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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen eines
Pixelwerts für
ein Bild in einem Computergrafikbild mit Texturabbildung.
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Texture
Mapping und Bump Mapping sind Abbildungsverfahren, um den Realismus
von Computergrafikbildern zu erhöhen.
Diese Abbildungsverfahren werden verwendet, um Farbmuster und optische
Unebenheitseffekte in einem Bildabschnitt zu erzeugen, der eine
Oberfläche
zeigt, die als ein flaches Vieleck im dreidimensionalen Raum modelliert ist.
Diese Abbildungsverfahren wenden eine Näherung an, um das Bild zu berechnen.
Ein zweidimensionales Abbild (die Texture Map oder die Bump Map) ist
zum Beispiel als ein Werte-Array vorgesehen, das im Computerspeicher
gespeichert ist. Jeder Position auf der Oberfläche ist eine Position im Abbild
zugeordnet. Bei der Berechnung des Pixelwerts eines Pixels im Bild
wird berechnet, welche Position auf der Oberfläche im Pixel sichtbar ist,
und der Pixelwert wird anhand des Werts bestimmt, der im zweidimensionalen
Abbild für
die Position im Abbild gespeichert ist, die dieser Position auf
der Oberfläche
zugeordnet ist. Im Falle einer Texture Map wird ein Farbwert (z.B. eine
RGB-Kombination)
aus dem Abbild verwendet, um eine Oberflächenfarbe zu berechnen. Im
Falle einer Bump Map wird eine lokale Oberflächenorientierung aus der Bump
Map bestimmt, und diese Orientierung wird verwendet, um sichtbare
Reflektionen von der Oberfläche
zu berechnen.
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Das
Texture Mapping und Bump Mapping erhöhen den Realismus, der beim
Betrachten des Bildes empfunden wird. Eine weitere Erhöhung kann durch
Einschluss von Parallaxeeffekten erreicht werden. Dies wird zum
Beispiel in der PCT-Patentanmeldung WO 98/92911 (vom gleichen Erfinder)
erreicht, die einen Parallaxeeffekt erzeugt, indem sie Information
aus zwei Texture Maps für
eine Oberfläche
kombiniert, wobei die zwei Texture Maps in eine Richtung normal
zur Oberfläche
voneinander versetzt sind. In WO 98/22911 wird vorgeschlagen, zwei
Texture Maps anzuwenden, wobei eine Texture Map (A) in einer sichtabhängigen Richtung
und um eine sichtabhängige
Menge von der anderen Texture Map (B) verschoben wird. In Verbindung
damit wird die andere Texture Map (B) an einigen Stellen transparent
gemacht, um die eine Texture Map (A) zu zeigen (z.B. liegt ein Fenster
in einer Ziegelwand etwas tiefer, weshalb die Ziegeltextur (B) ein
Loch an der Stelle hat, wo die Fenstertextur (A) kommen müsste. Dank der
Verschiebung der Texture Map (A) scheint das Fenster durch Parallaxe
tiefer zu liegen). Dies ergibt einen Pseudo-3D-Effekt, der viel billiger hergestellt werden
kann, als wenn die tatsächliche
3D-Geometrie modelliert werden muss.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und
eines Geräts
zum Erzeugen von Computergrafikbildern mit zusätzlichem Realismus.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in Anspruch 1 dargelegt. Erfindungsgemäß wird die Oberflächentextur
in einem Pixel vom Inhalt der Texture Map an einer Texture Map-Position
ausgehend bestimmt. Die Texture Map-Position wird bestimmt, indem
ein Versatz auf eine Position in der Texture Map angewandt wird,
die der Oberflächenposition
zugeordnet ist, die im Pixel sichtbar ist. Der Versatz wird anhand
einer Oberflächenhöhe für die Oberflächenposition
bestimmt, der von einer Displacement Map ausgehend bestimmt wird.
Dadurch wird eine Parallaxe in der Textur simuliert. Die Parallaxe
entspricht einer Unebenheit der Oberfläche, wie sie von der Displacement
Map beschrieben wird.
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Die
Parallaxe hängt
auch von der aktuellen Betrachtungsrichtung relativ zum lokalen
Normalenvektor ab. Zur Berechnung des Versatzes werden daher sowohl
die Oberflächenhöhe als auch
die Betrachtungsparameter berücksichtigt.
