungen zur Kompensation des Gamma-Verhaltens sind auch aus US 6,628,828 B1 , US 2004/0056868 A1, US 2004/0090409 A1, JP 2004/112140 A, JP 2004/133402 A und JP 2004/212605 A bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur korrekten Darstellung eines beleuchteten Gegenstandes auf einem Bildschirmgerät bereitzustellen, wobei das Verfahren auch bei dunklen Tönen zu gleichmäßigeren Übergängen in der Darstellung als bekannte Verfahren führt und das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts berücksichtigt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Datenverarbeitungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und durch ein Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen stellen einen beleuchteten physikalischen Gegenstand auf einem Bildschirmgerät einer Datenverarbeitungsanlage dar. Das Bildschirmgerät vermag Bildpunkte mit von Eingangssignalen abhängenden Lichtintensitäten darzustellen, wenn die Eingangssignale zu einer vorgegebenen Eingangssignal-Menge gehören. Das Bildschirmgerät weist ein Gamma-Verhalten auf, bei dem die Lichtintensität, mit dem das Bildschirmgerät einen Bildpunkt zeigt, überproportional mit einem an das Bildschirmgerät übermittelten elektrischen Eingangssignal für die Soll-Lichtintensität des Bildpunkts ansteigt.

Das Verfahren umfaßt folgende Verfahrensschritte:

– Bildpunkte des vorgegebenen rechnerverfügbaren Konstruktionsmodells werden ausgewählt.
– Eine rechnerverfügbare Darstellung des physikalischen Gegenstandes wird unter Verwendung des Konstruktionsmodells erzeugt. Diese Darstellung umfaßt Bildpunkte.
– Für jeden ausgewählten Bildpunkt wird eine Soll-Lichtintensität des Bildpunkts berechnet. Die Soll-Lichtintensität wird dergestalt berechnet, dass sie von der Beleuchtung des Gegenstandes und dem vorgegebenen Konstruktionsmodell des Gegenstandes abhängt.
– Eine das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts kompensierende Lichtintensität jedes ausgewählten Bildpunkts wird berechnet. Diese kompensierende Lichtintensität hängt von der Soll-Lichtintensität des Bildpunkts ab. Bei der Berechnung wird das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts berücksichtigt.
– Für jeden ausgewählten Bildpunkt wird die berechnete kompensierende Lichtintensität in ein vom Bildschirmgerät verarbeitbares Eingangssignal des Bildpunkts transformiert.
– Die rechnerverfügbare Darstellung des beleuchteten physikalischen Gegenstands wird erzeugt. Für diese Erzeugung werden die ausgewählten Bildpunkte sowie die berechneten verarbeitbaren Eingangssignale der ausgewählten Bildpunkte verwendet.
– Die Darstellung mit den Bildpunkten und den berechneten Eingangssignalen der Bildpunkte wird an das Bildschirmgerät übermittelt.
– Das Bildschirmgerät zeigt die Darstellung an, wobei es jeden Bildpunkt mit einer vom Eingangssignal abhängenden Anzeige-Lichtintensität darstellt.

Die Erfindung unterscheidet eine physikalische Ebene und eine Codierungsebene. Erfindungsgemäß werden zunächst alle Berechnungen zur Erzeugung der Darstellung in einem physikalischen Raum mit physikalischen Größen durchgeführt. Erst anschließend wird das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts und die Umgebungsbeleuchtung eingerechnet und dadurch die Farbcodierungen berechnet, die für die Ansteuerung des Bildschirmgeräts erforderlich sind.

Die Berechnungen der Lichtintensitäten der Bildpunkte finden in der physikalischen Ebene statt und bilden die physikalische Realität bei der Beleuchtung des Gegenstandes nach. Die Verfahrensschritte in der physikalischen Ebene hängen nicht vom jeweiligen Bildschirmgerät und nicht von der Menge der jeweils von diesem Bildschirmgerät verarbeitbaren Eingangssignale ab. Bei den Berechnungen im physikalischen Raum werden die physikalischen Gesetze angewendet, z. B. korrektes Abklingverhalten proportional zu 1/r^2, diffuse Beleuchtung nach dem Lambert-Gesetz, Überlagerung mehrerer Lichtquellen.

Weil die Berechnungen, z. B. Überlagerung, Abklingverhalten, in einem physikalischen Raum durchgeführt werden, werden die physikalischen Gesetze korrekt berücksichtigt, ohne diese z. B. durch eine Kompensation des Gamma-Verhaltens verfälscht einwirken zu lassen.

Die Kompensation wird vor der Codierung mit höherer Genauigkeit durchgeführt, nämlich in derselben Genauigkeit, mit der der Soll-Farbwert berechnet wird. Bei heutigen Datenverarbeitungsanlagen wird üblicherweise eine Gleitkommarechnung mit 4 Byte, also 32 Bit, durchgeführt. Für die Farbcodierung wird in der Regel eine geringere Genauigkeit verwendet, üblicherweise eine Codierung mit jeweils 8 Bit für den Rotwert, Grünwert und Blauwert. Weil die Kompensation zuerst und damit mit höherer Genauigkeit durchgeführt wird, werden Bänderungen vermieden.

Falls die Darstellung den Gegenstand bei Beleuchtung durch eine diffuse Lichtquelle zeigt, treten keine harten Lichtkanten auf. Harte Lichtkanten in der Darstellung entsprechen nicht der physikalischen Realität. Denn in der Realität tritt stets auch diffuses (weiches) Licht auf. Das unrealistisch harte Licht, das durch die bekannten Beleuchtungsverfahren der Computer-Graphik erzeugt wird, führt hingegen oft zu harten Lichtkanten. Diese Lichtkanten erscheinen zwar unrealistisch und sind daher oft auch unerwünscht. Sie sind aber eine zwingende Folge der bekannten Beleuchtungsverfahren.

Diese Lichtkanten sind ein Beispiel dafür, wie bei bekannten Verfahren ein Fehler (Beleuchtung) durch einen anderen Fehler (Gamma) kaschiert wird: Harte Beleuchtung mit falschem Gamma erscheint weich und damit realistisch. Wird nur ein Fehler behoben, verschlechtert sich das Ergebnis: Harte Beleuchtung mit korrektem Gamma erscheint unrealistisch hart. Erst durch Behebung beider Fehler ergibt sich eine Verbesserung: Weiche Beleuchtung mit korrektem Gamma ergibt weiche Lichtübergänge und erscheint realistisch.

Bei vielen bekannten Verfahren wird das Gamma-Verhalten eines Bildschirmgeräts als Problem angesehen, das zu kompensieren sei. Versucht wird, zu erzwingen, dass die Anzeige-Lichtintensität linear von dem jeweiligen Eingangssignal eines Bildpunkts abhängt. Dabei liegt in dem erfindungsgemäß kompensierten Gamma-Verhalten ein großer Vorteil: Die Gamma-Kurve eines typischen Kathodenstrahl-Bildschirmgeräts ist annähernd invers zur Wahrnehmungskurve des menschlichen Auges.

Daher führt gerade das Gamma-Verhalten zu einer Darstellung, die „perceptually uniform" ist.

Eine korrekte Berücksichtigung des Gamma-Verhaltens ist auch deshalb nötig, um das „Anti-Aliasing" durchzuführen, ohne dass der „roping effect" eintritt. Unter „Aliasing" wird der Effekt verstanden, dass fast horizontale Linien auf einem Bildschirmgerät mit Bildpunkten in Form von Treppenstufen dargestellt werden. „Anti-Aliasing" unterdrückt diesen unerwünschten Effekt. Dieser „roping effect" wird in T. Akenine-Möller, a.a.O., p.112-113, beschrieben. Er führt dazu, dass ein Büschel von Kurven auf dem Bildschirmgerät wie verdrillte Seile erscheint.

Das Verfahren ermöglicht es, die Gamma-Kompensation unabhängig von der Transformation in ein Eingangssignal durchzuführen. Dadurch wird es ermöglicht, für unterschiedliche Bereiche der Oberfläche verschiedene Gamma-Kompensationen durchzuführen. Die bekannten Verfahren ermöglichen nur eine einheitliche Gamma-Kompensation für jeden Bildpunkt der Darstellung.

Vorzugsweise wird die kompensierende Lichtintensität jedes Bildpunkts in Abhängigkeit sowohl von der Soll-Lichtintensität des Bildpunkts als auch von einer vorgegebenen Umgebungsbeleuchtung, der das Bildschirmgerät ausgesetzt ist, berechnet. Die aus Ch. Poynton, a.a.O. bekannte Vorgehensweise ermöglicht nur eine einzige Kompensation des Gamma-Verhaltens. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt hingegen – zusätzlich zum Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts – die jeweilige Umgebungsbeleuchtung, die auf das Bildschirmgerät einwirkt.

