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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Darstellung eines computermodellierten Gegenstands, insbesondere
zur Darstellung eines virtuellen Prototypen von Produkten.
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Bei
der Entwicklung neuer Produkte, insbesondere bei der Entwicklung
neuer Kraftfahrzeugkomponenten, ist es in der Entwicklungsphase
notwendig, einen Prototypen zu erzeugen. Anhand des Prototypen sollen
insbesondere Designaspekte beurteilt werden können. Zudem sollen die sich
oft widersprechenden Anforderungen von Technik, Gesetz und Design
aufeinander abgestimmt werden. Da die Entwicklungszeiträume immer
kürzer
werden, hat es sich bewährt,
anstelle der Herstellung von Prototypen sogenannte virtuelle Prototypen
zu verwenden. Diese virtuellen Prototypen können für die Unterstützung des
Entwicklungsprozesses, aber auch für die Entscheidungsfindung
bei der Wahl zwischen verschiedenen Designs verwendet werden.
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Die
virtuellen Prototypen müssen
die Anforderung erfüllen,
eine photorealistische Visualisierung des Produkts zu geben, die
etwa die gleiche Beurteilungsbasis wie ein tatsächlicher Prototyp liefert.
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Als
eine Visualisierungsmethode ist beispielsweise das Z-Bufferverfahren
bekannt. Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Geometriepartikel
des Produkts (in der Regel Dreiecke) auf eine Kameraebene abgebildet
und jeweils deren Abstand zu der Ebene abgespeichert. Es kann nun
in jedem Punkt leicht bestimmt werden, welches Partikel am nächsten zur
Kameraebene liegt. Die Farbe dieses Partikels wird in diesem Punkt dargestellt.
Im Falle von transparenten Objekten wird neben dem vorderen transparenten
Flächenstück auch die
dahinterliegende Geometrie in abgeschwächter Form dargestellt.
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Ein
Verfahren zum Texturieren von 3D-Bildern ist in der
EP 725 366 A2 beschrieben.
Bei diesem als MIP-Mapping bezeichneten Verfahren wird ein 3D-Bild
zur Anzeige auf einem Bildschirm texturiert, indem für bestimmte
Positionen auf dem Bildschirm Textur-Bilddaten aus einem Speicher
entsprechend der Bilddaten entnommen wird und ein geeigneter Teil
der Textur-Bilddaten an der Position des Bildschirms abgebildet
wird. Mit dem beschriebenen MIP-Mapping Verfahren kann der Betrachtungswinkel,
den ein Betrachter zu dem anzuzeigenden Gegenstand hat nicht berücksichtigt
werden.
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Weiterhin
ist in dem Artikel „Texture
extraction from photographs and rendering with dynamic texture mapping" von Genc,S. und
Atalay, V. (Proc. Int. Conference on Image Analysis and Processing,
1999, Seite 1055-1058) ein Verfahren zur Darstellung eines Gegenstandes
beschrieben, wobei die Texturen der Oberfläche aus Bildern extrahiert
werden, die aus unterschiedlichen Winkeln zu dem Gegenstand aufgenommen
wurden. Hierbei muss eine große
Anzahl von Bildern bezüglich
der Textur an der Oberfläche
extrahiert werden, um eine fotorealistische Wiedergabe des Gegenstandes
zu erzeugen.
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Z-Bufferalgorithmen
sind sehr einfach aufgebaut und können fest in einer Grafikhardware
implementiert werden. Die daraus resultierende Geschwindigkeit ermöglicht es,
große
Datenmengen in Echtzeit darzustellen. Allerdings wird bei diesem
Verfahren jedes Geometriepartikel isoliert von der Umgebung betrachtet,
so dass in reflektierenden Objekten die Umgebung nicht realistisch
dargestellt werden kann. Mit Hilfe sogenannter Environmentmaps kann
der Eindruck von reflektierenden Oberflächen erzeugt werden. Um den
darzustellenden Oberflächenpunkt
wird dabei eine Sphäre
gelegt, auf der eine Textur die zu reflektierende Umgebung darstellt.
Der Sichtstrahl des Betrachters zum Oberflächenpunkt wird an der Oberfläche gespiegelt
und der entsprechende Farbpunkt auf der Sphäre kennzeichnet den im Oberflächenpunkt
sichtbaren Farbwert. Durch die Verwendung von Environmentmaps scheint
sich zwar etwas in der Oberfläche
zu spiegeln, Umgebungselemente sind durch diese Technik aber nicht
sichtbar. Neben der mangelnden Darstellung von Reflektionen sind Refraktionen – die Brechung
des Lichtstrahls in einem teiltransparenten Objekt – nicht
möglich.