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Bevorzugt
wird die Berechnung der Parallaxe anhand der Displacement Map mit
der Berechnung der Winkelabhängigkeit
der Reflektionen (Spiegelreflektion und/oder diffuse Reflektion)
und/oder der Schatten kombiniert, die von den Unebenheiten geworfen
werden, die von der Displacement Map beschrieben werden. Die Berechnung
des Parallaxeeffekts berücksichtigt
automatisch einige Okklusionseffekte: das Verbergen bestimmter Oberflächendetails durch
andere Oberflächendetails.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Gerät
mit Computergrafikfähigkeit,
das aufgebaut und/oder programmiert ist, um das erfindungsgemäße Verfahren
auszuführen.
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Diese
und andere vorteilhafte Aspekte der Erfindung werden anhand der
folgenden Zeichnungen auf nicht einschränkende, beispielhafte Weise beschrieben,
wobei:
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1 ein
Computergrafik-Gerät
zeigt
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2 ein
Beispiel eines zweidimensionalen Querschnitts eines dreidimensionalen
Raums zeigt
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3 den
Parallaxeeffekt veranschaulicht, der durch Höhenvariationen verursacht wird.
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1 zeigt
ein Computergrafik-Gerät.
Das Gerät
enthält
eine Pixelsteuereinheit 10, die mit einem Modellspeicher 11 gekoppelt
ist. Ein Ausgang der Pixelsteuereinheit 10 ist mit einem
Offset-Generator 12 und einem Displacement Map-Speicher 13 gekoppelt.
Der Displacement Map-Speicher 13 ist mit dem Offset-Generator 12 gekoppelt.
Der Offset-Generator 12 weist einen Ausgang auf, der mit
einem Texturspeicher 15 und einem Pixelwertgenerator 14 gekoppelt
ist. Der Texturspeicher 15 weist einen Ausgang auf, der
mit dem Pixelwertgenerator 14 gekoppelt ist. Der Pixelgenerator
weist einen Ausgang zu einer Anzeigeeinheit 16 auf, die
auch einen Eingang zur Pixelsteuereinheit 10 aufweist.
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In
Betrieb tastet die Pixelsteuereinheit 10 eine Anzahl von
Pixeln ab. Zum Beispiel tastet die Pixelsteuereinheit 10 nacheinander
räumlich
aufeinanderfolgende Pixel entlang einer Abtastzeile eines Bilds
ab. Die Pixelsteuereinheit 10 signalisiert der Anzeigeeinheit 16 die
Position des abgetasteten Pixels, z.B. mit Hilfe eines Pixeltakts,
der den Fortschritt entlang der Abtastzeile signalisiert.
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2 zeigt
ein Beispiel eines zweidimensionalen Querschnitts eines dreidimensionalen
Raums, der ein Objekt enthält,
das durch ein Modell beschrieben wird. Der Querschnitt zeigt zwei
Oberflächen 20, 22 im
Querschnitt. Ferner werden ein Standpunkt 23 und eine Sichtlinie 24 vom
Standpunkt 23 zu einer der Oberflächen 20 gezeigt. Die
Sichtlinie 24 schneidet diese Oberfläche 20 an einer Oberflächenposition 25.
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Eine
Displacement Map ist mindestens für die erste Oberfläche 20 vorgesehen.
Die Displacement Map definiert ein Höhenprofil 26 für diese
Oberfläche 28.
Das Höhenprofil 26 entspricht
zum Beispiel der Verschiebung jeder Oberflächenposition um eine positionsabhängige Menge
entlang der Normalen der Oberfläche
an dieser Oberflächenposition.
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Die
positionsabhängige
Menge wird zum Beispiel durch eine Funktion mit zweidimensionalen Koordinaten
spezifiziert. Werte dieser Funktion für verschiedene Koordinaten
können
als ein Werte-Array im Displacement Map-Speicher 13 gespeichert sein.
Das Modell spezifiziert die Funktion, die für jede Oberfläche 20, 22 zu
verwenden ist. Das Modell spezifiziert auch eine Beziehung zwischen
den zweidimensionalen Koordinaten, die als Argumente für die Funktion
verwendet werden, zum einen, und den Oberflächenkoordinaten der Positionen
auf den Oberflächen 20, 22,
zum anderen. Dadurch wird jeder Position auf der Oberfläche ein
Funktionswert zugeordnet.