Vorzugsweise wird die kompensierende Lichtintensität kLI jedes Bildpunkts gemäß der Rechenvorschrift kLI = LI ^ γ_komp = LI ^ (γ_view/γ_BG) berechnet. Hierbei ist γ_BG der Gamma-Faktor des Bildschirmgeräts, und mit γ_view wird der Betrachtungs-Gamma-Faktor („viewing gamma") bezeichnet. Dieser Faktor hängt von der Umgebungsbeleuchtung ab. Somit berücksichtigt der Betrachtungs-Gamma-Faktor die Umgebungsbeleuchtung.

Häufig vermag ein Bildschirmgerät als Eingangssignal jede ganze Zahl zwischen 0 und 255 (einschließlich) zu verarbeiten, also jeden 8-Bit-Wert

mit a_i = 0 oder a_i = 1. Eine Ausgestaltung sieht vor, das Eingangssignal V gemäß der Rechenvorschrift V = floor(kLI/kLI_max∙255) zu berechnen. Hierbei ist kLI_max eine obere Schranke der kompensierenden Lichtintensitäten des ganzen Bildes und floor(x) die größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich x ist.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
1. eine beispielhafte Architektur einer Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens;
2. ein Flußdiagramm für das Verfahren, das die Erzeugung der Darstellung veranschaulicht;
3. ein Flußdiagramm, das Schritte zur Berechnung der Soll-Farbton-Lichtintensität veranschaulicht;
4. ein Flußdiagramm, das weitere Schritte zur Berechnung der Soll-Farbton-Lichtintensität veranschaulicht;
5. die Verläufe mehrerer Helligkeitsfunktionen;
6. Verläufe einer Soll-Lichtintensität, einer kompensierenden Lichtintensität und von verarbeitbaren Eingangssignalen;
7. Verläufe der Anzeige-Lichtintensität unter Berücksichtigung eines diskreten Eingangssignals.
1 zeigt eine beispielhafte Architektur einer Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens. Diese Datenverarbeitungsanlage umfaßt in diesem Beispiel folgende Bestandteile:

– eine Recheneinheit 1 zur Durchführung von Berechnungen,
– ein als Kathodenstrahl-Bildschirm ausgestaltetes Bildschirmgerät 2,
– einen Datenspeicher 3, auf den die Recheneinheit 1 über eine Informationsweiterleitungsschnittstelle Lesezugriff hat,
– ein erstes Eingabegerät in Form einer DV-Maus 4, die drei Tasten aufweist,
– ein zweites Eingabegerät in Form einer Tastatur 5 mit Tasten und
– eine Graphikkarte 6, die die Eingangssignale für das Bildschirmgerät 2 erzeugt.

Die Pfeile in 1 bezeichnen Datenflüsse. Die Darstellung 9 wird erzeugt.
Im Datenspeicher 3 sind ein rechnerverfügbares Konstruktionsmodell 8 des Gegenstandes, also des Kraftfahrzeugs oder des Bestandteils, sowie eine rechnerverfügbare Beschreibung der Beleuchtung dieses Gegenstandes abgespeichert. Dieses rechnerverfügbares Konstruktionsmodell 8 wird dem Verfahren vorgegeben.
Dieses Konstruktionsmodell 8 beschreibt wenigstens näherungsweise die Oberfläche des Gegenstandes. Im Falle eines Kraftfahrzeugs als dem Gegenstand beschreibt das Konstruktionsmo dell 8 vorzugsweise alle von außen sichtbaren Ausprägungen des Kraftfahrzeugs, aber nicht sein Innenleben.
Das Konstruktionsmodell 8 wird beispielsweise mit einem Software-Werkzeug zum rechnerunterstützten Konstruieren (CAD-Werkzeug) erzeugt. Oder es wird durch Vereinfachung eines solchen CAD-Modells erzeugt. Das mindestens die Oberfläche beschreibende Konstruktionsmodell 8 läßt sich statt dessen auch durch Abtasten eines physikalischen Exemplars oder physikalischen Modells generieren, falls ein solches bereits verfügbar ist.
Weiterhin wird eine Betrachtungsrichtung v → vorgegeben. Die zu erzeugende Darstellung 9 zeigt den Gegenstand aus dieser Betrachtungsrichtung v →. Im Falle einer perspektivischen Darstellung per Zentralprojektion ist die Betrachtungsrichtung v → die Richtung vom Zentrum der Zentralprojektion auf einen darzustellenden Bereich der Oberfläche des Gegenstandes. Diese Betrachtungsrichtung v → kann vom jeweiligen Punkt auf der Oberfläche des Gegenstandes abhängen und mit diesem variieren. Im Falle einer Zentralprojektion wird daher für jeden ausgewählten Bildpunkt jeweils eine Betrachtungsrichtung v → berechnet.
Der Gegenstand wird durch eine Lichtquelle beleuchtet. Diese Lichtquelle kann eine punktförmige oder gerichtete Lichtquelle oder aber eine diffuse Lichtquelle sein. Die diffuse Lichtquelle ist beispielsweise das Tageslicht bei bedecktem Himmel oder eine von hinten beleuchtete Milchglasscheibe.
Für die Beleuchtung wird eine Beleuchtungsrichtung r → vorgegeben. Diese Beleuchtungsrichtung r → ist eine Richtung, aus der die Beleuchtung auf den Gegenstand einwirkt. In einer Ausgestaltung wird die Beleuchtungsrichtung r → so vorgegeben, dass sie vom Gegenstand in Richtung der stärksten Lichtintensität der Beleuchtung zeigt. In einer Ausgestaltung ist die Lichtintensität der Beleuchtung rotationssymmetrisch, und die Beleuchtungsrichtung r → liegt auf der Symmetrieachse. Im Falle des Tageslichts zeigt die Beleuchtungsrichtung r → beispielsweise in Richtung des Zenits, also von der Erdoberfläche senkrecht nach oben.
Das Bildschirmgerät 2 weist ein Gamma-Verhalten auf. Falls für einen Bildpunkt BP ein Eingangssignal ES_BP für dessen Soll-Lichtintensität an das Bildschirmgerät 2 übermittelt wird, so zeigt es diesen Bildpunkt mit einer tatsächlichen Lichtintensität LI_BP_BG an. Der Zusammenhang zwischen LI_BP_BG und ES_BP wird durch eine Gamma-Transfer-Funktion Γ beschrieben. Es ist LI_BP_BG = Γ(ES_BP). Beispielsweise ist LI_BP_BG = ES_BP ^ γ_BG.
Möglich ist auch, dass die Gamma-Transfer-Funktion Γ auch von der Umgebungsbeleuchtung, der das Bildschirmgerät 2 ausgesetzt ist, abhängt. Diese Umgebungsbeleuchtung wird beispielsweise durch einen Betrachtungs-Gamma-Faktor γ_view berücksichtigt. Dieser Faktor ist um so größer, je dunkler die Umgebung ist. Die Gamma-Transfer-Funktion Γ führt dann zu dem Zusammenhang LI_BP_BG = ES_BP ^ (γ_BG/γ_view).
2 zeigt ein Flußdiagramm für das Verfahren zur Kompensation des Gamma-Verhaltens. Das Flußdiagramm veranschaulicht die Durchführung folgender Schritte:
Im Schritt S1 wird die Oberfläche des Konstruktionsmodells 8 vernetzt. Als Ergebnis E1 entstehen Flächenelemente.
Unter Verwendung des Ergebnisses E1 und der vorgegebenen Betrachtungsrichtung ν → werden für jedes Flächenelement FE folgende Schritte durchgeführt:

– Im Schritt S2 wird eine Normale n → auf FE berechnet.
– Im Schritt S3 werden diejenigen Flächenelemente ermittelt, die aus der Betrachtungsrichtung v → heraus sichtbar sind. Die sichtbaren Flächenelemente bilden das Ergebnis E2.
– In Schritt S4 werden Punkte dieser sichtbaren Flächenelemente als Bildpunkte der zu erzeugenden Darstellung 9 ausgewählt. Die ausgewählten Bildpunkte bilden das Ergebnis E3.

Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP werden anschließend folgende Schritte durchgeführt:

– Ein Normalenvektor n → für den ausgewählten Bildpunkt BP wird berechnet, wofür die Normalenvektoren der Flächenelemente verwendet werden.
– Im Schritt S5 wird eine Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP des ausgewählten Bildpunktes BP berechnet.
– Im Schritt S6 wird eine das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp des Bildpunkts BP berechnet. Diese kompensierende Farbton-Lichtintensität wird in Abhängigkeit von der im Schritt S6 berechneten Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP berechnet.
– Im Schritt S7 wird diese kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp des Bildpunkts BP in ein vom Bildschirmgerät 2 verarbeitbares Eingangssignal ES_BP transformiert.

Im Schritt S20 wird anschließend die Darstellung 9 des Gegenstandes erzeugt. Hierfür werden die ausgewählten Bildpunkte sowie deren berechnete verarbeitbare Eingangssignale und deren durch das Konstruktionsmodell 8 vorgegebenen Positionen verwendet.
Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte genauer beschrieben.
Im Schritt S1 wird das Konstruktionsmodell 8 vernetzt. Hierdurch werden die Oberfläche des Konstruktionsmodells 8 – oder wenigstens ausgewählte Bereiche dieser Oberfläche – in eine große Menge von Flächenelementen zerlegt. Vorzugsweise haben die Flächenelemente die Form von Dreiecken, aber auch Vier ecke oder andere Flächen sind möglich. Bei der Zerlegung wird die Oberfläche des Konstruktionsmodells 8 vernetzt, so dass Finite Elemente in Form von Flächenelementen entstehen. Die Methode der Finiten Elemente ist z. B. aus „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Auflage, Springer-Verlag, 2001, C 48 bis C 50, bekannt. Im Konstruktionsmodell 8 wird eine bestimmte Menge von Punkten festgelegt, die Knotenpunkte heißen. Als Finite Elemente werden diejenigen Flächenelemente bezeichnet, deren Geometrien durch diese Knotenpunkte definiert werden.
Im Schritt S2 wird für jedes dieser Flächenelemente als Normale mindestens ein Normalenvektor n → berechnet. Dieser Normalenvektor n → steht senkrecht auf dem Flächenelement und zeigt vom Konstruktionsmodell 8 nach außen. Jeder Normalenvektor n → wird vorzugsweise normiert, so dass ∥⁣n →∥⁣ = 1 gilt.
Im Schritt S5 wird die Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP eines ausgewählten Bildpunkts BP berechnet. Dies wird im Folgenden detailliert beschrieben und durch 3 und 4 veranschaulicht.
Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP wird im Schritt S9 ein Normalenvektor n → auf eine der folgenden Arten berechnet. Falls der Bildpunkt BP im Inneren des Flächenelements liegt, wird beispielsweise der Normalenvektor BP des Flächenelements als der Normalenvektor n → des Bildpunkts verwendet. Falls der ausgewählte Bildpunkt ein Eckpunkt mehrerer Flächenelemente ist, wird vorzugsweise aus den Normalenvektoren der angrenzenden Flächenelemente ein gemittelter Normalenvektor berechnet und als der Normalenvektor n → des Bildpunkts verwendet. Hierfür wird die Summe aller Normalenvektoren der angrenzenden Flächenelemente berechnet, und die Summe wird vorzugsweise auf die Länge 1 normiert.
Für jeden ausgewählten Bildpunkt wird im Schritt S10 der cosinus cos(θ) des Winkels θ zwischen dem Normalenvektor n → des Bildpunkts BP und einem Vektor längs der vorgegebenen Be leuchtungsrichtung r → zur den Gegenstand beleuchtenden Lichtquelle LQ mittels des Skalarprodukts berechnet, und zwar gemäß der Rechenvorschrift
-
Vorzugsweise werden sowohl der Normalenvektor n → als auch der Beleuchtungsrichtungs-Vektor r → auf die Länge 1 normiert, so dass gilt: cos(θ)= <n →, r →>.
Weiterhin ist eine Helligkeitsfunktion HF vorgegeben. Der Begriff der Funktion ist in „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 17. Aufl., Springer-Verlag 1990, A 4 beschrieben. Eine Funktion ordnet jedem Argument aus einer vorgegebenen Argumentmenge jeweils genau einen Funktionswert zu. Die Helligkeitsfunktion besitzt als Argumentmenge die Winkel von 0 Grad bis 180 Grad einschließlich.
Die vorgegebene Helligkeitsfunktion HF besitzt als Argumentmenge die Winkel von 0 Grad bis 180 Grad (einschließlich). Sie ordnet dem Argument 180 Grad den Funktionswert 0 und jedem Argument kleiner als 180 Grad je genau einen Funktionswert größer oder gleich 0 zu. Die Bildmenge, d. h. die Menge der Funktionswerte, ist also die Menge der reellen Zahlen größer oder gleich 0. Die eine Helligkeitsfunktion beschreibt die Auswirkung der Beleuchtung auf einen beleuchteten Gegenstand.
5 zeigt beispielhaft die Verläufe mehrerer solcher Helligkeitsfunktionen. Der gestrichelte Verlauf 11 zeigt den Graphen einer Helligkeitsfunktion HF für eine punktförmige oder gerichtete Lichtquelle. Diese Helligkeitsfunktion HF weist die Form HF(θ) = max [cos(θ), 0]auf. Hierbei bezeichnet θ den Winkel zwischen dem Normalen-vektor n → und der Beleuchtungsrichtung r →. Aus der Rechenvorschrift sowie dem Kurvenverlauf in 5 wird deutlich, dass für Winkel θ, die größer als 90 Grad sind, der Helligkeitswert gleich 0 ist. Außerdem weist die Helligkeitsfunktion HF bei θ = 90 Grad einen Knick auf.
Mit durchgezogenen Kurven 12 und 13 sind in 5 zwei Helligkeitsfunktionen HF1 eingezeichnet, die beide folgende Eigenschaften haben:

– Jedem Winkel zwischen 0 Grad und 180 Grad ordnen sie eine Zahl zwischen 0 und 1 zu, Dem Winkel 0 Grad ordnen sie den Wert 1 und dem Winkel 180 Grad den Wert 0 zu.
– Sie sind monoton fallend.
– Sie sind glatt, d. h. ohne Knicke. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die Helligkeit auf der Oberfläche des Konstruktionsmodells 8 und damit über der zu erzeugenden Darstellung 9 besonders weich variiert, und verhindert, dass eine harte und unrealistische Lichtkante wahrgenommen wird. Eine Lichtkante wird nur bei einem Knick oder einer Kante der Oberfläche des Konstruktionsmodells 8 erzeugt, und dort ist sie realistisch und daher nicht störend.