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Neben
dem Z-Bufferverfahren ist als weitere Visualisierungsmethode das
sogenannte Raytracingverfahren bekannt. Das Raytracingverfahren
verfolgt einen vollständig
anderen Ansatz. Ausgehend von einem Betrachter werden Strahlen in
den Raum geschickt. Trifft der Strahl auf eine Oberfläche auf,
so wird er, je nach Oberflächeneigenschaften,
diffus gestreut, reflektiert, oder aber er tritt refraktiv in das
Objekt ein. Eine Kombination der drei Möglichkeiten ist vorstellbar.
In diesem Fall wird der Strahl in mehrere Strahlen aufgeteilt, einer wird
an der Oberfläche
reflektiert, der zweite tritt unter Beachtung eines Brechungsindex
in das Objekt ein. Die jeweils neu erzeugten Strahlen werden weiter
verfolgt und eventuell erneut reflektiert oder innerhalb anderer Objekte
gebrochen. Der Farbwert, des Oberflächenpunkts ist die gewichtete
Mischung der Farbwerte der beiden Strahlen sowie der Oberflächenfarbe
an diesem Punkt.
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Die
Datenstruktur, die zum Durchführen
eines solchen Verfahrens notwendig ist, ist im Vergleich zu der
Datenstruktur des Z-Bufferverfahrens wesentlich komplexer. In der
Regel wird eine baumartige Datenstruktur benötigt. Aufgrund dieser Komplexität kann dieses
Verfahren in der Regel nicht als Hardwarelösung implementiert werden.
Die Berechnungszeit kann darüber
hinaus, je nach Komplexität
der dargestellten Geometrie, sehr lang sein. Allerdings kann mit
dieser Methode eine sehr hohe Qualität der Darstellung erzielt werden.
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Schließlich ist
für die
aussagekräftige
Beurteilung von virtuellen Designmodellen neben der Darstellungsqualität das Darstellungsmedium
von großer
Bedeutung. Ein mögliches
Medium ist die Echtzeitvisualisierung. Hierbei muss zur Gewährleistung
des Echtzeitanspruchs als Visualisierungsverfahren das Z-Bufferverfahren
verwendet werden. Refraktionen sind allerdings nicht darstellbar
und Reflektionen können
nur mittels Environmenttexturen angedeutet werden.
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In
der Echtzeitvisualisierung werden komplexe Strukturen über Texturen
dargestellt, vergleichbar mit Bildern, die auf eine Oberfläche geklebt
werden. Dadurch ist es möglich,
die Menge der darzustellenden Geometrie zu reduzieren und optische
Effekte als planares Abbild darzustellen. Diese Texturen können sehr
realistisch wirken, besitzen aber den großen Nachteil, dass diese gerade
bei einer dargestellten Tiefenwirkung der Geometrie nur aus der
Perspektive, aus der sie aufgenommen wurden, realistisch aussehen.
In anderen Perspektiven wirken sie verzerrt und sind nicht verwendbar.
Es ist somit nicht möglich,
mit Hilfe einer auf eine Ebene projizierten Textur den aktuellen
Konstruktionsstand aus Designsicht zu diskutieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung zur verzerrungsfreien Darstellung eines Produkts
in einer Echtzeitvisualisierung, die eine hohe Interaktivität erlaubt.
Insbesondere soll die Darstellung auch dann verzerrungsfrei sein,
wenn das Produkt aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet wird.
Gleichzeitig soll die Darstellungsqualität hoch sein.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe ideal
gelöst
werden kann durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, die die unterschiedlichen
möglichen
Positionen eines Betrachters bei der Ermittlung der für die Darstellung
notwendigen Parameter berücksichtigen.
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Die
Aufgabe wird daher gelöst
durch ein Verfahren zur Darstellung eines computermodellierten Gegenstands,
das einen Preprocessing- und einen Visualisierungsschritt umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Preprocessingschritt Parameter
für zumindest
einen Teil zumindest einer Oberfläche des darzustellenden Gegenstands
ermittelt und in ein Parameterfeld abgelegt werden, wobei die Parameter
für jeden
Teil der mindestens einen Oberfläche
für unterschiedliche
Perspektiven der Betrachtung bestimmt werden. Hierbei werden die
Parameter, die Texturen der Oberflächenpunkte darstellen, mittels
eines Raytracingverfahrens ermittelt. Ferner wird in dem Visualisierungsschritt
mindestens eine Betrachtungsperspektive ausgewählt und es erfolgt mittels
der für
diese Perspektive bestimmten Parameter eine Echtzeitdarstellung
des Gegenstandes. Dabei wird die Betrachtungsperspektive über einen
Rotationswinkel um einen Fixpunkt in dem darzustellenden Gegenstand
bestimmt.