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Die
Pixelsteuereinheit 10 bestimmt, welche modellierte Oberfläche 20 an
einem abgetasteten Pixel sichtbar ist. Die Pixelsteuereinheit 10 bestimmt auch
die die zweidimensionalen Koordinaten der Oberflächenposition 25, die
im Pixel sichtbar ist. Anhand dieser Information bestimmt die Pixelsteuereinheit 10 eine
Adresse, um den geeigneten Displacement Map-Wert aus dem Displacement
Map-Speicher 13 abzurufen. Die Pixelsteuereinheit 10 greift dann
auf den Displacement Map-Speicher 13 zu, um einen Displacement
Map-Wert für
die sichtbare Oberfläche 20 an
den Koordinaten der Oberflächenposition 25 zu
erhalten. Die Pixelsteuereinheit 10 bestimmt auch die Normale
zur Oberfläche 20 an
dieser Oberflächenposition 25.
Die Pixelsteuereinheit 10 signalisiert dem Offset-Generator 14 eine
Angabe der Koordinaten und der Normalen.
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Der
Offset-Generator 14 empfängt eine Angabe der sichtbaren
Oberfläche 20 und
der Oberflächenkoordinaten
der Oberflächenposition.
Der Offset-Generator 14 wendet einen Versatz auf die Oberflächenkoordinaten
an.
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Die
resultierenden Oberflächenkoordinaten und
eine Angabe der sichtbaren modellierten Oberfläche 20 werden zum
Adressieren des Texture Map-Speichers 15 verwendet. Der
Texture Map-Speicher 15 speichert Texture Map-Werte, die zum
Beispiel ein Farbmuster des positionsabhängigen Lichts beschreiben,
das von der Oberfläche
reflektiert wird (optional ist die Texture Map auch normalenvektororientierungsabhängig; in
diesem Fall wird auch der Normalenvektor zur Adressierung des Texture
Map-Speichers 15 verwendet). Der Adressierung vom Offset-Generator 12 entsprechend
stellt der Texture Map-Speicher 15 einen Texturwert für die Position 25 bereit,
die für
das abgetastete Pixel sichtbar ist.
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Der
Pixelwertgenerator 14 verwendet den Texture Map-Wert und
die Normale zur Oberfläche, um
den Pixelwert des abgetasteten Pixels zu berechnen. Der Pixelwert
wird an die Anzeigeeinheit 16 übergeben, zur Anzeige auf einem
Anzeigebildschirm an einer Pixelposition, die durch das abgetastete
Pixel definiert wurde. Bevorzugt speichert die Anzeigeeinheit 16 den
Pixelwert in einem Bildspeicher (nicht gezeigt) an einer Speicherstelle,
die von den Koordinaten des abgetasteten Pixels bestimmt wird, zur
späteren
Anzeige auf einem Anzeigebildschirm.
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Wie
erwähnt,
wendet der Offset-Generator 14 einen Versatz auf die Oberflächenkoordinaten
an. Der Versatz berücksichtigt
einen Parallaxeeffekt, der Höhenvariationen
der Oberfläche 20 entspricht,
wie sie durch die Displacement Map definiert werden.
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3 veranschaulicht
den Parallaxeeffekt, der durch Höhenvariationen
verursacht wird. Eine Oberfläche 30 wird
im Querschnitt gezeigt, mit einem Höhenprofil 32. Eine
Sichtlinie 34 schneidet die Oberfläche 30 an einer ersten
Oberflächenposition 35.
Sie schneidet das Höhenprofil 32 an
einer Profilposition 36. Die Profilposition 36 entspricht
einer zweiten Oberflächenposition 37,
die durch Verschiebung der Profilposition 36 entlang der
Normalen zur Oberfläche
erhalten wird. Ohne Parallaxe wäre
die Textur für die
erste Oberflächenposition 35 entlang
der Sichtlinie 34 sichtbar. Durch Parallaxe wird die Textur
für die
zweite Oberflächenposition 37 entlang
der Sichtlinie 34 sichtbar. Das heißt, die Oberflächenkoordinate,
für die
ein Texturwert erhalten wird, wird von der Oberfläche der
Koordinaten des ersten Position 35 um einen Vektor D verschoben,
wobei D = h Pe
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Hier
ist „h" die Verschiebung
entlang der Normalen, die von der Displacement Map für die zweite Position 37 definiert
wird, und Pe ist eine Projektion, auf die Oberfläche 30, eines Normalenvektors „e" in Richtung der
Sichtlinie 34. Allgemein ist der Versatz im Vergleich zur
Variation der Verschiebung „h" entlang der Oberfläche 30 gering,
und deshalb kann eine angemessene Näherung der Parallaxe erhalten werden,
indem die Verschiebung h für
die erste Oberflächenposition 35 statt
der für
die zweite Oberflächenposition 37 genommen
wird.
