FI108679B - 3D-Grafiikkalaite - Google Patents

Description

3D-grafiikkalaite ^ U b 6 7 9

Nyt esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan 5 mukaista laitetta kolmiulotteisen grafiikan esittämiseksi.

Integroituina piireinä toteutettavien tietojenkäsittely-yksiköiden yhtenä yhä tärkeämpänä sovellusalueena on kolmiulotteisen grafiikan esittäminen. Kolmiulotteisen grafiikan esitysprosessi koostuu tyypillisesti 10 useista toimenpiteistä. Esitysprosessi alkaa korkeatasoisesta sovellus-tiedosta, joka kuvaa esitettävää kuvauspaikkaa esineiden joukkona. Nämä esineet muunnetaan sitten kuvantamisjärjestelmää varten sopivaan avaruuskoordinaatistoon, ja niille lasketaan eri määreitä vastaavat arvot. Tämän jälkeen esineiden muunnostiedot muunnetaan rasteroin-15 niksi nimitetyssä prosessissa sarjaksi lukuarvoja, jotka vastaavat esineen näytöllä olevan kuvan kutakin kuva-alkiota.

i | Tyypillisissä toteutusmuodoissa esinettä kuvaa joukko monikulmioita, esimerkiksi kolmioita. Monikulmion kunkin kärjen (huippupisteen) arvo 20 kuva-alkion parametreinä määräytyy esineen ja ympäristön ominaisuuksien perusteella. Näin ollen kullekin monikulmion alueella olevalle kuva-alkiolle muodostetaan kuva-alkion parametrit joko lineaarisen interpoloinnin avulla tai sopivimmin käyttäen perspektiivinkorjausinter-polointia.

: 25

Kunkin kuva-alkion lukuarvot voivat edustaa kunkin kuva-alkion väri-arvoja, kuva-alkion X- ja Y-koordinaatteja, kuva-alkion syvyyttä näytöllä kuvaavaa Z-arvoa, ja yhtä tai useampaa pintakartta- (pintarakenne-) koordinaattisarjaa.

30

Kuvantamisprosessin viimeisessä vaiheessa tämä tietovirta kootaan yhteen ja yhdistetään olemassaolevaan grafiikkatietoon lopullisten : : kuva-alkioarvojen luomiseksi. Yksittäisen kuva-alkion kokoonpano- v : prosessi on yleensä riippuvainen useista parametreista sekä myös nii- 35 den kuva-alkioiden tiedoista, jotka on tuotettu aiemmin näytölle.

On olemassa menetelmiä, kuten pintarakennekartoitus, joiden avulla kuvan todenmukaisuutta voidaan parantaa tunnetun tekniikan tason 2 108579 mukaisissa kolmiulotteisissa grafiikkajärjestelmissä. Ympäristön kartoitus on menetelmä, jonka avulla voidaan mallintaa ympäristön valonlähteiden vaikutusta hajottavalla pinnalla ja heijastuspinnan ympäristöä yleensä. Se perustuu siihen, että luodaan kuvattavan kohteen ympäris-5 töä edustava pintarakennekartta. Tämä pintarakennekartta voidaan luoda esimerkiksi muodostamalla pallonmuotoinen projektio ympäristöstä, kuten kuvauspaikan muista esineistä ja valonlähteistä.

Päinvastoin kuin tyypillinen pintarakennekartta, tämä kartta ei ole kiin-10 teä esineen pinnan suhteen. Sen sijaan pintarakennekartan pisteen koordinaatit, jotka vastaavat kuvattavan kohteen pinnalla olevaa pistettä, määräytyvät dynaamisesti. Tämä koordinaattimuunnos perustuu tyypillisesti pinnan normaalivektoreihin. Esimerkiksi käytettäessä ympäristön palloprojektiokarttaa ja pinnan hajavalaistusmallia on pinnan 15 kunkin pisteen ympäristökartan oikea koordinaatti suoraan pinnan nor-maalivektori tässä pisteessä, jos normaalivektori esitetään käyttäen j pallokoordinaatistoa. Kokonaan heijastavan pinnan oikea koordinaatti- | vektori saadaan peilaamalla vektori, joka vastaa katsojan suuntaa pin nan pisteestä, pinnan normaalivektoriin.

20

Koordinaattimuunnos toteutetaan tyypillisesti edellä esitetyllä tavalla pätevästi vain määrittämällä ympäristön oikeat karttakoordinaatit pinnan muodostavien monikulmioiden kullekin kärjelle ja käyttämällä näiden koordinaattien välillä lineaarista tai perspektiivinkorjausinterpolointia.