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Unter
Perspektive der Betrachtung wird im Sinne dieser Erfindung die Position
und Orientierung eines Betrachters oder einer Kamera bezüglich des
Gegenstands verstanden. Durch die Bestimmung von Parametern für unterschiedliche
Perspektiven können
in dem Parameterfeld sämtliche
Parameter abgelegt werden, die für
mögliche
Positionen und Blickwinkel eines Betrachters erforderlich sind.
Eine Berechnung dieser Parameter während einer Visualisierung
kann daher entfallen und eine Echtzeitvisualisierung kann daher
ermöglicht
werden.
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Unter
Parametern werden im Sinne dieser Erfindung Visualisierungsparameter
verstanden. Diese Parameter stellen Texturen der Oberflächenpunkte
der mindestens einen Oberfläche
dar. Die Visualisierungsparameter werden auf der Basis des Raytracingverfahrens
ermittelt. Dadurch können
auch Reflektionen und Refraktionen innerhalb des Gegenstands korrekt
dargestellt werden und die Darstellungsqualität kann deutlich verbessert
werden. Die Verwendung des Raytracingverfahrens ist für die Echtzeitvisualisierung
nur mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich.
Da die Parameter, insbesondere die Texturen, in einem Preprocessingschritt
berechnet werden, beeinflussen die für das Raytracingverfahren notwendigen
langen Rechnungszeiten die Echtzeitwirkung nicht. Aus diesem Grund
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch komplexere Gegenstände,
die zumindest teilweise reflektierende oder teildurchsichtige Bestandteile
aufweisen, in hoher Qualität
in Echtzeit dargestellt werden. Einen solchen Gegenstand stellen
beispielsweise Beleuchtungselemente, wie die Heckleuchten eines
Kraftfahrzeugs, dar.
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Vorzugsweise
wird jedem Parameter ein Index zugewiesen, wobei der Index zumindest
die Information über
die Perspektive der Betrachtung beinhaltet. Durch die Zuweisung
von Indices können
bei einer späteren
Ausgabe der Visualisierungsparameter diejenigen Parameter gemeinsam
ausgelesen werden, die für
eine bestimmte Betrachtungsperspektive aufgenommen wurden.
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In
dem Visualisierungsschritt werden daher bevorzugt Parameter aus
dem Parameterfeld ausgelesen, wobei eine Betrachtungsperspektive
ausgewählt
wird und die bezüglich
dieser Perspektive bestimmten und abgelegten Parameter ausgelesen
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer Ausführungsform
so ausgelegt sein, dass in dem Preprocessingschritt
- – um
den darzustellenden Gegenstand eine Teilsphäre gelegt wird,
- – diese
Teilsphäre
in diskreten Schritten in den Höhen-
und Breitengraden der Teilsphäre
durchlaufen wird,
- – für jeden
diskreten Punkt der Teilsphäre,
der sich durch einen diskreten Höhen-
und Breitengrad auszeichnet, die Texturen mindestens einer der Oberflächen des
Gegenstands bestimmt werden,
- – diese
Texturen mit jeweils einem Index versehen werden, der zumindest
den Höhen-
und Breitengrad der Teilsphäre,
von dem aus diese berechnet wurden, beinhaltet, und
- – diese
indizierten Texturen in ein Texturenfeld abgelegt werden,
- – und
dass in dem Visualisierungsschritt eine Kameraanimation verwendet
wird, bei der die Kameraposition um einen in dem Gegenstand befindlichen
Fixpunkt gedreht werden kann,
- – der
Rotationswinkel der Kamera ermittelt wird,
- – aus
diesem Rotationswinkel der Index bestimmt wird, mit dem die zu verwendenden
Texturen in dem Texturenfeld versehen sind, und
- – diese
Texturen auf die mindestens eine Oberfläche des darzustellenden Gegenstands
projiziert werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch
eine Vorrichtung zur Darstellung eines computermodellierten Gegenstands
in Echtzeit, die zumindest eine Kameraanimationseinheit, mindestens
eine Bestimmungseinheit für
Parameter, die eine Berechnungseinheit von Texturen zur Berechnung auf
der Basis des Raytracingverfahrens darstellt, mindestens einer Oberfläche des
Gegenstands, mindestens eine Indexvergabeeinheit, mindestens eine
Speichereinheit für
ein Parameterfeld, mindestens eine Kameraeinstellvorrichtung, mindestens
eine Indexberechnungseinheit zur Berechnung eines Index aus der
Kameraposition, mindestens eine Parameterauswahleinheit und mindestens
eine Projiziereinheit umfasst, wobei die Freiheitsgrade der Kamera
auf die Rotation um einen Fixpunkt in dem darzustellenden Gegenstand
beschränkt
sind. Die Einheiten der Vorrichtung können als Vorrichtungen oder
als Software-Programm vorliegen. Es ist auch möglich, dass mehrere Einheiten
zusammengefasst sind.