Der Verlauf 12 beschreibt die Helligkeitsfunktion des isotropen Himmels, der im Typ 5 („sky of uniform luminance") des Standards „CIE Draft Standard 011.2/E" definiert ist. Dieser Standard von 2002 ist verfügbar unter http://www.cieusnc.org/images/CIE-DS011_2.pdf, abgefragt am 13. 4. 2004, und definiert verschiedene Typen von Himmelsbeleuchtung, darunter die rotationssymmetrischen Typen CIE 1, 3 und 5, sowie den als Typ 16 geführten „traditionellen bedeckten Himmel". Die Kurve 12 zeigt den Graphen der Helligkeitsfunktion HF1_iso mit HF1_iso(θ) = [cos(θ) + 1]/2
Die Helligkeitsfunktion HF_iso des isotropen Himmels hängt nur vom cosinus des Winkels ab, aber nicht vom Winkel θ zwischen der Normalen n → und der Beleuchtungsrichtung r → selber.
In diesem Falle braucht nicht der Winkel θ berechnet zu werden, sondern nur der Cosinus cos(θ) des Winkels θ. Der Cosinus des Winkels α zwischen zwei Vektoren a → und b → wird vorzugsweise mit Hilfe des Skalarprodukts <a →, b →> gemäß der Rechenvorschrift
berechnet. Der Winkel α selber braucht nicht berechnet zu werden. Dies vereinfacht und beschleunigt die Berechnung des Funktionswerts der Häufigkeitsfunktion.
Der Verlauf 13 in 5 zeigt die Helligkeitsfunktion HF_trad des „traditionellen bedeckten Himmels", also den Graphen der Helligkeitsfunktion HF_trad mit
In Schritt S11 wird mit Hilfe der vorgegebenen Helligkeitsfunktion HF und des Funktionswert HF(θ), den die vorgegebenen Helligkeitsfunktion HF beim Winkel θ als Argument annimmt, ein Beleuchtungswert BL_BP eines ausgewählten Bildpunkts berechnet.
Ein beleuchteter physikalischer Gegenstand zeigt Glanzlichter („highlights") auf seiner Oberfläche, auch wenn die Oberfläche relativ matt ist und wenn der Gegenstand nur diffus beleuchtet ist. Ein solches Glanzlicht scheint bei Veränderung der Betrachtungsrichtung über die Oberfläche des Gegenstandes zu laufen. Vorzugsweise wird zusätzlich die Auswirkung dieses Glanzlichts auf die zu erzeugende Darstellung 9 des Gegenstands berücksichtigt.
Diese Auswirkung hängt von der vorgegebenen Betrachtungsrichtung v → auf den Gegenstand ab. Insbesondere im Falle einer Zentralprojektion wird eine Betrachtungsposition BPos vorgegeben. Im Schritt S18 wird abhängig von dieser vorgegebenen Betrachtungsposition BPos und der Position des ausgewählten Bildpunkts BP eine Betrachtungsrichtung v → berechnet, beispielsweise als Differenzvektor aus dem Ortsvektor von BP und dem von BPos.
Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP wird in Schritt S12 die vorgegebene Betrachtungsrichtung v → um die Normale n → des Flächenelements gespiegelt. Die Spiegelung bildet das physikalische Reflexionsgesetz einer ideal spiegelnden Oberfläche nach. Die Normale n →, die Betrachtungsrichtung v → und die gespiegelte Betrachtungsrichtung s → liegen alle in einer Ebene. Durch die Spiegelung wird eine Bespiegelte Betrachtungsrichtung s → generiert.
Vorzugsweise wird die gespiegelte Betrachtungsrichtung s → durch die Rechenvorschrift s → = 2·cos(β)·n → – ν →berechnet. Hierbei ist cos(β) der Winkel zwischen den beiden Vektoren n → und v →.
In Schritt S13 von 3 wird der Winkel ρ zwischen der gespiegelten Betrachtungsrichtung s → und der vorgegebenen Beleuchtungsrichtung r → berechnet. Um einen Glanzlichtwert GW des Bildpunkts BP zu berechnen, wird in Schritt S14 von 3 der Funktionswert GF(ρ) einer vorgegebenen Glanzlichtfunktion GF berechnet. Die Glanzlichtfunktion GF ordnet jedem Winkel zwischen 0 Grad und 180 Grad (einschließlich) eine Zahl größer oder gleich 0 zu. Falls die Lichtquelle den Gegenstand diffus beleuchtet, so ordnet die Glanzlichtfunktion GF dem Argument 180 Grad den Funktionswert 0 und jedem Argument kleiner als 180 Grad genau einen Funktionswert größer als 0 zu. Alle Winkel, die kleiner als 180 Grad sind, erhalten also einen Funktionswert größer als 0.
Der Funktionswert GF(p) ist dann am größten, wenn die gespiegelte Betrachtungsrichtung s → parallel zu einer Richtung der stärksten Beleuchtungsintensität der Beleuchtung verläuft. In vielen Fällen ist die Richtung der stärksten Beleuchtungsintensität gleich der vorgegebenen Beleuchtungsrichtung r →.
Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP wird im Schritt 519 von 3 aus dem vorgegebenen und abgespeicherten wahrnehmungsangepaßten Basis-Farbton FT_BP_ang des Bildpunkts BP der Basis-Farbton FT_BP berechnet, der für die weiteren Verfahrensschritte verwendet wird. Dieser wahrnehmungs-angepaßten Basis-Farbton wird weiter unten beschrieben.
Vorgegeben wird eine Lichtintensität LI_LQ der Lichtquelle der Beleuchtung. Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP wird in Schritt S17 von 3 eine aus der Beleuchtung resultierende Lichtintensität LI_BP des Bildpunkts BP berechnet.
In „Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau", 20. Aufl., Springer-Verlag, 2001, W18 – W20 sowie Z7, werden die lichttechnischen Kenngrößen Lichtstrom Φ, Lichtstärke I und Beleuchtungsstärke E vorgestellt. Der Lichtstrom Φ wird in Lumen angegeben. Die Lichtstärke I wird in Candela = Lumen pro Steradiant gemessen, die Beleuchtungsstärke in Lux = Lumen pro m². In Poynton, S. 605, wird die Lichtstärke als „luminous intensity" und die Beleuchtungsstärke als „illuminance" bezeichnet. Zusätzlich wird die Lumineszenz L („luminance") als Lichtstärke I pro m² eingeführt, sie wird in Candela pro m² gemessen.
Die vorgegebene Lichtintensität einer Lichtquelle sowie die berechnete Lichtintensität eines Bildpunkts lassen sich als lichttechnische Kenngröße, z. B. in Form der Lichtstärke, der Beleuchtungsstärke oder der Lumineszenz, berechnen.
Die vorgegebene Lichtintensität LI_LQ legt fest, wie intensiv die Beleuchtung auf der Oberfläche des beleuchteten Gegenstandes ist. In einer Ausgestaltung wird direkt vorgegeben, wie groß die Lichtintensität der ersten und wie groß die der zweiten Beleuchtung auf der Oberfläche des Gegenstandes ist.
In einer anderen Ausgestaltung wird hingegen vorgegeben, wie groß die Lichtintensität der Beleuchtung in einer vorgegebenen Referenz-Entfernung dist_-ref von der Lichtquelle ist, z. B. in einer Mindest-Entfernung. Weiterhin wird der Abstand dist(LQ,G) zwischen der Lichtquelle und dem Gegenstand vorgegeben. Die vorgegebene Lichtintensität der Lichtquelle wird mit dem Faktor
multipliziert. Diese Ausgestaltung berücksichtigt die physikalische Tatsache, dass die Lichtintensität mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die vorgegebene Lichtintensität einschließlich des Farbtons der Beleuchtung durch eine Farbton-Lichtintensität LI_LQ beschrieben. Diese Farbton-Lichtintensität LI_LQ hat vorzugsweise die Form eines RGB-Vektors mit einem Rotwert LI_LQ_r, einem Grünwert LI_LQ_g und einem Blauwert LI_LQ_b. Das Verhältnis des Rotwerts, Grünwerts und Blauwerts bestimmt den Farbton, die absoluten Größen von Rotwert, Grünwert und Blauwert die Lichtintensität der Lichtquelle.
Beispielsweise wird die Farbton-Lichtintensität LI_LQ_ref der Beleuchtung aus der oben beschriebenen Referenz-Entfernung dist_ref in Form eines RGB-Vektors vorgegeben. Weiterhin wird der Abstand dist(LQ,G) zwischen der Lichtquelle und dem darzustellenden Gegenstand vorgegeben. Der RGB-Vektor für LI_LQ beschreibt die Farbton-Lichtintensität der Beleuchtung auf der Oberfläche des darzustellenden Gegenstandes und wird im Schritt S15 gemäß den Rechenvorschriften