! ·.: 25 Y; Kuten edellä on esitetty, ympäristön koordinaattimuunnosprosessi so veltuu tasaisten pintojen kuvantamiseen. Todenmukaisten kuvaus-v. paikkojen esittämiseksi käytetään tekniikkaa, jota kutsutaan kohouma- kartoitukseksi.

:·. 30

Kohoumakartoituksessa pintaan liitetään lisäksi sopivimmin kaksiulotteinen pinnanmuodostuskartta. Tämä ns. kohoumakartta sisältää tietoa : siitä, kuinka ympäristön karttakoordinaatisto vastaa pintaa, jossa on erilaisia pinnan normaalivektoreita pinnan eri kohdilla, jolloin syntyy vai-35 kutelma karheasta pinnasta. Kohoumakartoituksen periaatetta on ku-'.···. vattu esimerkiksi Addison-Wesley -kustantamon julkaisussa "Fundamentals of three-dimensional Computer Graphics", jonka on kir-:: joittanut Alan Watt, 1989.

3 108679

Tyypillisessä toteutuksessa on myös määriteltävä jotenkin kohouma-kartan orientaatio. Tähän on syynä se, että jos tarkastellaan pintaa, joka on periaatteessa tasainen, mutta siinä on kohoumia, ja jos pintaa 5 käännetään käyttäen sen normaalivektoria kääntöakselina, kohoumien visuaalinen vaikutelma muuttuu pintaa käännettäessä. Tätä ei voida saada aikaan kuvantamisprosessissa määrittelemättä kohoumakartan suuntaa. Tämä saadaan aikaan käyttämällä epätasaisuuden lähtökohtana paikallisiin pinnan derivaattoihin perustuvaa koordinaatistoa.

10

Tyypillisessä kuvauspaikassa esimerkiksi esineen vasen ja oikea kulma heijastavat ympäristöä lähes vastakkaisista suunnista. Tämä saa aikaan sen, että esine peittää suuren alan ympäristön koko kartasta. Tästä syystä kohoumakartan orientaatiot esineen eri alueilla voivat 15 myös olla hyvin erilaiset.

On mahdollista määritellä kunkin pinnan muodostavan monikulmion | yksittäinen suunta. Tämä voi johtaa suhteellisen yksinkertaiseen toteu tukseen, ja sitä on käytetty joissakin tunnetun tekniikan tason mukai-20 sissa graafisissa järjestelmissä, mutta se johtaa myös kiusallisiin kuva-virheisiin alueilla, joissa (vierekkäiset) eri monikulmiot koskettavat kohteen pintoja, jotka ovat kohoumakartassa erisuuntaisia.

Kohoumakartoitusprosessi toteutetaan yleensä esilaskemalla haku-25 taulukosta, joka on sopivimmin tallennettu luku/kirjoitusmuistiin (RAM, : Random Access Memory).

’ Eurooppalaisessa patenttihakemuksessa EP-764 921 on kuvattu tieto- konegrafiikkapiiriä valon heijastaman varjokuvan esittämiseksi. Kohou-,. 30 manormaali määritellään kaksiulotteisella mallilla ja tallennetaan muis tivälineisiin. Se kartoitetaan satunnaissuuntaiselle pinnalle. Kohouma-kartoitus kääntää pinnan normaalia (kulmaa) kohoumanormaalin suh-: : teen. Monikulmiota täydennetään interpoloimalla käyttämällä hyväksi : koordinaatistoa, pinnan karttaosoitetta, pinnan kulmaa ja valonlähteen ;v; 35 kulmaa (usean valonlähteen järjestelmässä). Kohoumamalli muodoste-,··. taan kaksiulotteisten u-, v-koordinaattien avulla, joiden toiminnallinen ’ ·’ muuttuja määritetään u- ja v-koordinaattien kanssa kohtisuoran akselin vaakasuoran ja pystysuoran kulman, Bh ja Bv avulla. Tämä malli tai- j 4 108679 lennetään luku/kirjoitusmuistiin. Tällä piirillä on kuitenkin vielä se edellämainittu haitta, että vierekkäisten monikulmioiden tapauksessa ko-houmakartan normaalit voivat olla merkittävästi erisuuntaisia erityisesti kaarevissa pinnoissa, mikä johtaa tällaisilla alueilla kiusallisiin kuva-5 virheisiin.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat mitä suurimmassa määrin ja saada aikaan tehokkaampi menetelmä ja laite kolmiulotteista kuvantamisprosessia varten. Keksintö perustuu sii-10 hen ajatukseen, että kohoumakartan normaalivektoreita interpoloidaan. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnöllä saadaan merkittäviä etuja. Kuvantamisprosessi suoritetaan 15 merkittävästi nopeammin kuin käyttäen tunnetun tekniikan tason mukaisia menetelmiä. Kuvantamistulos on myös todenmukaisempi ja sisäl-j tää vähemmän kuvavirheitä kuin tekniikan tason mukaisissa järjestel missä. Yhtenä tämän keksinnön etuna on lisäksi se, että kun kohou-makartoitusta ei käytetä joissakin kohteissa, kohoumakartan inter-20 polointilaitetta voidaan käyttää muihin tarkoituksiin, kuten esineiden lä-pinäkyvyyskertoimien muodostamiseen.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 25 kuva 1 on pelkistetty lohkokaavio, joka esittää nyt esillä olevan keksinnön mukaisen grafiikkalaitteen erästä edullista suoritusmuotoa, ja I * 9 30 kuva 2 on pelkistetty lohkokaavio, joka esittää interpolointiyksikön edullista suoritusmuotoa.