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Die
Parameterauswahleinheit kann eine Vergleichseinheit darstellen,
in der der aus der Kameraposition berechnete Index mit den in der
Indexvergabeeinheit vergebenen Indices verglichen wird.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Anzeigevorrichtung verbunden, die einen Monitor oder eine
Powerwall darstellt. Über
diese Anzeigevorrichtungen können
die ermittelten Darstellungen des Gegenstands ausgegeben werden.
Zusätzlich
ist in der Regel eine Eingabevorrichtung vorgesehen, die beispielsweise
eine Tastatur oder ein Touchpad darstellen kann und mittels derer
die Betrachtungsposition bzw. die Kameraposition verändert werden
kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet.
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Merkmale
und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben werden, gelten ebenso für die erfindungsgemäße Vorrichtung
und umgekehrt.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand einer Ausführungsform des Verfahrens an
dem Beispiel der Darstellung einer Heckleuchte eines Kraftfahrzeugs
erläutert
werden. Hierzu wird Bezug auf die Figuren genommen. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Heckleuchte mit der durch eine
Kameraanimation gebildeten Späre
um die Heckleuchte; und
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2:
ein Flussdiagramm des Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Eine
Heckleuchte besteht in der Regel im wesentlichen aus den im Folgenden
genannten Komponenten: Sie umfasst ein Gehäuse, das reflektierend ausgestaltet
ist und in dem Reflektoren eingebettet sind, fünf Lampen, zwei Zusatzlichtscheiben,
die über
dem Rück-,
Brems- und Nebelschlusslicht bzw. über dem Rückfahr- und Blinklicht angeordnet
sind, und eine Lichtabschlussscheibe. Zur Darstellung der Heckleuchte
wird die Lichtabschlussscheibe als die Oberfläche verwendet, für die die
Texturen bestimmt werden bzw. auf die die Texturen projiziert werden.
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Erfindungsgemäß werden
die Texturen eines jeden Oberflächenpunkts
für verschiedene
Perspektiven, die der Betrachter einnehmen kann, bestimmt. Hierzu
kann, wie in 1 gezeigt, in der Visualisierungssoftware
eine Kameraanimation mit einer Kamera K aufgebaut werden, in der
in einer Teilsphäre
S um die Heckleuchte H, die in 1 nur schematisch
angedeutet ist, die Höhen-
(h) und Breitengrade (b) der Sphäre systematisch
in diskreten Schritten (αi, βj)(i,j) mit αi ∊ [αmin, αmax],
i ∊ [0,maxhor] βj ∊ [βmin, βmax],
j ∊ [0,maxver]durchlaufen
werden. Die Form der Sphäre
wird dem darzustellenden Gegenstand angepasst. Bei einer Heckleuchte
kann beispielsweise eine Halbkugel ausreichen. Durch das Durchlaufen
der verschiedenen Positionen entsteht somit eine Folge von Visualisierungen
der Heckleuchte. Diese Visualisierungen werden vorzugsweise auf
der Basis des Raytracingverfahrens erhalten, damit Reflektionen
und Refraktionen innerhalb der Heckleuchte korrekt dargestellt werden
können.
Die Visualisierungsdaten erhalten beim Durchlaufen der Höhen- und
Breitengrade einen laufenden Index, der zu jeder Höhen- und
Breitenposition (αi, βj) innerhalb der Diskretisierung eindeutig
eine Textur zuordnet. Nach der Vergabe des Index werden die Texturen
aufbereitet, bevor diese in einem Texturfeld abgelegt werden.
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Innerhalb
des Echtzeitvisualisierungssystems werden die Freiheitsgrade der
Kamera auf die Rotation (θ, ψ) um einen
Fixpunkt F innerhalb der Heckleuchte eingeschränkt. Dadurch ist gewährleistet,
dass der Betrachter nur Positionen einnehmen kann, für die in
dem Preprocessingschritt die relevanten Texturen aufgenommen wurden.