berechnet. Diese Berechnung braucht natürlich nur einmal pro Abstand durchgeführt zu werden.
Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Basis-Farbton FT_BP vorgegeben. Beispielsweise wird für jedes Flächenelement der oben beschriebenen Zerlegung ein solcher Basis-Farbton vorgegeben, und jeder Bildpunkt des Flächenelements erhält denselben Basis-Farbton. Möglich ist auch, für jeden Eckpunkt eines Flächenelements einen Basis-Farbton vorzugeben und den Basis-Farbton eines Bildpunkts im Inneren durch Interpolation über die Basis-Farbtöne der Eckpunkte zu berechnen. Die Interpolation hängt von der Position des Bildpunkts im Flächenelement ab.
Diese Basis-Farbtöne der Bildpunkte lassen sich unabhängig von der Menge der vom Bildschirmgerät 2 verarbeitbaren Eingangssignale sowie unabhängig von den Beleuchtungen und deren Farbtönen und Lichtintensitäten festlegen und verändern.
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Soll-Basis-Farbton FT_BP eines Bildpunkts BP eine wahrnehmungs-angepaßte Codierung FT_BP_ang dieses vorgegebenen Basis-Farbtons berechnet, abgespeichert und als Soll-Farbton des Verfahrens verwendet. Der Soll-Basis-Farbton wird in der physikalischen Ebene vorgegeben, die wahrnehmungs-angepaßte Codierung in der Codierungsebene berechnet.
Häufig ermöglicht die verwendete Datenverarbeitungsanlage es, einen Soll-Basis-Farbton mit Hilfe eines Wertgebers oder eines Schiebereglers („slider") vorzugeben, beispielsweise indem ein Benutzer einen Zahlwert für den Soll-Basis-Farbton vorgibt oder einen Soll-Basis-Farbton auswählt. Vorzugsweise werden die numerischen Werte der wahrnehmungs-angepaßten Codierung angezeigt und lassen sich verändern.
Vorzugsweise wird die wahrnehmungs-angepaßte Codierung so berechnet, dass eine Verdoppelung des Zahlenwerts der wahrnehmungs-angepaßten Codierung eines Bildpunkts dazu führt, dass der Bildpunkt als doppelt so hell wahrgenommen wird. Wenigstens äherungsweise wird die Wahrnehmung der Lichtintensität eines Bildpunkts auf dem Bildschirmgerät 2 durch das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 beschrieben. Daher wird vorzugsweise dann, wenn eine Codierung FT_BP eines Soll-Basis-Farbtons FT_BP eines Bildpunkts BP dem Verfahren vorgegeben wird, aus dem vorgegebenen Basis-Farbton FT_BP der Wert FT_BP_ang = Γ^-1(FT_BP) als wahrnehmungs-angepaßte Codierung berechnet und abgespeichert. Hierbei bezeichnet Γ die Gamma-Transfer-Funktion, die das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 beschreibt, und Γ^-1 bezeichnet die inverse Funktion von Γ.
Für die Anwendung des Verfahrens ist umgekehrt aus der abgespeicherten wahrnehmungs-angepaßten Codierung FT_BP_ang der Basis-Farbton FT_BP zu rekonstruieren. Vorzugsweise wird für das Verfahren derjenige Wert FT_BP verwendet, der aus der abgespeicherten wahrnehmungs-angepaßte Codierung FT_BP_ang durch die Rechenvorschrift FT_BP = Γ(FT_BP_ang) berechnet wird.
Diese vorteilhafte Ausgestaltung führt zu einer wahrnehmungs-angepaßten Codierung der Soll-Basis-Farbtöne („perceptually uniform encoding") der Bildpunkte. In den dunkleren Farbtönen sind feinere Abstufungen möglich.
Das entsprechende gilt auch für die Farbton-Lichtintensität der Beleuchtung. Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine Soll-Farbton-Lichtintensität LI_LQ verwendet. Diese wird aus einer abgespeicherten wahrnehmungs-angepaßten Farbton-Lichtintensität Γ^-1(LI_LQ) berechnet. Vorgegeben und abgespeichert wird also eine wahrnehmungs-angepaßte Codierung LI_LQ_ang. Für die Ausführung des Verfahrens wird die Farbton-Lichtintensität LI_LQ = Γ(LI_LQ_ang) der Beleuchtung verwendet.
Vorzugsweise wird der Basis-Farbton jedes Bildpunkts BP ebenfalls in Form eines RGB-Vektors vorgegeben. Jeder Basis-Farbton FT_BP in Form eines RGB-Vektors besteht dann aus drei Werten, nämlich einem Rotwert FT_BP_r, einem Grünwert FT_BP_g und einem Blauwert FT_BP_b. Der Rotwert gibt an, welcher prozentuale Anteil von einfallendem rotem Licht reflektiert wird. Entsprechend geben der Grünwert und der Blauwert an, welcher Anteil von grünem bzw. blauem Licht reflektiert wird. Das Verhältnis der Werte zueinander bestimmt den Basis-Farbton. Der Basis-Farbton gibt an, in welcher Farbe und Helligkeit weißes Licht reflektiert wird.
In einer Ausgestaltung wird für jeden ausgewählten Bildpunkt BP eine wahrnehmungs-angepaßte Codierung FT_BP_ang in Form eines RGB-Vektors mit dem Rotwert FT_BP_ang_r, dem Grünwert FT_BP_ang_g und dem Blauwert FT_BP_ang_b festgelegt. Hieraus wird für die Berechnungen in der physikalischen Ebene ein Basis-Farbton FT_BP berechnet. Dieser hat die Form eines RGB-Vektors mit dem Rotwert FT_BP_r, dem Grünwert FT_BP_g und dem Blauwert FT_BP_b. Diese drei Werte werden gemäß den Rechenvorschriften
FT_BP_r = Γ(FT_BP_ang_r)
FT_BP_g = Γ(FT_BP_ang_g)
FT_BP_b = Γ(FT_BP_ang_b)
berechnet. Beispielsweise ist
FT_BP_r = FT_BP_ang_r ^ γ_BG = FT_BP_ang_r^γ_BG
FT_BP_g = FT_BP_ang_g ^ γ_BG = FT_BP_ang_g^γ_BG
FT_BP_b = FT_BP_ang_b ^ γ_BG = FT_BP_ang_b^γ_BG
oder auch
Entsprechend wird eine wahrnehmungs-angepaßte Codierung LI_LQ_ang abgespeichert. Diese hat die Form eines RGB-Vektors mit dem Rotwert LI_LQ_ang_r, dem Grünwert LI_LQ_ang_g und dem Blauwert LI_LQ_ang_b. Aus diesem RGB-Vektor wird ein RGB-Vektor LI_LQ für die Farbton-Lichtintensität LI_LQ berechnet. Dieser berechnete Vektor besitzt den Rotwert LI_LQ_r, den Grünwert LI_LQ_g und den Blauwert LI_LQ_b. Vorzugsweise werden die Rechenvorschriften
LI_LQ_r = Γ(LI_LQ_ang_r)
LI_LQ_g = Γ(LI_LQ_ang_g)
LI_LQ_b = Γ(LI_LQ_ang_b)
angewendet.
In einer Ausgestaltung sind der Rotwert, der Grünwert und der Blauwert jedes RGB-Vektors jeweils eine Zahl zwischen 0 und 1. In einer anderen Ausgestaltung sind der Rotwert, der Grünwert und der Blauwert jeweils eine ganze Zahl zwischen 0 und 255, also eine 8-Bit-Codierung der Form
mit a_i = 0 oder a_i = 1 für i = 0, 1, ..., 7. In einer weiteren Ausgestaltung sind der Rotwert, der Grünwert und der Blauwert jeweils 16-Bit oder 32-Bit-Codierungen, haben also die Form
oder
mit a_i = 0 oder a_i = 1.
Bei einer 8-Bit-Codierung liegt die Zahl
zwischen 0 und 2⁸-1 = 255 (einschließlich). Der Quotient
/(2⁸-1) ist gleich dem Anteil des reflektierten Lichts.
In den Schritten S21, S22 und S16 von 4 wird ein Helligkeitswert HW_BP jedes ausgewählten Bildpunkts BP berechnet.
Dieser Helligkeitswert HW_BP beschreibt die Auswirkung der vorgegebenen Beleuchtung auf den Gegenstand im Bildpunkt BP.
In einer ersten Ausführungsform hängt der Helligkeitswert HW_BP nur vom Winkel θ zwischen dem Normalenvektor n → im Bildpunkt BP und der Beleuchtungsrichtung r → ab. Der Helligkeitswert ist gleich einem Beleuchtungswert BL_BP mit dem Rotwert BL_BP_r, dem Grünwert BL_BP_g und dem Blauwert BL_BP_g. Der Beleuchtungswert BL_BP wird in Schritt S21 von 4 gemäß den Rechenvorschriften
HW_BP_r = BL_BP_r = HF(θ)·FT_BP_r
HW_BP_g = BL_BP_g = HF(θ)·FT_BP_g
HW_BP_b = BL_BP_b = HF(θ)·FT_BP_b
berechnet. Der Funktionswert HF(θ) wird bevorzugt einmal berechnet und zwischengespeichert. In der ersten Ausführungsform wird der Beleuchtungswert BL_BP als der Helligkeitswert HW_BP verwendet, es werden also keine Glanzlichter berücksichtigt.
In einer zweiten Ausführungsform hängt der Helligkeitswert HW_BP eines Bildpunkts BP zusätzlich vom Glanzlicht und damit zusätzlich von der vorgegebenen Betrachtungsrichtung v → ab. Für jeden ausgewählten Bildpunkt BP werden neben dem Basis-Farbton FT-BP auch ein Glanzlicht-Farbton GFT_BP jedes Bildpunkts BP vorgegeben. Vorzugsweise wird auch der Glanzlicht-Farbton GFT_BP in Form eines RGB-Vektors mit dem Rotwert GFT_BP_r, dem Grünwert GFT_BP_g und dem Blauwert GFT_BP_b vorgegeben.
Mit Hilfe der vorgegebenen Glanzlichtfunktion GF wird zusätzlich in Schritt S22 ein Glanzlichtwert GW_BP berechnet. Dieser ist bevorzugt ein RGB-Vektor mit dem Rotwert GW_BP_r, dem Grünwert GW_BP_g und dem Blauwert GW_BP_b. Der Glanzlichtwert GW_BP wird bevorzugt gemäß den Rechenvorschriften
GW_BP_r = GFT_BP_r·GF(ρ)
GW_BP_g = GFT_BP_g·GF(ρ)
GW_BP_b = GFT_BP_b·GF(ρ)
berechnet. Hierbei ist p der Winkel zwischen der gespiegelten Betrachtungsrichtung s → und der Beleuchtungsrichtung r →.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Helligkeitswert gleich dem Beleuchtungswert. Der Helligkeitswert HW_BP des Bildpunkts BP wird in der zweiten Ausführungsform in Schritt S16 vorzugsweise gemäß den Rechenvorschriften
HW_BP_r = BL_BP_r + GW_BP_r