1 : Seuraavassa selostetaan keksinnön erään edullisen suoritusmuodon : mukaista menetelmää. Kohteet on määritelty monikulmioiksi, sopivim- : ··: 35 min kolmioiksi, ja kohoumakartan tietoja tallennetaan sopivimmin napa-.···. koordinaatistomuotoon luku/kirjoitusmuistiin 6 (kuval). Aluksi kustakin ’ ·’ monikulmiosta määritetään monikulmion kunkin kärjen kohoumakartan suunta BD. Kohoumakartan suunta määritetään sopivimmin napa- 5 108579 kulmamuotoon. Tämän keksinnön mukaisesti kohoumakartan suunnat kärjen kohdalla lasketaan käyttämällä sopivimmin kohteen kaikkien ko. pisteessä suppenevien monikulmioiden suuntatietoja. Tämä tarkoittaa, että kullakin suppenevalla monikulmiolla on edullisesti sama suuntatieto 5 tässä huippukohdassa. Tämän jälkeen kun monikulmiot rasteroidaan, muodostetaan kyseisen kuva-alkion interpoloitu suunta-arvo BDI käyttäen samanlaista interpolointitekniikkaa kuin käytetään kunkin kuva-alkion pintarakenteen koordinaattiarvojen muodostamiseen. Kohouma-kartan koordinaattiarvot Bx, By interpoloidaan pintarakenteen koordi-10 naattiosoitteen Taddr saamiseksi kyseiselle kuva-alkiolle.

Pintarakenteen koordinaattiosoitteen Taddr avulla noudetaan kohteen kohoumakarttatiedot muistista 6. Näin saatu kohoumakarttatieto, joka käsittää suuruustiedon BM ja suuntatiedon BD, yhdistetään interpoloi-15 tuun suunta-arvoon (kulma-arvoon) BDI ja mahdollisesti vakiokulma-arvoon C laskemalla yhteen kulma-arvot BD, BDI, C. Tunnetun tekniikan mukaisissa järjestelmissä kohoumakartan suunta on esitetty kohtisuorina koordinaattiarvoina, eikä laitteistopohjaisissa järjestelmissä ole käytetty interpolointitekniikkaa.

20

Joissakin tilanteissa saattaa olla tarpeetonta käyttää interpoloitua suunta-arvoa BDI, jolloin sen sijaan voidaan käyttää vakioarvoa C.

Seuraavassa vaiheessa näin saatu kohoumakartta-arvo muunnetaan 25 ensin napakoordinaateista suorakulmaiseen koordinaatistoon, ja tämän jälkeen näitä muunnettuja koordinaattiarvoja Dx, Dy käytetään pintarakenteen osoitteen muuntamiseen. Muunnettua pintarakenteen osoi-. tetta MTaddr käytetään lopuksi ympäristön kartta-arvojen (pintarakennetietojen) noutamiseen, jotka on myös tallennettu sopi-. 30 vimmin luku/kirjoitusmuistiin.