Bei einer Änderung
der Perspektive des Betrachters wird eine Neutexturierung der Lichtabschlussscheibe
der Heckleuchte bewirkt. Eine Verzerrung der Darstellung erfolgt
hierbei nicht, da für
jede mögliche
Position des Betrachters die Texturen im Vorfeld ermittelt wurden.
Die Entfernung r der Kamera zu dem Fixpunkt ist frei wählbar. Der
Qualitätsverlust
durch die Skalierung der Textur bei einer Annäherung des Betrachters an die
Heckleuchte kann mit Hilfe einer ausreichenden Texturgröße entgegen
gewirkt werden.
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Abhängig von
dem Rotationswinkel (θ, ψ) der Kamera
kann eindeutig die geeignetste Textur mit dem Index index im Texturfeld
ermittelt werden und auf die Lichtabschlussscheibe der Heckleuchte
projiziert werden. Hierbei wird der Index nach folgender Formel
aus dem Rotationswinkel berechnet:
wobei α
min und α
imax bzw. β
min und β
imax die
minimalen und maximalen Höhen-
bzw. Breitengrade der in dem Preprocessingschritt gewählten Teilsphäre, und
max
hor und max
ver die
maximale Anzahl der diskreten Schritte, die im Preprocessingschritt
in horizontaler und vertikaler Richtung durchlaufen wurden, sind.
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Die
Indizierung der Texturen beginnt mit 0. Insgesamt werden maxhor∙maxver Texturen benötigt, so dass z.B. bei einer
Texturauflösung
von 512∙512
Pixel und einer vertikalen und horizontalen Auflösung von 25 bzw. 15 etwa 280
MByte Texturspeicher benötigt
werden. Dieser kann durch einen ausreichend dimensionierten Grafikspeicher
realisiert werden.
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Trotz
der Rundungsfehler, die durch die Berechnung „Round" entstehen, erscheint der Übergang
der Texturen sehr fließend.
Die Rundungsfehler sind abhängig
von der Diskretisierungsfeinheit der horizontalen und vertikalen
Winkelschritte.
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Dieser
mögliche
Verfahrensablauf, der den Preprocessing und den Visualisierungsschritt
umfasst, ist in 2 angedeutet. Es sei bemerkt,
dass der Visualisierungsschritt nach dem einmaligen Durchführen des Preprocessingschritts
beliebig oft wiederholt werden und so der Gegenstand aus verschiedenen
Perspektiven in Echtzeit betrachtet werden kann, ohne eine Verzerrung
des dargestellten Gegenstands zu erhalten.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Insbesondere
kann die Vergabe der Indizes für
die Visualisierungsparameter und die Ermittlung des geeigneten Index
für eine
bestimmte Perspektive der Betrachtung auch auf andere Weise erfolgen.
So können beispielsweise
als Indizes in dem Preprocessingschritt die Rotationswinkel der
Kamera bezüglich
eines Fixpunkts vergeben werden, während die Kamera in der Kameraanimation
die Rotationswinkel in Inkrementen durchläuft. In diesem Fall kann die
Berechnung des Index im Visualisierungsschritt entfallen und unmittelbar durch
den Vergleich der aktuellen Kameraposition im Visualisierungsschritt
mit dem Index in dem Texturfeld die geeignete Textur ermittelt werden.
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Weiterhin
kann bei der Berechnung der Texturen erfindungsgemäß auch ein
sogenanntes Beleuchtungsmodell, das auch Shader genannt wird, berücksichtigt
werden. Dieser Shader bestimmt für
den relevanten Geometriepunkt die Farbe, dargestellt durch einen
Rot-Grün-Blau-Wert
(RGB-Wert), sowie die Helligkeit des Geometriepunkts. Ansätze, die
hierzu existieren, sind beispielsweise das Lambert-, Phong- oder
Blinnshading.
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In
der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens wurde
davon ausgegangen, dass die Texturen alle auf eine Geometrie, beispielsweise
die Lichtabschlussscheibe, projiziert werden. Es ist aber auch möglich jede
Textur auf eine eigene Geometrie zu projizieren oder zumindest einige
Texturen auf eine und weitere Texturen auf eine andere Geometrie
zu projizieren. Durch diese Vorgehensweise kann die Darstellungsqualität noch zusätzlich erhöht werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann somit ein Mittel geschaffen werden, das auf einfache Weise
eine sehr verzerrungsarme Darstellung von photorealistischen Heckleuchtentexturen
und eine interaktive Designbeurteilung erlaubt. Weiterhin kann der
Aufbereitungsprozess größtenteils
automatisch erfolgen. Schließlich
wird eine freie Interaktion um die zu begutachtende Heckleuchte
ermöglicht.