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Auf
jeden Fall braucht die Verschiebung nicht mit extremer Präzision berechnet
zu werden, damit ein überzeugender
optischer Eindruck einer unebenen Oberfläche erzeugt wird. Ein überzeugender
optischer Eindruck wird durch diese Näherung oder ähnliche
Näherungen
erzeugt, da die Näherung
normalerweise eine Parallaxe in der korrekten Richtung und mit einer
Amplitude bereitstellt, die der Höhenvariationen entspricht.
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Der
Offset-Generator 14 wendet Versätze auf die Oberflächenkoordinaten
der abgetasteten Pixel an. Der Offset-Generator 14 bestimmt
den Versatz abhängig
vom Displacement Map-Höhenwert
h, der vom Displacement Map-Speicher 13 für die erste Oberflächenposition 35 erhalten
wird 35, wo die Sichtlinie 34 vom abgetasteten
Pixel die flache modellierte Oberfläche 30 schneidet.
Der Offset-Generator 14 addiert diesen Versatz zu den empfangenen Koordinaten
der ersten Oberflächenposition 35.
Der Offset-Generator 14 wendet die resultierenden Koordinaten
als eine Adresse auf den Texturspeicher 15 an. Der Pixelwertgenerator 16 verwendet
den adressierten Inhalt des Texturspeichers 15, um einen
Pixelwert zu erzeugen. Daher entspricht der Pixelwert einer Textur,
die lokal um die Versatz versetzt ist, der vom Offset-Generator 14 berechnet
wurde.
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Bevorzugt
berechnet die Pixelsteuereinheit 10 die Normale zur Oberfläche durch
Interpolation der Werte der Normalen für die Ecken der Oberflächen, wie
dies für
Schattierungsberechnungen wie z.B. Phong Shading bekannt ist, so
dass die Normale über
die Oberfläche
hinweg variieren kann. Die interpolierte Normale, die zur Berechnung
der reflektierten Lichtstärke
verwendet wird, wird bevorzugt auch benutzt, um den Versatz im Offset-Generator 14 zu berechnen.
Dadurch treten an den Nahtstellen zwischen verschiedenen Oberflächen, die
verwendet werden, um Objekte zu modellieren, keine sichtbaren Sprünge in der
Parallaxe auf.
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Natürlich stellt
die oben beschriebene Ausführung
nur ein Beispiel dafür
dar, wie die Erfindung angewendet werden kann. Viele Varianten sind
denkbar, wie z.B. die Implementierung der verschiedenen Einheiten 10, 12, 14 in
einem auf geeignete Weise programmierten Computer, und/oder die
Implementierung eines oder mehrerer verschiedener Speicher 11, 13, 15 als
verschiedene Bereiche in einem größeren Speicher. Andere Varianten
umfassen das Berechnen der Displacement Map und/oder der Texturwerte
ausgehend von einer Funktion, statt sie vom Speicher zu erhalten.
Dementsprechend können statt
flacher Oberflächen
gekrümmte
Oberflächen verwendet
werden, um die Form eines Objekts zu modellieren, wie z.B. Bezier-Dreiecke
oder implizite Oberflächen
als ein Modell zur Berechnung von Schnittpunkten, Oberflächenkoordinaten
usw.
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Durch
Berücksichtigung
der Parallaxe werden einige Okklusionseffekte (Verbergen bestimmter Oberflächendetails
hinter einem anderen Oberflächenabschnitt)
automatisch berücksichtigt.
Wenn gewünscht,
kann eine weitere Berechnung der Okklusion eingeschlossen werden,
um den empfundenen Realismus des Bilds zu erhöhen.
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Bevorzugt
wird die Anwendung eines Versatzes zur Andeutung der Parallaxe mit
Berechnungen kombiniert, um Unebenheitseffekte wie z.B. Schattenwurf
und/oder oberflächenorientierungsabhängige Reflektionen
(bevorzugt sowohl diffuse Reflektionen als auch Spiegelreflektionen)
zu berücksichtigen.
Diese Berechnungen verwenden in erheblichen Umfang die gleiche Information über die
Oberfläche (Oberflächenkoordinaten,
Normalen, Displacement Maps) wie die Parallaxenberechnung. Deshalb
kann die Parallaxenberechnung ohne viel Rechenaufwand zu diesen
Berechnungen hinzugefügt
werden. Wenn sie auf konsistente Weise kombiniert wird (d.h., unter Ver wendung
der gleichen Displacement Map), erhöht die Kombination der Effekte
die wahrgenommenen Realismus der Oberflächen.