Tällaisissa sovelluksissa, joissa käytetään pallomaisia ympäristön ‘ : karttoja, keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää myös x-koordinaatin skaalausta jakamalla se funktiolla sin(—(l-\y\)), jossa

| · I

35 oletetaan, että y = ±1 pallon navoissa. Tämä skaalaus tasoittaa sitä ' * · ·" seikkaa, että pallon pinnalla pohjois—etelä-akselin ympäri kulkevien ympyröiden kehä lyhenee napoja kohti, mutta jos sen sijaan käytetään 6 108579 triviaalia pallokarttaprojektiota, jossa pituus- ja leveyskoordinaatteja käytetään karteesisen kartan suorakulmaisina koordinaatteina, kartan leveys ei muutu ekvaattorilta napoja kohti siirryttäessä.

5 Kuva 1 on pelkistetty lohkokaavio, joka esittää nyt esillä olevan keksinnön mukaisen grafiikkalaitteen 1 edullista suoritusmuotoa. Siinä on esitetty ainoastaan grafiikkalaitteen 1 oleelliset piirteet. Ensimmäinen interpolointiyksikkö 2 laskee monikulmion rasteroidun pisteen kohou-makartan x-koordinaatin. Toinen interpolointiyksikkö 3 laskee moni-10 kulmion rasteroidun pisteen kohoumakartan y-koordinaatin. Lasketut x-ja y-koordinaatit siirretään pintarakenneosoitteen laskentayksikköön 4, jossa lasketaan kyseisen pisteen pintarakenteen osoite Taddr. Pintarakenteen osoitteen laskentayksiköstä 4 laskettu osoitetieto siirretään muistinlukuyksikköön 5. Tämä muistinlukuyksikkö 5 muodostaa laske-15 tuista pintarakenteen koordinaateista muistinlukuosoitteen. Tämä osoite viittaa muistipaikkaan muistielimissä 6, joihin kohoumakartan tiedot tallennetaan. Tämä muistipaikka sisältää pinnan pisteen kohouma-karttatiedon sopivimmin napakoordinaattimuodossa. Kohoumakartan kullekin yksityiskohdalle varattu muistitila riippuu sovelluksesta. Se voi 20 käsittää esimerkiksi yhden tavun suuruustietoa varten ja yhden tavun suuntatietoa (kulmatietoa) varten. Yksi tavu käsittää tyypillisesti 8 bittiä.

Kolmas interpolointiyksikkö 7 määrittää interpoloidun kohoumakartta-suunta-arvon kyseisessä pisteessä. Interpoloitu suunta-arvo lasketaan 25 ensimmäisessä summauselimessä 8 yhteen vakiosuunta-arvon kanssa, : joka noudetaan vakiokiertorekisteristä 9. Tulos ja muistielimestä 6 nou- dettu kohoumasuunta-arvo lasketaan edelleen yhteen toisessa sum-I . mauselimessä 10. Muistielimestä 6 noudettu kohoumasuuruusarvo ja toisesta summauselimestä 10 saatu kohoumasuunta-arvo muunnetaan ... 30 napakoordinaateista suorakulmaisiksi koordinaateiksi koordinaatti- muunnoselimessä 11, joka muodostaa kohouman x-siirtymäarvon Dx ja kohouman y-siirtymäarvon Dy. Kompensointielin 12 kompensoi ko- t * /Γ houman x-siirtymäarvon Dx jakamalla sen funktiolla sin(—(l-\y\)), ..'. jossa y on rasteroidun kuva-alkion y-koordinaatti.

35

Kuvassa 1 on esitetty myös neljäs 13 ja viides interpolointiyksikkö 14. Niitä käytetään muodostamaan interpoloidut ympäristökartan koordi-

, . I 4 I

7 1 G 8 6 7 9 naatit sinänsä tunnetuista ympäristön karttatiedoista. Interpolointi voi olla lineaari- tai perspektiivikorjattua interpolointia. Perspektiivikorjattu interpolointi huolehtii perspektiivivaikutelmasta. Nämä ympäristön koordinaatit lasketaan yhteen kohoumasiirtymäarvojen kanssa vastaa-5 vissa kolmannessa 15 ja neljännessä summauselimessä 16. Kolmas 15 ja neljäs summauselin 16 tulostavat kohoumakartan korjattuja koordi-naattiarvoja, joita käytetään kyseisen pisteen pintarakenteen tietojen noutamiseksi. Pintarakenneosoitteen laskentaelin 17 käyttää kohoumakartan korjattuja koordinaattiansa pintarakenneosoitteen laskemi-10 seksi, jota käytetään toisessa muistinlukuyksikössä 18 pintarakenne-tietojen saamiseksi toisesta muistielimestä 19. Toinen muistinlukuyksik-kö18 siis tulostaa kyseisen pisteen kohoumakartan korjatun pinta-rakennetiedon.