HW_BP_g = BL_BP_g + GW_BP_g
HW_BP_b = BL_BP_b + GW_BP_b
berechnet.
Andere Rechenvorschriften zur Aggregation des Beleuchtungswerts BL_BP und des Glanzlichtwerts GW_BP sind möglich, z. B. HW_BP = BL_BP·[1 + GW_BP]. Diese Aggregation wird in allen Ausführungsformen im Schritt S16 von 3 durchgeführt.
Eine andere Rechenvorschrift verwendet einen weiter unten erläuterten kompensierenden Faktor γ_komp. Der erste Helligkeitswert wird gemäß der Rechenvorschrift HW1_BP = [BL1_BP ^ 1/γ_komp + GW1_BP ^ 1/γ_komp] ^ γ_komp berechnet.
Die Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP eines ausgewählten Bildpunkts BP wird im Schritt S17 von 3 berechnet. Diese Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP ist vorzugsweise ein RGB-Vektor mit dem Rotwert LI_BP_r, dem Grünwert LI_BP_g und dem Blauwert LI_BP_b. Diese drei Werte werden vorzugsweise gemäß folgenden Rechenvorschriften berechnet:
LI_BP_r = HW_BP_r·LI_LQ_r
LI_BP_g = HW_BP_g·LI_LQ_g
LI_BP_b = HW_BP_b·LI_LQ_b
Im Schritt S6 von 2 wird eine kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp des Bildpunkts BP berechnet. Diese kompensierende Farbton-Lichtintensität berücksichtigt vorzugsweise sowohl das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 als auch die Umgebungsbeleuchtung.
Das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 wird wie oben dargelegt durch eine Gamma-Transfer-Funktion Γ beschrieben. Es ist LI_BP_BG = Γ(ES_BP). Beispielsweise ist wird das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 durch den Zusammenhang LI_BP_BG = ES_BP ^ γ_BG beschrieben. Vorzugsweise wird die Umgebungsbeleuchtung durch einen Faktor γ_view berücksichtigt. Die Gamma-Transfer-Funktion Γ hängt von diesem Faktor ab und führt dann zu dem Zusammenhang LI_BP_BG = Γ(ES_BP) = ES_BP ^ (γ_BG/γ_view).
Bevorzugt wird die kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp aus der Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP gemäß der Rechenvorschrift LI_BP_komp = Γ^-1(LI_BP) berechnet. In einer Ausgestaltung nimmt diese Rechenvorschrift die Form
an.
Vorzugsweise haben sowohl die Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP als auch die kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp jeweils die Form eines RGB-Vektors. Die Soll-Farbton-Lichtintensität LI_BP ist dann ein RGB-Vektor mit dem Rotwert LI_BP_r, dem Grünwert LI_BP_g und dem Blauwert LI_BP_b. Die kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp ist ein RGB-Vektor mit dem Rotwert LI_BP_komp_r, dem Grünwert LI_BP_komp_g und dem Blauwert LI_BP_komp_b. Diese drei Werte werden gemäß den Rechenvorschriften
LI_BP_komp_r = Γ^-1(LI_BP_r)
LI_BP_komp_g = Γ^-1(LI_BP_g)
LI_BP_komp_b = Γ^-1(LI_BP_b)
berechnet. In der gerade erwähnten Ausgestaltung führt dies zu den Rechenvorschriften
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 durch den Zusammenhang
LI_BP_BG = (ES_BP + ε_BG) ^ γ_BG beschrieben. In diesem Zusammenhang tritt der Summand ε_BG auf, der dazu führt, dass das Bildschirmgerät 2 Schwarztöne nicht korrekt wiedergibt, und der daher als Schwarztonfehler ("black level error") ε_BG bezeichnet wird. Stellt man diesen Zusammenhang um, so ergibt sich
ES_BP = LI_BP_BG ^ (1/γ_BG) – ε_BG. Um den Summanden ε und die Umgebungsbeleuchtung zu berücksichtigen, wird bevorzugt die Rechenvorschrift
LI_BP_komp = [LI_BP ^ (1/γ_BG) – ε_BG] ^ γ_view
verwendet. Falls die kompensierende Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp ein RGB-Vektor ist, werden ihr Rotwert, ihr Grünwert und ihr Blauwert durch entsprechende Rechenvorschriften berechnet.
Der Gamma-Faktor γ_BG hängt in beiden Ausgestaltungen vom Bildschirmgerät 2 ab und liegt in der Regel zwischen 2,2 und 2,9. Der Betrachtungs-Gamma-Faktor γ_view hängt von der Umgebungsbeleuchtung ab, in der sich das Bildschirmgerät 2 befindet. Er liegt üblicherweise zwischen 1 und 1,5. Für eine dunkle Umgebung, z. B. Kino, wird bevorzugt γ_view = 1,5 gewählt, für helle Umgebungen γ_view = 1 und für einen PC in einer Büroumgebung γ_view = 1,125. Bevorzugte Werte für γ_komp liegen demnach zwischen 1/2,2 und 1/1,45. Falls das Bildschirmgerät 2 ein Fernsehgerät ist, wird bevorzugt γ_komp = 1/1,95 verwendet. Die Kompensation des Gamma-Verhaltens wird häufig bereits von dem Gerät durchgeführt, das die an das Bildschirmgerät 2 übermittelte Darstellung erzeugt, z. B. von einer Kamera.
Aus dieser kompensierende Lichtintensität LI_BP_komp wird im Schritt S7 von 2 ein verarbeitbares Eingangssignal ES_BP berechnet.
In diesem Ausführungsbeispiel vermag das Bildschirmgerät 2 ausschließlich RGB-Vektoren zu verarbeiten, die aus drei 8-Bit-Werten bestehen. Diese drei Werte sind die drei Codierungen für den Rotwert, den Grünwert und den Blauwert. In diesem Falle ist also jedes Eingangssignal ein RGB-Vektor und besteht aus drei ganzen Zahlen, die jeweils zwischen 0 und 255 liegen. Das Verfahren läßt sich aber auch für jede andere Form von verarbeitbaren Eingangsignalen anwenden.
Vorzugsweise wird die Transformation in Schritt S7 wie folgt durchgeführt: In Schritt S6 wurden der Rotwert LI_BP_komp_r, der Grünwert LI_BP_komp_g und der Blauwert LI_BP_komp_b der kompensierenden Farbton-Lichtintensität LI_BP_komp berechnet. Vorgegeben werden ein RGB-Vektor mit dem Rotwert LI_BG_max_r, dem Grünwert LI_BG_max_g und dem Blauwert LI_BG_max_b eines reinen Weiß mit der maximal vom Bildschirmgerät 2 darstellbaren Lichtintensität. Beispielsweise gilt LI_BG_max_r = LI_BG_max_g = LI_BG_max_r = 255. Das verarbeitbare Eingangssignal ES_BP für jeden Bildpunkt umfaßt einen RGB-Vektor mit dem Rotwert ES_BP_r, dem Grünwert ES_BP_g und dem Blauwert ES_BP_b. Die Transformation wird in dieser Ausgestaltung gemäß den Rechenvorschriften
berechnet. Hierbei bezeichnet floor(x) die größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich x ist.
Eine rechnerverfügbare Darstellung 9 des beleuchteten Gegenstandes wird erzeugt. Dies geschieht in Schritt S20 von 2. Diese Darstellung 9 wird in dem Ausführungsbeispiel mit Hilfe des Konstruktionsmodells 8 generiert. Sie umfaßt die ausgewählten Bildpunkte und deren Positionen und berechneten resultierenden Farbton-Lichtintensitäten.
In der bislang beschriebenen Ausführungsform wird die Darstellung 9 unmittelbar nach ihrer Erzeugung an das Bildschirmgerät 2 übermittelt und von diesem angezeigt. In einer Abwandlung dieser Ausführungsform wird statt dessen eine Datei erzeugt, die die erzeugte Darstellung 9 umfaßt. Diese Datei wird zu einem gewünschten Zeitpunkt an das Bildschirmgerät 2 übermittelt und von diesem angezeigt. Die Übermittlung wird z. B. mittels einer CD oder einem anderen mobilen Datenträger oder aber mittels des Internets oder eines anderen Datennetzes durchgeführt. Möglich ist, dass eine erste Datenverarbeitungsanlage die Datei mit der Darstellung 9 erzeugt und eine zweite Datenverarbeitungsanlage diese Datei auswertet und die Darstellung 9 anzeigt.
6 zeigt Verläufe einer Soll-Lichtintensität, einer kompensierenden Lichtintensität und von verarbeitbaren Eingangssignalen. Auf der x-Achse ist der berechnete Winkel θ zwischen dem Normalenvektor n → im Bildpunkt BP und der vorgegebenen Beleuchtungsrichtung r → aufgetragen. In diesem Beispiel vermag das Bildschirmgerät 2 Eingangssignale zu verarbeiten, die zwischen 0 und 1 liegen. Lichtintensitäten werden auf das Intervall von 0 bis 1 normiert. Die Lichtquelle weist eine Lichtintensität LI_LQ von 1 auf. Auf der γ-Achse werden die zwischen 0 und 1 liegenden Lichtintensitäten aufgetragen.
Die Kurve 21 von 6 zeigt die Soll-Lichtintensität LI_BP = cos(θ) eines Bildpunkts BP in Abhängigkeit vom Winkel θ. Diese Soll-Lichtintensität LI_BP wird auf der physikalischen Ebene berechnet.
Die Kurve 22 zeigt die erfindungsgemäß berechnete kompensierende Lichtintensität LI_BP_komp = LI_BP ^ γ_komp = [cos(θ)] ^ γ_komp.
Das Bildschirmgerät 2 zeigt den Bildpunkt BP mit einer Anzeige-Lichtintensität LI_BP_BG an, die von diesem Eingangssignal ES_BP abhängt, und zwar gemäß des Zusammenhangs LI_BP_BG = ES_BP ^ γ_BG. Näherungsweise gilt LI_BP_BG = LI_BP ^ (γ_komp·γ_BG). Die Kurve 23 in 6 zeigt den Verlauf der Anzeige-Lichtintensität LI_BP_BG in Abhängigkeit vom Winkel θ an.
Die Kurve 24 zeigt in Abhängigkeit vom Winkel θ diejenige Anzeige-Lichtintensität an, mit der das Bildschirmgerät 2 einen Bildpunkt BP anzeigt, falls keine Gamma-Kompensation durchgeführt wird und folgende abweichende Vorgehensweise ausgeführt wird:

– Die Soll-Lichtintensität LI_BP = cos(θ) eines Bildpunkts BP wird in ein verarbeitbares Eingangssignal ES transformiert, z. B. in ein 8-Bit-Eingangssignal.
– Das Bildschirmgerät 2 zeigt den Bildpunkt BP mit einer Anzeige-Lichtintensität an, die vom Eingangssignal und vom Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts 2 abhängt. Die Kurve 24 zeigt den Verlauf der Anzeige-Lichtintensität in Abhängigkeit vom Winkel θ.

7 zeigt verschiedene Verläufe der Anzeige-Lichtintensitäten in Abhängigkeit vom Winkel θ, falls die gerade beschriebene Transformation der berechneten Lichtintensitäten in verarbeitbare Eingangssignale berücksichtigt wird. Zur Verdeutlichung ist in diesem Beispiel jedes verarbeitbares Eingangssignal ein 4-Bit-Wert, also eine Zahl zwischen 0 und 15 (einschließlich). Die Transformation führt also zu einer groben Diskretisierung. Zum Vergleich zeigt die Kurve 23 jedesmal den korrekten kontinuierlichen Verlauf der Anzeige-Lichtintensität LI_BP_BG in Abhängigkeit vom Winkel θ an.
In 7 zeigt die Kurve 25 den Verlauf der diskretisierten Anzeige-Lichtintensität für den Fall an, dass keine Gamma-Kompensation vorgenommen wird. Die Kurve 25 zeigt die Anzeige-Lichtintensität, mit der das Bildschirmgerät 2 einen Bildpunkt anzeigt, wenn es ein 4-Bit-Eingangssignal erhält, das aus der Kurve 24 von 6 durch Diskretisierung des Eingangssignals hervorgeht.
Die Kurve 26 von 7 zeigt den Verlauf der diskretisierten Anzeige-Lichtintensität für den Fall an, dass die Gamma-Korrektur durchgeführt wird, indem zuerst ein 4-Bit-Eingangssignal berechnet wird und aus diesem anschließend ein kompensierendes Eingangssignal.
Die Kurve 27 zeigt den Verlauf der diskretisierten Anzeige-Lichtintensität an, die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Ausführungsbeispiel erzeugt wird.
7 veranschaulicht, dass die Anzeige-Lichtintensität ohne eine Kompensation des Gamma-Verhaltens (Kurve 25) deutlich von der Soll-Kurve 23 abweicht. Die Gamma-Kompensation angewendet auf das Eingangssignal (Kurve 26) nähert sich zwar gut der korrekten Kurve an. Jedoch weist die Kurve 26 in den dunklen Farbtönen deutlich größere Sprünge auf. Diese Sprünge werden in der Darstellung auf dem Bildschirmgerät 2 als Bänderung sichtbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren (Kurve 27) nähert die korrekte kontinuierliche Kurve gut an. Auch in dunkeln Farbtönen werden feine Abstufungen erzielt.
Feine Abstufungen sind nicht nur dann von Bedeutung, wenn das Bildschirmgerät 2 nur Eingangssignale mit wenigen Bits zu verarbeiten vermag. Sie sind auch dann relevant, wenn Soll-Basis-Farbtöne von Bildpunkten und/oder die Soll-Lichtintensität einer Beleuchtung dadurch vorgegeben werden, dass einer Datenverarbeitungsanlage numerische Werte vorgege ben werden. Stehen für die Zahlendarstellung z.B. nur 2 Nachkommastellen zur Verfügung, so führt eine Änderung der letzten Nachkommastelle auch nur zu einer kleinen und daher kaum wahrnehmbaren Veränderung eines Soll-Basis-Farbtons. Gibt ein Benutzer Soll-Basis-Farbtöne und eine Soll-Farbton-Lichtintensität beispielsweise mit einem virtuellen Schieberegler („slider") vor, so führt das Verschieben dieses Schiebereglers um einen Bildpunkt zu einer nur geringen und daher kaum wahrnehmbaren Veränderung des Soll-Basis-Farbtons bzw. der Soll-Farbton-Lichtintensität.
Liste der verwendeten Bezugszeichen und Symbole