15 On huomattava, että vaikka tässä on esitetty kaksi muistinlukuyksikköä 5, 18 ja kaksi muistielintä 6, 19, ne voidaan todellisissa sovelluksissa toteuttaa myös yhtenä muistinlukuyksikkönä ja yhtenä muistina.

Kuvassa 2 on pelkistetty lohkokaavio, joka esittää interpolointiyksikön 20 2, 3, 7, 13, 14 edullista suoritusmuotoa. Interpolointiyksikkö 2, 3, 7, 13, 14 käsittää multipleksointiyksikön 20, joka valitsee yhden kahdesta lähtöarvosta. Lähtöarvot ovat esimerkiksi x-siirtymäarvo DX ja y-siirtymäarvo DY. Multipleksointiyksikön 20 ulostulo yhdistetään summaus/vähennysyksikön 21 toiseen sisääntuloon. Sum-25 maus/vähennysyksikön 21 toinen sisääntulo on kytketty laskurin 22 ulostuloon. Summaus/vähennysyksikön 21 ulostulo on kytketty laskurin 22 sisääntuloon, ja se muodostaa myös interpolointiyksikön 2, 3, 7, ,·. 13,14 ulostulon.

r » ,.. 30 Kun interpolointi aloitetaan (esimerkiksi monikulmion vasemmasta reu nasta), laskurin 22 sisältö on joko nolla tai se asetetaan lähtöarvoon.

: : Tätä keksintöä ei ole rajoitettu pelkästään edellä esitettyihin suoritus- v : muotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten ./: 35 puitteissa.

I *

, I

1 i » t I »

Claims (5)

8 108079

1. Laite kolmiulotteisen grafiikan esittämiseksi, joka käsittää: — elimet yhden tai useamman monikulmion määrittämiseksi esitettä- 5 vistä kohteista, — elimet (13, 14) ympäristön kartoitusta varten, jotka käsittävät elimen (6) pintarakennekartan tallentamiseksi ja elimen (5) pinta-rakennekarttatiedon noutamiseksi pintarakennekartan tallennus-elimestä (6), 10. elimet (2, 3, 4) kohoumakartoitusta varten, jotka käsittävät elimen (6) kohoumakartan tallentamiseksi ja elimen (5) kohoumakartan noutamiseksi kohoumakartan tallennuselimestä (6), sekä elimet kohoumakartan normaalin suuntaisvektorin määrittämiseksi monikulmion kussakin kärjessä, 15. elimet (15, 16) pintarakennekarttakoordinaattien muuntamiseksi mainitun kohoumakarttatiedon perusteella lisäämällä kohouma-karttatiedon kaksiulotteisena siirtymänä pintarakennekarttakoor-dinaatteihin, ja — elimet (13, 14, 17, 18,19) kuvien rasteroimiseksi näyttölaitteella, 20 tunnettu siitä, että laite (1) käsittää lisäksi elimet (7) kohoumakartan suuntaisvektorien interpoloimiseksi käyttämällä kohoumakartan suunta-arvoja suppenevien monikulmioiden kärjissä kulma-arvon aikaansaamiseksi, jota käytetään kohoumakartan suuntaisvektorin kiertämiseksi, ·. : kiusallisten kuvavirheiden vähentämiseksi alueilla, joissa suppenevat ! .25 monikulmiot kohtaavat kohteen pinnoilla.

];*·;* 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että : V kulma-arvon muodostuselin (7) käsittää lisäksi elimet (8, 9) sopivimmin : ’·· vakiokulma-arvon yhdistämiseksi kulma-arvon muodostamiselimellä (7) v 30 muodostettuun kulma-arvoon.

·:*·· 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että ····. kohoumakartta on tallennettu kaksiulotteisena siirtymäkarttana ja kohoumakartta-arvot on muunnettu kuva-alkiokohtaisesti yhdistämällä • ♦ · ’^35 kohoumakartan suuntaisosuus lisäämällä se interpoloituun ;···: suuntaiskulmaan ja/tai kulma-arvoon, joka on vakio monikulmiolle. 9 108579

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että ensimmäisen ulottuvuuden (x) siirtymä skaalataan arvolla, joka on laskettu toisen suunnan (y) siirtymän perusteella.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite (1), tunnettu siitä, että skaalausarvo on laskettu funktiolla l/sin(l-\y\). i 10 108579