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer rechnerverfügbaren Darstellung (9) eines beleuchteten physikalischen Gegenstands auf einem Bildschirmgerät (2) einer Datenverarbeitungsanlage, wobei – das Bildschirmgerät (2) ein Gamma-Verhalten aufweist, wodurch die Anzeige-Lichtintensität, mit dem das Bildschirmgerät (2) einen Bildpunkt anzeigt, überproportional mit einem an das Bildschirmgerät (2) übermittelten elektrischen Eingangssignal für die Soll-Lichtintensität des Bildpunkts ansteigt, – und ein rechnerverfügbares Konstruktionsmodell (8) des Gegenstandes vorgegeben wird und das Verfahren die automatisch durchgeführten Schritte umfaßt, dass – Bildpunkte (BP) des Konstruktionsmodells (8) ausgewählt werden, – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) in Abhängigkeit von der Beleuchtung des Gegenstandes und dem Konstruktionsmodell (8) eine Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) berechnet wird, – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) in Abhängigkeit von der Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) eine das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) des Bildpunkts (BP) berechnet wird, – die kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in ein vom Bildschirmgerät (2) verarbeitbares Eingangssignal (ES_BP) für den Bildpunkt (BP) transformiert wird, – unter Verwendung der ausgewählten Bildpunkte und der Eingangssignale der Bildpunkte die Darstellung (9) des Gegenstandes erzeugt wird, – die Darstellung (9) an das Bildschirmgerät (2) übermittelt und auf dem Bildschirmgerät (2) angezeigt wird, wobei jeder ausgewählten Bildpunkt (BP) auf dem Bildschirmgerät (2) mit einer vom Eingangssignal (ES_BP) abhängenden Anzeige-Lichtintensität angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Betrachtungsrichtung (v →) auf den Gegenstand vorgegeben wird, – ermittelt wird, welche Bereiche der Oberfläche des Konstruktionsmodells (8) aus der Betrachtungsrichtung (v →) sichtbar sind, – ausschließlich solche Bildpunkte ausgewählt werden, die in einem sichtbaren Bereich der Oberfläche liegen, und – die Darstellung (9) dergestalt erzeugt wird, dass sie den Gegenstand aus der Betrachtungsrichtung (v →) zeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Betrachtungsposition (BPos) auf den Gegenstand vorgegeben wird, – ermittelt wird, welche Bereiche der Oberfläche des Konstruktionsmodells (8) aus der Betrachtungsposition (BPos) aus sichtbar sind, – ausschließlich solche Bildpunkte ausgewählt werden, die in einem sichtbaren Bereich der Oberfläche liegen, und – die Darstellung (9) dergestalt erzeugt wird, dass sie den Gegenstand aus der Betrachtungsposition (BPos) zeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bildschirmgerät (2) einer Umgebungsbeleuchtung ausgesetzt wird und – die das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der Umgebungsbeleuchtung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit vom Quotienten aus – einem von der Umgebungsbeleuchtung abhängenden Betrachtungs-Gamma-Faktor (γ_view) und – einem vom Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) abhängenden Gamma-Faktor (γ_BG) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierende Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in einen vom Bildschirmgerät (2) verarbeitbaren RGB-Vektor transformiert wird, – der als das Eingangssignal (ES_BP) für den Bildpunkt (BP) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Eingangssignal (ES_BP) für den Bildpunkt (BP) verwendete RGB-Vektor aus einem 8-Bit-Rotwert (ES_BP_r), einem 8-Bit-Grünwert (ES_BP_g) und einem 8-Bit-Blauwert (ES_BP_b) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) – eine Beleuchtungsrichtung (r →) als eine Richtung, aus der eine Beleuchtung auf den Gegenstand einwirkt, vorgegeben wird, – eine Normale (n →) auf das Konstruktionsmodell (8) im Bildpunkt (BP) berechnet wird, – ein Winkel (θ) zwischen der Normalen (n →) und der Beleuchtungsrichtung (r →) berechnet wird und – die Soll-Lichtintensität (LI_BP) des ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit vom Winkel (θ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtintensität (LI_LQ) der den Gegenstand beleuchtenden Lichtquelle vorgegeben wird und die Soll-Lichtintensität (LI_BP) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der vorgegebenen Lichtquellen-Lichtintensität (LI_LQ) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (dist(LQ,G)) zwischen der den Gegenstand beleuchtenden Lichtquelle und dem Gegenstand vorgegeben wird die Soll-Lichtintensität (LI_BP) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von – der vorgegebenen Lichtquellen-Lichtintensität (LI_LQ) und – dem vorgegebenen Abstand (dist(LQ,G)) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Lichtintensität (LI_BP) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Gegenstandes berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Farbton-Lichtintensität (LI_LQ) der Beleuchtung vorgegeben wird, wobei die Farbton-Lichtintensität (LI_LQ) den Farbton und die Lichtintensität der Beleuchtung beschreibt, – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) je ein Basis-Farbton (FT_BP), der den Farbton des Bildpunkts (BP) beschreibt, vorgegeben wird, – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) in Abhängigkeit von der vorgegebenen Farbton-Lichtintensität (LI_LQ) der Beleuchtung, dem Basis-Farbton (FT_BP) des Bildpunkts (BP) und dem Konstruktionsmodell (8) eine Soll-Farbton-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) berechnet wird, wobei die berechnete Soll-Farbton-Lichtintensität (LI_BP) eines Bildpunkts den Farbton und die Lichtintensität des beleuchteten Gegenstandes im Bildpunkt (BP) beschreibt, und – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) in Abhängigkeit von der Soll-Farbton-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) eine das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierende Farbton-Lichtintensität (LI_BP_komp) des Bildpunkts (BP) berechnet und als die kompensierende Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) verwendet wird,
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Gamma-Verhalten des Bildschirmgerät (2) kompensierende Farbton-Lichtintensität (LI_LQ_ang) der Beleuchtung vorgegeben wird, die Farbton-Lichtintensität (LI_LQ) der Beleuchtung aus der kompensierenden Farbton-Lichtintensität (LI_LQ_ang) berechnet wird, für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) – ein das Gamma-Verhalten des Bildschirmgerät (2) kompensierender Basis-Farbton (FT_BP_ang) vorgegeben wird und – der Basis-Farbton (FT_BP) des Bildpunkts (BP) aus dem kompensierenden Basis-Farbton (FT_BP_ang) berechnet wird.
Computerprogramm-Produkt, das in den internen Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfaßt, mit denen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausführbar ist, wenn das Produkt auf einem Computer läuft.
Computerprogramm-Produkt, das auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist und das von einem Computer lesbare Programm-Mittel aufweist, die den Computer veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Datenverarbeitungsanlage, die – eine Informationsweiterleitungsschnittstelle zu einem Datenspeicher (3), in dem ein rechnerverfügbares Konstruktionsmodell (8) eines physikalischen Gegenstandes und eine rechnerverfügbare Beschreibung einer Beleuchtung des Gegenstandes abgespeichert sind, und – eine Informationsweiterleitungsschnittstelle zu einem Bildschirmgerät (2) umfaßt, wobei das Bildschirmgerät (2) ein Gamma-Verhalten aufweist, wodurch die Anzeige-Lichtintensität, mit dem das Bildschirmgerät (2) einen Bildpunkt anzeigt, überproportional mit einem an das Bildschirmgerät (2) übermittelten elektrischen Eingangssignal für die Soll-Lichtintensität des Bildpunkts ansteigt, und wobei die Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung der folgenden Schritte ausgestaltet ist: – Auswählen von Bildpunkten (BP) des Konstruktionsmodells (8), – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) Berechnen einer Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der Beleuchtung des Gegenstandes und von dem Konstruktionsmodell (8), – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) Berechnung einer das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierenden Lichtintensität (LI_BP_komp) des Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP), – Transformieren der kompensierenden Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in ein vom Bildschirmgerät (2) verarbeitbares Eingangssignal (ES_BP) für den Bildpunkt (BP), – Erzeugen einer rechnerverfügbaren Darstellung (9) des beleuchteten Gegenstandes unter Verwendung der ausgewählten Bildpunkte und der Eingangssignale der Bildpunkte, – Übermitteln der Darstellung (9) an das Bildschirmgerät (2) und – Auslösen des Anzeigens der Darstellung (9) auf dem Bildschirmgerät (2) dergestalt, dass das Bildschirmgerät (2) jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) mit einer vom Eingangssignal (ES_BP) abhängenden Anzeige-Lichtintensität anzeigt.
Computerprogramm-Produkt, das – eine Informationsweiterleitungsschnittstelle zu einem Datenspeicher (3), in dem ein rechnerverfügbares Konstruktionsmodell (8) eines physikalischen Gegenstandes und eine rechnerverfügbare Beschreibung einer Beleuchtung des Gegenstandes abgespeichert sind, und – eine Informationsweiterleitungsschnittstelle zu einem Bildschirmgerät (2) umfaßt, wobei das Bildschirmgerät (2) ein Gamma-Verhalten aufweist, wodurch die Anzeige-Lichtintensität, mit dem das Bildschirmgerät (2) einen Bildpunkt anzeigt, überproportional mit einem an das Bildschirmgerät (2) übermittelten elektrischen Eingangssignal für die Soll-Lichtintensität des Bildpunkts ansteigt, und wobei das Computerprogramm-Produkt zur Durchführung der folgenden Schritte ausgestaltet ist: – Auswählen von Bildpunkten (BP) des Konstruktionsmodells (8), – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) Berechnen einer Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der Beleuchtung des Gegenstandes und von dem Konstruktionsmodell (8), – für jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) Berechnung einer das Gamma-Verhalten des Bildschirmgeräts (2) kompensierenden Lichtintensität (LI_BP_komp) des Bildpunkts (BP) in Abhängigkeit von der Soll-Lichtintensität (LI_BP) des Bildpunkts (BP), – Transformieren der kompensierenden Lichtintensität (LI_BP_komp) jedes ausgewählten Bildpunkts (BP) in ein vom Bildschirmgerät (2) verarbeitbares Eingangssignal (ES_BP) für den Bildpunkt (BP), – Erzeugen einer Darstellung (9) des beleuchteten Gegenstandes unter Verwendung der ausgewählten Bildpunkte und der Eingangssignale der Bildpunkte und – Übermitteln der Darstellung (9) an das Bildschirmgerät (2) und – Auslösen des Anzeigens der Darstellung (9) auf dem Bildschirmgerät (2) dergestalt, dass das Bildschirmgerät (2) jeden ausgewählten Bildpunkt (BP) mit einer vom Eingangssignal (ES_BP) abhängenden Anzeige-Lichtintensität anzeigt.